Перспектива внедрения длинноходовых скважиных насосных установок. Разработка конструкции длинноходового привода ШСН

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Перспектива внедрения длинноходовых скважиных насосных установок. Разработка конструкции длинноходового привода ШСН

Канд.техн.наук Ю.Н. Курляндский

Т.Д. Кариев

Значительную долю в структуре фонда нефтедобывающих скважин в отрасли занимают скважины, эксплуатируемые штанговыми насосными установками. Несмотря на проведение большого комплекса мероприятий по улучшению добывающего фонда, внедрение высокопрочных штанг, новых типов станков - качалок, достигнутые показатели работы скважин остаются невысокими. В этой связи актуальной и перспективной является работа по созданию ДСНУ, направленная на повышение технико-экономических показателей. Предлагается конструкция длинноходового привода ШСН с наибольшей производительностью и наменьшими показателями энергетических затрат.

Одним из основных способов эксплуатации нефтяных скважин является насосный с помощью штанговых скважинных насосных установок (ШСНУ). Этими насосными установками оборудовано более 80% фонда действующих скважин в Казахстане.

Наряду с известными достоинствами ШСНУ (простота и отработанность конструкции, минимальные требования к квалификации обслуживающего персонала и др.), они обладают рядом существенных недостатков, ограничивающих область применения установок.

Более того, характеристики большинства ШСН ориентированы на разработку весьма истощенных месторождении с малым дебитом.

При обильной фильтрации пластовой жидкости в скважину производительность ее добычи ограничивается производительностью насоса. Как известно, для увеличения подачи штангового насоса необходимо увеличить диаметр, либо длину хода полированного штока или число ходов плунжера. С увеличением диаметра плунжера повышается теоретическая подача насоса только до определенного значения. Увеличение числа ходов плунжера ограничивается максимально допустимыми динамическими нагрузками. Увеличение длины хода полированного штока вызывает необходимость значительного увеличения габаритов и массы наземного оборудования. Одним из главных недостатков штанговой насосной установки является циклический характер ее работы с малым периодом цикла и большой асимметричностью нагрузок при высоком верхнем пределе. Циклическим воздействиям подвергаются все элементы установки - от двигателя до приемного клапана глубинного насоса включительно. Прежде всего это относится к штангам, которые имеют большое число концентраторов напряжений, находятся в агрессивной среде, подвергаются пиковым нагрузкам в каждом цикле и работают в непрерывном режиме в течение многих месяцев. Интенсивность накопления усталостных явлений в элементах штанговой установки обусловлена наработкой в объеме 7200-21600 циклов в сутки. При этом, в практике эксплуатации штанговых насосных установок отмечена четкая связь между аварийностью и числом нагружений или длительностью работы установки при определенной частоте качаний /1,2/.

Другим существенным недостатком следует считать многочисленные потери времени, связанные с подземным ремонтом скважин, низкой технологичностью спуско - подъемных работ (6 операции для подъема и 7 операции для спуска каждой штанги и трубы.

Оба указанных недостатка, усугубляющие в своей совокупности разупрочнение колонны штанг, создали в условиях большого фонда скважин такую ситуацию, при которой возникла необходимость изменения технических параметров приводов ШСНУ.

Эффективным способом улучшения кинематических и силовых параметров работы приводов является отказ от схемы шарнирного четырехзвенника и переход к схеме безбалансирного и (или) группового привода.

Отличительную особенность безбалансирных станков механического действия по сравнению со станками-качалками балансирного типа составляет, отсутствие качающего балансира.

В направлении создания длиннноходовых насосных установок работы ведутся длительное время, как в нашей стране, так и за рубежом. В ряде случаев предпринимается попытка увеличить длину хода существующих штанговых насосных установок. В результате возникает вероятность использования ряда положительных характеристик длинноходового привода. К наиболее существенным преимуществам длинноходового привода скважинной насосной установки можно отнести следующие:

1) Многократное сокращение числа циклов работы тягового механизма, что увеличивает долговечность установки

2) Существенное снижение действия динамических сил, которые в обычных скважинных насосных установках составляют до 50% от статической нагрузки.

3) Увеличение в 3-4 раза средней скорости движения плунжера, от которой зависит производительность насосной установки.

4) Уменьшение влияния потери длины хода плунжера, связанной с упругим удлинением штанговой колонны при каждом рабочем ходе тягового механизма.

5) Повышение объемного к.п.д и производительности установки.

Длинноходовые скважинные насосные установки (ДСНУ) для добычи нефти, разработанные и практическии освоенные за рубежом, имеют ряд отличительных особенностей /3,4/. Во всех установках используется грузовой тип уравновешивания, для практической реализации которого применяется дополнительные устройства: мачта или шурф. Поэтому все рассматриваемые приводы ДСНУ по конструктивному принципу можно разделить на две группы: высокопрофильные (мачтовые) и низкопрофильные. В ДСНУ колонна штанг перемещается с помощью каната или ленты, ремня или цепи, намотанных на барабан, реверсивно вращаемый электродвигателем через редуктор или с приводом от гидромотора. В установках мачтового типа имеется полированный шток, с уплотнением такого же типа, как у обычных ШСНУ. В установках с шурфом полированного штока нет, вместо него используется участок каната, проходящий через устьевое оборудование со специальным уплотнением.

Одна их первых ДСНУ мачтового типа была изготовлена фирмой “Oilwell” в 1969 г. под шифром 3534 /3/. Наверху мачты (на высоте 15,7 м) размещаются два барабана, вращающихся на одном валу. На одном барабане канат удерживает подвеску колонны насосных штанг, а на втором - поддерживается контргруз при движении вверх и вниз вдоль мачты. С помощью контргруза осуществляется уравновешивание установки. Возвратно-поступательное движение полированного штока обеспечивается наматыванием каната на барабан лебедки. Вал барабана приводится во вращение редуктором с привода от электродвигателя, также смонтированного наверху мачты, что делает установку более компактной, но затрудняет ее монтаж и обслуживание. Желоба, удерживающие канат, имеют специальную конструкцию, радиус желобов в конической части уменьшается по спирали.

Установка фирмы “Oilwell” имеет следующую техническую характеристику: максимальная длина хода-10,36 м; подача насоса - 100-200 м і/сут; напор-1500 м; число ходов в минуту-5; потребляемая мощность- 56-112 кВт; масса установки- 14,7-16,4 т.

1976 г. на нефтяных месторождениях в Западном Техасе и Калифорнии испытывались две ДСНУ мачтового типа с высотой мачты 30 м, разработанные фирмой “Axelson”. Техническая характеристика установки: максимальная длина хода-24 м; подача насоса-70 мі/сут; число ходов в минуту-3.

Установка, изготовленная фирмой в количестве 50 шт. эксплуатируется с 1976г. Наибольший эффект достигается при эксплуатации установок на континентальном шельфе.

К достоинству высокопрофильных ДСНУ относятся: отсутствие дополнительного шурфа для противовеса, возможность применения противовесов из железобетона, проведения ремонта скважин без применения агрегата для подземного ремонта.

Недостатками мачтовых ДСНУ являются большие удельные массы и габариты, сложность обслуживания, ограничение хода плунжера в пределах 10-12 м.

Низкопрофильные приводы ДСНУ, будучи менее металлоемкими и имеющими практически неограниченную длину хода, не обеспечивают надежного уплотнения устья скважины, что создает опасность для обслуживающего персонала. Кроме того, существует возможность потери работоспособности установки в результате засорения шурфа /4/.

В связи с этим более предпочтительным является все же создание установки мачтового типа. Нами поставлена задача разработки конструкции длинноходового привода ШСН так, как известные конструкции длинноходовых приводов, как правило, являются весьма громоздкими и металлоемкими.

С целью уменьшения габаритов установки, перемещения штока предложено осуществлять не с помощью качающегося рычага (балансира), а с помощью канатного барабана совершающее возвратно-поворотное движение. В качестве привода использована надежная схема кривошипно-шатунного механизма с непрерывным вращением кривошипа, что позволило бы избежать применения реверсивного электродвигателя. С целью обеспечения удобства регулирования и натяжения ремней, электродвигатель размещен в нижней части установки.

Увеличение длины хода и грузоподъемности достигается тем, что между канатной подвеской и редуктором установлен мультипликатор, на быстроходном валу которого смонтированы канатные барабаны, а на тихоходном - кривошип с шатуном.

Для обеспечения удобства при обслуживании устьевого оборудования скважин и безопасности персонала блоки канатов, устьевого штока и каната противовеса установлены на консолях, обеспечивается необходимое расстояние устьевого штока и противовеса от опорного контура установки. Движение противовеса по направлениям предотвращает его раскачивание ветровой нагрузкой. Уравновешивание обеспечивает постоянное направление нагрузки на зубчатом секторе и тем самым исключает выборку люфта и создание в зубчатой передаче, характерные для реверсивной нагрузки.

Разработанный нами привод длинноходовой скважинной установки представлен на рисунке и состоит из следующих элементов: 1-устьевой шток; 2-подвеска устьевого штока; 3-канатная устьевого штока; 4-канаты противовеса; 5-блок каната устьевого штока; 6,7-блоки каната противовеса; 8-канатные барабаны; 9-рычаги мультипликаторов; 10-мультипликатор; 11-шатун; 12-редуктор; 13-кривошип; 14-клиноременная передача; 15-противовес; 16-электродвигатель; 17-направляющая груза; 18 опорная конструкция; 19-фундамент.

Установка работает следующим образом.

Возвратно-поступательное перемещение в вертикальном направлении подвеске устьевого штока 1 сообщается с помощью двух канатов 3, переброшенных через блоки 5 и закрепленных на двух барабанах 8, совершающих возвратно поворотное движение. Барабаны приводятся во вращение с помощью мультипликатора. Мультипликатор совершает возвратно-поворотное движение, сообщаемое ему от привода, состоящего из электродвигателя 16, клиноременной передачи 14, редуктора 12, на двух концах выходного вала которого установлено два кривошипа 13, два шатуна 11, которые шарнирно одним концом соединены с кривошипом, а другим с мультипликатором.

Подъем устьевого штока производится при наматывании канатов 3 на барабан 8, опускание при сматывании их с барабана, под действием силы тяжести колонны штанг. Усилие подъема устьевого штока образуется за счет усилия перемещения рычагов 9 мультипликатора приводом и силы тяжести противовеса 15. Перемещение противовеса осуществляется на канатах противовеса 4, переброшенных на блоки противовеса 6,7. При опускании привод поднимает противовес, накапливая таким образом энергию для использования ее при рабочем ходе подвески устьевого штока, сопровождающимся опусканием противовеса. Противовес перемещается в направлении на четырех парах роликов, обхватывающих направляющие 17.

Качание рычагов мультипликатора 9, осуществляется с помощью кривошипно-шатунного механизма, состоящего из кривошипа и шатуна.

Вращение кривошипа производится от электродвигателя через клиноременную передачу цилиндрического двухступенчатого редуктора. Преимущества:

- уменьшение энергетических затрат;

простота устройства конструкции;

равномерность работы уравновешивания в течении всего цикла работы;

малая площадь и масса фундамента;

обеспечение привода ШСН с помощью простого, надежного и технологического оборудования.

1. Зубаиров С.Г. Проектирование штанговых насосных установок - Уфа: Изд-во УГНТУ, 1999.-159 с.

2. Молчанов Г.В., Молчанов А.Г. Машины и оборудование для добычи нефти и газа. - М.: Недра. 1984.-464 с.

3. Зайцев Ю.В., Захаров Б.С., Новиков Л.А. и др. Длинноходовые скважинные насосные установки с гибкой штангой.- Обзорная информация, сер. “Насосостроение” - М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1988.- 49 с.

4. Храмов Р.А. Длинноходовые насосные установки для добычи нефти.- М.: Недра. 1996.- 208 с.

Размещено на Allbest.ru