О добычных возможностях СШНУ

НАСОСЫ

Ивановский В.Н., Сабиров А.А., Фролов C.B., Донской Ю.А., Маляревский A.B.,

РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина

О ДОБЫЧНЫХ

возможностях СШНУ

В прошлой публикации (Территория НЕФТЕГАЗ № 10 за октябрь 2006 г.) были проанализированы некоторые проблемы применения скважинных штанговых насосных установок (СШНУ) для оптимизации работы нефтяных скважин. В данной статье авторы попытаются дать оценку возможностей современных скважинных штанговых насосных установок.

Известно, что СШНУ являются представителями объемных возвратно-поступательных насосов. Подача таких насосов зависит от площади F рабочего органа (плунжер или поршень), длины хода S этого рабочего органа, частоты его движения (или количества двойных ходов п) и коэффициента подачи насоса ппод. Q = F * S * п * Ппод (1) При этом длина хода рабочего органа насоса S1 может существенно отличаться от длины хода привода насосной установки S2. Это происходит за счет упругого удлинения колонны штанг, передающей движение от наземного привода к насосу, расположенному зачастую на расстоянии 1500-2000 и более метров от этого привода. Обычно длина хода плунжера меньше длины хода выходного звена привода (удлинение из-за разности нагрузок при ходе плунжера вверх и вниз). Однако существуют условия, при которых возникает так называемый «супер-ход» (удлинение колонны штанг за счет действия инерционных сил), увеличивающий длину хода плунжера. Длина хода S2 для современных приводов СШНУ лежит в области от 0,9 до 6 м, причем основная доля применяемых в России отечественных и зарубежных станков-качалок (станки-качалки грузоподъемностью от 6 до 10 тонн) имеет длину хода от 1,5 до 3,5 м. При этом длина хода плунжера S2 обычно составляет от 0,9 до 3 м. Вторым фактором, влияющим на подачу штангового насоса, является частота двойных ходов плунжера. Совре-

менная практика применения СШНУ с глубинами подвески насоса в 15002000 м показала, что максимально допустимые частоты движения колонны штанг ограничены величинами в 10 качаний в минуту, а минимальные — 3 хода в минуту. Увеличение частоты ходов приводит к работе СШНУ в т. н. динамическом режиме, когда параметр Коши т = ш * L/a (2) приближается к величине 0,3-0,4. Здесь: ш — угловая скорость вращения кривошипа станка-качалки, L — длина колонны штанг, а — скорость звука в колонне штанг. В этом случае резко возрастает доля динамических нагрузок и растут напряжения в колонне штанг, что, в свою очередь, приводит к снижению наработок до отказа. Уменьшение частоты двойных ходов (менее 3 в минуту) целесообразно применять только при эксплуатации малоде-битных скважин, причем такая работа требует применения специальных трансмиссий или тихоходных двигателей. Площадь плунжера скважинного насоса является третьим фактором, определяющим подачу возвратно-поступательного насоса. Наиболее часто в современной практике штанговой эксплуатации применяются насосы с условными диаметрами от 32 до 57 мм. Уменьшение диаметра насоса ведет к уменьшению проходного сечения как плунжера, так и нагнетательного клапана. Это может привести к частым выходам из строя насоса по причине засорения проточного плунжера. Увели-

чение диаметра применяемого скважинного насоса влияет не только на подачу СШНУ, но и на нагрузку на колонну штанг, возникающую при работе этого вида оборудования. Элементарные расчеты показывают, что идеальная подача СШНУ может меняться в пределах от 4 до 135 м3/сутки (для стандартных скважинных насосов с условным диаметром плунжера от 29 до 70 мм). Поскольку реальная подача штанговых насосов составляет обычно до 60-80% от идеальной, то пределы дебитов скважин, которые могут эксплуатироваться СШНУ, можно оценить как 2,5-110 м3/сутки. Как видно из этих цифр, многие скважины, которые являются кандидатами на оптимизацию, свободно размещаются внутри указанного интервала де-битов, следовательно, СШНУ можно использовать в качестве инструмента для интенсификации добычи нефти. Однако, кроме подачи, штанговая насосная установка характеризуется нагрузкой в точке подвеса колонны штанг, в связи с чем необходимо ответить на вопрос о величине этого параметра при интенсификации добычи нефти. Нагрузка в точке подвеса колонны штанг является суммой нескольких составляющих: веса самой колонны штанг РштА (с учетом коэффициента Архимеда), веса столба жидкости над плунжером штангового насоса Рж, сил механического Рмех.тр. и гидродинамического Рг-дтр. трения, инерционных Рин и вибрационных Рвиб сил. Для стандар-

26 \\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\

\\ № m \\ ноябрь \ зоов

\\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\

№ 11 \\ ноябрь \ 2006

тного исполнения насосов эти нагрузки при ходе плунжера вверх равны: Рв = А * РштА + А2 * Рж + Аз

* Р + А, * Р + А *

1 мех.тр. ^ 1 г-д.тр. ^ л5

Рин + А6 * Рви6 (3) При движении плунжера насоса вниз нагрузка составит:

Рн = А7 * РштА - А8 * Рмех.тр. -А9 * Рг-д.тр. - А10 * Рин - А11

* Рви6

где А1-А11 — поправочные коэффициенты. Разные авторы используют различные модели для определения как самих составляющих общую нагрузку, так и поправочных коэффициентов (А1- А11), величины которых могут меняться в довольно широких пределах. Особенно сильно разнятся расчетные значения сил механического и гидромеханического трения колонны насосных штанг, которые являются составляющими максимальной и минимальной нагрузок. По литературным сведениям эти нагрузки могут составлять от 5 до 40% от максимальных нагрузок. Обычно методики и расчетные формулы подвергаются корректировке после сравнения результатов расчетов и определения нагрузок по динамограм-мам. Однако динамометрирование СШНУ, дающее хорошие результаты в части качественной оценки состояния насосной установки (наличие утечек, большое количество свободного газа на приеме насоса, заклинивание плунжера, обрыв штанг и т.д.), часто не позволяет определять точно количественные параметры работы. Поэтому при оценке той или иной методики расчета штанговых колонн необходимо очень внимательно подходить к анализу результатов динамомет-рирования скважин.

115114, г. Москва, Павелецкая наб., д. 2 Тел.: (495) 232-2045, 725-5799 e-mail: serv-stm@mtu-net.ru

WWW.SERVIS-STM.RU

Производственно-коммерческая фирма «Сервис-СТМ» специализируется на производстве плоских ножей по металлу к листовым и комбинированным гильотинным ножницам как отечественного, так и импортного производства:

НБ5222, НГ5224, Н313, Н7120, СТД-9А, Н3121, НД3317Г, НА3121, НК3416, НБ3118, НК3418, Н475, Н477, Н3218Б, Н478, НД3221, Н478М, Н3118, НГ13, НА3218, Н472, Н481, НА3221, Н407, Н483, Н478А, НБ3118, НА3222, НБ3221, НК3421, НБ3222, НА3225, Blemedizdeliе, JAROMED, ST10/2550, SNIA3150, N^3150/25, ScTP/16/3150, ScTP/10/2500, NTE-E3150,

Собственная производственная база позволяет изготавливать ножи в короткие (2-4 недели) сроки. Стандартные ножи постоянно имеются на складе. Принимаются заказы на изготовление ножей по чертежам и эскизам для любого типа гильотинных, пресс-ножниц, бумагорезательного и полимерного оборудования. Сроки изготовления и стоимость ножей зависят от их размеров и конфигурации. Изготавливаем ножи по ГОСТ 25306-82 из стали 6ХВ2С по ГОСТ 5950-73 * В зависимости от года выпуска ножниц возможно изменение размеров ножей

Например, на рис. 1 и 2 представлены динамограммы работы СШНУ, снятые с помощью системы «МИКОН» с накладным датчиком.

Анализ параметров работы СШНУ на данных скважинах выявил недостаточную достоверность этих динамограмм. Действительно, расчетная величина веса колонн штанг с учетом коэффициента Архимеда не укладывается внутрь указанных динамограмм, что возможно только при очень серьезных неисправностях СШНУ (например, обрыв или отворот штанг; полностью открытый всасывающий клапан). Однако на указанных скважинах коэффициент подачи насоса составлял 0,7-0,8, т.е. возможность вышеперечисленных неисправностей была равна «0». Использование в качестве реперных значений нагрузок, полученных с помощью подобных динамограмм, привело к

корректировке методик расчета и подбора штанговых колонн, используемых в некоторых нефтедобывающих регионах. При этом расчетные величины максимальных нагрузок, которые принимаются для определения возможности использования того или другого типоразмера станка-качалки, увеличились на 20-25%. Это, с одной стороны, повысило безотказность работы данного вида оборудования, т. к. уменьшились фактические нагрузки в узлах и деталях СШНУ после подборов по указанным методикам. С другой стороны, такие методики занижают расчетные добычные возможности СШНУ, что затрудняет их использование при интенсификации добычи нефти. Действительно, завышение максимальных расчетных нагрузок на 20-25% (для станка-качалки СК8-3,5-5600) снижает максимально возможную глубину подвески насоса с условным диаметром 44 мм в среднем на 350-400 м, что при коэффициенте продуктивности Кпр = 1 м3/ МПа*сут приводит к потере добычи в 33,5 м3/сутки. В то же время снижение минимальной расчетной нагрузки всего на 15% за счет тех же причин приводит к увеличению расчетных приведенных напряжений на 28-30%. Следовательно, глубины подвески штанговых насосов, которые будут считаться безопасными для колонн насосных штанг, опять-таки будут снижаться. А это, в свою очередь, приведет не только к снижению депрессии на продуктивные пласты, но и снизит коэффициент подачи насосов за счет уменьшения давления на приеме насоса и увеличения вредного влияния свободного газа.

НАСОСЫ

Динамограмма скв. 28.07.2006 12:42 ООО "Микон-К", цех куст скв Оборудование

Станок: число качаний 6,5 кач/мин, длина хода 1776 мм Глубина спуска насоса: м Режим откачки

Теоретическая производительность насоса: 13,32 куб. м/сут Дин. уровень (м) 1111 м Затрубное давление: 7,1 атм. Буферное давление: атм Колонна штанг

1.x, приведенное напряжение штанги: кг/мм2

2. х, приведенное напряжение штанги: кг/мм2

3. х, приведенное напряжение штанги: кг/мм2

Заключение: Анализ:

Максимальная нагрузка на головку балансира: 3161 кг Минимальная нагрузка на головку балансира: кг Нагрузка от веса столба откачиваемой жидкости: кг Деформация колонны штанг: мм Деформация НКТ: мм

Фактическая производительность насоса: 10,79 куб. м/сут Эффективный ход плунжера: 1439 мм Коэффициент подачи насоса: 0,81

Рис. 1. Динамограмма с завышенными показателями максимальных и минимальных нагрузок

HERE

TODAY

Export made easy: www.dhl.kz

Динамограмма скв. 28.07.2006 13:00 ООО "Микон-К", цех куст скв Оборудование

Станок: число качаний 6,2 кач/мин, длина хода 1953 мм Глубина спуска насоса: м Режим откачки

Теоретическая производительность насоса: 14,09 куб. м/сут Дин. уровень (м) 1111 м Затрубное давление: 7,1 атм. Буферное давление: атм Колонна штанг

1.x, приведенное напряжение штанги: кг/мм2

2. х, приведенное напряжение штанги: кг/мм2

3. х, приведенное напряжение штанги: кг/мм2

Заключение: Анализ:

Максимальная нагрузка на головку балансира: 8103 кг Минимальная нагрузка на головку балансира: 4786 кг Нагрузка от веса столба откачиваемой жидкости: кг Деформация колонны штанг: мм Деформация НКТ: мм

Фактическая производительность насоса: 11,61 куб. м/сут Эффективный ход плунжера: 1609 мм Коэффициент подачи насоса: 0,82

Рис.2. Динамограмма с заниженными показателями максимальных и минимальных нагрузок

Об этой проблеме стоит поговорить отдельно, но в настоящей публикации скажем только о вреде применения хвостовиков в сочетании с СШНУ при откачке жидкости с большим содержанием попутного газа. В некоторых нефтедобывающих подразделениях существует мнение о том, что хвостовики, подвешенные на приеме насоса, могут уменьшить вредное влияние свободного газа. Это ошибочное мнение приводит к тому, что даже при достаточном заглублении приема насоса под динамический уровень коэффициент подачи остается низким из-за поступления свободного газа из хвостовика в цилиндр насоса без сепарации. У некоторых нефтяников есть даже мнение, что для уменьшения нагрузки на станок-качалку можно подвешивать насос на глубины, меньшие, чем глубина расположения динамического уровня в скважине, главное, чтобы хвостовик был опущен на необходимую глубину! Утверждающие это просто забывают законы физики и гидравлики.

Но вернемся к нагрузкам на колонны штанг и на станки-качалки. Как уже указывалось выше, в части статических составляющих суммарной силы (вес штанг в жидкости и вес столба жидкости), действующей на колонну штанг, у всех исследователей сформировалось схожее мнение. В то же время практически по всем динамическим составляющим нагрузки у каждого автора имеется своя методика. В первую очередь это относится к силам механического и гидромехани-

28 \\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\

\\ № 11 \\ ноябрь \ 2006

ческого трения. Величины сил трения зачастую могут составлять до 25-40% от максимальной нагрузки, т. е. практически сопоставимы с минимальными нагрузками на колонну штанг при ее движении вниз.

Программный комплекс «Автотехнолог», основанный на одной из наиболее полных и адаптированных к различным условиям эксплуатации скважин модели работы СШНУ, позволяет получить расчетные нагрузки и приведенные напряжения в любом сечении колонны штанг. Многократные сопоставления расчетных и замеренных величин нагрузок позволяют утверждать, что ПК «Автотехнолог» решает задачу повышения точности расчетов при интенсификации добычи нефти с помощью скважинных штанговых насосов. Это повышение обусловливает возможности нефтяников безбоязненно увеличивать глубины спуска скважинных насосов, их диаметры, а в некоторых случаях - и скорости откачки. Расчеты и практика выполнения рекомендаций по интенсификации добычи нефти с помощью СШНУ показали, что в Западной Сибири есть возможность на отечественном оборудовании довести дебиты до 40-50 м3/сутки жидкости при глубинах динамического уровня в наклонно-направленных скважинах до 1350-1500 м.

Очень часто ограничения, снижающие добычные возможности СШНУ, являются организационными. К ним относятся:

• плохая нивелировка свайного поля или фундамента под станок-качалку, что приводит к резкому увеличению динамических нагрузок в приводе;

• большая высота оборудования устьев скважин, не позволяющая использовать большие длины ходов головки балансира;

• закупки скважинных насосов с малыми длинами ходов плунжера, что также не позволяет использовать длинно-ходовые режимы откачки;

• использование сервисными компаниями некондиционных, не оригинальных запасных частей, что может не только снизить максимальные рабочие параметры приводов, но и привести к увеличению динамических составляющих нагрузок;

• отсутствие закупок новых видов наземного и скважинно-го оборудования, позволяющего увеличить эффективность работы СШНУ;

• отсутствие во многих нефтедобывающих и сервисных предприятиях сертифицированных программ подбора и диагностики работы СШНУ или недостаточно эффективное их использование.

Еще одним фактором, снижающим интерес нефтяников к эксплуатации СШНУ, является недостаточно высокое и стабильное качество отечественных насосных штанг. О некоторых факторах, влияющих на снижение эффективности работы отечественных штанговых колонн, речь пойдет в нашей следующей публикации.

опытно-механический завод грузоподъемного

производит:

• Стропы канатные грузоподъемностью от 0,32 тн до Е3 тн

• Стропы цепные сварные и сборные

• Стропы текстильные

о Идиш СШПППНЕ ШШШШШШШЯ ЕВШШ

• Цепи приводные

ПТПЕШЗНЕ

• Канат

115114, г. Москва, e-mail: factory@omz-gpo.ru

Павелецкая наб. д. 2

Тел.: (495) 956-20-51, 540-80-79 WWW.OMZ-GPO.RU

THERE

TOMORROW

Export made easy: www.dhl.kz