СПОСОБ УСТАНОВКИ БАЛАНСИРНОГО СТАНКА-КАЧАЛКИ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОГО ПРИВОДА ШТАНГОВОГО СКВАЖИННОГО НАСОСА
METHOD TO INSTALL BEAM-BALANCED PUMPING UNIT FOR MECHANICAL DRIVE OF DEEP WELL PUMP

3
Данное предложение относится к нефтедобывающему комплексу (категория: нефтедобыча, станки) и может быть использовано для подъема пластовых жидкостей из скважин с небольшим дебитом (менее 20 м в сутки).
Количество таких скважин, как показывают исследования [А. Молчанов. Станки-качалки, проблемы и перспективы совершенствования. Промышленные ведомости, 2013], не уменьшается в связи с постоянным истощением богатых месторождений.
Для низкодебитных скважин основным типом добывающего оборудования являются станки-качалки.
Изготовление и установка их на промыслах в РФ регламентируются ОСТ 26-06-08-87, ГОСТ 5688-78 и ГОСТ 5688-87. За рубежом для этого руководствуются, в основном, стандартами и спецификациями Американского нефтяного института (Техас).
Станок-качалка, представляющий собой индивидуальный привод штангового насоса, основан на работе балансирного устройства [А. Молчанов, В. Чичеров. Нефтепромысловые машины, 2010].
Главными изготовителями и установщиками станков-качалок в РФ являются: ЗАО «Нефтепром-Сервис», ОАО «Уралтрансмаш», ОАО «Ижнефтемаш» и некоторые другие.
Используемые в РФ и за рубежом способы установки станков-качалок в главных операциях (подготовка или сборка фундамента, взаимная выверка оборудования, его закрепление на станине и т.д.) совпадают. К сожалению, все эти способы характеризуются относительно низкой эффективностью работы установленного оборудования, его большим суммарным весом - (15-20) т, малым межремонтным сроком и большими энергозатратами при добыче.
Рассмотрим в качестве аналогов способы установки глубинных тросовых насосов-качалок (ГТНК) и приводов штанговых глубинных насосов (ПШГН) ЗАО «Нефтепром-Сервис».
Здесь в начале готовится твердая площадка-фундамент (из бетона, бута, свай, блоков и т.п.). После этого на площадке размещается опорная рама станка-качалки, и начинаются операции по наиболее удобному ее расположению по отношению к устью добывающей скважины (к верхнему устьевому фланцу) и совмещение ее с плоскостью местного горизонта.
Перед установкой стойки балансира выверяют горизонтальность основания стойки в двух взаимно перпендикулярных направлениях.
Количественные параметры установки определяются в упомянутых выше ОСТ и ГОСТ.
Недостатками способов-аналогов являются большие силы трения в шарнирах, соединяющих фермы балансира с приводом и траверсой пирамиды, а также повышенные напряжения в силовых узлах станка качалки.
В качестве прототипа рассмотрим способ установки станка-качалки СКБ-4. При этом способе после подготовки фундамента и расположения на нем опорной рамы станка-качалки выверяют правильность ее положения относительно устьевого фланца добывающей скважины. После этого обеспечивают горизонтальность в продольном и поперечном направлениях. При монтаже основных частей станка-качалки добиваются совпадения продольной оси балансира с продольной плоскостью симметрии станка-качалки и перпендикулярности плоскости качания балансира к поверхности опорной рамы. И, наконец, уточняют правильность расположения головки балансира относительно устья скважины с помощью подвеса.
Для рассмотренного способа-прототипа характерны следующие недостатки: быстрый износ полированной поверхности штока глубинного насоса и устьевого уплотнения, большая металлоемкость многих элементов конструкции (мощные «уголки» вертикальной фермы балансира и продольной фермы с массивной головкой, двутавровые балки станины и т.п.), а также повышенное энергопотребление в процессе добычи пластовой жидкости.
Негативное воздействие на эффективность добычи всех отмеченных выше недостатков аналогов и прототипа можно снизить или даже ликвидировать, если уменьшить или устранить тормозящие силы и моменты в шарнирах станка-качалки и поперечные нагрузки, как наиболее критичные для его конструкции и силовых узлов.
Вышесказанное является задачей, поставленной в настоящем изобретении.
Эта задача достигается тем, что в способе установки балансирного станка-качалки для механического привода штангового скважинного насоса, включающем подготовку фундамента для закрепления на нем опорной рамы станка-качалки, выверку положения этой рамы над устьем добывающей скважины, обеспечение горизонтальности опорной рамы в продольном и поперечном направлениях, совмещение продольной оси балансира с продольной плоскостью симметрии опорной рамы, расположение плоскости качания балансира перпендикулярно плоскости основания опорной рамы, закрепление опорной рамы на фундаменте и монтаж на ней механизмов станка-качалки, для устранения напряжений в шарнирах и силовых узлах станка-качалки, возникающих вследствие суточного вращения Земли и уменьшения веса балансира во время подъема пластовой жидкости, опорную раму после выверки ее положения над устьем добывающей скважины поворачивают вокруг оси добывающей скважины до тех пор, пока продольная ферма балансира совпадет с направлением географической широты добывающей скважины, а переднее плечо фермы с головкой балансира будет при этом направлено на восток.
Анализ движения наиболее массивных частей станка-качалки, таких, например, как тело балансира с головкой, показывает, что оно происходит по окружности, лежащей в вертикальной плоскости, т.е. складывается одновременно из вертикальной и горизонтальной составляющих, Рис.1. Так, например, для станка-качалки СКД Т3-11,5-710, выпускаемого в РФ, при длине продольной фермы балансира 6,1 м, углах качания ±45° по отношению к горизонту, величина горизонтального перемещения головки балансира составляет 0,89 м в верхней и нижней точках отклонения тела балансира горизонтальные перемещения достигают максимумов, меняют знак, но не прекращаются. Таким образом, горизонтальные перемещения массивных частей осуществляются в течение всего процесса добычи пластовой жидкости. А время этого процесса (включая технологические перерывы) может достигать (20-30) лет.
Известно, что любые массы, движущиеся относительно поверхности Земли (поезда, реки, ветры), подвергаются воздействию инерционных сил, обусловленных суточным вращением Земли (ускорения Кориолиса, закон Бэра, эффект Этвеша и др. подтверждают это).
Упомянутые силы приводят к реальным последствиям: ускоренное истирание только одного рельса на железных дорогах, проложенных вдоль меридианов, размывание правых берегов рек, текущих к полюсу или от него в Северном полушарии, и, соответственно, размывание левых берегов рек у аналогично текущих рек в Южном полушарии, уменьшение силы тяжести у предметов, перемещаемых на кораблях на восток и др.
5
Перемещение массивных деталей станка-качалки не только вдоль поверхностей Земли, но одновременно и в вертикальном направлении не влияет принципиально на воздействие интересующих нас сил. В рассматриваемом случае вертикальные перемещения пренебрежимо малы по сравнению с радиусом Земли (64·10 м).
Сказанное подтверждается такими проявлениями инерционных сил в природе, как пассаты, циклоны, гироскопические волны в океанах, при которых массы воды и воздушные потоки двигаются не только горизонтально, но и одновременно в вертикальном направлении.
Очень важным является направление инерционных возмущений. Оно устанавливается или по «правилу Жуковского», или с помощью математического определения векторного произведения векторов угловой скорости Земли в ее суточном вращении и относительной линейной скорости перемещения исследуемой массы вдоль поверхности Земли. Наиболее опасным является действие инерционных сил (в частности, силы Кориолиса) в направлении, перпендикулярном плоскости качания.
В течение одного периода качания Кориолисова сила, действующая на массивные элементы, не является постоянной величиной, а складывается из четырех примыкающих друг к другу силовых импульсов переменной величины. Из Рис.2 видно, что горизонтальная составляющая переносной скорости при пересечении балансиром плоскости горизонта изменяет свое направление на обратное, и, следовательно, обращается в ноль.
6
Раньше отмечалось, что инерционные силы действуют на станок-качалку в течение всего процесса добычи. Это говорит о возможном действии на станок при частоте качаний 18 в мин (ОСТ 26-16-08-87) сотен миллионов силовых импульсов чередующихся знаков (4·18·60·24·365·30=1.136·10).
Инерционные силы в худшем случае (плоскость качания направлена по меридиану географического места скважины) перпендикулярны направлению основного движения деталей станка. А это, обычно, совпадает с направлением минимальной жесткости, например, для продольной фермы балансира, полированного штока погружного насоса и др. это обстоятельство исторически вело к усилению конструкции станков-качалок, что, как правило, выливалось в увеличение их массы, а следовательно, в увеличение инерционных сил, в соответствии с формулой
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>F</mi><mo stretchy="true">→</mo></mover></mrow><mi>k</mi></msub><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>m</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>ω</mi><mo>¯</mo></mover><mrow><mn>3</mn><mi>м</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mover accent="true"><mi>V</mi><mo>¯</mo></mover><mi>r</mi></msub></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>,</mo><mtext>                                   (1)</mtext></mrow>
где
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>F</mi><mo stretchy="true">→</mo></mover></mrow><mi>k</mi></msub></mrow>
- рассматриваемая инерционная сила,
m - масса, двигающаяся вдоль поверхности Земли (например, ферма с головкой массы 2,5 т),
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>ω</mi><mo>¯</mo></mover><mrow><mn>3</mn><mi>м</mi></mrow></msub></mrow>
-5
- угловая скорость Земли в ее суточном вращении (7,,27·10 1/с),
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>V</mi><mo>¯</mo></mover><mi>r</mi></msub></mrow>
- линейная скорость массы относительно поверхности Земли (1,2 м/с, Рис.1).
Остальные конструктивные параметры могут приниматься стандартными: длина продольной фермы балансира - 6,1 м, частота качаний - 18 в минуту (ОСТ).
Рассматриваемым инерционным возмущающим воздействиям подвергаются не только упомянутые выше продольная ферма или полированный шток, но также все соосные им и параллельно им перемещающиеся детали такие, как соединительные штанги и траверсы крепления, шатуны и кривошипы привода и механизма качания, а также некоторые другие.
Поскольку постоянно меняющиеся импульсы являются по отношению к станку возмущающими, то при частоте этих импульсов 1,2 Гц (что согласуется с ОСТ 26-16-08-87) в некоторых деталях теоретически возможно возникновение резонансных явлений. К деталям с низкой частотой собственных колебаний могут быть отнесены тросы, клиноременные передачи, длинные стержни и др.
Воздействие четырех упоминавшихся выше импульсов на процесс добычи неодинаково. Два первых (от верхней точки хода головки до горизонтальной плоскости и далее до нижней точки качания) энергетически менее затратны, чем третий (от нижней точки до горизонтальной плоскости) и четвертый (до верхней точки хода балансира). На двух последних отрезках приходится поднимать помимо балансира со штоком, еще и столб пластовой жидкости. Последнее обстоятельство может быть частично устранено использованием упомянутого выше эффекта Этвеша.
Анализ всех упомянутых выше негативных факторов показывает, что все они могут быть существенно уменьшены, а некоторые и устранены без каких-либо переделок во всех 13 типоразмерах, выпускаемых в РФ станков-качалок, а также без переделок их фундаментов. Это может быть сделано (как вытекает из векторного уравнения (1)) за счет изменения положения станка-качалки относительно вектора суточного вращения Земли. Для этого необходимо изначально установить станок-качалку так, чтобы ферма балансира оказалась параллельной местной географической широте. Это, в соответствии с математическим определением векторного произведения, будет означать, что Кориолисова сила совпадает по направлению с местной вертикалью, т.е. направлением троса и штока насоса.
Для реализации эффекта Этвеша необходимо, чтобы переднее плечо продольной формы балансира с закрепленной на ней головкой было направлено на восток. При этом вес балансира и головки, поднимаемой на участке 3 (Рис.2), будет несколько меньше обычного за счет того, что сама головка и балансир при этом будут двигаться на восток. Выигрыш в весе в нашем случае определяется по формуле
<mrow><mi>Δ</mi><mi>g</mi><mo>=</mo><mn>2</mn><msub><mover accent="true"><mi>ω</mi><mo>¯</mo></mover><mrow><mn>3</mn><mi>м</mi></mrow></msub><mi>V</mi><mi>r</mi><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><mi>A</mi><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><mi>ρ</mi><mo>+</mo><mfrac><mrow><mi>V</mi><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mn>3</mn><mi>м</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                      (2)</mtext></mrow>
здесь
g - ускорение силы тяжести,
Vr - горизонтальная составляющая скорости движения части станка-качалки относительно поверхности Земли,
ρ - географическая широта добывающей скважины,
A - азимут движения относительно поверхности Земли (в нашем случае азимут плоскости качания балансира) отсчитывается по часовой стрелке от направления на север.
В числовых значениях формула (2) имеет вид
-4
2
-6
Δg=1,405(Vr·sin90°·cosρ)·10+1,21V·10,
где второе слагаемое - это относительное центростремительное ускорение.
Если головка балансира направлена после установки предлагаемым способом на запад, то выигрыш в весе будет иметь место на четвертом участке работы станка-качалки (Рис.3). В том случае, когда головка при установке направлена на восток, уменьшение поднимаемого веса будет происходить на третьем участке каждого периода качания (Рис.4).
Таким образом без изменения конструкции станка-качалки и его фундамента, на уже пробуренной скважине, подбирая начальное положение плоскости качания в географических координатах, можно улучшить экономику добычи пластовой жидкости.