автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.07, диссертация на тему:Разработка герметизаторов устья и расходомеров для повышения эффективности исследования и эксплуатации скважин

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Состояние вопросов эксплуатации и исследовании скважин расходомерами

1.1. Герметизация устья скважин при эксплуатации и исследовании скважин.

1.2. Обзор конструкции расходомеров применяемых на нефтяных предприятиях России и за рубежом.

1.3. Устьевые расходомеры.

Глава 2. Пути качественного улучшения технических характеристик герметизаторов устья и расходомеров.

2.1. Теоретическое обоснование (математическое моделирование) возможности качественного улучшения герметизации устья скважин.

2.2. Разработка глубинного расходомера радиальных потоков для повышения эффективности геофизических исследований скважин.

2.3. Разработка устьевого расходомера для определения дебита скважи

Глава 3. Лабораторные исследования герметизаторов устья скважин и расходомеров.

3.1. Модельная установка для исследования герметизаторов устья скважин.

3.2. Модельная установка для исследования геометрии струи из перфорационных отверстий горизонтальных и вертикальных скважин

3.3. Расширение нижнего интервала порога чувствительности расходомера с поворотной лопастью.

3.4. Обобщение результатов лабораторных исследований.

Глава 4. Разработка принципиальной схемы герметизаторов устья и расходомеров.

4.1. Новые конструкции герметизаторов устья скважин.

4.2. Конструкции глубинных расходомеров радиальных потоков.

4.3. Конструкция расходомера с поворотной лопастью.

Глава 5. Поверка работы конкретных разработок.

5.1. Герметизатора устья скважин.

5.2. Расходомера с поворотной лопастью.

Глава 6. Промысловые испытания и внедрение герметизаторов устья скважин и расходомеров.

6.1. Результаты испытаний герметизаторов устья скважин при проведении геофизических исследовании скважин в Бутульминском управлении геофизических работ.

6.2. Результаты испытаний герметизаторов устья скважин оборудованных ШСНУ в НГДУ "Бавлынефть".

6.3. Результаты испытаний расходомера с поворотной лопастью в НГДУ

Аксаковнефть» и в НГДУ «Туймазанефть».

Переход к рыночной экономике в России ставит перед нефтяными компаниями жесткие требования. Ключевыми проблемами нефтяной промышленности России в настоящее время и на перспективу объективно будут являться; рост издержек производства; сокращение ресурсной базы; моральный и физический износ производственных фондов.Возможности решения указанных проблем и соответственно перспективы развития российской нефтяной промышленности будут в определяющей степени зависит от: наличия ясной и подкрепленной необходимой законодательной базой государственной энергетической политики; завершения процесса реструктурирования и приватизации, создания рационально организованных и экономически эффективных нефтяных компаний, способных успешно конкурировать на отечественном и мировом рынках; наличия финансовых ресурсов, необходимых для осуществления текущей и перспективной деятельности, доступа к внешним источникам финансирования.Повышение эффективности исследования и эксплуатации скважин является важной частью в создании экономически эффективных нефтяных компаний.В настоящее время на нефтяных промыслах с целью герметизации устья скважин, оборудованных ШСНУ, широко используется специальное уплотнительное устройство - устьевой сальник, обеспечивающий определенную степень герметичности (убывающую во времени) в ходе возвратно - поступательного движения (ВПД) полированного штока при подъеме нагнетаемой скважинным насосом добываемой продукции по внутренней полости колонны НКТ в (сборной или выкидной) линию сбора продукции флюида.Существующие конструкции отечественных и зарубежных устьевых сальников ШСНУ весьма разнообразны. В них использован принцип аксиального поджатия пакета уплотнений, к которым относятся также серийно изготовляемые заводами устьевые сальники СУС. В указанных устьевых сальниках поджатие набивки и, соответственно, герметичность на уплотняемых поверхностях осуществляется путем периодически производимой оператором затяжки крышки сальника. При этом по высоте уплотнения образуется неравномерное распределение, (по экспонециальному закону), контактного давления, приводящее к повышению трения в узле уплотнения и, как следствие, к целому ряду нежелательных последствий - повышению потерь мощности привода ШСНУ, увеличению нагрузки на устьевой шток и другие детали и узлы станка-качалки, преждевременному износу пакета уплотнений, износу и обрыву устьевого штока, затратам на проведение ремонтновосстановительных работ, потерям объемов добытой нефти вследствие ее утечек или простоев скважины, загрязнению окружающей среды и др.Кроме того, на эффективность герметизации устья ШСНУ весьма значительное влияние оказывают многочисленные эксплуатационные факторы и параметры; скорость относительного перемещения устьевого штока в узле уплотнения, число двойных ходов (в минуту) устьевого потока или частота циклов изменения действующей на узел уплотнения нагрузки (давления), соотношение между давлением среды на устье скважины и контактным давлением в пакете уплотнения, отклонение устьевого штока от плоскости со скважиной, состав и свойства добываемой продукции, величина газового фактора, наличие механических примесей, воды, элементов вызывающих коррозию оборудования и др.Дальнейшее совершенствование герметизации устья ШСНУ требует дополнительных теоретических и практических исследований работы соответствующего оборудования, улучшения его конструкции и режимных параметров.Поэтому проведение исследований, связанных с повышением эффективности герметизации устья ШСНУ и разработкой необходимого для этого оборудования, является актуальным и имеет важное научное (конструкторское) и практическое значение.При геофизических исследованиях действующих скважин и скважин поддерживающих пластовое давление (ППД) с временными повышениями скважинного давления (с помощью агрегатов ЦА-320, АН-700, водоводов или всевозможными компрессорами) и при свабировании требуется надежная герметизация устья скважины (как и при герметизации устья ШСНУ). От надежности герметизации устья в конечном итоге зависит качество геофизических исследовании, что является основой для дачи полных и точных рекомендации по дальнейшему проведению экономически целесообразных работ на каждой конкретной скважине. При свабировании скважин с самоуплотняющимся сальником, при всех других равных условиях, время свабирования можно уменьшить 2-3 раза, не загрязняя окружающую среду (устья скважины).В настоящее время во время проведения геофизических исследований скважин под давлением используются герметизаторы устья самых разных конструкции. В основном поджим набивки в этих герметизаторах осуществляется вручную или гидравлическим насосом. Из-за расцентровки кабеля относительно центра скважины и конструкции кабеля происходит быстрый износ сальниковой набивки. Во время записи диаграмм все время приходится присматривать за сальником, чтоб с началом утечки поджать набивку. Это приходится делать в любых погодных условиях и когда вся устьевая арматура находится под давлением. Необходимость герметизаторов устья скважин работающих в режиме автоматического поджима (самоуплотнения) назрела давно. Но на сегодняшний день таких надежных герметизаторов нет.Герметизация устья скважин при геофизических исследованиях скважин по сравнению с герметизацией устья ШСНУ имеет свои особенности; 1. Если в скважинах оборудованных ШСНУ давление не превышает 4 МПа, то при геофизических исследованиях скважин давление может доходить до 25 МПа, а в некоторых случаях и больше. При свабировании скважин давление зависит от скорости подъема прибора и обычно не превышает 1 МПа.2. Полированный шток герметизировать проще, чем каротажный кабель, имеющий два слоя витой брони. На геофизические исследования скважин под давлением отводятся не более 2-3 суток, а станки-качалки работают многие месяцы без остановок.Для оперативного управления и контроля дебита скважин нефтяникам всегда нужны надежные и точные расходомеры. Сейчас в групповых замерных установках (ГЗУ) установлены расходомеры типа "ТОР". По паспорту их нижний предел чувствительности 3 м^/сут. (На практике считается 5 мЗ/сут). Новые ГЗУ оснащены весовыми расходомерами. Практически нижний предел измерения начинается с О мЗ/сут. Но внедрение их только началось и замена старых ГЗУ на новые при нынешних экономических трудностях нефтяных компаний займет десятилетия. А на старых месторождениях дебиты скважин падают. И чтоб замерить дебит одной скважины на ГЗУ иногда нужно потратить 6-^ 8 часов и более. Не со всех скважин, подключенных к этому же ГЗУ, возможно получение оперативной (суточной) информации. Поэтому предлагается простой, надежный и дешевый расходомер РЛД-1 для измерений дебита малодебитных скважин взамен расходомера "ТОР". Причем никаких изменений в серийных ГЗУ не требуется. Новый расходомер может замерить как секундный, так и суточный дебит скважин по истечении минуты после переключения на эту скважину. При этом в ГЗУ можно будет обойтись без замерного клапана, поплавка, газового вентиля и рычажного механизма.Для определения профиля фильтрации обычно геологи заказывают исследование скважины глубинным расходомером. Сейчас в основном используются вертущечные расходомеры вертикального потока. При их оснастке пакерами точность и время измерений увеличивается. Эти расходомеры дают суммарный расход. Для более точного определения профиля притока и увеличения нижнего порога чувствительности расходомера требуются дополнительные исследовательские и конструкторские работы.Цель работы заключается в повышении эффективности исследований, контроля и эксплуатации нефтегазовых скважин за счет разработки самоуплотняющихся герметизаторов устья и расходомеров наземных и глубинных с повышенной чувствительностью.В работе решены следующие задачи; 1. Проведены классификация и анализ оборудования для герметизации устья ШСНУ при геофизических исследованиях скважин под давлением. Проанализировано состояние изученности данного вопроса и общетеоретических исследований по уплотнительной технике.2. Вьщвинута новая гипотеза (подход) в герметизации устья скважин и теоретически доказана его работоспособность.3. Проведены экспериментальные исследования подтверждающие верность нового теоретического подхода.4. На основе теоретического и экспериментальных исследований предложена совершенно новая конструкция ГУСС, как для ШСНУ и винтового насоса, так и для каротажа под давлением и свабирования на канате.5. Проведен анализ работы расходомеров "ТОР" в ГЗУ типа "Спутник" и выводы на его основе.6. Предложена новая конструкция расходомера с поворотной лопастью и нижним пределом измерения 0.1 м^/сут (вместо 3 мЗ/сут) для замены серийных "ТОРов" в ГЗУ и управления режимом работы глубинных насосов в скважинах оборудованных ШСНУ.

7. Проведен анализ работы глубинных расходомеров на сегодняшний день и сделаны теоретические предложения.8. Проведены экспериментальные работы но определению геометрии движения струи жидкости из перфорационных отверстий.9. На основании теоретических предположений и экспериментальных работ предложены варианты конструкции расходомеров для измерения радиальных потоков и определения профиля притока сканированием внутренней поверхности эксплуатационной колонны.

Основные выводы и рекомендации

1. Исследована теория герметизации устья скважины при исследованиях на геофизическом кабеле (канате).

2. В результате анализа конструкций герметизаторов устья скважин как широко применяемых на нефтяных промыслах так и на уровне изобретений предложены две новые конструкции ГУСС, которые прошли успешные производственные испытания. Эти ГУСС позволяют автоматизировать процесс герметизации устья скважин.

3. Разработана конструкция модельной установки для изучения оптимальных контактных (радиальных) давлений при заданных осевых (скважин-ных) давлениях.

4. Проанализировав работу групповых замерных установок (ГЗУ) «Спутник» на месторождениях последней стадии разработки показаны их недостатки, в частности расходомера ТОР-1-50.

5. Разработана новая конструкция лопастного расходомера РЛД-1 с нижним порогом чувствительности 0,1 м/сут с тремя фиксированными тариро-вочными характеристиками.

6. Разработана методика измерения дебита скважины по жидкости и газу в ГЗУ одним расходомером РЛД-1.

7. Разработана методика по уточнению режима откачки нефти из скважин оборудованных штанговыми глубинными насосами (винтовыми) с одновременным определением технического состояния глубинного насоса.

8. Теоретически доказана возможность увеличения нижнего порога чувствительности глубинных расходомеров в 3 - 4.

9. Разработана модельная установка для изучения геометрии струи из перфорационных отверстий вертикальных и горзонтальных скважин.

Ю.По результатам теоретических предположений и модельных работ предложены 3 конструкции глубинных расходомеров сканирующего типа.

На сегодншный день по всем направлениям темы диссертации работы продолжаются. Получены новые дополнительные теоретические и практические (на усовершенствованных модельных установках) результаты. Набираются статистические данные по ГУСС и РЛД-1.

1. Абрукин А.П. Потокометрия скважин. Москва. Недра 1978 г. с. 97.98.175.

2. Аврущенко Б.Х. Резиновые уплотнители. Л., "Химия", 1978 136 с.

3. Адонин А.Н. Процессы глубиннонасосной нефтедобычи. Изд-во "Недра". Москва. 1964 г., 264с.

4. Адонин А.Н. Добыча нефти штанговыми насосами. М., Недра, 1979, 213с.

5. Аливердизаде К.С., Раджабов Н.Н. Герметизация устья нефтяных скважин при штангово-насосной эксплуатации.-М.:ЦИНТИХИМ НЕФТЕМАШ, 1985. -30с.

6. Альтшуль А.Д. Гидравлические сопротивления. Изд-во "Недра", Москва, 1970 г., 215 с.

7. Анурьев В.Н. Справочник конструктора машиностроителя. В 3-х т., М.: Машиностроение, 1978 г., с ил.

8. Аппаратура комплексная скважинная КСА-Р5 36-120/60 "Напор". Техническое описание и инструкция по эксплуатации ВНИИнефтепромгеофизика. 1987 г., г. Уфа.

9. Аппаратура скважинная "Фонтан" К1-423. Технические условия ТУ 24-01-ОУ-797-82. ВНИИнефтепромгеофизика. г.Уфа., 1985 г.

10. Артоболевский И.И. Механизмы в современной технике. Справочное пособие в 7-и томах.-М.: "Наука". Главная редакция физико-механической литературы, 1979.

11. Буль Б.К., Буль О.Б., Азанов В.А., Шоффа В.Н. Электромеханические аппараты автоматики. Изд-во "Высшая школа", Москва, 1988 г., 302 стр.

12. Валовский В.М. и др. Совершенствование устьевого сальника с автоматическим поджимом уплотнения. РНТС Машины и нефтяное оборудование. - М.:ВНИИОЭНГ. 1982, №5, с.5-6.

13. Валовский В.М. и др. Совершенствование устьевого сальника с автоматическим поджимом уплотнителя. РНТС. Машины и нефтяное оборудование. -М.:ВНИИОЭНГ, 1982, №5, с. 5-6.

14. Валовский В.М. и др. Стенд для испытания устьевых сальников В РНТС. Машины и нефтяное оборудование.- М: ВНИИОЭНГ, 1982, №4, с. 28-29.

15. Виглеб Г. Датчики. Пер. с нем. М.: Мир, 1989. - 196 е., ил.

16. Гаркунов Д.Н. Триботехника.-М.: Машиностроение, 1985.-424 е., ил.

17. Голубев А.И. и Кондаков Л.А. Уплотнения и уплотнительная техника-Справочник М.: Машиностроение, 1986. - 464 е., ил.

18. Горбенко Л.А. Каротажные кабели и их эксплуатация. Изд. 2-е, переработанное. М,"Недра", 1978,160 с.

19. Зуев Ю.С., Дектярев Т.Г. Стойкость эластомеров в эксплуатируемых условиях. М.: Химия, 1986.- 264 е., ил.

20. Ибрагимов Иршад Хангусейн оглы. Механика кабель-канатов и погружных устройств при бурении нефтяных и газовых скважин. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

21. Измерения в промышленности. Справ, изд. в 3-х кн. Кн. 2. Способы измерения и аппаратура.:Пер. с нем. /Под. ред. Профоса П. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1990 г., стр. 384.

22. Измерения в промышленности. Справ, изд. в 3-х кн. Кн.З. Способы измерения и аппаратура.:Пер. с нем, /Под. ред. Профоса П. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1990 г., стр. 334.

23. Иосилевич Г.Б. Детали машин: Учебник для студентов машиностроительных спец. вузов. М.: Машиностроение, 1988 г.-368 стр.: ил.

24. Калинин А.Г., Никитин Б.А., Солодкий К.М., Султанов Б.З. Бурение наклонных и горизонтальных скважин. Справочник; Под ред. А.Г. Калини-на.-М.: Недра. 1997 г.-648 е.: ил.

25. Кардашов Д.А., Петрова П.П. Полимерные клеи. Создание и применение. -М.: Химия, 1983 г.-256 е., ил.

26. Когаев В.П., Дроздов Ю.Н. Прочность и износостойкость деталей машин. М.: Высшая школа, 1991 г., с. 319 с ил.

27. Кондаков Л.А. и др. Уплотнения и уплотнительная техника. Изд-во "Машиностроение", М.: 1985 г., 463 с.

28. Кочергин В.В. Следящие системы с гистерезисными муфтами. Ленинградское отделение энергоиздата, 1982 г., 124 с.

29. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Изд-во "Машиностроение", Ленинградское отделение, 1989 г., 701 с.

30. Лашко С.В., Лашко Н.Ф. Пайка металлов М: Машиностроение, 1988 г., 376 с. с ил.

31. Левин В.М. Расходомеры малых расходов для схем промышленной автоматики. Изд-во "Энергия", Москва., 1972 г., 70 с.

32. Лепетов В.А., Юрцев Л.Н. Расчеты и конструирование резиновых изделий: Учеб. пособие для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. - Л: Химия, 1987.408 с.

33. Молчанов Г.В., Молчанов А.Г. Машины и оборудование для добычи нефти и газа. Изд-во "Недра", Москва, 1984 г., 464 с.

34. Муравьев И.М. и др. Технология и техника добычи нефти и газа.- М.: Недра, 1971 г. -496 с.

35. Начовный И. Герметичность уплотнений в возвратно-поступательных соединениях. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва.-1989 г., 16 р.

36. Нормативы численности и квалификационный состав рабочих НГДУ, г. Альметевск., 1989 г.

37. ОСТ26-02-952-74. Оборудование устья скважин, эксплуатируемых штанговыми глубинными насосами. Сальники устьевые. Конструкции и размеры. Баку. АзИНМАШ.

38. Петров А.И. Глубинные приборы для исследования скважин. Москва "Недра" 1980 г. с. 63-76.

39. Под ред. В. Краузе. Конструирование приборов. В 2-х кн. Пер. с нем. В.Н. Пальянова; Под. ред. О.Ф. Тищенко Кн.1 - М.: Машиностроение, 1987 г., -384 е., ил.

40. Под ред. В. Краузе. Конструирование приборов. В 2-х кн. Пер. с нем. В.Н. Пальянова; Пол ред. О.Ф. Тищенко Кн.2-М.: Машиностроение, 1987 г., -376 е., ил.

41. Позднев А.Д. Розман Я.Б. Электромагнитные муфты и тормоза с массивным якорем., М. JL, Госэнергоиздат, 1963 г., 104 е., с черт.

42. Политехнический словарь. Гл. ред. И.И. Артоболевский. М., "Советская Энциклопедия". 1977 г. 608 с. с ил. (Энциклопедии. Словари. Справочники).

43. Руководство по эксплуатации аппаратуры комплексного технического контроля скважин и скважинного оборудования. КСА-Т7-36-120/40 "КАТЕК".

44. Синицын В.В. Пластические смазки в СССР. М.: Химия, 1984 г.-192 с.

45. Синтез и свойства уретановых эластомеров. Под ред. док. хим. наук Н.П. Апухтиной. Д., "Химия", 1976 г.

46. Сипайлов Г.А., Санников Д.И., Жидан В.А. Тепловые, гидравлические и аэродинамические расчеты в электрических машинах. Учеб. для вузов по спец. "Электромеханика". М.: Высшая школа, 1989 г., - 239 е.: ил.

47. Скважинный расходомерный модуль ГРАНАТ-РМ. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. ВНИИнефтепромгеофизика, г.Уфа, 1996.

48. Современные проблемы буровой и нефтепромысловой механики. Межвузовский тематический сборник научных трудов. УГНТУ. 1996 г., с. 76-82.

49. Справочная книга по добыче нефти. Под ред. д. т. н. Ш.К. Гиматудинова. М., "Недра", 1974 г., 704 с.

50. Статья H.JI. Джигирь «Устьевая герметизирующая головка» в журнале Нефтяное хозяйство. N3, 1977 г.

51. Султанов Б.З. Управление устойчивостью и динамикой бурильной колонны. М., Изд-во "Недра", 1991 г., 208 с.

52. Темный В.П. Основы гидроавтоматики. Изд-во "Наука", Москва, 1972 г., 221 с.

53. Технология обработки конструкционных материалов.: Учебник для машиностроительных спец. вузов. Под ред. Петрухи П.Г. М.: Высш. шк. 1991 г., 512 е.: ил.

54. Федюкин Д.Л., Махлис Ф.А. Технические и технологические свойства резин. Изд-во "Химия", Москва, 1985 г., 236 с.

55. Физический энциклопедический словарь. /Гл. ред. A.M. Прохоров. Ред. кол. Д.М. Алексеев, A.M. Бони-Бруевич, А.С. Боровик-Романов и др./ Сов. энциклопедия, 1983 г., 928 е., ил.

56. Черенков Ю.А. Системы автоматического управления с гидравлическим приводом программоносителей. М.: Машиностроение, 1987 Г.-232 е.: ил.

57. Черный В.Б, Исследование скважинного термокондуктивного дебитомера (СТД) и применение его для решения нефтепромысловых задач.

58. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва. 1969 г., 126 с.

59. Черный В.Б., Федорченко А.С. Отчет по теме XI Г.П.5 104-6/698-84 "Разработка аппаратуры и методики комплексных исследований малодебитных пластов для комплекса "Приток". ВНИИГИС. Октябрьский., 1985 г., 220 с.1. Г П 5

60. Черный В.Б., Федорченко А.С. Отчет по теме XI-j^jy457 "Внедрить комплексную аппаратуру ПСК-1 "приток-состав" для сопровождения и контроля испытания и методику ее применения". ВНИИГИС. Октябрьский., 1988 г., 246 с.1. Г П 5

61. Черный В.Б., Федорченко А.С., Родионов Н.Ф. Отчет по теме XI ' ' 1046/457-86 Изучение возможности разработки беспакерного перекрывающего высокочувствительного расходомера 036 мм для комплекса "приток-состав". ВНИИГИС. Октябрьский., 1986 г., 163 с.

62. Черный В.Б., Попов В.М. Отчет по теме VIII В 71-3/623-81 о научно-исследовательской работе "Усовершенствование методики исследований гидрогеологических скважин комплексом расходомеров". ВНИИГИС. Октябрьский., 1983 г., 188 с.

63. Чугаев Р.Р. Гидравлика. Изд-во "Энергия", Ленинградское отд-е^-Л975 г., 599 с.

64. Электронные вычислительные машины: В 8-ми кн.: Учеб. пособие для вузов /Под ред. А.Я. Савельева Кн. 3. Алгоритмизация и основы программирования/. Г.И. Светозарова. М.: Высш. шк., 1987 г.-128 е.: ил.

65. Ярцева Э.Э. Синтез и свойства уретановых эластомеров. Изд-во "Химия", Ленинградское отд-е, 1976 г., 179 с.

66. API Sped 18. API Specification for sucker rods (pony rods, palished- rods, conplings, and sub-conplings) Official publicftion. American Petroleum Jnstiiute, Washington, D.C. may, 1982, p.36.

67. Боннет Ж. «Магнитный подвесной расходомер», Патент США, № 3, 630, 078, опубликована 28.12.71.

68. Composite catolog of Oil Field Equiment and Service. 1976-77.v.1-4,

69. Николос И. «Расходомер». Патент США, № 4, 003, 187, опубликован 05.07.77.

70. Schlumberger produstion log interpretation Schlumberger Ltd 1970, p. 148.