Содержание к диссертации
Введение
Обзор литературы связанной, с винтовыми насосными установками с приводом поверхностного типа 8
Обзор работ посвященных работе вращательной колонны штанг 8
Винтовая насосная установка с поверхностным приводом конструкции УГНТУ 14
Отечественные насосные штанги для винтовых насосов с поверхностным приводом 17
Зарубежные насосные штанги для винтовых насосов с поверхностным приводом 24
Постановка цели задач исследований 28
Выводы по первой главе 28
Разработка программы для проектирования штанговой колонны 30
Разработка математической модели «Винтовой насос - колонна штанг — колонна НКТ» 30
1 Нахождение момента вращения штанговой колонны 33
2 Момент, затрачиваемый на трение ротора в статоре 34
3 Момент, затрачиваемый на подъём скважиннои жидкости 36
4 Момент сопротивления вращению штанг в скважиннои жидкости 37
5 Момент сопротивлению вращению штанг на участках набора и стабилизации угла искривления скважины 39
Расчёт необходимой мощности электродвигателя для привода УНВП 41
Обоснование прочности материала штанг 45
Исследование математической модели работы штанговой колонны в скважине 47
1 Влияние числа оборотов штанговой колонны на затрачиваемые мощность и крутящий момент . 48
2 Влияние динамического уровня в скважине на затрачиваемые мощность и крутящий момент 50
3 Влияние глубины подвеса насоса в скважине на затрачиваемую мощность и момент сопротивления 52
4 Влияние устьевого давления в скважине на затрачиваемую мощность и момент сопротивления 54
5 Влияние плотности скважиннои жидкости в скважине на затрачиваемую мощность и момент сопротивления 56
6 Влияние давления, развиваемого винтовым насосом на затрачиваемую мощность и момент сопротивления 58
7 Влияние натяга винта в статоре винтового насоса на затрачиваемую мощность и момент сопротивления 60
8 Влияние диаметра штанг на затрачиваемую мощность и момент сопротивления 62
Выводы по второй главе 64
Разработка методов защиты колонны штанг от перегрузок 65
1 Станция управления ВМС-1УП 66
2 Предохранительная шариковая муфта 68
3 Выводы по третьей главе 76
Внедрение результатов расчета на промыслах 77
1 Выводы по четвертой главе 87
Основные выводы 88
Список использованной литературы
- Винтовая насосная установка с поверхностным приводом конструкции УГНТУ
- Момент, затрачиваемый на трение ротора в статоре
- Влияние динамического уровня в скважине на затрачиваемые мощность и крутящий момент
- Предохранительная шариковая муфта
Введение к работе
Актуальность проблемы
В условиях, когда фонд скважин, продуцирующих высоковязкую жидкость растёт, наиболее эффективным, а иногда и единственно возможным, становится добыча нефти с помощью винтовых насосных установок. Но винтовые насосные установки с погружным электродвигателем имеют большую сложность в обслуживании в виду того, что возможно при спуске и подъёме повреждение кабеля. Применение поверхностного привода позволяет использовать менее дорогостоящее оборудование, например, обычный промышленный электродвигатель, что приводит к улучшению условий обслуживания оборудования. В винтовых насосных установках с поверхностным приводом самым слабым звеном становятся колонны штанг, которые часто рвутся ввиду перегрузок и заклинивания винта в обойме насоса. Исходя из вышеизложенного, вопрос надёжности штанговой колонны является основной нерешенной задачей при эксплуатации винтовых насосных установок с поверхностным приводом. В России использование поверхностноприводных винтовых насосных установок ограничено, но за границей их использование достигло высокого уровня. Так, в Канаде уже более 33% скважин эксплуатируются винтовыми насосными установками с поверхностным приводом. Поэтому за рубежом вопросами выбора и расчета вращающих штанговых колонн занимаются многие фирмы. Это выражается в разработке различных программ для выбора и проектирования скважинных компоновок. Но в открытой печати они не публикуются. В России так же те предприятия, которые занимаются поверхностноприводными винтовыми насосными установками не публикуют программный материал. В связи с этим возникает необходимость рассмотрения этих вопросов на основании значительных материалов, полученных при работе колонны бурильных труб при роторном бурении и внедрении винтовых насосных установок с поверхностным приводом типа УНВП.
Цель работы
Снижение аварийности штанговой колонны винтовой насосной установки с поверхностным приводом путём оптимального выбора штанг, электродвигателя и совершенствования их защиты.
Задачи исследования
Создание программного обеспечения, на основе математической модели системы «Винтовой насос - колонна штанг - колонна НКТ», позволяющего подбирать скважинное и поверхностное оборудование.
Исследование математической модели системы «винтовой насос -колонна штанг - колонна НКТ» и установление зависимостей от частоты вращения, динамического уровня в скважине, плотности и вязкости скважиннои жидкости, давления на устье, диаметра штанг, натяга винта в обойме статорам давления, развиваемого насосом.
Обоснование и разработка конструкции механического устройства, снижающего крутящий момент с последующим отключением электродвигателя при заклинивании колонны.
Разработка рекомендаций по выбору параметров штангового привода.
Научная новизна
1. Разработано программное обеспечение, на основе математической модели системы «винтовой насос - колонна штанг - колонна НКТ» для вертикальной и трехинтервальной скважин, позволяющая определить крутящий момент в колонне штанг и затрачиваемую на вращение мощность на вертикальном участке, участке набора кривизны и наклонного участка наклонно-направленной скважины с учетом веса штанг, гидравлической нагрузки на винт, трения штанг по участкам скважины и трения ротора в статоре насоса.
Выявлены зависимости системы «винтовой насос — колонна штанг — колонна НКТ» в наклонно-направленной скважине от частоты вращения, динамического уровня в скважине, плотности и вязкости скважинкой жидкости, давления на устье, диаметра штанг, натяга винта в обойме статора и давления, развиваемого насосом.
Аналитически установлено распределение мощности и момента по участкам вертикальной и наклонно-направленной скважины. Выведена зависимость механических потерь привода от частоты вращения.
Теоретическая и практическая ценность работы
Разработано программное обеспечение по выбору штанговой колонны и электродвигателя для вертикальных и трехинтервальных скважин, основанное на математической модели системы «винтовой насос - колонна штанг - колонна НКТ».
Разработаны рекомендации по выбору штанговой колонны и поверхностного привода винтовой насосной установки для вертикальных и наклонно-направленных скважин. Результаты расчета программы внедрены на скв. 9008 НГДУ «Заинскнефть» ООО «Татнефть», скв. 2160 филиала ОАО «АНК «Башнефть» «Башнефть-Уфа» Туймазинский УДНГ и скв. 1657 НГДУ «Бузулукнефть» ОАО «Оренбургнефть», что подтверждается соответствующими актами.
Апробация работы
Результаты исследований докладывались:
- на Всероссийской научно-методической конференции (г. Уфа, 2002 г.).
- на 53-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и
молодых учёных УГНТУ (г. Уфа, 2002 г.).
- на Всероссийской научно-методической конференции (г. Уфа, 2002 г.).
- на Научно-практической конференции, посвященной 70-летию
башкирской нефти (г. Уфа, 2002 г.).
- на II Всероссийской учебно-научно-методической конференции (г. Уфа,
2003 г.).
- на 55-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и
молодых учёных (г. Уфа, 2004 г.)
Публикации
Основные результаты диссертационной работы изложены в семи печатных трудах.
Работа выполнена в Уфимском государственном нефтяном техническом университете в 2001-2004 гг.
Винтовая насосная установка с поверхностным приводом конструкции УГНТУ
Для создания винтовой насосной установки с поверхностным приводом сотрудниками Уфимского государственного нефтяного технического университета с 1980 по 1994 год проводились опытно-конструкторские работы. В результате была сконструирована насосная установка, привод которой представляет собой двухступенчатую зубчатую передачу, обладающая рядом преимуществ по сравнению с зарубежными установками аналогичного типа:
1. она не требует замедлителей обратного вращения, без которых отключение привода зарубежных производителей, зачастую включающие в себя ременную передачу, приводит к отвороту штанг и труб;
2. не имеет ограничение по мощности электродвигателя, т.к. с увеличением мощности, в ременных передачах, растет потребное количество ремней и диаметры шкивов;
3. не создается дополнительная нагрузка на вал, которая в ременных передачах превышает зубчатую в пять раз;
4. зубчатая передача неприхотлива в эксплуатации, тогда как ременная требует регулярную замену ремней, защиту от попадания масел и нефтей, регулировку натяжения ремней;
5. не образуется статическое электричество, которое в зарубежных приводах может привести к пожару или взрыву на скважине.
Винтовая насосная установка (рисунок 1.2) состоит из наземного и глубинного скважинного оборудования. В скважинное оборудование входит винтовой насос, снабженный на приемной части обратным клапаном, механический якорь, не дающий колонне НКТ отворачиваться. Ротор насоса спускается в скважину на колонне штанг, а статор на колонне НКТ, которая закрепляется в колонной головке.
Поверхностное оборудование винтовой насосной установки состоит из устьевого сальникового превентора, вращателя с модульной вставкой и электродвигателя. Особенностью привода является то, что он обладает возможностью ступенчатого и плавного регулирования частоты вращения приводной штанговой колонны за счет изменения передаточного отношения в редукторах в широких пределах. Опытная эксплуатация винтовой насосной установки УНВП доказала ее работоспособность и надежность.
Насосные штанги традиционно предназначались для того, чтобы передавать вертикальное перемещение от станка-качалки к забойному плунжерному насосу. В такой конфигурации штанги подвергаются осевой циклической нагрузке и изгибающей, при потере устойчивости колонны, например в наклонно-направленных скважинах. Те же самые штанги используются в установке винтового насоса, чтобы передавать вращательное движение от наземного механического привода к ротору насоса. В этой новой конфигурации силы, прилагаемые к штангам, различны. Они состоят трех составляющих: - осевой нагрузки; - начального крутящего момента; - крутящего момента, который передает вращательное движение.
Эти силы вызывают напряжение в штангах. Чтобы предотвратить отказы штанг это напряжение должно удерживаться ниже максимально допустимого значения. Максимальное напряжение достигается наверху колонны насосных штанг, где и осевая нагрузка и вращающий момент максимальны.
Осевая нагрузка состоит из двух составляющих: 1) Вес колонны насосных штанг в скважинной жидкости. Этот вес зависит от следующих параметров: - длины колонны насосных штанг, то есть глубины спуска насоса; - диаметра штанг; - от плотности скважинного флюида. 2) Сила, создаваемая гидравлической нагрузкой на винт.
Эта сила аналогична создаваемой гидравлической нагрузкой на поршень поршневого насоса.
Поэтому понятие "эквивалентная площадь поршня" применимо только к ротору и используется для определения гидравлической силы. Эта сила зависит от: - глубины спуска винтового насоса в скважину; - динамического уровня; - площади поперечного сечения винта; - эксцентриситета. Крутящий момент также состоит из двух составляющих:
1) Крутящий момент, необходимый ротору, чтобы преодолевать гидравлическую нагрузку и поднимать скважинную жидкость.
Он пропорционален: - объемной производительности насоса, - гидравлической силы, - эквивалентной площади поршня.
2) Момент трения, который является крутящим моментом, создаваемым на вращающейся колонне насосных штанг ее трением о скважинную жидкость.
Он пропорционален: - вязкости скважинного флюида, - скорости вращения, - диаметру штанги, - длине колонны насосных штанг.
Он является также функцией толщины кольцевого пространства между штангами и насосно-компрессорными трубами.
В связи с повышающимся спросом на винтовые насосы, возобновились и работы по выбору и разработки новых типов штанг. В работе [10] авторы подвергли критике используемые в настоящее время штанги длиной 8 м (ГОСТ 13877-80[11]) и 7.62 м (стандарт АНИ 11В). Они утверждают, что современные штанги с обычными соединительными узлами и составленные из них штанговые колонны практически непригодны к эксплуатации с верхнеприводными штанговыми насосами в наклонно-направленных скважинах, имеющих винтообразный профиль и малый диаметр лифтовой колонны
Момент, затрачиваемый на трение ротора в статоре
В общем виде формула общего осевого усилия выглядит таким образом [56]: G = GX+G2 + GU (2.5) где G, - составляющая при перемещении замкнутых объёмов жидкости в обойме насоса; G2 - составляющая от полусухого трения набегающих криволинейных поверхностей винта по поверхности обоймы, или составляющая от скольжения одной поверхности по другой в осевом направлении и от так называемого «эффекта набегания»; (7Э - составляющая от разности давлений жидкости в нагнетательной и всасывающей частях насоса, или составляющая от давления, развиваемого насосом. Составляющая осевого давления G,, когда в паре обойма-винт имеется зазор: где {і - абсолютная вязкость жидкости; п - частота вращения ротора, об/мин; L - длина рабочей части обоймы, м; Т - шаг обоймы, м; 8 - линейная деформация обоймы, м; є - эксцентриситет, м.
При натяге в паре обойма-винт составляющая G, равна нулю. В свою очередь G2 находится следующим образом. G2=GT+GM, (2.7) где Gr - сила от полусухого трения поверхности винта по поверхности обоймы, когда винт, совершая планетарное движение, нажимает на обойму под действием центробежной силы; G/( - сила реакции гребней обоймы, действующая по оси винта и появляющаяся от набегания поверхности его гребней по поверхности гребней обоймы. лъ-п2-г2-е-у1 т 3600-g У (2-8) где у - плотность материала винта кг/м ; / - коэффициент трения ротора о резиновую обойму статора.
Сила реакции гребней обоймы находится из следующей формулы: где Ъ = 42-S-r-S1 - половина ширины прямоугольника поверхности контакта цилиндра и плоскости; Ія-L I , t2 l = =Z-?-Ae у, . 2 - длина спирали из центров сечения винта; / - шаг винта, м; С и В - постоянные для резины обоймы; h - средняя толщина слоя резины, м.
Для случая с зазором сила реакции гребней равна нулю. Третья составляющая G3 определяется из следующего выражения G3=P,r(x-r2+%-e-r), (2.10) где Ри - давление, развиваемое насосом, Па. Таким образом, для общего случая формула общего осевого усилия находится следующим образом; при зазоре в паре обойма-винт .3 Л „2 G=jlJLj;.(6,r+8.e)+g -L-g-y./+ftf.(g.r2+8.g.f.) (2 11) 60- 3600-g при натяге в паре обойма-винт _ л -п2-г1-L-e-y , г Л Ъ-1 . С-8 л _ , 2 „ ч ,л ,лч 3600-# 2 5 + 5-/г " . -1 И в конечном счёте формула момента примет следующий вид М,= )+Ри(яг +%ег) (2.13) пгп2г21еу яЫ, CS 3600g 2 S+ Bh
Для нахождения Мг воспользуемся формулами, определяющими рабочие параметры гидравлических машин при известных значениях подачи и напора насоса М2 = p-g-H-Q (2.14) __2L P-g где Н - напор, развиваемый насосом, м Р. Н = Нд + (2.15) где Нд -динамический уровень в скважине, м; Ру - давление на устье скважины, Па; Q - подача насоса, представим в следующем виде _ S-e-r-й) Q = (2.16) 7]n - коэффициент полезного действия винтовой пары, учитывающий потери на трение ротора в статоре, гидравлические и объёмные потери; а) - угловая скорость вращения винта о)= . (2.17) 30 v
Несовпадение расчётных данных с замеренными показателями затрат мощности на вращение колонны штанг зачастую связано с тем, что в расчётных формулах не учитываются затраты мощности на трение штанговой колонны в скважиннои жидкости (т.е. неучёт момента сил сопротивления, создаваемого скважиннои жидкостью провороту колонны).
Влияние динамического уровня в скважине на затрачиваемые мощность и крутящий момент
Отношение момента сопротивления и потребляемой мощности от глубины подвеса насоса, так же представляет собой линейную зависимость, но более пологую. Как видно из рисунка 2.5 и таблицы 2.4 увеличение глубины подвеса насоса не приводит к значительному росту момента и мощности (на каждые 100 м прирост мощности и момента составляет 3%). Из опытной эксплуатации винтовых насосных установок с поверхностным приводом типа УНВП обычными штангами, предназначенными для передачи возвратно-поступательного движения, было выявлено, что увеличение глубины подвеса ниже уровня в 1000 м нецелесообразно, т.к. приводит к увеличению аварий, связанных с обрывами штанг.
Влияние устьевого давления в скважине на момент сопротивления ограничивается только моментом, затрачиваемым на подъем скважиннои жидкости и выглядит линейно. Устьевое давление создает, иногда, значительное противодавление движению скважиннои жидкости на поверхность, что приводит к возрастанию момента сопротивления и, как следствие, к увеличению мощности, необходимой для эксплуатации установки. Из таблицы 2.5 видно, что прирост момента и мощности на 1 МПа устьевого давления составляет 9%.
Как показывают рисунок 2.7 и таблица 2.6 увеличение плотности скважиннои жидкости приводит к пропорциональному увеличению, как момента сопротивления, так и потребляемой мощности. Чем тяжелее жидкость, тем больше усилия надо затратить на его подъем.
Зависимость потребляемой мощности и момента сопротивления вращению к натягу в насосе представляет собой параболическую зависимость. Увеличение натяга выше 1,5 мм приводит не только к неоправданному росту затрат мощности, но и к увеличению шансов заклинивания винтовой пары, что приведет к обрыву насосных штанг.
Зависимость необходимой мощности и момента сопротивления от диаметра штанг неявная степенная. Увеличение диаметра штанг не оказывает существенного влияния на затрачиваемую мощность, но значительно увеличивает запас прочности штанговой колонны, поэтому желательно составлять колонну из штанг большего диаметра. 1 Исследована динамика системы «винтовой насос - штанговая колонна колонна НКТ»: 1.1 Разработана математическая модель работы системы «винтовой насос - штанговая колонна - колонна НКТ». 1.2 Разработан алгоритм решения данной системы. 1.3 На основе алгоритма написана программа на языке программирования «Object Pascal» в среде «Borland Delphi», с помощью которой можно получить результаты, как, в табличном виде, так, и в графическом.
2 Разработаны программы и рекомендации по выбору штангового привода винтовой насосной установки.
На сегодняшний день существуют три направления развития систем защиты: — электромеханические; — электронные; — механические.
К первой группе относятся электромеханические системы, которые осуществляют контроль величины тока нагрузки и отключают питающую сеть при перегрузках и коротких замыканиях (автоматический выключатель с тепловым и электромагнитным расцепителями).
К электронным средствам защиты в настоящее время относятся различные методы определения режима работы двигателя. Наибольшее распространение получили два метода: угло-фазовый метод, реализованный в большинстве импортных дорогостоящих устройств, и метод контроля параметров двигателя по величине действующего тока в каждой из питающих фаз. В подпункте 3.1 приведено описание блочно-модульной станции управления БМС-1УП, разработанной по второму методу.
Различные электромеханические и электронные способы защиты не всегда срабатывают удовлетворительно т.к. подвержены влиянию помех в сети. Электронные способы к тому же весьма дороги в исполнении. Поэтому был разработан механический способ защиты электродвигателя от перегрузок, представленный в подпункте 3.2. К его плюсам можно отнести простоту изготовления, экономичность, гораздо высокую точность срабатывания, чем при первых двух способах.
Сотрудниками каф. НПМ (НГПО) совместно с «Отдельного конструкторского бюро нефтяного приборостроения» была разработана блочно-модульная станция управления БМС-1УП. Станция предназначена для управления и контроля. работы электродвигателя привода штанговых насосов (в частности УНВП).
Конструктивно станция выполнена в виде металлического шкафа, в котором расположена силовая панель, на которой расположены модули управления и силовые элементы. На боковых стенках расположены органы управления. На дне - устройство ввода-вывода кабелей, ввод расположен слева, вывод — справа. Для подачи электропитания и управления работой станции на правой боковой стенке имеется ручка ПИТАНИЕ 3 50 Гц 380 В. Органы контроля и управления расположены на дверях станции и закрыты крышкой. На левой боковой стенке расположена ручка для подачи напряжения на разъем ПРС 3-50 Гц 380 В и сам разъём.
Станция обеспечивает следующие режимы управления работой электродвигателя:
1. включение и отключение электродвигателя, подключенного к станции по трехпроводной схеме;
2. включение электродвигателя через заданное время самозапуска при восстановлении напряжения питающей сети после перерыва в снабжении электроэнергией, если электродвигатель был включен. Время задержки самозапуска 3...100 с;
3. отключение электродвигателя при аварийных ситуациях с индикацией причины отключения.
Предохранительная шариковая муфта
Мы, нижеподписавшиеся, составили акт о результатах опытной эксплуатации винтовой насосной установки типа УНВП.
Винтовая насосная установка предназначена для добычи высоковязких нефтей при помощи винтового насоса типа НВ-108.10.2 и поверхностного привода.
1. Предмет испытаний
Программа для расчета штанговой колонны была разработана в результате трехлетней работы аспирантом Сидоркиным Д.И. и профессором Султановым Б.З. с 2001 по 2004 гг. Программа составлена на основе решения математической модели системы «Винтовой насос - колонна штанг - колонна НКТ». Данная программа позволяет определить мощность двигателя поверхностного привода и крутящий момент в колонне штанг на различных участках скважины с учетом веса штанг, гидравлической нагрузки на винт и трения штанг по участкам скважины и ротора в статоре насоса.
2. Цель и задачи проведення испытаний
Промысловые испытания насосной установки УНВП 1000/20 проводятся с целью установления работоспособности выбранного программой оборудования в промысловых условиях эксплуатации.
Задачами испытаний является определение соответствия характеристики привода расчетным как по рабочим, так и по прочностным показателям.
3. Методика проведения промысловых испытаний
Для решения поставленных задач на скважине 2160 Туймазинского цеха по добыче нефти и газа №1 (ТЦНГ-1) была смонтирована винтовая насосная установка с поверхностным приводом типа УНВП 1000/20. По данным скважины программой расчета была определена мощность электродвигателя поверхностного привода. В ходе работы электродвигатель будет неоднократно проверяться на перегрев.
4. Объект проведения испытания Характеристика скважины: Скважина Глубина скважины Пластовое давление Коэффициент продуктивности Обводнённость Дебит жидкости Дебит нефти
Статический уровень/Рзэтр Динамический уровень/Рїатр Интервал перфорации Обсадная колонна Буферное давление Наличие сероводорода Плотность нефти при н.у. Плотность воды при н.у. Плотность газа при н.у. Вязкость нефти Давление насыщения Газовый фактор Температура пласта Содержание азота Отложение мех. примесей Отложение солей Отложение парафина 2160 L=1143 м; Рпл-9,5 МПа; 0,03 м3/сут-Ат 97%; Q=18 м3/сут; QH=0.48 м7сут; Нет=190 м/0.04 МПа; Нд=861м/1,1 МПа; 1080,6.,.1091,6 м; 146 х 8 мм; Рб=3,5 МПа; не обнаружено. рн=864 кг/м3; рв=1110кг/м3; рг=1,05 кг/м3; =12,4 мПа-с; Рнад=5,37 МПа; 20 NTVM3; їпл=18"С; 12%; не обнаружено; не обнаружено; не обнаружено.
Скважина (таблица 1), по зенитному углу, представляет собой вертикальную скважину. Но по азимуту она искривляется в достаточно широких пределах и скважина представляет собой спираль. Такой профиль скважины создает дополнительные сопротивления при вращении штанговой колонны винтовой насосной установки с поверхностным приводом. 5. Результаты промысловых испытаний
По результатам расчета данной программы, для этой скважины был проведен расчет затрачиваемой мощности при различных числах оборота. Результат расчета представлен в таблицу 2.
Как видно из таблицы 2 запас прочности (в первых трёх случаях) не ниже 1.5, что достаточно. Относительно низкий коэффициент запаса на этой скважине объясняется экстремально высоким устьевым давлением (30-35 атм) и изменением в широких пределах азимутального угла скважины, что в значительной степени осложняет условия работы насосной установки.
По результатам расчета было принято решение эксплуатировать скважину при 100 об/мин (т.е. подача составит 8 м3/сут), выбрать штанги ШН-22 (длина 8 м, материал сталь 45 ГОСТ 1050-74, твердость поверхности
HRC 50-58» временное сопротивление разрыву 8100 МПа, предел текучести 5890 МПа) и установить двигатель мощностью 7.5 кВт, частотой вращения 1500 мин"1.
В течение года регулярно проверялся электродвигатель. Средняя температура двигателя составила 20С. Что подтверждает правильность выбора двигателя для поверхностного привода. б. Выводы 1. Программа для расчета штанговой колонны вполне работоспособна. 2. Программа для расчета штанговой колонны может быть рекомендована для внедрения па нефтяных промыслах для выбора оборудования винтовых насосных установок с поверхностным приводом для вертикальных и наклонно-направленных скважин.