Научные основы проектирования и эксплуатации штанговых скважинных насосных установок с гидроприводом для добычи нефти

Постепенное и непрерывное усложнение условий разработки и эксплуатации нефтяных месторождений привело к необходимости совершенствования и способов подъема пластовой жидкости, и оборудования, реализующего эти способы. В настоящее время наиболее широкое промышленное использование получили фонтанный, газлифтный, и также механизированные способы эксплуатации скважин: штанговыми скважинными насосами, гидропоршневыми и центробежными электронасосами.

В Российской Федерации, как впрочем и в большинстве промышленно развитых стран, наиболее массовым является способ, осуществляемый с помощью штанговых скважинных насосных установок (ШОНУ). Установки этого типа содержат наземный привод, обеспечивающий перемещение плунжера скважинного насоса посредством колонны штанг. Массовость и перспективность этого способа эксплуатации объясняется высокой эффективностью оборудования для эксплуатации скважин малых и средних глубин, имеющих низкие и средние дебиты.

В Российской Федерации фонд скважин, эксплуатируемых с помощью ШСНУ, составляет 75 879 скважин, или 70% фонда С механизированной добычей, в США — соответственно около 500 тыс. скважин, или 90% фонда. И абсолютное число ШСНУ, и их относительное число имеют тенденцию к непрерывному увеличению.

Простота штанговой скважинной насосной установки в сочетании с высокой степенью конструктивной и технологической отработанности ее основных элементов, высокий КПД обуславливают рентабельность ее использования в широком диапазоне глубин, дебитов, физико-химических свойств пластовой жидкости и т. п. характеристик скважины и пластовой жидкости.

Исторически наиболее старая, но достаточно простая кинематическая схема привода штангового насоса, элементы которой отрабатывались десятилетиями, обеспечивает более надежную и эффективную передачу энергии к насосу, чем появившиеся в более позднее время системы с электрическими или гидравлическими коммуникациями.

С учетом перспективы дальнейшего абсолютного и относительного расширения области применения штанговых скважинных насосных установок особо актуальной является задача дальнейшего совершенствования этого оборудования.

Настоящая работа посвящена исследованиям, имеющим цель установления наиболее рациональных путей повышения эффективности ШСНУ и их реализации.

Одним из них — переход от механического балансирного привода колонны штанг к гидравлическому. Именно этот путь был выбран рядом иностранных фирм, которые в 40 — 50х годах начали работы по созданию приводов принципиально новых конструкций с использованием новых решений вопроса уравновешивания. Фирмами «Пельтон», «Аксельсон», «Виккерс» были разработаны гидроприводные штанговые скважинные насосные установки различных конструкций. В этот период времени общее число гидроприводных установок на промыслах США составляло несколько сотен. Однако позже их число сокращалось и постепенно они были сняты с эксплуатации.

В Советском Союзе создание гидроприводных установок началось в 50 годах, (единичные экземпляры появились в 30 годах).Эти работы развивались в двух направлениях — копирования зарубежных конструкций и создания установок, не имеющих аналогов. Работы, основанные на копировании зарубежных конструкций, вскоре зашли в тупик, поскольку основные принципы, заложенные в них, не могли быть реализованы на должном техническом уровне, т. к. используемая элементная база не обеспечивала необходимые показатели надежности и КПД. Работы, основанные на реализации новых принципов, завершились созданием опытных образцов, испытания которых показали рациональность применяемых схем и работоспособность приводов, несмотря на новизну и необычность предложенных технических решений.

Однако, дальнейшие конструкторские работы встретили ряд трудностей: создание промышленных образцов оказалось невозможным без решения комплекса вопросов, совокупность которых, по существу, представляет собой теорию гидроприводных установок.

Попытка использования теории механической штанговой установки для решения вопросов расчета, конструирования, изготовления и эксплуатации гидроприводных установок оказалась неудачной. Накопленный отечественный опыт создания экспериментальных образцов гидроприводных установок показал, что отличия, заложенные в принципе их действия, предопределяют необходимость решения новых задач.

Создание принципиально нового оборудования, рассчитанного на массовое применение, почти всегда сопровождается созданием теории проектирования и эксплуатации. Теория механической штанговой насосной установки была начата разработкой отдельных, часто не связанных между собой задач, которые решались по мере необходимости много лет спустя после конструкторских разработок и внедрения установок на промыслах.

Отставание теоретических исследований оборудования от его разработки и внедрения приводит к ряду нежелательных последствий, поэтому особо важным стало определение и отбор задач, первоочередное решение которых обеспечило бы возможность выполнения конструкторских работ и эффективной эксплуатации установок на промыслах.

Предварительные исследования показали, что к таким задачам в первую очередь должны быть отнесены:

— анализ существующих схем и конструкций гидроприводных установок, и на его базе выбор и разработка новых рациональных схем и конструкций;

— определение наиболее эффективных и разработка новых способов уравновешивания;

— создание метода проектирования параметрического ряда гидроприводных установок;

— решение вопросов унификации основных узлов и деталей;

— исследование кинематики и динамики движения точки подвеса колонны штанг;

— определение энергетических показателей гидроприводных установок;

— определение рациональной области применения гидроприводных установок различных типов.

На основе решений перечисленных задач необходимо разработать основные рекомендации по расчету и конструированию гидроприводных установок различных типов.

ОСНОВНЫЕ выводы.

1. Повышение эффективности штанговых скважинных насосных устандвок можно достигнуть за счет применения, объемного гидропривода в сочетании с использованием аккумулятора с высокой удельной энергоемкостью, в качестве которого рекомендуется использовать колонну НКТ или маховик.

2. Использование гидроприводных ШСНУ, выполненных в соответствии с рекомендуемыми принципами построения их схем, позволяет уменьшить их массу по сравнению с механическими балансирными станками-качалками в 5 — 7 раз, выполнять привод в виде моноблока, монтируемого на фланце колонной головки и таким образом вообще отказаться от сооружения специального фундамента.

3. Применение гидропривода в сочетании с предлагаемыми энергоемкими аккумуляторами энергии и схемами их связи с гидросистемой позволяет обеспечить реализацию оптимального закона движения точки подвеса штанг, обеспечивающего увеличение производительности скважинного насоса на 8. -12% и сократить инерционные составляющие усилия.

4. Использование в качестве аккумулятора колонны НКТ позволяет свести к минимуму влияние внешних факторов на уравновешенность привода, что в сочетании с нагрузочной характеристикой гидропривода позволяет уменьшить мощность двигателя на 10 — 15% по сравнению с мощностью двигателей механических приводов ШСН и соответственно сократить удельные затраты энергии на подъем пластовой жидкости.

— 361.

5. Параметрический ряд гидроприводных штанговых скважинных насосных установок должен состоять из 3−4 типоразмеров индивидуальных установок, что позволит полностью удовлетворить потребность промыслов в подобных установках. На базе этих установок при необходимости могут создаваться специализированные приводы — например, для пробной или групповой эксплуатации и т. п.

6. Параметрический ряд гидроприводных штанговых скважинных насосных установок должен состоять из приводов, конструктивная схема которых выбрана, исходя из параметров типо-размера, и не является геометрически подобной остальным приводам ряда. При этом в пределах всего параметрического ряда целесообразно и возможно унифицировать радиальные размеры силовых органов, блоки приводов и систем распределения, выполняя их едиными для всего ряда.

7. Расход энергии необходимой для привода ШСН следует определять с учетом потерь в силовом контуре привода, в связи с чем традиционные формулы для определения КПД в приводе ШСН любого типа (в том числе и механического) использовать нельзя.