книги / Скважинные насосные установки для добычи нефти

Таблица 2.40

К непрерывным насосным штангам (ННШ) относятся прут­ ковые и гибкие штанги.

Прутковые ННШ представляют собой колонну необходимой длины, состоящую из отдельных участков разного поперечного сечения. Отдельные участки колонны соединяются с помощью сварки в стык, сварной шов проходит термическую и механи­ ческую обработку и имеет прочность 0,95—1,00 с основным те­ лом штанги. Поперечное сечение участков ННШ выбирается из условий равнопрочности колонны. Колонна ННШ может со­ стоять из нескольких (до 10) участков, условный диаметр кото­ рых различается на 1,5 мм. Как правило, такая штанга имеет массу на 8—10% меньше, чем аналогичная колонна обычной конструкции. Поскольку штанга имеет непрерывную конструк­ цию с соединениями только на насосе и полированном штоке,

сила трения такой колонны по колонне НКТ и в перекачивае­ мой жидкости значительно меньше. Помимо этого, из-за отсут­ ствия муфт ННШ большего размера можно устанавливать в НКТ меньшего диаметра (рис. 2.112) [57].

При транспортировании прутковых ННШ, а также при спус­ ке и подъеме их из скважины колонна штанг наматывается на барабан, диаметр которого выбран из условия возникновения в теле штанг напряжений изгиба, не превышающих предел теку­ чести материала штанг. Из-за этого диаметр барабана для на­ мотки непрерывных штанг может достигать величины 7—11 м. Для уменьшения этих размеров поперечное сечение штанг вы­ полнено не круглым, а эллиптическим, причем намотка штанг на барабан происходит по малой оси эллипса.

диаметр барабана для намотки ННШ обусловлен требованиями минимальной деформации штанг при их размещении на барабаup g соответствии с разработками специалистов Corod Manufacturing эта деформация изгиба не должна была превышать величину, при которой напряжения в теле ННШ составляв ют от 70 до 90 % предела пропорциональности (или предела теч кучести) материала штанг. Эти требования были основаны н^ многочисленных теоретических и экспериментальных работах, свидетельствующих о недопустимости эксплуатации насосны^ штанг, которые потеряли прямолинейность из-за неправильно^ транспортировки, хранения или эксплуатации. Авторы указаНч ных работ утверждали, что предварительная деформация изгибу насосных штанг приводит к их преждевременному выходу Из строя из-за снижения усталостной прочности материала и появ^ ления дополнительных нагрузок в теле штанг из-за их непр^_ молинейности.

Непрерывная штанга наматывается на барабан с напряжен^, ями, не превышающими пропорциональности (текучести), в связи с чем при разматывании штанги (т.е. при спуске ННШ в сква_ жину) штанга сама принимает прямолинейную форму и не име­ ет остаточных напряжений в своем теле. Однако для выполне­ ния этих условий необходимо, чтобы радиус кривизны изгиба штанги на барабане и радиус поперечного сечения самой штан­ ги находились в следующей зависимости:

Следовательно, для штанг диаметром 25 мм диаметр бараба­ на должен превышать 12,5 м, а при использовании штанг эл­ липтического сечения с размером малой оси 14 мм диаметр ба­ рабана может быть уменьшен до 7,0 м. То есть, транспортировка агрегатов с барабанами таких размеров по дорогам как общего

пользования, так и по промысловым с наличием электрических сетей является трудной задачей (рис. 2.113).

Гибкие ННШ могут выполняться в виде канатов различных

конструкций или лент, выполненных из металлических или ком­ позитных материалов.

Применение в скважинной насосной установке канатных штанг в современных глубоких скважинах, продукция которых

мы, как конструктивное и упругое удлинение каната, износ, кор­ розия остаточная деформация и обрыв отдельных проволок и прядей, приводящих к быстрому износу каната и НКТ. Обыч­ ные канаты, применяемые в нефтяной промышленности, не могут быть использованы для привода существующих ДСНУ ввиду зна­ чительных конструктивных удлинений (порядка 50 см на 500 м подвески скважинного насоса) и малой устойчивости к механи­ ческому износу и коррозии [28]. Удлинение же каната специ­ альной конструкции (например — по ГОСТ 10506-76) при ис­ пользовании его в аналогичных условиях дает потерю хода плун­ жера на 15 % больше, чем при использовании стандартной ко­ лонны штанг, т.е. 402 мм. Следовательно, потеря хода плунжера достигнет 11,5 % от длины хода точки подвеса колонны штанг.

Фирмами «Bethlehem Steel» и «Du Pont de Nemure» (Франция) были проведены испытания канатных тяговых органов [47]. Эк­ спериментальный канат представлял собой свивку из 37 прово­ лок. Каждая проволока сначала обрабатывалась ингибитором, а затем покрывалась слоем нейлона толщиной 0,25 мм. Из суще­ ствующих видов пластмасс нейлон был выбран из-за водонефтестойкости и стойкости к ползучести. Готовый канат покры­ вался защитной оболочкой из нейлона толщиной 0,625 мм для защиты проволок от истирания или механического поврежде­ ния при транспортировке или в процессе эксплуатации. В боль­ шинстве скважин канат работал хорошо. Обрывы происходили в основном в тех скважинах, где в добываемой жидкости было значительное содержание сероводорода.

Аналогичные работы по совершенствованию тягового органа скважинных насосных установок ведутся в СНГ. В РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина была разработана СШНУ с балансир­ ным приводом, у которой в качестве гибкого тягового органа использовался канат закрытой конструкции по ГОСТ 10506-76 диаметром 20 мм. Научно-исследовательские и опытно-конст­ рукторские работы позволили сделать вывод о достаточно высо­ кой выносливости этого каната (несколько превышающей кор­ розионную выносливость стандартных штанг из стали 20Н2М), а также о благоприятном воздействии использования каната на работу всей установки в целом. Последнее происходит из-за дем­ пфирующих свойств каната, что приводит к уменьшению дина­ мических составляющих общей нагрузки на наземный привод.

Внедрение разработанной конструкции на нефтяных промыслах подтвердило работоспособность и эффективность оборудования и возможность проведения спуско-подъемных операций с высо­ кими скоростями [1].

Уменьшение сил трения каната о перекачиваемую жидкость и стенки НКТ, снижение динамических нагрузок и увеличение коэффициента наполнения насоса происходит за счет конструк­ тивных особенностей канатов, играющих не только роль штан­ говой колонны, но и роль амортизатора, демпфера. Эти же кон­ структивные особенности каната требуют дорабатывать суще­ ствующие методики оценки состояния и работоспособности обо­ рудования ШСНУ, основанные на анализе динамограмм. Умень­ шение массы канатной штанги по сравнению со стандартной может вызвать затруднения при ходе плунжера вниз, поэтому для нор­ мальной работы установки необходимо применять утяжелители.

Иногда неметаллический трос на основе стекловолокна и полимерных связывающих материалов в литературе по штанго­ вым насосным установкам называют кабелем. Часто кабель имеет металлический наполнитель для увеличения его массы, что обес­ печивает усилие, необходимое для хода плунжера скважинного насоса вниз.

Классификаций колонны штанг или «тягового органа», ис­ пользуемого в установках скважинных штанговых насосов, пред­ ставлена на рис. 2-114.

Многими зарубежными фирмами применяется комбиниро­ ванный тяговый орган — стандартная штанговая колонна с гиб­ ким элементом. Так, например, фирма Маре пля длинноходовых установок серии ISPU применяет стандартную штанговую ко­ лонну с полированным штоком необходимой длины, который с помощью клиновой подвески соединяется с гибким элементом [47]. В качестве последнего используется сдвоенный стальной канат диаметром 31 мм, по наружной поверхности защищенный специальным полимерным покрытием. При работе установки канат подвергается растягивающей нагрузке от 25 до 195 кН и напряжению изгиба при прохождении через направляющий блок и при намотке на барабан. Применение стального каната и поли­ мерного покрытия» снижающего контактное напряжение между канатом и телом направляющего блока и барабаном лебедки, по­ зволяет значительно уменьшить их диаметры [47].

Рис. 2.114. Классификация различных типов тягового органа СШНУ по конструктивным признакам

Для уменьшения диаметра приводного барабана в ДСНУ, разработанной фирмой «Bender» (США), в качестве гибкого эле­ мента тягового органа используется широкая лента. Упругие свой­ ства ленты позволяют уменьшить динамические нагрузки на привод установки, а также энергетические затраты. Испытания установки Prolif, проведенные фирмой «Reed American Products»

(США), показали, что использование ленты в качестве гибкого элемента уменьшает почти в 10 раз количество ремонтов из-за ее повреждения по сравнению с канатом [47].

Преимущество комбинированного тягового органа состоит в том, что в этих случаях в установках используются отработан­ ные конструкции колонны насосных штанг, уплотнительных устьевых устройств, соединительных узлов с полированным што­ ком и плунжером скважинного насоса. Мачтовая конструкция наземного привода позволяет производить смену скважинного насоса без использования агрегата для подземного ремонта сква­ жины.

Вустановке Liftronic в качестве гибкого тягового органа ис­ пользована грузовая пластинчатая цепь длиной около И м и максимальной нагрузкой 54 кН. Хотя фирма не дает данных о типоразмере применяемой цепи, стандарт API позволяет выб­ рать конструкцию и размеры грузовой цепи по условиям эксп­ луатации. Применение цепи в качестве гибкого тягового органа позволило уменьшить диаметр барабана лебедки наземного при­ вода по сравнению с барабаном для каната. Наряду с этим, при­ менение цепи в качестве гибкого элемента имеет следующие недостатки: большое поперечное сечение цепи ведет к усложне­ нию конструкции устьевого уплотнения, сильный шум при ра­ боте цепи, необходимость в дополнительном сложном устрой­ стве для Смазки цепи, малая долговечность цепи из-за воздей­ ствия агрессивной среды и механических примесей.

ВдлИИноходовых скважинных насосных установках (ДСНУ)

вкачестве гибкого непрерывного тягового органа может приме­ няться стальная лента. Она представляет собой стальную полосу прямоугольного сечения [45, 47, 58]. Толщина ленты выбирает­ ся из условия намотки ее на барабан установки без упругоплас­ тической деформации, а ширина — из условия размещения лен­ ты внутри НКТ. Два этих условия приводят к тому, что пло­ щадь поперечного сечения тягового органа часто оказывается

недостаточной для восприятия циклических нагрузок, возника­

ющих при работе насоса.

Недостатком такого тягового органа является их низкая на­ дежность, обусловленная тем, что стальная лента подвергается износу из-за трения о внутреннюю поверхность НКТ в абразив­ ной среде, а также при многослойной навивке на барабан. На­ личие микротрещин, надрезов, рубцов на поверхности и по тор­ цам стальной ленты в условиях агрессивной коррозионной сре­ ды и большая площадь контакта тягового органа с откачиваемой жидкостью приводит к быстрому коррозионно-усталостному разрушению ленты. Кроме того, форма тягового органа делает крайне затруднительным разработку и изготовление надежного устьевого уплотнения ленты. Стальные ленты выпускают отрез­ ками длиной 200—300 м, и стыковка этих отрезков для обеспе­ чения необходимой длины представляет сложную задачу. Вслед­ ствие этого использование таких установок определяется лишь сравнительно неглубокими скважинами. Эти недостатки могут быть преодолены при использовании в ДСНУ канатов и неме­ таллических лент, которые прошли промысловые испытания совместно со скважинными насосными установками с обычной длиной хода.

Одним из направлений по усовершенствованию тягового орга­ на скважинного насоса является применение в качестве непре­ рывной штанги неметаллической ленты, изготовленной из винилэфира, армированного графитными волокнами. Фирма Hanlun (США) приступила к выпуску ленты Ribbon Rod [47]. Материал ленты имеет высокий модуль упругости и обладает достаточной жесткостью для использования в скважине и гибкостью для на­ мотки на барабан. Барабан диаметром 2,4 м для намотки ленты длиной 1500 м монтируется на грузовике. Размер ленты 35,6x1,8 мм, линейная плотность 0,108 кг/м, предельное кратковременное разрывное усилие 56 кН, предел прочности на разрыв 862 МПа. Рекомендуемая максимальная рабочая нагрузка 26,6 кН при тем­ пературе 77 °С.

Анализ испытаний в различных скважинах опытного об­ разца ДСНУ, в которой в качестве тягового органа использовалась лента, показали, что такая установка может обеспечить

добычу 32 м3/сут жидкости с глубины 1520 м при 10-12 ходах в минуту.