Насосы ПВП

Насосы ПВП: конструкция, принцип действия, сферы применения и технические аспекты эксплуатации

Насосы ПВП (Плунжерный Вертлюговый Погружной) представляют собой специализированный тип штанговых глубинных насосов, предназначенных для добычи пластовой жидкости из нефтяных скважин. Данный тип оборудования является ключевым элементом установок штанговых насосов (УШН), широко известных как «качалки». Основное функциональное отличие ПВП от традиционных вставных (НСВ) насосов заключается в способе спуска в скважину и конструкции узла подвески. Если НСВ спускается на колонне насосных труб и садится на забойный упор, то ПВП спускается непосредственно на колонне штанг и подвешивается в скважине с помощью вертлюга, что определяет его эксплуатационные особенности.

Конструктивные особенности насосов ПВП

Конструкция насоса ПВП является модульной и включает несколько ключевых узлов, собранных в единую сборку, которая крепится к нижнему концу колонны штанг.

• Вертлюг (Узел подвески): Верхний элемент насоса, предназначенный для подвешивания всей сборки на колонне насосно-компрессорных труб (НКТ) с помощью специального замка или конуса. Вертлюг обеспечивает свободное вращение насоса относительно труб при ходе штанг вниз, предотвращая их свинчивание. В его корпусе расположен обратный клапан (шариковый или конусный), препятствующий оттоку жидкости из колонны НКТ при ходе плунжера вниз.
• Цилиндр: Основная рабочая гильза насоса, внутри которой перемещается плунжер. Изготавливается из высокопрочных износостойких материалов (часто с хромированным или нитрид-титанированным покрытием). Цилиндр имеет каналы для подвода жидкости.
• Плунжер: Прецизионная пара к цилиндру. Представляет собой длинную деталь с каналами и насадочным клапаном (нагнетательным). Наружная поверхность имеет высокий класс чистоты и твердости. Плунжер жестко соединен с колонной штанг через внутреннюю полость цилиндра и вертлюга.
• Насадочный (нагнетательный) клапан: Расположен в верхней части плунжера. Обычно шарикового типа. Открывается при ходе плунжера вверх, позволяя жидкости перетекать из пространства под плунжером в надплунжерное пространство.
• Приемный (всасывающий) клапан: Расположен в нижней части цилиндра. Также шарикового типа. Открывается при ходе плунжера вверх, обеспечивая всасывание жидкости из скважины в цилиндр.
• Кожух (труба отвода газа): Устанавливается над приемным клапаном. Предназначен для сепарации свободного газа, поступающего вместе с жидкостью, и отвода его в затрубное пространство, тем самым повышая коэффициент наполнения насоса.

Принцип работы насоса ПВП

Работа насоса ПВП синхронизирована с циклом работы станка-качалки. Один полный цикл включает ход вверх и ход вниз.

• Ход плунжера вверх (всасывание и передача): При подъеме колонны штанг плунжер движется вверх относительно неподвижного цилиндра (который подвешен на вертлюге). В подплунжерном пространстве создается разрежение. Приемный клапан открывается, и пластовая жидкость поступает в цилиндр. Одновременно закрытый нагнетательный клапан в вертлюге (обратный) удерживает столб жидкости в колонне НКТ. Нагнетательный клапан плунжера также открывается под давлением жидкости, находящейся над плунжером, и жидкость из подплунжерного пространства перетекает в надплунжерное.

Ход плунжера вниз (нагнетание): При опускании штанг плунжер движется вниз. Приемный клапан закрывается под давлением жидкости в цилиндре. Нагнетательный клапан плунжера также закрывается. Жидкость, находящаяся над плунжером, не может вернуться вниз и начинает давить на обратный клапан вертлюга. При превышении давления над весом столба жидкости в НКТ, обратный клапан открывается, и порция жидкости вытесняется в колонну труб. Этот процесс повторяется с каждым ходом.

Классификация и типоразмеры насосов ПВП

Насосы ПВП классифицируются по ключевым параметрам, которые определяют их производительность и область применения. Основные параметры регламентируются ГОСТ 6447-2018 «Насосы штанговые скважинные. Общие технические условия».

Таблица 1. Основные типоразмеры насосов ПВП

Условное обозначение (Пример)	Диаметр цилиндра, мм	Диаметр плунжера, мм	Длина хода плунжера, м	Теоретическая производительность*, м³/сут	Глубина спуска, м, не более
ПВП 28-1,5-10	28	28	1.5; 3.0; 4.5	10-30	1200-1500
ПВП 32-2,0-15	32	32	1.5; 3.0; 4.5	15-45	1000-1200
ПВП 38-3,0-30	38	38	1.5; 3.0; 4.5	30-90	800-1000
ПВП 44-4,5-50	44	44	1.5; 3.0; 4.5	50-150	600-800
ПВП 57-6,0-100	57	57	1.5; 3.0; 4.5	100-300	400-600

*Производительность указана для хода 1.5м и числа качаний 5-15 в минуту. Является теоретической и зависит от коэффициента наполнения.

Также насосы различаются по:

• Материалу пары трения цилиндр-плунжер: Стальные (без покрытия), с износостойким покрытием (хром, нитрид титана), биметаллические (стальной корпус с внутренней гильзой из легированного чугуна), с керамическим покрытием.
• Типу клапанов: Шариковые (стандартные), конические (для вязких жидкостей и сред с механическими примесями).
• Наличию и типу газового якоря (кожуха): Прямые, спиральные, комбинированные.

Области применения и ограничения

Насосы ПВП применяются в следующих условиях:

• Эксплуатация средних и высокодебитных скважин (от 10 до 300+ м³/сут).
• Скважины с относительно малым газовым фактором или при использовании эффективных газовых якорей.
• Добыча нефти с повышенной вязкостью (при использовании клапанов специальной конструкции).
• Скважины с высоким содержанием механических примесей (песка) – требуются насосы с увеличенными зазорами и износостойкими материалами.
• Скважины, где требуется частая подземная ремонтная операция (ПРС) для извлечения насоса. ПВП извлекается вместе со штангами без подъема колонны НКТ, что сокращает время и стоимость ремонта.

Ограничения:

• Ограниченная глубина спуска (обычно до 1500 м, редко до 2000 м) из-за нагрузки на штанги весом всего насосного оборудования.
• Чувствительность к высокому газовому фактору без применения эффективных газовых сепараторов.
• Повышенный износ штанг и НКТ в точке подвеса вертлюга из-за переменных нагрузок.
• Невозможность применения в сильно искривленных и горизонтальных скважинах.

Сравнение насосов ПВП и НСВ (вставных насосов)

Таблица 2. Сравнительная характеристика ПВП и НСВ

Критерий	Насос ПВП	Насос НСВ
Способ спуска/подъема	На колонне штанг	На колонне НКТ (труб)
Время проведения ПРС	Меньшее (подъем только штанг)	Большее (подъем колонны НКТ или ее части)
Производительность	Выше, за счет большего диаметра цилиндра при том же диаметре НКТ	Ниже, так как цилиндр размещен внутри посадочного узла
Ремонтопригодность	Цилиндр и плунжер ремонтируются совместно, замена на скважине затруднена	Плунжерная пара может быть заменена на скважине без подъема цилиндра
Надежность подвески	Меньшая, риск отрыва насоса и его падения на забой	Высокая, насос садится на жесткий забойный упор
Стоимость эксплуатации	Ниже за счет сокращения времени ПРС	Выше из-за затрат на подъем НКТ

Критерии выбора и основные расчетные параметры

Выбор насоса ПВП для конкретной скважины является инженерной задачей, основанной на гидродинамическом расчете. Ключевые этапы:

1. Определение требуемой производительности (Q): На основе дебита скважины, коэффициента наполнения (учитывающего газовый фактор и другие параметры).
2. Выбор диаметра насоса (D): По формуле теоретической производительности Q = 1440 F S n η, где F – площадь сечения плунжера, S – длина хода полированного штока, n – число качаний, η – коэффициент наполнения (0.4-0.8).
3. Расчет нагрузки на полированный шток: Учитывает вес столба жидкости, вес колонны штанг и насоса ПВП, силы трения, инерционные нагрузки.
4. Проверка на прочность штанг: Нагрузка не должна превышать допустимую для выбранного класса прочности штанг (D, K, L, C).
5. Выбор материала пары трения: В зависимости от абразивности среды (содержание песка) и коррозионной активности.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. В чем главное преимущество ПВП перед НСВ?

Главное эксплуатационное преимущество – значительное сокращение времени на проведение подземного ремонта скважины (ПРС) для извлечения насоса. Для подъема ПВП требуется поднять только колонну штанг, в то время как для НСВ необходимо поднимать колонну НКТ, что в несколько раз увеличивает трудоемкость и стоимость операции.

2. Почему насосы ПВП имеют ограничение по глубине спуска?

Ограничение связано с двумя факторами: прочностью штанг и весом самой насосной сборки. Весь насос ПВП (вертлюг, цилиндр, плунжер, газовый якорь) висит на колонне штанг. С увеличением глубины растет вес штанг и насоса, а также нагрузка от столба жидкости. Это приводит к превышению допустимых нагрузок на штанги (риск обрыва) и к значительному увеличению упругих деформаций колонны штанг, что снижает КПД установки.

3. Как бороться с песком в скважине при использовании ПВП?

Для работы в условиях повышенного содержания механических примесей применяют:

• Насосы с увеличенными радиальными зазорами в паре цилиндр-плунжер (т.н. «песочные» исполнения).
• Износостойкие материалы пар трения: биметаллические цилиндры, плунжеры с напылением карбида хрома или керамики.
• Специальные клапаны с коническими седлами, менее чувствительные к заклиниванию абразивными частицами.
• Оптимизацию режима откачки для создания стабильного потока у приема насоса.

4. Что такое «коэффициент наполнения» насоса и от чего он зависит?

Коэффициент наполнения (η) – это отношение фактически откачанного объема жидкости к теоретическому объему, описываемому плунжером. Выражается в долях единицы или процентах. Зависит от:

• Газового фактора: Основная причина снижения. Свободный газ занимает часть объема цилиндра.
• Негерметичности клапанов: Износ или заклинивание клапанов приводят к перетечкам.
• Упругих деформаций штанг и труб: Часть хода плунжера тратится на растяжение колонны штанг и сжатие столба жидкости.
• Несовершенства притока из пласта: Если пласт не успевает восполнять отбираемую жидкость, давление на приеме насоса падает.

5. Когда целесообразно переходить с НСВ на ПВП на эксплуатируемой скважине?

Переход целесообразно рассматривать в случаях:

• Увеличения дебита скважины, когда требуется насос большего диаметра, который не помещается в посадочный узел НСВ при тех же НКТ.
• Учащения ПРС, связанных с отказом насосного оборудования, где экономия времени на подъеме даст значительный финансовый эффект.
• Плановой замены насосного оборудования с целью оптимизации фонда скважин и сокращения эксплуатационных расходов на сервис.

При этом необходимо проверить расчетом допустимые нагрузки на существующую колонну штанг.

6. Каковы типичные неисправности насосов ПВП и их диагностика?

• Снижение производительности (уход жидкости): Признак – динамограмма имеет форму, близкую к идеальной, но производительность низкая. Причины: износ или заклинивание нагнетательного клапана вертлюга или насадочного клапана плунжера, негерметичность цилиндра.
• Нулевая производительность при нормальной нагрузке: Приемный клапан не открывается (заклинен, запескован) или произошел отрыв насоса от штанг.
• Повышенная нагрузка на ходу вверх: На динамограмме пик в верхней точке. Причины: заклинивание плунжера в цилиндре из-за перекоса, износа или попадания крупных механических частиц.
• Ударные нагрузки в нижней точке: Насос «садится на упор» – плунжер бьет в нижнюю пробку цилиндра. Причина: недостаточное наполнение цилиндра (преимущественно из-за газа), в результате чего плунжер не встречает жидкостного демпфирования.

Основной метод диагностики – анализ динамограммы, снимаемой с помощью динамографа.