автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.06, диссертация на тему:Исследование гидравлических сопротивлений в установках скважинных винтовых насосов при добыче высоковязкой нефти

Башкирский научно-исследовательский и проектный институт нефти (Башнипинефть) - филиал акционерной нефтяной компании

«Башнефть»

Валеев Асгар Маратович

ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ В УСТАНОВКАХ СКВАЖИННЫХ ВИНТОВЫХ НАСОСОВ ПРИ ДОБЫЧЕ ВЫСОКОВЯЗКОЙ НЕФТИ 01.02.05. - Механика жидкости, газа и плазмы 05.15.6 - Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор Антипин Ю.В.

Уфа - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Введение.............................................................................................4

1. Установки скважинных винтовых насосов (УСВН), применяемые в нефтедобыче..................................................8

1.1. Принципиальные схемы эксплуатации скважин и основные характеристики УСВН...............................................8

1.2. Основные этапы развития винтового насосостроения и предварительные результаты их использования в мировой практике нефтедобычи...................................................12

1.3. Сравнительный технико-экономический анализ эксплуатации скважин с различными видами глубинного оборудования.........................................................................18

2. Исследование коэффициента гидравлических сопро- -тивлений при движении вязкой жидкости в колонне на-сосно-компрессорных труб УСВН.......................................24

2.1. Обзор исследовательских работ данной области................24

2.2. Моделирование течения жидкости, лабораторная установка и методика проведения экспериментов.....................27

2.3. Результаты исследования гидравлических сопротивлений в НКТ с вращающейся колонной штанг.......................33

2.4. Влияние вращения штанг на гидравлические сопротивления в муфтовых соединениях штанг.................................43

3. Исследование касательных напряжений и крутящего момента в точке подвеса колонны штанг............................45

3.1. Вывод выражения для коэффициента роторного сопротивления вращательного движения колонны штанг...........45

3.2. Результаты исследования зависимости коэффициента роторного сопротивления от параметров Рейнольдса в осевом и вращательном движениях жидкости.....................50

4. Промысловые исследования гидравлических сопротивлений в насосном подъемнике УСВН..................................57

4.1. Исследование свойств добываемой продукции на устье скважин, оборудованных УСВН..........................................57

4.2. Методика замера гидродинамического давления в НКТ и крутящего момента на колонне штанг от вязкого трения ..........................................................................................61

4.3. Результаты проведенных экспериментов на скв. 242 НГДУ "Краснохолмскнефть" АНК "Башнефть"................66

4.4. Методика расчета колонны штанг для УСВН.....................75

Основные выводы............................................................................90

Список использованной литературы..............................................91

ВВЕДЕНИЕ

Нефтедобывающая отрасль страны характеризуется в настоящее время резко возросшей долей так называемых трудно извлекаемых запасов нефти [1, 26, 72]. Необходимость подъема неф-тей с повышенной вязкостью при сравнительно невысоких деби-тах скважин ставит ряд задач по созданию новых технических средств извлечения жидкостей, более эффективных в сравнении с традиционными штанговыми и электроцентробежными насосами. Современная экономика требует перехода на более дешевый и менее энерго- и металлоемкий способ добычи нефти.

Одним из таких средств, решающих проблему добычи высоковязкой нефти при сравнительно небольших энергозатратах на подъем единицы ее объема, является винтовой насос с приводом от вращающейся колонны насосных штанг [15, 17, 20, 21, 23, 24, 27, 32, 34, 42, 43, 44, 57, 60, 61, 63, 64, 75, 76, 77, 78, 81].

Такие насосы достаточно быстро завоевывает рынок нефтяных компаний мира благодаря ряду своих несомненных достоинств. К таким достоинствам относятся прежде всего:

- минимальная стоимость монтажа установки благодаря отсутствию специального фундамента и размещению поверхностного оборудования на колонной головке;

- незначительные эксплуатационные расходы на электроэнергию, составляющие около 50 % расходов, потребляемых на привод обычных станков-качалок той же производительности;

- более высокий в сравнении с УСШН коэффициент полезного действия благодаря отсутствию возвратно-поступательного движения колонны насосных штанг большой массы;

- малая металлоемкость, составляющая не более 10 % от УСШН и незначительные транспортные расходы на перевозку и доставку оборудования;

- возможность откачки жидкостей с повышенным содержанием газа и механических примесей;

-широкий рабочий диапазон производительности насосов, обеспечиваемый изменением частоты вращения колонны штанг от 10 до 200 мин-1;

- высокий коэффициент подачи насосов и возможность откачки нефти повышенной вязкости.

Колонна насосных штанг в работе испытывает лишь постоянные нагрузки от кручения в отличие от УСШН, в которых знакопеременный характер приложения нагрузок сокращает срок их эксплуатации. Однако большое трение по всей длине колонны часто приводит к обрыву (срезу) штанги на устье скважины в месте ее крепления к приводу. Проблемой для УСВН так же являются утечки в паре "статор-ротор" вследствие неизбежного износа резиновой обоймы насоса абразивом. Причиной утечек также может явиться и повышение гидродинамического давления по стволу НКТ и в выкидной линии вследствие высокой вязкости или эмульгирования добываемой жидкости, отложения солей или парафина в полости НКТ. Однако, необходимость в удешевлении процесса подъема нефти на поверхность заставила потребителей склониться к применению винтовых насосов. Этот вид добычи нефти сегодня уже положительно зарекомендовал себя как в нашей стране так и за рубежом и имеет перспективу дальнейшего расширения области своего применения.

Однако для дальнейшего его применения необходимо провести большой комплекс исследовательских работ по выявлению влияния различных осложняющих факторов на работоспособность УСВН. Среди наиболее вероятных факторов осложнения можно выделить вязкость откачиваемой нефти и искривленность ствола скважины. Эти факторы могут явиться причиной отказа передающего звена УСВН - штанговой колонны. К факторам, влияющим на надежность работы винтовой пары, следует отнести наличие песка в жидкости, высокую температуру, агрессивность среды и др. [2, 37].

В силу того, что перспектива применения УСВН определяется прежде всего возможностью откачки высоковязкой нефти, данная диссертационная работа посвящена исследованию гидравлических сопротивлений в колонне насосно-компрессорных труб.

Эти сопротивления с одной стороны увеличивают давление в трубах и могут явиться причиной повышения утечек в винтовой паре и его износа. С другой стороны, гидравлические сопротивления увеличивают крутящий момент на валу привода и в совокупности с другими нагрузками могут явиться причиной среза штанги.

Поэтому в диссертационной работе ставятся задачи по изучению гидродинамического перепада давления по глубине насосного подъемника и крутящего момента, необходимого на преодоление вязкого сопротивления вращению колонны штанг.

Для получения расчетных зависимостей был создан лабораторный стенд, моделирующий движение жидкости в кольцевом пространстве с вращающимся цилиндром-ротором. Далее прово-

дилась опытная проверка полученных зависимостей в промысловых условиях на реальной скважине.

Результаты позволили произвести прогноз гидравлических сопротивлений и оценить область применения УСВН для добычи высоковязкой нефти.

1. УСТАНОВКИ СКВАЖИННЫХ ВИНТОВЫХ НАСОСОВ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В НЕФТЕДОБЫЧЕ

1.1. Принципиальная схема эксплуатации скважины и основные характеристики УСВН

Установка скважинного винтового насоса состоит из наземной части и глубинного оборудования (рис. 1.1). Винтовой насос 2 снабжен на приеме обратным клапаном 1. Ротор насоса (винт) спускается в скважину на колонне штанг 3, а статор на колонне НКТ 4, которая закрепляется в колонной головке 5.

Поверхностное оборудование винтовой насосной установки состоит из устьевого сальникового превентора 6, вращателя с модульной вставкой 7 и электродвигателя 8.

Одновинтовой насос по принципу действия относится к объемным насосам. В этом насосе однозаходный винт (ротор) располагается в двухзаходной полости статора, который состоит из стальной трубы и эластомерной вставки (обоймы). Линия между ними образует по длине обоймы ряд замкнутых полостей. При вращении винта эти полости перемещаются от приема насоса к его выкиду. Сложную геометрическую систему замкнутых полостей можно представить простой плоской моделью (рис. 1.2). В этой модели гибкая линия 1 совершает гармонические колебания между двумя граничными прямыми 2 и 3. При колебательном процессе замкнутые полости, например а, перемещаются от приема к выкиду.

Длина шага нарезки винта £ в два раза меньше длины шага обоймы Т. Контактная линия 1 на длине шага обоймы образует одну замкнутую полость, которая при вращении винта перемещается к выкиду насоса. За один оборот винта эта полость переме-

Принципиальная схема УСВН

Рис.1.1.

Рабочие органы винтового насоса

Рис. 1.2

щается на длину шага обоймы. Ось винта в своем крайнем положении расположена на расстоянии "е" от оси обоймы. Крайнее положение оси отдельных сечений винта имеет отклонение от оси обоймы, равное 2е (см. рис. 1.2). Если условно разрезать сечение винта на две половины и разместить их по двум сторонам сечения обоймы, то площадь между ними (4ес1), помноженная на длину шага обоймы (7), даст объем одной замкнутой полости. Частота вращения винта (п) определяет число этих полостей, перемещающихся к выкиду насоса в единицу времени. Таким образом, подача винтового насоса будет соответствовать выражению

ейТп. (1.1)

Напор, создаваемый рабочим органом винтового насоса, определяется допустимым перепадом давления на одной контактной линии и числом этих контактных линии по длине обоймы, то есть числом замкнутых полостей в обойме.

Наземным приводом винтовых насосов служит, как правило, либо электродвигатель, либо гидравлический двигатель. Вращение колонне штанг передается посредством ременной передачи между шкивом, надетым на полированный шток, и шкивом электро- или гидравлического двигателя.

На фоне традиционных методов добычи нефти данный вид насоса способен перекачивать жидкость с большим содержанием абразива (до 50 %) и газа (до 75 %) в перекачиваемой жидкости, развивать максимальный напор до 2000 м и иметь суточный дебит до 240 м3/сут.

Разновидностью винтовых насосных установок является установка с погружным электродвигателем (УЭВН5) [60]. Они предназначались для откачки жидкости с вязкостью до 0,1 Па-с, тем-

пературой до 70° С и количеством механических примесей до 0,8 г/л. Установка мало подвержена влиянию вязкости жидкости благодаря отсутствию передающего звена - штанговой колонны. Так при вязкости от 0,06 Па-с рабочие параметры практически не изменяются. Установки выпускались с номинальными подачами от 16 до 200 м3/сут при развиваемых давлениях 12...9,0 МПа. При этом мощность электродвигателя составляет соответственно 5,5...32 квт.

Передача электроэнергии осуществляется через бронированный кабель, а электродвигатель, аналогично установкам УЭЦН, имеет гидрозащиту.

1.2. Основные этапы развития винтового насосостроения и предварительные результаты их использования в мировой

практике нефтедобычи

Впервые работы по созданию и применению УСВН для добычи нефти начаты в США в 1936 г. На разработку насосов были затрачены значительные средства, однако широкое промышленное применение насосы, известные в США как насосы "Мейко", получили лишь в 80-е годы. В 1985 году к производству их приступила и Франция. Первоначально насосы использовались для эксплуатации малодебитных и среднедебитных неглубоких (до 1000 - 1200 м) вертикальных скважин с тяжелой высоковязкой нефтью и температурой на забоях скважин менее 90° С. Эффективная работа установок в этих условиях стимулировала форсирование машиностроительными фирмами работ по совершенствованию установок винтовых насосов и расширению ограниченной области их применения. Уже к 1989 г. во Франции были созданы УСВН "Родемип", максимальный напор которых достиг

2000 м при подаче до 60 м3/сут. В настоящее время максимальная подача УСВН достигает 240 м3/сут при напоре не менее 500 м.

Нормальный ряд установок "Родемип" расширен с четырех до десяти и покрывает теперь значительно большее поле подач и напоров (Q- Н) в указанных пределах при частоте вращения винта до 8,3 с-1. Число витков самого насоса этого ряда изменяется теперь от 11,5 до 40,5 возрастая с увеличением напора.

Максимальная длина УСВН, ограниченная технологическими особенностями производства, составляет 6 м, а наружные диаметры насосов 79, 94 и 108 мм, т.е. их возможно спускать в скважины малых диаметров. В 1988 - 91 гг. созданы новые эластомеры для статоров УСВН, что позволяет откачивать ими жидкость температурой до 120° С при отсутствии абразивов и температурой до 90° С в их присутствии.

Твердые частицы при прохождении через насос вдавливаются в эластомер не истирая его, что позволяет добывать нефть с содержанием крупного абразива. Фирмы, выпускающие винтовые насосы, рекомендуют использовать их при плотности нефти не ниже 0,820 кг/см3, так как при меньшей плотности легкие фракции, действуя на обойму статора, могут вызвать ее разбухание. При очень высоком содержании газа вращающиеся части недостаточно смазываются и температура насоса повышается. Обычно винтовые насосы хорошо работают при содержании газа в нефти не более 75 м3/м3.

В смонтированных винтовых насосах MOYNO фирмы Scheller-Blekman GMBH был применен нетриновый эластомер RM-102, который обладает хорошей стойкостью к маслам и растворителям. Он рекомендован для нефти с температурой ниже 30°

С по стандарту API (стандарт Американского нефтяного института) и для жидкости с небольшим содержанием растворенного газа. Это наилучший из эластомеров для среды, содержащей СО2 (максимум 12 % СО2), незначительно набухающий в воде и обладающий хорошими механическими свойствами и износостойкостью.

Для гашения вибрации, возникающей из-за эксцентриситета винта и обоймы, устанавливают два центратора на обойме насоса и один винт на НКТ, непосредственно над насосом. Разработанные фирмой Halbrite Well Services Ltd [76] невращающиеся центраторы для колонны штанг позволяют применять УСВН и в наклонно направленных скважинах (угол наклона до 70 град.). Такие центраторы не препятствуют эксцентричному вращению винта и в то же время предотвращают отворот НКТ, обеспечивают более эффективную работу установки. Они защищены от песка и увеличивают срок службы НКТ в 6 - 10 раз.

Серьезные и результативные работы ведутся по совершенствованию системы наземного привода УСВН. Приводная головка, воспринимающая максимальную нагрузку от колонны штанг и передающая ей вращающий момент и изолирующая привод от продукции скважины, снабжена тормозом обратного вращения при остановке системы. Сальник, уплотняющий колонну штанг, имеет восемь пропитанных терлоном колец и рассчитан на давление до 6,5 МПа. Следовательно, продукция скважин может перекачиваться на большие расстояния до сборных пунктов без строительства установок вблизи добывающих скважин [37, 79, 80].

В первых винтовых установках передачи от первичных двигателей к приводным головкам были обычно ременными или про-

стыми редукторными. Однако они имели недостатки, наиболее важным из которых был ограниченный диапазон частот вращения. Более совершенной стала комбинированная передача из ре-меннои и редукторнои. С такой передачей может быть достигнута практически любая фиксированная частота. Для ее изменения необходима остановка установки, что крайне не желательно при эксплуатации скважин с высоковязкой нефтью, обладающей тик-сотропией. Установки СВН для таких скважин в последние годы оснащают приводом с переменной частотой вращения (вариаторами). Только такой привод позволил оптимизировать добычу высоковязких нефтей.

Однако при добыче высоковязкой нефти с большим содержанием песка, помимо регулируемости, привод должен обладать большим крутящим моментом. Эта задача была успешно решена канадскими фирмами Corod Manufacturing и Amoco Canada Petroleum Ltd [37, 77]. Ими создана установка СВН с гидроприводом для добычи высоковязкой нефти с большим содержанием песка. Особенностью установки является использование для привода глубинного насоса через колонну непрерывных штанг круглого сечения наземного сравнительно тихоходного аксиально-поршневого гидродвигателя с большим крутящим моментом (до 1900 Н-м). С помощью указанных установок эксплуатируются сотни скважин чрезвычайно осложненных пескопроявлениями. В некоторых из них при вязкости разгазированной нефти до 60000 мПа*с объемное содержание песка достигало 50 %.

В АО "Черно