автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.07, диссертация на тему:Научные основы создания и эксплуатации насосного оборудования для добычи нефти в осложненных условиях из мало- и среднедебитных скважин

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Анализ состояния техники и технологии добычи нефти на промыслах Российской Федерации из мало- и среднедебитных скважин при осложненных условиях эксплуатации.

1.1. Анализ состояния добычи нефти и структуры запасов в Российской Федерации.

1.2.Области применения оборудования для механизированной добычи нефти.

1.3. Анализ эксплуатации скважин на месторождениях Западной Сибири.

1.4. Аналитический обзор существующих методик проектирования, конструирования и эксплуатации оборудования для добычи нефти. Направления научно-технического прогресса в добыче нефти из мало- и среднедебитных скважин при осложненных условиях эксплуатации. Задачи и цели исследований.

Глава 2.Теоретические основы создания насосных установок для добычи нефти при осложненных условиях эксплуатации.

2.1. Основные свойства технических изделий. Система проектирования, изготовления, испытания и эксплуатации насосных установок для добычи нефти.

2.2. Влияние точности исходных промысловых параметров на результаты проектирования насосного оборудования для добычи нефти.

2.3. Структура построения скважинных насосных установок для добычи нефти.

Морфологические матрицы.

Для современного периода развития нефтяной промышленности России характерно вступление в стадию падающей добычи. Многие крупные месторождения Урало-Поволжья и Западной Сибири, обеспечивающие основной объём добычи нефти в стране, характеризуются сегодня высокой степенью выработанности запасов и интенсивным ростом обводненности продукции.

В последние годы процесс падения добычи нефти приобрёл лавинообразный характер. Так, за период 1988-1995 г. годовые объёмы добычи нефти снизились более, чем на 200 млн. тонн, постоянно растет количество простаивающих скважин,

В нефтяной отрасти сложилась неблагоприятная геолого-технологическая структура запасов нефти, в которой доля традиционных (технологически освоенных) запасов составляет лишь 35%. В тоже время на долю трудно извлекаемых запасов нефти (низко проницаемые пласты, остаточные запасы, глубокопогружённые горизонты, высоковязкие нефти, подгазовые зоны) приходится 2/3, или 65% .

Следствием ухудшения структуры запасов становится резкое снижение средних дебитов добывающих скважин. За 16 лет (с 1980г. до 1996 г.) средний дебит нефтяных скважин в Нижневартовском регионе уменьшился с 39 т/сутки до 9 т/сутки.

Под влиянием ухудшающейся структуры запасов, перехода многих нефтяных месторождений России на завершающие этапы разработки, когда увеличение обводненности, выпадение парафинов и смол, вынос вместе с пластовой жидкостью механических примесей усложняют эксплуатацию нефтяных скважин и из-за тенденции перемещения основных нефтедобывающих районов все дальше на северо-восток, в районы с суровыми климатическими условиями, удаленные от промышленных центров с развитой инфраструктурой происходит рост капиталоёмкости и трудоёмкости добычи нефти. Одновременно с этим происходит снижение наработки на отказ скважинного насосного оборудования (например, в АО «Черногорнефть» наработка на отказ УЭЦН снизилась в период с 1993г. по 1997г. с 350 до 130 суток).

Перенос центра тяжести развития нефтяной промышленности Российской Федерации на механизированную эксплуатацию мало- и среднедебитных скважин с осложненными геолого-техническими условиями ставит задачи создания и эксплуатации специального насосного оборудования. ~ " ~—

Для этого необходимо разработать научно-обоснованные методики проектирования и конструирования скважинных насосных установок для добычи нефти из мало- и среднедебитных скважин при осложненных условиях эксплуатации, а также методики оптимального подбора и диагностики данного оборудования при его работе.

Создание вышеназванных методик, апробация, внедрение и тиражирование их в промышленности стали основой настоящей диссертационной работы.

В первой главе диссертации проведен анализ состояния добычи нефти в Российской Федерации и направления научно-технического прогресса в добыче нефти из мало- и среднедебитных скважин при осложненных условиях эксплуатации, который подтвердил насущность и актуальность темы диссертационной работы.

Вторая глава посвящена теоретическим исследованиям, которые легли в основу создания методик проектирования скважинных насосных установок. В частности было определено влияние точности исходных промысловых параметров на процесс проектирования насосного оборудования , созданы морфологические матрицы скважинных насосных установок. На основе этих работ определены основные направления технического прогресса насосных установок для эксплуатации мало- и среднедебитных скважин в осложненных условиях ( непрерывные насосные штанги, специальные скважинные штанговые насосы, диафрагменные штанговые и бесштанговые насосы, гидроштанговые насосные установки).

Для выбранных направлений проведены теоретические исследования, позволившие создать математические модели работы данных видов оборудования и определить их основные конструктивные, динамические, кинематические и энергетические параметры. Вышеназванным теоретическим исследованиям посвящена третья глава настоящей работы, включающей в себя исследования скважинных штанговых насосов специальных конструкций, непрерывных насосных штанг, наматываемых на барабан при проведении спускоподъемных операций (СПО); гидроштанговых насосных установок; диафрагменных насосов для добычи нефти и погружных электрогидроприводных объемных возвратно-поступательных насосов.

В четвертой главе представлены основные этапы экспериментальных исследований разработанных видов оборудования (лабораторные, стендовые, промысловые, приемочные), которые подтвердили правильность и достоверность результатов теоретических исследований, доказали работоспособность и эффективность канатных непрерывных насосных штанг, диафрагменных и двухплунжерных штанговых насосов, гидроштанговых насосных установок, установок элокрогидроприводных насосов. Промысловые испытания созданного оборудования проводились в Татарии, Западной Сибири, Казахстане. Многие образцы созданного оборудования приняты межведомственными комиссиями к серийному производству.

Основам оптимальной эксплуатации (в первую очередь - подбору и диагностики состояния) насосных установок при эксплуатации мало- и среднедебитных скважин в осложненных условиях посвящена пятая глава.

На основе теоретических исследований, математических моделей, приведенных во второй главе, созданы методики и программное обеспечение по подбору штанговых скважинных насосных установок, установок погружных электроприводных насосов (центробежных, винтовых, диафрагменных).

Показано, что правильный подбор оборудования обеспечивает кратное снижение аварий скважинного насосного оборудования, увеличивает наработку на отказ, снижает эксплуатационные затраты. Разработанные автором диссертационной работы методики подбора скважинных насосных установок внедрены во многих нефтедобывающих предприятиях Западной Сибири.

Точные математические модели работы скважинных насосных установок позволили разработать оригинальные авторские методики диагностики работоспособности оборудования, на основе которых спроектированы и созданы комплексы и системы диагностики скважинных штанговых и бесштанговых насосных установок. Указанные комплексы прошли аттестацию в Госгортехнадзоре и сертификацию в Госстандарте РФ и внедрены на многих месторождениях Татарии, Калмыкии, нефтяной компании «ЛУКойл», «Тюменской нефтяной компании», АО «Пурнефте-газ», нефтяной компании «ЮКОС».

Создание и успешная эксплуатация программно-аппаратных комплексов подбора и диагностики скважинных насосных установок позволил создать новую концепцию обустройства кустов нефтяных и нагнетательных скважин, обеспечивающую оперативное получение и обработку информации о состоянии системы «пласт-скважина-насосная установка».

В Приложениях представлены Акты, Протоколы, Приказы, Инструкции по эксплуатации, Руководящие документы, Методики, Сертификаты и другие документы, отражающие результаты испытаний и внедрения созданных при непосредственном участии и под руководством автора настоящей диссертационной работы скважинных насосных установок и программно-аппаратных комплексов подбора и диагностики состояния нефтепромыслового оборудования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ о результатах минералогического анализа пробы зернистого.шлама заказ С.С.Пекина)

По наказу соч рудника Государе'* ^»¡иой Академии г1еф'*и и ги>а С.С.Пекина в лаборатории прикладной и генетической минералогии Всероссийского НИТИ минерального сырья им. Н.М. Федоровского под руководством зав.лабораторией к.г.-м.н.,В.И.Кузьмина в период с 30.10.97 по 05.!!.97 был проведен специализированный минералогический анализ пробы зернистого шлама буровой скважины.

Проба, исходной массой 90,4' была упиьшаиа и запаянный полиэтиленовый мешок. После вскрытия тары проба была просушена под ИК-ламной. Масса воздушно-сухой пробы составила 79,5 г. Дальнейшие

14 исследования произведены на откаартовке ,-ирооы массой Предварительный просмотр пробы под бинокулярным микроскопом показал, что й ней присутствует значительное количество афегатов мелких слипшихся щ---: - гсяк- однородных составу {н ооку-ноу :;е;х!?' »'»«рнн),:гак и принадлежащих разным фазам. Агрегаты оказались механически непрочны. Небольшое давление на такие агрегаты приводило к их распаду на отдельные зерна. Поэтому перед исследованием гранулометрического и минерального состава пробы была проведена ее дезагрегация (отгирка) путем длительного перемешивания погруженного в воду материала резиновым пестиком в •фарфоровой чашке. Дальнейшие анализы проводились после повторного просушивания пробы под ИК-лам пой.

Дробный гранулометрический 'анализ пробы проведен на лабораторных ситах с ячеями: 0,8; 0,5; 0,4; 0,32 и 0.08 мм. Результаты ситового анализа представлены в таблице I.

1.1.Отчеты по темам Р 198 за 1978, 1979, 1980 и 1961 г.г."0пыт-но-конструкторские и исследовательские работы по созданию оборудования для беструбной эксплуатации скважин глубинно-насосными установками", УДК 622.276.054, №гос.регистрации 74001.5I.

2. Отчеты по тете № 198/65-84 "Разработка технических средств механизированной добычи нефти и бурения в морских условиях", УДК 622.24.085.5, ?"гос.регистрации 01840084459.

3. ТУ 26-16-54-77 "Подвеска типа ПСШ устьевого штока".

4. Отчет по темам F3760-84-8 и 3760-86-32 "Научна-исследовате! ские и поисковые работы по созданию, испытанию и выдача рекомендаций по разработке конструкций сверхдлинноходовых установок", Баку, ОКБ Нефтемаш.5. ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ

5. Состав продукции и требования к конструктивному устройству.

6. Комплекс должен состоять из следующих составных частей:- канатной подвески;- полого штока;- узел крепления каната;- тяжелый низ. .

7. Узел крепления должен обеспечивать крепление каната диаметрами 20 и 22 мм.

8. Требования к уровню унификации и стандартизации.5.5,1.Б процессе проектирования должны быть соблюденыдействующие ГОСТы я ОСТы,максимально использованы унифицированные детали.

9. Требо вания к маркирсвке,упаковке,транс портиро ваншо и хранению.5.8Л.Узлы комплекса оборудования должны маркироваться способом,обеспечивающим сохранность,четкость и ясность маркировки на срок службы.

10. Комплекс может транспортироваться любым видом транспорта.58.3.Группа условий хранения-жесткая Ж2 по Г0СТ15150-69.

11. В свя*и с просто той конструкции на ооотавнк© 7?астй и комплекс, з целом карта уровня не соста^ля&тоя.

12. Место исшшюш по согласованию с йшкефтелршок*.iO'f

13. ОСОБОЕ КОНСТРУКТОРСКОЕ БЮРО ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ НЕФТЕГАЗОДОБЫВАЮЩИХ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ ОКБ НЗФТЕМАШ1.I Р И JI О Ж К ! I И ГУ

14. МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ НЕФТИ И ГАЗА ИМ.И.М. ГУБКИНА

15. СОГЛАСОВАНО Проректор rio научной работе ийЖЩ^бкина