Введение к работе
Актуальность проблемы. Открытие й вовлечение в разработку новых месторождений высоковязких нефтей ставит в последнее время вопрос подъема таких нефтей на поверхность особенно остро.
В результате полувекового опыта эксплуатации скважин с высоковязкой нефтью во всем мире было испытано и применялось множество различных способов и технических средств добычи высоковязкой нефти. Наибольшее распространение получили установки скважинных штанговых насосов (УСШН).
Другим распространенным способом добычи высоковязкой нефти в последнее время становятся установки винтовых насосов с поверхностным приводом и электропогружные.
Остальные способы, в том числе с применением УЭЦН, не нашли широкого применения, либо находятся в стадии доработки и опытно-промышленного внедрения.
В тоже время, практика эксплуатации скважин с высоковязкой нефтью показала значительные осложнения в процессе подъема продукции насосным оборудованием всеми перечисленными способами. Так, эксплуатация скважин штанговыми глубинонасосными установками осложнена силами гидродинамического трения между движущимися штангами и нефтью, трения плунжера в цилиндре, что может приводить к рассогласованию движения головки балансира станка-качалки и колонны штанг, возникновению знакопеременных нагрузок и, как следствие, преждевременному отказу станка-качалки (СК) или обрыву штанг.
Параметры работы центробежных насосов существенно зависят от вязкости откачиваемой жидкости. При откачке высоковязкой нефти установками ЭЦН значительно увеличивается потребляемая мощность, что приводит к перегрузке двигателя, его отключению или даже отказу, а также к слому вала насоса. По этой причине большинство попыток применения УЭЦН для добычи высоковязкой нефти оказались неудачными.
Применение установок электропогружных винтовых насосов, хотя и позволяет откачивать высоковязкую продукцию, имеет ряд существенных недостатков, связанных с низкой надежностью резиновых обойм и труднопрогнозируемым изменением подачи насоса в процессе износа обойм и при изменении обводненности продукции скважин.
Стало очевидным, что для повышения надежности работы всех способов добычи тяжелой нефти необходимо провести комплексное исследование процессов, происходящих в скважинах при механизированной добыче высоковязкой нефти и параметров работы установок в реальных скважинных условиях.
Крупнейшим месторождением высоковязкой нефти в России, разрабатываемым с применением механизированных способов эксплуатации скважин, является пермокар-боновая залежь Усинского месторождения (Республика Коми). Вязкость нефти в пластовых условиях достигает 0.7-1.0 Па)$с, в поверхностных - 5-6 Па^с. Залежь разрабатывается как на естественном режиме, так и с применением термических методов повышения нефтеотдачи пластов. Обводненность продукции скважин от 0 до 99%, дебиты скважин от 5 до 300 т/сут.
Перечисленные особенности пермокарбоновой залежи создают необходимое для изучения и решения поставленной проблемы разнообразие скважинных условий и свойств откачиваемой продукции.
Исходя из вышесказанного, целью работы является:
-
Экспериментальное изучение процесса движения высоковязкой продукции в реальных скважинных условиях.
-
Экспериментальное изучение параметров работы установок СШН и ЭЦН откачивающих высоковязкую продукцию.
3. Обоснование методик расчета параметров работы и областей применения установок СШН и ЭЦН для условий скважин пермокарбоновой залежи Усинского месторождения.
Поставленные задачи исследований:
1. Инструментальный замер давления и температуры на
выкиде насосов и по длине НКТ в скважинах, оборудован
ных электропогружными установками. Исследование ди
намики изменения давления на выкиде насоса в процессе
пуска и работы после подземного ремонта и после остано
вок различной продолжительности, а также адаптация
методики расчета параметров движения продукции в под
ъемных трубах.
2. Измерение нагрузок на головку балансира станка-
качалки при работе установок СШН с насосами различных
конструкций; определение сил гидродинамического трения
штанг и обоснование методики их расчета; определение
предельных значений длины хода полированного штока и
частоты качаний головки балансира станка-качалки и обос
нование рекомендаций по подбору У СШН.
3. Инструментальные измерения производитель
ности, развиваемого напора, температуры на выкиде
ЭЦН, электрических параметров и построение Q - Н
характеристики при работе ЭЦН в различных сква
жинных условиях; обоснование методики пересчета
водяной характеристики центробежного насоса на
высоковязкую жидкость.
4. Обоснование области применения установок СШН и
ЭЦН в скважинах пермокарбоновой залежи Усинского
месторождения и основных критериев подбора установок
для различных скважинных условий.
Методы решения поставленных задач
-
Для обеспечения возможности интерпретации результатов измерений в реальных скважинных условиях адаптированы методики расчета физико-химических свойств нефти и газожидкостных смесей, а также параметров движения продукции в подъемных трубах.
-
При исследовании установок СШН реализована схема
исследований, позволившая регулировать частоту качаний станка-качалки преобразователем частоты тока (ПЧТ) и производить непрерывное измерение нагрузок с помощью тензодатчика, закрепленного на полированном штоке.
3. Для исследования параметров работы установок ЭЦН
разработаны и реализованы схема исследований и мето
дика проведения измерений, позволившие измерять и
регистрировать:
внутрискважинные параметры (давление на приеме насоса, давление и температуру на выкиде насоса и по длине НКТ),
устьевые параметры и производительность насоса,
электрические параметры работы электропогружной установки (рабочий ток двигателя, напряжение сети и COS[cp]).
4. На основе анализа результатов экспериментальных и
теоретических исследований обоснована методика расчета
основных параметров работы установок СШН и ЭЦН при
добыче высоковязкой нефти и области применения этих
установок в скважинах пермокарбоновой залежи Усин-
ского месторождения.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:
-
Впервые получены результаты исследования параметров работы установок СШН в скважинах с высоковязкой нефтью при плавном изменении частоты качаний без остановки станка-качалки.
-
Впервые экспериментально измерен нагрев высоковязкой жидкости в насосе ЭЦН в реальных скважинных условиях и дано теоретическое обоснование этого явления, а также методики расчета распределения температуры по длине насоса ЭЦН.
-
Разработана методика расчета основных параметров работы реального насоса ЭЦН при добыче высоковязкой нефти, подтвержденная результатами комплексных промысловых исследований.
-
Обоснованы основные принципы и критерии подбора установок СШН и ЭЦН при добыче высоковязкой продукции.
5. Показана возможность теоретической оценки работоспособности установок СШН и ЭЦН при эксплуатации скважин любых месторождений высоковязкой нефти.
Практическая ценность результатов работы основана на полученных данных комплексных промысловых исследований-и методическом материале , позволяющих определять параметры работы и производить подбор установок СШН и ЭЦН для любых скважинных условий пермокарбоновой залежи Усинского месторождения. Так, уже в 1989-90 гг. на основе данных промысловых исследований были разработаны предварительные рекомендации по подбору и внедрению УЭЦН, в результате чего фонд работающих скважин, оборудованных установками ЭЦН, вырос с 14 (в основном на высокообводненных скважинах участка паротеплового воздействия на пласт) в 1989 году до 85 (из них более 60 на участке естественного режима разработки) в 1993 году.
Полученный материал позволяет с большой степенью достоверности прогнозировать параметры работы установок СШН и ЭЦН, а также получать данные, необходимые для оценки эффективности различных способов механизированной добычи высоковязкой нефти.
Кроме этого, на основе данных исследований и расчетов разработаны рекомендации по подбору и эксплуатации установок СШН и ЭЦН в различных скважинных условиях по следующим параметрам:
конструкция подвески и глубина спуска насосов,
конструкция и типоразмер СШН, режим работы станка-качалки,
типоразмер ЭЦН, мощность комплектуемого электродвигателя,
выбор рабочего агента для проведения технологических операций;
а также определены области рационального применения насосных установок.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научных семинарах кафедры "Разработка и эксплуатация нефтяных месторождений" ГАНГ им. И. М. Губкина.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав и основных выводов. Общий объем работы составляет /5~ty страниц, в том числе 14 таблиц, 17 рисунков и список использованной литературы из 27 наименований на 3 страницах.