Расчет привода штанговой насосной установки
 Скачать 1.73 Mb.
|
|
1. Способы добычи нефти. Добычей такого полезного ископаемого как нефть занимается подотрасль нефтяной промышленности, такая как нефтедобыча. Так как нефтедобыча трудоемкий и объемный производственный процесс, то она включает в себя такие операции как бурение и строительство скважин, их ремонт, очистку добытой нефти от воды, серы, парафина геологоразведка. Разработка месторождений нефти производится путём строительства нефтяных скважин и шахтным методом. Современные методы добычи, смотря на способ извлечения нефти из скважины делятся на: фонтанный метод добычи (Фонтанирование происходит за счет разности давления в продуктивном пласте и давления на устье скважины); газлифтная эксплуатация скважин; насосно-компрессорная добыча, использование различных насосов: установка электроцентробежного насоса (УЭЦН); установка электро-винтового насоса (УЭВН); установка штангового скважинного насоса (ШСН); Фонтанный способ эксплуатации скважины. Фонтанный способ эксплуатации залежи характерен для начального периода ее освоения, в то время, когда пластовая энергия обеспечивает извлечение нефти на поверхность земли. Величина пластовой энергии различна и зависит от пластового давления и мощности залежи. Наличие газа в пластовых жидкостях в значительной мере способствует фонтанированию скважин. Основными преимуществами использования такого метода являются очень малая стоимость добычи нефти за счет отсутствия затрат на дополнительное оборудование (насосы, приводы УШСН и т.д.), а также преимущество 13 заключается в наземном расположении оборудования. За счет этого обеспечивается простота контроля, технического обслуживания, ремонта этого оборудования. Газлифтный способ эксплуатации скважины. Логическим продолжением фонтанной эксплуатации скважин является эксплуатация газлифтом, когда происходит уменьшение пластовой энергии настолько, что возникает невозможность подъема жидкости на поверхность и возникает необходимость в сообщении дополнительной энергии. Газ высокого давления используют в качестве дополнительной энергии. Образование газожидкостной смеси, имеющей низкую плотность, которая происходит в результате смешивания дополнительно поступающего в скважину газа, который используется в качестве дополнительной энергии, с жидкостью пласта, что снижает давление на забое скважины. Подъем получившийся смеси обеспечивается за счет низкого забойного давления. Газлифт бывает двух видов: компрессорный и бескомпрессорный. Компрессорный газлифт применяется в тех ситуациях, когда необходимо сжатие газа до необходимого давления. Если в качестве рабочего агента для газового подъемника применяется газ из газовых пластов высокого давления, то в этом случае эксплуатация скважин называется бескомпрессорным газлифтом. Основными преимуществами газлифтной эксплуатации являются: простота ремонта за счет наземного расположения оборудования; простота конструкций оборудования; независимо от глубины скважины имеется возможность отбора больших объемов жидкости (до 1800 т/сут); простота регулирования дебита нефти скважины за счет увеличения или уменьшения подачи газа в скважину; возможность эксплуатации пескопроявляющих и обводненных скважин; 14 исследование скважин не затруднительно. Недостатки газлифтной эксплуатации: в сильно обводненных и сильно пескопроявляющих скважинах имеется необходимость частой замены НКТ; КПД всей системы компрессор-скважина и подъемника очень низок; в начале обустройства месторождений необходимость строительства компрессорных станций, газораспределительных будок что приводит к большим затратам; большой расход электроэнергии на добычу 1 т нефти при эксплуатации малодебитных скважин с низкими динамическими уровнями. Установка электроцентробежного насоса. УЭЦН – установка электроцентробежного насоса. Основной объем всей добываемой нефти производится при помощи УЭЦН, но по количеству скважин с УЭЦН намного меньше чем скважин с ШГН. 75% всей добытой нефти в России добывается при помощи УЭЦН. УЭЦН представляет собой длинный и тонкий насосный агрегат. Возможность данного насоса работать в химически агрессивных средах и в скаважинах с высоким содержанием механических примесей. Состоит он из погружного насосного агрегата (электродвигатель с гидрозащитой + насос), кабельной линии, колонны НКТ, оборудования устья скважины и наземного оборудования (трансформатора и станции управления). Электроцентробежные погружные насосы имеют значительные преимущества простота ремонта за счет наземного расположения оборудования; возможность отбора больших объемов жидкости из скважин; возможность использовать их на скважинах с глубиной более 3000 метров; межремонтный период работы ЭЦН очень высок; 15 легкое проведение исследований в скважине; мало трудоемкие методы удаления парафина со стенок насосно- компрессорных труб. Электроцентробежные насосы применяются в наклонных и глубоких нефтяных скважинах, в скважинах с йодо-бромистыми водами, в скважинах с большим обводнением, в скважинах с высоким содержанием минералов в пластовых водах, для подъема соляных и кислотных растворов. Кроме того, разработаны и выпускаются электроцентробежные насосы для одновременно- раздельной эксплуатации нескольких горизонтов в одной скважине со 147 мм и 169 мм обсадными колоннами. Иногда электроцентробежные насосы применяются также для закачки минерализованной пластовой воды в нефтяной пласт с целью поддержания пластового давления. Установка электровинтового насоса. Создание напора жидкости за счет вращения одного или нескольких винтов внутри статора, это и есть принцип работы винтового или шнекового насоса. Прародителем винтового насоса является роторно-зубчатых насос Преимущества винтовых насосов: высокая равномерность подачи; высокая способность самовсасывания жидкости; не используя большое количество каскадов нагнетания можно получить на выходе высокое давление; низкий уровень шума и вибраций за счет высокой сбалансированности насоса. Недостатки: винты насоса имеют высокую себестоимость; 16 невозможность регулировать рабочий объём; невозможность холостого хода. Установка штангового скважинного насоса. Одним из типов объемного насоса является штанговый насос. Работа насоса осуществляется за счет возвратно-поступательного перемещения плунжера с помощью наземного привода через колонну штанг. Основными преимуществами УШСН являются: высокий КПД; возможность проведения ремонта «в поле»; для первичных двигателей могут быть использованы различные приводы; возможность применения установки ШГН в осложнённых условиях. Основными недостатками УШСН являются: высокая угроза обрыва штанг при увеличении глубины скважины; подача насоса мала; ограничение по наклону ствола скважины и интенсивности его искривления (неприменимы в наклонных и горизонтальных скважинах, а также в сильно искривленных вертикальных). 2. Обзор возможных типов приводов УШСН. Наиболее распространенный способ добычи нефти является добыча при помощи УШСН. Как минимум две трети фонда действующих добывающих скважин эксплуатируются установками ШСН. Насосная установка в целом и его наземная часть — станок-качалка являются достаточно популярными и не мало подвержены изменениям с течением времени комплексом оборудовании. Станки-качалки в основном 17 применяются на скважинах с глубиной подвески насоса до 1600 м и дебитами пластовой жидкости до 28 м 3 /сутки, чему соответствуют примерно 75% всего фонда скважин в стране. На данной скважине добыча будет производиться на глубине 1300 м и дебитом 20.5 м 3 /сутки. Содержание в добываемой нефти высокого содержания парафина – 3,5% и серы – 1,9%. Холодный климат района расположения скважины холодный с суровой зимой и сравнительно прохладным летом , а также простота конструкции, эффективность работы, высокая надежность и ремонтопригодность обуславливают применение на данной скважине штангового насоса. Штанговая насосная установка для эксплуатации состоит из привода УШСН(станка-качалки), оборудования устья скважины, колонны насосных штанг, колонны подъемных труб и скважинного штангового насоса. Привод УШСН(станок-качалка) одно из важнейших частей штанговой насосной установки. Станок-качалка – индивидуальный механический привод нефтяных штанговых скважинных насосов, применяется в районах с умеренным и холодным климатом. Две основные задачи, выполняемые приводами УШСН – привод преобразует энергию двигателя в механическую энергию колонны штанг и создает оптимальный режим работы приводного двигателя. А также привод обеспечивает движение точки подвеса штанг по определенному закону, регулирует режим откачки пластовой жидкости за счет изменения длины и частоты хода точки подвеса штанг, пуск и остановку УШСН, контроль режима работы внутрискважинного оборудования. Рассмотрим основные типы приводов УШСН с учетом структурной схемы приводов. 2.1. Механический балансирный привод УСШН. 18 Самым распространенным является СШНУ, имеющие механический балансирный привод с разными типами уравновешивания (патент № 2455526) . На рис.1. показан балансирный станок-качалка. Рис.1. Общий вид механического балансирного привода СШНУ. 1 - канатная подвеска; 2 - балансир с поворотной головкой; 3 - опора балансира; 4 - стойка; 5 - шатун; 6 - кривошип; 7 - редуктор; 8 - ведомый шкив; 9 - клиноременная передача; 10 - электромотор; 11 - ведущий шкив; 12 - ограждения; 13 - салазки поворотные для электромотора; 14 - рама, 15 - противовес, 16 - траверса, 17 - тормозной шкив. Рама, на которой монтируются стойка, редуктор, поворотные салазки под электродвигатель и ограждение кривошипно-шатунного механизма, выполнена из профильного проката. Для уменьшения высоты фундамента в станках- качалках с комбинированным и кривошипным уравновешиванием в месте установки редуктора прикрепляется подредукторная подставка. На раме предусмотрены отверстия для крепления анкерными болтами к фундаменту при монтаже станка-качалки. 19 Балансир изготавливают из профильного проката или сварной конструкции. В станках-качалках 1СК-ЗСК балансир выполнен с откидной головкой, а в 4СК-9СК - с поворотной. В рабочем положении поворотная головка фиксируется клином защелки, входящим в паз шайбы головки. Клин защелки соединен с рукояткой канатом. При освобождении головки клин при помощи рукоятки оттягивается назад. Головка балансира поворачивается после отсоединения с колонной штанг при текущем ремонте скважин. Головка балансира представляет собой дугу окружности, чем обеспечивается прямолинейность движения сальникового штока при качании балансира. В верхней части головки закреплен ролик, на который надет канат. К концам каната прикреплена канатная подвеска сальникового штока. На заднем плече балансира у станков-качалок с балансирным и комбинированным уравновешиванием устанавливают грузовые чугунные плиты. Опора балансира (Рис.2.) представляет собой ось, оба конца которой установлены в сферических роликоподшипниках, расположенных в чугунных корпусах. Балансир опирается на среднюю квадратную часть оси и закрепляется двумя скобами. Шатуны, соединительное звено между кривошипом и траверсой, выполняют из стальной трубы ГОСТ 8732-70. В верхнюю часть шатуна вварена головка для соединения с траверсой, а к нижней части приваривают опорный башмак, к которому крепится нижняя головка шатуна. 20 Рис.2. Опора балансира 1- верхняя плита, 2 - балансир, 3 - скоба крепления балансира, 4 - корпус подшипника, 5 - установочный винт. Кривошипы в станках-качалках по ГОСТ 5866-66 изготавливают со ступенчатым и с бесступенчатым (плавным) изменениями длины хода. Длину хода точки подвеса штанг регулируют изменением радиуса вращения пальца нижней головки шатуна, закрепленного в кривошипе. В кривошипах с бесступенчатым изменением длины хода выступающий из нижней головки шатуна палец кривошипа, оканчивающийся плитой со скосами типа «Ласточкин хвост», обеспечивает плавное и направленное перемещение в специальных направляющих кривошипа. Для надежной фиксации пальцев на кривошипах предусмотрены клиновые зажимы, соединенные с пальцами специальными болтами. Палец перемещается по кривошипу при изменении длины хода точки подвеса штанг при помощи ходового винта с трапецеидальной резьбой. Один конец пальца закреплён в подшипнике, а другой заканчивается головкой квадратного сечения под торцовый ключ. При перемещении пальца вдоль кривошипа необходимо последний установить в горизонтальное положение, ослабить болт клинового 21 зажима и торцовым ключом придать вращение ходовому винту в нужном направлении. Редуктор двухступенчатый с шевронными зубчатыми колесами, с цилиндрической передачей Новикова. На концах ведущего вала насажены ведомый шкив клиноременной передачи и шкив тормоза. Электродвигатель - трехфазный короткозамкнутый асинхронный с повышенным пусковым моментом в вологоморозостийкому исполнении. На валу электродвигателя установлена конусная втулка, на которую насажен ведомый шкив клиноременной передачи. Тормоз станка-качалки двух колодочный (Рис.3.). Конструкцией предусмотрено три типа узла соединения тормоза с редуктором: колодки установлены под углом относительно вертикальной оси и нижним расположением ходового винта; колодки установлены симметрично относительно вертикальной оси; колодки установлены под углом относительно вертикальной оси с верхним расположением ходового винта. Рис.3. Тормоз станка-качалки 1 – левая колодка, 2 – палец, 3 – правая колодка, 4,6 – гайка, 5 – вилка, 7 – стяжной винт. 22 2.2. Механический безбалансирный привод УШСН. Приводная часть включая редуктор, та же, что и у балансирного станка- качалки. Небольшое отличие в конструкции кривошипа. Безбалансирные станки-качалки (патент № 67678) имеют кривошип – V-образной формы с углом 30 градусов. Данная конструкция кривошипа улучшает уравновешивание станка, а также уменьшает вес контргрузов. Размещение грузов на кривошипе конструктивно так же, как и на балансирных станках-качалках. Над устьем скважины, на наклонной стойке, расположен ролик, через который проходит гибкая подвеска, подсоединённая к траверсе, которая, в свою очередь, соединена с шатунами. Место подсоединения можно изменять для регулировки длины хода точки подвеса штанг так же, как и у балансирного станка-качалки. (Рис.2.) Основные преимущества безбалансирных станков-качалок. 1- Отсутствие массивного качающегося балансира и поворотной головки у балансирной качалки, за счет чего снизились динамические нагрузки, обеспечилась высокая степень уравновешивания, а также полное отсутствие отрицательных крутящих моментов на редукторе. 2- Значительное (на 15…20%) снижение расхода электроэнергии. 3- Отсутствие отрицательных крутящих моментов на выходном валу привело к увеличению срока службы редуктора. 4- Отсутствие вибраций и динамических нагрузок привело к увеличению срока службы колонны штанг. 5- Увеличение коэффициента подачи насоса за счет повышения длины хода, которая компенсирует вытяжку колонны штанг. 6- Повышение коэффициента наполняемости насоса за счет уменьшения числа качания, а, следовательно, числа срабатываний шарикового клапана, каждое из которых сопровождается утечками пластовой жидкости. 23 7- Повышение срока службы штангового насоса, т.к. увеличение длины хода качалки предполагает удлиненный цилиндр, что существенно снизит износ его рабочей поверхности. 8- Снижение затрат при монтаже на промысле, так как объем фундамента безбалансирных станков-качалок в 5 раз меньше в сравнении с другими типами станков-качалок Рис.2. Схема безбалансирного станка-качалки. 1-рама; 2-стойка; 3-сальниковый шток; 4-канатный шкив; 5-траверса и шатуны; 6- кривошипы; 7-редуктор; 8-тормоз; 9-электродвигатель; 10-клиноременная передача. Появляется возможность использовать стеклопластиковые штанги и полимерные НКТ так как увеличилась длина хода. Процесс откачки 24 высоковязкой нефти облегчился за счет тихоходного режима откачки. Привод имеет высокую технологичность регулирования и обслуживания, включая: Механизированный отвод стрелы от устья скважины, при необходимости выполнения подземного ремонта скважины, при этом величина отвода составляет более 1м; Мгновенное торможение привода и последующее механическое стопорение, обеспечивающее безопасное выполнение работ при обслуживании механизмов; Удобный доступ к механизму натяжения клиновых ремней; Изменение длины хода. Значительно меньшие габариты, по сравнению с другими кривошипными приводами, позволяют рационально использовать безбалансирные станки- качалки в стеснённых условиях морских площадок или при кустовом расположении скважин. Безбалансирные станки-качалки имеют меньшие габариты и металлоемкость по сравнению с балансирными. Недостатком является малая надежность гибкой связи. Попытки использовать гибкую связь различного профиля, в том числе ленточного, не дали ощутимых результатов по повышению срока службы этого соединительного узла. Это связанно с изгибными напряжениями. 2.3. Гидравлические приводы УШСН. Штангонасосная добыча нефти появилась около ста лет назад и стала возможной благодаря изобретению станка-качалки. И лишь последние 20 лет применяется гидравлический привод штанговых скважинных насосов (ГПШСН) (патент № 2194879). До сих пор у многих механиков возникают сомнения в его надежности: • может ли гидропривод работать в сильные морозы? 25 • не будет ли мала наработка на отказ, не придется ли постоянно устранять течи масла? • как ремонтировать гидропривод в зимних условиях? • окупится ли более сложная техника? Внедрение в производство гидроприводов позволило получить ряд преимуществ. Во-первых, гидроприводы обеспечили работу при нагрузках на шток более 8 т., при которых станок-качалка часто останавливается. Это обусловлено тем, что в гидроприводе отсутствует механическая передача, а усилие на штоке гидроцилиндра по законам гидравлики самостоятельно увеличивается при росте нагрузки, если хватает мощности привода. Для этого гидропривод имеет электродвигатель с мощностью от 30 до 45 кВт. Во-вторых, гидропривод имеет автоматику, которая контролирует его работоспособность, самостоятельно корректирует режим работы и немедленно сообщает оператору об отклонениях от нормы. В-третьих, в конструкции гидропривода учтены климатические особенности районов размещения и грунтов. Гидро- и электрооборудование размещается в блок- боксе, защищающем его от перепадов температуры и несанкционированного доступа. Гидроцилиндр при малых нагрузках устанавливается на устьевую арматуру, а при больших нагрузках устанавливается на железобетонные плиты или на сваи. 26 Рис.3. Схема гидравлического привода СШНУ. 1-корпус; 2- приводной цилиндр; 3- уравновешивающий цилиндр; 4-фланец обсадной колонны; 5- колонна штанг; 6- шток уравновешивающего цилиндра; 7- колонна нососно- компресорных труб; 8- маслопровод; 9- поршень уравновешивающего цилиндра; 10- сегменты; 11- цилиндры; 12- цилиндрические стержни; 13- валики; 14- трубопроводы. Применение гидравлического привода штангового насоса дает дополнительные преимущества: Во-первых, гидропривод обеспечивает большую начальную скорость подъема штока по сравнению со станком-качалкой и улучшает работу клапана 27 скважинного насоса. В конце цикла возможна задержка для увеличения наполнения насоса. Во-вторых, гидропривод имеет автоматическую систему управления, а также систему дистанционного управления и телеметрии. Современное программное обеспечение позволяет изменять режим работы насоса при изменении притока скважинной жидкости. Дистанционное управление и телеметрия позволяют диспетчеру в любое время знать параметры добычи и корректировать процесс с централизованного пульта управления. Изменение режимов происходит без участия механиков и без применения грузоподъемной техники для перестановки контргрузов. При этом не стоит думать, что гидропривод полностью вытеснит станки- качалки и электроцентробежные насосы. Гидропривод будет применяться, в первую очередь, на осложненных и малодебитных скважинах, на кустовых площадках с близким расположением скважин, не позволяющим установить станок- качалку вместо ЭЦН; на наклонных и глубоких скважинах с высокой нагрузкой на шток; при добыче вязкой нефти и т.д. В этих случаях гидропривод обеспечит наилучшую окупаемость затрат. |