книги / Оборудование для добычи нефти и газа
..pdfГлубина, м |
100 |
200 |
300 |
400 |
500 |
600 |
700 |
800 |
Отклонение |
4°33’ |
1845* |
23-15, |
36° |
49°45* |
68°7* |
69е |
69°45‘ |
Глубина, м |
1000 |
1100 |
1200 |
1300 |
1400 |
1500 |
1600 |
1700 |
Отклонение |
67°30’ |
67°45’ |
64°30’ |
61е |
58°30* |
55°45’ |
53° |
50°30' |
На устье скважины колонна насосно-компрессорных труб и полых насосных штанг была оборудована стандартным устье вым сальником СУС-42 для полых насосных штанг, затем была подключена через линии коммуникации к поверхностному си ловому насосному блоку. Насосный блок был установлен на рас стоянии 20 м от устья.
Силовой насосный блок до монтажа на скважине предвари тельно был опробован в мастерских в стендовом режиме [5].
На стенде были испытаны различные типы гидрораспредели телей, определены перепады давления в гидромаслоразделителях, отлажена и испытана система управления установкой и си стема компенсации утечек, кроме этого, было спрессовано по верхностное оборудование и исследованы некоторые энергети ческие показатели установки.
После обвязки устья и поверхностного силового насосного оборудования установка была запущена в работу. Частоту двой ных ходов плунжерной группы изменяли путем регулирования потока рабочей жидкости дроссельными устройствами или регу ляторами потока. В качестве рабочей жидкости было использо вано индустриальное масло И-20, ГОСТ 1707-51. Частоту цикла работы насоса изменяли в процессе испытаний в пределах от 1 до 3,5 в минуту.
Промысловые испытания установки гидроштангового насоса включали следующие этапы:
•опрессовку наземного оборудования и линий коммуника ций шестеренным маслонасосом TGL А -100;
настройку и проверку аварийной защиты установки по давлению и току; настройку и проверку взаимодействия узлов гидроаппара
туры и скважинного насосного агрегата; проверку регулировочных устройств;
работу установки гидроштангового насоса на различных режимах с различными системами управления; исследование работы установки на различных энергети ческих режимах; регистрацию рабочих параметров насосной установки с помо
щью современной электронной тензометрической аппаратуры; исследование рабочего процесса гидроштангового насоса. В процессе испытаний гидроштангового насоса был выпол нен полный комплекс научно-исследовательских работ по изучению рабочего процесса, работоспособности насосной установки и отдельных узлов гидроаппаратуры. При прове дении испытаний установка запускалась и работала с вклю чением в линию нагнетания пневмокомпенсатора и при от ключенном пневмокомпенсаторе.
При отключенном пневмокомпенсаторе в момент реверсиро вания потоков рабочей жидкости гидрораспределителем во всей гидросистеме наблюдался значительный гидравлический удар. При подключении к гидросистеме пневмокомпенсатора гидрав лические удары были устранены.
В поверхностном силовом насосном блоке предусмотрена система компенсации утечек (СКУ) воды в колонне насосно компрессорных труб. В состав СКУ входит один дозаторный мо ноблочный насос НД-КХУ63.
Технические характеристики СКУ |
|
Подача, л/ч |
100 |
Предельное давление, М П а...................................................... |
6,3 |
Число двойных ходов в м и н ................................................... |
76,7 |
М ощность электродвигателя ВАО-21-4У-2, кВт |
1,1 |
Частот» вращ ения вала двигателя, о б /м и н ................... |
1410 |
Масса, кг |
102 |
Автоматическое переключение золотника-распределителя выполнялось с помощью различных систем управления рабоче го процесса по сигналам от предварительно настроенных реле давления и реле времени, а также по сигналу от электроконтактных манометров.
установки УГШН-5- 15-1000
Диаметры колонн труб, мм: |
|
|
эксплуатационной |
|
146—126 |
внешней.................................. |
:......................................... |
89—76 |
внутренней |
|
42—35 |
Глубина спуска насоса, м |
|
1100 |
Тип насоса: |
|
|
скважинного............................................................. |
|
НСВ2-56/32 |
поверхностного |
|
TGLA-100 |
Кривизна ствола скважины.............................................. |
|
4°—69°54' |
Необходимое давление силового насоса для хода, МПа |
||
вверх.................................................................................... |
|
3,2—4,8 |
вниз................................................................................... |
|
1,8—2,5 |
Время цикла, с .......................................................................... |
|
25—30 |
Частота ходов в мин |
|
1—3,5 |
Длина хода плунжерной группы, мм |
3700 |
|
Подача скважинного насоса (в среднем), м/сут.................... |
8,64 |
|
Динамический уровень, м ............................................................ |
|
700 |
Габариты поверхностного блока, м ................................... |
3,5x2x2 |
|
Масса, кг |
|
2000 |
При исследовании процесса проводилась регистрация рабочих па раметров установки с помощью шлейфового осциллографа Н -117/1.
Осциллограмма рабочего процесса установки гидроштанго вого насоса, приведенная на рис. 6.19 была получена в первый год испытания насоса в скважине. Подробное исследование ос циллограммы позволило установить следующее.
Переключение золотника-распределителя происходит в тече ние времени /пср = 0,2— 1с, что наглядно можно наблюдать в интервале времени от 14 до 15 с при переключении с хода вверх на ход вниз и в интервале от 24 до 25 с при переключении с хода вниз на ход вверх. По осциллограмме нарастание давления на ту же величину происходит в течение 0,9—1,2 с. Затем наступает
Рис. 6.19. Осциллограмма рабочего процесса гидроштангового насоса
I — переключение распределителя;
II — сжатие гидроштанги кольцевого сечения
период сжатия гидравлического столба жидкости. Предварительно проведенные исследования и расчеты показывают, что время сжатия гидроштанги находится в пределах 1—6 с. Исходя из ос циллограммы можно утверждать, что время сжатия гидроштанги 1—4 с при ходе ПГ вверх и 1—2 с при обратном ходе вниз.
По окончании процесса сжатия и достижении давления, не обходимого для начала движения, ПГ страгивается из состояния покоя из крайне нижнего положения. По осциллограмме это происходит в момент времени t — 4,5 с при давлении в гидроси
стеме Р — 2,5 МПа.
В момент времени t — 10,5 с, т.е. через 6 с после начала дви жения, ПГ останавливается в специальном тормозном устрой стве, а в гидросистеме продолжает нарастать давление жидко сти до величины давления настройки реле, которое в момент времени t = 14 с подает сигнал на переключение золотникараспределителя. Золотник при переключении (в среднем своем положении) соединяет между собой обе гидроштанги. Этим выз вано резкое возрастание давления. Затем начинается обратный ход ПГ, которая разгоняется и движется с некоторым ускоре нием. Подробный анализ осциллограммы показал, что после начала движения вниз ПГ движется под действием давления, создаваемого силовым насосом до момента времени / = 16 с (т.е. в течение 1,2 с), а далее с ускорением, несколько опережая
подачу жидкости в гидроштангу. Это наглядно можно наблю дать в интервале времени от 16 до 18 с по некоторому падению давления на поверхности, зарегистрированному на осциллограм ме. Затем ПГ останавливается, происходит резкое возрастание давления и переключение золотника-распределителя. Далее весь процесс повторяется.
Таким образом, расчетные параметры гидроштангового насо са вполне сопоставимы с данными, полученными при проведе нии экспериментальных исследований в промысловых условиях.
Во время промысловых испытаний на установке проводились также экспериментальные исследования различных систем уп равления с целью получения циклограмм рабочего процесса СГШНУ при различных системах управления, определения вли яния параметров настройки систем управления на работу СГШНУ и оптимизации системы управления работой СГШНУ при введе нии различных конструктивных и технологических изменений.
На первом этапе проводились исследования со следящей си стемой управления. Была разработана электрогидравлическая следящая система управления, позволявшая регистрировать с помощью датчиков давления или электроконтактных маномет ров возмущения в гидроштанге, возникающие при остановках плунжера в крайних положениях.
На представленных осциллограммах были видны гидроуда ры, соответствующие остановке поршня в крайних положениях во время t — 24 с, / — 37 с.
Данная система управления показала хорошую работоспособ ность, однако она не лишена и существенного недостатка, кото рый должен быть в будущем учтен при проектировании устано вок с подобной системой управления.
Использование следящей системы управления при наличии в установке двух гидроштанг приводит к тому, что в момент пере ключения происходит частичный переброс давления в гидро штангах и в результате этого датчик давления, установленный на меньшую величину, срабатывает. Это влечет за собой повтор ное переключение, вследствие чего установка начинает работать в аварийном режиме автоколебаний.
Затем была испытана детерминированная система управ ления с использованием реле времени, с помощью которой удалось избежать работы установки в режиме автоколебаний.
Но при использовании системы управления данного типа воз никают дополнительные трудности в настройке, если нет пред варительно снятой осциллограммы работы установки. Это свя зано с трудностями точного подсчета времени цикла, так как во время работы установки ПГ в разных циклах достигает крайних положений не в одно и то же время,-на которое детерминиро ванная система управления реагировать не может.
Детерминированная система управления с использованием реле времени может более успешно применяться в установках такого типа. Одним из существенных ее преимуществ является простота конструкции и эксплуатации.
После полного анализа результатов испытаний следящей и детерминированной систем управления была разработана ком бинированная система управления, назначение которой улавли вать с помощью датчиков давления возмущения в гидроштанге, свидетельствующие о начале движения ПГ, после чего переда вать сигнал на реле времени для отслеживания установившегося движения до крайнего положения.
Гидроштанговая насосная установка по схеме, разработанной в ГАНГ им. И. М. Губкина, была изготовлена и прошла промыс ловые испытания, которые доказали ее работоспособность и под твердили теоретически полученные рабочие характеристики.
Одна из конструкций гидроштанговых насосных установок на основе схемы ГАНГ им. И. М. Губкина была изготовлена и реализована на заводе «Нефтемаш» в г. Тюмени. Установка гид роштангового насоса состоит из поверхностного и скважинного оборудования, соединенных линиями коммуникаций.
Преимущество данной установки заключается в том, что ус тановка позволяет плавно изменять подачу скважинного насоса путем регулирования подачи рабочей жидкости с помощью ре гулятора потока.
Гидроштанговая установка позволяет эксплуатировать сква жины малых и средних дебитов со значительной кривизной ство ла, где применение штанговых насосов и ЭЦН практически не возможно. Так, по данным АО «Нижневартовскнефтегаз» коли чество малодебитных скважин (до 25 м3/сут) составляет около 40 % от общего числа эксплуатируемых скважин и их количе ство увеличивается.
6.3.3. НЕКОТОРЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И РАСЧЕТНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ
РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ГИДРОШТАНГОВОГО НАСОСА
Рабочее давление силового поверхностного насоса определя ется по следующей зависимости
Рт ' То(Рт" Риж)* " + ю ( Л - / н) Рдж* ’ (6'10)
где Рсн — давление силового насоса; Н — глубина спуска на соса; Я — динамический уровень; рт — плотность тяжелой жид кости; рдж — плотность добываемой жидкости; Gnr — масса плун жерной группы;/н, / д — площади поперечного сечения плунже ров насоса и двигателя.
Подъемная сила скважинного гидроштангового насоса 970-1935 Н при давлении, необходимом для осуществления хода плунжерной группы вниз, от 1,8—2,2 до 3,8 МПа.
Несмотря на уменьшение числа циклов работы установки гидроштангового насоса по сравнению со станком-качалкой коэффициент подачи увеличивается в 1,5 раза, причем отноше ние величин п и S равно 0,8.
Для определения влияния увеличения длины хода плунжер ной группы на эффективность установки была выполнена серия оптимизационных расчетов гидродинамических и энергетичес ких параметров рабочего процесса.
При анализе результатов расчетов было установлено, что наи более интенсивное увеличение коэффициента полезного действия Дг) = 11— 14 % наблюдается при увеличении длины хода плун жерной группы от 4 до 12 м. При дальнейшем увеличении дли ны хода от 12 м и далее интенсивность нарастания КПД снижа ется в 2—3 раза, Дг| = 0,03—0,07, а дальнейшее увеличение дли
ны хода приводит к прямолинейности линии. На рис. 6.20 пока заны зависимости коэффициента полезного действия установки и подачи скважинного агрегата от длины хода, плунжерной груп пы при различных глубинах спуска насоса.
На рис. 6.21 приведены графики изменения коэффициентов потерь мощности привода на сжатие жидкости и потерь мощно сти на преодоление гидравлического трения жидкости от длины
Рис. 6.21. Графики зависимости коэффициентов потерь мощности на сжатие Кс и трение жидкости Кт
от длины хода плунжерной группы скважинного агрегата S. Кс______________Кх_____________
хода плунжерной группы. Анализ полученных зависимостей по казал, что наиболее существенное снижение потерь мощности привода на сжатие жидкости АКс = 0,05—4,19 достигается при увеличении длины хода плунжерной группы в интервале от 4 до 12 м, а далее при увеличении длины значительно снижается и составляет AKQ= 0,01—0,08.
При этом установлено, что коэффициент потерь мощности при вода на сжатие жидкости существенно изменяется в зависимости от глубины спуска насоса, причем с увеличением глубины спуска от 500 до 2000 м интенсивность снижения коэффициента потерь мощности возрастает от 0,06 до 0,19. Из вышеизложенного следу ет, что для снижения потерь мощности привода на сжатие жид
кости в гидроштангах необходимо довести длину хода плунжер ной группы до S = 9—12 м, а дальнейшее увеличение длины хода не обеспечивает значительного повышения эффективности уста новки. Это подтверждает ранее полученные выводы и расчетные данные. Использование стандартных скважинных штанговых на сосов позволяет доступными средствами изготовить и собрать сква жинный агрегат с длиной хода S = 9 м, а так как длина безвтулочного цилиндра стандартного насоса S = 5,5 м, то агрегат собира ется из двух двигательных и двух насосных цилиндров.
Рост коэффициента гидравлических потерь при увеличении длины хода плунжерной группы в вышеприведенном интервале имеет меньшую интенсивность, чем коэффициент потерь мощ ности на сжатие.
При энергических исследованиях рабочего процесса было проанализировано изменение коэффициента полезного действия установки от глубины спуска насоса. При этом было выявлено, что для установок с большими длинами ходов (от S = 9 м и выше) характерно незначительное снижение эффективности на 0,5—0,11 при увеличении глубины спуска от 500 до 1500—3000 м.
Для гидроштанговых установок с малыми длинами ходов (до 5 = 4—5 м) характерно более существенное снижение коэф фициента полезного действия Дг| = 0,12—0,20 при увеличении глубины спуска от 500 до 1500—2000 м.
Снижение эффективности объясняется ростом потерь мощ ности привода на сжатие жидкости в гидроштангах, так как при большей глубине спуска увеличивается и объем жидкости в гид роштангах.
Различия в значениях уменьшения КПД весьма существен ны, и это дает основание сделать вывод, что для добычи нефти из глубоких скважин необходимо применять скважинные насо сы с большой длиной хода от S = 5 м и выше.
Как известно, плунжерная группа скважинного агрегата со стоит из плунжеров различных диаметров. От соотношения этих диаметров зависят многие параметры работы установки, в том числе давление жидкости в гидроштангах, необходимое для дви жения плунжерной группы, подача скважинного насоса, потери мощности на механическое трение, а в конечном итоге — и эф фективность установки. Для определения оптимального соотно шения диаметров плунжеров на основе имеющихся методик была