Введение к работе
. Актуальность работы.
В странах бывшего СССР число действующих скважин з 1997 году составило 123970, причем в России - 733S0, а в странах СНГ около 20 тысяч скважин эксплуатировались с помощью штанговых скважинных насосных установок ШСНУ, т.е. 77,8%. Такие пропорции характерны для всех длительно эксплуатируемых месторождений. Так, например, эксплуатационный фонд Татарстана насчитывал в 1997 году 20600 скважин, из них 72,8% эксплуатировались ШСНУ. Следует отметить, что по мере истощения пластовой энергии относительное количество скважин, эксплуатируемых с помощью ШСНУ, неуклонно растет. При этом востребованность ШСНУ будет достаточно длительной, так как при сохранении современных годовых объемов добычи обеспеченность запасами нефти в мире достигает 40 лет, а в России- 21J года.
Современное состояние нефтяной промышленности характеризуется прогрессирующим вводом в разработку трудноизвлекаемых источников углеводородного сырья, среди которых основігую группу составляют высоковязкие нефти (ВВН). Так, на территории только Волго-Уральского нефтеносного бассейна к концу 80-х годов бьшо выявлено более 470 залежей ВВН. Добыча ВВН ведется также в Архангельской, Томской и Тюменской областях. Общепризнанно, что добыча ВВН сопровождается усложнением работы оборудования насосных установок, снижением межремонтного периода скважин.
Характерной особенностью современного этапа нефтедобывающей отрасти является переход к разработке месторождений наклонно направленными (ННС), преимущественно, кустовыми скважинами. В частности, в Татарстане таких скважин в 1997 году бьшо около 13000, что составляло 87% от числа скважин с ШСНУ. Использование ННС вызвано требования-
ми экологии и экономической целесообразностью, но сопровождается рядом технико-технологических осложнений. К ним, в первую очередь, относятся интенсивный износ труб и штанг на участках искривления, рост амплитуды и максимальной нагрузки на штанга за счет сил трения.
Другой особенностью является введение в эксплуатацию месторождений природных битумов, извлекаемые запасы которых в мире (70 млрд.т) сопоставимы с запасами обычных и тяжелых нефтей. В России наиболее крупные месторождения битумов находятся в Татарстане, республиках Соха и Коми, Архангельской и Оренбургской областях. При добыче битумов, не взирая на малую глубину залегания, возникают большие трудности, связанные с отсутствием техники, способной откачивать высоковязкие среды с удовлетворительными технико-экономическими показателями. Наиболее перспективными для таких месторождений являются винтовые насосы с малыми частотами вращения, которые могут быть обеспечены поверхностными приводами.
Важнейшим естественным осложнением при добыче нефти является интенсивное отложение асфальто-смоло-парафинов (АСПО), что особенно негативно сказывается на работе ШСНУ в ННС, так как увеличиваются нагрузки на все элементы оборудования при ходе вверх, а при ходе вниз часто наблюдается "'зависание" штанг.
Тем не менее, опыт эксплуатации показывает, что благодаря широким функциональным возможностям, простоте конструкции и удобству обслуживания штанговых установок с поверхностным приводом, они не только наиболее рентабельны, но и зачастую безальтернативны. При этом многие проблемы, трудноразрешимые при возвратно-поступательном движении колонны штанг в ШСНУ, достаточно просто преодолеваются при использовании вращательного движения штанг для передачи энергии ра-
бочему органу, т.е. при использовании поверхностно-приводных штанговых винтовых насосных установок.
Итак, учитывая массовость эксплуатируемых штанговых установок, их широкие функциональные возможности, отвечающие Тенденциям развития нефтедобывающей промышленности, можно констатировать актуальность научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию новой техники добычи высоковязких нефтей, эмульсий и битумов штанговыми насосными установками с поверхностными приводами из наклонно направленных скважин.
Цель работы. На основе теоретических и экспериментальных исследований особенностей работы штанговых насосных установок в наклонно направленных скважинах при добыче высоковязких нефтей разработать уточненные методы расчетов и новые технические решения для улучшения их функциональных возможностей, работоспособности и рентабельности.
Основные задачи работы.
-
Анализ и обобщение современного состояния техники добычи нефти из кустовых наклонных скважин штанговыми насосными установками.
-
Теоретические и экспериментальные исследования осевых и прижимающих сил в штанговой колонне, эксплуатируемой в скважине с мно-гоингервальным профилем.
-
Исследование напряженного состояния элементов штанговой колонны на искривленных и наклонных участках и разработка технических решений для повышения работоспособности нефтепромысловых колонн.
-
Разработка схем, технических проектов и аналитическое исследование кинематики и динамики одно- и двуподвижного безбалансирного группового привода с фазовой регулировкой для кустового расположения скважин.
-
Разработка многоцелевого комплекса промышленных стендов для испытаний механизмов свинчивания и развинчивания штанг и труб с целью повышения работоспособности названных механизмов и резьбовых соединений нефтепромысловых колонн.
-
Разработка поверхностноприводных штанговых винтовых насосных установок для мало- и среднедебитных скважин с высоковязкими флюидами и их промысловые испытания.
Научная новизна. Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлены или уточнены качественные и количественные показатели работы штанговых и трубных колонн в наклонно направленных скважинах при возвратно-поступательных и вращательных движениях, на основе которых разработаны и получены:
закономерности изменения прижимающих и растягивающих усилий в колонне штанг, работающей в скважине с обобщенным профилем в различные моменты цикла работы ШСНУ и винтовых поверхностноприводных установок, легко адаптируемые к конкретному профилю и удобные для расчета на ПЭВМ;
косвенные и прямые способы определения длины сжатого участка колонны штанг при ходе вниз, обеспеченные соответствующими приборами и устройствами;
экспериментально-теоретический способ определения коэффициента трения между штанговой и трубной колоннами в скважинных условиях и получены их значения;
закономерности увеличения сил трения штанговой колонны о трубы за счет желобообразования в процессе эксплуатации, которые предлагается учитывать с помощью приведенных коэффициентов трения, количественно оценены интервалы их изменений, найдены оптимальные соотношения диаметров нефтепромысловых колонн;
- методы расчета сил трепня и принципы конструирования штанго
вых колонн с ленточными вставками и пластинчатыми скребками и их раз-
меоы для применяемых діііімст^ов нясосно-комптїсссогіньгх' mv6:
принципы проектирование поверхностноприяодных штанговых винтовых насосных установок для эксплуатации мало- и среднедебитных скважин в режиме энергосбережения;
решения задач кинематического и динамического исследования двуподвижного безбалансирного группового привода штанговых скважин-ных насосов для кустовых скважин и проанализировано влияние фазовых смещений и конструктивных размеров привода на его технологические возможности.
Основные защищаемые научные положения.
-
Аналитический метод определения прижимающих и продольных сил в насосных штангах, совершающих возвратно-поступательное и вращательное движения.
-
Закономерности изменения сил трения насосных штанг о трубы за счет желобообразования в трубах на участках искривления при всех формах относительного движения.
-
Влияние ленточных вставок и скребков на величины сил трения штанговых колонн о трубы.
-
Научные основы разработки одно- и двухподвижных групповых безбалансирных приводов с фазовой регулировкой, позволяющих использовать эффект интерференции статических и динамических составляющих усилий в насосных штангах кустовых скважин.
5. Принципиально новые технические решения по расширению
функциональных возможностей и работоспособности штанговых насосных
установок.
Практическая ценность.
-
Создан комплекс глубинных автономных динамографов для проведения исследовательских работ на действующих скважинах, с помощью которых подтверждены результаты теоретических исследований. Многолетняя эксплуатация глубинных динамографов позволила получить уникальные объективные сведения о характере распределения усилий в колоннах штанг, что позволило, в свою очередь, углубить теоретические исследования.
-
Разработан метод экспериментально-теоретического определения коэффициента трения в реальных скважинных условиях, реализуемый при использовании глубинных динамографов или специальных устройств для соединения насосных штанг, устанавливаемых в нижней части колонны, в сочетании с поверхностными динамографами.
-
На основе выявленных теоретическими и экспериментальными исследованиями закономерностей разработаны, испытаны и внедрены в нефтедобывающую отрасль замковые опоры гидравлического принципа действия, штанговый насос с гидронагружением и газосепаратором, устройства для соединения насосных штанг, позволяющие существенно, снизить статические и динамические нагрузки на оборудование, расширить функциональные и технологические возможности и работоспособность штанговых насосных установок в любых геолого-физических условиях.
-
Разработаны, изготовлены и более 10 лет эксплуатируются стенды для испытаний и аттестаций механизмов свинчивания насосно-компрессорных труб (НКТ) и насосных штанг, даны практические рекомендации по повышению работоспособности некоторых из этих механизмов, работоспособности и долговечности резьбовых соединений нефтепромысловых колонн.
5. Создана научная база и разработан технический проект группового
безбалансирного привода, а также технологические схемы размещения
этих приводов на кусте. Гибкая система подстройки к промысловым усло
виям и кратное уменьшение металлоёмкости позволяет практически без
дополнительных капитальных затрат перевести действующий фонд сква
жин на безбалансирний способ эксплуатации с минимальным сроком оку
паемости, уменьшить примерно на 50% установленную мощность электро
двигателей.
6. Разработаны, изготовлены и испытаны поверхностноприводные
винтовые насосные установки, защищенные патентами, работоспособные
во всех климатических условиях и обеспечивающие любые эксплуатацион
но-технологические параметры.
Реализация работы в промышленности.
В течение многих лет в системе объединений «Башнефть» и «Таг-нефть» массово внедряются замковые опоры пшравлімеского принципа действия, изготавливаемые серийно и силами НГДУ.
Серийные гидравлические опоры и полная техническая документация после успешной опытной эксплуатации на действующих скважинах с сильным пескопроявлением в объединениях «Эмбанефть» и «Мангышлак-нефть» были переданы указанным объединениям для внедрения собственными силами.
Замковые опоры гидравлического принципа действия различных модификаций дважды демонстрировались на ВДНХ СССР, где авторам, изготовителю (Ишимбайскому машзаводу) и внедрившей организации (объединению «Башнефть») были присуждены по одной серебряной медали (обе соискателю) и около 15 бронзовых.
Стенды для испытаний, исследований и аттестации механизмов свинчивания-развинчивания НКТ и штанг (КШЭ, АШТК, КМУ-50, АПР-
2ВБ, ПБК-4) внедрены и эксплуатируются более 10 лет на Ишимбайском машиностроительном заводе, спещіализирующемся на выпуске указанных механизмов для нефтедобывающей отрасли страны.
Установочная партия поверхнпстноппиио.тоых винтовых насосных установок в порядке опытно-промышленной эксплуатации прошла длительные испытания на различных режимах в скважинах республик Башкортостан, Татарстан, Дагестан, Оренбургской области, доказав эффективность заложенных в конструкцию технических решений. Малая серия доработанных с учетом опытной эксплуатации поверхностноприводных установок универсального типа двух поколений подготовлена к промышленному внедрению.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на:
- I Всесоюзной конференции по динамике, прочности и надежности
нефтепромыслового оборудования (Баку, 1973);
- республиканских научно-технических конференциях в г.Уфе
(1975,1977,1978,1979,1981,1988 гг.);
на ВДНХ СССР (Москва, 1984,1987 гг.;
Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы нефтегазового комплекса России» (Уфа, 1995 г.);
- Всероссийской научно-технической конференции «Информацион
ные и кибернетические системы управления и их элементы» (Уфа, 1995 г.);
- Международной научно-технической конференции «Проблемы
нефтегазового комплекса России» (Уфа, 1998 г.);
- конгрессе нефтегазопромышленников России, секция «Отечествен
ное машиностроение, ВПК, наука в стабилизации и дальнейшем развитии
нефтегазовой отрасли» (Уфа, 1998);
ежегодных научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых Уфимского нефтяного института (УГНТУ ) (Уфа,1980..,1999гг.);
us технических Советах сбьедїіненнн «Башне^ть^ «Эмбяне^ть» «Мангышлакнефть», «Татнефть», «Оренбургнефть», «Салаватнефтемаш», Ишимбайского машиностроительного завода;
Республиканской выставке достижений народного хозяйства;
- Девятом ежегодном международном конгрессе «Новые высокие
технологии для газовой , нефтяной промышленности, энергетики и связи»
(Уфа, 1999);
- секции «Нефть и газ» Академии наук РБ (1996,1997,1998 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы монография, 20
статей, 15 описаний изобретений, защищенных авторскими свидетельствами и патентами, 36 тезисов докладов, в т.ч. 5 на международных конференциях.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глаз, основных выводов и рекомендаций. Работа изложена на 267 страницах машинописного текста, содержит 38 таблиц, 54 рисунка, 7 приложений, библиографический список включает 171 наименование.
Соискатель благодарен за доброжелательное отношение, заинтересованность во внедрении и активную помощь в проведении промысловых исследований кохіектнвам АНК «Башнефть», ОАО «Татнефть» и ОАО «Оренбургнефть», а также за многолетнюю совместную работу и научные консультации заслуженному деятелю науки и техники РФ, заслуженному изобретателю Республики Башкортостан, почетному нефтянику РФ, доктору технических наук, профессору Б.З.Султанову и заслуженному деятелю науки и техники Республики Башкортостан, доктору геолого-минералогических наук, профессору М.А.Токареву.
