Пути дальнейшего совершенствования штанговых скважинных насосных установок
Одним из перспективных направлений совершенствования приводов штангового скважинного насоса является применение объемного гидропривода. Применение маховика в качестве уравновешивающего устройства позволяет улучшить показатели установки, прежде всего - за счет увеличения длины хода точки подвеса штанг.
Штанговая скважинная насосная установка (ШСНУ), наземная часть которой - станок-качалка - неизменно олицетворяет нефтедобывающую промышленность, многие десятилетия практически не меняется и не имеет перспектив конструктивных улучшений. Совершенствование приводов идет в направлении внесения количественных усовершенствований, которые не приводят к качественному росту показателей.
Альтернативные конструкции штанговых установок (например, с цепным приводом, механические с реечным и винтовым приводом, гидропневматические, гидроштанговые и т.д.) не имеют перспектив дальнейшего развития, а их предварительно заявленные показатели не оправдываются.
Более тяжелых условий эксплуатации, чем те, в которых работают ШСНУ, сложно найти в любой отрасли машиностроения - круглосуточная и круглогодичная работа на открытом воздухе в различных климатических условиях при периодическом осмотре с интервалом до 3 - 4 суток. Конструкция наземной части установки должна соответствовать данным условиям.
Какой привод штангового скважинного насоса (ШСН) можно было бы считать совершенным и удовлетворяющим современным требованиям? Прежде всего этот привод должен:
· иметь простую конструкцию;
· иметь высокие показатели надежности;
· обладать малой собственной массой;
· не требовать сооружения специального фундамента;
· обладать максимально высоким КПД, обеспечивающим минимально возможную установочную мощность приводного двигателя;
· обеспечивать обслуживание и монтаж с минимальной трудоемкостью;
· допускать возможность регулирования подачи в широком диапазоне;
· соответствовать по своим параметрам фонду нефтяных скважин.
Создание привода ШСН, удовлетворяющего перечисленным требованиям, позволит обеспечить его малую стоимость, а также низкие эксплуатационные затраты, что и является основной целью работ по его совершенствованию.
ШСНУ являются самым массовым оборудованием для добычи нефти. Ими оборудовано более 60 тыс. скважин. Как правило, ими оснащают скважины с относительно малым дебитом - не более 40 м3/сутки. Существующий со времен СССР и мало изменившийся к настоящему времени закон распределения числа скважин ШСНУ по их основным параметрам «подача Q - глубина подвески H» представлен в табл.
Табл. Распределение оборудованных ШСНУ скважин (%) по глубинам подвесок насосов и дебитам
Цветом отмечены области возможного применения установок различных типов: желтый - установка с услием 60 кН, зеленый - 80 кН красный - 100 кН
Остальная часть скважин эксплуатируется электроцентробежными насосными установками (УЭЦН). Кроме того, существует большое количество бесштанговых установок иных типов, которые в нашей стране применяются в довольно ограниченных масштабах.
К основным признакам ШСНУ следует отнести использование плунжерного скважинного насоса, приводимого в действие колонной насосных штанг, и наземный привод, включающий рычажный преобразующий механизм с уравновешивающим устройством (в большинстве случаев грузового типа). Именно эти элементы неизменны на протяжении всей истории развития нефтяного оборудования (улучшения носили лишь количественный характер, не меняя принципы их действия), и именно они блокируют дальнейшее совершенствование установок данного типа.
По результатам анализа конструкций штангового насоса можно утверждать, что коренных изменений конструкций в этом направлении не следует ожидать. Принцип действия скважинного насоса позволяет вносить технологические изменения, касающиеся применяемых материалов или конструкций отдельных деталей, а также их конструктивных элементов. В результате увеличилась долговечность шаровых клапанов, долговечность пары «плунжер - цилиндр», сократились утечки через зазор.
То же относится к колонне штанг, являющихся наиболее слабым звеном установки. Здесь область возможных изменений узкая: отпадает применение иных материалов штанг, кроме стали, так как модули упругости композиционных материалов существенно ниже модуля упругости стали. Использование композиционных материалов приводит к увеличению упругих деформаций и снижению коэффициента подачи скважинного насоса. Поэтому работы велись в направлении совершенствования технологии их изготовления и использования более эффективных марок сталей. Итогом является увеличение долговечности и несущей способности колонны штанг.
Общим для внутрискважинного оборудования является то, что его эксплуатационные показатели, прежде всего надежность, улучшаются при увеличении длины хода точки подвеса штанг, поскольку при этом, например, пропорционально сокращается число циклов нагружения колонны штанг, числа срабатываний клапанов насоса и т.п.
Анализ элементов ШСНУ показывает, что при современном уровне развития всех основных составляющих параметры в целом определяет привод штангового насоса - применяемый в подавляющем большинстве случаев балансирный станок-качалка. Специфика его функционирования, как и любого другого, требует использования уравновешивающего устройства (аккумулятора энергии), которое обеспечивает минимизацию потребляемой энергии для привода установки. В настоящее время наиболее широко используются гравитационные (грузовые) и пневматические аккумуляторы. Использование сочетания рычажного преобразующего механизма в совокупности с указанными уравновешивающими устройствами блокирует дальнейшее улучшение параметров привода и как следствие - всей установки. При максимально возможной длине хода штанг 6 м максимальная реальная длина хода составляет 3 - 4 м, а усилие в точке подвеса штанг (при максимальном значении 120 кН) составляет 60 - 80 кН. Отдельными фирмами выпускаются станки-качалки с максимальными параметрами, которые имеют циклопические размеры, и скорее, носят рекламный характер, демонстрируя возможности разработчиков.
Для балансирных станков-качалок показатель степени m = 1, 5 - 2, 4. Большие значения m характеризуют конструкции станков-качалок, выполненных с большими запасами прочности и долговечности.
Отдельные станки-качалки, выполненные в соответствии с американскими традициями, характеризуются максимальными значениями коэффициентов и экстраполяция приведенной зависимости до длины хода 6 м дает значение порядка 45 тонн - массу реального балансирного станка-качалки фирмы Lufkin c длиной хода 6 м.
Таким образом, данные зависимости, несмотря на свою простоту, позволяют выполнить достаточно точный прогноз основных параметров установки и убедиться в том, что при длинах ходов более 3 м балансирный станок-качалка превращается в монстра.
Процесс совершенствования всех элементов ШСНУ можно считать завершенным, установка в ее современном виде достигла, по сути, предельной степени отработки, что как ни парадоксально, является тормозом для ее дальнейшего совершенствования. При этом основным результатом совершенствования является надежность. Отечественные образцы имеют этот показатель ниже, но все равно приемлемый для массовой эксплуатации на промыслах.
Основными недостатками станков-качалок являются:
· значительная масса привода, величина которой связана с длиной хода степенной зависимостью;
· необходимость в массивном фундаменте;
· наличие горизонтальных составляющих опорных реакций фундамента при работе привода, расшатывающих его и вызывающих необходимость в центрировании привода относительно оси скважины;
· необходимость в сооружении свайного основания при расположении на неустойчивых грунтах;
· значительный период монтажа станка-качалки при обустройстве скважины и ее ремонте;
· необходимость выполнения ремонтных работ в полевых условиях, требующих использования специализированной техники.
Из всех перечисленных ранее признаков совершенной установки достигнуты только высокий КПД и надежность. Именно благодаря им они и нашли такое широкое применение.
Поскольку рост усилия лимитируется прочностными характеристиками штанг, то основным направлением совершенствования ШСНУ является увеличение длины хода. Это положение отнюдь не ново, но реализовать его в рамках существующих конструкций в полном объеме не удается. Наименее эффективным способом его достижения является увеличение размеров четырехзвенника преобразующего механизма, что помимо увеличения его размеров и массы приводит к необходимости создания высокомоментных редукторов. Было предложено очень большое число механизмов иного типа - барабанного, с бесконечными цепями, винтами и т.п., но они не оправдали себя и большинство из них на практике не используется. Их проектирование и эксплуатация осложняются еще и тем, что в кинематическую схему любого привода необходимо встраивать уравновешивающее устройство.
Наиболее простым путем увеличения длины хода штанг является использование гидропривода. Эта очевидная идея известна еще из патентной литературы 1900 - 1904 гг. Ее реализации препятствовало отсутствие надежной элементной базы гидропривода - насосов, распределителей, клапанов и т.п. По этой же причине сорвалась попытка применения гидропривода в 70-х гг. в СССР, хотя в разработках МИНХиГП им. И.М. Губкина были реализованы и апробированы в промышленных масштабах (около 120 установок в Краснодарском крае, Татарии, Башкирии, Азербайджане, Казахстане) новые технические решения, в частности, использование колонны насосно-компрессорных труб в качестве уравновешивающего груза.
Однако опытным путем было доказано, что новые системы уравновешивания позволяют увеличить их эффективность и существенно улучшить параметры как по сравнению с балансирными механическими приводами, так и с уже известными на тот момент гидроприводными установками.
В это же время была проверена возможность применения объемного гидропривода в различных климатических зонах и отработана концепция выполнения установки в виде моноблока, монтируемого на устье скважины. Было сломлено скептическое отношение к новому типу привода, но качество отечественных элементов гидропривода оставляло желать лучшего, трудоемкость обслуживания была достаточно высокой, а уровень квалификации обслуживающего персонала - низким.
Анализ эксплуатации гидроприводных установок показал, что их дальнейшее совершенствование может быть обеспечено при замене известных уравновешивающих устройств на иное, обладающее существенно большей энергоемкостью и компактностью. Решение этой задачи является ключом к открытию дальнейших перспектив совершенствования ШСУ.
Выбор типа уравновешивающего устройства с минимальной массой и высокой энергоемкостью зависит от величины удельной энергоемкости, т.е. количества аккумулируемой энергии на единицу собственного веса. Грузовой аккумулятор обладает энергоемкостью в пределах 1 - 6 кДж/кг, пневматический - 25 - 30, динамический - 200 и выше. Эти характеристики зависят от конструктивных особенностей устройств, но приведенные значения достаточно полно характеризуют их сравнительные возможности.
Работы в РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина по совершенствованию установок вылились в создание гидроприводной установки принципиально нового типа - с использованием в качестве аккумулятора энергии маховика. Две макетные установки (рис. 1) эксплуатировались в ПО «Когалымнефтегаз».
Рис. 1. Общий вид установки с инерционным уравновешиванием
С точки зрения энергоемкости, надежности и стоимости наиболее эффективным является инерционный аккумулятор - маховик, установленный на валу силового гидравлического агрегата. Он не требует использования каких-либо дополнительных трансмиссий, по существу не меняет кинематическую схему.
Его применение достаточно эффективно, поскольку длительность фаз накопления энергии и ее последующей отдачи составляют десятки секунд. При этом накопленная маховиком энергия практически не рассеивается - КПД составляет 97 - 98%. Маховик позволяет сократить число элементов в гидроприводных установках вдвое и свести их к минимуму: гидравлическая машина, попеременно работающая то в режиме насоса, то в режиме мотора, гидравлический цилиндр и общепринятая система реверсирования и фильтрации рабочей жидкости. Вся элементная база заимствуется из номенклатуры аппаратов, широко используемых в станочном гидроприводе, гидроприводе строительных и дорожных машин.
Сегодня возросший уровень технической культуры работников промыслов позволяет вернуться к гидроприводу штанговых скважинных насосов на более высоком концептуальном уровне, используя при этом более совершенные схемы с динамическим уравновешиванием. Отечественные и зарубежные компоненты гидропривода обладают высокими эксплуатационными характеристиками, а возможность применения подобных элементов в приводе штангового насоса была проверена многолетним опытом эксплуатации в 80 - 90-х гг.
Таким образом, нынешняя ситуация такова:
· разработана и проверена конструкция объемного гидропривода с инерционным уравновешиванием и монтажом непосредственно на устье скважины;
· существует элементная база гидропривода, обеспечивающая его надежную работу в промысловых условиях;
· персонал промыслов в состоянии обеспечить квалифицированную эксплуатацию гидропривода.
Установка с динамическим уравновешиванием (рис. 2) включает приводной гидравлический цилиндр (1), поршень (2) которого посредством штока (3), устьевого штока (17) и колонны штанг (16) соединен с плунжером (15) скважинного насоса, цилиндр (14) которого подвешен на колонне (13).
Рис. 2. Схема гидроприводной установки с инерционным уравновешиванием
Привод установки осуществляется двигателем (7), вращающим вал силового мотор-насоса (5), на котором установлен маховик (6). Гидравлическая схема состоит из силового золотника (4), переливного (11), разгрузочного (8), обратного (10) клапанов, бака (12), а также системы реверсирования, фильтрации и т.п. В электрическую цепь двигателя включено реле тока (9), управляющее электромагнитным приводом разгрузочного клапана (8). Он служит для уменьшения нагрузки на двигатель при его запуске.