ЭКОНОМИЧНЫЙ БЕЗБАЛАНСИРНЫЙ ПРИВОД ШТАНГОВОГО CКВАЖИННОГО НАСОСА

Шаньгин Е.С.¹, Колесник С.В.²

¹Доктор технических наук, ²Кандидат технических наук, филиал ТИУ в г. Нижневартовске

ЭКОНОМИЧНЫЙ БЕЗБАЛАНСИРНЫЙ ПРИВОД ШТАНГОВОГО CКВАЖИННОГО НАСОСА

Аннотация

Использование для нефтеизвлечения управляемого привода штангового скважинного насоса позволяет уменьшить энергопотребление процессом нефтеизвлечения на (25…30) %, а также снизить затраты на изготовление, транспортировку и эксплуатацию наземного привода.       Перспективными методами снижения затрат на добычу нефти можно считать  введение в эксплуатацию бездействующих скважин путем применения наземного привода скважинного штангового насоса винтового типа (бездействующие скважины из-за болотистого грунта или из-за малодебитного режима могут быть введены в строй действующих с помощью электропривода контейнерного типа, оказывающего на грунт давление не более 0,2 кг/см², а возможность бесступенчатого регулирования его рабочих режимов  в широких пределах - от 0,5 до 8 качаний в минуту -  позволяет выбрать режим, согласующийся с индивидуальными характеристиками скважин), а так же, оснащение действующих балансирных станков-качалок регулируемыми приводами позволит продлить период активного нефтеизвлечения из высокообводнённых малодебитных  скважин   и   уменьшить   удельные   затраты   энергии   на 10 – 25 % за счет уменьшения обводнённости скважинной жидкости.

Ключевые слова: безбалансирный привод, ролико-винтовая пара, уменьшение электропотребления.

 Shangin E.S.¹, Kolesnik S.V.²

¹PhD in Engineering, ²PhD in Engineering, TIU branch in Nizhnevartovsk

ECONOMY BALANCER DRIVES OF BULL BOREHOLES PUMP

Abstract

Using adjustable speed drive of downhole sucker-rod pumps (SRP) for oil production can reduce power consumption in the process of oil extraction about 25–30% and cut down expenses on manufacture, transporting and operation of ground drive. Putting into operation idle well stock by applying a ground drive of screw type sucker rod pumps can be considered as a promising technique of reducing the cost of oil production (due to boggy ground or low production mode idle wells can be put into production by means of a container-type electric drive, exerting pressure on the ground of not more than 0.2 kg/cm², and the possibility of stageless adjustment of its operating modes, able to operate across a broad range of pumping rates – from 0.5 to 8 cycles per minute – allows to select the mode in compliance with the characteristics of the certain wells), as well as equipping the functioning beam-balanced pumping units with variable-speed drives will extend the period of active oil recovery from high water cut marginal wells and reduce unit cost of energy about 10–25% by decreasing the water content of the well fluid.

Keywords: balancer drive roller screw pair, reducing power consumption.

Морально устаревшие приводы скважинных насосов балансирного типа не позволяют устанавливать режимы подачи насоса в соответствии с реальным дебитом скважин. Поэтому для уменьшения энергопотребления и совершенствования характеристик насосной установки необходимы технические решения, которые позволили бы создать электропривод, удовлетворяющий требованиям по энергосбережению и управляемости [1].

Особенного внимания требуют малодебитные скважины в силу их многочисленности (до 70 % от действующего фонда скважин) и отсутствия технологического оборудования, соответствующего по своим параметрам, главным образом производительности, дебиту скважин [3, 8].

Из 160 тыс. продуктивных скважин в России более 15 тыс. не эксплуатируются по тем или иным причинам. В число причин простоя скважин можно отнести слабые и заболоченные грунты, не позволяющие устанавливать тяжёлые насосные установки балансирного типа, а также их малый диапазон управления производительностью, главным фактором которого является бесступенчатое изменение двойных ходов полированного штока в минуту [2, 6].

По мере истощения нефтегазовых и нефтеконденсатных месторождений Западной Сибири доля малопродуктивных скважин постепенно возрастает. Другим обстоятельством, пополняющим эту категорию скважин, является снижение их продуктивности по нефти с переходом на чисто газовые в направлении к северу Тюменской области.

Переход в малодебитную стадию частично обеспечивается применением электроцентробежных наосов в режиме периодической откачки скважинной жидкости. Эта вынужденная мера в большинстве  случаев применяется из-за отсутствия приемлемых альтернатив балансирному приводу штанговых насосов.

Для снижения затрат на энергоснабжение нефтедобывающего оборудования необходимо исключить из состава скважинной жидкости воду, уменьшив её содержание до 1-2 %. Для осуществления такого режима нефтедобычи необходимо производительность насосной установки согласовать с реальным дебитом скважины [4, 5]. Это, в свою очередь, требует применения регулируемого по скорости электропривода, способного бесступенчато изменять режим работы насоса и уменьшать тем самым энергопотребление [7]. При исключении воды из скважинной жидкости дисконтированный доход возрастает на 8-10 %  для каждого способа нефтеизвлечения.

Реализация управляемого режима скважинных штанговых насосов (CШН) связана с выбором рациональной конструкции наземного привода [2].

Рис. 1 - Общий вид наземного винтового привода скважинного штангового насоса

1-опорная плита; 2-винтовая опора; 3-устьевая арматура скважины; 4-сальниковый шток насоса; 5-гибкий элемент (цепь);  6-телескопический подъемник;  7-контейнер с механизмом привода

 

Безбалансирный привод представляет собой контейнер (рис. 1), в котором размещена телескопическая стойка 1 и два вертикальных винта 2 и 3 (рис. 2). Винты соединены между собой зубчатыми колёсами 4 и 5, а также с электродвигателем 6. Гайки 7 вертикальных винтов 2 и 3 соединены с роликами 8 для цепи 9, опирающейся на опорные звёздочки 10 и 11.

Ниже приведена схема создания периодических колебаний безбалансирного привода на основе использования ролико-винтовой пары (рис. 2).

Привод работает следующим образом.

После включения электродвигателя 6 (рис. 2) вращение передаётся через зубчатые колёса 4 и 5 вертикальным винтам 2 и 3. При этом они начинают вращаться в противоположных направлениях, а их гайки 7 будут двигаться в разные стороны – одна вверх, другая вниз.

Рис. 2 - Кинематическая схема винтового привода скважинного штангового насоса

1-телескопическая стойка; 2, 3-вертикальные винты; 4, 5-зубчатые колёса; 6-электродвигатель; 7-гайка; 8-ролик; 9-цепь; 10, 11-опорная звёздочка

 

Вместе с ними движутся ролики 8 с перекинутой через них цепью 9. В результате этих движений цепь 9 укорачивается и поднимает груз P (т.е. полированный шток скважинного штангового насоса). Когда гайки 7 доходят до своих крайних положений, датчик положения (не показан) подаёт сигнал электродвигателю 6, который выключается, а груз Р начинает опускаться под собственным весом (ролико-винтовые пары выбраны несамотормозящиеся). Когда цепь 9 займёт положение параллельно прямой N-N, двигатель 6 включается и, продолжая поднимать груз Р, разводит гайки в противоположные положения до упора, после чего двигатель 6 выключается.  За один полный ход гаек 7 от крайнего верхнего до крайнего нижнего положения груз Р поднимается два раза.

При максимальной нагрузке на подвесе 120 кН привод имеет мощность электродвигателя 7,5 кВт, высоту подъёма штока насоса 1,5–3 м, регулируемое число двойных ходов от 0,5 до 8 мин-1. Без увеличения габаритов привода высоту подъёма штока можно увеличить до 6 метров за счёт доработки телескопической стойки 1. Скорость спуска и подъёма насоса регулируется скоростью вращения электродвигателя 6, который имеет частотное управление и может изменять скорость в широких пределах. Высота подъёма насоса регулируется перестановкой датчиков рабочего хода командоаппарата. В качестве путевых датчиков применяются конечные выключатели взрывозащищённого типа.

По сравнению с устройствами аналогичного назначения, например, балансирными станками-качалками, предлагаемое техническое решение имеет следующие преимущества:

• возможность непрерывной откачки нефти из малодебитных скважин;
• сокращение металлоемкости в 3,5 раза;
• уменьшение энергопотребления в 2 раза;
• возможность использования на слабых заболоченных грунтах;
• простота конструкции обеспечивает технологичность производства и снижает себестоимость изготовления привода.

Выводы.

Использование для нефтеизвлечения  управляемого привода штангового скважинного насоса позволяет уменьшить энергопотребление процессом нефтеизвлечения на (25…30) %, а также снизить затраты на изготовление, транспортировку и эксплуатацию наземного привода.  Конструкция привода, его вес и габариты  позволяют транспортировать его любым видом транспорта (вплоть до вертолётного) к месту эксплуатации в состоянии заводской готовности, т.е. в готовом для эксплуатации виде. Для его установки на продуктивной скважине не требуется производить строительно-монтажные работы, включающие бетонирование фундамента, сборку насосной установки и пр. Достаточно сделать гравийную отсыпку и провести установку привода с использованием грузоподъёмного крана в течение 3-4 часов.

Таким образом, перспективными методами снижения затрат на добычу нефти можно считать:

- введение в эксплуатацию бездействующих скважин путём применения наземного привода скважинного штангового насоса винтового типа (бездействующие скважины из-за болотистого грунта или из-за малодебитного режима могут быть введены в строй действующих с помощью электропривода контейнерного типа, оказывающего на грунт давление не более 0,2 кг/см², а возможность бесступенчатого регулирования его рабочих режимов  в широких пределах - от 0,5 до 8 качаний в минуту -  позволяет выбрать режим, согласующийся с индивидуальными характеристиками скважин);

- оснащение действующих балансирных станков-качалок регулируемыми приводами позволит продлить период активного нефтеизвлечения из высокообводнённых малодебитных  скважин   и   уменьшить   удельные   затраты   энергии   на 10 – 25 % за счет уменьшения обводнённости скважинной жидкости (расчетные данные).

Литература

1. Адонин, А. Н. Добыча нефти штанговыми насосами/А.Н. Адонин. – М.: Недра, 1979. –386 c.
2. Ильясов, Б. Г. Автоматизированный привод штанговых глубинных насосов маятникового типа/ Б. Г. Ильясов, Е. С. Шаньгин // Мехатроника, автоматизация, управление. 2012. № 1. –С. 18–24.
3. Валеев, М. Д. Глубиннонасосная добыча вязкой нефти/ М.Д. Валеев, М.М. Хасанов. –Уфа: Башкнигоиздат, 1992. –122 с.
4. Справочник – автоматизация, приборы контроля и регулирования//5-автоматическое регулирование.–М.: Недра. 1967. –586 с.
5. Тер-Хачатуров, А. А. Автоматический контроль и диагностика скважинных штанговых насосных установок/ А. А. Тер-Хачатуров, Т. М. Алиев. – М.: Недра. 1988. – 296 с.
6. Вещев, О. Н. Телемеханические комплексы для нефтяной промышленности./ О. Н. Вещев. – Уфа: УНИ. 1988. –98 с.
7. Касимов, Л. Н., Шаньгин, Е. С. Привод глубинного насоса./Патент RU № 2163311. МПК F 04 B 47/02. БИ № 5. 2000.
8. Кусимов С.Т., Ильясов Б.Г., Шаньгин Е.С. и др. Информационно-управляющие системы в нефтедобывающей промышленности (монография) – М: «Машиностроение». 2009. – 658 с.

 References

1. Adonin, A. N. Dobycha nefti shtangovymi nasosami/A.N. Adonin. – M.: Nedra, 1979. –386 c.
2. Il'jasov, B. G. Avtomatizirovannyj privod shtangovyh glubinnyh nasosov majatnikovogo tipa/ B. G. Il'jasov, E. S. Shan'gin // Mehatronika, avtomatizacija, upravlenie. 2012. № 1. –S. 18–24.
3. Valeev, M. D. Glubinnonasosnaja dobycha vjazkoj nefti/ M.D. Valeev, M.M. Hasanov. –Ufa: Bashknigoizdat, 1992. –122 s.
4. Spravochnik – avtomatizacija, pribory kontrolja i regulirovanija//5-avtomaticheskoe regulirovanie.–M.: Nedra. 1967. –586 s.
5. Ter-Hachaturov, A. A. Avtomaticheskij kontrol' i diagnostika skvazhinnyh shtangovyh nasosnyh ustanovok/ A. A. Ter-Hachaturov, T. M. Aliev. – M.: Nedra. 1988. – 296 s.
6. Veshhev, O. N. Telemehanicheskie kompleksy dlja neftjanoj promyshlennosti./ O. N. Veshhev. – Ufa: UNI. 1988. –98 s.
7. Kasimov, L. N., Shan'gin, E. S. Privod glubinnogo nasosa./Patent RU № 2163311. MPK F 04 B 47/02. BI № 5. 2000.
8. Kusimov S.T., Il'jasov B.G., Shan'gin E.S. i dr. Informacionno-upravljajushhie sistemy v neftedobyvajushhej promyshlennosti (monografija) – M: «Mashinostroenie». 2009. – 658 s.