книги / Скважинные насосные установки для добычи нефти

Влияние неисправностей на работу СШНУ

1. Условия эксплуатации: Наличие механических примесей.

При работе насоса механические примеси, попадая в зазор между плунжером и цилиндром, повреждают их рабочие повер­ хности, вызывают утечки, или приводят к заклиниванию плун­ жера в цилиндре.

Коррозионная среда.

При эксплуатации насоса в коррозионной среде износу под­ вержены плунжер, цилиндр, НКТ, штанги.

2. Выделение газа на приеме насоса.

Присутствие свободного газа на приеме насоса влияет на ве­ личину коэффициента наполнения насоса, а также часто приво­ дит к сухому или полусухому трению между поверхностями плун­ жера и цилиндра.

3. Выход из строя НКТ.

При глубиннонасосной эксплуатации скважины происходит постепенный износ резьбы, тела НКТ и наружной поверхности муфты штанги, при поступательном движении колонн штанг в НКТ в скважинах с большим набором кривизны.

В некоторых случаях трубы подвергаются интенсивности кор­ розии, на их стенках откладывается соль и парафин, истираются резьбовые соединения и поверхность труб повреждается труб­ ными ключами.

В результате трубы теряют герметичность и прочность, что приводит к серьезным авариям. Для предотвращения аварий все трубы перед спуском в скважину проверяются и при необходи­ мости, отбраковываются.

4. Неисправности с насосными штангами.

Насосные штанги при эксплуатации подвергаются перемен­ ным усилиям и в процессе работы возникает момент, когда ра­ бочее напряжение в штангах превышает допустимое приведен­ ное напряжение, происходит разрушение металла и обрыв штанг.

Важную роль в уменьшении предела усталости материала иг­ рает концентрация напряжения в местах крепления пластинча­ тых скребков, механических повреждений штанг (изгиб, цара­ пины, выемки, углубления, риски и т.д.). При коррозионной усталости материала штанг в результате электрохимических про­

цессов на их поверхности образуются оспины и процесс разру­ шения происходит более интенсивно, тоже самое происходит при повреждении поверхности штанг, которые появляются в ос­ новном в процессе использования штанг на промыслах(неправильная перевозка, плохие условия хранения, небрежное обра­ щение со штангами в процессе работы). Обрыв штанг происхо­ дит и в результате превышения предела упругости материала вследствие заклинивания плунжера в цилиндре насоса, искрив­ ления штанг или заклинивания их в НКТ из-за падения плас­ тинчатых скребков. Искривление штанг может возникнуть в слу­ чае прихвата плунжера насоса при ходе вниз, при ударах плун­ жера о жидкость в искривленных скважинах, а также при ис­ пользовании штанг малого диаметра в НКТ большого диаметра. Штанги работают удовлетворительно, если значение приведен­ ного напряжения Кпр = Vomax-aa не превосходит определенной величины [50, 51].

Неполадки со штангами происходит также по причине того, что насосные трубы забиваются парафином, в следствие неисправ­ ности штанговрашателя. Еще одна из причин возникновения не­ исправности в колонне штанг является рассоединение отдельных участков колонны штанг по причине износа, или неправильной эксплуатации штанговых муфт, или несоосности СК и скважины.

В заключение следует сказать, что неисправности скважин­ ного оборудования приводят к значительным потерям в добыче нефти и требуют привлечения больших финансовых ресурсов для ремонта вышедшего из строя оборудования, а в особо слож­ ных случаях и капитального ремонта скважины.

Неисправности поверхностного оборудования:

Неисправности вызваны, как правило, неуравновешенностью

идинамическим характером эксплуатационных нагрузок.

1.Неисправности в редукторе.

Редуктор является одним из самых ответственных и дорогос­ тоящих узлов СК. Сбой в работе редуктора ведет к простою сква­ жины, снижению коэффициента использования оборудования, повышению себестоимости добычи нефти.

В свою очередь остановка СК может привести к замерзанию выкидной линии скважины и к прихвату штанг в НКТ и плун­ жера в цилиндре насоса, что может дополнительно сказаться на технико-экономических показателях.

Существует также ряд неисправностей редуктора, которые не приводят к аварии одномоментно. К таким неисправностям от­ носится: шум в редукторе, вибрации в редукторе, удары и стуки промежуточного вала подшипников, износ шпонки шкива, с последующим сходом с вала, ослабление крепления редуктора, протечки масла по валу, отсутствие масла, износ вала, износ шкива редуктора, выход из строя подшипников на ведомом и промежуточных валах.

Нельзя допускать утечки масла из редуктора, так как в этом случае помимо излишнего расхода масла и загрязнения площад­ ки происходит разрушение бетонного фундамента станка-качалки.

На продолжительность работы всех узлов станка-качалки во время эксплуатации в особенности редуктора существенно вли­ яют уравновешенность станка-качалки.

2. Неисправности, возникающие в клиноременной передаче.

При неправильной установке ремней они быстро изнашива­ ются и рвутся, что увеличивает расход ремней и следовательно, повышает затраты на эксплуатацию станка-качалки, вызывают остановку подачи жидкости на поверхность, что может сопро­ вождаться замерзанием выкидной линии скважины, прихватом плунжера насоса, что в итоге уменьшает объем добычи нефти.

Классификация методов диагностики

На рис. 2.74 представлена классификация методов диагнос­ тики СШНУ.

Эффективность работы одного из самых распространенных видов оборудования для механизированной добычи нефти — штанговых скважинных насосных установок -зависит от очень многих факторов, определяемых как правильным выбором от­ дельных элементов оборудования, так и правильной эксплуата­ цией, обслуживанием и своевременным ремонтом оборудова­ ния. Подбор оборудования СШНУ и режимов ее эксплуатации определяется геолого-техническими данными скважины.

В тоже время дебит скважины, зависит от величины забойно­ го и пластового давления, давления насыщения, газового фак­ тора, обводненности нефти и некоторых других факторов изме­ няющихся в процессе эксплуатации. Проведение же постоян-

Рис. 2.74. Классификация методов диагностики СШНУ

но точно определить дебит малопродуктивных, скважин также осложняет работы по повышению эффективности работы штан­ говых установок. Поэтому диагностирование работы СШНУ, позволяющее оперативно определить параметры работы обору­ дования является необходимым процессом, которому в после­ днее время уделяется все большее внимание как со стороны эк­ сплуатационников, так и со стороны научно-исследовательских и внедренческих фирм.

Диагностирование работоспособности элементов СШНУ и определение основных параметров комплекса «скважина — пласт — оборудование» возможно двумя основными методами.

Прямой замер действительных показателей давления жид­ кости, температуры и состава продукции непосредственно на приеме скважинного насоса и в других характерных точках сква­ жины и передача этих данных на поверхность по специальным кабелям. Затем эта информация обрабатывается, анализирует­ ся и согласовывается с информацией, полученной от поверх­ ностных наземных источников, таких, например, как динамо­ метр и расходомер. Информация, полученная таким путем, яв­ ляется наиболее достоверной и полной, но такая система диаг­ ностики является сложной и дорогой, как в монтаже, так и в эксплуатации. Динамометрирование СШНУ является основным способом диагностирования работы ШГН, колонны штанг, насосно-компрессорных труб и СК. Разработанные многими ученными и инженерами (Eickmeier J.R., Gibbs S.G., Neely А.В., Patton L.D., Adamache I., Slonneger J.C., Вирновский A.C., Пар­ ный И.А., Белов И.Г., Адонин А.Н., Пирвердян А.М., Касья­ новым В.М. и др.) [28, 29, 30, 31, 36, 37, 35] теоретические обоснования и математические модели процесса добычи нефти скважинными насосными установками позволяют обрабатывать динамограммы для их последующего анализа и определения неисправностей. При помощи динамограмм можно установить многочисленные параметры работы глубинонасосных устано­ вок, знание которых значительно облегчает как обнаружение неисправностей.

Для динамометрирования у нас в стране и зарубежом исполь­ зуются различные приборы отличающиеся по конструкции и принципам действия системы.

Для динамометрирования у нас в стране и зарубежом исполь­ зуются различные приборы отличающиеся по конструкции и принципам действия системы.

Рассмотрим некоторые из них.

Наиболее распространенным в мире является гидравличес­ кий геликсный динамометр, устанавливаемый между траверса­ ми канатной подвески станка-качалки. Широкое распростране­ ние данного вида оборудования обусловлено его простотой, опе­ ративным получением первичной информациидинамограммы и возможностью здесь же, на месте, определения основных не­ исправностей СШНУ или причин недостаточной эффективнос­ ти работы установки.

К недостаткам данного вида оборудования относятся низкая точность и достоверность информации, субъективность в оцен­ ке и расшифровке динамограмм, остановка станка-качалки для установки динамографа, большие затраты времени и ручного труда операторов по исследованию скважин, особенно при слож­ ных погодно-климатических условиях, невозможность телеме­ ханизации и телеавтоматизации процесса динамометрирования, затруднение в сборе и обработке полученной информации с по­ мощью ЭВМ.

В настоящее время в нефтяной промышленности при техни­ ческой диагностике СШНУ широкое распространение получи­ ли микропроцессоры.

Одним из частных видов динамограмм является ваттметрограмма — рис. 2.75 [34].

Под ваттметрограммой (см. рис. 2.75) понимается график из­ менения электрической мощности, потребляемой электропри­ водом станка-качалки за цикл качания. Циклические ватгметрограммы электропривода станка-качалки несут информацию как о глубинной части насоса, так и о наземной. Метод контро­ ля по ваттметрограммам основан на сравнении формы кривой, снятой на данной скважине при нормальном режиме ее работы (при первоначальном запуске, после проведения ремонта, при условии, что ее параметры, такие как число качаний, длина хода плунжера насоса, положение уравновешивающих грузов в пери­ од после снятия исходной ваттметрограммы не менялись).

Еще одним направлением определения работоспособности машин и механизмов является вибродиагностика [32].

Рис. 2.75. Теоретическая ваттметрограмма нормальной работы СШНУ

Рл — максимальная мощность при нагрузке от веса половины столба жидкости в трубах и силы трения подземном оборудовании; Рп — макси­ мальная мощность при нагрузке от веса уравновешенного груза и силы трения в подземном оборудовании; Р^ — мощность холостого хода элек­ тропривода станка-качалки; АЕ — ход устьевого штока вверх; ЕВ — ход устьевого штока вниз; АД — расстояние штанг плюс сокращение штанг; ЕМ — расстояние труб плюс сокращение штанг; ДЕ — ход плунжера вверх; МВ — ход плунжера вниз

Теоретические и экспериментальные исследования показы­ вают, что по характеристикам вибрации можно получить до­ вольно обширную информацию о состоянии механизма. Разра­ ботаны различные методики анализа характеристик и соотнесе­ ние их с конкретными взаимодействующими рабочими парами. Рассмотрим например работу опорного подшипника. В новом подшипнике при малом зазоре частота колебаний низкая, амп­ литуда колебаний мала. По мере износа подшипника растут ча­ стота и амплитуда колебаний, что может служить диагностиру­ ющим фактором. Таким образом, с помощью аналитических за­ висимостей можно установить характер изменений параметров вибрации в процессе износ машин. К преимуществу вибродиаг­ ностики можно отнести определение неисправного узла в слож­ ной системе диагностики. Одним из недостатков вибродиагнос­

тики является выбор места расположения датчика, так как в раз­ личные точки корпуса редуктора сигналы от различных соуда­ ряющихся кинематических пар могут приходить в различных фазах и изменять общий уровень сигнала.

Динамограмма снимаемая на поверхности всегда имеет иска­ жение от сил трения, упругости колонны штанг, упругости ко­ лонны штанг и т.д. Поэтому поверхностные динамограммы по­ лезно сравнивать с плунжерной скважинной динамограммой.

Скважинные плунжерные динамограммы получают с помо­ щью глубинного динамографа. Рассмотрим конструкцию глу­ бинного гидравлического динамографа ДГТ-1С-360Г [38].

Глубинный динамограф (рис. 2.76) состоит из двух частей: гидравлического датчика усилий и записывающего устройства. Гидравлический датчик усилий расположен в нижней части ди­ намографа и состоит из цилиндрической серьги 1, цилиндра 6, пальцев 4 и 5, переводника 7 и уплотнительных колец 11. Ци­ линдрическая серьга в нижней части имеет муфту для соедине­ ния динамографа со штангой, а верхней части окна для пальцев 4 и 5. исключения возможности его перекоса в процессе работы. Поршень 3 служит для преобразования усилия сжатия, действу­ ющих в штанговой колонне, в давление масла в полости М. Длина поршня 3 выбрана с учетом выполнения в нем окна для пальцев 4 и 5 и исключения возможности его перекоса в процессе рабо­ ты. В теле цилиндра имеются окна 10, через которые серьга со­ единена с поршнем при помощи пальцев 4 и 5. Длина окна 10 выбрана из расчета обеспечения движения пальцев 4 и 5 на дли­ ну рабочего хода поршня 3 с некоторым запасом хода для ком­ пенсации объемных изменений масла в полости М от нагрева или утечек в условиях скважин. Фиксация верхнего пальца от­ носительно нижнего осуществляется при помощи установочно­ го винта 14. С обоих концов цилиндра 6 выполнены резьбы для соединения датчика усилий с переводником 7 и для закрытия заглушкой 2. Переводник 7служит для соединения датчика уси­ лий с записывающим устройством динамографа. Полость М цилиндра 6, заключенная между переводником 7и верхним тор­ цом поршня 3, служит рабочей камерой датчика усилий и за­ полняется машинным маслом. Продольное отверстие К в пере­ воднике выполняет функцию гидравлического канала связи ка­ меры с рабочей камерой М. Полость цилиндра 6, ограниченная

Рис. 2.76. Динамограф глубинный гидравлический ДГТ-1С-360Г

нижним торцом поршня 3 и заглушкой 2, образует воздушную камеру, благодаря чему торец поршня изолирован от окружаю­ щей Среды. В качестве записывающего устройства динамографа применяются глубинные манометры типа МГГ или МГП. За­ писывающая часть заключена в корпусе 9, который имеет резьбу для присоединения снизу к переводнику 7и вверху к полумуфте 9, предназначенной для присоединения динамографа со штанго­

вой колонной. Сжимающие усилия, действующие на низ штан­ говой колонны в месте установки динамографа, передаются че­ рез цилиндрическую серьгу /, пальцы 4 и 5 поршню 3, который, перемещаясь вверх, сжимает масло в рабочей камере М. Изме­ нение давления масла в рабочей камере М передается через гид­ равлический канал связи К в камеру, где размещен сильфон 13 геликсного манометра, и преобразующий механизм увлекает перо, которое регистрирует давление на фольге. Перемещение каретки с фольгой осуществляется часовым механизмом типа 270 4П-Б.

Глубинная динамограмма получаемая с помощью ДГТ-2С- 360Г является наиболее достоверной и полной о рабочем состо­ янии глубинного насоса, но такая система диагностики является сложной и дорогой, как в монтаже, так и в эксплуатации. Ос­ новной недостаток данного устройства заключается в том, что для получения динамограммы необходимо произвести спускоподъем оборудования.

На промыслах наиболее распространен переносной гидрав­ лический динамограф ГДМ-3 рис. 2.77, технические характери­ стики которого приведены ниже.

Динамограф состоит из силоизмерительного устройства и са­ мописца с ходоуменыпителем, смонтированных в одном блоке. В силоизмерительное устройство входят два рычага-вилки и гид­ равлическая мессдоза (трансформатор давления), которая встро­ ена в верхний рычаг и представляет собой полость, заполнен­ ную жидкостью и перекрытую мембраной из тонкой листовой