Насосный способ добычи нефти: оборудование, особенности и принципы работы

Добыча углеводородов — сложный и дорогостоящий процесс. Любая ошибка или недосмотр могут обернуться серьёзными финансовыми и экологическими проблемами. Потому так важно правильно выбирать способ, с помощью которого ценный ресурс будет извлечён из недр. 

Для начала напомним, что добыча нефти осуществляется через специальные отверстия в земле — скважины. Чаще всего скважина представляет собой цилиндрическую выработку, имеющую относительно небольшой диаметр, но значительную глубину. Как правило, диаметр нефтяных скважин уменьшается от устья, то есть от того места, где скважина выходит на поверхность, до забоя, который находится на дне скважины. Он варьируется от 40 до 900 миллиметров. 

В России средняя глубина нефтедобывающих скважин составляет порядка 2500 метров.

Для обеспечения устойчивости стенок скважин и предотвращения их обрушения в процессе добычи нефти, в них устанавливают специальные трубы, которые называются обсадными. Они играют важную роль в процессе бурения и эксплуатации скважин, так как защищают структуру от внешних факторов и помогают поддерживать необходимое давление. 

В зависимости от геологических условий, в которых располагается нефтяное месторождение, могут буриться различные типы скважин. К ним относятся вертикальные, наклонно-направленные, горизонтальные и многозабойные (или многоствольные) скважины. Длина скважины определяется как расстояние между устьем и забоем, измеряется по оси ствола. Глубина же скважины представляет собой проекцию её длины на вертикальную ось. Для вертикальных скважин длина и глубина совпадают, однако в случае наклонно-направленных и горизонтальных эти параметры могут значительно различаться. 

Нефтяные скважины могут быть пробурены как на суше, так и на морском дне, однако в данном контексте мы не будем углубляться в процесс бурения, а сосредоточимся на методах, которые используются для добычи нефти, или, как это принято называть в отрасли, на способах эксплуатации скважин. 

В настоящее время существуют два основных метода эксплуатации нефтяных скважин: фонтанный и механизированный. Про особенности первого мы рассказывали в статье «Фонтанная добыча нефти: прошлое, настоящее и будущее».   

Механизированный метод, в свою очередь, делится на два подтипа: газлифтный и насосный. Выбор того или иного способа эксплуатации зависит от ряда факторов, таких как величина пластового давления, глубина залегания продуктивного пласта, состав нефти, степень её обводнённости (то есть процентное содержание воды в нефти), а также напор жидкости в стволе скважины и пр.

В данной статье мы подробно рассмотрим особенности насосного способа добычи углеводородов. 

К газлифтному методу вернёмся в одном из будущих материалов. Следите за новостями в нашем Telegram-канале и соцсетях! 

Насосный способ нефтедобычи — что это? 

Насосный метод извлечения нефти — это высокоэффективная технология, которая позволяет добывать нефть с использованием специализированных насосных установок. Эти установки играют ключевую роль в процессе подъёма нефти из скважин на поверхность. 

Данный метод применяется в тех случаях, когда естественная пластовая энергия, существующая в нефтяном резервуаре, оказывается недостаточной для подъёма необходимого объёма жидкости на требуемую высоту.

Виды насосных установок для добычи углеводородов 

Существует несколько типов насосных установок, которые применяются для добычи нефти, каждая из которых имеет свои особенности и принципы работы. 

Штанговые глубинные насосы (УШГН) функционируют по принципу поршневого устройства. Они используют возвратно-поступательные движения наземного привода, которые передаются через колонну насосных штанг глубинному насосу, что позволяет поднимать нефть к поверхности. 

Установки электроцентробежных насосов (УЭЦН). В данном случае насос приводится в действие электрическим двигателем, который располагается непосредственно в скважине. Подвод электроэнергии к насосу осуществляется по специальному кабелю, что обеспечивает его эффективную работу.

Установки электроприводных винтовых насосов (УЭВН). Это насосы объёмного действия, где подача жидкости прямо пропорциональна частоте вращения специального винта. В процессе вращения винт (ротор) и его обойма (статор) образуют по всей длине ряд замкнутых полостей, которые перемещаются от приёма насоса к его выкиду, перемещая вместе с собой и откачиваемую жидкость.

Оборудование для насосной добычи нефти

Для эффективного функционирования насосного метода добычи нефти помимо самого насоса требуется также дополнительное оборудование, как погружное (устанавливаемое в скважине), так и наземное. Так, в состав штанговой глубинной установки могут входить: 

Станок-качалка — устройство служит приводом для насоса и приводится в движение с помощью электрического двигателя через ременную передачу. Станок-качалка обеспечивает необходимое движение плунжера, что позволяет осуществлять процесс подъёма нефти на поверхность. 

Колонна штанг передаёт движение от привода к плунжеру. Это конструкция, состоящая из нескольких отдельных штанг, которые соединяются между собой с помощью специальных муфт.

Штанги представляют собой стержни с круглым поперечным сечением, на концах которых имеются высаженные участки, имеющие квадратное сечение и резьбу. Резьба необходима для того, чтобы соединять штанги с муфтами. Участок квадратного сечения также играет важную роль, так как он предназначен для захвата штанги ключом, который используется при свинчивании и развинчивании резьбового соединения. Именно это и позволяет легко и быстро производить монтаж и демонтаж колонны. 

Следующим важным элементом являются штанговые муфты. Они, как правило, имеют внутреннюю резьбу на обоих концах и служат для соединения насосных штанг между собой. Муфты обеспечивают необходимую жёсткость и устойчивость всей конструкции, позволяя колонне работать эффективно и без сбоев. 

Кроме того, в конструкции колонны штанг присутствует устьевой шток — стержень, который также имеет резьбу на обоих концах. Он соединяет колонну штанг с приводом штанговой установки, расположенной на поверхности. Устьевой шток участвует в передаче усилия от привода к колонне штанг. 

Ещё одним элементом колонны являются утяжелённые штанги. Они имеют увеличенный диаметр и создают дополнительную нагрузку в нижней части конструкции, что помогает поддерживать её стабильность и предотвращает колебания при работе. 

Для точной регулировки положения плунжера относительно цилиндра скважинного насоса используются короткие штанги, которые называют «метровками». Их длина варьируется от 1000 до 3000 мм и позволяет специалистам настраивать систему точнее. 

Плунжер — подвижный поршень глубинного насоса, совершающий поступательно-возвратное движение. Работает совместно с клапанами для всасывания и нагнетания нефти в цилиндре насоса.

Принцип работы насосного метода

На примере УШГН рассмотрим, как функционирует данный способ добычи нефти. В штанговой глубинной насосной установке используется принцип возвратно-поступательного движения плунжера, который передаёт свои движения от станка-качалки через колонну насосных штанг.

В процессе работы, когда плунжер поднимается вверх, открывается всасывающий клапан, что позволяет нефти из скважины заполнять цилиндр насоса. На этапе опускания плунжера всасывающий клапан закрывается, а нагнетательный клапан, в свою очередь, открывается. Таким образом нефть из цилиндра перетекает в колонну компрессорных труб. Затем она выходит через устьевую арматуру в нефтепровод. 

Благодаря многократным движениям плунжера подъёмные трубы постепенно заполняются, и в конечном итоге жидкость из скважины начинает поступать на поверхность через выкидную линию. 

Насосный метод добычи для сложных месторождений

Насосный способ добычи нефти применяется на тех месторождениях, где запасы нефти, доступные для извлечения, истощены или трудно извлекаемы. Этот метод особенно актуален в ситуациях, когда необходимо работать в сложных условиях. В частности, он применяется на скважинах с пескопроявлениями, где добываемая нефть содержит парафин, или в случаях высокого газового фактора. 

Кроме того, насосные установки могут использоваться для эффективной откачки коррозионных жидкостей. 

Минусы и плюсы

Среди преимуществ насосного способа добычи можно выделить его регулируемую производительность, что позволяет адаптировать процесс нефтедобычи к изменяющимся условиям и требованиям. 

Также стоит отметить простоту как планового, так и внепланового технического обслуживания оборудования, что значительно упрощает эксплуатацию. 

Этот метод также позволяет эффективно извлекать нефть из наклонных эксплуатационных скважин, что является важным фактором для увеличения общего объёма добычи. 

Однако, несмотря на все положительные стороны, насосный способ имеет и свои недостатки. Одним из основных ограничений является то, что в искривлённых скважинах использование насосов не представляется возможным из-за особенностей их механизма. 

Кроме того, глубина бурения скважин напрямую зависит от веса комплектующих насосного оборудования, что может стать серьёзным препятствием при работе на больших глубинах. 

Также следует учитывать и ограниченный срок службы насосов: оборудование требует регулярной замены и обслуживания, что может привести к дополнительным затратам и временным потерям в процессе добычи. 

Таким образом, насосный способ добычи нефти представляет собой достаточно сложный метод эксплуатации скважин, который требует внимательного подхода к выбору оборудования и технологии, а также учёта всех возможных факторов, влияющих на его эффективность и надёжность. 

Важно отметить, что выбор конкретного типа насосной установки зависит от множества факторов, включая глубину скважины, характеристики нефти и условия эксплуатации.