Введение к работе
з
Актуальность проблемы.
В настоящее время более 60 % нефтяных скважин на промыслах Российской Федерации оснащены скважинными штанговыми насосными установками (СШНУ). Надежность привода и его функциональные возможности, надежность колонны штанг в осложненных условиях работы и ее ремонтопригодность, являются определяющимися условиями для обеспечения эффективной работы глубинного плунжерного насоса. Поэтому работы, направленные на повышение эффективности эксплуатации глубинных плунжерных насосов являются актуальными.
Цель работы. Обеспечение эффективной работы глубинного плунжерного насоса за счет разработки и совершенствования конструкций и условий работы элементов внутри-скважинного оборудования, а так же улучшения показателей функционального назначения и эксплуатационных характеристик насосных штанг.
Основные задачи исследований:
Анализ причин разрушения насосных штанг, эксплуатируемых на промыслах нефтегазодобывающих предприятий.
Разработка концепции, методов контроля и определения физико-механических и эксплуатационных свойств материала штанг, бывших в эксплуатации.
Разработка методов ремонта бывших в эксплуатации насосных штанг из стали 20Н2М, путем сваривания концевого участка с телом штанги.
Разработка методов и технологических режимов восстановления первоначальной геометрии и упрочнения материала насосных штанг бывших в эксплуатации.
Разработка и совершенствование технических средств, снижающих силовое воздействие на колонну насосных штанг в процессе эксплуатации.
Обоснование основных технических требований, предъявляемых к погружному приводу глубинного насоса на основе линейного асинхронного двигателя (ЛАД) и его разработка.
7. Разработка расчетной модели ЛАД, учитывающей конструктивные особенности
статора и вторичного элемента.
8. Лабораторные и промысловые испытания ЛАД плунжерного насоса.
Методы решения поставленных задач:
Анализ статистических промысловых данных, обработка результатов лабораторных исследований с использованием методов математической статистики.
Литературный поиск аналогов и прототипов разрабатываемых новых технических
4 решений.
3. Конструктивная проработка технических решений, изготовление эксперименталь
ных образцов устройств и их стендовые испытания.
Оптимизация технических решений с использованием компьютерного моделирования и численного анализа.
Промысловые испытания и анализ их результатов с применением методов математической статистики.
Научная новизна работы:
Впервые предложена концепция диагностики насосных штанг на предмет установления дефектов сплошности, неоднородности структуры, физико-механических и эксплуатационных свойств материала штанг неразрушающимися и разрушающимися методами: мапштоиндукционная диагностика материала тела штанги в постоянном магнитном поле при действии растягивающей нагрузки; по уровню шумов Баркгаузена в теле упругодеформируемой штанги, ассиметрично повторяющейся нагрузкой; по виду индикаторной линии приложенной по телу штанги, пластически деформированного действием продольной растягивающей нагрузки и кручением; по виду механической характеристики материала штанги деформируемой действием продольной растягивающей нагрузки до микропластики и по виду механической характеристики материала, в дальнейшем пластически деформируемого действием продольно растягивающей нагрузки и кручения: по характеру изменения напряженности магнитного поля рассеяния от действия продольной растягивающей нагрузки, приложенной к локально намагниченной штанге; по характеру изменения тангенциальной составляющей магнитного поля остаточно намагниченной штанги под нагрузкой как в области упругой, так и пластической ее деформации, что позволяет сделать заключение о существовании необратимых процессов в материале штанги, характеризующих её эксплуатационные свойства.
Установлены два новых фактора, влияющих на работоспособность насосных штанг: протяженный по длине и радиусу металлической штанги слой с пониженной твердостью; обезуглероженный слой с-неоднородной глубиной как по периметру так и по длине штанги, приводящие к снижению ее надежности в эксплуатации.
3. Установлено, что режим одновременной химико-термической обработки концевых
участков штанги и термической обработки тела штанги обеспечивает возможность сварки
при разрыве штанги па границе концевого участка и ее тела.
4. Установлено, что технологический режим, включающий упруго-
микропластическую деформацию тела штанги действием продольной растягивающей на-
5 грузки и кручения, обеспечивает восстановления ее первоначальной геометрии и упрочнение.
Разработана математическая модель условий работы скребков совместно с колонной штанг и на основе ее анализа предложены новые технические решения, конструкции скребков и центраторов.
Разработана математическая модель тепломассообменных процессов в нефтяной скважине, которая позволила разработать новые технические решения, протяженные нагреватели для прогрева оборудования добывающей жидкости.
Впервые обоснованы технические требования, к линейному асинхронному двигателю (ЛАД), используемому в качестве погружного привода плунжерного насоса.
Применительно к ЛАД исследованы и установлены закономерности расхождения между продольными осями зубцов статора и вторичного элемента, найдены условия существования экстремальных значений расхождения. Найдены значения перекрытий для произвольных положений вторичного элемента и на их основе получены данные по выбору рациональной величины зубцового деления статора и вторичного элемента ЛАД.
Основные защищаемые положения:
Факторы, определяющие снижение работоспособности насосных штанг в процессе эксплуатации, и пути повышения эксплуатационных характеристик штанг.
Технологии и технические средства, обеспечивающие увеличение межремонтного периода работы насосных штанг.
Принципы входного контроля насосных штанг разрушающими и неразрушаюшими методами и на их основе выработка критериев для разработки технологий ремонта штанг и технических средств, их реализующих.
Числовые закономерности между элементами зубцово-пазовой структуры статора и вторичного элемента погружного ЛАД плунжерного насоса.
Оптимальные числовые соотношения между величиной зубцового деления статора и вторичного элемента.
Результатами промысловых испытаний и внедрения предложенных технических средств и технологий.
Достоверность полученных результатов. Научные положения и выводы диссертационной работы обоснованы как теоретически, с использованием известных положений механики и тепломассообмена, так и экспериментально, с использованием метрологического поверенного оборудования, с точностью, соответствующей протекаемым процессам в исследуемых и разрабатываемых технологиях. Результаты экспериментальных не-
следований обработаны с использованием стандартных методов математической статистики. Достоверность подтверждается так же сходимостью результатов экспериментальных, лабораторных и промысловых исследований.
Практическая ценность работы. По результатам проведенных исследований разработаны способы и методы определения работоспособности насосных штанг и технические решения, обеспечившие повышение их эксплуатационной характеристики, исходя из экономической и технической целесообразности, подтвержденные результатами их экс-
плуатации в промышленности.
Разработаны и реализованы в промышленных условиях технологии изготовления насосных штанг, обеспечивающие им новые качественные показатели.
Разработаны, обоснованы и реализованы в промышленных условиях (ПО «Перм-нефть», ООО «ПермНИПИнефть», ПО «Белоруснефть», ПО «Укрнефть», ОАО «ЛУКОЙЛ» и т.д.) методы и способы разрушающего и неразрушающего контроля и технические средства, их реализующие (плоский изгиб, изгиб с вращением фрагментов, упругая или упруго-пластическая деформация фрагмента продольной нагрузкой и/или кручением, ускоренные вибродинамические испытания, магнитные методы контроля, включая шумы Баркгаузена).
На основе проведенных научных исследований, технических решений создана концепция инспектирования длинномерных изделий на примере насосных штанг.
Разработаны и реализованы технологии, включающие режимы нагружения, восстановления пространственной геометрии, упрочнения, установления механических характеристик, неразрушающего контроля насосных штанг, бывших в эксплуатации, отечественного и зарубежного производства, и технические средства, используемые в ОАО «ЛУКОЙЛ», ОАО «АПК «Башнефть», ОАО «Татнефть», ОАО «НК «Роснефть», ОАО «Сибнефть», ТНК ВР.
Разработана и обоснована технология ремонта касосно-компрессорных труб, используемая в 000 «Буровая компания «ЕВРАЗИЯ».
Разработаны способы и технические средства (штанговрашатели, штанги со скребками и центраторами), обеспечивающие повышение межремонтного периода работы насосных штанг, нашедшие практическое использование в ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ».
Разработаны способы, технические средства внутрискважинного путевого прогрева жидкости, нашедшие практическое использование в ОАО «ЛУКОЙЛ», ТНК ВР.
Разработаны специальные схемы управления ЛАД в погружном исполнении с дополнительными конструктивными элементами, расширяющими его функциональное предна-
7 значение.
По результатам теоретических и экспериментальных исследований спроектированы, изготовлены и испытаны образцы электроплунжерных агрегатов ЭППА-1 и ЭППА-2 и системы автоматического управления ими (САУЭПА). Экспериментальные исследования агрегатов подтвердили их работоспособность при подъеме жидкости.
Апробация работы. Основное содержание работы докладывалось на конференции «Современные методы и технология борьбы с АСПО в нефтяных скважинах» (ОАО «Пермнефтегеофизика, Пермь, 2006 г.), на научно-технической конференции «Новые методы добычи, подготовки и транспортировки нефти», г.Октябрьский, 2004 г.), на Международной выставке в г. Ганновере (2003 г.), на Всероссийском научно-практическом семинаре «Состояние и перспективы производства отечественного бурового и погружного оборудования» (ООО «ТДСМ», Пермь-Москва, 2003 г.), на III Всероссийской научно-практической конференции «Состояние, задачи и перспективы развития сервисного технического обеспечения» (ЗАО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ», Пермь, 2001 г.), на Международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении» (ТюмГНУ, Тюмень, 2000 г.), на I Пермской научно-практической конференции «Оборудование для нефтяной и газовой промышленности» (Пермь, 2000 г.), на заседании Президиума научно-технического совета АО «НК ЛУКОЙЛ» (г.Москва, 1998 г.), на конференции «Научно-технической прогресс в развитии нефтяной промышленности Пермского Прикамья», («ПермНИПИнефть», Пермь, 1986 г.), на совещании Миннефтепрома СССР (г.Москва, 1981 г.), на 1 Всесоюзной конференции по электроприводам с линейными электродвигателями (г.Киев, 1973 г.).
Об основных результатах исследований докладывалось на НТС Министерства нефтяной промышленности СССР, ПО «Пермнефть» (г.Пермь), ОАО НК «ЛУКОЙЛ» (г.Москва), ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ», материалы и устройства представлялись на международных, всесоюзных, всероссийских, региональных конференциях, ВДНХ СССР и Международной промышленной выставке (г. Ганновер, 2003 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 116 печатных работ, в том числе 9 -в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки; 81 труд, результаты интеллектуальной деятельности, опубликованы в описаниях изобретений, полезных моделей и в программе для ЭВМ, защищенных авторскими свидетельствами СССР, патентами РФ и свидетельством РФ об обязательной регистрации программы для ЭВМ, разработан один стандарт предприятия.
8 Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, восьми
глав, основных выводов, списка литературы, включающего 360 наименований, приложений на 50 стр.
Работа изложена на 343 стр. машинописного текста, содержит 139 рисунков и 35 таблиц.
Автор выражает глубокую благодарность доцентам Г.А. Чазову, В.Е. Калугину, В.В. Пепеляеву, Я.Т. Федоровичу, Н.И. Крысину, профессорам Н.Н. Вассерману, [М.Г. Резину), Ф.Н. Сарапулову, А.Ю. Кошеву, ]С.П. Василевскому|, Е.М. Огаркову, В.Ф. Новикову, директору «Очерский машзавод» А.А.Хохлову, главному инженеру «Очерский машзавод» А.Е.Дюжикову, генеральному директору ЗАО «ИНОКАР» [Н.П.Надымову|, зам. генерального директора ЗАО «Спецмаш» Е.И.Гуревичу, зав. лабораторией ООО «ПермНИПИ-нефть» Ю.А.Васеву, руководству и сотрудникам «ПермНИПИнефть», в особенности специалистам и сотрудникам отдела «Техника и технология добычи нефти и газа», управления «Проектирование и строительство скважин», специалистам кафедры сопротивления материалов и кафедры МТО ПГТУ, 000 «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ», ОАО «Очерский машзавод», ОАО «Мотовилихинские заводы», ЗАО «ИНОКАР», 000 «ИНОКАР-Сервис» за оказанную помощь при проведении лабораторных и промышленных исследований и испытаний.
Похожие диссертации на Технологические процессы и технические средства, обеспечивающие эффективную работу глубинного плунжерного насоса
