Эрлифты, газлифты, динамолифты

   Автор: Пилипец В. И.
Донецький національний технічний університет

   Источник: Пилипец В.И. Насосы для подъёма жидкости: Учебное пособие. – Донецк: Дон ГТУ, 2000. – 244 стр

   
Эрлифтные подъемники впервые были предложены в 1846 году Кокфордом в Пенсильвании и почти одновременно Сименсом в Англии. Но практическое применение эрлифт получил только с 1891 года.
Эрлифт является одним из наиболее простых способов подъема жидкости. Принцип действия эрлифта основан на том, что в двух сообщающихся сосудах соотношение уровней жидкостей обратно пропорционально их удельным весам.
При подаче воздуха по воздушным трубам в смеситель, расположенный ниже динамического уровня жидкости в скважине на 40-70 метров, образуется водовоздушная смесь (пульпа) удельный вес которой значительно ниже удельного веса воды. Водовоздушная смесь, из-за разности удельных весов поднимается по водоподъемным трубам к устью скважины и изливается в водосборник.
Эрлифтная установка состоит из компрессора, воздушных труб, водоподъемных труб и смесителя.В настоящее время существует 3 системы эрлифтов (рис. 1.9), отличающихся по взаимному расположению воздушных и водоподъемных труб в cкважине:
воздушные и водоподъемные трубы располагаются в скважине параллельно друг другу (рядом или система Мамут) (рис.1.9а);
концентрически, когда воздух подается по воздушным трубам расположенным внутри водоподъемных, а пульпа поднимается по кольцевому зазору между трубами (центральная система или система Поле) (рис.1.9б);
концентрически, но воздух подается по кольцевому зазору между трубами, а пульпа поднимается по центральной водоподъемной трубе (система Сандерса).
Eсли вместо воздуха используется газ, то такая установка иногда называется газлифт. Газлифты применяются для подъема нефти и работают на сжатом горючем газе, получаемом из скважин. Конструктивно газлифты отличаются устройством смесителя.
Различают два способа соединения двойной колонны труб эрлифта: резьбовой и фланцевый. Колонна труб фланцевого соединения (рис.1.10) обычно имеет в своей конструкции пальцы, которые обеспечивают правильную стыковку, и стяжные болты. Последние в основном используются съемные или закрепленные на одном из фланцев.
Иногда трубы фланцевого соединения изготавливаются с откидными болтами, что усложняет конструкцию и ослабляет фланец, а экономию во времени при спускоподъемных операциях почти не обеспечивает. Конструкция фланца во всех случаях аналогична и отличается лишь способом усиления места соединения фланца с трубой: в одних случаях – это несколько косынок, в других – усилительное кольцо.
При спускоподъемных операциях фиксация колонны труб над устьем производится с помощью обычных захватов, подкладной вилки или элеватора, которые подводятся под замок или усилительный элемент фланца.
Уплотнение фланцевых соединений обеспечивается резиновой прокладкой, зажимаемой между фланцами. При резьбовом соединении специальных уплотнительных устройств не предусматривается.

На  фланцевое соединение двойной эрлифтной колонны с параллельным расположением труб, предложенное в ФРГ. Отрезки труб 2, 3 и 7 снабжены фланцами 4 и 5 через которые проходит труба 1 значительно меньшего диаметра для подвода сжатого воздуха.
Оба фланца имеют резьбу и соединяются друг с другом круглой гайкой 6. Фланец 4 снабжен цилиндрической трапецеидальной резьбой, в то время как фланец 5 имеет коническую треугольную резьбу. Гайка 6, располагающая соответствующими резьбами. Для обеспечения соосного соединения труб 3 и 7 гайку 6 необходимо повернуть на 1,5-2 оборота. Для центрирования фланцев используется штифт 8. В последнее время эрлифтные насосы широко используются для выноса выбуренной породы при бурении скважин большого диаметра. В Техасе (США) испытана установка Конкоре-2000, которая позволяет бурить с непрерывным выносом керна на поверхность.

Буровая установка оснащена эрлифтной колонной концентрически расположенных двойных труб (рис.1.12): наружной 2 и внутренней 3. Соединяются они между собой посредством переходника 1, в котором имеются центрирующие ребра 5. Наружную и внутреннюю трубы разделяет пружинный центратор 4. Наружные трубы соединяются между собой с помощью резьбы, а внутренние имеют безрезьбовое соединение с уплотнениями. Трубы могут быть как стальными, так и алюминиевыми.
Соединение состоит из ниппеля 3 и замка 6 наружных труб. Верхний конец внутренней трубы 8 снабжен поддерживающими ребрами 7, которые опираются на проточку в муфте 6 наружной трубы. На внутреннюю трубу 8 наварен патрубок 5, в выточках которого расположены кольцевые уплотнения 4, обеспечивающие герметичность соединения. В эту муфту входит нижний конец 1 внутренней трубы. Нижний торец внутренней трубы и верхний торец патрубка 5 снабжены фасками. Для обеспечения соосности труб в верхней и нижней части секций к внутренней трубе прикреплены центраторы, изготовленные из винтовых пружин 2.
Фирма "Гэз Дриллинг Севайс К°" применяют двойные трубы с системой клапанов. Подобные трубы позволяют оперативно переходить с центральной системы эрлифта на систему "Сандерса". (рис. 1.14)
Между замком 1 и муфтой 6 наружных труб при соединении образуется зазор, в который вставляется опорная шайба 5 с отверстиями для прохода жидкости. На эту пластину 5 опирается уступ раструбной верхней части 4 внутренней трубы. В этот раструб 4 входит нижний конец трубы 2. Уплотнения 3 предотвращают самопроизвольный переток промывочной жидкости между рубами.
Более простым является соединение, предложенное Г.Дж.Хендерсоном из фирмы "Уокер Ниир Мануфекчуринг К°". Он предлагает соединять (рис. 1.15) внутреннюю 1 и наружную 3 трубы приваренными ребрами 2 различных модификаций. Для герметизации стыков на нижнем конце внутренней трубы приварена муфта 4 с уплотнением 5.
Достаточно широкое применение нашли эрлифтные насосы для создания внутрискважинной циркуляции жидкости. Поскольку при спускоподъёмных операциях с двойной колонной труб эрлифта применяется обычный буровой инструмент, то разработаны конструкции соединений двойной колонны труб замками.
Показано соединение конструкции треста «Кривбассгеология», которое состоит из муфты 5 и корпуса 6, которые соединены резьбой с воздухопроводными трубами 2, 9 и водоподъемными 1, 10. К муфте 5 присоединен кожух 7, который при свинчивании труб накрывает конус 6 и таким образом соединяет радиально-осевые каналы конуса и муфты, по которым поднимается жидкость. Воздухопроводные трубы 2, 9 крепятся хвостовиками 3, 8. Хвостовик 3 снабжен гайкой 4 удерживающей воздухопроводную трубу от осевого смещения.
Каждая свеча воздухоподводящих трубок подвешивается в наружных трубах на опоре 6, нижний торец 2 трубок весит свободно и центрируется с помощью ребер 3. Соединение воздухоподающих трубок происходит путем телескопического соединения концов трубок при свинчивании резьбы замка. Герметизация соединения достигается самоуплотнением резиновой манжеты 5 под давлением сжатого воздуха. Такой способ крепления эрлифтных труб позволяет ускорить спуско-подьемные операции, а также дает возможность при необходимости легко вынимать центральные трубки. Однако устройство надежного уплотнения стыка воздухоподводящих труб вызывает значительное сужение проходного сечения в замке, что неизбежно приводит к росту гидравлических сопротивлений и уменьшению подачи эрлифтного насоса. Кроме того, недостатком конструкции является невозможность применения обычных стандартных и полуавтоматических элеваторов для спускоподъемных операций из-за того, что детали 4-7 уплотняющего устройства образует над конусом замка выступ около 20 мм. Поэтому для этой цели необходимо применение специальных наголовников. Также снижается надежность герметизации посредством самоуплотняющихся манжет при работе в условиях низких температур (до -45°С), так как резина в таких условиях перестает быть эластичной и упругой.

Всесоюзным научно-исследовательским институтом методики и техники разведки (ВИТР) Министерства геологии разработаны две конструкции эрлифтных снарядов, принципиально отличающихся выполнением внутренней воздухоподводящей трубы, которая может быть как металлической, так и гибкой полиэтиленовой. Снаряд эрлифтный СЭ – 63,5 (рис. 1.18) представляет собой колонну водоподъемных труб, внутри которой размещены металлические воздухоподающие трубки. Эрлифтные трубы собраны в секции (свечи).
Трубка внутренняя 7 предназначается для прохода сжатого воздуха и представляет собой собственно трубку (длина подгоняется при сборке свечи), с одной стороны которой вварена втулка опорная 6, а с другой – нарезана внутренняя резьба. С помощью втулки 6, имеющей наружную резьбу, трубка внутренняя закрепляется в переходнике 2. Снизу (в ниппеле 4) трубка закрепляется с помощью натяжного винта 8. Опорная втулка 6, трубка внутренняя 7 и натяжной винт образуют единый канал для прохода потока воздуха. Герметизация внутренних трубок достигается за счет сжатия медных прокладок 9 при сборке. Для предотвращения отжатия винта 8 и для создания более надежной герметизации нижнего конца трубки 7, винт натяжной 8 можно зажать круглой гайкой с наружной резьбой. В корпусе и в муфте равномерно по окружности положены цилиндрические каналы, предназначенные для прохода водовоздушной смеси через замковое cоединение.
Известна конструкция эрлифтного насоса с резьбовым соединением, разработанная в ДонГТУ Неудачиным Г.И. и Пилипцом В.И. В конструктивном отношении эрлифтный насос (рис. 1.19) состоит из муфты 1, переходника 2, удлинителя 3, внутренних водоподъемных труб 4, наружных воздухоподающих труб 5, патрубка 6 для соединения внутренних труб 4 в колонну длиной 9м, ограничителей 9 для фиксирования внутренних труб 4, штока 11 с тремя уплотнительными резиновыми кольцами 12, цилиндра 13, смесителя 14.
Для предотвращения изгиба и поломок внутренних труб 4 на соединительном патрубке 6 установлены три центрирующие планки 1. Наружные воздухоподающие трубы 5 соединяются между собой в свечи муфтами 8, а свечи свинчиваются муфтами 1 и ниппелями 10. При свинчивании двух свечей (длиной по 9,6 м) между собой, шток 11 с резиновыми уплотнителями 12 одной из внутренних труб, входит в цилиндр 13 с другой трубы и , таким образом, осуществляется герметическое уплотнение внутренних водоподъемных труб. Смеситель 14 представляет собой трубку диаметром 42, в которой просверлено 200 отверстий диаметром 4 мм. Сборка и разборка двойной колонны труб производится в мастерских после изготовления или на буровой при необходимости замены труб или их соединений. Сборка и разборка осуществляются обычными буровыми ключами. В эрлифтном насосе Г.И.Неудачина и В.И.Пилипца использованы стандартные замковые соединения труб (Рис. 1.20).
Насос состоит из водоподъемных труб 1 и 9, воздушных трубок 2 и 8, ниппеля замка 4 с гильзой 3 и муфты замка 7 с гильзой 3. Для прохода воздуха из воздушных трубок 2 в воздушные трубки 8 между элементами соединительного замка 4, 7 и гильзами 3, 6, предусмотрены кольцевые зазоры А и Д и продольные канавки Я и С. Уплотнение воздушного канала достигается резиновой прокладкой 5, а также замковой резьбой. Воздух подается в смеситель по воздухо-подводящим трубкам через продольные канавки в замках. Сброс пульпы осуществляется через отводной шланг.
Данный эрлифтный насос разработан для труб диаметром 114 мм с высаженными внутрь концами и воздушных труб диаметром 25 мм. Для нормальной работы эрлифта необходимо использовать компрессор с давлением 0.6-0.8 МПа и производительностью 7-9 м3/мин. При таком давлении сжатого воздуха эрлифт обеспечит перепад давления промывочной жидкости 0.4-0.5 МПа при глубине опускания смесителя 70-80м. Эрлифтные насосы с металлическими воздухоподводящими трубами имеют некоторые существенные недостатки, к которым следует отнести:
сложность в сборке, которую предварительно необходимо осуществлять только на поверхности;
невозможность применения водоподъемных труб диаметром менее 63,5 мм;
невысокую надежность в эксплуатации, в виду частой поломки внутренних труб и нарушения герметичности cоединений;
уменьшенные сечения проходных каналов в замковых соединениях, которые снижают производительность эрлифта, вследствие значительных гидравлических сопротивлений в этих местах.
Эти недостатки отсутствуют в эрлифтных насосах с гибкими полиэтиленовыми воздухоподводящими трубками.
Подвеска и крепление полиэтиленовой трубки осуществляется с помощью специального ниппеля и ряда простых деталей. Роль смесителя эрлифта выполняет отрезок металлической трубки 11, который является также дополнительным грузом, облегчающим спуск полиэтиленовой трубки под действием собственного веса. Порядок операций при спуске эрлифтрого насоса в скважину следующий. Вначале опускают водоподъемные трубы 4, ставят переходник 1 на подкладную вилку и в колонну водоподъемных труб пропускают полиэтиленовую трубку 9 требуемой длины, спуск полиэтиленовой трубки производится вручную. Верхний конец полиэтиленовой трубки свободно размещается в переходнике 1. Крепление трубки в переходнике 1осуществляется с помощью нажимной гайки 6, имеющей внутренние прорези под торцевой ключ. Герметизация достигается сжатием медной прокладки 8 с помощью нажимной гайки 6.
В Красноярском геологическом управлении применяется эрлифтный насос с гибкими прорезиненным шлангом диаметром 28 мм.
При откачке жидкости из стволов шахт или глубоких скважин большого диаметра могут применяться ступенчатые эрлифтные установки, которые представляют собой систему, где жидкость нижним эрлифтом подается не на поверхность, а в специальный резервуар, который располагается на высоте равной высоте максимального подъема жидкости нижним эрлифтом. В резервуаре устанавливается водозаборная часть следующей ступени эрлифта. Недостатком ступенчатых эрлифтных установок является необходимость синхронной работы всех ступеней, а также большая металлоемкость. Эрлифт относится к одному из наиболее простых способов подъема воды из скважин, однако ввиду того, что для работы эрлифта используется дорогой вид энергии – сжатый воздух, в стационарном водоснабжении эрлифт применяют преимущественно для артезианских установок небольших подач. Благодаря преимуществам эрлифта, его широко применяют для прокачки геолого-разведочных, артезианских и водопонижающих скважин с использованием передвижных компрессоров. Имеются примеры эффективного применения эрлифта для водопонижения при проходке вертикальных стволов.
В больших масштабах был использован эрлифт при восстановлении шахт Горловско-Енакиевской группы Донецкого бассейна. Например, на шахте «Юнком» с октября 1944 г. по июнь 1945 г. из 2.2 млн. м3 воды, откачанных через ствол №1, свыше 1 млн. м3 воды было выдано при помощи эрлифта. Эрлифт был также применен при откачке воды из шахты №1/2 «Красный Октябрь» треста Дзержинскуголь.
К другим недостаткам эрлифтов можно отнести:
низкий к.п.д., который не превышает 20-22%;
большую металлоемкость;
сложное компрессорное хозяйство;
необходимость в большом погружении смесителя под динамический уровень жидкости в скважине;
резкое возрастание потребного расхода воздуха, мощности компрессора и снижение к.п.д. при увеличении глубины уровня откачиваемой жидкости;
трудность создания нескольких понижений в процессе опытных откачек; для замера дебита скважины необходимы специальные устройства с целью дегазации.
К достоинствам эрлифта относится:
простота оборудования скважины;
возможность откачки жидкости с большим содержанием твердой фазы;
отсутствие движущихся частей; возможность использования в искривленных и направленных скважинах.
Подача и напор эрлифтных установок зависит от типа применяемого компрессора, глубины залегания динамического уровня жидкости и диаметра водоподъемных труб. Подача эрлифтов, при применении передвижных установок типа ДК-9М, составляет до 100 м3/ч, а напор до 120 м. При откачке воды из скважины дебит регулируется путем увеличения или уменьшения количества подаваемого в эрлифтный насос воздуха или глубины погружения смесителя эрлифта. Для мелких скважин и для скважин с низким динамическим уровнем эрлифт мало эффективен. Иногда возникает необходимость проводить откачки в условиях, когда глубина жидкости в скважине небольшая, а ее уровень залегает на глубине до 30 м. В таких случаях можно применять смеситель – динамолифт.