Статья: Пути дальнейшего совершенствования штанговых скважинных насосных установок

При движении штанг вверх энергия для подъема столба жидкости и колонны штанг подводится от электродвигателя и маховика. При ходе штанг вниз потенциальная энергия штанг посредством гидропривода преобразуется в кинетическую энергию маховика, который ее запасает. При ходе штанг вниз электродвигатель также передает свою энергию маховику. В результате мощность, развиваемая двигателем, постоянна и минимальна.

В настоящее время создан типоразмер установки с инерционным уравновешиванием (рис. 2) со следующими характеристиками:

Способ уравновешивания - динамический, с помощью маховика

В данной установке становится возможным реализовать преимущества гидроприводных установок известных конструкций и установок с инерционным уравновешиванием:

· короткий срок монтажа - не более 4 - 5 часов от доставки к скважине до пуска установки;

· не нужен фундамент - монтаж осуществляется непосредственно на устье скважины;

· нет необходимости в периодическом выполнении работ по центровке привода относительно оси скважины;

· обеспечивается реальная длина хода 3, 5 м и увеличение длины хода штанг до 6 м и более;

· нормирование усилия в точке подвеса штанг;

· возможность работы при обеспечении постоянного динамического уровня;

· снижение переменной составляющей усилия на трубную и колонную головки по сравнению с балансирными станками- качалками.

Преимущества применения маховика:

· предельная простота по сравнению с гидроприводными установками известных типов;

· нет необходимости в операциях уравновешивания установки (привод самоуравновешивается за счет изменения величины скольжения электродвигателя);

· возможность работы в режиме постоянного дебита и регулирование дебита скважины при вводе ее в эксплуатацию;

· большой диапазон чисел качаний (от 0 до max) при сохранении во всем диапазоне постоянных значений коэффициента подачи скважинного насоса;

· нет необходимости в обслуживании и ремонте уравновешивающего устройства.

Эффективность использования инерционного уравновешивания увеличивается по мере роста основных показателей - длины хода точки подвеса штанг, максимального усилия в точке подвеса и числа двойных ходов. Это обусловлено тем, что массы таких узлов, как рама, масляный бак и другие элементы установки, мало изменяются при увеличении типоразмера привода. Поэтому изготовление легких типоразмеров экономически нецелесообразно: их стоимость практически равна стоимости средних типоразмеров. Для балансирных станков-качалок эта разница значительна, что и обуславливает большое количество типов приводов в стандартных рядах.

Это свойство гидроприводных установок (как с инерционным уравновешиванием, так и других типов) позволяет существенно сократить число их типоразмеров. Для сравнения можно проанализировать область применения механических станков-качалок типа СК (ГОСТ 5866-76) и рассматриваемых приводов с инерционным уравновешиванием с грузоподъемностью 60 и 80 кН. Для этого используется диаграмма А.Н. Адонина «Q - H» (рис. 3). Кривые, характеризующие каждый станок-качалку, построены исходя из расчетных значений глубин подвесок насосов с различными диаметрами плунжера и соответствующих им подач насоса. Как видно, области применения станков-качалок каждого типоразмера, ограниченные соответствующими кривыми, могут быть «закрыты» меньшим количеством линий, соответствующих малому количеству типоразмеров установок.

Рис. 3. Область применения приводов штангового скважинного насоса различных типов

Параметрический ряд установок с инерционным уравновешиванием состоит из трех типоразмеров, максимальная длина хода которых составляет 3 - 5 м, а нагрузка, соответственно, 60, 80, 100 кН. Силовая часть (рама с гидроцилиндром) устанавливается на устье скважины и тремя гибкими трубопроводами соединяется с блоком привода, который установлен в 6 - 8 метрах от устья, что обеспечивает использование в нем электрооборудования в обычном исполнении (не взрывобезопасном). Все элементы гидропривода унифицированы, основное отличие типоразмеров - в количестве секций маховика уравновешивающего устройства.

В таблице показаны области глубин подвески и подачи, которые могут быть обеспечены установками с инерционным уравновешиванием с длиной хода 3, 5 м, при 6 двойных ходах в минуту: зеленым цветом обозначены установки с нагрузкой в точке подвеса 60 кН (91, 5% скважин), желтым - 80 кН (2, 75% скважин), красным - 100 кН (0, 6% скважин). Естественно, установка с нагрузкой 80 кН может использоваться на скважинах, для которых достаточно усилия 60 кН. Хотя решение этого вопроса относится к области экономики.

Длина хода точки подвеса штанг гидроприводных установок может быть увеличена до 8 м, что не приведет к изменениям конструкции, но при существующем парке штанговых насосов эта задача пока не является актуальной.

Помимо постоянной работы на скважине наиболее предпочтительной областью применения гидроприводных установок является пробная эксплуатация скважин, для обеспечения которой монтаж привода ШГН при предварительно спущенной колонне труб, насоса и штанг занимает 2 - 3 часа, необходимость в фундаменте отсутствует и нет необходимости в каких-либо операциях по уравновешиванию. Удобство выполнения исследований заключается в возможности плавного изменения числа двойных ходов в минуту за счет введения пауз между ходами. Подобный способ регулирования имеет преимущество по сравнению с традиционным - за счет уменьшения числа качаний.

Особенностью монтажа привода являются отсутствие специального фундамента и крепление к планшайбе, устанавливаемой на фланце трубной головки. Подобное крепление не должно вызывать сомнений по следующим причинам:

· привод монтируется строго соосно скважине, поэтому какой-либо изгиб корпуса головки и ее элементов отсутствует;

· конструкция трубной головки рассчитана на большие нагрузки, в обычных условиях на ней подвешена колонна НКТ, на нее воздействует вес столба жидкости в НКТ. Добавление веса колонны штанг и собственно привода не вызывает особых перегрузок;

· в 1970 - 1990 гг. гидроприводные установки иных типов, но с аналогичным способом монтажа эксплуатировались в различных регионах СССР с различными конструкциями скважин и не вызывали никаких нареканий по поводу способа их монтажа.

Помимо работы в обычных режимах при дебите до 30 - 40 м³/сутки описываемые установки сохраняют постоянный уровень эффективности. Существующий в настоящее время способ достижения малой подачи штангового насоса обеспечивается за счет использования редукторов с увеличенным передаточным отношением и снижения числа двойных ходов до 2 - 3 в минуту. Простейшие расчеты величин утечек через зазор «плунжер - цилиндр» показывают, что при подобном режиме она равна или превышает теоретическое значение подачи. Это означает, что при малых дебитах КПД установки приближается к нулю. Увеличить его значение можно только за счет увеличения скорости перемещения плунжера вверх. В реальных условиях это можно обеспечить путем введения паузы после одного или нескольких ходов со скоростью, соответствующей максимальному числу качаний. Обеспечить такой режим работы можно только при использовании гидропривода и инерционного уравновешивания, иначе придется при каждом цикле работы останавливать станок-качалку, а потом запускать его. Т.е., по существу, перейти к периодической эксплуатации, со всеми ее недостатками.

Сравнение механической и гидроприводной установок, с точки зрения создания наиболее приемлемых условий для работы колонны насосных штанг, всегда в пользу последних. Это обусловлено тем, что гидроприводные установки обеспечивают «мягкий» режим нагружения колонны штанг, исключая перегрузку, обусловленную кинематикой четырехзвенного преобразующего механизма, увеличение нагрузки при заклинивании плунжера скважинного насоса и иных аварийных ситуаций. Таким образом, гидропривод позволяет обеспечить работу внутрискважинного оборудования, регламентируя усилие в точке подвеса колонны штанг, а механические приводы обеспечивают закономерность перемещения, «жестко» нагружая колонну штанг. В конечном счете различие в типе нагружения приводит к увеличению срока службы штанг.

Таким образом, реализация нового способа уравновешивания в сочетании с известным объемным гидроприводом позволяет выполнять дальнейшее совершенствование ШСНУ в целом и достигнуть целей, указанных в начале настоящей статьи.

Следует добавить еще одно важное замечание: результат раннего старта выполнения работ по использованию инерционного уравновешивания, взятого в нашей стране, может быть сведен к нулю зарубежными разработчиками - например, фирма «Рекс-Роад» (Германия) уже торгует подобными установками с рядом нефтедобывающих стран. Так что разработанные у нас установки подобного типа вполне может ожидать судьба многих других российских начинаний - самолета Можайского, радио Попова и т.д. и т.п.

привод штанговый скважинный насос

Литература

1. ГОСТ Р 51763-2001. Приводы штанговых скважинных насосов. Общие технические требования. [Электронный ресурс]. URL: http://www.znaytovar.ru/gost/2/GOST_R_517632001_Privody_shtan.html (дата обращения: 10.12.2013)

2. Патент 1808103 СССР. Привод штангового скважинного насоса с инерционным уравновешиванием / А.Г. Молчанов; заявл. 27.12.90; опубл. 07.04.93. Бюл. №13 (76).

3. Гиматудинов Ш.К. и др.Справочное руководство по проектированию разработки и эксплуатации нефтяных месторождений. Добыча нефти. 3-е изд. М.: Альянс, 2007. 455 с.

4. Клусов А. Линейный привод для УШГН: механизированной добыче // Вестник механизированной добычи. Приложение к журналу «Новатор». 2013. №5.

5. Молчанов А.Г. Новый стандарт на приводы штанговых скважинных насосов // Надежность и сертификация оборудования для нефти и газа. 2001. №3. С. 5 - 10

6. Молчанов А.Г. Объемный гидропривод нефтепромысловых машин и механизмов. М.: Недра, 1989.

7. Молчанов А.Г. Машины и оборудование для добычи нефти и газа. Издание 2-ое исправленное и дополненное. М.: Альянс, 2010. 588 с