Когда пластовое давление снижается настолько, что нефтяная скважина перестает фонтанировать на естественном режиме, ее переводят на механизированный способ добычи. Механизированная добыча может быть газлифтной или насосной.
Эксплуатация скважин глубинными погружными насосами (ШГН и ЭЦН) описана в статье: «Эксплуатация скважины».
Но кроме традиционных ШГН и ЭЦН существуют и альтернативные системы насосного оборудования для отбора продукции из нефтяных скважин.
Одной из прогрессивных технологий является механизированная добыча винтовыми штанговыми насосными установками (ВШНУ).
ВШНУ появились на нефтепромысловом рынке в начале восьмидесятых годов прошлого века в США и во Франции. И привычные станки-качалки с ШГН начали заменять ВШНУ. Причиной широкого внедрения ВШНУ стали их технико-экономические характеристики превосходящие другие насосные системы:
- простота конструкции и малая масса наземного оборудования;
- не нужен фундамент для поверхностного привода;
- легкость транспортировки, монтажа и обслуживания;
- возможность откачки высоковязких нефтей и нефтей с высоким газосодержанием;
- уравновешенность приводного механизма, постоянство нагрузок, действующих на штанги;
- равномерность потока продукции;
- снижение мощности и энергозатрат на приводной двигатель.
В настоящее время создано множество типоразмеров ВШНУ с диапазоном подач от 0,5 до 1000 м3/сут и давлением от 6 до 30 МПа.
На рисунке представлена схема конструкции современной системы ВШНУ:
Оборудование скважины винтовой штанговой насосной установкой с невставным (трубным) насосом производят в следующем порядке.
Сначала в скважину на расчетную глубину спускают подвеску насосно-компрессорных труб (НКТ) в сборе со статором винтового насоса и закрепляют низ подвески в эксплуатационной колонне. Для этого противоотворотный якорь приводят в рабочее состояние. Спущенную колонну НКТ подвешивают на трубную головку скважины.
После этого монтируют устьевую арматуру.
На втором этапе, на колонне штанг с центраторами производят спуск ротора насоса и его подгонку. Исходя из глубины посадки насоса расчетами определяют необходимое количество штанговых центраторов. В вертикальных скважинах рекомендуется устанавливать не менее пяти центраторов. Центраторы предотвращают радиальное биение штанговой колонны от планетарного вращения ротора. И предотвращают колебания полированного штока в сальнике.
На третьем этапе осуществляют монтаж верхнего привода с вращателем на устьевую арматуру. Соединяют полированный шток с колонной насосных штанг.
Асинхронный электродвигатель переменного тока с номинальной частотой вращения 1 000 об/мин через ременную, цепную или зубчатую трансмиссию передает крутящий момент валу, состоящему из насосных штанг. Таким образом, колонна насосных штанг вращает глубинный винтовой насос. Силовая трансмиссия служит и редуктором, так как применение тихоходных двигателей неэффективно.
Исполнительным органом винтового штангового насоса является винтовой героторный механизм - зубчатая пара внутреннего циклоидального зацепления.
Подробнее о винтовом насосе можно почитать в статье: «Винтовой насос».
Также существуют системы ВШНУ со вставными винтовыми насосами. Выбор ВШНУ зависит от конструкции скважины, состава и свойств компонентов пластовой продукции. Винтовые насосы имеют КПД на уровне 70%, что снижает общие эксплуатационные расходы на добычу нефти.
Наиболее эффективно применение ВШНУ на вертикальных скважинах с малой кривизной. В вертикальных скважинах центраторы не позволяют штангам контактировать с НКТ. В наклонных скважинах кроме центраторов применяют дополнительные устройства для предотвращения прилегания штанг к НКТ.
Несмотря на явные преимущества ВШНУ перед качающими насосами, они до сих пор не получили в РФ широкого применения. Хотя во многих странах винтовые насосы наиболее востребованы. В Канаде, например, 33% всех скважин оборудованы ВШНУ.
В последнее время роль ВШНУ возрастает из-за увеличивающегося объема разработки трудноизвлекаемых запасов нефти. В осложненных условиях добычи ВШНУ, иногда оказывается единственным вариантом извлечения «трудной» нефти.