Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ опыта эксплуатации винтовых насосов с поверхностным приводом 10
1.1 Осложнения при эксплуатации малодебитных скважин с высоковязкой продукцией . 10
1.2 Конструкции установок винтовых насосов с поверхностным приводом 16
1.3 Анализ опыта эксплуатации винтовых насосов с поверхностным приводом 20
1.4 Выводы 35
2. Исследования трения в винтовой паре 36
2.1. Методики расчета потерь на трение в винтовом насосе 36
2.2 Лабораторная установка для. исследования трения в винтовом насосе 37
2.3 Определение параметров винтовой пары 40
2.4 Расчет площади контакта винта и обоймы 45
2.5 Пересчет механической характеристики винтового насоса по вязкости жидкости и скорости вращения винта 53
2.6 Выводы. 55
3. Исследование температурного режима работыскважинного винтового насоса 57
3.1 Методика определения температуры обоймы в зависимости от технологических параметров 57
3.1.1 Расчет работы силы трения 58
3.1.2. Расчет количества теплоты, излучаемого с поверхности и передаваемого окружающей среде 61
3.1.3. Расчет количества теплоты уносимого потоком перекачиваемой жидкости 62
3.1.4 Расчет температуры обоймы винтового скважинного насоса 63
3.2 Стендовые исследования температурного режима работы
винтового насоса 65
3.3. Анализ результатов эксперимента 69
3.4. Технические решения для предотвращения перегрева обоймы винтового насоса с поверхностным приводом. 72 3.5 Выводы. 75
4. Исследование факторов, влияющих на коэффициент подачи увнп 76
4.1 Анализ существующих методик определения подачи винтового насоса . 76
4.2 Влияние температурного расширения обоймы на коэффициент подачи винтового насоса с поверхностным приводом 77
4.3 Влияние наработки на коэффициент подачи винтового насоса 82
4.4 Выводы. 89
5. Методика расчета потерь крутящего момента на трение штанговой колонны о стенки насосно-компрессорных труб . 90
5.1 Определение зон касания колонны штанги стенок насосио-компрессорных труб. 90
5.2 Расчет нагрузок, действующих на штанговую колонну УНВП. 92
5.3 Влияние параметров работы УВНП на снижение сил трения в подземной части установки 94
5.4 Методика расчета интервалов расстановки центраторов на штангу УВНП. 98
5.5 Внедрение результатов исследований 98
5.6 Выводы 101
Основные результаты и выводы 102
Литература 104
- Осложнения при эксплуатации малодебитных скважин с высоковязкой продукцией
- Лабораторная установка для. исследования трения в винтовом насосе
- Методика определения температуры обоймы в зависимости от технологических параметров
- Анализ существующих методик определения подачи винтового насоса
Введение к работе
Актуальность проблемы
В настоящее время разработка всех основных нефтяных месторождений России и стран СНГ вступила в позднюю стадию, которая характеризуется истощением пластовой энергии и переходом на механизированный способ добычи. При этом наиболее распространёнными в настоящее время являются штанговые скважинные установки (УСШН) и установки электроцентробежных насосов (УЭЦН). УСШН целесообразно использовать в малоде-битных скважинах. Для УЭЦН характерно применение в высокодебитных скважинах. Однако, при добыче высоковязкой жидкости, или жидкости с высоким содержанием механических примесей и газа применение традиционных механизированных способов малоэффективно. Поэтому для откачки жидкости повышенной вязкости разработаны установки электровинтовых насосов с погружным электродвигателем (УЭВН) и винтовые насосы с поверхностным приводом (УВНП), обладающие целым рядом преимуществ по сравнению с насосами других типов. При эксплуатации винтового насоса происходит незначительно перемешивание жидкости, что предотвращает образование стойкой эмульсии нефти с водой. Отсутствие клапанов и сложных переходов определяет простоту конструкции, снижает гидравлические потери. Винтовые насосы обладают повышенной надежностью (особенно при откачке жидкостей с механическими примесями), просты в изготовлении и эксплуатации, более экономичны по сравнению с другими типами насосов. При перекачке, жидкости повышенной вязкости снижаются перетоки через уплотняющую контактную линию между винтом и обоймой, что улучшает характеристику насоса.
Благодаря малой чувствительности к свободному газу винтовые насосы наиболее эффективны для перекачки высоко газированных жидкостей.
При всех достоинствах УЭВН высокая скорость вращения погружного двигателя не позволяет их эксплуатировать в малодебитных скважинах. К
тому же отсутствует возможность регулирования подачи насоса. В УВНП применение привода со сменными парами шкивов или зубчатой передачей различных передаточных отношений позволяет регулировать подачу насоса, благодаря применению более низких скоростей вращения увеличивается ресурс работы винтовой пары.
В настоящее время в подавляющее большинство нефтяных месторождений разрабатываются малодебитными и среднедебитными (до 50 м3/сут) скважинами, на которых рационально применение одновинтовых насосов с поверхностным приводом.
Однако отсутствие методик расчета технологического режима и подбора типоразмера снижает эффективность их применения, особенно при эксплуатации наклонно направленных скважин, в которых штанговая колонна работает в сложнонапряженном состоянии. В этой связи, работы направленные на создание указанных методик являются весьма актуальными.
Задачи исследований
Анализ опыта эксплуатации винтовых насосов с поверхностным приводом. Обоснование направлений исследований.
Теоретические и экспериментальные исследования температурного режима работы винтового насоса. Разработка методики расчета температуры обоймы исходя из технологического режима работы установки.
Исследование факторов, влияющих на величину коэффициента подачи, и обоснование выбора расчетных зависимостей.
Разработка и внедрение методики подбора установки винтового насоса с поверхностным приводом.
7 Методы решения поставленных задач
Поставленные задачи решались с применением статистического анализа промысловых данных об эксплуатации УВНП, теоретических и лабораторных экспериментальных исследований.
Научная новизна
Получена методика расчета потерь крутящего момента на трение штанговой колонны УВНП о стенки НКТ в скважинах с направленным профилем ствола.
Разработана методика расчета температуры обоймы скважинного винтового насоса, позволяющая предотвращать выход из строя насоса из-за перегрева и методика учета снижения коэффициента подачи из-за теплового расширения обоймы.
Разработана методика пересчета механической характеристики винтового скважинного насоса, снятой на воде при номинальной скорости вращения ротора на условия фактической вязкости перекачиваемой жидкости и расчетной скорости вращения.
Основные защищаемые положения
Методика расчета потерь крутящего момента на трение в винтовом насосе с поверхностным приводом.
Методика расчета температуры обоймы скважинного винтового насоса, позволяющая предотвращать выход из строя насоса из-за перегрева, и методика учета снижения коэффициента подачи из-за теплового расширения обоймы.
Методика расчета числа Зоммерфельда, характеризующего режим трения для винтового насоса и зависимость для расчета коэффициента трения в винтовом насосе.
Эмпирические зависимости коэффициента подачи от наработки насоса.
8 Практическая ценность и реализация результатов работы
Разработана методика расчета температуры обоймы винтового насоса, позволяющая подобрать оптимальный технологический режим, при котором исключается тепловое разрушение эластомера, а также методика учета влияния теплового расширения на коэффициент подачи.
Разработан метод определения величины зазора между винтом и обоймой насоса, которая используется при расчете температуры, коэффициента подачи насоса, а также при диагностике дальнейшей работоспособности винтовой пары.
Разработана методика и программа для ПЭВМ по подбору оптимального технологического режима работы винтовой насосной установки с поверхностным приводом.
Разработана конструкция стенда для испытаний винтовых насосов, на которую получен патент РФ№2172868 CI 7 F04 В 51/00, F 04 С 2/16.
Апробация работы
Основное содержание диссертации доложены на 48-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. (Уфа, УГНТУ, 1997г.), 50-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Секция горно-геологическая. (Уфа, УГНТУ, 1999г.), IV конференции молодых ученых и специалистов, посвященной 70-летию со дня рождения С.Ф. Люшина. (Уфа, Башнипинефть, 2000г.), VI научно-технической конференции молодых ученых и специалистов ДООО «Башнипинефть», (Уфа, Башнипинефть 2001г.), VI Конгресс нефтегазопромышлен-ников России (г.Уфа, 2005г.).
Публикации
На основе выполненных исследований по теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 4 научные статьи, 6 тезисов докладов на научно-технических конференциях и один патент на изобретение.
Объем и структура работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы из 78 наименований. Работа содержит 111 страниц, 36 рисунков, 17 таблиц.
10 1. АНАЛИЗ ОПЫТА ЭКСПЛУАТАЦИИ ВИНТОВЫХ НАСОСОВ С ПОВЕРХНОСТНЫМ ПРИВОДОМ
Осложнения при эксплуатации малодебитных скважин с высоковязкой продукцией
В последние годы перед многими нефтедобывающими компаниями России и зарубежья встает проблема добычи высоковязкой нефти из малодебитных скважин. Открываются новые месторождения с высоковязкой нефтью, многие месторождения Урало - Поволжья, открытые в начале и середине прошлого века, вступают в позднюю стадию разработки, увеличивается фонд малодебитных скважин и скважин с высоковязкой продукцией. К основным регионам, в которых имеются крупные промышленные запасы высоковязких нефтей (ВВН) и битумов следует отнести республики Башкортостан, Татарстан, Удмуртию, Коми, а также Архангельскую, Самарскую, Пермскую, Оренбургскую, Тюменскую и Томскую области, из стран ближнего зарубежья - Казахстан [13,14,29,41,47,62].
Подавляющее большинство скважин на отечественных промыслах эксплуатируются механизированными способами добычи: установками штанговых скважинных насосов (УСШН), установками электроцентробежных насосов (УЭЦН), установками электродиафрагменных насосов (УЭДН), установками электровинтовых насосов (УЭВН), установками винтовых насосов с поверхностным приводом (УВНП). В таблице 1 приведены области применения каждого способа эксплуатации по вязкости.
В работе [28] указано, что установки штанговых насосов удовлетворительно работают в указанном в таблице 1 интервале вязкости 1...500 мПа-с, для откачки более вязкой жидкости необходимы специальные технические устройства. Работа УСШН при откачке высоковязких нефтей осложняется эффектом «зависания» штанговой колонны. Основным способом обеспечения принудительно движения штанговой колонны при ходе вниз является применение тяжелого низа. Известны, также специальные конструкции двухплунжерных насосов, применение которых позволяет синхронизировать направление потока жидкости и направление движения штанговой колонны с выносным тяжелым низом [34]. Для скважин с обводненностью 35...75% разработано устройство, позволяющее осуществлять попеременную откачку нефти и воды, что снижает вероятность образования стойкой высоковязкой эмульсии. Использование специальных технических средств, легких растворителей, деэмульгаторов, поверхностно-активных веществ и теплоносителей может расширить область применения штанговых насосных установок до 2,5 Па-с, однако, при этом существенно возрастают энергозатраты на подъем жидкости, затраты на оборудование, увеличивается аварийность из-за роста нагрузок.
Установка ЭЦН способна эксплуатировать скважины с вязкостью жидкости до 85 мПа-с, при откачке жидкости большей вязкости необходимы специальные реагенты, деэмульгаторы, теплоносители и ПАВ. Это связано с тем, что ЭЦН является насосом динамического типа, работающим за счет увеличения скорости потока. При откачке высоковязкой жидкости увеличивается вязкое трение, наблюдается рост сопротивлений, поэтому с ростом вязкости снижается коэффициент подачи, увеличивается потребный крутящий момент. А при достижении величины, указанной в таблице 1 происходит срыв подачи [45].
Основным осложняющим фактором при откачке высоковязкой жид кости с помощью УЭДН является зависание клапанов, это приводит к снижению подачи из-за несвоевременного срабатывания клапана. К тому же, высокая частота колебаний диафрагмы приводит к образованию стойкой эмульсии, поэтому УЭДН рекомендуется использовать в интервалах обводненности 0...35% и 75...10 %, так как в интервале обводненности 35...75% наблюдается пик вязкости эмульсии [4].
Винтовые насосы УЭВН и УВНП имеют наибольший диапазон применимости по вязкости. Благодаря объемному принципу действия, отсутствию клапанных узлов, возвратно-поступательно движущихся узлов и деталей снижаются гидравлические потери. Рост вязкости приводит к снижению утечек в паре винт-обойма, поэтому установки винтовых насосов - наиболее эффективный способ эксплуатации скважин с высоковязкой продукцией [17, 21,48].
В работе [28] приводятся рекомендуемые величины коэффициента подачи штангового глубинного насоса при добыче высоковязкой нефти. По этим данным построен график зависимости коэффициента подачи УСШН от вязкости добываемой жидкости. На этом же графике приведены результаты зависимости, полученные Д.Ф. Балденко при испытании винтовых насосов на стенде (см. рисунок 1.1).
Как видно на графике, при увеличении вязкости коэффициент подачи УСШН резко падает. К тому же, как указано в [28] область эксплуатации УСШН по вязкости ограничивается допустимой скоростью движения штанговой колонны, превышение которой приводит к зависанию штанговой колонны. На коэффициент подачи винтового насоса вязкость не оказывает большого влияния, так как при повышении вязкости снижаются перетоки через уплотнительную линию. В штанговом насосе повышение вязкости вызывает снижение скорости посадки шарика в клапанах.
Лабораторная установка для. исследования трения в винтовом насосе
Основой методики подбора поверхностного привода винтовой насосной установки является расчет потребной мощности, включающий в себя расчет мощности, затрачиваемой на подъем жидкости, и расчет потерь крутящего момента на трение в подземной части. Потери момента в подземной части состоят из: потерь на трение в насосе, потерь на трение штанг о жидкость, потерь на трение штанг о стенки насосно-компрессорных труб. Расчет потерь крутящего момента на вязкое трение штанг о жидкость и трение о стенки насосно-компрессорных труб подробно рассмотрены в работах [17, 24, 25, 27]. Основную сложность представляет расчет потерь момента на трение в винтовом насосе.
В работе [17] приведена формула для расчета момента трения в винтовом насосе: где fi - вязкость жидкости, Па-с и — окружная скорость поверхности винта, м/с; Аур-площадь трения (контакта), м2; D - диаметр винта, м; На практике применение формулы (2.1) затруднена сложностью замера значения натяга (зазора) в паре, а также точность изготовления обоймы не обеспечивает постоянный по длине насоса натяг (зазором) и площадь контакта. Поэтому при расчете крутящего момента на валу привода винтового насоса используется стендовая механическая характеристика. Пример стендовой характеристики приведен на рисунке 2.1.
Величина крутящего момента при Н=Юм является величиной момента трения, возникающего из-за обжимающей силы - реакции обоймы от перво 37 начального натяга. Поскольку стендовая характеристика снимается при работе на воде при определенной скорости вращения винта, появляется необходимость исследований режимов трения винтового насоса при реальных условиях работы и построение зависимости коэффициента трения от таких факторов, как вязкость, скорость вращения ротора и натяг в паре винт - обойма. Имея зависимость коэффициента трения от вязкости жидкости, можно будет пересчитать величину момента трения, снятую на стенде. подача, мЗ/сут Момент, Н-м Рисунок 2.1 Стендовая характеристика винтового насоса фирмы «Protex» (Канада) при 500 об/мин
Для проведения испытаний винтового насоса был создан стенд, на конструкцию которого получен патент РФ [70]. Стенд позволяет исследовать работу винтовых насосов на различных жидкостях при разных оборотах и дав вычисляется утечка через контактную линию уплотнения винт-обойма. При оборудовании стенда термодатчиками и измерительным прибором появляется возможность исследований температурного режима работы винтовой пары.
На рисунке 2.2 схематично представлен стенд для испытаний винтовых насосов.
Стенд содержит раму 1 с приваренными стойками 2, в которых установлены подшипниковые опоры 3. В опоры 3 вставлена обойма винтового насоса 4. Вал насоса приводится во вращение электродвигателем 5 через редуктор и ременную передачу. От вала, посредством шарнирной муфты крутящий момент передается винту. Шарнирная муфта необходима для работы винтового насоса, так как он совершает сложное движение - винт вращается вокруг своей оси, которая в свою очередь вращается вокруг оси обоймы.
На выкидном патрубке 6 установлен вентиль 7 и манометр 8. Над насосом расположен бак для рабочей жидкости 9. На боковой стенке бака расположена мерная стеклянная трубка 10, сообщающаяся с полостью бака, и предназначенная для замера подачи.
Из-за трения между винтом и обоймой, при работе насоса, обойма увлекается винтом, и стремиться повернуться вокруг своей оси в направлении вращения винта. Система рычагов 12 удерживает обойму на месте, а динамометр 13 замеряет усилие, необходимое для удержания.
Методика определения температуры обоймы в зависимости от технологических параметров
Необходимость исследования температурного режима работы винтового насоса появилась в связи с появлением большого количества выхода из строя из-за разрушения эластомера обоймы. В винтовых насосных установках с погружным электродвигателем (УЭВН) скорость вращения винта — 1000...3000 об/мин, теоретическая подача - 12...100 м3/сут высокая скорость потока обеспечивает отвод тепловой энергии и, поэтому проблем с возможным перегревом обоймы не возникает. Винтовой насос с поверхностным приводом работает при скоростях вращения 50...500 об/мин и теоретической подачей 2...50 м3/сут. К тому же винтовая пара УЭВН изготавливается с зазором, а для УВНП используются насосы с предварительным натягом, поэтому в винтовых насосах УВНП сила трения в паре намного выше.
При высокой пластовой температуре, низкой подаче или высоком газосодержании на приеме насоса существует опасность разрушения эластомера. Для прогнозирования возможного перегрева разработана методика расчета температуры обоймы в зависимости от технологических параметров работы установки, температуры пластовой жидкости и первоначального натяга (зазора) в винтовой паре.
Нагрев эластомера также приводит к уменьшению объема перекачивающих полостей, что приводит к снижению подачи. С другой стороны, незначительное расширение уменьшает зазор и приводит к снижению утечек.
Нагрев резиновой обоймы происходит за счет энергии, выделяемой от работы силы трения. Чтобы определить результирующее значение количества теплоты обкладки, необходимо составить уравнение теплового баланса. Для винтового насоса с поверхностным приводом, работающего в скважине уравнение теплового баланса можно выразить следующим образом: ATP-Qo/c-Qm=Q (3.1) где Лтр — работа силы трения, Дж; 0,ж— количество теплоты уносимое с потоком жидкости, Дж; Qui - количество теплоты, уходящее посредством теплопроводности в окружающую среду, Дж.
Количество теплоты, поглощаемое резиновой обкладкой статора, передается через стальной корпус насоса, и поглощается средой вокруг насоса, то есть жидкостью, в которой он находится, а также эксплуатационной колонной.
Количеством теплоты, передаваемым посредством теплопроводности колонне насосно-компрессорных труб и штанговой колонне можно пренебречь ввиду их малой величины, по сравнению с количеством теплоты, уносимой потоком жидкости.
Таким образом, для того чтобы рассчитать температуру резиновой обкладки обоймы необходимо определить работу силы трения, количество теплоты, уносимое потоком перекачиваемой жидкости, количество теплоты, излучаемое с поверхности корпуса насоса и передаваемое жидкости, в которой находится насос.
Точка приложения равнодействующей силы трения движется по спирали, диаметр которой равен среднему диаметру сечения обоймы, или наружному диаметру винта. Длину спирали можно определить по развертке одного шага обоймы, которая представляет собой прямоугольный трКоличество теплоты, излучаемое с поверхности, и передаваемое окружающей среде, определяется в два этапа: а) определение теплопередачи через стальной корпус обоймы; б) определение количества теплоты, поглощаемого окружающей средой, то есть жидкостью, в которую погружен насос и эксплуатаци онной колонной.
Если допустить, что обойма из эластомера, имеющая винтообразную внутреннюю полость представляет собой цилиндр со средним радиусом Гь тогда можно принять, что задача определения теплопередачи через корпус насоса соответствует известной в термодинамике задаче с многослойной цилиндрической стенкой с внутренним источником теплоты. еугольник. Один катет треугольника равен среднему диаметру обоймы, а другой -шагу винта (Рисунок 3.2).
Анализ существующих методик определения подачи винтового насоса
В работах [74,27, 75] приводятся методики для определения параметров, характеризующих режим трения штанговой колонны о внутреннюю стенку колонны насосно-компрессорных труб при возвратно-поступательном и вращательном движении штанговой колонны.
На рисунке 2.11 главы 2 приведена зависимость коэффициента трения от числа Зоммерфельда. Известно, что существуют граничные значения числа Зоммерфельда, определяющие режим трения: сухого, полусухого или вязкого трения. Варьируя параметры работы УВНП, таких как скорость вращения штанговой колонны, изменение диаметра муфт и штанг, использование центраторов возможно достичь работы трущихся поверхностей в режиме полусухого или вязкого трения. Исключение сухого трения позволит снизить затраты энергии на вращение штанговой колонны и вероятность истирания штанговой колонны.
Как упомянуто в главе 2, потери момента в подземной части состоят из: потерь на трение в насосе, потерь на трение штанг о жидкость, потерь на трение штанг о стенки насосно-компрессорных труб.
Особенность расчета потерь на трение штанговой колонны УВНП о стенки насосно-компрессорных труб заключается в том, что штанговая колонна постоянно находится в натянутом состоянии.
Расчет потерь на трение штанг о стенки насосно-компрессорных труб рассмотрены в работе [74, 75], однако для расчета коэффициента трения принята методика, используемая при расчете аналогичных потерь штанговой насосной установки из монографии [74]. Расчет потерь на трение при враща 91 тельном движении штанг в винтовой насосной установке по методике, предназначенной для расчета параметров при возвратно-поступательном движении, дает погрешность до 35 %. Поэтому предлагается использовать известные зависимости, применяемые в машиностроении для расчета подшипников скольжения.
Для определения момента трения штанг о внутреннюю стенку колонны насосно-компрессорных труб необходимо определить длину зон касания. В условиях прямолинейного наклонного участка эта задача соответствует примеру определения прогиба балки круглого сечения при растяжении. Рассмотрим случай, при котором касание штанг о стенку трубы наиболее вероятно: зенитный угол - 45 , типоразмер насоса наименьший - 40Т-025.
Расчеты показали, что прогиб штанги диаметром 22 мм, длиной 8 м при свободном закреплении на опорах составит 10 мм.
При растягивающей нагрузке 1 т, угле наклона 45, прогиб составляет не более 6 мм. Разность диаметров штанговой муфты и тела штанги - 24 мм, то есть от тела штанги в натянутом состоянии до поверхности трубы составляет 12 мм. Таким образом, расчетами доказано, что в прямолинейных интервалах при работе штанговой колонны винтовой насосной установки с поверхностным приводом касание штанг о внутреннюю стенку насосно-компрессорных труб происходит только по муфтам.
Во всех остальных случаях, то есть интервалах набора и спада кривизны необходимо определить длину зоны касания по формулам [27, 75]
Работа установок скважинных винтовых насосов с поверхностным приводом в наклонно направленных скважинах имеет ряд особенностей, поскольку появляются дополнительные силы сопротивления вращению штанговой колонны. Рассмотрим профиль ствола наклонно - направленной скважины (рис. 5.2).
Расчет силы, растягивающей штанги в осевом направлении ведется снизу, от насоса.
Осевая растягивающая сила от давления рассчитывается с учетом устьевого давления для случая с максимальной нагрузкой: T0 = (pgH„+Py)AB (5.3) где Нн - глубина подвески насоса по вертикали, м; Ру - давление на устье скважины, Па Ав — площадь сечения винтового насоса, на которую действует давление, м2. в 4 ds - диаметр сечения винта, м; е - эксцентриситет винта, м.
Штанговая колонна разбивается на интервалы равные А1, и для каждого интервала рассчитывается осевая сила и потери момента. Для наклонного участка колонны осевая нагрузка определяется по формуле: Т, = T.t_x + #A/cos at (5.4) где q - вес одного метра штанг, кг/м; Л1 - длина отрезка штанговой колонны, равный шагу итерации, обычно принимается равным длине штанги - 8м, м; as - зенитный угол на і - том участке колонны.
