Разработка и исследование параметров пневмоштанговой установки для добычи нефти

УДК 622.276.53

М. А. Марышева, Н. Д. Шишкин

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПНЕВМОШТАНГОВОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ

M. A. Marysheva, N. D. Shishkin

DEVELOPMENT AND EXAMINATION OF PARAMETERS OF PNEUMATIC SUCKER-ROD UNIT FOR OIL EXTRACTION

Предлагается пневмоприводная штанговая насосная установка для добычи нефти, которая состоит из колонны подъемных труб, скважинного штангового насоса, колонны штанг, пневмоцилиндра, центробежного компрессора, ресивера, нефтегазосепаратора. Основные параметры исследованы на лабораторной установке «ФЕСТА». Согласно результатам исследований подача жидкости снижается практически линейно при увеличении подачи газа и уменьшении числа ходов поршня. Зависимость подачи жидкости от скорости хода увеличивается линейно при увеличении скорости хода и длины хода.

Ключевые слова: гидроштанговая насосная установка, поверхностное оборудование, рабочая жидкость, газовый фактор, пневмоприводная штанговая насосная установка, колонна штанг, пневмоцилиндр, центробежный компрессор, ресивер, нефтегазосепаратор.

A pneumatic sucker-rod pump unit is offered for oil extraction. It consists of a column of lifting pipes, a borehole rod pump, a column of bars, a pneumatic cylinder, a centrifugal compressor, a receiver and an oil and gas separator. The key parameters of this pneumatic sucker-rod pump unit for oil production are studied at the laboratory installation "FESTA". According to the results of the studies, the liquid supply is decreased almost linearly at increasing in gas supply and decreasing in number of the piston stroke. The dependence of liquid supply on the stroke speed is increased linearly at increasing in the stroke speed and the stroke length.

Key words: hydraulic sucker-rod pump unit, superficial equipment, working liquid, gas factor, pneumatic sucker-rod pump unit, column of rods, pneumatic cylinder, centrifugal compressor, receiver, oil and gas separator.

Введение

Пневматические устройства самое широкое распространение получили вследствие необходимости создания надежных источников пневматической энергии. Наиболее мощные из них -нагнетатели, способные придавать газам необходимый запас потенциальной и (или) кинетической энергии. Пневмоштанговые насосные установки (ПШНУ) являются разновидностью гидроштанговых насосных установок (ГШНУ) и обладают всеми достоинствами этого вида оборудования [1-4]. Благодаря своим конструктивным особенностям ПШНУ отличаются более высокой надежностью и эффективностью, чем ГШНУ, особенно в осложненных условиях эксплуатации, например при добыче пластовой жидкости со значительным содержанием механических примесей, коррозионно-активных веществ. Именно поэтому разработка ПШНУ для вертикальных скважин, а также пневмоприводных насосных (ПНУ) для наклонных и горизонтальных весьма актуальна.

Цель - разработка и исследование параметров ПШНУ. Задачи - разработка схемы по использованию ПШНУ для добычи нефти и исследование основных параметров на лабораторном стенде ПШНУ. Это необходимо для создания пневмопривода, который сможет отвечать постоянно изменяющимся условиям эксплуатации нефтяных скважин. Применение таких установок позволит упростить управление и уменьшить массогабаритные характеристики установок для добычи нефти.

Предлагается ПШНУ, схема которой приведена на рис. 1.

Центробежный компрессор 6 сжимает попутный газ из ресивера 7 и подает его в пневмоцилиндр 5. Движение поршня, связанного с колонной штанг 4, в пневмоцилиндре обеспечивает работу дифференциального скважинного штангового насоса 3. Работа этого насоса обеспечива-

ет подъем нефтегазовой смеси через колонну насосно-компрессорных труб (НКТ) 2 на дневную поверхность и далее в сепаратор 8. Часть выделившего в сепараторе попутного нефтяного газа (ПНГ) направляется в ресивер и далее в компрессор 6. Большая часть ПНГ и вся отсепариро-ванная нефть направляются из сепаратора 8 в установку комплексной подготовки газа и установку комплексной подготовки нефти.

7

Рис. 1. Схема пневмоприводной штанговой насосной установки для добычи нефти:

1 - обсадная колонна; 2 - НКТ; 3 - скважинный штанговый насос; 4 - колонна штанг;

5 - пневмоцилиндр; 6 - центробежный компрессор; 7 - ресивер; 8 - нефтегазосепаратор

Экспериментальные исследования проводили на стенде специальной конструкции (рис. 2), изготовленном ООО «ФЕСТО», куда входит насос, состоящий из плунжера, всасывающего и нагнетательного клапанов.

Рис. 2. Общий вид лабораторной пневмоштанговой установки «ФЕСТА»

Лабораторная установка «ФЕСТА» предназначена для наглядной демонстрации действия ПШНУ, проведения замеров и обработки экспериментальных данных при определении деформаций колонны штанг при работе лабораторного стенда по исследованию процесса функционирования скважинного штангового насоса с пневмоприводом. Моделирование процесса добычи нефтегазовой смеси в этой установки осуществлялось на водовоздушной смеси. Конструкция стенда позволяет получать необходимую для исследования точность измерения коэффициентов наполнения, упругих растяжений и подачи. Программируемый силовой пневматический привод дает возможность изменять число двойных ходов в минуту и длину хода.

Принципиальная схема лабораторной пневмоштанговой установки «ФЕСТА» приведена на рис. 3. Основными элементами этой установки являются насос, состоящий из плунжера 1, всасывающего У03 и нагнетательного У04. клапанов. Насос соединен с модулем, имитирующим растяжение штанг, оборудованным ультразвуковым датчиком 21. Модуль соединен с приводом, представляющим собой регулируемый пневматический привод А1. Для поддержания необходимого уровня жидкости емкость Н1 разделена на две части и оборудована циркуляционным насосом Р1, подача которого превышает максимальную подачу штангового скважинного насоса. Компрессор С1 используется для поддержания давления для работы пневматического силового привода. Стенд оборудован дросселем У01 для регулирования подачи сжатого воздуха под нагнетательный клапан. Линия подачи сжатого воздуха имеет в своем составе обратный клапан У03.

Рис. 3. Принципиальная схема лабораторной пневмоштанговой установки «ФЕСТА»:

А1 - бесштоковый линейный пневматичский привод; ^01 - дроссель; ^02, ^03, ^04 - обратные клапаны;

VI, V4 - отсечные краны; V2 - пропорциональный регулятор давления;

21, 22 - аналоговые датчики давления; 23 - аналоговый датчик расхода сжатого воздуха;

24 - аналоговый индуктивный датчик перемещения; 25 - линейный потенциометр;

Н1 - мерный бак; Н2 - бак; Р1 - циркуляционный насос; С1 - компрессор; Т1 - ресивер

Стенд обеспечил возможность измерения коэффициентов подачи, наполнения, упругих растяжений штанг; измерения этих же показателей для каждого двойного хода; записи результатов замеров; изменения числа двойных ходов и длины хода; применения клапанов различных типоразмеров; работы с небольшим объемом жидкости; быстрой подготовки к новому циклу измерений.

На рис. 4 показана типовая осциллограмма процесса работы установки «ФЕСТА».

Расход воздуха, подаваемого в скважину О мл/миндатчик 23

4-50,0

4/26/14 04/25/14 04/25/14 04/25/14 04/25/14 04/25/14 04/25/14 04/25/14 11:41:50 11:41:52 11:41:55 11:41:57 11:42:00 11:42:02 11:42:05 11:42:07

ООО "ФЕСТО-РФ". Департамент дидактики. 2010 г.

Рис. 4. Осциллограмма процесса работы установки «ФЕСТА» Результаты лабораторных экспериментов приведены на рис. 5 и 6.

1,8

^ 1,6

т8

СЯ 1,4

1,2 1 0,8 0,6 0,4

1

2

3

50 100 150 200 250 300 350

Газ, мл/мин

Рис. 5. Зависимость подачи жидкости от расхода газа: 1 - 200 мм; 2 - 400 мм; 3 - 600 мм

н 3,5

3

ей

2,5

2

1,5

1

0,5

0

2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5

V, ход/мин

Рис. 6. Зависимость подачи жидкости от скорости хода поршня: 1 - 200 мм; 2 - 400 мм; 3 - 600 мм

0

Из рис. 5 видно, что подача жидкости снижается практически линейно - от 1,50 до 0,60 м3/сут при увеличении подачи газа от 0 до 350 мл/мин (0,504 м3/сут) и снижении числа ходов поршня от 6 до 3 ход/мин. Зависимость подачи от скорости хода (см. рис. 4) увеличивается линейно -от 0,50 до 3,10 м3/сут при увеличении скорости хода от 3 до 6 ход/мин и длины хода от 200 до 600 мм (0,20 до 0,60 м).

В реальном насосе скорость движения жидкости в отверстии клапана варьируется в интервале от 0,8 до 4,0 м/с (рекомендуется не более 2,5 м/с). Эксперименты проводили при условиях, позволяющих получать значения скорости течения жидкости через отверстия клапана в указанном диапазоне. Для анализа степени влияния растворенного газа в жидкости на коэффициент подачи штангового скважинного насоса были проведены серии экспериментов: с помощью дросселя регулировалась подача воздуха с расходом 0,17 до 0,97 л/мин. Для определения погрешности эксперимента при работе на нескольких режимах проводили по нескольку десятков замеров, рассчитывали средние значения и дисперсию полученных данных.

Полученные данные подтверждают эффективность работы ПШНУ. С помощью экспериментального моделирования на лабораторном стенде можно прогнозировать работу и основные параметры промысловых ПШНУ.

Заключение

Таким образом, нами были получены следующие результаты.

1. Разработана схема использования ПШНУ для добычи нефти. Применение таких установок позволит упростить управление и уменьшить массогабаритные характеристики установок для добычи нефти.

2. Исследованы основные параметры ПШНУ для добычи нефти на лабораторном стенде ПШНУ «ФЕСТА»:

- подача жидкости снижается практически линейно - от 1,50 до 0,60 м3/сут при увеличении подачи газа от 0 до 0,504 м3/сут и снижении числа ходов поршня от 6 до 3 ход/мин;

- подача жидкости в зависимости от скорости хода увеличивается линейно - от 0,50 до 3,10 м3/сут при увеличении скорости хода от 3 до 6 ход/мин и длины хода от 0,20 до 0,60 м.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ивановский В. Н. Оборудование для добычи нефти и газа / В. Н. Ивановский, В. И. Дарищев,

В. С. Каштанов, А. А. Сабиров, С. С. Пекин. М.: Нефть и газ. 2002. Ч. 1. 768 с.

2. Ивановский В. Н. Оборудование для добычи нефти и газа / В. Н. Ивановский, В. И. Дарищев,

В. С. Каштанов, А. А. Сабиров, С. С. Пекин. М.: Нефть и газ. 2003. Ч 2. 792 с.

3. Авдеев В. В. Справочник по добыче нефти / В. В. Авдеев, К. Р. Уразаков, В. У. Далимов. Уфа, 2001. 340 с.

4. Сборник каталогов нефтегазового оборудования. Томск: Том. гос. техн. ун-т, 1999. 766 с.

REFERENCES

1. Ivanovskii V. N., Darishchev V. I., Kashtanov V. S., Sabirov A. A., Pekin S. S. Oborudovanie dlia dobychi nefti i gaza [Equipment for oil and gas extraction]. Moscow, Neft' i gaz. Publ., 2002. Part 1. 768 p.

2. Ivanovskii V. N., Darishchev V. I., Kashtanov V. S., Sabirov A. A., Pekin S. S. Oborudovanie dlia dobychi nefti i gaza [Equipment for oil and gas extraction]. Moscow, Neft' i gaz. Publ., 2003. Part 2. 792 p.

3. Avdeev V. V., Urazakov K. R., Dalimov V. U. Spravochnikpo dobyche nefti [Reference on oil extraction]. Ufa, 2001. 340 p.

4. Sbornik katalogov neftegazovogo oborudovaniia [Collection of catalogues of oil and gas equipment]. Tomsk, Tomskii gosudarstvennyi tekhnicheskii universitet, 1999. 766 p.

Статья поступила в редакцию 26.04.2014, в окончательном варианте - 15.05.2014

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Марышева Марина Александровна - Астраханский государственный технический университет; ассистент кафедры «Эксплуатация нефтяных и газовых месторождений»; n.shishkin-53@mail.ru.

Marysheva Marina Aleksandrovna - Astrakhan State Technical University; Assistant of the Department "Exploitation of Oil and Gas Fields"; n.shishkin-53@mail.ru.

Шишкин Николай Дмитриевич - Астраханский государственный технический университет; д-р техн. наук, профессор; профессор кафедры «Эксплуатация нефтяных и газовых месторождений»; n.shishkin-53@mail.ru.

Shishkin Nickolay Dmitrievich - Astrakhan State Technical University; Doctor of Technical Sciences; Professor; Professor of the Department "Exploitation of Oil and Gas Fields"; n.shishkin-53@mail.ru.