книги / Скважинные насосные установки для добычи нефти

(см. рис. 2.79, динамограмма 22. Чем выше глубина обрыва (отво­ рота), тем меньше вес оставшейся части колонны штанг и тем ниже линии веса штанг располагается динамограмма (см. рис. 2.79, динамограмма 21).

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

Существует множество видов оборудования для диагности­ ки и контроля за работой ШСНУ на базе микропроцессорных систем.

Так, например, фирма «АТК» (г. Пермь) [38] предлагает сис­ тему, состоящую из стандартного геликсного динамографа, дат­ чика давления и перемещения, который соединен со вторичны­ ми приборами, предназначенными для хранения и первичной обработки информации, а также для передачи этой информации в ЭВМ для обработки и анализа полученных данных. Фирма поставляет также программное обеспечение, позволяющее оп­ ределить до 14 параметров системы «пласт — скважина — уста­ новка», такие как: динамический уровень, дебит скважины, на­ грузка в точке подвеса колонны штанг, коэффициенты подачи и наполнения насоса и некоторые другие. Однако при всех своих достоинствах этот способ динамометрирования имеет свои не­ достатки. К ним в первую очередь относиться необходимость остановки станка-качалки для монтажа динамографа, подвеска полированного штока на специальном зажиме, ручной монтаж и демонтаж динамографа между траверсами канатной подвески станка-качалки, невозможность телемеханизации процесса ди­ намометрирования.

Подобное оборудование используется фирмой Dynapump (США) [38]. В этой системе геликсный динамограф заменен на электронные датчики давления, а персональный компьютер мак­ симально приближен к скважине для оперативной обработки и анализа информации, а также выдача рекомендации по даль­ нейшей эксплуатации данной скважины. Система в целом мо­ бильна и имеет ряд преимуществ перед ранее известными.

К недостатком этой системы относится невозможность те­ лемеханизации процесса диагностирования. Система фирмы «Dynapump» является усовершенствованной моделью систе­

мы фирмы «Nabra Согр» (США), которая была создана ранее для фирмы «Shell» (США). Как уже было отмечено, одним из основных недостатков всех рассмотренных систем диагности­ ки работоспособности ШСНУ является невозможность теле­ механизации процесса диагностики. Этого недостатка лише­ ны системы, разработанные фирмами «Mobil Oil Со» (США), «DELTA-Х» (США), «Baker САС» (США) [20, 38]. Система ди­ агностики включает датчик нагрузки на колонне штанг, систе­ му сбора данных и каналы от конечных устройств к ЭВМ. Си­ стема состоит из центрального, обрабатывающего информацию, комплекса и полевых компьютеров, обслуживающих группы скважин.

Оценка технического состояния ШСНУ проводится по ре­ зультатам последовательных замеров определенных параметров работы. Система применяется не только для диагностики, но и для оптимизации режима работы установок, анализа нагруженности колонны насосных штанг, работы станка-качалки и его уравновешенности.

Другая система диагностирования ШСНУ разработана французкой фирмой «CIMSA» [20, 38] на базе микрокомпьютера «SYSTEP» и состоит из трех главных частей:

—локальная система отбора и обработки данных;

—центральная (диспетчерская) система;

—система связи.

Локальная система сбора данных выполняет следующие опе­ рации:

—снятие и хранение динамограмм;

—связь с диспетчерской.

Локальная система не проводит диагностику, она передает следующие данные в центральную:

—полную динамограмму скважины;

—технологический номер скважины;

—минимальные и максимальные значения нагрузки. Диагностика скважины в центральной диспетчерской проис­

ходит на ЭВМ с участием оператора. Преимущество системы в том, что она позволяет управлять как одной скважиной, так и группами скважин.

Данная система включает в себя первичные датчики усилия, размешенные на траверсах канатной подвески СК, и углового

перемещения, размещенного в подшипнике опоры балансира СК. Отличительной особенностью данной системы от предшествую­ щих является постоянный контроль и анализ основных пара­ метров работы системы «пласт — скважина — оборудование» с помощью ЭВМ.

Система фирмы ВАКЕЯ(США) типа ROD PUMP CONTRROLLER MODEL 8500 [38] предназначена только для наблюдения предельных величин нагрузки и состояния обору­ дования включено (отключено).

К преимуществу данной системы можно отнести:

—снижение эксплуатационных расходов;

—простота в эксплуатации;

—экономия электроэнергии.

Американская фирма «Technical Oil Tool Corporation» (ТОТСО) [38] выпускает автоматические системы контрольно-измеритель­ ной аппаратуры для нефтегазодобывающих установок. Новая система «Datakc» для контроля, измерения и управления добы­ чей, а также для сбора и обработки данных, о работе промысло­ вой установки состоит из полевой станции, системы связи и центральной станции сбора и обработки данных. Полевая стан­ ция включает в себя дистанционный терминал, представляю­ щий собой микрокомпьютер, который выполняет операции кон­ троля, измерения, связи и управления на месте промысловой установки. На терминал поступает сигнал с аналоговых, диск­ ретных и частотных датчиков, доступные для обслуживающего персонала на месте установки, ежедневно автоматически или при поступлении соответствующей команды передаются на цен­ тральную станцию обработки данных.

КОМПАНИЯ «ЭХОМЕТР» (США) [20, 38] предлагает комп­ лексную систему исследования работы скважин SPE-24060. Для количественного динамометрического анализа необходимы дан­ ные высокой степени точности, для получения которых требует­ ся использование калиброванного датчика.

Отслеживание движения полированного штока может осуще­ ствляться несколькими способами. Традиционно, положение полированного штока регистрируется вращательно-перемещаю- шимся датчиком. Преимущество этой системы состоит в высо­ кой скорости обработки данных компьютером и чувствительно­ сти к ускорению датчика нагрузки.

Последнее возможно благодаря использованию очень ком­ пактного акселерометра на интегральной схеме, который встро­ ен в элемент измерения нагрузки. Таким образом необходим только один кабель для соединения компьютера и датчика на-

грузки/ускорен ия.

Скорость движения полированного штока определяется пу­ тем интегрирования сигнала ускорения, а повторное интегриро­ вания дает значение положения полированного штока как фун­ кции времени. В системе используется датчик нагрузки на по­ лированном штоке (ДПШ) для быстрого и легкого получения динамометрических показателей. Датчик устанавливается и об­ служивается одним оператором. С помощью зажима датчик кре­ пится к полированному штоку и фиксирует необходимые для динамометрирования значения положения и нагрузки. В прибо­ ре используется чувствительный измеритель нагрузки напряже­ ния для получения информации о нагрузке и акселерометр для получения информации о положении.

Американская корпорация «Дельта-Х» предлагает систему DDI-01, представляющую собой динамометрический анало­ говый интерфейс данных, который подсоединяется к любому IBM-совместимому компьютеру. Система принимает анало­ говые сигналы от датчиков нагрузки, положения и тока и пре­ образует их для компьютера. Датчик нагрузки имеет подково­ образную форму, датчик тока двигателя относится к типу хомутовых [20, 38].

В последнее время большое количество российских фирм занимается разработкой и внедрением систем диагностики ра­ боты скважинных штанговых насосов. Среди них необходимо отметить систему диагностики насосных установок СДНУ-ЗМ (разработчик — РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина), аппар- тно-программный комплекс динамометрирования скважин «Квантор» (г. Набережные Челны), электронный динамограф MS-117 (фирма Маркетинг-Сервис, г. Набережные Челны), динамограф СИДДОС (фирма «СИАМ» г. Томск), комплекс диагностики скважин «КДС-П» (ПермНИПИнефть, г. Пермь), комплекс диагностики станков-качалок «Омега» (АОЗТ «Вол­ жское конструкторское бюро», г. Самара) и другие. Практи­ чески все они основаны на анализе динамограмм, которые сни­ маются с помощью тензометрических датчиков нагрузки и дат­

чиков перемещения головки балансира или полированного што­ ка. Также, как в ранее рассмотренных системах («Дельта-Х», «ЭХОМЕТР», Dynapump), датчики нагрузки могут быть на­ кладными (на полированный шток) или встраиваемые в канат­ ную подвеску станка-качалки. Полученные в результате заме­ ров динамограммы передаются на компьютеры по физическим линиям (проводные системы) или по системам радиосвязи. В некоторых конструкциях фирмы «Микон» (г. Набережные Челны) и фирмы «СИАМ» (г. Томск) микроЭВМ встроена в прибор, совмещенный с датчиком нагрузки. В этом случае мик­ роЭВМ оснащена и датчиком акселерометром, заменяющим датчик перемещения полированного штока. Обработка дина­ мограммы проводится компьютером по заданной программе, которая в основном повторяет методику, представленную в настоящем разделе книги. Кроме динамограмм указанные си­ стемы могут проводить замеры ваттметрограмм для определе­ ния уравновешенности станка-качалки. Некоторые из совре­ менных систем диагностики пытаются воссоздать принципы, заложенные в СДНУ-ЗМ в начале 90-х годов XX века: тести­ рование клапанов скважинного штангового насоса, определе­ ние негерметичных интервалов колонны НКТ, использование системы для точного определения действительного дебита на­ сосной установки, построение плунжерной динамограммы с определением нагрузок в штанговой колонне в любом ее се­

чении.

Кроме отсутствия субъективного подхода к анализу динамог­ рамм и ваттметрограмм, электронные системы диагностики име­ ют важное преимущество, заключающееся в сохранении всех данных по исследованию скважин в хронологическом порядке. Это позволило создавать базы данных на нефтедобывающих пред­ приятиях, которые используются для отслеживания правильно­ сти разработки месторождения и движения нефтепромыслового оборудования.

2.2.11. СКВАЖИННЫЕ ШТАНГОВЫЕ НАСОСЫ - ОСНОВНЫЕ ВИДЫ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

Скважинный штанговый насос представляет со­ бой одноплунжерный насос с длинным цилиндром, шариковы­ ми клапанами и длинным проходным плунжером (рис. 2.82). При ходе плунжера вверх он нагнетает жидкость, находящуюся между стенками цилиндра и штангами, а в полость под плун­ жером поступает жидкость из скважины. При ходе вниз насос нагнетает (выжимает) объем жидкости, равный объему опуска­ ющегося в цилиндр штока, т.е. это насос дифференциального действия.

По конструкции насо­ сы бывают с щелевым уп­ лотнением зазора между металлическим плунже­ ром и цилиндром и с уп­ ругим уплотнением этого зазора — с неметалличес­ кой рабочей поверхнос­ тью плунжера или со спе­ циальными поршневыми кольцами. Скважинные штанговые насосы делят­ ся на трубные и вставные. У первых цилиндр в сква­ жину спускается на тру-

Рис. 2.82. Конструктивные схемы невставных (трубных)

насосов:

/ — шток клапана; 2 — муфты; 3 — втулки; 4 — кожух; 5 — плунжер; 6 — нагнетательный клапан; 7— захват клапана; 8 — крестовина; 9 — всасывающий клапан

бах, а плунжер и клапаны — на штангах. Вставные насосы спус­ каются в скважину в собранном виде на штангах и фиксируются

внижней части колонны НКТ замком (анкером).

Вотличие от остальных насосов к основным параметрам сква­ жинных штанговых насосов относятся номинальный диаметр плунжера (или цилиндра) и длина хода плунжера. Схемы насосов и их основные параметры установлены с 2002 года государствен­ ным стандартом Российской Федерации (ГОСТ-Р 51896-2002),

адо этого времени — отраслевым стандартом (ОСТ) и техничес­ кими условиями (ТУ). Конструктивные схемы скважинных штан­ говых насосов, предусмотренных ГОСТ-P, и их технические ха­ рактеристики будут представлены ниже [52].

Условные диаметры скважинных насосов (плунжеров и ци­ линдров) выбираются из следующего стандартного ряда: 27 (29 - по ОСТ и ТУ), 32, 38, 44, 50, 57, 63, 70, 95, 120 мм.

Длина плунжера скважинного штангового насоса выбирается в зависимости от требуемого напора насоса (глубины располо­ жения динамического уровня, с которого насос должен обеспе­ чить подъем пластовой жидкости). Плунжеры длиной 1200 мм рекомендуется применять до динамического уровня с глубиной до 1200 м, 1500 мм — до 1500 м, 1800 мм — 1800 м и более.

Современные скважинные штанговые насосы, широко при­ меняемые на промыслах, имеют составной (втулочный) или безвтулочный (цельнометаллический) цилиндр.

Втулочный насос (например — НВ1С) имеет цилиндр, на­ бранный из втулок 3 длиной по 304 мм, размещенных в кожухе 4 и зажатых концевыми муфтами 2. К нижней муфте подсоеди­ нен узел всасывающего клапана 9. В цилиндре движется плун­ жер 5, имеющий узел нагнетательного клапана 6 (см. рис. 2.82).

Насос с безвтулочным цилиндром (НВ1Б, НВ2Б, НН2Б и др) имеет цельный цилиндр с концевыми резьбами. К резьбе подсо­ единены переводники. К нижнему переводнику подсоединен узел всасывающего клапана, к верхнему — ограничитель хода плун­ жера. В цилиндре находится плунжер с нагнетательным клапа­ ном. Цельнометаллический цилиндр представляет собой цилин­ дрическое тело, внутренняя поверхность которого является ра­ бочей. Эта поверхность имеет малую шероховатость, высокую точность обработки и большую твердость, такую же, как и у втулок втулочного цилиндра.

Переход от втулочного к цельнометаллическому цилиндру позволяет уменьшить наружный диаметр цилиндра, а также сни­ зить трудоемкость сборки насоса и изготовления цилиндра. Уст­ раняется возможность сдвига втулок цилиндра при транспорти­ ровке, монтаже и эксплуатации насосов. Насосы с цилиндром без втулок изготавливаются трубными (насосы НН2Б, ННБАл др.) и вставными (насосы НВ1Б, НВ2Б).

Рассмотрим схемы и конструктивные особенности некото­ рых типов скважинных штанговых насосов широкого применения.

Трубные (невставные) скважинные насосы (НН) выполняют нескольких типов — НН1, НН2, ННА. Насос НН1 (см. рис. 2.82, а) состоит из штока с утолщением в верхнем конце, служа­ щего для съема всасывающего клапана с его посадочного конуса

иподъема клапана на поверхность вместе с плунжером. Ци­ линдр насоса остается подвешенным на трубах. Узел нагнета­ тельного клапана находится в верхней части плунжера. На дан­ ном рисунке показано нижнее положение плунжера при рабо­ чем ходе. Подъем на поверхность всасывающего клапана удобен

ипрост. Но наличие штока в конструкции и размещение нагне­ тательного клапана в верхнем торце плунжера создают большое мертвое пространство Ум в цилиндре насоса, что является при­ чиной плохой работы насоса даже при небольшом газосодержании в жидкости. Для устранения этого недостатка необходимо уменьшить мертвое пространство в насосе. Для этого нагнета­ тельный клапан переносят в нижнюю часть плунжера и приме­ няют специальный байонетный захват 7 и крестовину 5 для съе­ ма всасывающего клапана (см. рис. 2.82, б). Насос такой конст­ рукции имеет шифр НН2. Его преимущество — небольшое мер­ твое пространство Ум в цилиндре насоса, что улучшает работу насоса при наличии свободного газа в жидкости. Однако захват

иподъем на поверхность всасывающего клапана обычно трудо­ емкая и не всегда успешная операция, особенно в случае воз­

можности отложения на деталях насоса асфальто-парафино­ вых и смолистых веществ.

Вставной насос (НВ) имеет следующую конструкцию (рис. 2.83). Насос 5 опускают внутрь колонны НКТ 1, в которой уста­ новлено седло-конус 3 для посадки вставного насоса. Конус иногда имеет захватную пружину 4. Силы трения в конусе или силы трения и пружина, упирающаяся в выступ насоса, способ­