Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Анализ особенностей эксплуатации и повышение эффективности применения цепных приводов скважинных штанговых насосов

ВАК РФ 25.00.17, Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений

Автореферат диссертации по теме "Анализ особенностей эксплуатации и повышение эффективности применения цепных приводов скважинных штанговых насосов"

На правах рукописи

СИТДИКОВ МАРАТ РИНАТОВИЧ

АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЦЕПНЫХ ПРИВОДОВ СКВАЖИННЫХ ШТАНГОВЫХ НАСОСОВ

Специальность 25.00.17 - Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых

месторождений

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005058639 1 Р МАЙ ¿013

Уфа-2013

005058639

Работа выполнена на кафедре «Разработка и эксплуатация нефтегазовых месторождений» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет».

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ишемгужин Евгений Измайлович

доктор технических наук, профессор

Зубаиров Сибагат Гарифович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», кафедра «Механика и конструирование машин», заведующий кафедрой

Валишин Юнер Гаянович

кандидат технических наук, старший научный сотрудник, УНЦ НПФ «Геофизика»

ОАО «ОренбургНИПИнефть»

Защита состоится «21» марта 2013 года в 16 30 на заседании диссертационного совета Д 212.289.04 при ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет».

Ведущее предприятие:

Автореферат разослан «15» февраля 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

Ямалиев Виль Узбекович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

С каждым годом увеличивается доля трудноизвлекаемых запасов в общем нефтяном балансе России. Это обусловлено вступлением большого числа высокопродуктивных залежей и месторождений в позднюю стадию разработки, характеризующуюся интенсивным снижением добычи нефти, резким ростом обводненности, неблагоприятными качественными характеристиками запасов нефти в залежах. Образующиеся вязкие эмульсии, солеобразование и отложения парафина приводят к снижению коэффициента полезного действия установок скважин-ных штанговых насосов (УСШН) и отказам оборудования. Для разработки месторождений с трудноизвлекаемыми запасами нефтедобывающим предприятиям необходимо затрачивать повышенные финансовые, трудовые и материальные ресурсы, использовать нетрадиционные технологии, специальное оборудование, специальные реагенты и материалы.

Одним из перспективных направлений снижения затрат при добыче нефти скважииными штанговыми насосами (СШН) является применение в составе УСШН безбалансирных приводов на основе редуцирующих преобразующих механизмов (РИМ), получивших название «цепные приводы».

По данным ОАО «Татнефть» длинноходовые режимы откачки с постоянной скоростью на большей части хода, достигаемые при применении цепных приводов, способствуют сокращению удельных энергозатрат на подъем продукции из скважин, снижению динамических и гидродинамических нагрузок на штанговую колонну и наземный привод, уменьшению числа аварий и износа глубинно-насосного оборудования, увеличению коэффициента наполнения насоса, улучшению показателей добычи при откачке продукции с повышенным газосодержанием и высокой вязкостью.

Учитывая вышеперечисленные положительные результаты внедрения цепных приводов, актуальной задачей является оценка эффективности применения и оптимизация работы цепных приводов в составе УСШН для разработки место-

рождений с осложненными условиями эксплуатации. Реализация задач может способствовать дальнейшему развитию и внедрению альтернативной техники взамен балансирных станков-качалок.

Цель работы

Разработка ресурсосберегающих технико-технологических решений при использовании цепных приводов скважинных штанговых насосов.

Основные задачи исследований

1 Определение условий эксплуатации и эффективности применения УСШН на основе РПМ для месторождений, разрабатываемых ОАО АНК «Башнефть».

2 Выявление характерных отказов цепных приводов российского производства по промысловым данным. Статистическая обработка информации о наработке цепных приводов и его узлов.

3 Изучение особенностей расчета технологических параметров и режима работы УСШН на основе РПМ. Определение теоретической области применения цепного привода типа ПШСНЦ 60-3,5-5Т (изготовитель - ООО «Нефтекамский завод нефтепромыслового оборудования»).

4 Исследование нагрузок, действующих в точке подвеса штанг (ТПШ), полученных динамометрированием в промысловых условиях. Определение особенностей изменения нагрузок в ТПШ при малых скоростях перемещения штанговой колонны.

5 Разработка технологических мероприятий и технических средств по ограничению динамических нагрузок на штанговую колонну и увеличению межремонтного периода скважин, оборудованных УСШН с РПМ.

Методы решения задач

Решение поставленных задач проводилось путем теоретических исследований и анализа результатов, полученных в промышленных условиях с использованием современных методов измерения. При выполнении научных исследований и обработке результатов измерений использовались аналитические и статистические методы.

Научная новизна

1 Определено условие снижения амплитуды колебаний колонны насосных штанг, позволяющее уменьшить динамические нагрузки на глубинно-насосное оборудование и привод в вертикальных скважинах с маловязкой и вязкой нефтью. При кратности отношения времени приложения нагрузки (tH) к периоду собственных колебаний колонны штанг (7) амплитуда колебательного процесса

(А) будет равна нулю (А 0 при ~ = 1,2,3...).

2 Установлено возникновение незатухающих колебаний синусоидального вида колонны насосных штанг в диапазоне скоростей перемещения ТПШ от 3 до 7 м/мин при эксплуатации наклонно-направленных скважин с максимальным зенитным углом более 25° и глубиной спуска насосов от 800 до 1400 м.

3 Установлен экспоненциальный закон распределения отказов цепных приводов типа ПШСНЦ 60-3,5-5Т, позволяющий определить вероятность безотказной работы привода и его узлов в зависимости от наработки.

Практическая ценность

Разработанный способ определения динамичности штанговой колонны по данным динамограмм применяется в учебном процессе при чтении лекций, проведении практических и лабораторных занятий по дисциплине «Скважинная добыча нефти», курсовом и дипломном проектировании со студентами горнонефтяного факультета УГНТУ по специальности 130503 «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений», при решении задач по регулированию режима работы скважин.

На защиту выносятся: результаты теоретических и экспериментальных исследований, технические и технологические решения, направленные на повышение работоспособности штанговой колонны и эффективности применения цепных приводов на основе РПМ; обобщения и выводы.

Апробация работы

Результаты и основные положения работы докладывались на научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ

(г. Уфа, 2009 - 2012), на Всероссийской конференции молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники» (г. Уфа, 2009, 2011), на Межрегиональной научно-технической конференция «Проблемы разработки и эксплуатации месторождений высоковязких нефтей и битумов» (г. Ухта, 2010), на Всероссийской конференции «Актуальные вопросы разработки нефтегазовых месторождений на поздних стадиях. Технологии. Оборудование. Безопасность. Экология» (г. Уфа, 2010).

Публикации

Основное содержание диссертации изложено в 17 печатных работах, в том числе: 7 статей, 7 тезисов докладов на научных конференциях, 3 патента РФ. Четыре публикации помещены в изданиях, включенных в перечень ВАК.

Структура и объем диссертационной работы

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников из 143 наименований, 5 приложений. Текст работы изложен на 193 страницах, включая 48 рисунков, 21 таблиц.

. Автор выражает благодарность за помощь и внимание к работе проф. Ю.В. Зейгману, доц. Г.А. Шамаеву, проф. В.Ф. Мерзлякову, проф. Л.Е. Ленчен-ковой, а также всем сотрудникам кафедры разработки и эксплуатации нефтегазовых месторождений Уфимского государственного нефтяного технического университета, помогавшим в оформлении и обсуждении диссертационной работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и важность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследований, показана научная новизна, практическое значение и апробация работы.

В первой главе приводится обобщение опыта разработки и внедрения цепных приводов в России и за рубежом. Выявлены конструктивные особенности цепных приводов различных производителей. Дана краткая характеристика условий эксплуатации цепных приводов на месторождениях Республики Башкорто-

стан. Рассмотрены преимущества длинноходового режима работы, обеспечиваемого цепным приводом. Обосновано применение УСШН на основе РПМ для эксплуатации малодебитных скважин.

Научные основы эксплуатации скважин с УСШН с балансирными станками-качалками заложены п работах А.Н. Адонина, К.С. Аливердизаде, А.Г. Бабу-кова, И.Г. Белова, A.C. Вирновского, М.Д. Валеева, В.П. Грабовича, A.M. Кен-герли, Б.Б. Крумана, Л.С. Лейбензона, A.M. Пирвердяна, A.M. Рабиновича, И.Г. Узумова, И.А. K.P. Уразакова, Чарного, C.J. Coberly, Н.Е. Drall, S.G. Gübs, Е. Kemler, В .F. Langer, E.N. Lamberger, K.N. Mills, W.E. Snyder и др.

Вопросы кинематики, выбора и проектирования кинематических схем приводов, динамики, определения производительности и нагрузок на штанга в вертикальных скважинах с маловязкой нефтью при малом устьевом давлении для УСШН с РПМ подробно исследованы В.М. Валовским.

Действующий фонд ОАО АНК «Башнефть» на начало 2012 года составил более 17000 скважин. Из всего фонда скважин около 82 % эксплуатируются УСШН, 35 % из которых - осложненный фонд. Средний дебит добывающих скважин - 2,8 т/суг., при обводненности продукции - 91,1 %. Свыше 50 % скважин эксплуатируются с дебитом жидкости до 5,0 м3/сут. Увеличивающийся фонд малодебитных скважин, низкий коэффициент полезного действия установленного на этих скважинах оборудования, частые его ремонты при непрерывной эксплуатации, высокая обводненность добываемой продукции вынуждают переводить указанные скважины на периодический режим работы.

Залежи нефти, приуроченные к продуктивным пластам карбона и девона, обладают заметными аномалиями вязкости. Эффективная вязкость этих нефтей при малых напряжениях сдвига может в несколько раз превышать вязкость нефти с полностью разрушенной структурой. Аномальные нефти обладают и тиксо-тропными свойствами, т.е. способностью упрочнять свои структуры во времени.

Если учесть, что после остановки скважины в пласте происходит процесс перераспределения давления и значения градиента давления, а скорости фильтрации нефти уменьшаются, то аномалии вязкости должны влиять на приток и

состав жидкости, как в период накопления, так и при откачке. Процессы насыщения в призабойной зоне пласта (ПЗП) не прекращаются при остановке скважины, происходит их насыщение менее вязкой жидкостью - пластовой водой. Более того, в определенный момент насыщения процесс обводнения становится необратим.

Проявление аномалий вязкости и процессы насыщения ПЗП пластовой водой приводят к дополнительным потерям в добыче нефти после перевода скважин на периодическую эксплуатацию.

Сохранить постоянный режим работы малодебитных скважин можно при использовании цепных приводов с длиной хода 3 м, обеспечивающих производительность УСШН от 0,25 до 30 м3/сут.

По данным НГДУ «Арланнефть» (таблица 1) в периодическом режиме эксплуатируются 945 скважин (12,8 % от общего фонда).

Таблица 1 - Распределение скважин по дебитам жидкости в НГДУ «Арланнефть»

Дебит жидкости (от —до), м3/сут Число скважин Число скважин, эксплуатируемых в периодическом режиме работы, шт.

шт. %

0-0,25 114 1,5 114

0,25-1,5 1015 13,7 614

1,5-5,0 1702 23,0 211

5,0-10,0 1331 18,0 6

>10 3239 43,8 -

Всего 7401 100,0 945 ■

Включение в состав УСШН цепных приводов позволит перевести на постоянный режим работы 831 скважину.

Анализ условий эксплуатации цепных приводов проводился по промысловым данным 50 скважин ОАО АНК «Башнефть». Скважины оборудованы цепными приводами типа ПШСНЦ-60-3,5-5Т производства ООО «Нефтекамский завод нефтепромыслового оборудования» (ООО «НЗНО») и ПЦ 60-3-0,5/2,5 производства Бугульминского механического завода ОАО «Татнефть» (БМЗ). Цепные приводы эксплуатируются в области применения, установленной заводом-изготовителем в условиях месторождений, разрабатываемых ОАО АНК «Башнефть».

Рассмотрены особенности цепных приводов различных производителей и основные конструктивные отличия приводов типа ПШСНЦ 60-3,5-5Т. Важной особенностью данного типа цепного привода является возможность изменения длины хода от 2,5 до 3,5 м, частоты качаний от 0,5 до 3,0 мин"1, тем самым обеспечивая скорости перемещения ТГ1Ш от 1,25 до 10,5 м/мин. Указанные технические параметры позволяют регулировать режим работы скважины при постоянно меняющихся условиях эксплуатации.

Во второй главе выявлены характерные отказы цепных приводов. Проведена статистическая обработка информации о наработке узлов привода, установлены законы распределения случайной величины отказов.

Условия эксплуатации влияют на отказы глубинно-насосного оборудования и поверхностного привода. В случае применения цепных приводов отказы новой техники связаны с конструкционными особенностями механизма, с недостаточной технологичностью и надежностью отдельных узлов и деталей, а так же с отсутствием опыта эксплуатации нового оборудования.

По состоянию на 31.03.2012 в ОАО АПК «Башнефть» эксплуатируется 55 единиц цепных приводов, из них: 44 единицы производства ООО «ЮНО», 11 единиц производства БМЗ. Для приводов производства ООО «НЗНО» наиболее часто отказываемым узлом является тяговая цепь (рисунок 1).

неисправность

рол\-кюря: Г 2Л°

3.6 °о \ I . ""

износ каната- другие причины;

3.6 "о

неисправность промежуточной опоры; 8.3 °о

электротехнп-J ческпе причины 15.5 °о

выход из строя _звеньев цепи;

поломка скачки;

16." "о

поломка ролика: 21.4 °°

Рисунок 1 - Распределение отказов цепных приводов типа ПШСНЦ 60-3,5-5Т

производства ООО «НЗНО»

Построены графики функций вероятности безотказной работы привода и его узлов в зависимости от наработки (рисунок 2). Обработка статистической информации о наработке цепных приводов и его узлов позволила установить закон распределения случайной величины. Наработка узлов «скалка каретки», «редуктор и промежуточная опора», «электродвигатель», «тяговая цепь» описывается законом распределения Вейбулла. Для узла «ролики подвижной и неподвижной каретки» и цепного привода в целом установлен экспоненциальный поток отказов.

Рисунок 2 - Функция вероятности безотказной работы цепного привода и его узлов в зависимости от наработки

По результатам распределения отказов узлов цепных приводов определены приоритетные задачи по усовершенствованию узлов и деталей, направленные на увеличение безотказности работы цепного привода и межремонтного периода скважин.

Наименьшая наработка на отказ скалки каретки (наработка на отказ 74 сут) ставит первоочередную задачу совершенствования узла крепления цепи к скалке и повышения прочности материала.

Ролики каретки подвержены быстрому износу и внезапным отказам (наработка на отказ 102 сут). В ряде случаев ролики каретки заклинивают и перестают вращаться, что приводит к износу направляющих, по которым движется каретка.

В связи с этим необходимо усовершенствовать конструкцию и технологию изготовления каретки и направляющих, а именно точность перемещения роликов каретки по направляющим. Также можно рекомендовать покрыть ролики конструкционным полимером, например, полиамидом ударопрочных марок.

Тяговая цепь привода подвержена высоким значениям растягивающих усилий. Постепенное растяжение цепи наблюдается почти на всех исследуемых скважинах.

Вместо грузового каната предлагается установка грузовой ленты, используемой для ценных приводов с длиной хода устьевого штока шесть и более метров. Включение в состав ПШСНЦ 60-3,5-5Т тягой ленты, обеспечит дополнительную функцию амортизатора динамических нагрузок, что может улучшить условия работы УСШ11.

В третьей главе рассмотрены особенности расчета технологических параметров и режима работы УСШН на основе РПМ. Построена теоретическая область применения привода типа ПШСНЦ-60-3,5-5 1.

С появлением цепных приводов скважинных штанговых насосов возникает необходимость в определении области их возможного применения с учетом технической характеристики привода и особенностей закона движения ТПШ. Определение теоретической области применения при откачке маловязкой продукции из вертикальных скважин, а также при откачке высоковязкой продукции из наклонно-направленных скважин для цепных приводов ПЦ 40-2,1-0,5/2,5, ПЦ 60-3,0-0,5/2,5, ПЦ 80-6-1-1/4 предложено и описано К.В. Валовским.

Несмотря на промышленную эксплуатацию приводов ПШСНЦ 60-3,5-51 с 2007 года отсутствовал расчёт теоретической области применения данных приводов. В диссертационной работе сформулированы основные исходные данные и допущения при построении области применения привода ПШСНЦ 60-3,5-5Т. Привод типа ПШСНЦ 60-3,5-5Т оснащен промежуточной опорой на выходном валу редуктора, исключающей консольную нагрузку на вал редуктора, что снимает ограничение глубины спуска насоса по предельной величине тягового усилия [Г„ ].

Построены диаграммы в координатах «суточная производительность - глу-

бина спуска насоса», отражающие область применения привода ПШСНЦ 60-3,5-5Т для насосов с диаметром плунжера 27, 32, 38, 44, 57, 70 мм при откачке маловязкой продукции из вертикальных скважин с учетом динамических нагрузок, действующих на штанговую колонну (рисунок 3).

Рисунок 3 - Теоретическая область применения цепного привода ПШСНЦ 60-3,5-5Т:

1 - для насоса диаметром плунжера 27 мм; 2 - для насоса диаметром плунжера 32 мм;

3 - для насоса диаметром плунжера 38 мм; 4 - для насоса диаметром плунжера 44 мм;

5 - для насоса диаметром плунжера 57 мм; 6 - для насоса диаметром плунжера 70 мм.

В четвертой главе исследованы фактические нагрузки, действующие в ТПШ, динамометрированием. Определены особенности изменения экстремальных нагрузок при малых скоростях перемещения устьевого штока, а также выявлены условия возникновения незатухающих колебаний в колонне насосных штанг. Разработаны мероприятия и технические средства по ограничению динамических нагрузок на штанговую колонну.

Исследование фактических динамограмм проводилось с целью выявления особенностей изменения экстремальных нагрузок и динамической составляющей нагрузок, действующих в ТПШ при различных скоростях перемещения устьевого штока, и сравнения параметров, определяемых динамометрированием, с расчетными значениями.

Проанализировано более 400 динамограмм по 30 скважинам, оборудованным цепными приводами в условиях эксплуатации ОАО АНК «Башнефть». Измерения нагрузок осуществлялись динамографами «Микон 101Т» и «ИКГН-1». Значение максимальной нагрузки в ТПШ, полученной при теоретических расчетах, совпадают с результатами динамометрирования. В то же время расчеты значений минимальных нагрузок и динамической составляющей дают большие расхождения с результатами динамометрирования.

Разработан способ оценки динамичности системы по динамограммам, основанный на определении кратности отношения времени приложения нагрузки г, к периоду собственных колебаний колонны штанг Т: при условии кратности отношения -=1 2,3... наблюдаются колебания меньшей амплитуды и быстрое их Т

затухание (рисунок 4) - динамичность системы удовлетворительная; при условии

£^^123 наблюдаются динамограммы с повышенной динамичностью (рису-Т ' '

нок 5).

На рисунке 4 представлена динамограмма с затухающими колебаниями при переходных процессах. Переходный процесс представляет реакцию динамической системы на приложенное к ней воздействие с момента приложения этого воздействия до некоторого установившегося значения во временной области.

Для определения времени приложения возмущения /„ необходимо определить перемещение /, и скорость ТПШ в момент окончания приложения возмущения и начала переходного процесса

и

где /, - перемещение штока в момент окончания приложения возмущения, м; ^ - поминальная длина хода полированного штока, м; п - частота качаний ГПШ, с"'.

По индикаторной дипамограмме не составит труда определить перемещение /,. При выполнении условия

(2)

где л - потеря хода плунжера насоса с учетом действия динамических сил, м; И„ - делительный радиус звездочек преобразующего механизма, м.

Период собственных колебаний штанговой колонны Т определяется по формуле

'т

Г = -

2-50 п

где // -длина волны, рассчитанная в масштабе перемещения штока, м.

(3)

Рдик

й

ко «о ко ах> 1«о 1 мо чао чсо Iко зссо :«ю г «о :>х.Ь з«»

Перемещение штока, мм Рисунок 4 - Динамограмма еккажины с удовлетворительной динамичностью

Для случая, когда 1<Я„ скорость ТПШ на рассматриваемом участке определяется по формуле

Согласно динамограмме скважины № 2576 Саузбашевского месторождения, оборудованной цепным приводом ПШСНЦ 60-3,5-5Т (рисунок 4), при частоте качаний п = 2,3 мин"1 и длине хода полированного штока = 3,1 м, время приложения нагрузки г„ = 1,05 с, период свободных колебаний примерно равен Т ~ 1,05 с, или учитывая точность отсчета по динамограмме /„ = Т, что соответствует минимальной амплитуде колебаний при переходном процессе.

В данном случае нет необходимости в разработке мероприятий по ограничению динамических нагрузок. Наблюдается быстрое затухание собственных колебаний.

В отличие от динамограммы на рисунке 4, динамограмма на рисунке 5 более динамична г„*Т или 2Т, 3Т.... (скважина № 11051 Арланского месторождения; цепной привод типа ПШСНЦ 60-3,5-5Т, ход устьевого штока - 2,9 м, частота качаний ТПШ - 1,7 мин"1).

При ходе устьевого штока вниз динамика колонны может оцениваться подобным же образом. За счет действия сжимающих нагрузок, потери устойчивости штанг, сил сопротивлений переходной процесс при ходе вниз может отличаться от переходного процесса при ходе вверх. Вариант, когда эти два переходных

(4)

где / - перемещение штока, м;

к - кинематический параметр привода:

Тогда время приложения возмущения Хи преобразуются в

(5)

процесса близки по параметрам друг другу, свидетельствует об одинаковой динамичности колонны при ходе устьевого штока вверх и вниз.

Для практических целей можно не пересчитывать масштаб динамограммы по времени, а для сопоставления /„ и Т использовать масштаб по перемещению устьевого штока.

/

:-» эд w cu) t«o ют JI <00 '«¡о <ко j «в гад гьда г ко

Перемещение штока, мм Рисунок 5 - Динамограмма скважины с повышенной динамичностью

Для подтверждения условия снижения динамических нагрузок, установленного по динамограммам, проведены аналитические исследования.

В состоянии резонанса вне зависимости от величины затухания сдвиг фаз всегда равен 90 ° и энергия, подводимая возмущающей силой, максимальна. Если частоты совпадают и сдвинуты по фазе на 180 то реализуется колебания меньшей амплитуды, а при равенстве амплитуд происходит гашение колебаний. Установлено, что ссли возмущающее воздействие прилагается к двухмассовой системе по линейному закону за время, кратное периоду собственных колебаний, то в механической системе реализуются минимальные динамические нагрузки. Это положение можно распространить на многомассовую динамическую систему.

Для двухмассовых систем при приложении усилия по линейному закону амплитуда колебаний А в безразмерном виде и сдвиг фаз 0 имеют вид

БШ Ю / ,,

2

(6)

( \ — СОЭ СО/, ] (7)

в - агсЩ —:---1 '

1 51ПС0/„

где ш - частота собственных колебаний механической системы, Гц; ¡„ - время приложения возмущения, с.

Из уравнений (6) и (7) следует, что при

сог„ =271,4л, 6л... или ^ = 1,2,3... амплитуда колебательного процесса будет равна нулю.

С целью выявления условий возникновения незатухающих колебаний (рисунок 5) проведены дополнительные исследования скважин. Основной задачей было определение влияния режима работы, максимального зенитного угла скважины, динамического уровня, вязкости откачиваемой жидкости на амплитуду динамической составляющей нагрузки и частоту собственных колебаний системы. На каждой скважине изменялись режимы работы путем регулирования частоты качаний устьевого штока п. По полученным динамограммам определялись следующие параметры: максимальная нагрузка Ртах , минимальная нагрузка Ртп, динамическая составляющая экстремальных натрузок Рйш„ амплитуда динамической составляющей экстремальных нагрузок при ходе плунжера вверх Ав и вниз А„ упругие деформации штанг и труб X, время приложения возмущения период'собственных колебаний колонны штанг Т, частота собственных колебаний колонны штанг со.

В таблице 2 представлен пример обработки результатов исследования ди-намограмм, позволивший установить диапазон возникновения незатухающих колебаний синусоидального вида в колонне насосных штанг.

Таблица 2 - Исходные данные и результаты определения влияния условий эксплуатации на возникновение незатухающих колебаний штанговой колонны

Номер СКВ. Номер режима Скорость откачки п -5, м/мин Глубина спуска насоса Я„„л, м Максимальный зенитный угол, ° / на глубине, м с Ту с Ав, кН Ан, кН Примечание

11427 1 4.5 921 507900 0,67 0,53 4,0 2,9 незатух, кол.

2 6 0,90 0,80 4,8 3,7 незатух, кол.

11426 1 4,95 869 337490 1,52 0,85 4,0 1,2 незатух, кол.

2 6,9 0,82 0,41 1,0 1,0 затух, кол.

11411 1 4,5 921 37370 1,13 1,00 4,8 2,2 затух, кол.

2 6 0,85 0,85 2,0 1,0 затух, кол.

1 3,77 0,88 0,64 4,0 2,5 незатух, кол.

11051 2 4,93 898 457600 0,55 0,79 7,0 3,2 незатух, кол.

3 5,8 0,72 0,72 7,0 4,0 незатух, кол.

1 6,9 0,26 0,65 3,4 2,9 затух, кол.

11413 2 7,8 797 177240 0,38 0,70 3,0 2,0 затух, кол.

3 8,7 1 | 0,36 0,70 3,0 2,0 затух, кол.

Замечено, что скорость перемещения ТПШ имеет большое значение для возникновения незатухающих колебаний. Важным условием для этого является максимальный зенитный угол ствола скважин.

По результатам исследования динамограмм выявлено:

- на скважинах с максимальным зенитным углом менее 25° и малых скоростях перемещения штока наблюдаются динамограммы с затухающими колебаниями при переходных процессах;

- в случае возникновения незатухающих колебаний при снижении динамического уровня наблюдается рост амплитуды динамической составляющей нагрузок;

- на скважинах с максимальным зенитиым углом более 25° при скорости перемещения колонны насосных штанг К= 3...7 м/мин возникают незатухающие колебания синусоидального вида при переходных процессах. Примечательно, что при увеличении скорости откачки более V > 7 м/мин или снижении V < 3 м/мин колебания переходят в затухающие;

- амплитуда динамической составляющей нагрузок и период колебаний увеличивается при увеличении скорости перемещения штанговой колонны внутри диапазона возникновения незатухающих колебаний.

Для снижения динамических нагрузок при выводе скважины на режим эксплуатации необходимо проанализировать причины повышенной динамичности колонны и принять меры по ее устранению.

Снижение динамических нагрузок на колонну штанг достигается выполнением условия (8), что может быть осуществлено следующими способами:

- изменением частоты качаний и длины хода устьевого штока, подбором глубинно-насосного оборудования, т.е. влиянием на Гн;

- изменением частоты собственных колебаний колонны со, например, установкой центраторов, коротких штанг, муфт увеличенного диаметра, использованием утяжеленного низа, подбором диаметров штанг;

- одновременным воздействием как на изменение времени приложения нагрузки ?„ , так и на частоту собственных колебаний колонны со, с учетом индивидуальных особенностей скважины и сил сопротивлений перемещению колонны.

Обобщены основные причины (рисунок 6), влияющие на изменение собственной частоты колебаний колонны насосных штанг в зависимости от конструкции глубинно-насосного оборудования, индивидуальных особенностей и

осложнений в скважине.

Для ограничения действия динамических нагрузок на штанговую колонну и повышения ее работоспособности предложены новые конструкции насосных штанг (патент на полезную модель РФ №115400, №111575). Предложен динамический гаситель колебаний широкого диапазона частот (патент на изобретение РФ №2461751), позволяющий снизить или исключить воздействие колебаний за счет использования нескольких упругих настраиваемых элементов, жестко соединенных с защищаемой конструкцией (например, свайное основание фундамента станка-качалки или цепного привода штангового скважинного насоса).

Рисунок 6 - Причины, влияющие на изменение собственной частоты колебания

колонны штанг в скважине

Одним из способов ограничения динамических нагрузок на штанги является увеличение длины хода устьевого штока и снижения частоты качаний ТПШ привода, так как, чем медленнее прикладывается возмущающее воздействие, тем, естественно, ниже уровень динамических нагрузок. Но при малых скоростях перемещения ТПШ в штанговой колонне возникают особенности, которые необходимо учитывать, стремясь ограничить динамические нагрузки: при тихоходных режимах, особенно в наклонно-направленных скважинах с вязкой нефтью, значительные силы трения вызывают незатухающие колебания синусоидального вида, что требует дополнительных мероприятий по их устранению.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1 Уточнены условия применения приводов штанговых насосов на основе редуцирующих преобразующих механизмов для малодебитного фонда скважин, эксплуатируемого в периодическом режиме работы, на месторождениях с осложненными условиями эксплуатации.

2 Выявлены характерные отказы цепных приводов различных производителей, позволяющие определить приоритетные задачи по совершенствованию узлов и деталей механизма. Установлена экспоненциальная зависимость распределения отказов цепных приводов от продолжительности непрерывной эксплуатации скважин.

3 Получены диаграммы теоретической области применения привода типа ШПСНЦ 60-3,5-5Т для различных размеров плунжера насоса (27, 32, 38, 44, 57, 70 мм) при откачке маловязкой продукции из вертикальных скважин.

4 Экспериментальными исследованиями установлен диапазон скорости перемещения устьевого штока У= 3...7 м/мин, при котором возникают незатухающие колебания синусоидального вида в колонне насосных штанг, для наклонно-направленных скважин с максимальным зенитным углом более 25° и глубиной спуска насосов от 800 до 1400 м.

5 Предложен и обоснован способ оценки динамичности штанговой колонны по данным динамометрирования. Аналитически подтверждено и показано на динамограммах, что при кратности отношения времени приложения возмущения 1И к периоду собственных колебаний штанговой колонны Т, реализуются колебания меньшей амплитуды и происходит их быстрое затухание.

6 Предложены новые конструкции насосных штанг (патент на полезную модель РФ №115400, №111575), обеспечивающие снижение динамических нагрузок на штанговую колонну и повышение ее работоспособности. Предложен динамический гаситель колебаний широкого диапазона частот (патент на изобретение РФ №2461751), позволяющий снизить или исключить воздействие колебаний встречающегося диапазона частот.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих

научных трудах:

1. Ситдиков М.Р., Шамаев Г.А. Экономический эффект применения цепного привода за счет экономии электроэнергии на Узыбашевском месторождении // Материалы 60-й науч.- техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых Уфа: УГНТУ, 2009. С. 250.

2. Ситдиков М.Р., Шамаев Г.А. Анализ работы цепных приводов в филиале «Башнефть-Уфа» // Материалы 60-й науч.- техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. Уфа: УГНТУ, 2009. С. 250 - 251.

3. Ситдиков М.Р. Анализ и проектирование ШСНУ с цепным приводом в Уфимском УДНГ // Актуальные проблемы науки и техники: сб. тр. / I международ, конф. молодых ученых. Уфа: УГНТУ, 2009. С. 90 - 91.

4. Ситдиков М.Р., Ишемгужин И.Е. Обрывы штанг при глубиннонасосной эксплуатации скважин в НГДУ «Чекмагушнефть» // Проблемы разработки и эксплуатации месторождений высоковязких нефтей и битумов: материалы межрегион. науч.- техн. конф. Ухта: УГТУ, 2010. С. 150 - 155.

5. Ситдиков М.Р., Ишемгужин И.Е. Оценка устойчивости колонны штанг при ступенчатом изменении жесткости // Материалы 61-й науч.- техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ. Уфа: УГНТУ, 2010. С. 256.

6. Ситдиков М.Р., Ишемгужин Е.И. Использование ШСНУ с цепным приводом на поздней стадии разработки нефтегазовых месторождений // Актуальные вопросы разработки нефтегазовых месторождений на поздних стадиях. Технологии. Оборудование. Безопасность. Экология: материалы науч.- практ. конф. Уфа: УГНТУ, 2010.С.61-66.

7. Ситдиков М.Р. Демпфирование параметрических колебаний трубопровода / И.Е. Ишемгужин, ... М.Р. Ситдиков [и др.] // Нефтегазовое дело: электрон, науч. журн. 2011. №3. С. 84 - 93.

URL: http://www.ogbus.ru/authors/IshemguzhinIE/IshemguzhinIE_2.pdf

8. Ситдиков М.Р. Об ограничении динамических нагрузок на штанговую колонну / Ишемгужин И.Е.,... Ситдиков М.Р. [и др.] // Нефтяное хозяйство. 2011. №8. С. 135 - 137.

9. Sitdikov M.R. Transient processes effect of vibrations on rod string wellhead stock resort / I.E. Ishemguzhin,.. .M.R. Sitdikov [and etc.] // Oil & gas horizons. Book of abstracts. The third international student scientific and practical conference. Moscow: RGU, 201 l.C. 112.

10. Ситдиков M.P. Анализ обрывов и отворотов колонны штанг на Лянторском месторождении / Кочеков М.А., Ситдиков М.Р., Ишемгужин И.Е. // Актуальные проблемы науки и техники: сб. тр. / III науч. конф. молодых ученых. Уфа:

УТНТУ, 2011.С. 52-54.

11. Насосная штанга: пат. № 111575 РФ / Ситдиков М.Р. [и др.]; заявитель и патентообладатель УГНТУ; заявл. 07.07.2011; опубл. 20.12.2011. Бюл. № 35.

12. Ситдиков М.Р. Динамический гаситель колебаний фундамента ШСНУ широкого диапазона частот / Кочеков М.А., Ситдиков М.Р., Ишемгужин И.Е. // Материалы 62-й науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых

УГНТУ. Уфа: УГН'ГУ, 2011. С. 307.

13. Ситдиков М.Р. Методы борьбы с колебанием свайного фундамента ШСНУ на Лянторском месторождении / М.А. Кочеков, И.Е. Ишемгужин, М.Р. Ситдиков // Материалы 62-й науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ. Уфа: УГНТУ, 2011. С. 308.

14. Насосная штанга: пат. №. 115400 РФ / Ишемгужин И.Е., Ситдиков М.Р. [и др.]; заявитель и патентообладатель УГНТУ; заявл. 18.03.2011; опубл.

27.04.2012. Бюл. № 12.

15. Динамический гаситель колебаний широкого диапазона частот: пат. № 2461751 РФ / Ишемгужин И.Е., ... Ситдиков М.Р. [и др.]; заявитель и патентообладатель УГНТУ; заявл. 29.03.2011; опубл. 20.09.2012. // Бюл. № 26.

16. Ситдиков М.Р. Эксплуатация ценных приводов штанговых скважинных насосов в ОАО АНК «Башнефть» // Нефтегазовое дело: электрон, науч. журн.

УГНТУ. 2012. [№6.]. URL: http://www.ogbus.ru/authors/Sitdikov/Sitdikov_l.pdf

17. Ситдиков М.Р. Особенности исследований работы малодебитных скважин, оборудованных штанговыми насосными установками // Нефтегазовое дело: науч.-техн. журн. / УГНТУ. 2013. № 1. с.11.

Подписано в печать 12.02.2013. Бумага офсетная. Формат 60x84 7,6 ' Гарнитура «Тайме». Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1

Тираж 100. Заказ 14

Типография Уфимского государственного нефтяного технического университета

Адрес издательства и типографии: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Ситдиков, Марат Ринатович, Уфа

Уфимский государственный нефтяной технический университет

На правах рукописи

Ситдиков Марат Ринатович

АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЦЕПНЫХ ПРИВОДОВ СКВАЖИННЫХ ШТАНГОВЫХ НАСОСОВ

Специальность 25.00.17- Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых

месторождений

ДИССЕРТАЦИЯ

^ на соискание ученой степени

Ю с*} кандидата технических наук

Ю ТГ

СО я

^ ю О Р

г^ Научный руководитель:

°

» доктор технических наук,

О

профессор Ишемгужин Евгений Измайлович

Уфа-2013

Содержание

Введение 4

1 Анализ эксплуатации цепных приводов скважинных штанговых насосов 8

1.1 Опыт разработки и испытание цепных приводов 11

1.2 Конструкционные особенности установок с цепным приводом 19

1.3 Область применения и результаты промысловых испытаний цепных приводов 28

1.4 Преимущества длинноходового режима работы, обеспечиваемого цепным приводом 34

1.5 Краткая характеристика условий эксплуатации цепных приводов на месторождениях Республики Башкортостан 42

1.6 Выводы к главе 1 47

2 Анализ работы установок с цепным приводом в ОАО АНК «Башнефть» 48

2.1 Анализ отказов узлов и деталей цепного привода 48

2.2 Обработка статистической информации о наработке цепных приводов 55

2.3 Выводы к главе 2 81

3 Особенности расчета технологических параметров, режима работы и определение области применения насосной установки с цепным приводом 83

3.1 Определение длины хода плунжера скважинного штангового насоса

при эксплуатации установками с цепным приводом 85

3.2 Производительность скважинной штанговой насосной установки с

цепным приводом 93

3.3 Определение максимальной и минимальной величин нагрузок в точке подвеса штанг насосной установки с цепным приводом 98

3.4 Определение теоретической области применения цепного привода

типа ПШСНЦ 60-3,5-5Т 103

3.5 Выводы к главе 3 114

4 Исследование фактических нагрузок и особенности динамограмм при

малых скоростях перемещения штанговой колонны 115

4.1 Исследование фактических нагрузок динамометрированием 115

4.2 Особенности динамограмм при малых скоростях перемещения точки подвеса штанг 121

4.3 Колебательные процессы штанговой колонны при глубиннонасосной добыче нефти 132

4.4 Ограничение динамических нагрузок штанговой колонны 138

4.5 Разработка технических средств по ограничению низкочастотных колебаний глубиннонасосного и наземного оборудования 145

4.6 Выводы к главе 4 155 Основные выводы и рекомендации 157 Список использованных источников 158 Приложение А. Техническая характеристика цепных приводов

различных производителей 170 Приложение Б. Общий вид цепного привода типа ПЦ 60-3-0,5/2,5 и

основных его узлов 172

Приложение В. Данные о наработке узлов цепного привода и расчеты для

построения функциональных зависимостей 175 Приложение Г. Пример расчета теоретической области применения

цепного привода типа ПШСНЦ 60-3,5-5Т 181 Приложение Д. Примеры динамограмм, полученных динамографом

гидравлического действия ИКГН-1 193

Введение

С каждым годом увеличивается доля трудноизвлекаемых запасов в общем нефтяном балансе России. Это обусловлено вступлением большого числа высокопродуктивных залежей и месторождений в позднюю стадию разработки, характеризующуюся интенсивным снижением добычи нефти, резким ростом обводненности, неблагоприятными качественными характеристиками запасов нефти в залежах. Образующиеся вязкие эмульсии, солеобразование и отложения парафина приводят к снижению коэффициента полезного действия установок скважинных штанговых насосов (УСШН) и отказам оборудования. Для разработки месторождений с трудноизвлекаемыми запасами нефтедобывающим предприятиям необходимо затрачивать повышенные финансовые, трудовые и материальные ресурсы, использовать нетрадиционные технологии, специальное оборудование, специальные реагенты и материалы.

Одним из перспективных направлений снижения затрат при добыче нефти скважинными штанговыми насосами (СШН) является применение в составе УСШН безбалансирных приводов на основе редуцирующих преобразующих механизмов (РПМ), получивших название «цепные приводы».

По данным ОАО «Татнефть» длинноходовые режимы откачки с постоянной скоростью на большей части хода, достигаемые при применении цепных приводов, способствуют сокращению удельных энергозатрат на подъем продукции из скважин, снижению динамических и гидродинамических нагрузок на штанговую колонну и наземный привод, уменьшению числа аварий и износа глубинно-насосного оборудования, увеличению коэффициента наполнения насоса, улучшению показателей добычи при откачке продукции с повышенным газосодержанием и высокой вязкостью.

Учитывая вышеперечисленные положительные результаты внедрения цепных приводов, актуальной задачей является оценка эффективности применения и оптимизация работы цепных приводов в составе УСШН для разработки месторождений с осложненными условиями эксплуатации. Реализация задач может

способствовать дальнейшему развитию и внедрению альтернативной техники взамен балансирных станков-качалок.

Цель работы

Разработка ресурсосберегающих технико-технологических решений при ^ использовании цепных приводов скважинных штанговых насосов.

Основные задачи исследований

1 Определение условий эксплуатации и эффективности применения УСШН на основе РПМ для месторождений, разрабатываемых ОАО АНК «Башнефть».

2 Выявление характерных отказов цепных приводов российского производства по промысловым данным. Статистическая обработка информации о наработке цепных приводов и его узлов.

3 Изучение особенностей расчета технологических параметров и режима работы УСШН на основе РПМ. Определение теоретической области применения цепного привода типа ПШСНЦ 60-3,5-5Т (изготовитель - ООО «Нефтекамский завод нефтепромыслового оборудования»).

4 Исследование нагрузок, действующих в точке подвеса штанг (ТПШ), полученных динамометрированием в промысловых условиях. Определение особенностей изменения нагрузок в ТПШ при малых скоростях перемещения штанговой колонны.

5 Разработка технологических мероприятий и технических средств по ограничению динамических нагрузок на штанговую колонну и увеличению МРП скважин, оборудованных УСШН с РПМ.

Методы решения задач

Решение поставленных задач проводилось путем теоретических исследований и анализа результатов, полученных в промышленных условиях с использованием современных методов измерения. При выполнении научных исследований и обработке результатов измерений использовались аналитические и статистические методы.

Научная новизна

1 Определено условие снижения амплитуды колебаний колонны насосных штанг, позволяющее уменьшить динамические нагрузки на глубинно-насосное оборудование и привод в вертикальных скважинах с маловязкой и вязкой нефтью. При кратности отношения времени приложения нагрузки (7„) к периоду собственных колебаний колонны штанг (7) амплитуда колебательного процесса (А) будет

г

равна нулю (А = 0 при = 1,2,3...).

2 Установлено возникновение незатухающих колебаний синусоидального вида колонны насосных штанг в диапазоне скоростей перемещения ТГТШ от 3 до 7 м/мин, при эксплуатации наклонно-направленных скважин с максимальным зенитным углом более 25° и глубиной спуска насосов от 800 до 1400 м.

3 Установлен экспоненциальный закон распределения отказов цепных приводов типа ПШСНЦ 60-3,5-5Т, позволяющий определить вероятность безотказной работы привода и его узлов, в зависимости от наработки.

Практическая ценность

Разработанный способ определения динамичности штанговой колонны по данным динамограмм применяется в учебном процессе при чтении лекций, проведении практических и лабораторных занятий по дисциплине «Скважинная добыча нефти», курсовом и дипломном проектировании со студентами горнонефтяного факультета УГНТУ по специальности 130503 «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений», при решении задач по регулированию режима работы скважин.

На защиту выносятся: результаты теоретических и экспериментальных исследований, технические и технологические решения, направленные на повышение работоспособности штанговой колонны и эффективности применения цепных приводов на основе РПМ; обобщения и выводы.

Апробация работы

Результаты и основные положения работы докладывались на научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ(г. Уфа, 2009 - 2012), на Всероссийской конференции молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники» (г. Уфа, 2009, 2011), на Межрегиональной научно-технической конференция «Проблемы разработки и эксплуатации месторождений высоковязких нефтей и битумов» (г. Ухта, 2010), на Всероссийской конференции «Актуальные вопросы разработки нефтегазовых месторождений на поздних стадиях. Технологии. Оборудование. Безопасность. Экология» (г. Уфа, 2010).

Публикации

Основное содержание диссертации изложено в 17 печатных работах, в том числе: 7 статей, 7 тезисов докладов на научных конференциях, 3 патента РФ. Четыре публикации помещены в изданиях, включенных в перечень ВАК.

Структура и объем диссертационной работы

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников из 143 наименований, 5 приложений. Текст работы изложен на 193 страницах, включая 48 рисунков, 21 таблиц.

Автор выражает благодарность за помощь и внимание к работе проф. Ю.В. Зейгману, доц. Г.А. Шамаеву, проф. В.Ф. Мерзлякову, проф. Л.Е. Ленченко-вой, а также всем сотрудникам кафедры разработки и эксплуатации нефтегазовых месторождений Уфимского государственного нефтяного технического университета, помогавшим в оформлении и обсуждении диссертационной работы.

1 Анализ эксплуатации цепных приводов скважинных штанговых насосов

На современном этапе добычи нефти наибольшее распространение при механизированном способе эксплуатации скважин получили электроцентробежные насосные установки, штанговые скважинные насосные установки и в меньшей степени установки для газлифтной эксплуатации скважин.

Электроцентробежные насосы используются для откачки нефти при больших дебитах скважины. Газлифтный метод применяется при наличии дешевого природного газа. Наибольшее распространение (до 70 % общего фонда скважин) получили штанговые насосные установки.

Такое широкое применение УСШН связано с простотой конструкции и надежностью работы поверхностного привода станка-качалки и сопутствующего оборудования. Поэтому для дальнейшего совершенствования производства необходимо повысить эффективность глубиннонасосных установок. По данным нефтепромысловых управлений [1], средний межремонтный период составляет 150-200 суток, растет число простаивающих скважин, увеличиваются затраты на проведение подземных ремонтов скважин. В зарубежной практике наблюдаются подобные явления.

Научные основы эксплуатации скважин с УСШН с балансирными станками-качалками заложены в работах А.Н. Адонина, К.С. Аливердизаде, А.Г. Бабукова, И.Г. Белова, A.C. Вирновского, В.П. Грабовича, A.M. Кенгерли, Б.Б. Крумана, J1 .С. Лейбензона, A.M. Пирвердяна, A.M. Рабиновича, И.Г. Узумова, И.А. Чарного, М.Д. Валеева, K.P. Уразакова, C.J. Coberly, Н.Е. Drall, S.G.Gilbs, Е. Kemler, B.F. Langer, E.N. Lamberger, K.N. Mills, W.E. Snyder и др.

Одним из главных недостатков штанговой скважинной насосной установки является циклический характер ее работы с малым периодом цикла и большой асимметричностью нагрузок при высоком верхнем пределе. Циклическим воздействием подвергаются все элементы установки - от двигателя до приемного клапа-

на глубинного насоса. Интенсивность накопления усталостных явлений в элементах штанговой установки составляет от 7200 до 21600 циклов в сутки.

Аварии на штанговых глубиннонасосных установках возникают в результате постепенного разрушения материала штанг при большом числе повторно-переменных напряжений.

Другой существенный недостаток штанговой установки - высокая затратная стоимость подземного ремонта скважин. В результате аварии возникают простои скважин, загрязняется призабойная зона пласта. Проведение подземного ремонта требует значительных затрат ручного труда.

Указанные недостатки, усугубляющие в своей совокупности друг друга, создали в условиях большого фонда скважин такую ситуацию, при которой дальнейшее развитие нефтяной отрасли без значительного вклада в разработку новых ресурсосберегающих технических средств, стало невозможным.

Бороться с быстрым наступлением усталости элементов штанговой колонны и всей глубиннонасосной установки можно путем увеличения выносливости металла штанг, сокращения числа циклов работы при сохранении производительности установки, снижения напряжений в элементах установки без уменьшения полезного напора.

Анализ различных технических решений показывает, что в наибольшей мере реализация указанных путей обеспечивается длинноходовыми глубинно-насосными установками.

Применяемые в настоящее время глубиннонасосные установки имеют длину хода полированного штока до 4,5 м. Зарубежные УСШН выпускаются с длиной хода до 7,6 м.

Практика показывает, что с увеличением длины хода плунжера насосной установки возрастает подача насоса, увеличивается коэффициент наполнения насоса и улучшаются энергетические характеристики установки.

Анализ кинематической схемы шарнирного четырехзвенника, взятого за основу станка-качалки, свидетельствует, что при увеличении длины хода балансир-ного привода глубиннонасосной установки возрастают его габариты, масса и кру-

тящий момент на валу редуктора. Например, станок-качалка фирмы «Луфкин» типа АР1 3648 с длиной хода 7,6 м имеет массу 24,8 т и вращающий момент на валу редуктора 402 кН-м при грузоподъемности 248 кН. Для сравнения, цепной привод фирмы ЯОТАРЬЕХ типа Ш7 900 с длиной хода 7,3 м имеет массу 19,5 т и вращающий момент на валу редуктора 37 кН-м при грузоподъемности 163 кН.

Кинематическая схема преобразующего механизма балансирных станков-качалок не поддается дальнейшему совершенствованию, так как конструкции механизма присущ недостаток, связанный с компоновкой элементов четырехзвен-ника. Поэтому конструирование балансирных глубиннонасосных установок приводит к резкому увеличению габаритов и металлоемкости станков-качалок, что недопустимо для дальнейшего научно-технического прогресса в нефтедобывающей промышленности.

Глубиннонасосные установки с балансирным приводом имеют низкий к.п.д. из-за невысоких коэффициентов наполнения насосов. Подсчет коэффициентов подачи на многих месторождениях Урало-Поволжского нефтяного региона показывает, что их значения не превышают 0,4 - 0,5. Например, средний коэффициент подачи УСШН в ОАО «Татнефть» составляет не более 0,5. В результате энергозатраты при использовании балансирных глубиннонасосных установок превышают энергозатраты при других механизированных способах эксплуатации скважин [ 1 ].

Основные показатели работы УСШН (коэффициент наполнения, срок службы штанг и глубинного насоса, межремонтный период) улучшаются при увеличении длины хода плунжера насоса. Поэтому перед разработчиками новой техники для эксплуатации скважин стоит ответственная задача по созданию безбалансир-ных длинноходовых насосных установок, способных эффективно работать как в нормальных технико-технологических условиях, так и при добыче нефти с аномальными свойствами.

1.1 Опыт разработки и испытание цепных приводов

Начало нового класса безбалансирных приводов с РПМ с гибкими звеньями, впервые было предложено в 1933 г. К.К. Риделем [2]. В виде опытного образца приводы с РПМ реализованы в 40-х годах прошлого столетия в АзИНМАШ [3-5]. Работы в данном направлении велись и за рубежом [6-13 и др.]. В частности, фирмой Bender (США) разработаны и испытаны конструкции промышленных образцов длинноходовых приводов с РПМ [14-16]. Компанией Highland Pump Company (США) создана конструкция и налажено промышленное производство длинноходовых цепных приводов ROTAFLEX [17]. В 70-х годах в ТатНИПИнефть по инициативе д.т.н., профессора P.A. Максутова создан и испытан в промышленных условиях опытный образец привода с горизонтальным расположением преобразующего механизма [18-19].

В качестве замкнутых гибких звеньев в приводах с РПМ, как правило, применялись приводные роликовые цепи, в связи с чем, этот тип приводов получил название «цепные приводы». В дальнейшем работы в нашей стране по созданию цепных приводов были продолжены, предложен и запатентован ряд новых технических решений в этой области [20-27]. Все упомянутые исследования и опытно-промышленные работы, как в нашей стране, так и за рубежом, были направлены на улучшение работы скважинного насоса путем увеличения длины хода, поскольку схема РПМ позволяла увеличить длину хода цепного привода без резкого увеличения его металлоемкости [28].

Хронологически�