Обоснование параметров гибкого резинотросового тягового органа длинноходовой скважинной насосной установки

Актуальность проблемы. В настоящее время основная часть общего фонда скважин нефтяных месторождений Казахстана на поздней стадии разработки эксплуатируется с помощью штанговых скважинных насосных установок (ШСНУ) со станком-качалкой. В ближайшие годы количество таких установок будет непрерывно увеличиваться, что объясняется необходимостью перевода малопродуктивных скважин на механизированный способ добычи. Однако эффективность и надежность эксплуатации существующих ШСНУ недостаточны для выполнения основной задачи, стоящей перед отраслью, — интенсификации добычи нефти и снижения ее себестоимости. Наряду с известными достоинствами ШСНУ (простота и отработанность конструкции, минимальные требования к квалификации обслуживающего персонала и др.), они обладают рядом существенных недостатков, ограничивающих их область применения.

Анализ показывает, что на месторождениях с интенсивной системой вторичного воздействия на пласт возникает необходимость отбора больших объемов жидкости из скважины. В этих условиях применение ШСНУ приводит к авариям, связанным с обрывом штанговой колонны из-за большого цикла переменных нагрузок с малым периодом. Причем циклическим воздействиям подвергаются все элементы установки, вызывая их преждевременный износ и разрушение.

Практика показывает, что с увеличением длины хода плунжера улучшаются основные показатели работы насосной установки, т. е. возрастает подача насоса и коэффициент наполнения насоса, увеличивается срок службы штанг, непосредственно насоса и межремонтный период, а также улучшаются энергетические характеристики установки.

Одним из путей решения проблемы увеличения отбора жидкости из скважины, эффективности и надежности работы глубиннонасосных установок является создание длинноходовых скважинных насосных установок 6.

ДСНУ) с длиной хода плунжера, значительно превышающей существующие, что достигается за счет использования гибкого тягового органа, наматываемой на барабан привода. Целесообразность разработки ДСНУ с гибким тяговым органом подтверждается созданием и успешной эксплуатацией подобных установок за рубежом (фирмы «Western», «Bethlehem Stell», «Axelson» и «Oilwell» (США), «Canadian Foremost» (Канада), «Маре» (Франция) и др.). Над проблемой создания отечественных длинноходовых установок работают коллективы ВНИИнефти и ВНИИметмаша совместно с ПО «Оренбург-нефть», АзИНмаша, РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина совместно с ОКБ «Нефтемаш» и др.

Известны конструкции ДСНУ с различными гибкими тяговыми органами, такими как непрерывная гибкая стальная штанга, стальной канат в полимерном покрытии, пластинчатая цепь, стальная лента, неметаллическая лента из синтетических материалов, а также комбинация обычной колонны штанг со стальным канатом и др.

Применение ДСНУ с гибким тяговым органом (канат, цепь, стальная лента и др.) позволяет: сокращать число циклов работы тягового органа, что повышает долговечность установкиснизить действие динамических сил, которые в обычных П1СНУ составляют до 30 — 50% от статической нагрузкиувеличить среднюю скорость движения плунжера, от которой зависит производительность насосной установкиувеличить межремонтный период работы скважинсократить время проведения спуско-подъемных операций при подземном ремонте скважинуменьшить энергозатраты на подъем жидкости из скважин.

Длинноходовые установки способны эффективно работать как в нормальных технико-технологических условиях, так и при добыче нефти с аномальными свойствами (высоковязких и высокогазированных). Кроме того, возможность регулирования закона движения и длины хода плунжера в широких пределах позволит на качественно новом уровне автоматизировать процесс добычи нефти. 7.

При применении стального каната в качестве тягового органа возникают такие проблемы, как конструктивное и упругое удлинение каната, износ, коррозия, остаточная деформация и обрыв отдельных проволок и прядей, приводящих к быстрому износу каната и НКТ. Чем больше диаметр каната, тем больше внутренний износ, обусловленный смещением проволок и прядей, больше повреждаемость свивки каната. Кроме того, чем больше диаметр каната, тем сложнее добиться его работы без кручения, особенно при значительных растягивающих напряжений. Увеличение диаметра каната обусловит увеличение диаметра органа навивки и размеров всей установки.

Недостатком тягового органа в виде стальной ленты является их низкая надежность, обусловленная тем, что стальная лента подвергается износу из-за трения о внутреннюю поверхность НКТ в абразивной среде, а также при многослойной навивке на барабан. Наличие микротрещин, надрезов, рубцов на поверхности и по торцам стальной ленты в условиях агрессивной коррозионной среды и большая площадь контакта тягового органа с откачиваемой жидкостью приводит к быстрому коррозионно-усталостному разрушению ленты.

В сложившейся ситуации наиболее эффективным решением указанных проблем является использование в качестве тягового органа резинотросового каната или ленты, представляющий систему высокопрочных тросов, изготовленных из проволок малого диаметра с высоким пределом прочности, заключенных в резиновую оболочку, предохраняющую тросы от коррозионного разрушения и препятствующую их вращению. Поэтому настоящая работа над исследованием и обоснованием параметров гибкого резинотросового тягового органа, позволяющая разработать конструкции ДСНУ с таким тяговым органом представляется актуальным.

Целью работы является разработка теории расчета и методики выбора рациональных параметров гибкого резинотросового тягового органа ДСНУ, обеспечивающих максимально возможную его долговечность и качество работы на скважинах глубиной до 1500 м. 8.

Основная идея работы состоит в научном обосновании параметров гибкого резинотросового тягового органа ДСНУ на основе исследования его напряженно-деформированного состояния и долговечности в зависимости от глубины скважин.

Научное значение работы состоит в разработке теории расчета резинотросового тягового органа, принципов выбора рациональных геометрических размеров органа навивки ДСНУ, обосновании технической возможности и эффективности создания новых ДСНУ с резинотросовым тяговым органом.

Практическая значимость работы заключается в разработке методики расчета и выбора рациональных параметров резинотросового тягового органа ДСНУ с барабанной намоткой. На базе теории, методики расчета и рекомендации на уровне изобретений разработаны новые схемы ДСНУ с резинотросовым тяговым органом.

Научные положения, выносимые на защиту:

Разработан метод уточненного расчета резинотросового тягового органа ДСНУ, позволяющий исследовать напряженно-деформированное состояние всех элементов тросов с учетом деформации растяжения, изгиба и кручения каждой отдельной проволоки, прядей, троса в целом и взаимодействия тросов с резиной.

Исследование процесса намотки плоского резинотросового тягового органа на барабан позволило получить формулу для определения величины нормальной нагрузки на барабан. Установлено, что процесс роста радиальной нагрузки на барабан описывается логарифмической кривой и с увеличением числа витков неограниченно возрастает.

Выявлены параметры процесса роста нормальной нагрузки и диапазон их изменения. Получены формулы для оценки удельных давлений между слоями резинотросового тягового органа при многослойной его намотке на барабан, позволяющие выбрать рациональные геометрические размеры органа навивки и параметры тягового органа ДСНУ. 9.

Выполнен расчет типоразмерного ряда резинотросового тягового органа ДСНУ по статическому запасу прочности РТК. Разработан приближенный метод расчета долговечности резинотросового тягового органа по долговечности самого нагруженного элемента армирующего троса при циклическом нагружении и разных глубинах скважин.

Обоснованы области применения двух конструктивных схем ДСНУ и конструктивные и силовые параметры резинотросовых тяговых органов к ним в зависимости от глубин скважин и прогнозируемой долговечностью до 5 лет. Показано, что первая схема ДСНУ с размещением РТК в скважине может быть использована на глубинах подвески насоса до 500 м. Для второй схемы ДСНУ возможна ее длительная работа на глубинах 1500 м и более.

Методы исследования. В теоретических исследованиях использованы методы математического моделирования на основе законов механики, в экспериментальных — методы тензометрии и лабораторных исследований.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается при теоретических исследованиях — использованием апробированных методов теоретической механики, теории упругости, применением ЭВМпри экспериментальных исследованиях — применением апробированных методов измерения и стандартной аппаратуры.

Реализация работы. Методические рекомендации по выбору рациональных параметров ДСНУ с резинотросовым тяговым органом переданы ТОО «Жигермунайсервиз» ОАО «Казахойл-Эмба» и используются при разработке технической и рабочей документации длинноходовой скважинной насосной установки с резинотросовым тяговым органом для добычи нефти.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены, обсуждены и одобрены на международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития науки и техники в области механики, геофизики, нефти, газа, энергетики и химии Казахстана» (г. Актау, 1996 г.), на международной научно-технической конференции «Современные проблемы геофизики, геологии, освоения, переработки и использования углеводородного сырья».

10 г. Атырау, 2000 г.), на международной научно-технической конференции «Проблемы нефтегазового комплекса Казахстана» (г. Атырау, 2001 г.), на объединенном заседании Ученого совета и научного семинара Атырауского института нефти и газа (г. Атырау, 2001 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 8 печатных работ, 1 монография, получено 1 авторское свидетельство.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы составляет 158 страниц, которые содержат 138 страниц текста с 30 рисунками и 18 таблицами, 9 страниц использованной литературы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

В диссертационной работе осуществлено теоретическое обобщение и решение крупной научной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение и заключающееся в разработке научных основ создания новых тяговых органов и в целом новых барабанных длинноходовых скважинных насосных установок на основе разработки математической модели напряженно-деформированного состояния гибкого резинотросового тягового органа с использованием тросов, математической модели многослойной намотки плоского резинотросового тягового органа на барабан, методики расчета и прогнозирования долговечности тягового органа, разработке на их основе типоразмерного ряда тяговых органов и барабанов для их намотки, обеспечивающих максимально возможную долговечность тягового органа ДСНУ для скважин глубиной до 1500 м.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации заключаются в следующем:

1. Исследовано напряженно-деформированное состояние резинотросового тягового органа в виде системы параллельных тросов левой и правой свивки в прямоугольной резиновой оболочке. Установлено, что вследствие практически полного ограничения оболочкой угловых деформаций тросов их напряженно-деформированное состояние близко к идеальному — все элементы тросов нагружены почти одинаково, при этом в прямоугольной резиновой оболочке-матрице возникают на поверхности контакта с тросами равномерные по всей длине тягового органа касательные напряжения, зависящие от коэффициента раскрутки тросов и незначительные по величине (до 100 Па).

2. Исследован процесс намотки резинотросового тягового органа на барабан. Выполнен анализ влияния параметров намотки на распределение усилий по сечению тела намотки и на величины радиальных усилий на оболоч.

129 ку барабана. Установлено, что максимальная нагрузка резинотросового тягового органа на барабан зависит от жесткостных параметров тягового органа, но в диапазоне реальных параметров нагрузка на барабан устанавливается и не превышает в 2 — 3 раза нагрузку при намотке в один слой. Получены формулы для оценки удельных давлений между слоями тягового органа при многослойной его намотке на барабан, позволяющие выбрать рациональные геометрические размеры органа навивки и параметры тягового органа ДСНУ.

3. Разработан приближенный метод расчета долговечности резинотросового тягового органа барабанной ДСНУ. Обоснованы параметры и типо-размерный ряд резинотросовых тяговых органов ДСНУ для глубин работы скважинного насоса 500, 1000 и 1500 м с прогнозируемой долговечностью до 5 лет.

4. Выполнены экспериментальные исследования по оценке деформаций кручения тросов в резинотросовом тяговом органеисследованы и подтверждены экспериментально влияние числа слоев тела намотки на величины радиальных нагрузок на барабан. Результаты эксперимента и теоретически прогнозируемые результаты находятся в достаточно хорошем соответствии и подтверждают теоретические выводы.

5. Разработанные и теоретически обоснованные параметры резинотросовых тяговых органов для ДСНУ позволяют выполнить обоснование всех параметров и области применения длинноходовой насосной установки нового типа — барабанной с плоским тяговым органом на тросовой основе. Первая схема ДСНУ с размещением резинотросового тягового органа в скважине может применяться для глубин скважин до 500 м. Для второй схемы ДСНУ с комбинированным тяговым органом (на приводе — резинотросовая лента, на скважине — колонна штанг или стальной канат) возможна ее длительная работа на глубинах скважин 1500 м и более.