Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Повышение эффективности эксплуатации скважин за счет оптимизации кинематических характеристик штанговых насосов

ВАК РФ 25.00.17, Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Щуров, Игорь Вячеславович

Введение

1. Работа глубинной штанговой установки и методы ее контроля

1.1. Обзор существувющих методик расчета рабочих параметров глубинно-насосной установки

1.2. Коэффициент подачи установки и расчет деформации штанговых колонн

1.3. Методы контроля работы глубинного насоса

2. Разработка прибора для исследования кинематики штангового насоса

2.1. Разработка принципиальной структурной схемы прибора

2.2. Разработка глубинной части прибора

2.2.1. Выбор типа преобразователя линейного перемещения плунжера насоса

2.2.2. Схема преобразователя перемещения плунжера и конструкция глубинной части прибора

2.2.3. Метрологические исследования параметров глубинного датчика

2.3. Устьевое оборудование прибора

2.3.1. Выбор устройства сопряжения глубинного датчика с компьютером IBM

2.3.2. Блок сопряжения глубинного датчика с компьютером

3. Промысловые испытания прибора и исследования работы штангового насоса 55 3.1. Выбор скважины для исследования

3.2. Исследовательские работы на скважине и обработка результатов измерений

3.3. Выводы по результатам исследований 82 4. Разработка рекомендаций по совершенствованию эксплуатации скважин штанговыми насосами

4.1. Влияние вязкости откачиваемой жидкости на зависание штанг

4.2. Анализ эффективности применения штанговых насосов различных конструкций

4.3. Опыт применения двухплунжерных насосов на промыслах 107 Основные выводы и рекомендации 112 Список использованной литературы

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Повышение эффективности эксплуатации скважин за счет оптимизации кинематических характеристик штанговых насосов"

Выбор рациональных конструкций насосных подъемников жидкости из скважины и режимов их работы является одной из актуальных задач в нефтедобыче и приобретает в последнее время всё большее значение.

Это объясняется, прежде всего, тем, что каждое промышленное предприятие стремиться бороться за получение наибольших прибылей, что напрямую связано с увеличением производительности скважин и со снижением затрат на добычу нефти.

Поступающая из пласта на забой скважины жидкость обладает определенным количеством энергии. Иногда этой энергии достаточно для того, чтобы обеспечить работу скважинного подъемника наиболее дешевым фонтанным способом. Однако число фонтанирующих скважин на нефтяных промыслах быстро сокращается. В ОАО «САМАРАНЕФТЕГАЗ», например, количество фонтанных скважин составляет менее 2% от числа действующих.

Если пластовой энергии недостаточно для обеспечения стабильной работы скважины, то энергию приходится дополнительно привносить в подъемник извне. Например, с помощью глубинных насосов. Число скважин, где жидкость извлекается таким способом, на нефтяных промыслах непрерывно увеличивается. При этом особенно велика доля скважин, где нефтяные подъемники оборудованы глубинными штанговыми насосами. В ОАО «САМАРАНЕФТЕГАЗ», например, действующий фонд таких скважин составляет 65%.

Задача инженера-технолога состоит в том, чтобы с одной стороны, рационально использовать имеющуюся в его распоряжении пластовую энергию, с другой - максимально снизить удельные затраты дополнительной энергии для подъема жидкости с забоя на поверхность.

Научные и инженерные проблемы извлечения жидкости из скважины с помощью глубинных штанговых насосов детально разрабатывались и продолжают разрабатываться в настоящее время, как в нашей стране, так и за рубежом. Так, основы кинематики и динамики станков-качалок, проблемы работоспособности штанг, расчетные формулы для определения экстремальных нагрузок в точке подвеса штанговой колонны, производительности насосной установки, детально разрабатывались А.С. Вирновским, А.Н. Адониным, И.М. Муравьевым, К.С. Аливердизаде, М.Д. Валеевым и многими другими исследователями. Разрабатывалась и продолжает развиваться теория и расчетные формулы по гидродинамики насосной установки, где, прежде всего, необходимо отметить работы A.M. Пирвердяна,. И.Т. Мищенко, В.А. Сахарова, В.М. Люст-рицкого и многих других. Из зарубежных исследователей в области исследований проблем глубинно-насосной добычи нефти в первую очередь необходимо отметить работы Дж. С. Слоннеджера, В.И. Джильберта, Н.Д. Дрэготеску и др.

Несмотря на большой объем проделанных теоретических и экспериментальных исследований решение проблемы в этом направлении нельзя признать законченной по следующим причинам.

Решение, как гидродинамики, так и кинематики глубинно-насосного подъемника чрезвычайно сложно, прежде всего потому, что изменение любого технологического параметра работы установки подчас ведет к результатам, которые трудно предопределить расчетами или даже предугадать. Например, вполне очевидно, что увеличение глубины погружения насоса под динамический уровень жидкости при неизменном числе качаний балансира станка-качалки и длине хода точки подвеса штанговой колонны, ведет к увеличению давления на приеме насоса. За счет этого можно ожидать снижения отрицательного влияния газа на работу насоса, увеличения коэффициентов его наполнения и подачи насосной установки в целом. Но одновременно со снижением отрицательного влияния газа неизбежно произойдут увеличения веса штанговой колонны и выталкивающей силы, действующей на ее нижний торец. В свою очередь это приведет к дополнительной деформации колонны штанг, увеличению сил гидродинамического и механического сопротивления ее движению. В результате вместо ожидаемого увеличения подачи установки она может уменьшиться.

Задача теоретического решения проблемы осложняется еще и тем, что га-зонефтеводяная смесь, движущаяся в скважине, относится к сложным термогидродинамическим системам. Кроме основных физических свойств, характеризующих любую жидкость - плотности и сжимаемости, упругости и температурной деформации, вязкости и поверхностного натяжения, которые уже сами по себе зависят от температуры и давления, - эта смесь обладает еще целым рядом дополнительных свойств: взаиморастворимостью компонентов, различием в молекулярном давлении на границах раздела фаз, фазовыми переходами, усадкой, дисперсностью фаз и способностью образовывать стойкие высоковязкие водонефтяные эмульсии при их перемешивании.

Необходимо учитывать, что любые теоретические разработки нуждаются в экспериментальной проверке. В условиях скважины, когда длина насосного подъемника достигает 1,5 тыс. и более м, а диаметральные размеры сильно ограничены, экспериментальные исследования выполнить сложно. В то же время без базы экспериментальных данных трудно рассчитывать на повышение надежности последующих теоретических разработок.

Целью настоящей работы является: экспериментальное определение кинематики плунжера глубинного насоса и разработка на этой основе рекомендаций по выбору типа и конструкции штанговых насосных установок и по увеличению их производительности.

Основные задачи исследований сводятся к следующему.

1. Анализ причин низкой эффективности работы штанговых насосных установок в двух, наиболее напряженных, условиях - при подъеме высоковязкой продукции скважин с повышенным содержанием высокомолекулярных компонентов нефти и при работе штанговых насосов в скважинах с большим свободном газосодержанием жидкости.

2. Разработка и изготовление глубинного прибора, позволяющего определять истинную длину хода плунжера и кинематические характеристики в процессе работы глубинного насоса.

3. Разработка методик проведения испытаний и стендов для определения работоспособности прибора.

4. Проведение промысловых испытаний прибора и оценка надежности его работы в скважинах.

5. Разработка рекомендаций по выбору типа глубинных насосов, позволяющих увеличить производительность скважин при неизменных рабочих параметрах станков-качалок.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Показано, что наиболее значимой причиной низкой производительности глубинно-насосных установок не зависимо от свойств откачиваемой жидкости является большая продольная деформация штанговой колонны, которой невозможно избежать при использовании серийных насосов вставного и невставного типов.

2. Установлено, что силы вязкого трения в подъемнике в меньшей степени влияют на динамику работы штанг и меньше способствуют снижению КПД установки, чем продольный изгиб штанговой колонны.

3. Создана принципиально новая измерительная схема и изготовлен прибор для исследования кинематики плунжера глубинного насоса с погрешностью определения положения плунжера в цилиндре насоса в любой момент времени не более 5 см.

4. Экспериментально исследована кинематика плунжера штангового насоса в реальной скважине. Показано, что плунжер насоса начинает свое движение вниз из верхней мертвой точки с большим запаздыванием по сравнению с движением точки подвеса штанговой колонны (ТППЖ). Движение плунжера из ВМТ происходит неравномерно в пульсирующем режиме. Скорость движения плунжера насоса резко изменяется от нуля до значений, в несколько раз превышающих максимальное значение скорости ТПШК, а потери длины его хода в 2-3 раза больше расчетных.

5. Установлено, что увеличение производительности скважинных штанговых установок может быть достигнуто только с помощью насосов с принудительным движением плунжера вниз. При этом коэффициенты подачи установок и их КПД увеличатся на 50-60%.

Практическая ценность данных исследований.

Разработан и изготовлен глубинный прибор для измерения длины хода и исследования динамики плунжера штангового скважинного насоса, который позволяет определить непосредственно в скважине причины и величину продольной деформации штанговой колонны.

Разработаны рекомендации по выбору оптимального варианта технологических рабочих параметров скважин (глубины подвески насоса, его диаметра, диаметра штанговой колонны, длины хода точки ее подвеса а также числа качаний балансира СК)Ь при которых подача установки будет наибольшей.

Реализация результатов исследований

Промысловые научные исследования проводились на базе глубинно-насосных скважин месторождений НГДУ «Первомайнефть» и «Кинельнефть» ОАО «Самаранефтегаз». На скв. 54 Ново-Аманакского месторождения НГДУ «Кинельнефть» проведены испытания прибора для исследования работы штанговых насосов. Целью испытаний являлись проверка метода измерения скорости и длины хода плунжера глубинного насоса и эффективность работы прибора в скважине. На основании полученных данных разработаны рекомендации по применению двухплунжерных насосов. Эти насосы были испытаны на промыслах НГДУ «Первомайнефть» и «Кинельнефть» в законсервированных скважинах. При переводе этих скважин на двухплунжерные насосы коэффициенты подачи насосных установок оказались выше среднестатистических по НГДУ в 1,5. .2,2 раза, дебит жидкости скважин составлял 10. .30 м3/сут.

Апробация работы.

Основные положения и результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались: 9

- на Всероссийском семинаре «Перспективы внедрения новых технологий в разработке нефтяных залежей» (г. Самара, «СамараНИПИнефть», 14 октября 2000 г.),

- на Всероссийской научной конференции ученых и студентов «Нефтегазовые и химические технологии» (г.Самара, Самарский государственный технический университет, 23-24 октября 2001 г.).

Публикации.

По теме диссертации получено решение о выдачи одного патента на изобретение, опубликовано 6 печатных работ, в том числе четыре статьи в научно-технических журналах и сборниках и две работы в тезисах докладов конференций.

При проведении промысловых исследований большую помощь оказали инженерно-технические работники ОАО «Самаранефтегаз» Н.А. Гончаров, Ю.А. Тырсин, Н.В. и др., за что автор всем им выражает свою искреннюю благодарность. Автор считает также своим приятным долгом поблагодарить научного руководителя профессора Люстрицкого В.М. за постоянную поддержку и помощь при выполнении диссертационной работы.

Заключение Диссертация по теме "Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений", Щуров, Игорь Вячеславович

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Проведен анализ причин низкой производительности штанговых насосных установок. Показано, что причиной низких коэффициентов подачи установок является большая продольная деформация штанговой колонны, возникающая при ее ходе вниз.

2. Разработаны новая измерительная схема прибора для исследования кинематики плунжера штангового насоса и глубинный прибор, который позволяет измерять длину хода плунжера штангового скважинного насоса и получать динамические характеристики его движения во времени. Разработаны два лабораторных стенда для обоснования и выбора технологических параметров прибора, а также для определения геометрических размеров в его звеньях. Для оценки надежности работы прибора в реальных условиях проведены опытно-экспериментальные работы на скважине.

3. Проведены экспериментальные исследования кинематики плунжера штангового насоса в скважине. Показано, что общие потери длины хода плунжера насоса, по сравнению с длиной хода ТПШК, в 2.3 раза больше значений, рассчитываемых с учетом упругой деформации штанг. Плунжер свое движение из верхней мертвой точки вниз начинает с большим запаздыванием и движется неравномерно. Скорость движения плунжера изменяется от нуля до значений, в 2.3 раза превышающих максимальную скорость точки подвеса штанговой колонны. Особенно неравномерно плунжер движется в конце своего хода вниз и вверх. Это приводит к разрушению штанговой колонны.

4. Показано, что силы вязкого трения в подъемнике меньше влияют на динамику работы штанг и КПД установки, чем продольный изгиб штанговой ко

113 лонны, которого при использовании серийных насосов типа НН и НВ избежать невозможно. Для этого необходимы насосы других конструкций.

5. Увеличение производительности ШСНУ может быть достигнуто с помощью насосов принудительного движения плунжера вниз. При этом коэффициенты подачи установок и их КПД увеличиваются на 50-60%.

6. Наиболее перспективными являются двухплунжерные насосы. Разработаны рекомендации по выбору оптимального варианта технологических рабочих параметров скважин (глубины подвески насоса, его диаметра, диаметра штанговой колонны, длины хода точки ее подвеса, а также числа качаний балансира СК), при которых подача установки, оборудованной двухплун-жерными насосами, будет наибольшей.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Щуров, Игорь Вячеславович, Самара

1. Справочное руководство по проектированию разработки и эксплуатации нефтяных месторождений: Добыча нефти.//Под ред. Ш.К. Гиматудинова/ Р.С.Андриасов, И.Г.Мищенко, А.И.Петров. М.: Недра, 1983. - 455 с.

2. Мищенко И.Т. Расчеты в добыче нефти. М.: Недра, 1989. - 245 с.

3. Вирновский А.С. Теория и практика глубинно-насосной добычи нефти// Избранные труды/ Всес. Нефтегаз. н-и. ин-т (ВНИИ) М.: Недра, 1977. - С. 183.

4. Адонин А.Н. Добыча нефти штанговыми насосами. М.: Недра, 1979. -213 с.

5. А.с. 502197, СССР, МПК G01 В5/00. Устройство для регистрации длины хода плунжера штангового глубинного насоса/ М.А. Залялиев, В.А.Алленов, А.З. Залялиева, Ф.Г. Арзамасцев. (СССР). Опубл. 3.09.73.

6. А.с. 1108193, СССР, МПК АЕ21, В 43/00. Устройство для обработки теле-динамограмм глубинно-насосных скважин/ С.И.Абдуллаев, Р.А.Мамедова, В.В.Пономарев, Ф.И.Пономарева. (СССР). Опубл. 15.04.83.

7. МИКОН. Техническое описание и инструкции по эксплуатации. ООО «Ми-кон», Набережные Челны, 2000.

8. Щуров В.И. Технология и техника добычи нефти. М.: Недра, 1983. -510 с.

9. Дрэготеску Н.Д. Глубинно-насосная добыча нефти. М.: Недра, 1966. -416 с.

10. Пат. 2097553 Россия, МПК Е 21В 47/04. Устройство для контроля технического состояния штангового глубинного насоса.

11. Пат. 2011812 Россия, МПК Е 21В 47/00. Динамограф для контроля работы скважинных штанговых насосов. Опубл. 30.01.94., Бюл. №8.

12. API Standards 11-Е, New-York, 1958.

13. Пирвердян A.M. Гидромеханика глубинно-насосной эксплуатации. — М.: Недра, 1965. 190 с.

14. Романов В.П., Бондарев М.Д. Глубинный прибор для исследования кинематики плунжера штангового насоса // Респективный межведомственный научно-технический сборник. Львов: ЛГУ, 1972. - Вып.9.-С.137-139.

15. Диагностика ШСНУ с помощью динамографов СИДДОС. Руководство по динамометрированию. Томск, 1999.

16. Kenneth N., Mills, Worl Oil, aprilie, 1949.

17. Люстрицкий B.M. Сила трения штанг в подъемнике скважины // НТЖ «Нефтегазовое дело». Самара: СамГТУ, 1997. - С. 101-106.

18. Люстрицкий В.М. Механическое трение штанг в скважине // НТЖ «Нефтепромысловое дело». М.: ВНИИОЭНГ, 1997. - №10-11. - С. 33-34.

19. Люстрицкий В.М. Гидродинамическое трение штанг в скважине. // НТЖ «Нефтепромысловое дело». М.: ВНИИОЭНГ, 1999. - №5. - С. 44-47.

20. Люстрицкий В.М. Потери давления на трение в насосном подъемнике //Труды института «Гипровостокнефть». Самара. - 2000. - Вып. 59. - С. 182-186.

21. Люстрицкий В.М. Влияние различных факторов на величину гидродинамического трения штанг // Изв. Вузов сер. Нефть и газ. Тюмень: Тюмен. гос. Нефтегаз. ин-т, 1999. -№4. - С. 25-47.

22. Люстрицкий В.М. К расчету гидрадинамического трения штанг в насосном нефтяном подъемнике // НТЖ «Нефтепромысловое дело». М.: ВНИИОЭНГ, 2001.-№8.-С. 19-21.

23. Валеев М.Д., Хасанов М.М. Глубинно-насосная добыча вязкой нефти. -Уфа: Башкнигоиздат, 1992. 147 с.

24. Валеев М.Д. Способ определения вязкости нефти в глубинно-насосных скважинах // НТЖ «Нефтепромысловое дело». М.: ВНИИОЭНГ, 1984. -№1.-С. 18-20.

25. Люстрицкий В.М., Клементьев А.Н., Камашев В.А. Эксплуатация скважин двухплунжерными насосами // НТЖ «Нефтепромысловое дело». М.: ВНИИОЭНГ, 1979. - №11. - С. 21-22.

26. Щуров И.В. Кинематика плунжера глубинного штангового насоса для откачки нефти // НТЖ «Интервал». Самара. Изд-во ООО «Саар-Волга». -2002, №4 (39). - С. 25-27.

27. Люстрицкий В.М. Определение вязкости газонасыщенной нефти Усинского месторождения // НТЖ «Нефтепромысловое дело». М.: ВНИИОЭНГ, 1982. - Вып. 3.-С. 27-29.

28. Дунюшкин И.И., Мищенко И.Т. Расчет основных свойств пластовых неф-тей при добыче и подготовке нефти. М.: МИНХиГП, 1982.

29. Гончаров Н.А., Шуров И.В. Применение двухплунжерных насосов для откачки нефти в НГДУ «Первомайнефть». // НТЖ «Интервал». Самара. Изд-во ООО «Саар-Волга». - 2000, №11 (22). - С. 22-24.

30. Велиев Ф.Г., Ибишев Б.Г. Влияние изменения давления на некоторые характеристики жидкостей. // Изв. вузов сер. Нефть и газ. Баку: АзИНиХ, №10.

31. Пат. 2184844 Россия, МПК Е 21В 47/00. Устройство для контроля работы глубинного штангового насоса / В.А.Кузнецов, В.М. Люстрицкий, И.В.Щуров (Россия). Опубл. 10.07.2002. Бюл. № 11.

32. Люстрицкий В.М. Неустановившееся движение в жидкости в вертикальном кольцевом подъемнике // НТЖ «Нефтепромысловое дело». М.: ВНИИОЭНГ, 1999. - №4. - С. 25-29.

33. Щуров И.В. Влияние вязкости откачиваемой жидкости на величину гидродинамического трения штанг // НТЖ «Интервал». Самара. Изд-во ООО «Саар-Волга». - 2000, №6 (17). - С. 24-25.

34. Песляк Ю.А. Продольный изгиб и зависание колонны труб в скважине // Сб. науч. тр. Всес. Нефтегаз. н-и. ин-т. (ВНИИ) М.: Недра, 1967 - Вып. 51.

35. Габриелов JI.B. Анализ работы установки для подъема высоковязких неф-тей при термических методах воздействия на пласт. // Обзорн. информац. Сер. Техн. и технолог, доб. нефти и обустр. нефт. месторождений М.: ВНИИОЭНГ, 1988. - Вып. 22. -31с.

36. А.с. 545769 СССР, МПК F04B 47/02. Глубинный штанговый насос./ К.И.Кошкин, А.З. Шефер, Л.Н.Баландин. (СССР). Заявлено 30.12.85; опубл. Бюл. № 26. -2с.: ил.

37. Разработка и испытание опытной партии скважинных штанговых насосов для откачки эмульсионных нефтей: Отчет о НИР «Гипровостокнефть»; рук. К.И.Кошкин. Д. 89.04.0142.90. - Куйбышев, 1990.

38. Габриелов JI.B. Новые технические средства для добычи высоковязкой нефти. // Обзорн. информац. Сер. Машины и нефтяное оборудование. М.: ВНИИОНГ, 1985. - Вып. 1 (49).- 55 с.

39. Мищенко И.Т. и др. К вопросу о добыче высоковязкой нефти УЭЦН на первокарбоновой залежи Усинского месторождения. // НТЖ «Нефтепромысловое дело». М.: ВНИИОЭНГ, 1995. - Вып. 11-12.

40. Люстрицкий В.М. Инструкция по сборке, монтажу и спуску в скважины двухплунжерных насосов для откачки высоковязких жидкостей // ПО «Ко-минефть», Печор. гос. н-и. проект, ин-т «Печорнипинефть». -Ухта. 1978. -31 с.

41. Зайцев Ю.В., Балакиров Ю.А. Добыча нефти и газа. М.: Недра, 1981. -384 с.

42. Методическое руководство по эксплуатации скважин при интенсивном пескопроявлении и откачке неньютоновских жидкостей. Мирзаджанзаде А.Х., Аметов И.М., Люстрицкий В.М. и др. Уфа: 1977. - 182 с.

43. Кудинов В.И., Сучков Б.М. Новые технологии повышения добычи нефти. -Самара: Самарское кн. изд-во 1998. 368 с.

44. Персиянцев М.Н. Добыча нефти в осложненных условиях. М.: «Недра-Бизнесцентр», 2000. - 653 с.

45. Кудинов В.И., Сучков Б.М. Методы повышения производительности скважин. Самара: Самарское кн. изд-во 1996. - 368 с.

46. Кудинов В.И., Сучков Б.М. Интенсификация добычи вязкой нефти из карбонатных коллекторов. Самара: Самарское кн. изд-во 1996. - 440 с.

47. Сучков Б.М. Причины снижения производительности скважин // НТЖ «Нефтяное хозяйство». 1988. - С.52-54.

48. Амерханов Р.Х., Амерханов P.P. Перевод скважин на режим медленного хода насоса // НТЖ «Нефтяное хозяйство». 1989. - №9. -С.66-68.119

49. Андреев В.В. Энергетический анализ добычи нефти штанговыми установками // Сб. науч. тр. ин-та Башнипинефть. 1994. - Вып. 1988. - С. 42-46.

50. Ишмурзин А.А. Повышение эффективности эксплуатации малодебитных скважин штанговыми насосными установками. Уфа: УГНТУ, 1998.-104 с.

51. Кабиров М.М., Рожетдинов У.З. Основы скважинной добычи нефти. Уфа: УГНТУ. - 1994. -96 с.

52. Кабиров М.М., Рожетдинов У.З. Интенсификация добычи нефти и ремонт скважин. Уфа: УГНТУ. - 1994. - 127 с.