автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему: Совершенствование конструкции станков-качалок для эффективной эксплуатации малодебитных скважин

Автореферат диссертации по теме "Совершенствование конструкции станков-качалок для эффективной эксплуатации малодебитных скважин"

На правах рукописи

Ахтямов Марат Мирзаевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ СТАНКОВ-КАЧАЛОК ДЛЯ ЭФФЕКТИВНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ МАЛОДЕБИТНЫХ СКВАЖИН

05.0,2.13— «Машины, агрегаты и процессы» (Нефтегазовая отрасль); 25.00.17- «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений»

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Обществе с ограниченной ответственностью «Нефтегазодобывающее управление Туймазанефть» (ООО «НГДУ Туймазанефть»)

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Уразаков Камил Рахматуллович.

Научный консультант кандидат технических наук

Габдрахманов Нурфаяз Хабибрахманович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Габдрахимов Мавлитзян Сагитьянович; кандидат технических наук, старший научный сотрудник Валишин Юнир Гаянович.

Ведущая организация Татарский научно-исследовательский и

проектный институт нефти (ТатНИПИнефть).

Защита диссертации состоится « 2003 года в

на заседании диссертационного совета 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

диссертационного совета Ибрагимов И.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Известно, что проблема стабилизации темпов падения добычи нефти на месторождениях поздней стадии разработки во многом определяется совершенствованием эксплуатации малодебитных скважин, оборудованных установками штанговых скважинных насосов (УСШН). В качестве привода скважинных насосов наибольшее распространение получили станки-качалки (СК) Наряду с широко известными преимуществами подобных приводов, они обладают и определенными недостатками. Так, например, широкое применение клиноременных передач приводит к изменению закона движения точки подвеса штанг (ТПШ) вследствие неизбежного проскальзывания ремней. Очевидно, что при этом коэффициент подачи насосной установки существенно уменьшается, что приводит к снижению рентабельности эксплуатации малодебитных скважин.

Наряду с распространенными аксиальными кинематическими схемами СК, находят применение и дезаксиальные кинематические схемы, позволяющие несколько уменьшить нагружение штанговой колонны при ходе вверх за счет увеличения времени хода ТПШ вверх. Однако такая асимметрия ходов приводит к ряду неблагоприятных явлений, таких как увеличение абсолютного значения утечек в насосе, рост сил сопротивления движению плунжера при ходе вниз, приводящий к потере устойчивости штанг в нижней части и, как следствие, к снижению коэффициента подачи насосной установки.

Из вышесказанного следует, что решение задачи совершенствования кинематической схемы станка-качалки и ее клиноременной передачи позволит во многом повысить коэффициент подачи насосной установки, а

значит, и повысить эффективность эксплуат

Цель работы - повышение эффективности эксплуатации малодебитных скважин обоснованием использования СК с дезаксиальной кинематической схемой увеличенной средней скоростью движения ТПШ вверх, позволяющей увеличить коэффициент подачи насосной установки и разработкой механического регистратора числа качаний балансира как основой нового метода составления графика ТО и ПР.

Основные задачи исследований

1.Анализ опыта работы станков-качалок в малодебитных скважинах ООО «НГДУ • Туймазанефть».

2.Разработка конструкции механического регистратора числа качаний балансира СК и промысловые исследования влияния технологических факторов на фактическое число качаний балансира СК и коэффициент подачи насосной установки

3.Разработка и внедрение устройства автоматического натяжения ремней клиноременной передачи СК.

4.Промышленное внедрение разработанных устройств в условиях ООО «НГДУ Туймазанефть» и анализ их влияния на коэффициент подачи штанговых насосных установок.

Методы решения поставленных задач

Поставленные в диссертационной работе задачи решались путем проведения теоретических, лабораторных и промысловых исследований.

1 .Промысловыми исследованиями установлена степень влияния технологических факторов на фактическое число качаний балансира и коэффициент 11Щ4И насосной установки. Показаро, что фактическое число качаний балансир^'СК', отличается от расчетной до 13%, потери числа

качаний балансира увеличивается при уменьшении количества ремней до 4 и менее, независимо от количества ремней существует определенная величина прогиба ремней 25+28 мм, увеличение которого приводит к резкому возрастанию потерь числа качаний балансира СК и уменьшению коэффициента подачи УСПШ.

2 Обоснована оптимальная область использования СК с дезаксиальной кинематической схемой, с увеличенной средней скоростью движения ТГПП вверх При этих условиях при вращении кривошипа СК по часовой стрелке максимальная нагрузка в ТПШ уменьшается в сравнении с вращением против часовой стрелки на 3,0+3,5%, подача установки увеличивается на 2мг/сутки, удельный расход активной энергии на тонну добываемой жидкости уменьшается на 15,7%.

3.Предложен новый метод определения оптимального срока проведения технического обслуживания и планового ремонта СК, основанный на измерении суммарного числа качаний балансира.

Основные защищаемые положения

1 .Зависимости влияния числа ремней и степени их натяжения на фактическое число качаний балансира СК и коэффициент подачи насосной установки.

2.Метод составления графика проведения планово-предупредительного ремонта станка-качалки, основанный на регистрации его фактической наработки путем замеров суммарного числа качаний головки балансира.

3.Метод обеспечения постоянного числа качаний путем автоматического натяжения ремней клиноременной передачи.

Практическая ценность и реализация работы в промышленности

1 .Разработана и внедрена конструкция механического регистратора суммарного числа качаний балансира станка-качалки.

2.Разработано и внедрено устройство для автоматического регулирования степени натяжения ремней клиноременной передачи, позволяющее повысить коэффициент подачи штанговой насосной установки.

3.Предложены принципиальные основы способа составления графика проведения планово-предупредительного ремонта СК, заключающиеся в измерении суммарного числа качаний.

. .Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-практической конференции «Проблемы освоения нефтяных месторождений Башкортостана» (г. Уфа, БашНИПИнефть), на заседаниях методсовета БашНИПИнефти и технических советах ООО «НГДУ Туймазанефть».

По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе получен 1 патент на изобретение.

Объем и структура работ

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, основных выводов, списка использованной литературы из 96 наименований. Работа содержит 109 страниц, 34 рисунка, 6 таблиц.

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задача исследования, дана общая характеристика работы.

В первой главе приведены результаты анализа опыта эксплуатации малодебитных скважин в ООО «НГДУ Туймазанефть» установками

штанговых насосов. Установлено, что в промысловой практике фактическая подача штанговой насосной установки зачастую намного меньше по сравнению с задаваемой технологической службой предприятия, что приводит к недозагрузке установки и, тем самым, к снижению эффективности эксплуатации малодебитных скважин. Показано, что одной из причин снижения подачи насосной установки является уменьшение фактического числа качаний балансира СК за счет проскальзывания ремней клиноременной передачи.

Проведен обзор существующих конструкций СК. Показано, что наиболее распространенными типами СК в ООО «НГДУ Туймазанефть» являются станки нормального ряда с аксиальной кинематической схемой типа СКН-5-1812, СКН-10-3315, а также СК-8 и 7СК-8. Вместе с тем, определенное распространение получили приводы, выполненные вне стандартов ГОСТ 5866-51, 5866-56, 5866-76, в частности, дезаксиальные приводы по ОСТ 26-16-08-87. Показаны достоинства и недостатки аксиальных и дезаксиальных кинематических схем кривошипно-шатунного механизма СК, степень влияния их характера на величину коэффициента подачи. На основе проведенного анализа сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе аналитически и экспериментально обоснована возможная область применения станков-качалок с дезаксиальной кинематической схемой, в которой средняя скорость движения ТПШ вверх превышает среднюю скорость движения вниз.

Современные станки-качалки с дезаксиальной кинематической схемой обеспечивают уменьшение средней скорости точки подвеса штанг вверх, что позволяет уменьшить нагружение штанговой колонны динамическими нагрузками. Однако К.С. Аливердизаде было показано, что наряду с очевидными преимуществами подобные СК обладают и недостатками. Так, увеличение времени хода вверх приводит к увеличению количества

жидкости, , перетекаемой из области нагнетания под плунжер за счет неизбежных утечек в паре «плунжер-цилиндр». Вместе с тем, соответственное уменьшение времени хода вниз увеличивает среднюю скорость движения плунжера при ходе вниз, что приводит к появлению сжатого участка в нижней части штанговой колонны, особенно при работе с насосами большого диаметра. Это также может привести и к отставанию штанговой колонны от головки балансира на подходе к крайнему нижнем>' положению ТГТШ и, как следствие, к ударному приложению нагрузки.

Очевидно, существуют скважинные условия и режимы эксплуатации, при которых увеличение времени хода ТПШ вверх приводит к ситуации, когда отрицательные стороны СК с подобной кинематической схемой начинают преобладать над положительным эффектом. Следовательно, для таких случаев может оказаться более предпочтительным применение СК, у которых время хода вверх будет меньше времени хода вниз.

Этого можно достичь либо применением СК с положительным дезаксиалом при направлении вращения кривошипа по часовой стрелке (устье слева), либо применением СК с отрицательным дезаксиалом, но с изменением направления вращения кривошипа на обратное. С целью количественной оценки влияния характера схем на коэффициент подачи насосной установки были проведены расчеты кинематических характеристик станка-качалки типа СКД 8-3.0-4000 для условий ООО «НГДУ Туймазанефть».

Рассчитаны перемещение скорости и ускорения ТПШ для различных кинематических схем с положительным и отрицательным углами дезаксиала 9° и режимов работы СК - длиной хода 2,5 м, числом двойных ходов 4 в минуту при различных направлениях вращения кривошипа (рис. 1,2)

Рис.1. График зависимости скорости (ОАО1А1) и ускорения (СВС1В1) ТШП от перемещения для СКД8-3,0-4000 с положительным дезаксиалом: вращение по часовой стрелке (устье слева) - кривые ОАО1А1 скорости и кривые СВС1В1 ускорения ТПШ; вращение против часовое стрелка (устье слева) - кривые ОАО! Ах скорости и кривые

СВСД ускорения ТПШ

Рис. 2. График зависимости скорости (ОАО1 А]) и ускорения (СВСгВх) ттпп от перемещевия для СКД8^3,0-4000 с отрицательным дезаксиалом: вращение по часовой стрелке (устье слева) - кривые ОАОх Ах скорости и кривые СВС1В1 ускорения ТПЩ вращение против часовой стрелки (устье слева) - кривые ОАОх Ах скорости и кривые СВСхВх ускорения ТПШ

В табл.1 приведены значения скорости и ускорена ТПШ к концу периода начальной деформации при ходе вверх и продолжительность полуциклов. Расчеты проводились при начальной деформации штанг и труб, равной X =0,2 м.

Значения скорости и ускорения ТПШ в момент окончания начальной деформации при ходе вверх и продолжительность

Направления вращения кривошипа (устье слева) Отрицательный дезаксиал Положительный дезаксиал

По часовой стрелке Время хода ИЛИ Скорость, мм/с Ускорение, мм/с2 Время хода ТПШ Скорость, мм/с Ускорение, мм/с3

Вверх С Вниз С Вверх С Вниз С

По часовой стрелке 7,87 7,13 800 970 7,13 7,87 780 1490

Против часовой стрелки 7,13 .7,87 980 1600 7,87 7,13 900 1240

Как видно из табл. 1 одинаковый положительный эффект (сокращении времени хода вверх) достигается при отрицательном дезаксиале направлением вращения кривошипа против часовой стрелки и при положительном дезаксиале - направлением вращения кривошипа по часовой стрелке. Сравнение полученных значений скорости и ускорений показывает, что наименьшее значение скорости и ускорений в момент окончания деформаций штанг и труб получается при использовании СК с положительным дезаксиалом при вращении кривошипа по часовой стрелке (устье слева).

Область эффективного применения СК с подобными кинематическими схемами: большая глубина спуска насоса, повышенный износ пары «плунжер-цилиндр» - т.е. условия, способствующие увеличению утечек из

области нагнетания в область всасывания; эксплуатация насосов больших диаметров, работа штанговой колонны в наклонно-направленных скважинах, с отложениями парафина, - т.е. условия, способствующие проявлению больших сил сопротивления движению штанговой колонны при ходе вниз Вместе с тем, проведенные исследования позволили также на конкретном примере оценить изменение коэффициента подачи установки в зависимости от величины дезаксиала.

С целью проверки полученных выводов нами были проведены экспериментальные исследования на скважине № 3389 ООО «НГДУ Туймазанефть», оборудованной СКД8-3,0-4000 имеющей кинематическую схему с небольшим положительным дезаксиалом. Задавалось вращение кривошипа по часовой стрелке (устье слева), при этом замерялись каждые 4 часа в течение суток максимальные и минимальные нагрузки в ТПШ, затрубное давление, динамический уровень, потребляемая мощность, подача насосной установки. Затем задавалось обратное движение кривошипа и проводились аналогичные замеры. Эксперименты показали, что при вращении кривошипа по часовой стрелке максимальная нагрузка в ТПШ была ниже в сравнении с вращением против часовой стрелки на 3,0. 3,5 %, подача установки была больше на 4 мУсут (первом случае - 14,4 м /сут, во втором - 12,4 м /сут), удельный расход активной энергии на тонну добываемой жидкости уменьшился на 15,7 % (в первом случае - 6,32 кВт час/тонну, во втором случае - 7,5 кВт час/тонну добываемой жидкости).

Таким образом, проведенные аналитические и экспериментальные исследования позволили обосновать возможность и области эффективного применения СК с увеличенной скоростью движения ТПШ вверх.

В третьей главе приведены результаты замеров фактического числа ходов балансира СК и анализ полученных результатов.

При эксплуатации СК происходит проскальзывание ремней относительно шкивов, что приводит к несоответствию чисел оборотов вала

электродвигателя и ведомого вала редуктора, а следовательно, и к уменьшению коэффициента подачи насоса. В этой связи проведены исследования по оценке изменения числа двойных ходов ТГШЗ в зависимости от технологических параметров и условий эксплуатации оборудования.

Эксперименты проводились с использованием разработанного механического регистратора для станка-качалки, позволяющего осуществлять контроль за фактическим числом качаний балансира в течение длительного времени.

Рис. 3. Регистратор числа качаний балансира:

1- рукоятка сброса, 2 - ось счетных колец, 3 - коромысло, 4 - ось зубчатых колес, 5 - зубчатые колеса, б - звездочка, 7 - входной вал, 8 -приводное колесо, 9 -

Регистратор (рис. 3) представляет собой одноциферблатный механизм с непосредственным суммарным отсчетом, устанавливаемый на раме СК и приводимый в действие от кривошипа станка-качалки.

Проведены промысловые эксперименты с замером фактических чисел качаний балансира СК на 30 скважинах ООО «НГДУ Туймазанефть». Опыты проводились при различных количествах приводных ремней (от 2 до 6), с замером величины прогиба каждого ремня в начале и в конце эксперимента

(через 2 часа работы). Одновременно замерялись максимальная и минимальная нагрузка в ТГП1Т - в начале и в конце эксперимента, осуществлялся контроль за уровнем жидкости в затрубном пространстве. Фиксировались параметры СК, длина хода ТПШ, тип и глубина установки штангового насоса, типоразмер насосно-компрессорных труб, конструкция штанговой колонны, метеоусловия - температура окружающей среды, осадки (снег, дождь). В целях получения объективной информации по некоторым скважинам проводились многократные повторные наблюдения (до 4 раз)

По полученным результатам построены зависимости разницы между расчетным и фактическим числом качаний балансира СК от количества потерь чисел качаний балансира (при 4 ходах в минуту) оказывает общее передаточное отношение системы «клиноременная передача - редуктор».