Курляндский Ю.Н. к.т.н., доцент, Койшибаева Г.Д. магистр

Таразский Государственный университет им.М.Х.Дулати

К проблеме создания эффективного привода штанговых насосов куста скважин

Одним из наиболее перспективных способов разработки нефтяных месторождений является разработка с помощью кустов скважин, при которой устья скважин размещаются с малым расстоянием между ними на технологической площадке ограниченных размеров, а призабойные приточные части их стволов располагаются на глубине в соответствии с геологической сеткой разработки месторождения, причем на значительном расстоянии друг от друга. Разбуривание месторождения при этом производится наклонно направленными и горизонтальными скважинами.

Этот способ имеет значительные преимущества перед традиционным способом разработки месторождения вертикальными скважинами, устья которых располагаются на значительном расстоянии между ними в соответствии с геологической сеткой разработки. К числу этих преимуществ относятся:

- большое снижение затрат на бурение скважин, строительство дорог и подъездных путей, сооружение коммуникаций и обустройство промыслов;

- уменьшение площадей, занимаемых промыслами и исключение необходимости бурения скважин и размещения промысла в неудобных для этого местах и в неблагоприятных условиях - на местности с сильно пересеченным рельефом, на возвышенностях и в узких впадинах; на площадях, используемых в качестве сельхозугодий; а также расположенных вблизи населенных пунктов, в охраняемых государством заповедных зонах и зонах отдыха, в акваториях рек, озер, морей и на болотах; на территориях размещения водоносных пластов и водозаборов, обеспечивающих снабжение водой населенных пунктов, хозяйств и промышленных предприятий;

- повышение эффективности добычи с помощью наклонно направленных и горизонтальных скважин, обеспечивающих охват разработкой больших площадей месторождения, и более интенсивный приток добываемого флюида нри меньшем числе скважин;

- лучшие технологические и организационные возможности интенсификации разработки месторождения и применения новых технологий повышения нефтеотдачи пластов;

- улучшение организации, снижение стоимости и повышение качества и оперативности выполнения работ по ремонту скважин и их технологического оборудования;

- более высокая эффективность использования дорогостоящих вспомогательных объектов - буровых площадок, дорог, электросетей, трубопроводов, а также насыпных островов, платформ и эстакад;

- улучшение охраны окружающей среды за счет возможности более полного сбора, переработки и нейтрализации отходов бурения и эксплуатации скважин, а также уменьшение вероятности понижения уровня грунтовых вод на прилегающих территориях большой площади, возможного вследствие нарушения целостности водоносных горизонтов.

- значительное снижение стоимости добычи и промысловой подготовки нефти.

В связи с этим, в настоящее время кустовое бурение составляет в странах СНГ более 70 %, а в Западной и Восточной Сибири - более 90 % объемов эксплуатационного бурения скважин. Для его реализации в АО «УралМашЗавод» (г.Екатеринбург) и в АО «Волгоградский завод буровой техники» (ВЗБТ, г.Волгоград) созданы специальные буровые установки для строительства кустовых скважин глубиной 2500, 2900, 3200, 3900 и более метров и налажено их изготовление. Однако, специального оборудования для эксплуатации кустов скважин, соответствующего современным требованиям, до настоящего времени не создано. Не решена основная составляющая этой проблемы - создание современного группового привода штанговых скважинных насосов (ШСН), составляющих преооладающе большинство среди используемого в добыче нефти насосного оборудования. В связи с этим, даже в странах с развитой технологией кустового бурения, например, в России, при эксплуатации кустов скважин используется только индивидуальный привод ШСН каждой скважины в виде станка-качалки Результатом этого являются повышенные металлоемкость и энергоемкость добычи нефти.

Разработка эффективного группового привода ШСН позволила бы создать предпосылки для снижения отрицательного влияния этих недостатков на эффективность добычи нефти.

Однако, разрозненные инициативныё разработки таких приводов, неоднократно предпринимавшиеся отдельными группами специалистов, к созданию надежно работающего оборудования, соответствующего современным технологическим и прочим требованиям и способного работать с достаточно большим числом скважин, не привели.

Так, в настоящее время не имеет применения известный центральный групповой привод [1,стр.303-309] расположенных вокруг него неприводных станков-качалок с помощью вращаемого вокруг вертикальной оси ведомого колеса открытой конической зубчатой передачи, на ступице которого с большим эксцентриситетом относительно оси вращения установлены вертикальные оси со свободно поворачиваемыми на них плоскими дисками, связанными с помощью закрепленных на их периферии канатных тяг с качающимся относительно вертикали приводными плечами балансиров станков – качалок. Его недостатками были высокая энергоемкость работы и низкий к.п.д.; невозможность качественного уравновешивания; загромождение прискважинной технологической площадки промысла передаточными, поддерживающими и отклоняющими устройствами; низкая надежность и весьма непродолжительный межремонтный период работы; ограниченная применимость только для скважин малой глубины.

Не получил применения также групповой привод ШСН [2] с приводным канатным барабаном, соединенным с помощью намотанных на него своей средней частью тяговых канатов с парами колонн насосных штанг обслуживаемых скважин, над каждой из которых на стойке установлен свободно вращаемый канатный шкив. Возвратно-вращательное движение барабана преобразуется с помощью канатных связей во взаимно противоположное возвратно – поступательное движение штанговых колонн, соединенных между собой тяговым канатом.

Недостатком привода является нестабильность позиционирования плунжеров насосов в крайних положениях, обусловленная упругими деформациями тяговых канатов и накапливающимся смещением плунжеров в результате упругого проскальзывания тягового каната на барабане. Это способствует созданию ситуации, в которой один из плунжеров останавливается в крайнем верхнем положении, упираясь во внутреннюю торцевую поверхность цилиндра насоса, и создаются условия для аварии в скважине в результате обрыва штанг или тягового каната. Другим недостатком является загромождение пространства над скважинами тяговыми канатами и опорными конструкциями барабана и канатных шкивов, допускающая возможность нормальной работы агрегата ремонта скважин только при условии демонтажа привода.

Один из известных групповых приводов штанговых насосов двух скважин [3] включает каретку, перемещаемую возвратно – поступательно по рельсам с помощью стационарно установленного в подшипниковых опорах, вращающегося в одном направлении винта с правой и левой ходовыми резьбами; установленный на каретке поворотный зуб, контактирующий с витками резьбы винта; привод вращения винта; цепи связи каретки с устьевыми штоками обслуживаемых скважин, огибающие поддерживающие и направляющие шкивы, установленные на опорных стойках. Переключение направления движения каретки в крайних положениях хода реализуется поворотом указанного зуба. Привод не получил промышленного применения в связи с конструктивной сложностью, низким к.п.д. винтовой передачи, недостаточно высокой надежностью переключения направления движения каретки и непродолжительным межремонтным периодом работы зуба, ограниченным интенсивным износом в результате трения в процессе скольжения по виткам резьбы винта при весьма значительных усилии контакта и контактных давлениях.

Другой, имеющий несколько конструктивных исполнений групповои привод штанговых насосов двух скважин [4,стр.63,64] включает стандартный станок- качалку, две пары канатов, прикрепленных одними концами - сверху и снизу к головке балансира станка - качалки, другими – к подвескам устьевых штоков скважин; направляющие и отклоняющие канатные шкивы и комплект поддерживающих и опорных конструкций. Привод, за исключением опытного образца, не получил промышленного применения в связи с недостаточной надежностью работы, загромождением прискважинной площадки оборудованием и опорными металлоконструкциями, наложением неприемлемых ограничений на соотношение тяговых усилий на устьевых штоках обслуживаемых скважин, обусловливающим необходимость установки дополнительных устьевых контргрузов [5], недостаточной надежностью стальных канатов при работе с регулярными перегибами на канатных шкивах недостаточно большого диаметра, особенно в условиях низких температур.

Известен также групповой привод штанговых насосов двух скважин [6], включающий два установленных на стойках роторных балансира с канатными подвесками, соединенные между собой закрепленной на них концами гибкой тягой; кривошипно - шатунный механизм, шатун которого шарнирно соединен с одним из балансиров; силовую установку, состоящую из электродвигателя, ременной передачи и редуктора. Недостатками привода являются невозможность индивидуального регулирования длины хода канатных подвесок, сложность переналадок при ремонтах скважин, простой обеих скважин при ремонте скважины, оснащенной соединенным с кривошипно- шатунным механизмом балансиром.

Общим недостатком последних трех видов групповых приводов является ограниченная область применения - для кустов, состоящих из двух скважин, тогда как многократно преобладающее большинство кустов включает значительно болыпее их число (до 16-30 и более). Известны также групповые гидроприводы штанговых скважинных насосов [7,8,9,10], включающие силовые гидроцилиндры в количестве, равном числу обслуживаемых приводом скважин куста, сообщающие возвратно-поступательное движение колоннам насосных штанг и плунжерам штанговых насосов, а также общие насосный гидроагрегат, бак с рабочей жидкостью, систему трубопроводов и комплект гидроаппаратуры, создающие циркуляцию рабочей жидкости под давлением и автоматическое управление этой циркуляцией и циклическим перемещением поршней (плунжеров) гидроцилиндров в непрерывном режиме. Их недостатками являются невысокая надежность, связанная со значительной вероятностью нарушения герметичности уплотнений поршней и штоков гидроцилиндров и многочисленных соединений трубопроводов под высоким рабочим давлением; невысокий к.п.д., в результате значительных потерь давления в трубопроводах большой протяженности, соединяющих наососный гидроагрегат и гидробак с расположенными на значительном удалении от них гидроцилиндрами; сложность обеспечения надежности работы при низких температурах.

Общими недостатками известных групповых приводов штанговых насосов является бессисистемность и неупорядочность структуры, не всегда соответствующей современным функционально-технологическим, эргономическим, экономическим требованиям и требованию безусловного обеспечения надежности работы. В связи с этим, обычно имеет место полукустарный характер проектирования и изготовления такого привода в различных частных случаях его исполнения как нестандартного оборудования на основе случайного подбора структурных элементов.

Однако, повсеместное применение для оснащения кустов скважин индивидуальных приводов (станков - качалок), позволившее устранить большую часть указанных недостатков и полностью вытеснить приводы групповые, характеризуется высокой энергоемкостью работы насосных установок в результате неоптимального индивидуального уравновешивания привода и практически повсеместной невысокой степени полезного использования установленной мощности электродвигателя - в среднем не более 56 % [4, стр.43-47,51,52], высокими металлоемкостью конструкции и трудоемкостью пуска в эксплуатацию всего комплекса приводов куста скважин, повышенной потребностью в комплектующих изделиях, обусловленными укомплектованием каждого станка - качалки опорными конструкциями, и, при электромеханическом приводе - электродвигателем, комплектом электроаппаратуры, клиноременной передачей, редуктором, тормозом, двумя кривошипами с противовесами, шатуном; при гидроприводе - силовым гидроцилиндром, насосным гидроагрегатом с приводом от электродвигателя, гидробаком, комплектами электро – и гидроаппаратуры и системой трубопроводов. Задействование в индивидуальных приводах и эксплуатация разветвленного подвода электроэнергии и большого числа электродвигателей и комплектов электроаппаратуры, постоянно подвергающихся воздействию неблагоприятных климатических условий, повышает вероятность нарушений электробезопасности и, в результате большого их числа и близкого расположения к устьям скважин - снижает пожаро -, и взрывобезопасность работы. Ступенчатый характер регулирования длины хода канатной подвески в станках - качалках не позволяет обеспечить оптимальность длины хода плунжера и объемного к.п.д. насоса. Необходимость устройства фундаментов значительного объема под опорной металлоконструкцией каждого станка - качалки предопределяет повышенный расход на эти цели стройматериалов.

В связи с вышеуказанным, разработка устройства эффективного группового привода штанговых насосов куста скважин, обеспечивающего соответствие современным требованиям во всех частных случаях его исполнения, и исключающего указанные недостатки известных групповых и индивидуальных приводов, представляет собой актуальную задачу.

Литература

1.Михайлов К.Ф., Юдолович М.Я. Монтаж и ремонт нефтепромыслового оборудования – М.; Гостоптехиздат, 1956.

2.Авт.свидетельство СССР №1206479, кл. F04 B 47/02

3.Патент РФ №2052663, кл. F04 B 47/02. Привод нескольких скважинных насосов. Авт.: Логиновский В.И., Ногаев Р.Я., Медингер Н.В.

4.Уразаков К.Р. и др. Нефтепромысловое оборудование для кустовых скважин – М.; ООО «Недра – Бизнесцентр» 1999.

5.Патент РФ №2076951, кл. F04 B 47/02. Групповой привод штанговых насосов. Авт.: Уразаков К.Р., Жулаев В.П., Персиянцев М.Н., Андреев В.В., Иконников И.И.

6.Патент РФ №2135832, кл. F04 B 47/02. Станок – качалка. Авт.: Исмагилов А.И., Косолапов А.Ф., Утяев Р.Г.

7.Авт.свидетельство СССР №800419, кл. F04 B 47/02.

8. Авт.свидетельство СССР №1035281, кл. F04 B 47/02.

9. Авт.свидетельство СССР №1174594, кл. F04 B 47/02.

10. Авт.свидетельство СССР №1286810, кл. F04 B 47/02.