вкр. ВКР от 02.03. Объект работа штанговых скважинных насосных установок (шсну)
 Скачать 2.49 Mb.
|
|
СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ Актуальность. С каждым десятилетием увеличивается число месторождений с трудноизвлекаемыми запасами углеводородов, снижается число легкодобываемых природных ресурсов, растут затраты на их извлечение, поэтому все большее распространение получают механизированные способы добычи нефти – штанговые скважные насосные установки. Однако большинство скважин работают в постоянном режиме и не контролируются, что приводит к снижению их межремонтного периода эксплуатации и непроизводительным затратам. Следовательно, актуальной задачей для нефтегазодобывающей промышленности является контроль и автоматизация добывающих скважин. Многие зарубежные и российские нефтегазовые компании обратили внимание на то, что оперативный контроль параметров и автоматизация работы скважин, то есть их «интеллектуализация», позволяет улучшить технико-экономические показатели и эффективность извлечения нефти1 . Поэтому сравнительный анализ автоматизированных систем для штанговых скважинных насосных установок выступает актуальным для исследования. Цель – проанализировать автоматизированные системы для штанговых скважинных насосных установок и оценить их эффективность. Объект – работа штанговых скважинных насосных установок (ШСНУ). Предмет – контроль автоматизированных систем для ШСНУ. Задачи: - описать теоретические аспекты исследования штанговых скважинных насосных установок; - изучить возможности автоматизации систем для штанговых скважинных насосных установок; - представить экономическое обоснование эффективности автоматизации систем для штанговых скважинных насосных установок; - произвести сравнительный анализ конструкций автоматизированных систем для ШСНУ; - оценить безопасность и экологичность проекта. Теоретическая изученность представлена анализом научных исследований отечественных и зарубежных исследователей и ученых. Так, скважинные насосные установки изучены в трудах Ивановского В.Н., Дарищева В.И., Сабирова А.А., Каштанова В.С., Пекина С.С. Авторами приведены конструкции и параметры оборудования, применяемого при эксплуатации месторождений, которое выпускается ведущими машиностроительными компаниями России и зарубежных стран. Даны рекомендации по выбору типов оборудования и методам расчета его параметров. Описаны принципы выбора машин и механизмов для определенного технологического процесса по его параметрам. А. А. Мордвиновым, О. А. Миклиной, О. М. Корохонько описано оборудование скважин, эксплуатируемых штанговыми скважинными насосами. В частности авторами разработаны материалы по поверхностному и скважинному оборудованию скважин, которые эксплуатируются ШСН, а также представлен глоссарий по рассматриваемой тематике. Солодкий Е. М. в диссертационном исследовании отразил особенности управления штанговой скважинной насосной установкой для добычи нефти с наблюдателями переменных состояния технологического процесса, актуальный для анализа в рамках настоящего исследования. Процесс контроля добывающих скважин рассмотрен Сагдатуллин А.М. Контроллеры автоматизации установок штанговых скважинных насосных установок описаны Хакимьяновым М.И., Ковшовым В.Д., Чикишевым А.М., Максимовым Н.С., Почуевым А.И., Бальцер С., Бушканец Г., Деркач А., Красных В. Результаты испытаний систем автоматизации скважин, эксплуатируемых скважинными штанговыми насосами, на месторождениях представлены Горбуновым В.В., Кучуриным А.Е., Мансафовым Р.Ю., Пивкиным А.В. Для скважин, эксплуатируемых скважинными штанговыми насосами отмечено, что контроллеры дают возможность получить зависимость усилия на полированном штоке от перемещения точки подвеса штанг (динамограмма), определить динамический уровень, зависимость потребляемой мощности от перемещения точки подвеса штанг (ваттметрограмма), давление на устье скважины, суточную производительность и др. При этом функции управления позволяют обеспечить дистанционное включение и отключение приводного электродвигателя, аварийное отключение установки, периодический режим эксплуатации, плавное регулирование частоты вращения при помощи преобразователя частоты. Исследование этих процессов выступает актуальным для настоящей работы. Управление процессами и систем управления автоматизированными системами для штанговых скважинных насосных установок рассмотрено Хакимьяновым М.И., Пачиным М.Г., Яшиным А.Н., Бодылевым А.С., Андреевым Н. К. ,Ахметгаряевым Р.Т., Ерёминым Н.А. Структура работы представлена введением, основной частью состоящей из пяти глав, заключения, списка использованных источников и приложения. В частности, глава 1 «Теоретическое исследование штанговых скважинных насосных установок» отражает краткую характеристику ШСНУ и конструктивное исполнение и оборудование насосных установок. Глава 2 «Возможности автоматизации систем для штанговых скважинных насосных установок» базируется на исследовании видов контроллеров для ШСНУ российского и иностранного производства. В главе 3 «Экономическое обоснование эффективности автоматизации систем для штанговых скважинных насосных установок» представлен расчет затрат на функционирование и обслуживание ШСНУ и оценка экономической эффективности автоматизации. Сравнительный анализ конструкций автоматизированных систем для ШСНУ представлен в главе 4. Пятая глава «Безопасность и экологичность проекта» описывает результаты обзора основных опасностей и вредных факторов при работе ШСНУ и обеспечения экологической безопасности. Перечень сокращений, условных обозначений, символов, единиц измерения и терминов 1 Теоретическое исследование штанговых скважинных насосных установок 1.1 Краткая характеристика штанговой скважинной насосной установки Нефтяная индустрия является важнейшей отраслью российской промышленности. Важность это природного энергоресурса для отечественной экономики трудно переоценить. Каждый год в России добывают миллионы тонн «черного золота», и этот объем не только обеспечивает потребности внутреннего рынка, но и приносит стране значительную долю экспортных доходов2. Эксплуатация нефтедобывающих скважин с течением времени неизбежно приводит к низкому дебиту по жидкости3. Выработка запасов месторождений, особенно при интенсивном отборе, ведет к нежелательной обводненности скважин, что ставит процесс добычи нефти для добывающих компаний на грань рентабельности. Эффективный с точки зрения оптимизации затрат способ добычи нефти становится особо актуален при вовлечении в разработку трудно извлекаемых запасов. При этом к одной из достаточно весомых составляющих этих затрат относят энергопотребление, что находит отражение в критериях энергоэффективности добычи нефти, обычно рассматриваемых в неких относительных координатах4. Технология добычи нефти и, соответственно, автоматизированные системы управления технологическим процессом (АСУ ТП) добычи нефти, в большинстве своем базируются, по мнению Солодкого Е. М. на применении двух принципиально разных подходов, в основе которых лежит применении либо установок электроцентробежных насосов (УЭЦН), либо штанговых скважинных насосных установок (ШСНУ)5. В связи с изменением структуры разведанных отечественных запасов нефти,по мнению В.Н. Ивановский6,в сторону более вязкой и тяжелой нефти установки ЭЦН будут малоэффективны, так как в таких условиях они будут иметь низкий КПД. Установки штанговых насосов востребованные. А. С. Галеев и др. считает,что самым массовым способом механизированной добычи нефти является штанговый насосный способ. С помощью скважинных штанговых насосных установок эксплуатируется 2/3 общего действующего фонда скважин7. И нужно отметить, что, например, в США эксплуатация скважин при помощи штанговых насосов является доминирующей8. Это связано с истощением ресурсов нефтяных пластов, высокой стоимостью электроэнергии, стремлением нефтяных компаний снизить затраты на ремонт скважин и более эффективно использовать свой персонал9. В Таблице рассмотрены факторы распространение и минусы ШСНУ: Таблица 1 - Плюсы и минусы распространение ШСНУ 10
В России, как отмечает Азизов Амир Мурад Аглу доля скважин оборудованных СШН (штанговых скважинных насосов) - более 40 %. На Рисунке представлено распределение фонда скважин по способам эксплуатации в ведущих нефтегазовых компаниях России 11.  Рисунок 1 - Распределение фонда скважин по способам эксплуатации в ведущих нефтегазовых компаниях России Рассмотрим условия применения установки штанговых скважинных насосов12 :  Рисунок 2 - Условия применения установки штанговых скважинных насосов Современные установки штанговых скважинных насосов (ШСН) позволяют эксплуатировать скважины глубиной до 3500 м. Диапазон изменения дебита – от нескольких сотен килограмм до нескольких сотен тонн жидкости в сутки.В технической литературе, учебных изданиях и научных публикациях как утверждает А. А. Мордвинов штанговые скважинные насосы (ШСН) ещё называют штанговыми глубинными насосами (ШГН)13. В частности специальные штанговые скважинные насосы необходимы для работы в сложных условиях14. Для успешной работы насосов необходимо рассчитывать и подбирать их под определенные условия. При этом следует учитывать не только влияние вязкости жидкости, глубины и конструкции скважины, но и кинематику привода насоса15 Установки штанговых скважинных насосов включают: Наземное оборудование: станок-качалка (СК), оборудование устья. Подземное оборудование: насосно-компрессорные трубы (НКТ), насосные штанги (НШ), штанговый скважинный насос (ШСН) и различные защитные устройства, улучшающие работу установки в осложненных условиях. Штанговая скважинная насосная установка представляет собой сложную систему16, которая представлена на рисунке:  Рисунок 3 - Схематично представлен общий вид скважинной штанговой насосной установки: 1 - станок-качалка; 2 - устьевую арматура; 3 - устьевой пневмокомпенсатор; 4 - выкидная линия; 5 - колонна насосных труб17. Отличительная особенность УШСН состоит в том, что в скважине устанавливают плунжерный (поршневой) насос, который приводится в действие поверхностным приводом посредством колонны штанг Итак штанговые скважинные насосные установки предназначены для подъема пластовой жидкости из скважины на дневную поверхность.Большое количество действующего фонда скважин оснащены глубинными скважинными насосами. С их помощью добывается в стране около 40% нефти. 1.2 Конструктивное исполнение и оборудование насосных установок Среди современных способов добычи и переработки нефти можно выделить несколько основных видов насосов для перекачки нефтепродуктов:  Рисунок 4 - Основные виды насосов для перекачки нефтепродуктов У каждой категории есть свои преимущества, свои недостатки, свое назначение. Штанговые насосы для нефтегазовой промышленности – это комплексы из наземных и подземных установок. Подземное оборудование – это сам штанговый напорный аппарат с неподвижным всасывающим клапаном в нижнем торце цилиндра и подвижным клапаном для нагнетания в верху плунжерного поршня, трубопроводы, штанга и защитные якоря или хвостовики. Наземная аппаратура этого комплекса – это так называемый станок-качалка18. В состав поверхностного оборудования установки штангового скважинного насоса входит • станок-качалка; • подвеска устьевого штока; • устьевое оборудование устья (рис):  Рисунок 5 - Поверхностное оборудование скважины Краткая характеристика поверхностного оборудования скважины рассмотрены в таблице. Таблица 2 - Поверхностное оборудование скважины19
На нефтепромыслах России и стран СНГ наибольшее применение нашли ШСНУ с механическим приводом – балансирными станками-качалками (рис).  Рисунок 6 - Типовая конструкция балансирного станка-качалки: 1 – канатная подвеска; 2 – головка балансира; 3 – опора балансира; 4 – балансир; 5 – балансирные противовесы; 6 – опора траверсы; 7 – верхняя головка шатуна; 8 – шатун; 9 – нижняя головка шатуна; 10 – редуктор; 11 – клиноременная передача; 12 – ручка управления тормозом; 13 – электродвигатель; 14 – кривошип; 15 – кривошипные противовесы; 16 – рама; 17 – стойка; 18 – траверса. Данные установки представляют собой консервативный комплекс оборудования, конструкция которого принципиально не меняется на протяжении последних 40 лет. К основным достоинствам ШСНУ с механическим приводом следует отнести длительные периоды эксплуатации, простоту устройства и обслуживания, а также возможность использования штанговых насосов на малодебитных скважинах при осложненных геологических условиях (высокая обводненность, значительное содержание абразива, серы, парафина в пластовой жидкости и т.д.)21. Подземная часть обеспечивает «захват» жидкой среды и её подачу на поверхность. Состоит из ключевых элементов: цилиндрический корпус (обеспечивает защиту от повреждений основным элементам); пустотелый поршень или плунжер (отвечает за передачу жидкости по шлангам); нагнетательный и всасывающий клапаны («захватывают» и передают жидкую среду на поверхность); насосные шланги (соединены с наружной частью ШГН – качалкой, которая обеспечивает движение всей конструкции). Оборудование можно разделить на два вида: вставные и невставные (трубные).  Рисунок 7 - Виды глубинных штанговых насосов Конструкции вставного плана погружаются в скважину в уже собранном виде, к преимуществам их эксплуатации относят лёгкость ремонта при неисправности, обслуживания. Предварительный разбор СШН перед извлечением из скважины так же не требуется. Среди недостатков использования – возможность перекачивания жидкой среды с минимальным дебитом. Вставные насосы разделяются на два вида: с верхним расположением замка (НВ1); с нижним расположением замка (НВ2). Конструкция невставного типа погружается в скважину поэтапно: сначала на нужную глубину опускается цилиндр, после чего в него при помощи штанги монтируется пустотелый поршень (плунжер) с клапанами. Основной недостаток – сборная конструкция, что усложняет ремонт, обслуживание: для устранения неисправностей требуется разобрать оборудование, после чего достать его на поверхность. Трубные насосы разделяются на: установки без ловителя (НН); установки с ловителем (НН1); установки с захватным штоком (НН2). Выбор СШН для перекачивания жидкости зависит от нескольких факторов. От условий эксплуатации: глубины скважины, её типа (горизонтальная, вертикальная, скважина с наклоном), температуры внутри. Стоит учитывать характеристики жидкой среды, для откачивания которой будет использоваться. Сюда относится степень вязкости, содержание примесей и процент газа. Независимо от вида СШН и характеристик перекачиваемой жидкости, принцип работы выглядит схожим образом: Блок управления, расположенный на поверхности, после движения качалки обеспечивает действие подземных элементов. Пустотелый поршень (плунжер) начинает движение вверх – открывается всасывающий клапан, через который внутрь поступает жидкость из скважины. Разрежение давления, вызванное движением плунжера, снижает силу трения, позволяет перекачивать нефть с содержанием газового фактора. При смене положения качалки пустотелый поршень опускается, способствуя движению жидкости по подъёмным трубам к поверхности. Всасывающий клапан при этом закрывается. Через нагнетательный клапан нефть поступает наружу. Смена положения качалки обеспечивает равномерные движения пустотелого поршня вверх-вниз в едином темпе, за счёт чего перекачиваемая жидкость постепенно заполняет внутренний объём22. Рассмотрим более подробно принцип работы ШГНУ. На рисунке 8 представлена принципиальная схема глубиннонасосного способа добычи нефти. |