автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Совершенствование конструкции механизма привода установок скважинных штанговых насосов

На правах рукописи

ХАЛИМОВ ФИРДАВИС ГАРИФОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ МЕХАНИЗМА ПРИВОДА УСТАНОВОК СКВАЖИННЫХ ШТАНГОВЫХ НАСОСОВ

Специальность 05.02.13 - «Машины, агрегаты и процессы» (нефтегазовая отрасль)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 МАЯ 2072

Уфа-2012

005043690

005043690

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» на кафедре «Механика и конструирование машин».

Научный руководитель

Официальные оппоненты

Зубаиров Сибагат Гарифович доктор технических наук

Уразаков Камил Рахматуллович доктор технических наук, профессор, главный технолог по добыче ООО «РН-УфаНИПИнефть»

Вагапов Самат Юнирович кандидат технических наук, ООО НЛП «БУРИНТЕХ», начальник отдела скважинного гидромеханического инструмента

Ведущая организация ООО «СамараНИГШнефть»

Защита состоится 01 июня 2012 г. в 14.30 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.289.05 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г.Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан 27 апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

Ризванов Риф Гарифович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Подавляющее большинство месторождений, находящихся в разработке, вступили в позднюю или завершающую стадию эксплуатации. Продукция таких скважин характеризуется высокой обводненностью, малой смазывающей способностью и содержит большое количество механических примесей, солей и так далее. Новые месторождения имеют, в основном, трудноизвлекаемые нефти, что требует проведения огромного числа геолого-технических мероприятий (ГТМ), в том числе гидроразрывы пластов (ГРП). Используемые для глушения скважин, при проведении ГТМ, растворы зачастую содержат сверхнормативное количество механических примесей. Продукция скважин после проведения ГРП в течение длительного периода содержит большое количество проппантов. Ситуация усугубляется искривленностью стволов скважин, так как не одно десятилетие используется кустовое размещение скважин с наклонно направленными профилями со значительными смещениями, что продиктовано экологическими, технологическими и экономическими требованиями.

Перечисленные факторы приводят к росту сил и моментов трения штанг о насосно-компрессорные трубы (НКТ), образованию свищей и желобов в НКТ, к обрывам и отворотам штанг и НКТ, то есть к наиболее тяжелым видам аварий установок скважинных штанговых насосов (УСШН). Кинематическое несовершенство станков-качалок и недозаполнение жидкостью цилиндра насоса из-за наличия газа вызывают инерционные и ударные нагрузки, влияют на напряженное состояние и работоспособность штанг. Поэтому совершенствование оборудования УСШН, которыми оснащены до 40% фонда действующих скважин России, а на некоторых месторождениях до 70-80%, для повышения их работоспособности и ресурса, является актуальным.

Цель работы

Повышение работоспособности установок скважинных штанговых насосов за счет снижения напряженного состояния звеньев механизма привода на основе его совершенствования. '

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие основные задачи:

1 Анализ работы штанговых колонн в искривленных и наклонно направленных скважинах.

2 Разработка штангового поверхностного моментомера.

3 Разработка оперативного малозатратного экспериментально-аналитического метода оценки величины крутящего момента, действующего на верхнем конце полированного штока.

4 Разработка технических средств для повышении работоспособности установок скважинных штанговых насосов.

Методы решения поставленных задач

1 Анализ публикаций, патентов и промысловых данных по аварийности УСШН и по техническим средствам для их снижения.

2 Аналитические, экспериментальные и экспериментально-аналитические исследования крутящих моментов, действующих в колонне.

3 Конструкторская проработка предложенных технических решений и опытно-промышленная проверка реализованности заложенных в них идей.

Научная новизна

1 Разработан экспериментально-аналитический метод определения воспринимаемого полированным штоком результирующего крутящего момента от колонны штанг.

2 Аналитически обосновано и экспериментально доказано, что для повышения работоспособности насосных штанг за счет снижения

4

напряженного состояния необходимо конструировать колонну штанг из автономных во вращательном движении интервалов.

3 Установлено, что для минимизации напряжений кручения в штангах необходимо в пространственных шарнирах с трением скольжения во вращательной кинематической паре обеспечить предельно близкое к единице отношение диаметра опорной поверхности сферической головки укороченной штанги к конструктивному диаметру её стержневой части.

Практическая ценность

Разработана конструкция автономного моментомера, устанавливаемого на канатной подвеске, позволяющего замерять крутящий момент на полированном штоке УСШН. Апробация на действующих установках подтвердила работоспособность и безотказность моментомера.

Разработан и испытан на действующих скважинах комплекс технических- средств, минимизирующих напряжения кручения в штангах и момент, действующий на их развинчивание в процессе эксплуатации:

- штанговая колонна, содержащая в своем составе универсальные штанговые шарниры для УСШН со вставными и невставными насосами, защищенная патентом РФ на изобретение №2310733; эксплуатация опытной партии в течение 2007-2011 годов на скважинах с высокоаварийными колоннами позволила увеличить межремонтный период более чем в 2,3 раза и получить экономический эффект в размере 5 860 тыс.рублей;

- канатная подвеска со встроенным подшипниковым узлом, обеспечившая практически трехкратное увеличение межремонтного периода колонны штанг на высокоаварийных скважинах;

- групповой привод штанговых насосов (патент РФ №2347946 на изобретение) с использованием пары «длинный цилиндр - короткий шток» в качестве устьевого сальника, обеспечившей минимальный момент сопротивления повороту колонны штанг и высокое качество герметизации;

- установка скважинного штангового вставного насоса (полезная модель №24862), позволяющая исключить операцию «глушения» скважин при проведении ремонтных работ и повышенные нагрузки на звенья механизма привода в период выхода скважины на установившийся режим работы.

Иа защиту выносятся результаты аналитических и экспериментальных исследований напряженного состояния штанг, новые технические решения по оперативному контролю работы штанговых колонн и по увеличению межремонтного периода УСШН.

Апробация работы

Основное содержание диссертации докладывалось и обсуждалось на научно-практической конференции, посвященной 70-летию башкирской нефти (г.Уфа, 2002г.), научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» (г.Уфа, 2008г.), научно-технических советах НГДУ «Нижнесортымскнефть» (2002-20Юг.г.), семинарах кафедры «Горная и прикладная механика» (переименованной после реорганизации в кафедру «Механика и конструирование машин») УГНТУ в 2002-2011 годах.

Публикации

Основное содержание опубликовано в 8 печатных трудах, в том числе в 5 статьях, 3 из которых в рецензируемых научных изданиях, 2 патентах на изобретения и одном свидетельстве на полезную модель.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованной литературы из 112 наименований, 5 приложений и изложена на 123 листах машинописного текста, включая 25 рисунков и 10 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и основные задачи исследований, научная новизна и практическая ценность, перечислены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена анализу работоспособности внутрискважинного оборудования установок скважинных штанговых насосов в осложненных условиях эксплуатации.

Научные основы эксплуатации скважин УСШН с балансирными станками-качалками разработали А.Н.Адонин, К.С.Аливердизаде, А.Г.Бабуков, И.Г.Белов, А.С.Вирновский, В.П. Грабович, А.Н.Кенгерли, Б.Б. Круман, Л.С.Лейбензон, А.М Пирвердян, А.М.Рабинович, И.Г.Узумов, И.А.Чарный, С.1.СоЬег1у, Б.С.СПЬз, Е.Кет1ег, В.Р.Ьап£ег, К.М.МШэ и др.

В дальнейшем, в связи с необходимостью повышения работоспособности и эффективности работы при всё более усложняющихся условиях эксплуатации, исследовательские и конструкторские работы были направлены на совершенствование типовых и создание новых приводов с улучшенными кинематическими, прочностными и эксплуатационными характеристиками. Наибольший вклад в эти исследования внесли Ю.Г.Вагапов, С.Ю. Вагапов, М.Д.Валеев, В.М.Валовский, К.В.Валовский, С.Г.Зубаиров, В.Н.Ивановский, А.А.Ишмурзин, Али Мамед оглы Наджафов, К.Р.Уразаков, Р.А.Храмов и др.

Наиболее слабым элементом механизма привода скважинного штангового насоса, включающего двигатель, редуктор, преобразователь вращательного движения в поступательное, канатную подвеску, устьевое уплотнение и колонну штанг, является колонна штанг, испытывающая большие статические и динамические нагрузки. Из промысловой практики известно, что наработка на отказ за последние десятилетия выросла в 2-3 раза, что является результатом активного научного поиска, конструктивного совершенствования, оптимизации технологического режима эксплуатации,

изготовления, монтажа, хранения и транспортировки. Тем не менее, аварии со штангами в виде обрывов и отворотов нередки и существенно влияют на себестоимость нефти. Сравнительный анализ данных по отказам в виде обрывов и отворотов штанг в 2009 и 2010 годах в НГДУ «Нижнесортымскнефть», представленных в таблице 1, а также данных по отказам в ТПП «Когалымнефтегаз» позволили сделать вывод о непостоянстве соотношения между обрывами-отворотами штанг и разрушением муфт не только на разных месторождениях, но даже на одном и том же, но в различные годы.

Таблица 1 - Распределение обрывов по элементам колонн штанг

Место обрыва за 12 месяцев 2009 г. за 12 месяцев 2010 г.

Количество обрывов, шт Средняя наработка, суг. Количество обрывов, пгг Средняя наработка, сут.

По телу штанги 134 342 54 434

По муфте 47 412 101 440

По резьбе штанги 1 211 0

По резьбе полированного штока 4 385 2 392

Итого: 186 352 157 427

Распределение обрывов штанг по типоразмерам штанговых насосов представлено на рисунке 1.

Рисунок 1

- Обрывность штанг по типоразмерам насосов

8

НВ-28 НВ-32 НВ-38 НВ-44 НН-57

Рисунок 2 - Относительная обрывность штанг по типоразмерам насосов

Относительная обрывность штанг по типоразмерам насосов, находящихся в эксплуатации, представлена на рисунке 2. В эксплуатации в это время находилось следующее количество насосов: НВ-28 - 98 шт., НВ-32 - 232 шт., НВ-38 - 426 шт., НВ-44 - 314 шт., НН-57 - 72 шт.

Из анализа следует, что организационно-технические мероприятия по повышению ресурса штанговых колонн должны реализовываться в первую очередь на УСШН с насосами НВ-44.

Для выявления возможной локализации обрывности штанг на определенной глубине скважин, колонны штанг были разбиты на десять интервалов длины с отсчетом от устья. Выполненный в соответствии с этим разбиением анализ массива промысловых данных по обрывности штанг в 2010 году с дифференциацией по типоразмерам насосов представлен в таблице 2.

Типовой профиль пробуренных наклонно направленных скважин в Западной Сибири состоит, как правило, из четырех характерных участков: вертикального 20-200 м; интенсивного набора кривизны до 500 м; стабилизации зенитного угла до 1500 м; снижения интенсивности кривизны, начиная, примерно, от 1500 м с последующим приближением к вертикали.

Таблица 2 - Распределение обрывности ыгганг по длине колонн.

Типоразмер насосов 10% интервалы скважин по глубине

I (10%) П (20%) ш (30%) IV (40%) V (50%) VI (60%) VII (70%) УШ (80%) IX (90%) X (100%)

НВ-28 1/25% 0 2/50% 1/25% 0 0 0 0 0 _ 0

НВ-32 12/41,5% 5/17,3% 2/6,9% 4/13,8% 2/6,9% 1/3,4% 0 1/3,4% 2/6,9% 0

НВ-38 18/37% 6/12,5% 4/8% 6/12,5% 0 4/8% 1/2% 2/4% 3/6% 5/10%

НВ-44 27/41% 10/15% 4/6% 10/15% 4/6% 3/5% 2/3% 1/1,5% 5/7,5% 2/3%

НН-57 3/33% 0 1/11% 1/11% 2/22% 0 2/22% 0 0 0

Примечание - В числителе указано количество «обрывов», в знаменателе процент от общего числа обрывов для данного типоразмера насоса.

Так как глубина подвески насоса не превышает 1 300 - 1 600 м, то можно констатировать, что наибольшее число отказов во всех скважинах, независимо от типоразмера насосов, приходится на участок интенсивного набора кривизны. Ввиду того, что колонны штанг выполнены с обеспечением их равнопрочности по всей длине по приведенным нормальным напряжениям, наблюдаемые нередко отвороты и обрывы штанг являются, видимо, следствием действия изгибающих и крутящих моментов.

Во второй главе анализируются известные теоретические исследования и экспертные объяснения причин отворотов штанг и предлагается достаточно просто реализуемый экспериментально-аналитический метод определения величины крутящего момента, доходящего до канатной подвески.

Возникновение и величину отвинчивающих моментов объясняют и рассчитывают либо исходя из пространственной кривизны ствола скважины, либо из-за предполагаемого большого усилия сжатия низа колонны штанг и, соответственно, спиральной упругой деформации, либо за счет «эффекта Лубинского». Строить скважины с идеально плоскими профилями в ближайшем будущем весьма проблематично, а уже построенные, нередко имеющие пространственную кривизну, будут эксплуатироваться не одно

ю

десятилетие. Исключить сжимающую силу в нижней части колонны штанг не представляется возможным из-за трения в паре «плунжер-цилиндр», гидравлических сопротивлений в нагнетательных клапанах, ухудшения смазывающей способности добываемых флюидов по причине высокой обводненности. Поэтому в диссертации делается вывод о необходимости адаптировать конструкцию УСШН к факту действия изгибающего и крутящего моментов с целью минимизации их вредного влияния, что может быть достигнуто конструированием колонны штанг из автономных во вращательном движении интервалов применением шарнирных муфт.

Условие проворачиваемости в шарнирной муфте будет обеспечено, если момент трения Тш в ней будет меньше момента трения Тм муфты о НКТ: ТШ<ТМ. На основе аналитических исследований распределения продольных и нормальных сил в колонне штанг трехинтервальной скважины получены зависимости для расчета моментов трения муфт (штанг) о НКТ в любых точках. Показано, что крутящий момент от места его возникновения передается по колонне штанг на полированный шток с уменьшением за счет моментов трения штанг и муфт о НКТ, а также за счет трения в устьевом сальнике. Полученные аналитические зависимости позволяют решить обратную задачу: найти характер распределения крутящего момента по длине колонны штанг и зону возникновения момента по инклинометрии скважины, моменту трения в устьевом сальнике и крутящему моменту на полированном штоке, но если он не равен нулю.

Для определения величины крутящего момента на верхнем конце полированного штока в представленной работе разработан экспериментально-аналитический метод, основанный на использовании динамограммы усилий на полированном штоке и замере угла поворота канатной подвески. Расчетная схема показана на рисунке 3.

о

т,

М

Рисунок 3 - Расчетная схема к определению крутящего момента в устьевом штоке

После приложения активного крутящего момента от колонны штанг канатная подвеска поворачивается из исходного положения БВ на какой-то угол (р и занимает положение МА. При этом канат правого плеча из положения СВ переместится в положение СА, а усилие в нем изменится (увеличится) от до .

Из параллелепипеда сил следует, что сила стремящаяся вернуть канатную подвеску в исходное положение, определяется по формуле

где -^с = у - сила натяжения одного каната подвески; Р - осевое усилие на

полированном штоке.

Окружная сила ^, создающая реактивный момент, равна

Из геометрии системы «головка балансира - канатная подвеска», с учетом допущения, что точка С отрыва каната от головки балансира не сместилась, следует, что

„ _ о г-

^ = ^ ■ сое = --—

(2)

где X = СВ — мгновенная длина каната (от точки С до траверсы подвески). Так как а /3 = ^ ,то

ИВ

где г = —--плечо траверсы.

Следовательно, реактивный крутящий момент равен:

= (5)

Так как по мере увеличения угла <р вплоть до 90°, то есть до

«схлопывания» канатной подвески, произведение <р- соб— и, соответственно,

реактивный момент Тр - при фиксированных значениях Р, г, Л - растут, то можно сделать вывод, что чем на больший угол поворачивается траверса, тем больший момент действует в колонне штанг. Решаем (5) относительно <р:

<Р = Тр'1 (6)

Рт'.сов* Р'г 2

В зависимости (6) принято, что Из (6) видно, что угол

поворота при фиксированных X и Г пропорционален крутящему моменту в колонне штанг и обратно пропорционален усилию Р на полированном штоке.

В третьей главе описывается конструкция автономного штангового моментомера, устанавливаемого на канатной подвеске. Принципиальная схема смонтированного на канатной подвеске моментомера представлена на рисунке 4. В серийной канатной подвеске, подвешенной на канате 3, опорная втулка 2 полированного штока 1' установлена на подшипник качения и снабжена рычагом 4, взаимодействующим с датчиками моментомера 6, установленными на держателях 5, жестко связанных с верхней траверсой 7. Рычаг и держатель датчиков моментомера выполнены съемными.

3 2 13

Рисунок 5 - Натурный образец штангового моментомера

С помощью опытного образца моментомера (рисунок 5) были произведены замеры результирующих крутящих моментов на полированных штоках УСШН скважин № 488, 461, 494, 378, 379 НГДУ «Нижнесортымскнефть».

Типичная моментограмма представлена на рисунке 6. Из нее явствует непостоянство крутящего момента в течение цикла, что вызвано в первую очередь непостоянством сил и, соответственно, моментов трения. Эксперименты показали работоспособность штангового моментомера, а применение поверенных динамометров, используемых в качестве датчиков -регистраторов, гарантирует точность. Проведенное сравнение результатов замеров и экспериментально-аналитического определения моментов показало хорошую сходимость. Погрешность получилась в пределах 11-20%.

Перемещение, м

Рисунок 6 — Типовая моментограмма

В четвертой главе рассматриваются технические разработки, позволяющие минимизировать крутящие моменты, действующие на штанги и их резьбовые соединения: пространственные шарниры, канатная подвеска, вставной штанговый насос, устьевое уплотнение.

Рисунок 7 - Расчетная схема шарнира

Рисунок 8 - Конструктивная схема шарнира

Для нахождения конструктивных возможностей уменьшения момента трения в шарнире составлена расчетная схема (рисунок 7), в соответствии с которой элементарная нормальная сила равна

п-Я, (7)

где <?„ - удельная нормальная сила, Н/м;

(И - элементарная длина контактной линии, м. В результате интегрирования проекции силы <1Рп на ось X, вдоль которой действует растягивающая сила , получено, что

2т cos а

где f - радиус опорной окружности.

Тогда момент трения в шарнире вычисляется по формуле

/

(8)

Mf=F„-r.

cos а

Из геометрии сопряжения следует, что

cosa = ,|1-| — 16

(9)

Очевидно, что для минимизации М} необходимо, чтобы выражение (10) стремилось к единице, что может быть достигнуто уменьшением г и увеличением Я, но в пределах, допускаемых требованиями к прочности. Условие минимизации момента трения в шарнире ' > гш, Л —>со, где гш -минимальный допустимый радиус стержневой части короткой штанги.

На рисунке 8 представлена конструкция штанговой колонны (патент №2310733). Штанговая колонна состоит из насосных штанг 1, глухих штанговых муфт (не изображены), шарнирных муфт, включающих стакан 2 с внутренней расточкой 3 и присоединительной резьбой 4, опорную втулку 5 с конической расточкой 6, жестко связанную со стаканом 2, короткую штангу 7 со сферической головкой 8, размещенной в расточке 3 стакана 2 и кинематически связанной с конической расточкой б втулки 5 и снабженной запасом осевого хода Б. Короткая штанга 7 и опорная втулка 5 снабжены сопрягаемыми профилями 10 и 11, разнесенными относительно друг друга на расстояние Н - Б.

При ходе колонны штанг вверх растягивающие усилия передаются от штанги к штанге через глухие и шарнирные муфты, причем штанги, находящиеся в зонах искривления скважин, самоустанавливаются по касательной к искривленному участку, а крутящие моменты, при наличии, благодаря шарнирным муфтам действуют только на отдельных интервалах. При ходе вниз растянутая часть колонны работает идентично, как при ходе вверх, а в сжатой части колонны профили 10 и 11 благодаря конструктивному зазору 9 сопрягаются под углом, равным углу между осями полуштанги и стакана, чем практически исключаются напряжения изгиба в головках штанг. Для залавливания всасывающего клапана колонна штанг полностью разгружается на него, в результате профили 10 и 11 шарнирных муфт сопрягаются по всей длине колонны штанг, что позволяет повернуть колонну штанг как одно целое. При этом всасывающий клапан фиксируется в

байонетном устройстве плунжера и после этого извлекается из скважины вместе с колонной штанг.

Штанговые колонны по этому патенту, изготовленные с соблюдением конструктивных мер по минимизации момента трения, изложенных выше, были внедрены в 2007 году на 9 скважинах НГДУ «Нижнесортымскнефть», в которых в предшествующие годы (с 2004 по 2006) наблюдались частые отвороты и обрывы штанг. В результате эксплуатации установлено, что штанговые колонны функциональны и эффективны в скважинах, оснащенных как вставными, так и невставными насосами. Эксплуатация штанговых колонн с шарнирными муфтами с 2007 года по настоящее время, на девяти скважинах показала уменьшение аварийности в 2,3 раза, что позволило за счет сокращения расходов только на ремонтные работы получить за этот период экономический эффект в размере 5 860 тыс.рублей.

Пространственные шарниры позволяют практически исключить и поломку штанг, вызываемую изгибной усталостью, если оснастить ими всю колонну штанг. Колонны штанг в указанном НГДУ оснащались, ввиду дефицита, всего лишь 3-5 шарнирами, поэтому исключить напряжения изгиба в штангах не удалось, следовательно, основная причина уменьшения аварийности - снижение напряженно-деформированного состояния штанг за счет уменьшения напряжений кручения.

Перед подъемом насоса для замены или ремонта по регламенту проводится операция «глушения». Глушение скважины осуществляется соляным раствором, что приводит к ухудшению условий работы подземного оборудования, в том числе и штанг. Это и за счет увеличения гидравлической составляющей нагрузки на штанги, и интенсификации коррозионно-механического износа, и увеличения сил трения между насосными штангами и НКТ из-за ухудшения смазывающей способности флюидов. В диссертации приведена конструкция установки скважинного штангового вставного насоса (свидетельство на полезную модель №24862), позволяющая исключить операцию «глушения». Она отличается от известных тем, что фильтр

18

вставного насоса снабжен подвижной в осевом направлении и глухой с торца крышкой с пружинными элементами, расположенными радиально, с отверстиями на боковой поверхности, совпадающими в крайнем верхнем положении с отверстиями в фильтре.

При необходимости извлечения насоса его на штангах приподнимают над седлом замковой опоры, не разгерметизируя устье. Затем в полости НКТ увеличивают давление. Скачок давления свидетельствует, что крышка сместилась вниз, при этом её отверстия, соответственно, сместились относительно отверстий фильтра, и полость НКТ изолировалась от затрубного пространства. После этого можно разгерметизировать устье и извлечь насос.

Отремонтированный или новый насос опускают в скважину вплоть до фиксации в замковой опоре, герметизируют устье скважины и увеличивают давление в затрубном пространстве. Резкое снижение давления свидетельствует о том, что полость НКТ сообщилась с затрубным пространством. Применение указанной установки позволило сократить длительность и стоимость ремонтных работ, повысить экологическую безопасность и исключить перегрузки и интенсивный коррозионно-механический износ колонны штанг.

Одним из узлов, в котором возникает реактивный крутящий момент, является канатная подвеска. Крутящий момент Ткр от опорной втулки полированного штока передается верхней траверсе за счет момента трения Т/ между ними. Установлено, что он может достигать 100 Н-м и более. Исходя из того, что действующий момент не может быть больше момента сопротивления, то очевиден практический подход к решению проблемы: надо уменьшить момент трения Т/. С этой целью разработана конструкция канатной подвески, отличающаяся от серийных тем, что между опорной втулкой полированного штока и верхней траверсой размещен подшипниковый узел с практически нулевым моментом трения. Внедрение авторской конструкции в 2007 году на восьми действующих скважинах

19

НГДУ «Нижнесортымскнефть», имевших повышенную аварийность в виде отворотов штанг, показало высокую эффективность: число аварий в среднем по всем восьми скважинам уменьшилось в 3 раза. Но канатная подвеска эффективна даже в случае действия крутящего момента на «завинчивание», так как она позволяет снизить напряжения кручения.

Для повышения работоспособности установок для добычи нефти скважинными штанговыми насосами разработана усовершенствованная конструкция безбалансирного 1руппового привода (патент №2347846), существенными признаками новизны которого являются наличие амортизатора динамических нагрузок, выполненного в виде двуплечего рьгчага, шарнирно установленного на кривошипе редуктора, к концам которого присоединены колонны штанг двух соседних скважин, и устьевого герметизатора. Необходимость в усовершенствованном устьевом герметизаторе является острейшей и для серийных УСШН со станками-качалками, так как известные конструктивные решения не удовлетворяют по долговечности и качеству герметизации. Одной из причин некачественной герметизации ими устья скважин является часто наблюдаемая несоосность скважины с вертикальной касательной к головке балансира, приводящая к изгибу полированного штока и одностороннему износу набивки. Большая сила трения полированного штока о набивку в сочетании с наклонными профилями и высоковязкой откачиваемой жидкостью способствует «зависанию» колонны штанг. Если колонна штанг находится под действием крутящего момента, то момент трения в сальниковом уплотнении и момент, необходимый для преодоления сопротивления канатной подвески повороту определяют, в совокупности, величину крутящего момента, воздействующего на верхний интервал колонны штанг и полированный шток.

Особенностью разработанного устьевого уплотнения является достижение эффекта герметизации использованием пары «длинный цилиндр-короткий шток», причем в заглубленном варианте, что позволяет

20

существенно уменьшить габариты как групповых, так и индивидуальных приводов.

Установка скважинного штангового насоса, оснащенная разработанным устьевым уплотнением, представлена на рисунке 9.

Рисунок 9 - Станок-качалка с заглубленным устьевым уплотнением

Она состоит из собственно станка-качалки с головкой балансира I, канатной подвески 2, короткого штока 3, длинного цилиндра 4, насосно-компрессорных труб 5, плунжера 6 и цилиндра 7 штангового скважинного насоса, колонны штанг 8 и звена 9, соединяющего канатную подвеску 2 с коротким штоком 3 сальникового уплотнения.

В конструкции по указанному патенту обеспечен значительный зазор между коротким штоком и цилиндром, а уплотнение достигнуто размещением на штоке расположенных близко уплотнительных колец. Такое исполнение обеспечило практически нулевое сопротивление осевому и

вращательному движению штока относительно цилиндра, что подтверждено стендовыми исследованиями, и позволяет штоку автоматически настраиваться по касательной к головке балансира.

Реализация описанного устьевого уплотнения на четырех действующих скважинах НГДУ «Нижнесортымскнефть» подтвердила надежность и высокое качество герметизации.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1 На основе анализа промысловых материалов установлено, что для УСШН, эксплуатируемых на месторождениях ОАО «Сургутнефтегаз», в частности НГДУ «Нижнесортымскнефть», основная локализация обрывов и отворотов штанг приходится на первые четыре десятипроцентные зоны от устья.

2 Разработан автономный штанговый моментомер, устанавливаемый в канатной подвеске, позволяющий определять результирующий крутящий момент на устьевом штоке.

3 Разработан экспериментально-аналитический метод определения крутящего момента на канатной подвеске, устанавливающий его взаимосвязь с углом поворота подвески, осевой силой на устьевом штоке и «мгновенной длиной канатов». Сравнение значений моментов, полученных с использованием экспериментально-аналитического метода и замеренными с помощью штангового моментомера, показало хорошую сходимость. Расхождение составило 11-20%.

4 Разработаны универсальный пространственный шарнир (патент РФ №2310733) для штанговых колонн вставных и трубных скважинных насосов и канатная подвеска со встроенным подшипниковым узлом, эксплуатация которых на скважинах с высокоаварийными штанговыми колоннами позволила увеличить межремонтный период штанговых колонн в 2,33 и 3 раза, соответственно.

5 Разработан вставной скважинный штанговый насос (свидетельство РФ на полезную модель №24862), позволивший исключить операцию «глушения» скважин солевыми растворами при замене насоса другим но с замковой опорой того же размера, уменьшить коррозионно-механический износ скважинного оборудования и нагрузку на штанги в период замещения солевого раствора пластовым флюидом.

6 Разработано устьевое уплотнение в виде «короткий шток - длинный цилиндр», являющееся одним из существенных признаков изобретения, защищенного патентом РФ №2347946, позволившее не только уменьшить напряженное состояние штанговых колонн и повысить их работоспособность, но и повысить экологическую безопасность эксплуатации УСШН.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1 Зубанров, С.Г. Экспериментально-аналитический метод определения крутящего момента в колонне насосных штанг / С.Г.Зубаиров, Ф.Г. Халимов, И.А. Салихов // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов: Научно-технический журнал. Выпуск 4(82). -Уфа, - 2010. -С.54-57.

2 Зубанров, С.Г. Расчет колонны штанг и насосно-компрессорных труб с учетом геометрии трущихся элементов и профиля скважины / С.Г.Зубаиров, А.С Гильмутдинов, Ф.Г. Халимов, И.А. Салихов // Промышленная и технологическая безопасность: проблемы и перспективы. Сборник научных трудов. - Уфа, - 2002. - С.139-150.

3 Халимов, Ф.Г. Устьевой герметизатор / Ф.Г.Халимов, С.Г. Зубаиров, И.А. Салихов, Д.Р. Вахитов // Материалы VII учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный танспорт-2011» - Уфа. -2011.-С216-218.

4 Халимов, Ф.Г. Исследование результирующего крутящего момента / Ф.Г.Халимов, С.Г. Зубаиров, A.A. Курамшин, И.А. Салихов II Проблемы

сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов: Научно-технический журнал. Выпуск 4(86). - Уфа' - 2011. - С. 5 - 10.

5 Халимов, Ф.Г. Анализ причин и профилактика отворотов насосных штанг и труб / Ф.Г.Халимов, С.Г. Зубаиров, И.А.Салихов, А.А.Курамшин // Электронный научный журнал "Нефтегазовое дело". - 2011. - №.6. - С. 457-462. URL: http://www.ogbus.ru/authors/Khalimov/Khalimov 1 .pdf.

6 Патент № 2347946 РФ F04B 47/02 Групповой привод штанговых насосов. / С.Г. Зубаиров, Д.Р. Исангулов, И.А.Салихов, Ф.Г. Халимов -№2007126209/06, заявлено 09.07.2007; Опуликовано 27.02.2009 // Бюл. 2010. №6.

7 Свидетельство на полезную модель №24862. Установка скважинного штангового вставного насоса / Ф.Г.Халимов, А.А.Гареев, З.М. Хусаинов Заявлено 18.07.2001. Опубликовано 27.08.2002. //Бюл.№24.

8 Патент № 2310733 РФ Е21В 17/05 Штанговая колонна / С.Г.Зубаиров, М.А.Токарев, И.А. Сэлихов, Ф.Г. Халимов, Д.Р. Исангулов -

№ 2006100195/03, заявлено 10.01.2006; опубликовано 20.11.2007 // Бюл. 2007. №32.

Подписано в печать 24.04.2012. Бумага офсетная. Формат 60x84 'Лб-Гарнитура «Тайме». Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1. Тираж 90. Заказ 51.

Типография Уфимского государственного нефтяного технического университета

Адрес издательства и типографии: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1