Перспективные направления разработки приводов штанговых скважинных насосов

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Таразский государственный университет имени М.Х. Дулати

Одним из важнейших направлений развития нефтегазовой отрасли является ресурсо-сбережение, требующее применения принципиально новых подходов не только в текущей производственной деятельности, но и в решении вопросов подбора, совершенствования и создания новых оборудования и технологий. Однако, осознание необходимости такого подхода, в силу влияния психологической инерции, а также в условиях преобладания в производственных фондах предприятий устаревшего оборудования и отсутствия достаточных средств на его обновление, до настоящего времени должным образом не достигнуто.

Подобная ситуация сложилась в области применения наиболее распространенного нефтедобывающего оборудования - станков-качалок. Необходимость объективного выявления наиболее перспективных, в том числе по признаку ресурсосбережения, типов станков-качалок для реализации заданных характеристик существует, так как общепризнанными недостатками некоторых распространенных балансирных установок с кривошипно-шатунным механизмом являются высокие энергоемкость работы и металлоемкость. Актуальность решения этого вопроса усилены тем, что альтернативы применению балансирных станков-качалок в весьма обширной области конкретных промысловых условий не имеется. При этом весьма важными признаками определения перспективного типа станки-качалки являются также простота конструкции и надежность работы [1].

Наиболее распространённые в настоящее время станки-качалки с двуплечим и одноплечим балансирами с длиной хода до 3,5м повсеместно признаны как приводы высокой надежности, не обеспечивающие, однако, резерва повышения производительности штанговой насосной установки при применении на высокодебитных скважинах. Это связано с ограничением частоты ходов повышением, по мере роста последней, частоты обрывов штанговых колонн. Общим недостатком таких станков - качалок является также повышенная энергоемкость работы. Поэтому при необходимости отбора добываемой пластовой жидкости из скважин с большой производительностью и в экономичном режиме, в странах СНГ и за рубежом применяются длинноходовые насосные установки.

Увеличение длины хода, позволяет увеличить коэффициент подачи насоса, и при заданной производительности насосной установки снизить частоту ходов, увеличить за счет этого срок службы штанг и, соответственно, уменьшить частоту аварий в скважинах в результате их обрывов, а также затраты на ликвидацию последствий аварий. Общим элементом всех длинноходовых установок является приводной барабан, связь которого с колонной насосных штанг и противовесом осуществляется с помощью, стального каната или цепи, либо гибкой ленты. Различаются приводы высокопрофильные - с устьевым штоком и сальником уплотнения устья скважины традиционной конструкции и мачтой для подвески и движения противовеса над поверхностью земли, и низкопрофильные безмачтовые с заглубленным уплотнительным устройством устья скважины, например в виде манжетного плунжера скважинного насоса, и шурфом для противовеса.

Преимуществами высокопрофильных установок, разработанных фирмами Маре (Франция), Oilwell и Axelsohn (США) являются надежность уплотнения устья скважины, возможность изготовления противовесов произвольных форм и размеров из железобетона и проведения ремонтов скважины без использования агрегата подземного ремонта. Однако, их недостатками являются большие масса и габариты, сложность обслуживания, ограничение рациональной длины хода устьевого штока в пределах 10-12 м [2].

Последнее обстоятельство ограничивает эффективность применения высокопрофильных мачтовых установок. Поэтому более перспективными из условия получения максимального эффекта являются установки низкопрофильные, длина хода гибкого тягового органа которых может быть весьма большой. Исходя из этого, российскими институтами ВНИИ и ВНИИМетМАШ совместно с ПО Оренбургнефть разработана и прошла успешные испытания установка длинноходового привода с длиной хода плунжера, соизмеримой с глубиной скважины - порядка десятков и сотен метров, с тяговым органом в виде длинномерной стальной ленты и с использованием в качестве цилиндра насоса колонны НКТ. Однако, эта установка не оснащена уравновешивающим устройством, что предопределяет повышенный расход электроэнергии при ее работе и ограничивает возможности ресурсосбережения.

Вместе с тем, недостатками более экономичных низкопрофильных установок с противовесом с длиной хода до 24 м типов Alfa-1, Liftroniс, а также малогабаритной установки фирм Bethlehem Steel, National Supply Western (США) являются:

- низкая надежность сопротивления обрыву гибкого тягового органа, подверженного действию переменных растягивающих и (в связи с намоткой на барабан) изгибных нагрузок с большим числом циклов;

- сложность создания надежного уплотнения на устье скважины гибкого тягового органа в виде плоской стальной или резинотросовой ленты овального сечения либо каната;

- необходимость устройства и поддержания в работоспособном состоянии глубокого шурфа, в котором перемещается противовес.

Кроме того, общей проблемой эксплуатации указанных длинноходовых приводов является недостаточная надежность системы реверсирования, обусловленная использованием в качестве рабочего органа привода вращающихся барабанов и необходимостью переключения направления их движения с помощью дополнительных устройств. С учетом этого, одной из наиболее приоритетных задач является создание станка-качалки с рабочим органом, не требующим реверсирования приводных устройств [3].

Важнейшим шагом в решении проблемы замены вращающегося барабана таким рабочим органом является выбор увеличенной длины хода плунжера скважинного насоса и, соответственно, устьевого штока и канатной подвески станка - качалки в более умеренных, чем у длинноходовых приводов, пределах. С учетом того факта, что в настоящее время не менее 98% существующего парка приводов штанговых скважинных насосов составляют станки - качалки с длиной хода канатной подвески не более 3 м, начальный реализации преимуществ длинноходовых приводов вполне возможно добиться созданием надежно работающего оборудования с длиной хода, увеличенной до 6 м.

В связи с осознанием этого обстоятельства инженерами нефтяной промышленности и машиностроителями, не оказалось случайным событием то, что именно в течение последних 15 лет вначале американский фирмой «ROTAFLEX», а затем институтом ТатНИПИНефть (г.Бугульма, Татарстан) и заводом ИжНефтеМаш (г. Ижевск, Удмуртия) создано принципиально новое оборудование - станки-качалки с длиной хода 6ч7,3 м с цепным приводом, работающим без реверсирования двигателя и передач. В условиях современного состояния и уровня развития технологий и оборудования добычи нефти это было шагом в правильном направлении, необходимость в котором назрела многими годами раньше.

Тяговым органом такого станка-качалки является замкнутая тяговая цепь, находящаяся с зацеплением с нижней ведущей и верхней ведомой звёздочками. В процессе непрерывного движения цепь перемещает поочерёдно вверх и вниз вдоль вертикальных направляющих массивный противовес с роликами, в полости внутри которого расположена на горизонтальных направляющих с возможностью горизонтального перемещения роликовая каретка, соединенная с цепью с помощью штыря-скалки. При возвратно-поступательном перемещении вниз - противовес поднимает канатную подвеску устьевого штока, а вверх - опускает её с ограничением скорости опускания под действием силы тяжести связанных с ней масс (колонны штанг и плунжера насоса) с помощью тяговых канатов, огибающих канатные шкивы, расположенные на площадке над направляющими. В процессе огибания звёздочек звеньями цепи, соединёнными скалкой с внутренней кареткой противовеса, каретка перемещается вдоль своих направляющих, переходя от ветви цепи, движущейся вверх, к ветви цепи, движущейся вниз, и наоборот. Это позволяет изменять направление движения противовеса и, соответственно, канатной подвески устьевого штока без изменения направления движения цепи и направления вращения приводного двигателя и передач.

Настойчиво рекламируемыми преимуществами цепных станков-качалок являются:

- экономия удельных энергозатрат на откачку продукции скважин;

- снижение сил гидродинамического сопротивления движению подземной части насосной установки;

- возможность эксплуатации малодебитных скважин в непрерывном режиме;

- снижение затрат на монтаж и обслуживание.

Вместе с тем, недостатком станков-качалок с цепным приводом является отсутствие возможности регулирования длины хода канатной подвески и, соответственно гибкого регулирования таким способом производительности откачки пластовой жидкости в соответствии с ее притоком в скважину. цепной балансирный насосный станок качалка

Также весьма существенным недостатком цепных станков-качалок является кратковременность замедлений и ускорений противовеса и канатной подвески при перемене направления движения, длительность которой ограничена временем огибания звёздочек звеньями цепи, соединенными со скалкой каретки противовеса. Создание при этом больших инерционных нагрузок на тяговый орган противовесом большой массы, жестко связанным с цепью и подверженным действию значительных ускорений и замедлений, при ограниченный величине допускаемой рабочей нагрузки на цепь и на канатную подвеску вынудило разработчиков этого оборудования прибегнуть к максимальному снижению скорости движения цепи и частоты ходов противовеса и канатной подвески и к ограничению величины тягового усилия этого станка-качалки пределом, составляющим не более (20-30)% допускаемого максимального усилия в точке подвеса штанг (табл. 1). Ограничение в связи с этим диаметра и скорости движения плунжера насоса исключило возможность достижения высокой производительности насосной установки.

Сравнительной анализ технических характеристик станков-качалок цепных (таблица 1) и балансирных (табл. 2) показал, что главный рекламный тезис разработчиков - об экономии при применении цепного станка-качалки удельных затрат на откачку продукции скважин - не подтверждается. Это легко устанавливается сопоставлением параметра N/(Q*L_max*n_max), в который включены:

N - установленная мощность электродвигателя, кВт;

Q - тяговое усилие станка-качалки, кН;

L_max - максимальная длина хода канатной подвески, м;

n_max - максимальная частота ходов, 1/мин.

Так как произведение Q*L_max*n_max пропорционально максимальной производительности насосной установки, то по соотношению параметров N/(Q*L_max*n_max) можно судить о соотношении удельных энергозатрат на откачку единицы продукции скважин станков - качалок различного типа.

Не соответствует действительности и рекламный тезис разработчиков о снижении, по сравнению с другими станками - качалками, затрат на монтаж и обслуживание станка-качалки с цепным приводом, отличающегося большой сложностью конструкции и включающего открытую цепную передачу, а также противовес и каретку, перемещающееся по открытым направляющим на роликах. Эти открытые механизмы, отличающиеся большим числом точек смазки, а также, в силу открытости внешним воздействиям, требуют более частого, тщательного и трудоемкого технического обслуживания, чем герметично закрытые подшипниковые узлы шарниров и опор кривошипно-шатунного механизма балансирных станков-качалок.

Остальные отличия цепных станков-качалок, рекламируемые разработчиками как преимущества, обеспечены за счет вполне достижимого и для балансирных станков-качалок снижения частоты ходов и скорости рабочего органа и соответствующего снижения производительности, в связи с чем преимуществами считаться не могут.

Опыт применения на нефтяных промыслах Казахстана большой партии таких станков-качалок, приобретенных Национальной Компанией «Казмунайгаз» по выбору, основанному на некорректных рекламных сведениях о низком энергопотреблении, позволил установить, что это оборудование в условиях загрязненности его открытых механизмов песком в результате песчаных бурь, регулярно происходящих в нефтедобывающих регионах, не обеспечивает и необходимой надежности эксплуатации. По состоянию на настоящее время, эти станки-качалки заменены балансирными, надежно работающими в таких условиях.

Опыт применения на нефтяных промыслах Казахстана большой партии таких станков-качалок, приобретенных Национальной Компанией «Казмунайгаз» по выбору, основанному на некорректных рекламных сведениях о низком энергопотреблении, позволил установить, что это оборудование в условиях загрязненности его открытых механизмов песком в результате песчаных бурь, регулярно происходящих в нефтедобывающих регионах, не обеспечивает и необходимой надежности эксплуатации. По состоянию на настоящее время, эти станки-качалки заменены балансирными, надежно работающими в таких условиях.

Таблица 1

Технические характеристики станков-качалок с цепным приводом [5, 6]

Таблица 2

Технические характеристики балансирных станков-качалок, изготавливаемых заводом Уралтрансмаш (г. Екатеринбург) [4]

Таким образом, задача создания нового надежного привода штангового скважинного насоса с длиной хода, увеличенной до 6 м, с созданием цепных станков-качалок должным образом не решена. Как следует из приведенного выше, по состоянию разработок оборудования на настоящее время, при выборе для разработки перспективных типов приводов с такой длиной хода достойной альтернативы балансирным станкам-качалкам не имеется. Это обусловлено их преимуществами, к числу которых относятся:

- большой диапазон тяговых усилий (от 15 до 200 кН и выше), ограничиваемый лишь характеристиками внешнего комплектующего оборудования (штанг, насосов) и условиями откачки жидкости из скважины;

- плавное и достаточно продолжительное осуществление ускорений и замедлений элементов кривошипно-шатунного механизма привода и связанного с ним скважинного оборудования, обусловленных переменой направления движения, в процессе совершения всего цикла работы и, соответственно, малая величина ускорений и замедлений в широком диапазоне частоты ходов - от 1 до 12 1/мин; малая величина инерционных нагрузок, практически не оказывающая влияния на работу механизмов установки, и при их расчете обычно не учитываемая;

- простота и надежность регулирования длины хода рабочего органа и связанного с ним скважинного оборудования изменением радиуса расположения нижнего шарнира шатуна на кривошипе;

- работа приводного двигателя и передач в режиме непрерывного вращения в одном направлении без реверсирования;

- использование для связи с колонной штанг устьевого полированного штока, обеспечивающее надежность уплотнения устья скважины;

- надежная смазка и защищенность герметично закрытых передач, шарниров и подшипниковых опор; практическая нечувствительность этих и других элементов механизма к неблагоприятным внешним воздействиям;

- конструктивное совершенство механизмов и их элементов, основанное на опыте многолетней эксплуатации.

Литература

1. Зайцев Ю.В. «Длиноходовые скважинные насосные установки с гибкой штангой» М: ЦИНТИХимНефтеМаш, 1988.

2. Кушеков А.У., Ермеков М.М., Ажикенов Н.С. «Скважинные насосные установки» Книги 1и 2 - Алматы, Эверо, 2001.

3. Ивановский В.Н., Дарищев В.И. «Нефтепромысловое оборудование» М:Центр ЛитНефтеГаз, 2006.

4. Привод штанговых глубинных насосов. Руководство по эксплуатации. Екатеринбург, УралТрансМаш, 1997.

5. Привод цепной скважинного штангового насоса ПЦ 80-6.1 Руководство по эксплуатации.- Ижевск, ОАО ИжНефтеМаш, 2007.

6. Привод цепной скважинного штангового насоса ПЦ60-3-0,5/2,5- Бугульма, ТатНИПИНефть, 2006.

Размещено на allbest.ru