Введение к работе
Актуальность проблемы
Подавляющее большинство месторождений, находящихся в разработке, вступили в позднюю или завершающую стадию эксплуатации. Продукция таких скважин характеризуется высокой обводненностью, малой смазывающей способностью и содержит большое количество механических примесей, солей и так далее. Новые месторождения имеют, в основном, трудноизвлекаемые нефти, что требует проведения огромного числа геолого-технических мероприятий (ГТМ), в том числе гидроразрывы пластов (ГРП). Используемые для глушения скважин, при проведении ГТМ, растворы зачастую содержат сверхнормативное количество механических примесей. Продукция скважин после проведения ГРП в течение длительного периода содержит большое количество проппантов. Ситуация усугубляется искривленностью стволов скважин, так как не одно десятилетие используется кустовое размещение скважин с наклонно направленными профилями со значительными смещениями, что продиктовано экологическими, технологическими и экономическими требованиями.
Перечисленные факторы приводят к росту сил и моментов трения штанг о насосно-компрессорные трубы (НКТ), образованию свищей и желобов в НКТ, к обрывам и отворотам штанг и НКТ, то есть к наиболее тяжелым видам аварий установок скважинных штанговых насосов (УСШН). Кинематическое несовершенство станков-качалок и недозаполнение жидкостью цилиндра насоса из-за наличия газа вызывают инерционные и ударные нагрузки, влияют на напряженное состояние и работоспособность штанг. Поэтому совершенствование оборудования УСШН, которыми оснащены до 40% фонда действующих скважин России, а на некоторых месторождениях до 70-80%, для повышения их работоспособности и ресурса, является актуальным.
Цель работы
Повышение работоспособности установок скважинных штанговых насосов за счет снижения напряженного состояния звеньев механизма привода на основе его совершенствования.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие основные задачи:
1 Анализ работы штанговых колонн в искривленных и наклонно направленных скважинах.
2 Разработка штангового поверхностного моментомера.
3 Разработка оперативного малозатратного экспериментально-аналитического метода оценки величины крутящего момента, действующего на верхнем конце полированного штока.
4 Разработка технических средств для повышении работоспособности установок скважинных штанговых насосов.
Методы решения поставленных задач
1 Анализ публикаций, патентов и промысловых данных по аварийности УСШН и по техническим средствам для их снижения.
2 Аналитические, экспериментальные и экспериментально-аналитические исследования крутящих моментов, действующих в колонне.
3 Конструкторская проработка предложенных технических решений и опытно-промышленная проверка реализованности заложенных в них идей.
Научная новизна
1 Разработан экспериментально-аналитический метод определения воспринимаемого полированным штоком результирующего крутящего момента от колонны штанг.
2 Аналитически обосновано и экспериментально доказано, что для повышения работоспособности насосных штанг за счет снижения напряженного состояния необходимо конструировать колонну штанг из автономных во вращательном движении интервалов.
3 Установлено, что для минимизации напряжений кручения в штангах необходимо в пространственных шарнирах с трением скольжения во вращательной кинематической паре обеспечить предельно близкое к единице отношение диаметра опорной поверхности сферической головки укороченной штанги к конструктивному диаметру её стержневой части.
Практическая ценность
Разработана конструкция автономного моментомера, устанавливаемого на канатной подвеске, позволяющего замерять крутящий момент на полированном штоке УСШН. Апробация на действующих установках подтвердила работоспособность и безотказность моментомера.
Разработан и испытан на действующих скважинах комплекс технических средств, минимизирующих напряжения кручения в штангах и момент, действующий на их развинчивание в процессе эксплуатации:
- штанговая колонна, содержащая в своем составе универсальные штанговые шарниры для УСШН со вставными и невставными насосами, защищенная патентом РФ на изобретение №2310733; эксплуатация опытной партии в течение 2007-2011 годов на скважинах с высокоаварийными колоннами позволила увеличить межремонтный период более чем в 2,3 раза и получить экономический эффект в размере 5 860 тыс.рублей;
- канатная подвеска со встроенным подшипниковым узлом, обеспечившая практически трехкратное увеличение межремонтного периода колонны штанг на высокоаварийных скважинах;
- групповой привод штанговых насосов (патент РФ №2347946 на изобретение) с использованием пары «длинный цилиндр – короткий шток» в качестве устьевого сальника, обеспечившей минимальный момент сопротивления повороту колонны штанг и высокое качество герметизации;
- установка скважинного штангового вставного насоса (полезная модель №24862), позволяющая исключить операцию «глушения» скважин при проведении ремонтных работ и повышенные нагрузки на звенья механизма привода в период выхода скважины на установившийся режим работы.
На защиту выносятся результаты аналитических и экспериментальных исследований напряженного состояния штанг, новые технические решения по оперативному контролю работы штанговых колонн и по увеличению межремонтного периода УСШН.
Апробация работы
Основное содержание диссертации докладывалось и обсуждалось на научно-практической конференции, посвященной 70-летию башкирской нефти (г.Уфа, 2002г.), научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» (г.Уфа, 2008г.), научно-технических советах НГДУ «Нижнесортымскнефть» (2002-2010г.г.), семинарах кафедры «Горная и прикладная механика» (переименованной после реорганизации в кафедру «Механика и конструирование машин») УГНТУ в 2002-2011годах.
Публикации
Основное содержание опубликовано в 8 печатных трудах, в том числе в 5 статьях, 3 из которых в рецензируемых научных изданиях, 2 патентах на изобретения и одном свидетельстве на полезную модель.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованной литературы из 112 наименований, 5 приложений и изложена на 123 листах машинописного текста, включая 25 рисунков и 10 таблиц.
