автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.07, диссертация на тему:Научные основы проектирования и эксплуатации штанговых скважинных насосных установок с гидроприводом для добычи нефти

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ, высший школы и

ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ РФ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ НЕФТИ И ГАЗА имени И.М.ГУБКИНА

На правах рукописи

МОЛЧАНОВ Александр Георгиевич

УДК 622.276.53.054.2

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ШТАНГОВЫХ СКВАЖИННЫХ НАСОСНЫХ УСТАНОВОК С ГИДРОПРИВОДОМ ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ

Специачыюсть 05.04.07. Машины и агрегаты нефтяной и газовой промышленности

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

со

Москва ! 998 г.

Работа выполнена в Государственной академии нефти и газа им.И.М.Губкина.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: доктор технических наук, профессор Максутов. P.A. доктор технических наук Ибрагимов Л.Х. доктор технических .наук Воловский В.М.

Ведущее предприятие - Государственное предприятие

"Уралтрансмаш".

Защита состоится " " 1998 г. в

часов на заседании Диссертационного Совета Д053.27.03 в Государственной академии нефти и газа им.И.М.Губкина

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственной академии нефти и газа им.И.М.Губкина по адресу: 117296, Москва, Ленинский проспект, 65.

О Q

Автореферат разослан " " 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, кандидат технических наук

Э.С.ГИНЗБУРГ

общая характеристика работы

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Мировой фонд нефтяных скважин приближается к одному миллиону, из которых более 80% эксплуатируются штанговыми скважинными насосными установками (ШСНУ). Согласно официальной статистике ЦДУ Минтопэнерго РФ, на 1 января 1996 г. в России насчитывалось 7'5879 действующих скважин, оборудованных штанговыми скважинными насосами, в странах СНГ - около 2 0 тыс. Непрерывное увеличение фонда скважин, оборудованных ШСН, в ближайшие 15-20 лет будет продолжаться.

Поэтому совершенствование известных ШСНУ, и особенно разработка конструкций принципиально новых типов может обеспечить значительный экономический эффект в целом по нефтедобывающей промышленности.

Эксплуатация скважин штанговыми насосами' требует затрат большого количества металла на изготовление ШСНУ и тяжелого ручного труда на их обслуживание, особенно при выполнении подземного ремонта нефтяных скважин, а также большого расхода электроэнергии. Так средняя металлоемкость наземного оборудования ШСНУ для одной скважины составляет около 20 т, средняя мощность приводного двигателя 19 кВт, а средняя частота подземных ремонтов - 1,2 в год.

Анализ показывает, что наибольшие резервы повышения эффективности штанговой скважинной насосной установки заложены в снижении ее металлоемкости, сокращении энергоемкости процесса откачки пластовой жидкости, повышении надежности установки, увеличении межремонтного периода ее работы, в улучшении эргономических показателей.

Настоящая работа и посвящена повышению эффективности ШСНУ прежде всего путем улучшения именно перечисленных показателей, а поэтому является актуальной.

ЦЕЛЬ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ РАБОТЫ. Цель работы - создание теории гидроприводных штанговых скважинных насосных установок, разработка методов их расчета и конструирования,- а так же технологии эксплуатации скважин оснащенных гидроприводными ШСНУ с учетом специфики промысловых условий. Это и обеспечит повышение эффективности самого массового способа эксплуатации.

Для достижения этой цели решены следующие задачи.

1. Обоснована целесообразность повышения эффективности эксплуатации скважин, оборудованных штанговыми насосами, путем гидрофикации их привода.

2. Определены типы гидравлических приводов, использование и разработка которых позволит достигнуть конечную цель работы с наибольшей полнотой.

3. Построена математическая модель гидроприводной ШСНУ установки и с ее помощью определены законы движения элементов установки, а также рациональные режимы ее эксплуатации во взаимосвязи с условиями притока пластовой жидкости.

4. Разработана обобщенная теория уравновешивания гидроприводных установок и на ее основе определены зависимости между степенью уравновешенности и комплексом эксплуатационных факторов (динамического уровня пластовой жидкости, буферного давления, плотности пластовой жидкости, сил трения колонны штанг и т.д.) для различных конструктивных исполнений приводов.

5. Определены основные принципы построения параметрического ряда гидроприводных установок и предложен конкретный вариант ряда.

6. Разработаны принципы унификации штанговых сква-жинных насосных установок с гидроприводом в пределах предложенного параметрического ряда.

7. Разработаны способ и устройство, позволяющие осуществить динамометрирование штангового скважинного насоса, используемого в системе гидроприводной установки .

7. Разработаны способ, а на его основе принципиальные схемы и конструкции устройств, впервые позволивших осуществлять непрерывное динамометрирование гидроприводной установки, что позволяет автоматизировать и оптимизировать процесс откачки пластовой жидкости в пределах заданного технологического режима работы скважины.

8. На основе предлагаемой теории разработаны принципиальные схемы и конструкции экспериментальных и опытно-промышленных образцов штанговых скважинных насосных установок с гидроприводом Результаты стендовых и промысловых испытаний новых установок подтвердили их высокую эффективность и правильность всех положений созданной теории.

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЙ. Штанговые скважинные насосные установки с гидроприводом для добычи нефти.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. В результате теоретических и экспериментальных исследований в сочетании с широкими стендовыми и промышленными испытаниями создана и апробирована на практике теория гидроприводной штанговой скважинной насосной установки. В основу теории положе-

ны следующие представляющие научную новизну основные результаты исследований.

1. Определено, что создание на базе объемного гидропривода штанговых скважинных насосных установок принципиально новых типов может позволить получить много больший эффект, чем продолжение конструктивных отработок элементов ШСНУ известных механических типов. Поэтому настоящая работа посвящена созданию теории, без которой конструирование и эксплуатация гидроприводных установок не могут быть успешными.

2. Исследования кинематики и динамики гидропривода штанговой скважинной насосной установки позволили определить зависимости параметров гидропривода от режима работы и от способа уравновешивания установки. Показано, что использование объемного гидропривода позволяет в широком диапазоне изменять величины динамических и вибрационных составляющих' усилия в точке подвеса штанг при неизменных основных параметрах режима работы установки (частоте качаний и длине хода).

3. Показано, что наиболее эффективными способами уравновешивания ШСНУ для эксплуатации вертикальных и малоискривленных скважин является грузовое уравновешивание с использованием колонны насоснокомпрессорных труб в качестве уравновешивающего груза, а для на-клоннонаправленных и сильно искривленных скважин инерционное уравновешивание с использованием маховика. Установлено, что эти способы уравновешивания при длинах ходов точки подвеса штанг вплоть до 6м более эффективны, чем традиционно используемые. Их применение позволяет резко сократить металлоемкость ШСНУ и свести к минимуму отрицательное влияние условий эксплуатации на эффективность работы установки.

4. Показано, что при использовании в качестве уравновешивающего устройства маховика становится возможным исключить частые, сложные и трудоемкие операции по уравновешиванию и доуравновешиванию привода ШСНУ и обеспечить самонастройку уравновешивающего устройства при изменении режимов работы внутрискважинного оборудования .

5. Разработана теория построения параметрического ряда приводов ШСН. Показано, что этот ряд, в отличие от известных в настоящее время рядов обычных ШСНУ, должен выполняться в виде совокупности установок различных принципиальных схем и различных компоновок. При этом становится возможным унифицировать основные дета-

ли и узлы гидроприводных установок в пределах всего параметрического ряда.

6. Разработан метод определения основных параметров гидроприводных установок и их основных узлов. .

На защиту выносится теория гидроприводных ШСНУ и, в частности:

1. Метод исследования кинематики и динамики гидроприводных штанговых насосных установок на основе единого для всех типов установок дифференциального уравнения движения точки подвеса штанг.

2. Обобщенная теория уравновешивания гидравлических приводов штанговых скважинных насосов.

3. Метод построения параметрического ряда гидроприводных установок.

4. Способ и оборудование для диагностирования работы и состояния внутрискважинного оборудования гидроприводных установок, позволяющий осуществить самонастройку гидроприводной ШСНУ по заданным параметрам отбора пластовой жидкости.

5. Принципиально новые схемы и конструкции гидроприводных установок, построенные на основе созданной теории.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. На основе созданной теории гидроприводных штанговых скважинных насосных установок разработан метод расчета и конструирования оборудования этого типа. Кроме того, разработаны программы для определения на ЭВМ рациональных размеров основных элементов установок, метод проектирования параметрического ряда гидроприводных установок и метод исследования работы их внутрискважинного оборудования. Выполненные исследования позволяют реализовать положительные свойства гидроприводных установок и обеспечить за счет этого экономию металла, строительных материалов, энергии и трудозатрат при эксплуатации нефтяных скважин.

На основе созданной теории, метода расчета и конструирования гйдроприводных штанговых скважинных насосных установок под руководством и при непосредственном участии автора диссертации разработана техническая документация для изготовления гидроприводных установок трех типоразмеров.

По этой документации изготовлены экспериментальный образец установки с использованием в качестве уравновешивающего устройства маховика, изготовлено 128 установок с уравновешиванием колонной насосно-компрессорных труб (АГН-Л). Длительные испытания этих установок в промысловых условиях позволили апро-

бировать основные разработанные положения теории и проверить использованные приемы конструирования и технологии изготовления важнейших элементов установок, накопить необходимый опыт их эксплуатации. Эта информация была использована при изготовлении двух головных образцов модернизированных установок АГН-Лм легкой серии, 10 установок АГН-С (средней серии) и двух головных образцов установок СКГИ с инерционным уравновешиванием.

Все установки имеют в 5-7 раз меньшую металлоемкость, чем у механических балансирных установок с аналогичными параметрами, не требуют сооружения фундамента для их монтажа, обеспечивают независимое регулирование длины хода, числа двойных ходов и динамической составляющей в точке подвеса колонны штанг. Результаты промысловых испытаний подтвердили правильность теоретических положений и разработанной на их основе концепции создания гидроприводных установок. Установка АГН-Л прошла испытания и была рекомендована МВК к серийному производству, установка АГН-Лм прошла промысловые испытания, установки СКГИ проходят промысловые испытания.

ПУБЛИКАЦИЯ РАБОТ. По теме диссертации опубликовано две монографии, раздел книги Справочное руководство по эксплуатации скважин, 19 статей. Основные результаты исследований отражены в учебнике для Вузов для специальности 17.02 и двух изданиях учебника для техникумов. На основе исследований выполнено 22 изобретения, защищенных авторскими свидетельствами, патентами и реализованных в изготовленных установках.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения работы докладывались на Межвузовской конференции молодых ученых МВиССО СССР (Москва, 1975г.), заседании научно-методического совета МИНВУЗ СССР (Москва, 1977г.), II Всесоюзной конференции по динамике, прочности и надежности нефтепромыслового оборудования (Баку, 1977 г.), Всесоюзной конференции по электроприводу (Северодонецк, 1979 г.) на Координационном совещании по созданию и освоению серийного производства нового высокоэффективного нефтепромыслового оборудования, разрабатываемого и изготавливаемого МИНХИММАШ (Баку, 1981 г.),на Всесоюзном семинаре по штанговой глубиннонасосной эксплуатации скважин (Москва, 1982 г.),на III Всесоюзной конференции по динамике, прочности и надежности нефтепромыслового оборудования (Баку, 1983 г.), на научно-техническом семинаре Московской международной выставки

по нефти и газу (20-23 апреля) 1993 г., на научно-технической конференции Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России (Москва, 11-13 октября 1994 г.).

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертация объемом 289 стр. состоит из введения, семи глав, основных выводов и рекомендаций, списка использованной литературы и приложения. Иллюстраций 120, таблиц 14.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение

Рассмотрены и проанализированы проблемы дальнейшего развития нефтедобывающей промышленности, обусловленные непрерывным усложнением условий эксплуатации скважин, оборудованных штанговыми скважинными насосами. Показана актуальность темы исследования.

Глава 1. ГИДРОПРИВОДНЫЕ ШТАНГОВЫЕ СКВАЖИННЫЕ НАСОСНЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ

В главе дан анализ конструкций гидроприводных ШСНУ, выполнена их сравнительная оценка, рассмотрены основные преимущества и недостатки и определены пути дальнейшего совершенствования.

Анализ конструкций выполнен на базе предложенной структурной схемы штанговой скважинной установки, включающей в себя ряд соединенных связями функциональных блоков: силовой орган, привод, система реверсирования, уравновешивающее устройство, систему компенсации утечек. В качестве блоков приняты элементы установки, выполняющие функции преобразования или распределения энергии, а в качестве связей - элементы, обеспечивающие ее передачу. Номенклатура блоков и общее число связей в зависимости от конструктивных особенностей установки могут изменяться. Структурная схема была положена в основу классификации установок со следующими главными классификационными признаками: степень и способ уравновешивания установки, вид кинематической связи силового органа с уравновешивающим устройством, тип применяемого гидропривода. Под способом уравновешивания подразумевается последовательность превращений и передачи потенциальной энергии колонны штанг в уравновешивающем устройстве и физический принцип работы, реализуемый в используемом аккумуляторе.

Предложенные структурная схема и классификация позволили выполнить анализ известных гидравлических приводов штангового скважинного насоса (ШСН). При этом

о

использовались фонд авторских свидетельств, патентов и описаний приводов ШСН в технической литературе.

Было показано, что стремление использовать гидропривод в насосах, применяемых в горном деле, появилось достаточно давно. Однако до настоящего времени его широкому внедрению препятствовало несоответствие показателей КПД и надежности требованиям, предъявляемым к оборудованию этого назначения. Появившиеся в 50 - бОх годах гидроприводные установки по таким параметрам как длина хода штанг, максимальное усилие в точке подвеса штанг, удобство обслуживания и регулирования превосходили механические приводы. Однако ряд недостатков предопределили их низкую эффективность. К ним в первую очередь относились следующие.

1. Низкие энергетические показатели всех основных элементов гидропривода, характеризуемые малым значением КПД.

2. Низкие показатели надежности элементов гидропривода (прежде всего малые межремонтный период, наработка на отказ и ресурс).

3. Резкое усложнение обслуживания и совершенно новая специфика установок не соответствующие специализации и уровню квалификации обслуживающего промыслового персонала.

4. Недостатки в организации испытаний и, особенно, эксплуатации новых установок.

Подводя итог причинам неудач при внедрении гидравлических приводов ШСН, следует отметить следующее. Внедрение большого числа появившихся гидроприводных установок за рубежом, а затем и в нашей стране, осуществлялось без наличия теории этого принципиально нового вида техники, теории которая позволила бы целенаправленно осуществлять их расчет, конструирование, проектирование и эксплуатацию с учетом специфики области применения гидропривода - нефтяных промыслов.

Обусловленный всем этим низкий эффект от применения гидропривода ШСН вызвал разочарование у многих специалистов нефтяников, распространившееся не только на несовершенные гидравлические машины и аппараты, но и вообще на идею гидрофикации. Некоторые инженеры-нефтяники, ссылаясь на неудачный опыт внедрения гидропривода ШСН, и сейчас отстаивают тезис о том, что на промыслах не должно быть вообще оборудования с объемным гидроприводом, эксплуатируемым в длительном режиме.

В 80-х годах в результате разработки элементной базы с более высокими показателями надежности и эффек-

тивности в ояде отраслей началась массовая гидрофика-ция оборудования. Гидравлические машины и оборудование были разработаны для дорожного строительства, металлообработки, угольной промышленности, различных устройств, применяемых в военной технике. Все это позволило реализовать дополнительные возможности, обеспечиваемые объемным гидроприводом. Однако этого оказалось недостаточно для осуществления гидрофикации ШСНУ из-за отсутствия теории ее работы самой по себе и во взаимосвязи с нефтяной скважиной.

Теоретические исследования в защищаемой работе были начаты с анализа основных типов приводов с открытыми и герметизированными схемами, пневматическим, грузовым, взаимным и инерционным уравновешиванием, без уравновешивания, а так же приводов с использованием механической и гидравлической связи уравновешивающего устройства с силовым органом. Оценка перспективы их использования показала, что основным направлением создания установок следует считать применение объемного гидропривода в сочетании с уравновешивающими устройствами, основанными на использовании аккумуляторов с высокой энергоемкостью.

Показано, что для достижения основной цели работы - повышения эффективности штангового насосного способа эксплуатации нефтяных скважин путем создания оборудования с более высокими конструктивными и эксплуатационными показателями необходимо:

1. Исследовать кинематику движения основных деталей гидравлического привода ШСН, определить влияние особенностей гидравлических схем и способов уравновешивания на закон движения точки подвеса колонны штанг.

2. Исследовать динамику гидравлического привода в случае использования его в ШСНУ: определить закономерности изменения усилий и давлений в основных, наиболее ответственных элементах установки, в частности, в точке подвеса колонн штанг и труб, в гидравлических распределителях, клапанах и коммуникациях привода.

3. Разработать теорию уравновешивания установок с аккумуляторами, использующими различные физические принципы накопления энергии. Было показано, что наибольший интерес представляют аккумуляторы с высокой удельной энергоемкостью - грузовой аккумулятор с переменной массой (с использованием колонны НКТ в качестве уравновешивающего груза) и инерционный (с использованием маховика).

4. Исследовать особенности условий эксплуатации гидроприводов ШСН, характеризуемых изменяющимися во времени плотностью пластовой жидкости, противодавлением на устье скважины, величин статического и динамического уровня жидкости в скважине, сил трения, возникающих при работе внутрискважинного оборудования, а так же динамического фактора привода и степени его неуравновешенности .

5. Разработать метод проектирования параметрического ряда ШСНУ. , В частности, определить основные принципы его построения, выбора основных параметров привода (длин ходов точек подвеса штанг, максимального усилия в точке подвеса штанг, числа двойных ходов и мощности приводного двигателя).

6. Разработать методику конструирования и расчёта гидравлических приводов ШСН, с принципиально новыми схемами, отличающимися от рассмотренных в работе более полным удовлетворением требований нефтедобывающей промышленности. При этом обеспечить унификацию их основных узлов в пределах параметрического ряда.

7. Разработать технические средства для исследования работы внутрискважинного оборудования, приводимого в действие гидравлическим приводом.

Исследование перечисленных проблем позволило создать основу теории гидроприводных ШСНУ, которая обеспечивает возможность разработки установок не методом "проб и ошибок", а с помощью научно обоснованного метода расчета, конструирования л техники эксплуатации принципиально нового оборудования.

Глава 2. КИНЕМАТИКА ГИДРОПРИВОДНОЙ ШТАНГОВОЙ НАСОСНОЙ УСТАНОВКИ

Рассмотрены закономерности изменения перемещений, скорости и ускорения точек подвеса штанг для приводов с различными схемами и способами уравновешивания. Необходимость выполнения исследований обусловлена тем, что существующая теория механических приводов не может быть использована для анализа гидроприводных установок по следующим причинам. В балансирных механических (и им подобных) приводах ведущее звено кинематически жестко связано с точкой подвеса штанг и уравновешивающим устройством. В гидравлических приводах "жесткая связь" отсутствует и это означает, что положение ведущего звена, например, вала приводного двигателя, однозначно не определяет положение ведомого звена (точки подвеса штанг), его скорость и ускорение.

К существенным отличиям гидроприводных установок относится наличие отдельных ярко выраженных фаз движения точки подвеса штанг, которые можно разбить на три группы: паузы, период неустановившегося и установившегося движения.

Показано, что при установившемся движении точки подвеса штанг соотношение величин скоростей движения вверх и вниз для установок с использованием колонны НКТ в качестве уравновешивающего груза определяется кинематическими показателями привода, и в частности зависит от соотношения длин ходов точек подвеса штанг и труб. В реальных условиях отношение скоростей движения штанг вверх к скорости движения вниз может изменяться от 2 до 0.4, что необходимо учитывать при проектировании режима работы установок на скважинах, продуцирующих вязкую нефть.

Анализ кинематики движения балансирных станков-качалок и гидравлических приводов показал, что при условии движения точек подвеса штанг с одинаковыми максимальными скоростями и ускорениями, величина отношения теоретических подач скважинных насосов будет характеризоваться следующим отношением.

С!г/С1„ = 0.5(л - 1 / (1 + Кф)), (1)

где 0Г, 0М - теоретическая подача скважинного насоса, приводимого в действие гидравлическим приводом и механическим балансиром станком-качалкой соответственно; Кф - отношение длин ходов точек подвеса колонн НКТ и штанг.

Отсюда, в частности, следует, что использование колонны НКТ в качестве уравновешивающего груза позволяет увеличить подачу скважинного насоса на 15 - 20% при равных числах качаний и длинах ходов.

Закономерности движения точки подвеса штанг в периоды неустановившегося движения были определены для гидравлических приводы с грузовым (с сосредоточенным грузом и с колонной НКТ, используемой в качестве груза), пневматическим и инерционным уравновешиванием.

Исходя из особенностей кинематики гидроприводных установок типа АГН (с использованием колонны НКТ в качестве уравновешивающего груза), было определено число двойных ходов, обеспечиваемых гидроприводом и необходимое при расчете подачи скважинного насоса.

Анализ баланса силовых факторов, непосредственно воздействующих на силовой орган или приведенных к нему, позволил описать движение точки подвеса штанг посредством системы дифференциальных уравнений. Эта сис-

тема может быть приведена к нелинейному дифференциальному уравнению второго порядка с переменными коэффициентами

С^Х" + Б^Х')2 /й2 + В;Х + А4 = О, (2)

где коэффициент С1 характеризует величину масс движущихся элементов насосной установки и приведенную массу уравновешивающего устройства; о± - характеризует потери энергии в коммуникациях и блоках гидропривода; вх - характеризуют деформационные показатели элементов внутрискважинного оборудования; А^ - характеризует статические характеристики внутрискважинного оборудования и силового блока привода.

При установившемся движении С=0. В этом случае полученное уравнение описывает установившееся движение и может быть использовано для описания кинематики приводов, в гидросистеме которых применены гидравлические распределители двух типов - с открытым и закрытым центром, а в качестве уравновешивающего устройства применяется грузовой, пневматический или инерционный аккумуляторы или использовано взаимное уравновешивание, или уравновешивающее устройство вообще отсутствует.

Зависимости, характеризующие перемещение, скорость и ускорение точки подвеса штанг, получаются решением дифференциального уравнения (2) . Анализ показал, что интегрирование его в элементарных функциях не представляется возможным, поэтому для определения общего характера закономерностей в работе был использован приближенный метод решения. При этом функция, описывающая перемещение точки подвеса штанг, в общем виде была представлена рядом Тейлора, из которого были получены зависимости, описывающие изменение перемещения, скорости и' ускорения. Для обеспечения решения данным способом предварительно были определены интервалы, на которых значения коэффициентов дифференциального уравнения могут быть приняты постоянными.

Существенное влияние на значения коэффициентов уравнения (2) оказывает способ уравновешивания; так например, в случае использования уравновешивающего устройства, запасающего потенциальную энергию, коэффициент А4 остается постоянным в течение всего времени двойного хода, а при использовании уравновешивающего устройства, запасающего кинетическую энергию - переменным. В результате законы движения точки подвеса принципиально отличаются. В первом случае приблизительно 80% Еремени двойного хода перемещение точки подвеса штанг имеет установившийся характер, во втором

случае фазы установившегося движения отсутствуют вообще .

С учетом особенностей изменения коэффициентов были рассмотрены варианты уравнений, соответствующие основным типам гидравлических приводов: с уравновешиванием грузом постоянной массы, с грузом переменной массы (использование колонны НКТ), с пневматическим уравновешиванием и с динамическим уравновешиванием. В результате решения уравнения (2) было определено, что в переходный период вблизи точки реверсирования направления движения изменение перемещения х, скорости v и ускорения w могут быть описаны следующими уравнениями. X(t) = - (A/g2!) t2 - (W/4!)t' + ... V(t) = - (A/G) t - (W /3!)t3 + ... , (3) W(t) = - A/g - (W/ 2!) t2 + ... , где w = 2D (a/g)2- ab/g2 , а значения a,b,g соответствуют коэффициентам уравнения (2).

В работе показано, что полученные выражения позволяют определить искомые величины с точностью до 5 -10% в зависимости от глубин подвесок насосов в скважине и параметров установок. Более точные решения в каждом конкретном случае получались использованием численных методов решения дифференциальных уравнений. Для этого был использован метод Рунге-Кутта четвертого порядка с использованием прогноза и коррекции. Проверка результатов расчета при проведении экспериментов в промысловых условиях показала хорошую сходимость результатов (относительная ошибка не более 7%).

В результате выполнения исследований на данном этапе работы было установлено следующее.

Для гидроприводных установок, независимо от способа уравновешивания и особенностей схемы гидропривода при использовании силового насоса постоянной производительности в сочетании с распределителем и предохранительным клапаном, характерна общая циклограмма движения точки подвеса штанг, включающая в себя обш^по последовательность чередующихся фаз работы.

При использовании гидроприводов, выполненных с различными уравновешивающими устройствами и различными принципиальными схемами, аналитические зависимости, характеризующее неустановившееся движение точек подвеса штанг, идентичны и описываются общим для них дифференциальным уравнением второго порядка с переменными коэффициентами. Величины коэффициентов этого уравнения обусловлены особенностями конструкции гидропривода ШСН.

Обобщенное уравнение позволяет найти приближенные графические и аналитические зависимости, характеризующие изменение перемещения, скорости и ускорения точки подвеса штанг для любого типа гидропривода ШСН.

Обеспечиваемый гидроприводом трапецевидный закон изменения скорости точки подвеса создает возможность увеличения подачи скважинного насоса на 1% при неподвижных НКТ и до 21% при работе привода с подвижными

нкт.

Производительность скважинного насоса при применении гидропривода с использованием в качестве уравновешивающего груза колонны НКТ зависит от величины параметра уравновешенности. Показано, что максимуму производительности соответствует минимальное значение этого параметра.

Глава 3. ДИНАМИКА ГИДРОПРИВОДНЫХ СКВАЖИННЫХ НАСОСНЫХ УСТАНОВОК

В главе приведены результаты исследований, связанных с установлением закономерностей изменения усилия в точке подвеса штанг, определения их экстремальных значений и нагрузки на силовой насос.

Определение экстремальных усилий в точке подвеса штанг выполнено с учетом вибрационных составляющих, обусловленных колебательными процессами в точке подвеса штанг и труб. В результате решения волнового уравнения определено, что применительно к установкам типа АГН максимальное значение вибрационной составляющей усилия определяется следующим образом.

Рш,в = (ЕОК/аЯК*) (1 + О.Зд./ч,), (4)

где е - модуль упругости первого рода материала колонны штанг; а - скорость распространения звука в металле колонны; к,и - кинематические характеристики гидропривода; ч,, <ь, - масса одного метра столба жидкости над плунжером скважинного насоса и колонны штанг соответственно.

Дальнейшие исследования показали, что представлять усилие в точке подвеса штанг надо не в виде суммы его составляющих, обусловленных весом колонны штанг, жидкости, инерционных и вибрационных составляющих, сил трения и т.п., как это делалось ранее в работах, посвященных изучению штанговых скважинных насосных установок. Более целесообразно выражать усилия, исходя из режима работы гидропривода. Используя уравнение (2), можно определить, в частности, характер изменения уси-

лия з период неустановившегося движения точки подвеса штанг, которое этот привод обеспечивает.

р = - а - 0(ьг ъ- ь2 ь2 -ь3ъ3 - . . . .- ьпъп +...), (5) где А, о - коэффициенты, входящие в уравнение (2); ь± - коэффициенты, определяемые коэффициентами уравнения (2); ь - время с момента начала неустановившегося движения точки подвеса штанг.

Для определения нагрузки на силовой насос в зависимости от регулировки аппаратов гидросистемы и от нагрузки в точке подвеса штанг было использовано уравнение (3). При неустановившимся движении точки подвеса штанг давление, развиваемое силовым насосом, определяется настройкой предохранительного клапана, а в периоды установившегося движения оно может быть определено р = с1±кф " + с21кф + с3±, (6)

где Сц, с21, с31 - коэффициенты, зависящие от конструкции внутрискважинного оборудования, сил трения, глубины подвески скважинного насоса и т.п.; п - показатель степени, зависящий от направления движения штанг: п = 1 при ходе вниз и п = -1 при ходе вверх.

Выполненные исследования показали, что возможно существование таких режимов работы, при которых цинические изменения усилия в точке подвеса штанг после окончания процесса разгона или торможения будут отсутствовать. Этот режим может быть обеспечен такой регулировкой предохранительного клапана, при которой волны вибрационной составляющей нагрузки в колонне штанг будут "срезаться" и будет исключено образование отраженных волн. Это позволит уменьшить число циклов нагруже-ния колонны штанг и строго регламентировать усилия, действующие в ней. Подобный режим работы в механических приводах ШСН невозможен и данное свойство гидропривода является одним из его важнейших преимуществ.

Динамограммы, снятые в промысловых условиях при различных режимах работы гидропривода, подтвердили правильность теоретических положений. Эксперименты показали, что увеличение максимальной нагрузки по сравнению со статической в точке подвеса штанг может плавно регулироваться за счет изменения настройки аппаратов гидропривода. При этом длина хода и число двойных ходов штанг остаются постоянными, а кратность изменения нагрузки меняться в пределах от 1,05 до 2. В результате динамограмма гидравлического привода в точке подвеса щтанг имеет вид прямоугольника.

Для обеспечения возможности динамографирования гидроприводных установок и лиагностирования внутри-

скважинного оборудования был разработан новый способ динамографирования и устройство для его реализации. Устройство предусматривает использование дифференциального датчика давления, смонтированного на гидравлической панели привода. На него устанавливается динамограф, применяемый для исследования скважин, оборудованных станками-качалками. Это исключает необходимость разработки нового регистрирующего прибора и обучения персонала промыслов работе с ним.

Опытный образец устройства для динамографирования испытан в промысловых условиях, полученные динамограм-мы сопоставлены с динамограммами, снятыми традиционным способом. На основе промысловых экспериментов уточнены требования к конструкции устройства. Все гидроприводные установки АГН-Л сснащены устройством для динамографирования, встроенным в гидропанель привода.

В результате выполнения исследований на данном этапе работы было установлено следующее.

Динамическая составляющая нагрузки в точке подвеса штанг не однозначно связана с основными показателями работы привода - длинной хода точки подвеса штанг, числом двойных ходов и статической составляющей усилия, что свойственно балансирным станкам-качалкам. Ее величина может быть задана путем соответствующей настойки аппаратов гидросистемы - распределителя и предохранительного клапана.

Аналитические зависимости, характеризующие усилия, действующие в точке подвеса штанг, являются обобщенными, т.е. справедливы для любого объемного гидропривода ШСН, в котором использован насос постоянной производительности в сочетании с распределителем и предохранительным клапаном.

Снятие динамограммы скважинного насоса может быть обеспечено путем подключения к полостям приводного цилиндра дифференциального датчика давления и последующей регистрации его показаний.

Использование объемного гидропривода позволяет управлять процессами колебаний колонн штанг и труб, обеспечивая строгую регламентацию усилия в точке подвеса штанг, частично или полностью "гася" вибрационную составляющую в периоды установившегося движения точки подвеса колонны штанг.

Глава 4. ЭНЕРГЕТИКА ГИДРОПРИВОДНЫХ УСТАНОВОК

Под термином "энергетика" подразумевается значение мощности приводного двигателя, КПД гидропривода, степень влияния неуравновешенности на мощность привода.

Большое число конструктивных схем гидравлических приводов, в которых используются различные по физическим принципам действия аккумуляторы энергии, объясняет отсутствие общего подхода к вопросам уравновешивания. Поставленная в работе задача создания гидропривода с высокими техническими и эксплуатационными показателями предопределила необходимость определения критериев оценки эффективности аккумуляторов различных типов, а затем создания единой теории уравновешивания.

Аккумуляторы энергии оценивались в основном по энергоемкости, т.е. по отношению запасаемой энергии к его собственной массе, долговечности, определяемой числом циклов "заряд-разряд", КПД, надежности.

Выполненный анализ известных в настоящее время аккумуляторов, пригодных для эксплуатации в промысловых условиях, показал, что наиболее эффективны маховик, колонна НКТ, применяемая в качестве груза, газовый аккумулятор .

Определение единого критерия уравновешенности и вывод обобщенного уравнения, позволившего выполнять расчет параметров аккумулятора любого типа, были выполнены на основе условия обеспечения минимума математической дисперсии мощности приводного двигателя в течении одного цикла работы привода ШСН. При использовании в объемном гидроприводе силовых насосов с жесткой характеристикой это условие имеет следующий вид.

где к - параметр уравновешивающего устройства; т -длительность одного цикла работы привода; р(к,1) мгновенное значение давления силового насоса; р' среднее давление силового насоса, необходимое для функционирования привода.

В зависимости от физических принципов, на которых основана работа аккумулятора, в качестве параметра К могут выступать: вес уравновешивающего груза, давление газа в аккумуляторе, момент инерции маховика, соотношение длин ходов точек подвеса колонны штанг и НКТ (при использовании последней в качестве уравновешивающего груза).

Т

О

Исходя из условия (7) с учетом результатов исследований кинематики гидропривода, было определено, что для выполнения практических расчетов может быть использована следующая зависимость.

(р. - р-) (др./дК) Ъ„~ + (ри - р-) (дрн/дК) Ья-=0, (8)

где р., Ри - давление силового насоса в периоды установившегося движения штанг вверх и вниз соответственно; Ъ., - относительное зремя движения штанг ВЕерх и вниз соответственно.

При использовании уравнения (8) для расчета параметров уравновешивающих устройств с применением грузового и пневматического аккумуляторов были получены известные в настоящее время формулы, выводимые до сих пор на основе рассмотрения частных случаев их функционирования. Это подтверждает правильность исходных положений, принятых при разработке обобщенной теории уравновешивания гидроприводных установок.

На основе уравнения (8) были определены условия уравновешенности установок с использованием в аккумуляторе энергии колонны НКТ, взаимного уравновешивания и маховика. В первом случае

с^кг + (с2 - с3)к - с1 = о, (9)

где сг, с2, сэ - коэффициенты, входящие в уравнение (6). Применительно к инерционному уравновешиванию был определен минимальный момент инерции маховика, который обеспечивает необходимый максимальный крутящий момент, развиваемый двигателем.

Для упрощения использования уравнения (9) рассчитаны номограммы, позволяющие упростить определение параметра уравновешенности, исходя из конструкции внут-рискважинного оборудования.

Для определения диапазона изменения параметра уравновешивающего устройства был выполнен анализ распределения скважинных насосов в зависимости от их диаметра в различных нефтедобывающих районах страны. На его основе удалось определить, что с вероятностью 0,95 эксплуатация всего фонда скважин может быть обеспечена установками, в которых уравновешивающее устройство обеспечивает изменение Кф в пределах 0,18 - 0,52.

Изучение функционирования привода ШСН, выполненное на основе разработанной структурной схемы, показало, что определять его КПД (как было принято до настоящего времени) как простое произведение КПД отдельных элементов, еходящих в него, нельзя. Это обусловлено тем, что при подобном подходе не учитываются потери энергии, циркулирующей между силовым органом и уравковеши-

вающим устройством. Их величина определяется не только КПД, но и абсолютными значениями выходных параметров, характеризующих работу привода.

На основе анализа потерь энергии в отдельных блоках и связях привода установлена следующая зависимость .

гц = 1т/{1 + [ (1- л*) / п*] [гсз.ьЛг.н + о.5]}, но)

где Т1Ф - фактическое значение КПД привода ШСН; г)т -КПД трансмиссии привода (совокупность узлов, передающих энергию только в одном направлении) ; Г), - КПД контура, в котором происходит циркуляция энергии (совокупность узлов, передающих энергию в противоположных направлениях) ; ь - глубина подвески скважинного насоса; н - динамический уровень пластовой жидкости.

Сопоставление с применяемыми в настоящее время формулами показало,, что, в зависимости от конструкции внутрискважинного оборудования, результат, получаемый с их помощью, завышен по сравнению с истинным значением на 16 - 25%. Анализ режимов работы гидравлического привода ШСН в промысловых условиях подтвердил полученные аналитические зависимости. Поскольку формула (10) получена, исходя из общего подхода к процессам передачи и преобразования энергии в приводе ШСН, то.она может быть использована для расчета любых, в том числе, и механических приводов.

Исследование вопросов определения параметров уравновешивающих устройств позволило перейти к нахождению мощности приводного двигателя и оценки влияния на него степени неуравновешенности установки. Анализ эксплуатационных, технических и конструктивных факторов показал, что мощность приводного двигателя может быть определена следующим образом.

Ы=[дМ(<!К)ЯЬкЧ1К/К5]\/(1+№р+Ыл)1р+(1+^р)1у+(1+Ытр-Ыд)13, (11)

где tp, Ьу, Ьз - доля времени движения точки подвеса штанг с ускорением, равномерно, с замедлением, соответственно; (1+к+Ж)/ы(кф+к); ыд - коэффициенты, учитывающие составляющую сил трения и динамическую составляющую усилия в точке подвеса штанг соответственно; N (с!х) - коэффициент учитывающий неуравновешенность привода; о - подача силового насоса; к, - КПД привода.

Для определения зависимости коэффициента ы(шс) выведены аналитические зависимости и рассчитана номограмма, позволяющая определять его величину при заданном отклонении параметра уравновешенности от расчетно-

го значения для различных диаметров скважш'ных насосов .

В результате выполнения исследования па этом этапе работы было установлено следующее.

Для известных в настоящее время способов уравновешивания с использованием аккумуляторов энергии различных конструкций (грузового, пневматического, грузового с использование колонны НКТ, и инерционного) может быть использован единый критерий уравновешенности.

Выведенные на основе единого критерия уравновешенности формулы для определения параметров уравновешивающих устройств с использованием грузового и пневматического аккумулятора позволяют получить результаты совпадающие с известными, полученные ранее другими исследователями. Это даег основание считать правильным выбор единого критерия уравновешенности.

Проверка уравновешенности приводов 1IICH типа АГН на стендовой скважине и в промысловых условиях показала хорошую сходимость результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Использование существующих зависимостей для определения КПД привода ШСН приводит к завышенным результатам вычислений, поскольку в них не учитываются потери энергии в контуре "силовой орган - уравновешивающее устройство", а формула, выведенная на основании проведенных исследований, дает более точные результаты и может быть использована для приводов любого типа.

Применение полученных расчетных зависимостей для определения значения мощности приводного двигателя позволяет уменьшить коэффициент запаса мощности двигателя, обусловленный отсутствием учета внешних факторов и снизить ее на 15-20%, что достигается учетом большего числа факторов, влияющих на ее значение.

Глава 5. ЗАВИСИМОСТЬ ЭНЕРГЕТИКИ ГИДРОПРИВОДНЫХ УСТАНОВОК ОТ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Затраты энергии, необходимые для функционирования насосной установки, обусловлены рядом факторов, влияющих либо непосредственно на режим работы привода, либо косвенно - за счет нарушения его уравновешенности. К первым относятся факторы, обусловленные особенностями взаимодействия привода с пластом и системой сбора продукции скважин: положение динамического уровня, противодавление на устье скважины, высота столба жидкости во внутренней полости колонны НКТ. Ко второй группе

относятся факторы, обусловленные спецификой конструкции насосной установки, воздействие которых на привод определяет в значительной степени режим его работы: силы трения, возникающие при работе внутрискважинного оборудования, динамическая составляющая усилия в точке подвеса штанг и т.п.

Установки с различными уравновешивающими устройствами и с различными связями блок-схемы по разному реагируют на внешние факторы. 3 главе 5 установлено, что влияние внешних факторов на работу привода можно характеризовать величиной отклонения мгновенной мощности приводного двигателя от ее среднего за цикл работы значения.

n

=£ (5М/5Ф1)с1Ф; , (12)

¡=1 _

где N - число рассматриваемых факторов; Эи/Зф! -частные производные от функции, описывающей изменение величины мощности по какому-либо эксплуатационному фактору Ф; с1Ф1 - дифференциал этого фактора.

Для определения величины приращения мощности были определены значения частных производных в уравнении (13) при различных фазах движения колонны штанг. В результате установлено, что при наличии кинематической связи между уравновешивающим устройством и колонной НКТ влияние нефтепромысловых факторов на уравновешенность резко уменьшается, а при использовании вставных скважинных насосов с условным диаметром плунжера 38 мм и трубных насосов диаметром 55 мм вообще отсутствует. При их использовании обеспечивается постоянство загрузки приводного двигателя в течение всего цикла работы насоса.

Полученные значения производных в формуле (12) позволили выполнить расчеты мощности приводного двигателя с учетом всех особенностей условий эксплуатации установок, не допуская при этом необоснованного завышения коэффициента запаса мощности. Это позволяет, в конечном счете, уменьшить мощность приводного двигателя разработанных гидроприводных установок.

Исследования выполненные на этом этапе показали следующее.

Характер зависимости уравновешенности установки с использованием колонны насосно-компрессорных труб от промысловых факторов иной, чем в установках с грузовым или пневматическим уравновешиванием. Эти отличия обу-

словлены кинематической связью установки с колонной ШТ.

Для установок типа А ГН существуют определенные диаметры скважинных насосов, при использовании которых влияние промысловых факторов на уравновешенность минимально, это свойство установок с использованием колонны НКТ в качестве уравновешивающего груза следует учитывать при подборе внутрискважинного оборудования в конкретных географических или промысловых условиях.

Глава 6. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО РЯДА ГИДРОПРИВОДНЫХ ШТАНГОВЫХ НАСОСНЫХ УСТАНОВОК

В задачу построения параметрического ряда приводов ШСК входят определение числа установок в ряде и их типажа, выбор значений их главных показателей - длины хода точки подвеса штанг, максимального усилия в точке подвеса и максимального числа двойных ходов штанг. Конструкция установок должна обеспечивать унификацию их основных деталей в пределах параметрического ряда.

В качестве основы построения параметрического ряда приводов были приняты характеристики фонда скважин, эксплуатируемых с помощью скважинных насосов с учетом тенденции изменения его показателей. Основным критерием, в соответствии с которым этот ряд должен строится, выбран минимум неиспользуемой или "резервной" стоимости оборудования для эксплуатации этого фонда скважин.

Реальный параметрический ряд всегда будет обеспечивать некоторую "резервную" стоимость при его использовании. Для проектировании ряда создана методика его построения при заданной допускаемой величине "резервной" стоимости оборудования и определена величина допускаемой "резервной" стоимости в настоящее время.

Величина "резервной" стоимости параметрического ряда определяется прежде всего стоимостью комплекта наземного и подземного оборудования, причем параметры подземного оборудования следует рассматривать как стабильные и незначительно зависящие от наземного оборудования. Учитывая эго, основное внимание было обращено на наземное оборудование т.е. на привод ШСН.

Поскольку абсолютная стоимость привода ШСН величина переменная, зависящая от социально-экономической ситуации, то для упрощения решения и рассмотрения технического аспекта задачи был выполнен переход от критерия "резервной" стоимости к "резервной" массе. Эта характеристика более универсальна, на ней меньше ска-

зываются конъюнктурные факторы и она при необходимости позволяет без особых затруднений перейти к стоимостным показателям. В пользу критерия массы и тот факт, что ее величина косвенно характеризует степень совершенства конструкции, затраты на ее транспортирование, монтаж, ремонт и обслуживание.

Для определения характеристик фонда скважин, эксплуатируемого ШСН проведен статистический анализ данных нефтедобывающих объединений "Татнефть", "Баш-нефть", "Краснодарнефтегаз", "Мангишлакнефть", в которых сосредоточено более 45% всего фонда скважин стран СНГ. По остальным объединениям делались контрольные выборки. Основные параметры скважин - глубина подвески насоса и дебет, т.е. параметры, характеризующие полезную мощность, обеспечиваемую приводным двигателем установки. По перечисленным- районам определено также среднее значение общего КПД штанговой насосной установки, используемой в качестве привода балансирный станок-качалку.

Полученные значения позволили создать массив данных, характеризующий распределение числа приводов ШСН для определенных интервалов глубин подвесок и дебитов, а так же найти распределение приводов в зависимости от полезной мощности, затрачиваемой на подъем пластовой жидкости и фактического значения мощности. Определено, что число приводов в зависимости от их полезной мощности, передаваемой силовым органом, описывается логарифмическим нормальным распределением. По мере уменьшения КПД привода нормальное логарифмическое распределение трансформируется в нормальное распределение.

На основе статистических зависимостей разработана методика определения величины резервной массы приводов, представляющей собой разность между суммой произведений фактических масс устанозок на число скважин ими обслуживаемых и "идеальной" суммарной массы приводов, которая была бы, если бы применялись приводы данного параметрического ряда с непрерывно меняющимися параметрами.

Ч Г N¡+1

I - I Ы(М)<1М = Ми. (13)

) 14;

где - минимальное и максимальное значение

мощности приводов данного типоразмера; М± - масса 1-го типоразмера; Л(м4) - число приводов 1-го типоразмера; М - масса типоразмера установок идеального ряда, плотность вероятности появления которых равна ЩМ) .

При проектировании параметрического ряда приводов ШСН было принято, что избыточные массы в каждом интервале, обслуживаемом одним типоразмером установки, постоянны. На основе полученных зависимостей составлена программа, позволяющая определить избыточную массу для любого интервала мощностей при заданных регрессионных зависимостях м = £(N1 . С ее помощью по заданному значению избыточной массы приводов и по характеристикам существующего распределения скважин определен ряд мощностей, которые должны иметь приводы проектируемого параметрического ряда.

На основе ряда мощностей с учетом требований преемственности нового параметрического ряда были определены длины ходов и числа двойных качаний. Обеспечение удовлетворения параметров разработанного ряда при перспективе 'увеличения глубин подвесок реализуется за счет ненормируемой величины максимального усилия в точке подвеса штанг. Основные параметры и краткая характеристика разработанного параметрического ряда следующие.

Порядковый номер типоразмера, шифр Основные параметры 2тах Ртах ^гаах м кН мин"1 кВт Уравновешивающее устройство

1 "Н" 2.2 40 9 13 Нет

2 "Л" 2.5 60 12 17 Колонна НКТ

3 "СКГИ" 3.5 80 9 23 Маховик

4 "Т" 6.0 200 7 45 Маховик

Особенность -параметрического ряда - отказ от создания приводов с геометрически подобными кинематическими схемами. Каждый тип схемы установки имеет вполне определенную область оптимального применения, выход за пределы которого в большую сторону чреват ухудшением ее технико-экономических показателей (отражающихся в прогрессирующем увеличении массы!, а в сторону уменьшения - приводит к ухудшению эксплуатационных показателей (усложнение обслуживания, ремонта). Поэтому в качестве основного принципа создания отдельных конструкций с заданными параметрами принято проектирование установок с различными принципиальными схемами, но при

обеспечении максимальной унификации деталей, изнашивающихся в процессе эксплуатации.

Обеспечение требований унификации в пределах данного ряда решалось следующим образом. Детали и узлы, не изнашивающиеся в процессе эксплуатации (несущие системы, трубопроводы, баки и т.п.), разрабатывались для каждого типоразмера оригинальными, а детали и узлы, требующие периодической замены или ремонта, так же наиболее массовые в изготовлении (уплотнения поршней и штоков, штоки и цилиндры, узлы системы компенсации и т.п.), унифицировались в пределах всего ряда.

При определении размеров унифицированных уплотнений силовых органов был принят следующий критерий. Снижение добычи нефти, обусловленной ремонтом установок,- должно быть для унифицированных установок не выше, чем при использовании неунифицированных. Это в конечном счете означает, что общее число унифицированных сменных деталей не должно превышать их числа при отсутствии унификации. При этом эффект от внедрения унификации будет получен в результате уменьшения простоев установок в ожидании ремонта, унификации ремонтной базы и уменьшения стоимости самих уплотнений за счет повышения серийности „их изготовления.

Исходя из существующего распределения параметров скважин и учитывая характеристики предложенного ряда приводов, была разработана методика расчета, с помощью которой определены основные размеры уплотнительных устройств и соответствующие им диаметральные размеры деталей силовых органов. Так например, диаметр штангового цилиндра D,

D, => (1.27 (f. + Z °'3VC Рдоп))0 5, (14)

где

Z = (MP»«)Рта«)3 (dx/dcpJexpUPi - PcpJ/a^pl;

Pep, Стер - показатели распределения приводов ШСН по величине максимального усилия в точке подвеса штанг.

Характерный размер уравновешивающего устройства определяется, исходя из условия обеспечения допускаемой величины разуравновешивания ак при переходе на соседний диаметр фальштока. В свою очередь, значение dK определяется, исходя из условия обеспечения постоянства изменения мощности приводного двигателя во всем диапазоне изменения диаметров плунжеров скважинных насосов .

Результатом разработки методики определения характерных размеров уплотнений явилось создание конструк-

ций силовых органов, реализованных в изготовленных конструкциях приводов ШСН.

Помимо этого были разработаны унифицированные конструкции уплотнений устьевых штоков и системы компенсации утечек.

В результате выполнения ланнык исследований показано следующее.

Сравнительная оценка штанговых скважинных установок с механическими и гидравлическими приводами должна вестись с учетом реальной загрузки применяемых в на-стояшее время балансирных станков-качалок.

Загруженность последних по параметру Ж? для 80% приводов составляет не более 30% от паспортных данных

При проектировании параметрического ряда приводов ШСН в качестве критериев его построения могут быть приняты величины общей металлоемкости и суммарной установленной мощности двигателей.

Число типоразмеров параметрического ряда обуславливает закон распределения числа скважин по глубинам и дебитам, значение среднего КПД установок, а так же закон, характеризующий зависимость массы привода от мощности приводного двигателя, длины хода и грузоподъемности.

Более 50% скважин имеют дебит не более 5 м3/сутки, причем имеется тенденция увеличения доли этих скважин, поэтому одним из направлений совершенствования насосных установок должно быть создание легких приводов.

Применение приводов с улучшенными весовыми показателями, например гидропривода, позволяет уменьшить число типоразмеров параметрического ряда до 3 - 4, вместо 10 - 12, предусмотренных в настоящее время.

Глава 7. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ И ВНЕДРЕНИЯ ГИДРОПРИВОДНЫХ ШТАНГОВЫХ НАСОСНЫХ УСТАНОВОК

На основе разработанных теории гидравлических приводов ШСН (глава 2) и методики построения параметрического ряда (глава 6) в отраслевой лаборатории нефтепромыслового оборудования кафедры Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов ГАНГ им. И.М.Губкина была выполнена техническая документация на ряд приводов - установки АГН-Л, АГН-Лм, СКГИ. (Автор настоящей работы - конструктор этих установок, под его руководством был спроектирован экспериментальный привод ШСН с инерционным уравновешиванием). На основе выполненных

исследований были разработаны рекомендации по выбору и расчету режимов работы гидроприводных установок и методика их уравновешивания [1,2].

Общей характерной особенностью является выполнение их в виде моноблока, смонтированного непосредственно на устье скважины. Использование объемного гидропривода в сочетании с энергоемким аккумулятором уравновешивающего устройства позволяет исключить специальный фундамент, необходимый в случаях применения механического привода.

Первая партия установок АГН-Л в количестве 10 шт. была изготовлена в 1975 г. заводом экспериментальных машин (ЗЭМ) ВНИИНЕФТЕМАШ. В сентябре 1977 г. состоялось заседание межведомственной комиссии, которая приняла решение: "...считать предъявленную продукцию выдержавшей приемочные испытания .... и рекомендовать штанговые гидроприводные глубиннонасосные установки АГН-Л к серийному производству...". Выпуск установок АГН-Л производился ЗЭМ ВНИИНЕФТЕМАШ в соответствии с Постановлением Совета Министров СССР от 21 октября 1976 г. №о 870 (Приложение №о 8, т. 2 Освоение новых видов промышленной продукции. Нефтяное и химическое машиностроение. "Станки-качалки типа АГН для привода глубинных насосов").

После выполнения работ по созданию установок АГН-Л,-С дальнейшее их совершенствование проводилось в соответствии с Постановлением директивных органов от 16 июня 1986 г. и Постановлении Госплана СССР №о 153 от 22 августа 198 6 г. "О мерах по ускорению внедрения в народное хозяйство ряда научно-технических разработок высших учебных заведений Министерства высшего и среднего специального образования СССР в 1987-1990 годах".

В общей сложности, с учетом небольшого количества изготовленных до 1976 г. макетных образцов установок АГН-Г на промыслах с 1976 находились в эксплуатации: в НГДУ "Узеннефть" объединения Мангишлакнефть 128 шт., в НГДУ "Комсомольскнефть" объединения Мангишлакнефть 5 шт., в НГДУ "Кинельнефть" объединения Куйбьппевнефть 10 шт., в НГДУ "Хадыженнефть" объединения Краснодарнефте-газ 5 шт., в НГДУ "имени XIX съезда КПСС" объединения Каспморнефть 5 шт., в НГДУ "Бориславнефть" объединения Укрнефть 1 шт., в НГДУ "Когалымнефть" ТПП "ЛУКойл-Когалымнефтегаз" 2 шт.

При этом глубины подвесок составляли в среднем 1200 м ( максимум 1700 м), использовались скважинные

насс;ы с ус-озными диаметрами плунжеров от 28 до 68 мм, а деСиты 5ыли от 5 до 60 м3/сутки.

Длительные наблюдения за работой установок в течение более чем 10 лет позволили накопить большой опыт их эксплуатации и собрать информацию о надежности при-водсз. Устак;злены основные причины отказов отдельных узлсз. Так например, только 5-8% отказов связано с не-полагкаьс: непосредственно гидропривода, 35% - обусловлено ненспрагностью механических узлов (например, механизм реверса), Юг - отказы комплектующих изделий, обусловленные заводским браком. Остальные 50% остановок вызывались неисправностями внутрискважинного оборудования (например, износ клапанов ШСН) и были обусловлены необходимостью выполнения ПРС. За весь период эксплуатации установок не было ни одного случая обрыва колонны штанг, протирки или нарушения герметичности подвижной кс.~онны НКТ.

Наработка приводов до текущего ремонта, связанного с необходимостью замены уплотнений гидроцилиндров, существенно зависит от качества их изготовления и составляла 40-50 тыс. часов для 8% установок; 30-40 тыс. чассз для 1:4; 20-30 тыс. часов для 32%; 10-20 тыс. часов для 37*. В зависимости от квалификации персонала про!.ыслов, обслуживающих приводы, наработка на отказ увеличивалась или уменьшалась в 2-3 раза.

Опыт эксплуатации приводов АГН-Л был использован при разработке модернизированной конструкции установки АГН-Лм, опытный образец которой прошел промысловые испытания з 1938 г. В настоящее время идет подготовка к выпуску установок АГК-Лм на заводе СКТБ "Зенит".

Помимо установок АГН-Л было изготовлено 10 экземпляров установок АГН-С и опытный образец установки СКГП с инерционным уравновешиванием. Последний прошел стендовые испытания на скважине ЗЭМ ВНИИНЕФТЕМАШ, был апробирован з промысловых условиях в объединении Ман-гиолакнефть. В настоящее время на заводе "Спецтехника" (Унитарное предприятие №9) АО "Уралмашзавод" изготовлено два головных образца установок СКГИ с инерционным уравновешиванием, ведется их доводка с целью организации серийного производства.

Экономический эффект от внедрения гидравлических приводов ШСН обусловлен их основными свойствами:

1. Уменьшенной массой.

2. Устранением необходимости в сооружении фундамента .

3. Упрощением транспортирования, погрузочно-раз-грузочных работ, монтажа и демонтажа.

4. Упрощением ремонта и обслуживания в процессе эксплуатации.

5. Увеличением добычных возможностей ШСН.

6. Улучшением энергетических показателей ШСНУ.

7. Увеличением межремонтного периода работы скважины.

основные выводы

1. Повышение эффективности штанговых скважинных насосных установок 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 скважин-ного 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.

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 скважинкых 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 з 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 свези с чем традиционные формулы для определения КПД в приводе ШСН любого типа (в том числе и механического) использовать нельзя.

Перечень работ автора в которых отражено основное содержание диссертации:

1. Гидроприводные штанговые скважинные насосные установки. Монография. М., "Недра", 1982, 245 с.

2. Справочное руководство по проектированию разработки и эксплуатации нефтяных месторождений. Глава V. Эксплуатация скважин штанговыми установками с гидравлическим приводом АГН. М., "Недра", 1983, 28 с.

3. Объемный гидропривод нефтепромысловых машин и механизмов. Монография, М., "Недра", 1989, 212 с.

4. Машины и оборудование для добычи нефти и газа. Учебник для вузов. М., "Недра", 1984, 464 с (в соавторстве) .

5. Энергетические показатели штанговой гидроприводной глубиннонасосной установки с неуравновешенным приводом. "Машины и нефтяное оборудование", 1977, № 7.

6. О применении гидроприводных штанговых глубинно-насосных установок с уравновешенным и неуравновешенным приводом. "Машины и нефтяное оборудование", 1978, № 3.

7. Некоторые особенности эксплуатации штанговых глубинных насосов с гидравлическим приводом типа АГН. "Азербайджанское нефтяное хозяйство", 1978, № 12. (в соавторстве).

8. Определение теоретической производительности глубинного насоса в установках с использованием насос-нокомпрессорных труб в качестве уравновешивающего груза. "Машины и нефтяное оборудование", 197 9 № 1.

9. Определение мощности двигателя в глубиннонасос-ных установках с уравновешиванием насоснокомпрессорны-ми трубами. "Нефтепромысловое дело", 1979, Я* 8.

10. Влияние характеристики гидропривода на производительность глубинного насоса. "Машины и нефтяное оборудование", 1979, № 9.

11. Определение сил межколонного трения в установках с уравновешиванием колонной насоснокомпрессорных труб. "Машины и нефтяное оборудование", 1979, № 11 (в соавторстве).

12. К вопросу определения гидродинамической нагрузки на подземное оборудование штанговых гидрофици-рованных глубиннонасосных установок типа АГН. "Машины и нефтяное оборудование", 1980, № 1 (в соавторстве).

13. Определение области применения неуравновешенных гидроприводных установок для добычи нефти. "Нефтепромысловое дело", 1980, № 7 (в соавторстве).

14. Результаты создания и перспективы внедрения штанговых гидроприводных глубиннонасосных установок. "Нефтяное хозяйство", 1980, № 7 (в соавторстве).

15. Уравновешивание привода штангового глубинного насоса колонной насоснокомпрессорных труб. "Машины и нефтяное оборудование", 1980, № 9.

16. Влияние эксплуатационных факторов на работу глубиннонасосных установок с уравновешиванием колонной насоснокомпрессорных труб. "Машины и нефтяное оборудование", 1980, № 10

17. Определение параметра уравновешенности штанговых глубиннонасосных установок типа АГН. "Машины и нефтяное оборудование", 1982, № 3.

18. Точное уравновешивание насосных установок типа АГН. "Нефтепромысловое дело", 1982, № 10.

19. Основные принципы разработки параметрического ряда гидроприводных установок. "Известия ВУЗоа". "Нефть и газ", 1984, № 11, с.40-45.

20. Анализ надежности гидропривода штангового скважинного насоса. "Надежность и сертификация оборудования для добычи нефти V, газа", 1997, № 4, с. 38-44.

21. Влияние структурной схемы гидропривода штангового скважинного насоса на надежность установки. "Надежность и сертификация оборудования для добычи нефти и газа", 1993, »2Г г:;:,'

22. Штанговая гидропрх:водная глубиннонасосная установка. Авторское свидетельство № 631674.

23. Гидроприводная штанговая глубиннонасосная установка. Авторское свидетельство № 652347.

24. Гидропривод штанговой глубиннонасосной установки. Патент № 661144.

25. Способ диагностирования штанговой глубиннона-сосной установки и устройство для его осуществления. Патент № 721526.

26. Гидропривод штангового глубинного насоса. Авторское свидетельство № 748045.

27. Способ испытания рамы гидроприводной штанговой глубиннонасосной установки. Авторское свидетельство

№ 759884 (в соавторстве).

28. Групповой гидропривод штанговых глубинных насосов. Авторское свидетельство N'800419(в соавторстве).

29. Гидроприводная скважинная штанговая насосная установка. Авторское свидетельство № 943435 (в соавторстве ) .

30. Привод скважинной глубиннонасосной установки. Авторское свидетельство № 1585552 (в соавторстве).

31. Привод скважинной насосной установки. Авторское свидетельство № 1588,907 (в соавторстве) .

32. Привод скважинного насоса. Авторское свидетельство № 1588908 (в соавторстве) .

33. Привод скважинной глубиннонасосной установки". Авторское свидетельство № 1588909 (в соавторстве).

34. Скважинная гидроприводная насосная установка. Авторское свидетельство № 1603051 (в соавторстве).

35. Гидравлический привод штангового скважинного насоса. Авторское свидетельство № 1603052 (в соавторстве) .

36. Гидроприводная штанговая глубиннонасосная установка. Авторское свидетельство № 1603053 (в соавторстве) .

37. Гидравлический привод скважинной штанговой насосной установки. Авторское свидетельство № 164 269 (в соавторстве).

38. Гидроприводная штанговая глубиннонасосная установка. Патент № 1649114 (в соавторстве).

39. Насосная установка для добычи нефти. Патент № 1657743.

40. Привод штангового скважинного насоса. Авторское свидетельство № 1671965 (в соавторстве).

41. Привод штангового скважинного насоса с инерционным уравновешиванием. Патент № 1808103.

42. Привод штангового скважинного насоса с пневматическим уравновешиванием. Патент №1839698 (в соавторстве) .

43. Привод штангового скважинного насоса с инерционным уравновешиванием. Патент на промышленный образец по заявке №93006925. ОТ 15 .ОГ.^' ^у [) ""

/Дмглу

(У

Подписано в печать Заказ Тираж 100

Типсирафия идатсльстиа *Нс(1гп. н к»

¥-?*' $ ' "А

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ, ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ РФ АКАДЕМИЯ НЕФТИ И ГАЗА имени И. М. ГУБКИНА

На правах рукописи

МОЛЧАНОВ АЛЕКСАНДР ГЕОРГИЕВИЧ

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ШТАНГОВЫХ СКВАЖИННЫХ НАСОСНЫХ УСТАНОВОК С ГИДРОПРИВОДОМ

ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ

Специальность 05.04.07. Машины и агрегаты

нефтяной и газовой промышленности

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1998 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

1 9. 0 5.98 "Г"

ВВЕДЕНИЕ ................................................... 8

Глава 1. ГИДРОПРИВОДНЫЕ ШТАНГОВЫЕ СКВАЖИННЫЕ НАСОСНЫЕ

УСТАНОВКИ ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ........................ 12

1.1. Структурная схема и классификация насосных установок... 13

1.2. Анализ конструктивных схем гидроприводных установок и

их сравнительная оценка................................ 18

1.2.1. Установки с пневматическим уравновешиванием и закрытой схемой привода......................... 19

1.2.2. Установки с пневматическим уравновешиванием и комбинированной схемой гидропривода............. 22

1.2.3. Установки с пневматическим уравновешиванием и открытой схемой гидропривода.................... 24

1.2.4. Установки с грузовым уравновешиванием............ 26

1.2.5. Установки с использованием в качестве уравновешивающего груза колонны насоснокомпрессорных труб....................... 32

1.2.6. Установки с динамическим (инерционным) уравновешиванием................................ 36

1.2.7. Неуравновешенные и частично

уравновешенные установки....................... 39

1.2.8. Установки с взаимным (групповым) уравновешиванием................................ 40

1.3. Оценка влияния конструктивных признаков приводов

штангового скважинного насоса на основные параметры

установок.............................................. 43

1.4. Постановка задач исследований.......................... 51

Глава 2. КИНЕМАТИКА ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ПРИВОДА

ШТАНГОВОГО СКВАЖИННОГО НАСОСА...................... 55

2.1. Нагрузки, действующие на элементы привода установки.....56

2.2. Особенности работы внутрискважинного оборудования при уравновешивании привода ШСН колонной НКТ................64

2.3. Кинематика основных элементов привода ШСН...............72

2.3.1. Кинематика приводов с грузовым уравновешиванием..73

2.4. Особенности кинематики гидравлических приводов ШСН......85

2.4.1. Кинематика приводов ШСН с

грузовым уравновешиванием........................87

2.4.2. Кинематика приводов ШСН с

динамическим уравновешиванием ................... 94

2.4.3. Обобщенное уравнение движения

точки подвеса штанг.............................102

2.5. Экспериментальные исследования кинематики гидропривода ШСН.......................................109

2.6. Выводы по главе 2......................................114

Глава 3. ДИНАМИКА ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ПРИВОДА

ШТАНГОВОГО СКВАЖИННОГО НАСОСА......................119

3.1. Режим работы силового насоса привода ШСН...............119

3.2. Максимальная нагрузка в точке подвеса штанг............126

3.3. Разработка способа и устройства для диагностирования работы внутрискважинного оборудования при использовании гидравлического привода..................134

3.4. Экспериментальные исследования динамики привода........139

3. 5. Выводы по главе 3......................................152

Глава 4. ЭНЕРГЕТИКА ГИДРОПРИВОДНЫХ УСТАНОВОК................154

4.1. Критерий энергетического уравновешивания привода ШСН...154

4.2. Уравновешивание приводов ШСН различных типов...........162

4.2.1. Параметр уравновешенности грузового устройства.. 163

4.2.2. Параметр уравновешенности устройства с пневматическим аккумулятором....................164

4.2.3. Параметр уравновешенности при использовании НКТ. 165

4.2.4. Доуравновешивание привода грузами...............170

4.2.5. Параметр уравновешенности спаренной установки. ..173

4.2.6. Инерционное уравновешивание привода.............175

4.3. Определение области изменения параметра уравновешенности.......................................186

4.4. Определение КПД привода ШСН............................189

4.5. Мощность приводного двигателя и влияние на нее неуравновешенности установки...........................196

4.5.1. Мощность приводного двигателя уравновешенной установки.......................................196

4.5.2. Влияние неуравновешенности привода

на мощность двигателя...........................199

4.6. Экспериментальная проверка результатов теоретических исследований...........................................201

4.7. Выводы по разделу 4....................................205

Глава 5. ЗАВИСИМОСТЬ ЭНЕРГЕТИКИ ГИДРОПРИВОДНЫХ

УСТАНОВОК ОТ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ..................207

5.1. Факторы обуславливающие неуравновешенность

привода ШСН............................................207

5.2. Зависимость мощности привода от

нефтепромысловых факторов..............................208

5.2.1. Пусковой режим и буферное давление..............211

5.2.2. Динамический уровень пластовой жидкости......... 221

5.2.3. Плотность пластовой жидкости....................225

5.2.4. Силы трения во внутрискважинном оборудовании.... 228

5.3. Уравновешенность привода в периоды неустановившегося движения точки подвеса штанг...........................232

5.4. Экспериментальная проверка результатов

теоретических исследований.............................240

5.9. Выводы по главе 5......................................244

Глава 6. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО РЯДА ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПРИВОДОВ

ШТАНГОВОГО СКВА1ИНН0Г0 НАСОСА......................246

6.1. Критерии построения параметрического ряда приводов ШСН 247

6.2. Анализ фонда скважин и режимов их эксплуатации.........251

6.3. Методика разработки параметрического ряда гидравлических приводов ШСН............................256

6.4. Определение и оптимизация основных

параметров приводов ШСН................................267

6.4.1. Определение типажа приводов ШСН.................269

6. 5. Унификация элементов гидропривода......................272

6.5.1. Определение диаметральных размеров

силовых органов привода......................... 274

6.5.2. Унификация диаметральных размеров

силовых органов.................................277

6.5.3. Определение характеристик уравновешивающего устройства......................................282

6. 5. 5. Унификация устьевого оборудования...............287

6.6. Определение области применения приводов ШСН............288

6.6.1. Область применения уравновешенного привода ШСН..289

6.6.2. Область применения неуравновешенных приводов ШСН294

6.7. Выводы по разделу 6....................................299

Глава 7. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ВНЕДРЕНИЯ

ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПРИВОДОВ............................301

7.1. Конструкции гидравлических приводов ШСН................302

7.2. Режимы и условия эксплуатации приводов на промыслах.... 331

7.3. Вопросы надежности гидравлических приводов.............346

7.4. Экономический эффект от внедрения

гидравлического привода ШСН............................355

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.............................................360

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ............................362

ПЕРЕЧЕНЬ РАБОТ, В КОТОРЫХ ОТРАЖЕНО СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ...372 ПРИЛОЖЕНИЕ..................................................375

Акт приемки опытных образцов "АГН-Л".

Акт промысловых испытаний динамографа

Акт испытаний головного образца МАГН-Л"

Акт изготовления СКГИ

Акт испытаний СКГИ

Акт испытаний устьевых уплотнений

ВВЕДЕНИЕ

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 75879 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.

Глава 1. ГИДРОПРИВОДНЫЕ ШТАНГОВЫЕ СКВАЖИННЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ

За более чем полувековую историю промышленного применения штанговых скважинных насосов, сопровождающуюся непрерывным усовершенствованием конструкции и технологии изготовления, штанговая скважинная насосная установка превратилась в весьма отработанный комплекс оборудования, позволяющий наиболее эффективно, по сравнению с другими способами, эксплуатировать скважины глубиной от нескольких сот до нескольких тысяч метров с дебитами от нескольких десятков литров до 200-300 м3/сутки при содержании в пластовой жидкости парафина, смол, песка и минерализованной воды. Это в сочетании с относительной дешевизной оборудования и малыми эксплуатационными расходами обусловило доминирующее положение штанговых насосов среди всех остальных видов оборудования для добычи нефти. Именно поэтому в связи с целесообразностью обеспечения возможности эксплуатации скважин штанговыми насосами во всей экономически обоснованной области их применения необходим поиск резервов дальнейшего повышения эффективности данного оборудования и определения конкретных путей реализации его резервов.

' Дальнейшее совершенствование привода ШСН нельзя выполнять без анализа известных схем и конструкций, для упорядоченного рассмотрения которых предложена классификация. На ее основе выполнен анализ основных элементов, из которых состоит привод ШСН, позволивший, в свою очередь, сформулировать основные задачи исследования.

1.1. Структурная схема и классификация насосных установок

В настоящее время известно много схем и конструкций насосных установок. В патентной литературе (описаниях к авторским свидетельствам и патентам) их число ориентировочно можно оценить в сто единиц, в технической литературе (книги, статьи) описано порядка тридцати, а изготовлено в металле не более двадцати. Анализ такого большого числа весьма разнообразных устройств, оценка степени их совершенства и определение тенденций развития не могут быть выполнены без классификации. Известная ранее классификация [38] охватывает лишь часть конструктивных признаков, не позволяя учесть особенности преобразования и передачи энергии в приводе.

К особенностям привода штангового скважинного насоса, не зависимо от особенностей его конструкции, относится циклический характер передачи энергии от отдельных элементов друг к другу. За один цикл действия скважинного насоса дважды происходит изменение направления передачи энергии, что принципиально отличает ШСНУ как от большинства машин и механизмов, применяемых на промыслах, так и вообще от насосных установок. Поэтому на первом этапе исследований была разработана структурная схема и классификация штанговых насосных установок, учитывающая эти особенности.

Анализ схем и конструкций гидроприводных штанговых насосных установок показывает, что любую установку можно рассматривать как совокупность нескольких функциональных блоков, из которых к обязательным относятся следующие.

1.Блок силового органа, осуществляющего перемещение колонны штанг. Он преобразует механическую энергию рабочей жидкости в

механическую энергию колонны штанг и наоборот.

2.Блок гидропривода, преобразующий механическую энергию приводного двигателя в энергию потока рабочей жидкости.

3.Блок системы реверсирования потока рабочей жидкости. Помимо перечисленных обязательных блоков, установки различных типов могут содержать:

блок уравновешивающего устройства, аккумулирующего энергию при ходе колонны штанг вниз, отдающий ее при ходе штанг вверх и обеспечивающий равномерность загрузки приводного двигателя в течении одного цикла работы установки;

блок системы компенсации утечек, обеспечивающий постоянство объема рабочей жидкости во внутренних полостях гидропривода и силовых органах.

Тогда структурную схему гидроприводной штанговой насосной установки можно представить в виде совокупности блоков и связей (Рис.1.1), а в качестве главных классификационных признаков принять только:

- способ и степень уравновешивания установки;

- вид ки�