Wydobywanie ropy naftowej przy uŝyciu pomp wgłębnych 311[14].Z1.06

MINISTERSTWO EDUKACJI NARODOWEJ Jerzy Andruszko Wydobywanie ropy naftowej przy uŝyciu pomp wgłębnych 311[14].Z1.06 Poradnik dla ucznia Wydawca Instytut Technologii Eksploatacji Państwowy Instytut Badawczy Radom 2007

Recenzenci: dr Piotr Kasza mgr inŝ. Władysław Kozioł Opracowanie redakcyjne: mgr inŝ. Jerzy Andruszko Konsultacja: mgr inŝ. Teresa Sagan Poradnik stanowi obudowę dydaktyczną programu jednostki modułowej 311[14].Z1.06 Wydobywanie ropy naftowej przy uŝyciu pomp wgłębnych, zawartego w modułowym programie nauczania dla zawodu technik górnictwa otworowego. Wydawca Instytut Technologii Eksploatacji Państwowy Instytut Badawczy, Radom 2007 1

SPIS TREŚCI 1. Wprowadzenie 3 2. Wymagania wstępne 5 3. Cele kształcenia 6 4. Materiał nauczania 7 4.1. Warunki stosowania i klasyfikacja pomp wgłębnych 7 4.1.1. Materiał nauczania 7 4.1.2. Pytania sprawdzające 12 4.1.3. Ćwiczenia 13 4.1.4. Sprawdzian postępów 13 4.2. Uzbrojenie wgłębne odwiertów pompowanych 14 4.2.1. Materiał nauczania 14 4.2.2. Pytania sprawdzające 25 4.2.3. Ćwiczenia 25 4.2.4. Sprawdzian postępów 27 4.3. WyposaŜenie napowierzchniowe odwiertów pompowanych 28 4.3.1. Materiał nauczania 28 4.3.2. Pytania sprawdzające 36 4.3.3. Ćwiczenia 37 4.3.4. Sprawdzian postępów 38 4.4. Rodzaje i charakterystyka Ŝerdziowych tłokowych pomp wgłębnych 40 4.4.1. Materiał nauczania 40 4.4.2. Pytania sprawdzające 46 4.4.3. Ćwiczenia 47 4.4.4. Sprawdzian postępów 48 4.5. Parametry pompowania ropy naftowej 49 4.5.1. Materiał nauczania 49 4.5.2. Pytania sprawdzające 53 4.5.3. Ćwiczenia 53 4.5.4. Sprawdzian postępów 54 4.6. WywaŜenie indywidualnych Ŝurawi pompowych i napędu kieratowego 55 4.6.1. Materiał nauczania 55 4.6.2. Pytania sprawdzające 57 4.6.3. Ćwiczenia 57 4.6.4. Sprawdzian postępów 59 4.7. Kontrola pracy pomp wgłębnych 60 4.7.1. Materiał nauczania 60 4.7.2. Pytania sprawdzające 63 4.7.3. Ćwiczenia 63 4.7.4. Sprawdzian postępów 64 5. Sprawdzian osiągnięć 65 6. Literatura 70 2

1. WPROWADZENIE Poradnik ten pomoŝe Ci w przyswajaniu wiedzy i kształtowaniu umiejętności z zakresu wydobywania ropy naftowej z odwiertów eksploatacyjnych przy uŝyciu pomp wgłębnych ujętych w modułowym programie nauczania dla zawodu technik górnictwa otworowego. W poradniku zamieszczono: wymagania wstępne wykaz umiejętności, jakie powinieneś posiadać przed przystąpieniem do nauki w tej jednostce modułowej, cele kształcenia wykaz umiejętności jakie ukształtujesz podczas pracy z tym poradnikiem, materiał nauczania czyli zestaw wiadomości, które powinieneś posiadać, aby samodzielnie wykonać ćwiczenia, pytania sprawdzające zestawy pytań, które pomogą Ci sprawdzić, czy opanowałeś podane treści i moŝesz juŝ rozpocząć realizację ćwiczeń, ćwiczenia mają one na celu ukształtowanie Twoich umiejętności praktycznych, sprawdzian postępów zestaw pytań, na podstawie których sam moŝesz sprawdzić, czy potrafisz samodzielnie poradzić sobie z zadaniami, które wykonywałeś wcześniej, sprawdzian osiągnięć zawiera zestaw zadań testowych (test wielokrotnego wyboru), literaturę wykaz pozycji, z jakich moŝesz korzystać podczas nauki. W materiale nauczania zostały przedstawione zagadnienia dotyczące warunków stosowania, klasyfikacji i charakterystyki pomp wgłębnych do eksploatacji ropy naftowej, uzbrojenia wgłębnego i wyposaŝenia napowierzchniowego odwiertów pompowanych. Przedstawiono klasyfikację, charakterystykę i zasadę działania Ŝerdziowych tłokowych pomp wgłębnych oraz sposoby napędu pomp. Poradnik zawiera takŝe informacje na temat wykonywania obliczeń wytrzymałościowych rur wydobywczych i przewodu pompowego, obliczania wydajności i innych parametrów pracy pomp Ŝerdziowych, a takŝe sposoby wywaŝania Ŝurawi pompowych i napędu kieratowego. Ostatni rozdział dotyczy kontroli pracy Ŝerdziowych pomp wgłębny oraz określa trudności, jakie występują w czasie pompowania ropy naftowej. Po wykonaniu ćwiczeń sprawdź poziom swoich postępów rozwiązując test Sprawdzian postępów zamieszczony po ćwiczeniach, zaznaczając w odpowiednim miejscu, jako właściwą Twoim zdaniem, odpowiedź TAK albo NIE. Odpowiedzi TAK wskazują Twoje mocne strony, natomiast odpowiedzi NIE wskazują na luki w Twojej wiedzy i nie w pełni opanowane umiejętności praktyczne, które musisz nadrobić. Po zrealizowaniu programu jednostki modułowej nauczyciel sprawdzi poziom Twoich umiejętności i wiadomości. Otrzymasz do samodzielnego rozwiązania test pisemny oraz zadanie praktyczne, w formie ćwiczenia laboratoryjnego. Nauczyciel oceni oba sprawdziany i na podstawie określonych kryteriów podejmie decyzję o tym, czy zaliczyłeś program jednostki modułowej. 3

311[14].Z1 Eksploatacja kopalin otworami wiertniczymi 311[14].Z1.01 Rozpoznawanie złóŝ ropy naftowej i gazu ziemnego 311[14].Z1.02 Wykonywanie pomiarów wgłębnych i pomiarów wydobycia kopalin 311[14].Z1.03 Badanie właściwości kopalin płynnych 311[14].Z1.04 Eksploatowanie samoczynne i gazodźwigiem ropy naftowej 311[14].Z1.05 Eksploatowanie złóŝ gazu ziemnego 311[14].Z1.06 Wydobywanie ropy naftowej przy uŝyciu pomp wgłębnych 311[14].Z1.07 Wydobywanie soli kamiennej i siarki otworami wiertniczymi 311[14].Z1.08 Wykonywanie zabiegów intensyfikacji wydobycia ropy naftowej 311[14].Z1.09 Prowadzenie wtórnych metod eksploatacji złóŝ ropy naftowej 311[14].Z1.10 Stosowanie przepisów prawa geologicznego i górniczego 311[14].Z1.11 Prowadzenie dokumentacji ruchu zakładu górnictwa otworowego Schemat układu jednostek modułowych 4

2. WYMAGANIA WSTĘPNE Przystępując do realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć: posłuŝyć się podstawowymi pojęciami z zakresu górnictwa naftowego, rozróŝniać konstrukcję odwiertów eksploatacyjnych ropy naftowej, scharakteryzować właściwości fizyczne ropy naftowej, przeliczać jednostki róŝnych wielkości fizycznych, posługiwać się anglosaskimi jednostkami ciśnienia, średnicy, długości, klasyfikować pomp do tłoczenia cieczy, scharakteryzować zasadę działania typowej pompy tłokowej, zdefiniować podstawowe pojęcia z zakresu wytrzymałości materiałów, obliczyć napręŝenie na rozciąganie, obliczyć wartość wykładnika gazowego, sporządzać zestawienia tabelaryczne, posługiwać się dokumentacją techniczną, przestrzegać zasad bezpieczeństwa i higieny pracy, ochrony przeciwpoŝarowej i ochrony środowiska, korzystać z róŝnych źródeł informacji, oceniać własne moŝliwości w działaniach indywidualnych i zespołowych, zastosować zasady współpracy w grupie, uczestniczyć w dyskusji, prezentacji. 5

3. CELE KSZTAŁCENIA W wyniku realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć: określić warunki stosowania pomp wgłębnych do wydobywania ropy naftowej otworami wiertniczymi, sklasyfikować pompy wgłębne oraz określić warunki ich stosowania, scharakteryzować budowę i zasadę działania Ŝerdziowych tłokowych pomp wgłębnych, scharakteryzować elementy uzbrojenia wgłębnego i napowierzchniowego odwiertu pompowanego, rozpoznać na schemacie technologicznym odwiertu poszczególne elementy uzbrojenia, scharakteryzować budowę i zasadę działania indywidualnego Ŝurawia pompowego, objaśnić stosowanie napędu grupowego Ŝurawi pompowych, scharakteryzować rodzaje i parametry Ŝerdzi i rur pompowych, obliczyć wydajność Ŝerdziowej tłokowej pompy wgłębnej oraz skok tłoka pompy, zaprojektować przewód pompowy wielostopniowy, wyznaczyć optymalną głębokość zapuszczenia pompy do odwiertu, ustalić harmonogram pracy indywidualnego Ŝurawia pompowego (IśP) oraz układu kieratowego, obliczyć wywaŝenie Ŝurawi pompowych i układu kieratowego, scharakteryzować warunki stosowania, budowę i działanie pomp wgłębnych elektrycznych, hydraulicznych i innych, scharakteryzować trudności i awarie występujące podczas pompowania ropy naftowej, dokonać interpretacji dynamogramów pompowych, wykonać projekt pompowania ropy naftowej przy uŝyciu Ŝerdziowej pompy wgłębnej, wskazać zagroŝenia dla człowieka i środowiska podczas pompowania ropy naftowej, określić zasady postępowania w razie wypadku lub poŝaru na odwiercie pompowanym, zastosować przepisy bezpieczeństwa, higieny pracy, ochrony przeciwpoŝarowej i ochrony środowiska podczas obsługi odwiertów pompowanych. 6

4. MATERIAŁ NAUCZANIA 4.1. Warunki stosowania i klasyfikacja pomp wgłębnych 4.1.1. Materiał nauczania ZłoŜa ropy naftowej, które zostały udostępnione za pomocą otworów wiertniczych posiadają na ogół wystarczający zasób energii, aby w początkowym okresie eksploatacja złoŝa odbywała się w sposób samoczynny. W trakcie eksploatacji samoczynnej energia złoŝowa systematycznie maleje, co powoduje zmniejszanie się wielkości wydobycia oraz ustanie samoczynnego wypływu ropy z odwiertu. Część złóŝ ropy naftowej od początku eksploatacji posiada niewielki zasób energii złoŝowej. W tym przypadku energia jest zbyt mała, aby ropa naftowa w sposób samoczynny mogła wypłynąć odwiertem na powierzchnię. W obu tych przypadkach wydobycie ropy naftowej ze złoŝa na powierzchnię jest moŝliwe dzięki zastosowaniu jednej z mechanicznych metod wydobywania ropy naftowej. Energia potrzebna do wydźwignięcia określonej ilości ropy naftowej na powierzchnię zostaje dostarczona z powierzchni do urządzenia wydobywczego znajdującego się w odwiercie eksploatacyjnym. Metody mechaniczne eksploatacji ropy naftowej moŝna podzielić na: 1) eksploatację za pomocą pomp wgłębnych, 2) eksploatację przy uŝyciu spręŝonego gazu, 3) tłokowanie ropy, 4) łyŝkowanie ropy. Wyboru właściwej metody wydobywania ropy naftowej z odwiertu eksploatacyjnego dokonuje się na podstawie znajomości charakterystyki odwiertu, biorąc pod uwagę m.in.: głębokość odwiertu, wartość ciśnienia złoŝowego, wydajność odwiertu, rodzaj ropy naftowej, właściwości fizykochemiczne ropy, wartość wykładnika gazowego, stopień zawodnienia, rodzaj i ilość zanieczyszczeń ropy. Spośród wymienionych metod mechanicznych eksploatacji ropy naftowej najpowszechniej stosowane jest wydobywanie ropy przy uŝyciu pomp wgłębnych, jako urządzeń do wydobywania płynów złoŝowych z odwiertów eksploatacyjnych. Istota pompowania polega na umieszczeniu pompy w odwiercie poniŝej poziomu płynu złoŝowego (ropy), natomiast silnik dostarczający energię do pompy moŝe być umieszczony na powierzchni lub w odwiercie eksploatacyjnym. Ze względu na sposób umieszczenia silnika napędzającego pompę wgłębną moŝna wyróŝnić: 1) pompy z silnikiem na powierzchni, do których zaliczamy pompy: tłokowe Ŝerdziowe (rurowe i wpuszczane), wibracyjne, śrubowe z napędem elektrycznym obracającym Ŝerdzie pompowe, tłokowe z długim skokiem Ŝerdzi dławikowej, 7

2) pompy z silnikiem umieszczonym w odwiercie, do których zaliczamy pompy: wirowe odśrodkowe z silnikiem elektrycznym, wirowe odśrodkowe z napędem hydraulicznym, śrubowe z zanurzonym silnikiem elektrycznym, śrubowe napędzane silnikiem hydraulicznym, hydrotłokowe. Największe znaczenie przy wydobywaniu ropy naftowej poprzez pompowanie, zarówno w Polsce jak i w świecie, mają pompy wgłębne tłokowe Ŝerdziowe (rys. 1), które słuŝą do wydobywania ropy naftowej zarówno z odwiertów płytszych, jak i z większych głębokości. Napędzane są silnikiem elektrycznym umieszczonym na powierzchni. Napęd z silnika przekazywany jest do pompy za pomocą Ŝurawia pompowego lub układu kieratowego a następnie poprzez przewód pompowy umieszczony w rurach wydobywczych. Rys. 1. Schemat odwiertu z pompą wgłębną tłokową Ŝerdziową [15, s. 228] 1 złoŝe ropy naftowej, 2- kotwica rur wydobywczych, 3 pompa wgłębna, 4 rury wydobywcze, 5 głowica odwiertu, 6 odpływ ropy, 7 przewód pompowy, 8 Ŝuraw pompowy, 9 silnik napędowy, 10 przeciwwaga Ŝurawia, 11 pociągacze, 12 wahacz Ŝurawia zakończony tzw. końskim łbem Pompy wgłębne wirowe odśrodkowe są to urządzenia napędzane silnikiem elektrycznym umieszczonym w odwiercie. SłuŜą do wydobywania ropy naftowej z głębszych odwiertów o duŝej wydajności. Zespół pompowy (rys. 2) składa się z silnika elektrycznego, protektora, wgłębnego separatora gazu i wielostopniowej pompy wirowej odśrodkowej. Całość zapuszczana jest do odwiertu na rurach wydobywczych. Energia elektryczna dostarczana jest z powierzchni za pomocą trójfazowego kabla elektrycznego, przymocowanego objemkami do rur wydobywczych. Zadaniem protektora jest utrzymywanie stałego ciśnienia oleju w silniku w celu zabezpieczenia go przed przedostaniem się ropy naftowej do silnika. 8

Rys. 2. Schemat odwiertu z pompą odśrodkową [15, s. 186] 1 silnik elektryczny, 2 protektor, 3 separator gazu, 4 kabel elektryczny, 5 pompa wirowa odśrodkowa, 6 rury wydobywcze Rys. 3. Schemat pompy śrubowej z silnikiem elektrycznym w odwiercie [15, s. 190] 1 rury wydobywcze, 2 rury okładzinowe, 3 pompa śrubowa, 4 łoŝyska, 5 zawór obejściowy, 6 protektor, 7 skrzynia biegów, 8 silnik Pompy wgłębne śrubowe mogą być efektywnie stosowane do wydobywania ropy naftowej o duŝej lepkości i duŝej gęstości. Stosuje się je w trzech odmianach: z silnikiem elektrycznym umieszczonym w odwiercie pod poziomem ropy (rys. 3), z silnikiem elektrycznym usytuowanym na wylocie odwiertu (rys. 4) oraz z napędem od silnika hydraulicznego umieszczonego w odwiercie nad pompą śrubową (rys. 5). Pompy wgłębne śrubowe mogą być stosowane do pompowania ropy z głębokości do 1200 m. Maksymalne ciśnienie uzyskiwane przez pompy śrubowe wynosi około 9 MPa. Wydajność tych pomp jest uzaleŝniona od średnicy rur wydobywczych i moŝe wynosić: od 70 m 3 /dobę dla średnicy rur 114 mm, do 500 m 3 /dobę dla rur o średnicy 273 mm. Nadają się one do pompowania ropy zapiaszczonej przy zawartości piasku nawet do 20%, do wydobywania ropy zawodnionej, a takŝe przy wysokim wykładniku gazowym. 9

Rys. 4. Schemat pompy śrubowej z silnikiem na powierzchni [15, s. 190] Rys. 5. Schemat pompy śrubowej z silnikiem hydraulicznym [15, s. 191] 1 rury wydobywcze, 2 rury okładzinowe, 3 silnik hydrauliczny, 4 pompa śrubowa, 5 łoŝyska, 6 paker eksploatacyjny Pompy wgłębne hydrotłokowe (hydrauliczne) wykonywane są jako zestawy składające się z hydraulicznego silnika tłokowego i wgłębnej pompy hydrotłokowej, połączonych ze sobą wspólnym trzonem i zapuszczonych do odwiertu na rurach wydobywczych. Stosuje się dwie współśrodkowe kolumny rur, np. 102 mm i 63 mm. Na powierzchni znajduje się instalacja, która słuŝy do zasilania pompy i odbioru wydobywanych płynów złoŝowych (rys. 6). Ciecz robocza (woda lub odgazowana ropa naftowa) tłoczona jest z powierzchni pod odpowiednim ciśnieniem, która w odwiercie za pomocą urządzenia suwakowego rozdzielczego kierowana jest nad lub pod tłok silnika. Ruch posuwisto zwrotny tłoka silnika powoduje ruch tłoka pompy hydrotłokowej, w wyniku czego dopływająca do odwiertu ropa, zmieszana z cieczą roboczą, wytłaczana jest na powierzchnię przestrzenią pierścieniową między kolumnami rur wydobywczych. Pompa hydrotłokowa moŝe być stosowana do wydobywania ropy naftowej z odwiertów głębokich, nawet do 4000 m, przy współczynniku sprawności pompy wynoszącym do 60%. 10

Rys. 6. Schemat instalacji i napędu pompy hydrotłokowej [15, s. 213] a) schemat podnoszenia pompy w odwiercie, b) schemat instalacji i napędu pompy hydrotłokowej 1 rurociąg, 2- zbiornik cieczy roboczej, 3 rurociąg zasysając ciecz roboczą, 4 pompa wysokociśnieniowa, 5 manometr, 6 separator, 7 rurociąg wypływowy, 8 rurociąg tłoczący, 9 głowica eksploatacyjna, 10 rury wydobywcze (63 mm), 11 rury wydobywcze (102 mm), 12 rury okładzinowe, 13 silnik z pompą, 14 gniazdo pompy, 15 stoŝek oporowy, 16 zwór odwrotny, 17 płyn złoŝowy, 18 ciecz robocza, 19 wydobywana ropa Działanie pompy wibracyjnej oparte jest na wykorzystaniu energii kolejnych wydłuŝeń i skurczów kolumny rur wydobywczych, spowodowanych działaniem zmiennej siły, pochodzącej od wibratora zamontowanego na płycie urządzenia. Instalacja składa się z kolumny standardowych rur wydobywczych, gdzie w złączkach tych rur zamontowano zawory kulkowe o powiększonej średnicy (rys. 7). Rury podwieszone są w płycie wibracyjnej. Płyta wibracyjna opiera się na kilkunastu spręŝynach zainstalowanych na głowicy kolumnowej odwiertu. Konstrukcja wibratora zapewnia ruch pionowy rur wydobywczych z częstotliwością od 1000 do 1500 drgań na minutę i wartością amplitudy drgań od kilku do kilkunastu milimetrów. W wyniku drgań kolumny rur wydobywczych i przemieszczania się kulki w gnieździe ropa naftowa, praktycznie ruchem ciągłym, przemieszcza się w rurach ku powierzchni. Pompa wgłębna wibracyjna przy zastosowaniu kolumny rur o średnicy 76 mm moŝe osiągnąć wydajność pompowania do 68 m 3 /dobę. Nadaje się do pompowania ropy z płytkich i średnio głębokich odwiertów, eksploatujących ropę o lepkości do kilkunastu cp, z moŝliwością wydobywania ropy zapiaszczonej. 11

Rys. 7. Schemat pompy wibracyjnej [15, s. 224] 1 wibrator, 2 płyta wibracyjna, 3 spręŝyny, 4 głowica dwukolumnowa, 5 pierścień blokujący złączkę połączenia gwintowego, 6 rury okładzinowe, 7 zawory kulkowe, 8 centralizator, 9 elastyczny przewód odpływowy ropy Pompy wgłębne tłokowe Ŝerdziowe z napędem o długim skoku Ŝerdzi dławikowej i tłoka pompy przeznaczone są do wydobywania ropy naftowej z tych odwiertów, w których stosowanie konwencjonalnych pomp wgłębnych Ŝerdziowych jest utrudnione. Dotyczy to głębokich odwiertów kierunkowych, pompowania ropy o duŝej lepkości oraz eksploatacji złóŝ ropy naftowej występujących pod dnem morskim. Pompy te stosuje się w odwiertach o duŝej wydajności do 240 t/d, przy głębokości zapuszczenia pompy do 2400 m. Zastosowanie pomp z duŝym skokiem wymaga znacznego zwiększenia wysokości napędowego urządzenia pompowego indywidualnego Ŝurawia pompowego. W świecie stosuje się nowe typy napędowych urządzeń pompowych, które zapewniają zastosowanie Ŝerdzi dławikowej o długości od 9 do 27 m. Produkowane są nowe typy napędowych urządzeń napowierzchniowych z masztem lub zagłębionym przeciwcięŝarem. W takich urządzeniach kolumna Ŝerdzi pompowych moŝe przemieszczać się w odwiercie za pomocą liny, paska lub łańcucha, nawiniętych na bęben i obracanych rewersorowo przez silnik elektryczny. Bęben wyciągu usytuowany jest w taki sposób, Ŝe jeden koniec elementu ciągnącego opuszcza się w osi odwiertu i połączony jest z kolumną Ŝerdzi pompowych, natomiast drugi koniec połączony jest z przeciwcięŝarem i przemieszcza się w przeciwnym kierunku. 4.1.2. Pytania sprawdzające Odpowiadając na pytania sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. 1. Jakie wyróŝnia się mechaniczne metody eksploatacji ropy naftowej? 2. Od czego zaleŝy wybór metody wydobywania ropy naftowej? 3. Na czym polega istota pompowania ropy naftowej? 4. Które rodzaje pomp napędzane są silnikiem umieszczonym na powierzchni? 5. Które rodzaje pomp napędzane są silnikiem umieszczonym w odwiercie? 12

6. Co wchodzi w skład podstawowego uzbrojenia odwiertu pompowanego pompą wgłębną Ŝerdziową? 7. Z czego składa się zespół pompowy z elektryczną wirową pompą odśrodkową? 8. Jakie wyróŝniamy rodzaje napędu pomp wgłębnych śrubowych? 9. Kiedy moŝna stosować elektryczne pompy odśrodkowe do eksploatacji ropy naftowej? 10. Jak działa pompa wgłębna hydrotłokowa? 11. Na czym polega działanie pompy wibracyjnej? 12. Kiedy stosuje się pompy tłokowe Ŝerdziowe o długim skoku Ŝerdzi dławikowej? 4.1.3. Ćwiczenia Ćwiczenie 1 Scharakteryzuj przeznaczenie, budowę i zasadę działania pompy wgłębnej hydrotłokowej, stosowanej do wydobywania ropy naftowej z odwiertów eksploatacyjnych. Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś: 1) zapisać przeznaczenie pompy hydrotłokowej, 2) przypisać pompę do odpowiedniej grupy pomp wgłębnych, 3) wypisać poszczególne elementy, które wchodzą w skład instalacji napowierzchniowej i wgłębnej, 4) zapisać w punktach kolejne etapy pracy pompy, 5) podać rodzaje i charakterystykę stosowanych cieczy roboczych, 6) zaprezentować wyniki swojej pracy. WyposaŜenie stanowiska pracy: Poradnik dla ucznia, schemat pompy hydrotłokowej (bez oznaczeń elementów), przybory do pisania, zeszyt. 4.1.4. Sprawdzian postępów Czy potrafisz: Tak Nie 1) wymienić metody mechaniczne wydobywania ropy naftowej? 2) scharakteryzować istotę pompowania ropy naftowej? 3) przedstawić klasyfikację pomp wgłębnych do wydobywania ropy naftowej? 4) rozpoznać na schematach rodzaje pomp wgłębnych? 5) scharakteryzować działanie elektrycznej pompy wirowej odśrodkowej? 6) scharakteryzować działanie pompy wgłębnej śrubowej? 7) określić przeznaczenie poszczególnych rodzajów pomp wgłębnych? 8) scharakteryzować budowę i działanie pompy hydrotłokowej? 9) scharakteryzować budowę i działanie pompy wibracyjnej? 10) określić warunki stosowania pomp o długim skoku Ŝerdzi dławikowej? 13

4.2. Uzbrojenie wgłębne odwiertów pompowanych 4.2.1. Materiał nauczania Zarówno w świecie, jak i w Polsce w zdecydowanej większości odwiertów ropy naftowej eksploatacja odbywa się poprzez pompowanie przy uŝyciu Ŝerdziowych tokowych pomp wgłębnych. Metod ta charakteryzuje się niezaleŝnością od systemów naziemnych, nieskomplikowanym i szybkim montaŝem, długim okresem uŝytkowania, stosunkowo wysokim ogólnym współczynnikiem sprawności wolumetrycznej oraz niskimi kosztami remontu pomp wgłębnych. Do wad tej metody moŝna zaliczyć ograniczenie wydajności z odwiertu i głębokości pompowania ze względu na wytrzymałość przewodu pompowego, a takŝe duŝy nakład pracy przy wymianie pompy z powodu konieczności stosowania wyciągów wiertniczych. W skład uzbrojenia wgłębnego odwiertu eksploatującego ropę naftową, z którego wydobycie odbywa się przy uŝyciu Ŝerdziowych tłokowych pomp wgłębnych, oprócz rur okładzinowych wchodzą: rury wydobywcze wraz z łącznikami, wieszaki rur wydobywczych, kotwice do rur wydobywczych, pompy wgłębne, Ŝerdzie pompowe wraz z łącznikami, centralizatory Ŝerdzi pompowych, zaczepy pomp wpuszczanych, Ŝerdź dławikowa (laska pompowa), echolokatory, degazatory, sita. Rury wydobywcze wraz z łącznikami tworzą kolumnę rur wydobywczych, natomiast Ŝerdzie pompowe wraz z laską pompową tworzą przewód pompowy. Zestawy wyposaŝenia wgłębnego odwiertu są dobierane indywidualnie dla kaŝdego odwiertu w zaleŝności od głębokości odwiertu i jego stanu technicznego, sposobu pompowania ropy (indywidualnie czy grupowa), a takŝe od zdolności wydobywczej odwiertu. Zdolność wydobywcza odwiertu uzaleŝniona jest od wartości ciśnienia złoŝowego (dennego statycznego), głębokości ropy naftowej w odwiercie oraz wielkości dopływu ropy ze złoŝa do odwiertu. Przykładowy schemat uzbrojenia wgłębnego odwiertu pompowanego przedstawia rys. 8. Rury wydobywcze Zadaniem rur wydobywczych jest m.in.: umoŝliwienie wypływ ropy naftowej na powierzchnię, zapuszczenie do odwiertu pompy wgłębnej lub zapuszczenie cylindra pompy dla pomp wpuszczanych. Rury wydobywcze, które stosowane są w uzbrojeniu odwiertów ropnych wykonane mogą być wg Polskiej Normy PN-H-74238:1993 lub normy API Spec. 5CT (American Petroleum Institute Amerykański Instytut Naftowy). Rury wykonuje się w następujących odmianach wytrzymałościowych: H-40, J-55, C-75, N-80, L-80, MW-C-90, C-95, P-105, P110. Długości rur wydobywczych wykonywane są w dwóch zakresach: R1 6,10 m 7,30 m R2 8,50 m 9,80 m. 14

Rys. 8. Schemat uzbrojenia odwiertu ropnego z pompą wpuszczaną [10] Średnice, grubości ścianek i inne parametry rur wydobywczych niespęczanych, stosowanych przy pompowaniu ropy naftowej przedstawia tabela 1, natomiast wymiary rur wydobywczych z gwintem gazoszczelnym TDS przedstawia tabela 2. Dobierając rury wydobywcze naleŝy uwzględnić średnicę kolumny rur okładzinowych oraz wydajność odwiertu i pompy. Stosuję się równieŝ mieszaną kolumnę rur wydobywczych w przypadku powstawania osadów parafiny w górnej części kolumny, przy zastosowaniu pompy wpuszczanej. Wówczas średnica rur wydobywczych w górnej części jest większa (np. dolna część o średnicy 2 ⅜ a górna 2 ⅞ ). 15

Tabela.1. Wymiary i właściwości rur wydobywczych według API [10] Średnica nominalna Średnica zewnętrzna Grubość ścianki Średnica wewnętrzna Średnica zewnętrzna złączki Masa Pojemność [cale] [mm] [mm] [mm] [mm] [kg/m] [l/m] 1,9 48,3 3,7 40,9 55,9 4,1 1,3 2 ⅜ 60,3 4,2 4,8 6,5 51,8 50,6 47,4 73,0 6,0 6,8 8,6 2,1 2,0 1,8 2 ⅞ 73,0 3 ½ 88,9 5,5 7,0 7,8 5,5 6,5 7,3 9,5 62,0 59,0 57,4 77,9 76,0 74,2 69,9 Tabela 2. Wymiary rur z gwintem gazoszczelnym TDS według API [10] Średnica Średnica Grubość Średnica nominalna zewnętrzna ścianki wewnętrzna [cale] [mm] [mm] [mm] 2 ⅜ 60,33 2 ⅞ 73,03 3 ½ 88,90 4,83 50,64 5,54 49,22 6,45 47,40 7,11 46,08 5,51 61,98 7,01 58,98 7,82 57,36 5,49 77,92 6,45 76,oo 9,34 70,22 9,52 69,86 88,9 108,0 9,5 11,6 12,8 Przewód pompowy Zadaniem przewodu pompowego jest przeniesienie napędu od Ŝurawia pompowego do pompy wgłębnej umieszczonej w odwiercie eksploatacyjnym. Przewód pompowy składa się z Ŝerdzi dławikowej (laski pompowej) oraz Ŝerdzi pompowych. śerdź dławikowa, nazywana równieŝ potocznie laską pompową, stanowi górny odcinek przewodu pompowego uszczelniony w głowicy wydobywczej. Połączona jest od góry za pomocą cięgła z wahaczem Ŝurawia pompowego, natomiast w dolnej części dokręcona jest do pierwszej Ŝerdzi pompowej. Przez wiele lat w polskim górnictwie naftowym stosowane były Ŝerdzie dławikowe o średnicach 30, 32, 38 i 45 mm oraz długości 3, 4, 5, 6 m. Stosowane obecnie w odwiertach ropnych pompowanych Ŝerdzie dławikowe wykonywane są w według normy API. Wymiary Ŝerdzi dławikowych przedstawia tabela 3. Wartości miar anglosaskich podane w tabeli oznaczają: 1 ft (stopa) = 304,8 mm; 1 (cal) = 25,4 mm. 11,5 13,7 15,2 18,9 3,0 2,7 2,6 4,8 4,5 4,3 3,9 16

Tabela 3. Wymiary Ŝerdzi dławikowych według API [10] Średnica zewnętrzna Ŝerdzi Długości dławikowej Średnica gwintu na czopie [cale] [mm] ft [stopa] [m] " [cale] [mm] 1 ⅛ 28,6 1¼ 31,8 1 ½ 38,1 8 2,438 ⅝ 15,9 ⅝ 15,9 11 3,353 ¾ 19,1 ⅝ 15,9 16 4,877 ¾ 19,1 ⅝ 15,9 22 6,706 ¾ 19,1 26 7,925 ¾ 19,1 30 9,144 ¾ 19,1 ⅝ 15,9 11 3,353 ¾ 19,1 ⅞ 22,2 ⅝ 15,9 16 4,877 ¾ 19,1 ⅞ 22,2 ¾ 19,1 22 6,706 ⅞ 22,2 ¾ 19,1 26 7,925 ⅞ 22,2 30 9,144 ⅞ 22,2 11 3,353 1 25,4 ⅞ 22,2 16 4,877 1 25,4 ⅞ 22,2 22 6,706 1 25,4 ⅞ 22,2 26 7,925 1 25,4 ⅞ 22,2 30 9,144 1 25,4 36 10,973 1 25,4 śerdzie dławikowe naraŝone są na największe obciąŝenia, na działanie korozji w styczności z ropą, solanki z powietrzem, a takŝe na dodatkowe obciąŝenie boczne występujące wskutek nieosiowego ustawienia głowy wahacza Ŝurawia pompowego. Laski pompowe wykonane są z róŝnych gatunków materiałów odpowiednio obrobionych cieplnie (utwardzanych), polerowanych oraz pokrywanych powłokami ochronnymi bardziej odpornymi na ścieranie i korozję chemiczną. Dobierając laskę pompową naleŝy wybrać: odpowiednią średnicę i gatunek materiału, które pozwolą przenieść obciąŝenia całej kolumny Ŝerdzi pompowych, 17

rodzaj obrobienia powierzchni, który uwzględni odporność na korozję i ścieranie długość, która powinna uwzględniać wartość skoku tłoka pompy wgłębnej oraz moŝliwość płynnej regulacji jego ustawienia. śerdź pompowa jest to stalowy okrągły pręt zaopatrzony na końcach w połączenia gwintowe, stanowiący element przewodu pompowego do przenoszenia ruchu z powierzchni do pompy wgłębnej. Przez wiele lat w polskim górnictwie naftowym stosowane były Ŝerdzie pompowe o długości 11,5 m i średnicach: 16, 18, 22, 26 mm, łączone bezpośrednio za pomocą połączenia stoŝkowego czop mufa lub za pomocą złączki. Obecnie Ŝerdzie pompowe stosowane w odwiertach ropnych pompowanych wykonywane są według normy API, która określa kryteria podziałów ze względu na: sposób wykonania zakończeń Ŝerdzi, materiały z jakich są wykonane, wymiary. śerdzie pompowe ze względu na sposób wykonania zakończeń dzielimy na dwie grupy: jednolite, której pręt oraz zakończenia w postaci czopa lub mufy stanowią nierozłączną całość, przy czym zakończenia Ŝerdzi mogą być formowane przy pomocy kucia, spawania lub zgrzewania, trójdzielne, której zakończenia w postaci czopa lub mufy osadzone są na pręcie przy pomocy połączeń gwintowych. Uwzględniając właściwości chemiczne i mechaniczne materiałów, z jakich są wykonane Ŝerdzie pompowe, dzielimy je na gatunki, które określają minimalną i maksymalną wytrzymałość na rozciąganie (tabela 4). Właściwości mechaniczne Ŝerdzi zaleŝą w głównej mierze od składu chemicznego stopu, z jakiego są wykonane i od ich obróbki cieplnej. Tabela 4. Charakterystyka wytrzymałościowa Ŝerdzi pompowych [10] Gatunek min. Wytrzymałość na rozciąganie max. MPa psi MPa psi K 586 85.000 793 115.000 C 620 90.000 793 115.000 D 793 115.000 965 140.000 SPECIAL 965 140.000 1034 150.000 Długości Ŝerdzi pompowych wykonywanych wg normy API wynoszą: a) dla Ŝerdzi długich: 25 ft (stopa) = 7,62 m 30 ft (stopa) = 9,14 m przy czym tolerancja wykonania wynosi ± 2 0,0508 m (50,8 mm), b) dla Ŝerdzi krótkich (tzw. manipulaków), jak w tabeli 5. Średnice Ŝerdzi pompowych wykonywanych wg normy API przedstawia tabela 6. 18

Tabela 5. Długości Ŝerdzi krótkich wg API [10] Długość Ŝerdzi ft [stopa] [m] 2 0,6096 3 0,9144 4 1,2192 6 1,8288 8 2,4384 10 3,0480 12 3,6576 Tabela 6. Średnice Ŝerdzi wg API [10] Średnice Ŝerdzi " [cal] [mm] ½ 12,7 ⅝ 15,9 ¾ 19,1 ⅞ 22,2 1 25,4 1 ⅛ 28,6 Projektując kolumnę Ŝerdzi pompowych naleŝy tak dobrać średnicę i materiał, z którego są wykonane Ŝerdzie, aby wielkość wydłuŝenia kolumny Ŝerdzi pompowych była moŝliwie najmniejsza, gdyŝ powoduje to zmniejszenie długości skoku pompy wgłębnej. Dla kombinowanej kolumny Ŝerdzi pompowych (przewód wielostopniowy) wydłuŝenie określa się oddzielnie dla kaŝdej sekcji (stopnia). W wyniku własnego cięŝaru kolumny Ŝerdzi pompowych, obciąŝenie działające na poszczególne Ŝerdzie pompowe zwiększa się od dołu w górę, stąd najbardziej naraŝona na rozciąganie jest pierwsza Ŝerdź od góry. Dlatego ze wzrostem głębokości wydobycia płynu złoŝowego (głębokości usytuowania pompy) konieczne staje się niekiedy uŝycie kombinowanej kolumny Ŝerdzi pompowych, składającej się z Ŝerdzi pompowych o mniejszej średnicy w dolnej części przewodu pompowego i Ŝerdzi o większej średnicy w górnej części przewodu. Ma to na celu zmniejszenie obciąŝenia na górne Ŝerdzie przewodu pompowego. WaŜną rolę w projektowaniu długich kolumn Ŝerdzi pompowych jest zastosowanie w dolnej części kolumny sekcji obciąŝników (mogą nimi być Ŝerdzie pompowe większej średnicy). Ma to na celu napręŝenie a przez to bardziej ustabilizowany ruch kolumny Ŝerdzi w czasie ich pracy (góra dół). Inne elementy uzbrojenia odwiertu Echolokator jest to łącznik wkręcany w kolumnę rur wydobywczych w określonej głębokości z przetoczeniem o średnicy większej od kolumny rur wydobywczych. Stosuje się go w celu dokładnego określenia prędkości rozchodzenia się fali dźwiękowej w przestrzeni międzyrurowej w odwiercie, na podstawie której oblicza się głębokości poziomu ropy naftowej w odwiercie w przypadku wykonywania pomiarów echometrem. Wieszak dzielony do rur wydobywczych stosuje się tylko w przypadku konieczności zapinania kotwicy rur wydobywczych. Charakteryzuje się on rozkręcaną tuleją wewnętrzną, która umoŝliwia opuszczenie kolumny rur wydobywczych w celu zapięcia kotwicy. Kotwica do rur wydobywczych (rys. 9) uŝywana jest w odwiercie w celu unieruchomienia kolumny rur wydobywczych, które w czasie pracy pompy wgłębnej naraŝone są na skracanie i rozciąganie. PrzewaŜnie stosowane są kotwice o zapięciu obrotowym, napinające kolumnę rur wydobywczych. Kotwica zapinana jest w kolumnie rur okładzinowych. Średnice kotwic są dostępne wg średnic nominalnych rur wydobywczych i okładzinowych zgodnie z normą API. 19

Rys. 9. Kotwica do rur wydobywczych i degazator [10] Degazator stosuje się zamiast sita w odwiertach pompowanym o wysokim wykładniku gazowym (rys. 9). Ma on za zadanie częściowe odgazowanie płynu złoŝowego dopływającego do pompy w celu uniknięcia blokowania pompy gazem (zagazowania pompy). Jest on umieszczany w kolumnie rur wydobywczych bezpośrednio pod pompą. Średnice degazatorów są dostępne wg średnic rur wydobywczych wykonanych zgodnie z normą API. Centralizatory Ŝerdzi pompowych (rys. 10) są to elementy, które są zamontowane co pewien określony odcinek na przewodzie pompowym w celu zmniejszenia wyboczeń przewodu powstających w czasie pracy pompy. Zapobiegają one nadmiernemu ocieraniu się Ŝerdzi pompowych o wewnętrzne ścianki rur wydobywczych w czasie pracy pompy. Stosowanie centralizatorów ułatwia równieŝ prowadzenie instrumentacji za urwanymi Ŝerdziami pompowymi w trakcie obróbki odwiertu. Rys. 10. Centralizatory do Ŝerdzi pompowych [10] Sita do rur wydobywczych są to elementy dokręcane pod pompę wgłębną, które stosuje się w celu lepszego zabezpieczenia pompy przed dopływem do pompy zanieczyszczeń, np. piasku (rys. 11). Stosowanie tych sit zmniejsza zuŝycie i awarie zaworów w pompie oraz ogranicza moŝliwość zatarcia się tłoka w pompie. 20

Rys. 11. Sita do rur wydobywczych [10] Obliczanie rur wydobywczych i przewodu pompowego Kolumna rur wydobywczych w odwiercie pompowanym naraŝona jest przede wszystkim na rozciąganie. ObciąŜenia, jakie działają na rury wydobywcze w trakcie pompowania ropy przy uŝyciu pompy Ŝerdziowej są zmienne i zaleŝą od etapów pracy pompy wgłębnej (ssanie tłoczenie). Kolumna rur jest rozciągana pod wpływem obciąŝenia pochodzącego od własnego cięŝaru rur, którego wartość zaleŝy głównie od średnicy nominalnej rur. W przypadku stosowania Ŝerdziowej tłokowej pompy wgłębnej, w okresie ssania, rury wydobywcze, poprzez zawór ssący pompy przejmują na siebie cięŝar słupa ropy, jaki znajduje się w rurach nad pompą. Wtedy obciąŝenie rur wydobywczych jest największe i towarzyszy mu największe wydłuŝenie rur. Najbardziej naraŝona na rozciąganie jest pierwsza rura od góry, która zamontowana jest w głowicy eksploatacyjnej. Wartość napręŝenia, jakie występuje w materiale rur moŝna określić ze wzoru: F σ = S gdzie: σ napręŝenia rozciągające [Pa], F siłą rozciągająca [N], S pole przekroju poprzecznego rur [m 2 ]. Maksymalna siłą rozciągająca górną rurę wydobywczą F c jest sumą cięŝaru kolumny rur G k i cięŝaru słupa ropy w rurach G r : F c = Gk + Gr Wszystkie wielkości we wzorze określone są w [N]. Pole przekroju poprzecznego rury wydobywczej określamy ze wzoru: D z d S = π w [m 2 ] 4 gdzie: D z średnica zewnętrzna rur wydobywczych [m], d w średnica wewnętrzna rur wydobywczych [m]. 2 2 21

Zastosowanie rur wydobywczych o określonej długości i średnicy nominalnej rur wymaga spełnienia warunku wytrzymałościowego: σ = F S k r gdzie: k r napręŝenia dopuszczalne na rozciąganie [MPa]. Pozostałe oznaczenie jak powyŝej. Wartość napręŝeń dopuszczalnych na rozciąganie zaleŝy głównie od rodzaju materiału rur, tj. gatunku stali, z której wykonane są rury wydobywcze. Wielkość wydłuŝenia rur pod wpływem działającego na nie obciąŝenia moŝna obliczyć ze znanego z mechaniki prawa Hooke'a. Przewód pompowy poddany jest równieŝ w trakcie pracy pompy zmiennemu obciąŝeniu. W czasie pompowania całkowite obciąŝenie przewodu pompowego jest sumą obciąŝenia stycznego i dynamicznego. ObciąŜenie statyczne jest związane z cięŝarem własnym przewodu i cięŝarem podnoszonego słupa ropy (okres tłoczenia pompy), natomiast obciąŝenie dynamiczne jest wynikiem działania sił bezwładności, spowodowanych ruchem przewodu o zmiennej prędkości. Maksymalne obciąŝenie statyczne P s działające na przewód pompowy w okresie ssania określamy ze wzoru: P s = Pr + PŜ + Pt [N] gdzie: P r cięŝar słupa ropy w rurach nad tłokiem pompy [N], P Ŝ cięŝar Ŝerdzi pompowych [N], P t opory tarcia [N]. W praktyce opory tarcia P t tłoka pompy o ściankę cylindra, Ŝerdzi o ropę, czy Ŝerdzi dławikowej o uszczelnienie moŝna pominąć, gdyŝ ich wartość jest niewielka. W obliczeniach natomiast naleŝy uwzględnić zmniejszenie cięŝaru przewodu pompowego, spowodowanego działaniem na przewód siły wyporu (przewód jest zanurzony w ropie). W tym celu naleŝy uwzględnić wartość współczynnika pozornego zmniejszenia cięŝaru Ŝerdzi określonego wzorem: γŝ γ r b = γŝ gdzie: γ Ŝ cięŝar właściwy materiału Ŝerdzi [N/m 3 ], γ r cięŝar właściwy ropy [N/m 3 ]. A zatem maksymalne obciąŝenie statyczne przewodu pompowego (górnej Ŝerdzi) moŝna obliczyć ze wzoru: Ps = qr L + qŝ L b gdzie: q r cięŝar 1m słupa ropy w rurach wydobywczych [N], q Ŝ cięŝar 1 m bieŝącego Ŝerdzi [N], L długość przewodu pompowego [m]. Przy ruchu tłoka pompy w dół (okres ssania) obciąŝenie statyczne przewodu jest najmniejsze i wynosi:, P = P P [N] s Ŝ t 22

ObciąŜenia dynamiczne działające na przewód pompowy związane są z poruszaniem się przewodu o określonej masie ruchem zmiennym (przyspieszonym i opóźnionym). Wynika to z ruchu obrotowego korby Ŝurawia pompowego (stała prędkość kątowa), który zamieniony zostaje na ruch posuwisto-zwrotny łba wahacza Ŝurawia. Zamiana ta powoduje, Ŝe łeb wahacza porusza się ruchem zmiennym z określoną wartością przyspieszenia. ObciąŜenie dynamiczne przewodu pompowego P i moŝna obliczyć ze wzoru: P = Ŝ S 2 r Pi ω 1 + [N] g 2 l gdzie: S L skok Ŝerdzi dławikowej (laski pompowej) [m], g przyspieszenie ziemski [m/s 2 ], 2 n ω prędkość kątowa korby Ŝurawia, określona wzorem ω = π 60 n ilość cykli roboczych pompy na minutę, r promień korby [m], l długość podciągacza [m]. JeŜeli promień korby r do długości podciągacza l są w stosunku 1 : 4, to wówczas moŝna wprowadzić wielkość współczynnika dynamiczności Ŝurawia, którego wartość obliczymy ze wzoru: 2 SL n mŝ = 1440 W związku z tym wzór na wielkość obciąŝenia dynamicznego przyjmie postać: SL n P P 2 i = Ŝ [N] 1440 Całkowite obciąŝenie przewodu pompowego jest sumą P c = Ps + Pi i obliczymy go ze wzoru: P = Pr + PŜ b + PŜ mŝ [N] lub P = q L ( b + m ) + q L [N] Ŝ Znajomość całkowitego obciąŝenia przewodu pompowego pozwoli obliczyć wartość napręŝeń, jakie występują w przewodzie, dla spełnienia warunku wytrzymałościowego: P σ = c kr S gdzie: S pole powierzchni przekroju Ŝerdzi pompowych [m 2 ], k r napręŝenia dopuszczalne materiału Ŝerdzi pompowych [MPa]. Obliczanie przewodu pompowego wielostopniowego Projektując przewód pompowy dla danego odwiertu naleŝy obliczyć przewidywane obciąŝenie maksymalne i sprawdzić, czy dla przyjętej średnicy Ŝerdzi pompowych spełniony jest warunek σ k r. NapręŜenia dopuszczalne na rozciąganie k r zaleŝą głównie od wytrzymałości doraźnej na rozciąganie materiału Ŝerdzi R r i dla warunków normalnych moŝna przyjąć k r = 0,5 R r. Natomiast dla przewodów pracujących w warunkach trudnych (znaczna głębokość, środowisko korozyjne H 2 S) wartość napręŝeń dopuszczalnych moŝna przyjąć k r = 0,3 R r. JeŜeli dla danego przewodu pompowego warunek wytrzymałościowy nie jest spełniony(σ > k r) to naleŝy zastosować Ŝerdzie pompowe z lepszego gatunku stali (większe R r ) lub zastosować Ŝ r 23

przewód wielostopniowy. Przewód taki posiada w górnej części Ŝerdzie o większej średnicy, natomiast dolną część przewodu stanowią Ŝerdzie o mniejszej średnicy (rys. 12). Oznaczenia: L długość przewodu pompowego [m], L 1, L 2, L 3 długość poszczególnych stopni [m], d 1, d 2, d 3 średnica Ŝerdzi [m], q 1, q 2, q 3 cięŝar 1 mb Ŝerdzi [N]. Rys. 12. Schemat przewodu trójstopniowego Średnice Ŝerdzi oraz długości poszczególnych stopni naleŝy tak dobierać, aby napręŝenia występujące w górnych Ŝerdziach danego stopnia były równe napręŝeniu dopuszczalnemu (σ = k r ). ObciąŜenie górnej Ŝerdzi pierwszego stopnia przewodu moŝna określić wzorem: σ 1 S 1 = Pr + q1 L1 ( b + mŝ ) [N] Stąd długość pierwszego stopnia [m] obliczymy ze wzoru: 1 S1 Pr L1 = σ [m] q1 ( b + mŝ ) gdzie: S 1 pole przekroju poprzecznego Ŝerdzi pierwszego stopnia [m 2 ]. ObciąŜenie górnej Ŝerdzi drugiego stopnia przewodu określa wzór: σ S = P + q L b + m ) + q L ( b + m ) [N] 2 2 r 1 1 ( Ŝ 2 2 Ŝ PoniewaŜ Pr + q1 L1 ( b + mŝ ) = σ 1 S1 dlatego po podstawieniu otrzymamy: σ S = σ S + q L ( b + m ) [N] 2 2 1 1 2 2 Ŝ Ostatecznie długość drugiego stopnia przewodu obliczymy ze wzoru: σ 2 S2 σ1 S1 L2 = [m] q2 ( b + m Ŝ ) gdzie: S 2 pole przekroju poprzecznego Ŝerdzi drugiego stopnia [m 2 ]. 24

Podobnie długość Ŝerdzi trzeciego stopnia przewodu obliczymy ze wzoru: σ 3 S3 σ 2 S2 L3 = [m] q3 ( b + m Ŝ ) gdzie: S 3 pole przekroju poprzecznego Ŝerdzi trzeciego stopnia [m 2 ]. Długość przewodu ostatniego stopnia naleŝy skorygować tak, aby całkowita długość przewodu była równa głębokości pompowania. W praktyce stosowane są najczęściej przewody pompowe dwustopniowe, rzadziej trójstopniowe. Przewód pompowy pod wpływem obciąŝeń ulega wydłuŝeniu. Całkowite wydłuŝenie L przewodu o średnicy Ŝerdzi d, pod wpływem obciąŝeń statycznych, moŝna obliczyć na podstawie prawa Hooke'a, które określa wzór: Ps L L = [m] S E gdzie: P s obciąŝenie statyczne przewodu pompowego [N], L długość przewodu [m], S pole przekroju poprzecznego Ŝerdzi [m 2 ], E moduł spręŝystości Younga [Pa]. 4.2.2. Pytania sprawdzające Odpowiadając na pytania sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. 1. Co wchodzi w skład uzbrojenia wgłębnego odwiertu pompowanego? 2. Co tworzy kolumnę rur wydobywczych i przewód pompowy? 3. Jakie są długości i średnice rur wydobywczych wg API? 4. Od czego zaleŝy średnica wewnętrzna rur wydobywczych? 5. Co rozumie się pod pojęciem Ŝerdź dławikowa? 6. Jakie średnice i długości posiadają Ŝerdzie dławikowe wg API? 7. Czym są i jak się dzieli Ŝerdzie pompowe? 8. Jakie długości i średnice posiadają Ŝerdzie pompowe wg API? 9. Czym charakteryzuje się przewód pompowy wielostopniowy? 10. W jakim celu instaluje się w kolumnie rur wydobywczych echolokator? 11. Jaką funkcję spełnia kotwica do rur wydobywczych? 12. W jakim celu stosuje się degazator przy pompowaniu ropy naftowej? 13. Do czego słuŝą centralizatory? 14. Gdzie i w jakim celu instaluje się w odwiercie pompowanym sita? 15. Jakim obciąŝeniom podlegają rury wydobywcze w czasie pompowania? 16. Jaką postać ma warunek wytrzymałościowy na rozciąganie? 17. Jakie siły działają na przewód pompowy w czasie pracy pompy wgłębnej? 18. W jakich jednostkach wyraŝa się wartość napręŝenia przy rozciąganiu? 4.2.3. Ćwiczenia Ćwiczenie 1 Oblicz, jakie napręŝenia wystąpią w rurze wydobywczej zamontowanej na głowicy odwiertu pompowanego w okresie ssania pompy wgłębnej (tłok pompy wykonuje ruch w dół). Obliczenie wykonaj dla następujących danych: 25

zawór ssący pompy znajduje się na głębokości 850 m, kolumnę rur wydobywczych stanowią rury o średnicy nominalnej 2 ⅞, tłok pompy poruszany jest przewodem pompowym o średnicy Ŝerdzi ¾, gęstość ropy naftowej wynosi 820 kg/m 3, gęstość materiału rur wydobywczych wynosi 7500 kg/m 3, Wartość napręŝeń podaj w Pa i MPa. Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś: 1) ustalić długość kolumny rur wydobywczych, 2) określić średnicę zewnętrzną i wewnętrzną rur wydobywczych [mm], 3) określić średnicę Ŝerdzi pompowych [mm], 4) przeliczyć średnice rur i Ŝerdzi na [m], 5) obliczyć cięŝar kolumny rur wydobywczych, 6) obliczyć cięŝar słupa ropy naftowej w rurach wydobywczych, 7) obliczyć wartość napręŝenia w pierwszej rurze od góry, 8) dokonać prezentacji wyników pracy. WyposaŜenie stanowiska pracy: Poradnik dla ucznia, tabele danych rur wydobywczych i Ŝerdzi pompowych, przybory do pisania, kalkulator, zeszyt. Ćwiczenie 2 Dobierz stopniowany przewód pompowy dla pracy pompy wgłębnej o średnicy tłoka 44 mm, która ma pompować ropę naftową z głębokości 1200 m. Pozostałe dane: pompa zanurzona jest na głębokość 80 m pod poziom statyczny ropy, skok tłoka wynosi 1,2 m, tłok wykonuje 8 cykli na minutę, gęstość ropy naftowej wynosi 840 kg/m 3 gęstość materiału Ŝerdzi pompowych jest równa 7600 kg/m 3 napręŝenia dopuszczalne dla materiału Ŝerdzi 145 MPa W dolej części przewodu (pierwszy stopień) zastosować Ŝerdzie o średnicy ⅝. Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś: 1) zaplanować kolejność działań (obliczeń), 2) wypisać wymagane do obliczeń wzory, 3) przeliczyć wartości dla poszczególnych danych (SI), 4) wykonać obliczenia wielkości pośrednich, np. cięŝary słupa ropy, 5) obliczyć długości przewodu kolejnych stopni, 6) skorygować długość ostatniego stopnia w stosunku do głębokości pompowania, 7) zaprezentować wyniki swojej pracy. 26

WyposaŜenie stanowiska pracy: Poradnik dla ucznia, tabele danych Ŝerdzi pompowych, przybory do pisania, kalkulator, zeszyt. 4.2.4. Sprawdzian postępów Czy potrafisz: Tak Nie 1) wymienić elementy uzbrojenia wgłębnego odwiertu pompowanego? 2) podać wartości średnic nominalnych rur wydobywczych? 3) określić funkcję Ŝerdzi dławikowej i Ŝerdzi pompowych? 4) podać wartości średnic nominalnych Ŝerdzi pompowych? 5) określić przeznaczenie echolokatora, degazatora, kotwicy, sita i centralizatorów? 6) obliczyć cięŝar kolumny rur wydobywczych? 7) obliczyć cięŝar przewody pompowego? 8) obliczyć wartość napręŝenia w rurach i Ŝerdziach pompowych? 9) zaprojektować przewód pompowych wielostopniowy? 10) obliczyć wartość wydłuŝenia kolumny rur wydobywczych i przewodu pompowego? 27

4.3. WyposaŜenie napowierzchniowe odwiertów pompowanych 4.3.1. Materiał nauczania Odwiert eksploatacyjny, z którego wydobywanie ropy naftowej odbywa się poprzez pompowanie, oprócz uzbrojenia wgłębnego wyposaŝony musi być w szereg urządzeń napowierzchniowych. W skład wyposaŝenia napowierzchniowego wchodzą: głowica eksploatacyjna, prewenter na laskę pompową, dławik na laskę pompową, ściski i zawiesia Ŝerdzi dławikowej, indywidualny Ŝuraw pompowy, kierat pompowy z zespołem transmisyjnym, Ŝuraw pompowy (kiwak pompowy), separator dwufazowy (oddzielacz), zbiorniki na wydobyte płyny (ropa, woda złoŝowa), wyłącznik ciśnieniowy Ŝurawia pompowego, wyłącznik automatyczny Ŝurawia pompowego, zawór bezpieczeństwa, zawór upustowy, połączenia rurowe pomiędzy głowicą, a separatorem i zbiornikiem. Składniki zestawu wyposaŝenia napowierzchniowego są dobierane w zaleŝności od: ciśnienia głowicowego, sposobu pompowania odwiertu (indywidualnie czy grupowo), wydajności odwiertu. Przykładowy schemat wyposaŝenia napowierzchniowego odwiertu ropnego pompowanego przedstawia rys. 13. Głowice eksploatacyjne Nieodzownym elementem wyposaŝenia odwiertu pompowanego ropy naftowej jest głowica eksploatacyjna (wydobywcza), montowana na więźbie rurowej. Zadaniem głowicy eksploatacyjnej jest: zamknięcie przestrzeni pierścieniowej między eksploatacyjną kolumną rur okładzinowych a rurami wydobywczymi, podwieszenie kolumny rur wydobywczych, umoŝliwienie kontrolowanego odpływu ropy i gazu z odwiertu do separatora. Głowice pompowe wyposaŝone są w uszczelniacze Ŝerdzi dławikowej, których zadaniem jest wykonanie szczelnego połączenia Ŝerdzi dławikowej (laski pompowej) z głowicą pompową, przy równoczesnym zapewnieniu ruchu posuwisto-zwrotnego Ŝerdzi dławikowej. W polskim górnictwie naftowym na starszych odwiertach zamontowane są głowice pompowe typu Glinik (rys. 14), które umoŝliwiają pompowanie ropy naftowej z odwiertów o bardzo niskim ciśnieniu głowicowym. 28

29 Rys. 13. Schemat wyposaŝenia napowierzchniowego odwiertu ropnego pompowanego [10]

Rys. 14. Głowica pompowa typu Glinik [17, s. 320] Rys. 15. Schemat uzbrojenia odwiertu pompowanego wysokiego ciśnienia [1] 1 głowica odwiertu, 2 manometr, 3 presostat, 4 uszczelniacz laski pompowej, 5 prewenter, 6 zawór bezpieczeństwa, 7 zasuwa, 8 zwęŝka dławiąca, 9 trojak głowicy Przy eksploatacji odwiertów ropnych o wysokim ciśnieniu głowicowym stosowane są głowice pompowe wyposaŝone w specjalny uszczelniacz Ŝerdzi dławikowej, prewenter, oraz zawór bezpieczeństwa (rys. 15). W głowicy takiej bardzo waŝną rolę odgrywa uszczelnienie Ŝerdzi dławikowej, które powinno zapewniać prace przewodu pompowego pod ciśnieniem kilku MPa. W głowicach tego typu stosowane mogą być uszczelnienia firm Herkules (rys. 16) oraz Ratigan, które posiadają kilka wkładów uszczelniających dociskanych śrubą regulacyjną. 1. Laska pompowa 2. Pokrywa 3. Tuleja dociskowa 4. Śruba regulacyjna 5. Wkład uszczelniający I 6. Przekładka 7. Wkład uszczelniający II 8. Prowadnica 9. Płyta dociskowa 10. Wkład uszczelniający dolny 11. Śruba dławika 12. Dławik 13. Korpus Rys. 16. Schemat uszczelniacza laski pompowej typu Herkules [1] 30

Widok głowicy pompowej na wysokie ciśnienie przedstawia rys. 17. Rys. 17. Głowica odwiertu pompowanego [1] śuraw pompowy śuraw pompowy jest urządzeniem wprawiającym w ruch przewód pompowy a poprzez przewód pompę wgłębną. W zaleŝności od rodzaju napędu wyróŝnia się: 1) indywidualne Ŝurawie pompowe (IśP) nazywane równieŝ kiwonami pompowymi, 2) Ŝurawie do napędu grupowego nazywane kiwakami pompowymi, Indywidualny Ŝuraw pompowy posiada odrębny silnik napędowy i stosowany jest do napędu pompy wgłębnej w jednym odwiercie. Schemat indywidualnego Ŝurawia pompowego przedstawia rys. 18. Napęd z silnika 1 za pomocą przekładni pasowej 2 i przekładni zębatej (reduktora) przekazywany jest na wał napędowy 3. Na wale zamontowane są dwie korby 4, które połączone są z wahaczem 6 za pomocą pociągaczy 5. Na końcu wahacza znajduje się łeb wahacza 7, do którego zamocowane jest cięgło 14 połączone z Ŝerdzią dławikową 8. Rys. 18. Schemat IśP z wywaŝeniem rotacyjnym i wahaczowym 1 silnik, 2 przekładnia, 3 wał reduktora, 4 korba, 5 pociągacz, 6 wahacz, 7 łeb wahacza, 8 Ŝerdź dławikowa, 9 głowica, 10 uszczelnienie, 11 odpływ ropy, 12, 13 przeciwwagi, 14 cięgło, 15 rama nośna 31

Na korbach Ŝurawia zmocowane są przeciwwagi 12. Przeciwwagi mogą być równieŝ zamontowane na końcu wahacza 13, poza punktem zamocowania podciągaczy. Indywidualne Ŝurawie pompowe mogą posiadać wywaŝenie rotacyjne, wahaczowe lub wahaczoworotacyjne. Skok łba wahacza a tym samym skok tłoka pompy wgłębnej moŝe być regulowany poprzez zmianę punktu zamocowania podciągaczy na korbie. Dla większości IśP liczba obrotów korby, tym samym liczba skoków tłoka pomp wynosi 6, 8, 10 lub 12 na minutę. Napędzane są one zwykle silnikiem elektrycznym o mocy od kilku do kilkudziesięciu kw, rzadziej silnikiem spalinowym. Poszczególne IśP róŝnią się m.in.: wielkością obciąŝenia, maksymalną głębokością pompowania, skokiem łba wahacza, a takŝe wymiarami zewnętrznymi. Rys. 19. Widok indywidualnego Ŝurawia pompowego z wywaŝeniem rotacyjnym [20] Parametry charakterystyczne typowych indywidualnych Ŝurawi pompowych stosowanych w polskim górnictwie naftowym zawarte są w tabelach 7 i 8. Tabela 7. Dane techniczne IśP produkcji polskiej [1] Maksymalna głębokość Moc Nastawny Skok łba Obroty ObciąŜenie Typ pompowania silnika promień korby wahacza korby [kn] [m] [kw] [mm] [mm] [1/min] 225 450 IśP 3 30 600 4 300 600 375 750 8, 12, 16 450 900 225 525 IśP 5 50 1000 10 365 750 480 975 8, 10, 12 585 1200 500 1250 IśP 9 90 2000 22 650 1650 6, 8, 10, 800 2000 615 1800 IśP 12 120 3000 45 815 2400 1120 3300 6, 8, 10 1330 4500 32

Tabela 8. Dane techniczne IśP produkcji zagranicznej [1] Maksymalna ObciąŜenie głębokość Typ pompowania Thomassen 2000 Wulfell 2000 Wulfell 1000 Moc silnika Skok łba wahacza Obroty korby [kn] [m] [kw] [mm] [1/min] 1670 90 3000 30 80 2000 30 50 1000 10 2100 2500 3000 3500 1670 2100 2500 3000 3500 530 730 930 1100 1300 6, 8, 10, 12 6, 8, 10, 12 6, 8, 10, 12 Napęd kieratowy W polskim górnictwie naftowym napęd kieratowy Ŝurawi pompowych (kiwaków) jest dość powszechnie stosowany, zwłaszcza na kopalniach starszych, na których eksploatacja ropy naftowej odbywa się, co najmniej od kilkudziesięciu lat. Kieraty pompowe stosowane są jako urządzenia do napędu grupowego pomp wgłębnych. Istota napędu grupowego polega na wykorzystaniu jednego silnika napędowego do napędu kieratu pompowego a następnie za pośrednictwem transmisji pompowych do napędu na ogół kilkunastu Ŝurawi pompowych. Napęd grupowy stosowany jest w przypadku eksploatacji odwiertów płytkich, mało wydajnych, blisko siebie połoŝonych. Kierat pompowy słuŝy do zamiany ruchu obrotowego wału silnika na ruch obrotowo zwrotny koła kieratowego a następnie na ruch posuwisto zwrotny transmisji pompowych. MoŜna wyróŝnić dwa typy kieratów pompowych; 1) kierat z układem korbowym, 2) kierat mimośrodowy. Schemat kieratu z układem korbowym przedstawia rys. 20. W skład całego kieratowego układu napędowego wchodzą: kierat pompowy z silnikiem, koło kieratowe główne, koła pośrednie (filialne), transmisje pompowe, podpory do transmisji pompowych, zaczepu transmisyjne, kiwaki (Ŝurawie pompowe do napędu grupowego). Transmisje pompowe są to stalowe liny, które łączą koło kieratowe główne z kołami filialnymi a takŝe koła filialne z Ŝurawiem pompowym (kiwakiem) na odwiercie. UłoŜone są na podporach transmisyjnych tak, aby nie występowało tarcie transmisji o podłoŝe (grunt). Transmisje pompowe przenoszą napęd od kieratu do Ŝurawia pompowego. 33