Альтернативные конструкции штанговых установок (например, с цепным приводом, механические с реечным и винтовым приводом, гидропневматические, гидроштанговые и т.д.) не имеют перспектив дальнейшего развития, а их предварительно заявленные показатели не оправдываются.
Более тяжелых условий эксплуатации, чем те, в которых работают ШСНУ, сложно найти в любой отрасли машиностроения – круглосуточная и круглогодичная работа на открытом воздухе в различных климатических условиях при периодическом осмотре с интервалом до 3 – 4 суток. Конструкция наземной части установки должна соответствовать данным условиям.
Какой привод штангового скважинного насоса (ШСН) можно было бы считать совершенным и удовлетворяющим современным требованиям? Прежде всего этот привод должен:
- иметь простую конструкцию;
- иметь высокие показатели надежности;
- обладать малой собственной массой;
- не требовать сооружения специального фундамента;
- обладать максимально высоким КПД, обеспечивающим минимально возможную установочную мощность приводного двигателя;
- обеспечивать обслуживание и монтаж с минимальной трудоемкостью;
- допускать возможность регулирования подачи в широком диапазоне;
- соответствовать по своим параметрам фонду нефтяных скважин.
ШСНУ являются самым массовым оборудованием для добычи нефти. Ими оборудовано более 60 тыс. скважин. Как правило, ими оснащают скважины с относительно малым дебитом – не более 40 м3/сутки. Существующий со времен СССР и мало изменившийся к настоящему времени закон распределения числа скважин ШСНУ по их основным параметрам «подача Q – глубина подвески H» представлен в табл.
Табл. Распределение оборудованных ШСНУ скважин (%) по глубинам подвесок насосов и дебитам
Цветом отмечены области возможного применения установок различных типов: желтый – установка с услием 60 кН, зеленый – 80 кН красный – 100 кН
К основным признакам ШСНУ следует отнести использование плунжерного скважинного насоса, приводимого в действие колонной насосных штанг, и наземный привод, включающий рычажный преобразующий механизм с уравновешивающим устройством (в большинстве случаев грузового типа). Именно эти элементы неизменны на протяжении всей истории развития нефтяного оборудования (улучшения носили лишь количественный характер, не меняя принципы их действия), и именно они блокируют дальнейшее совершенствование установок данного типа.
По результатам анализа конструкций штангового насоса можно утверждать, что коренных изменений конструкций в этом направлении не следует ожидать. Принцип действия скважинного насоса позволяет вносить технологические изменения, касающиеся применяемых материалов или конструкций отдельных деталей, а также их конструктивных элементов. В результате увеличилась долговечность шаровых клапанов, долговечность пары «плунжер – цилиндр», сократились утечки через зазор.
То же относится к колонне штанг, являющихся наиболее слабым звеном установки. Здесь область возможных изменений узкая: отпадает применение иных материалов штанг, кроме стали, так как модули упругости композиционных материалов существенно ниже модуля упругости стали. Использование композиционных материалов приводит к увеличению упругих деформаций и снижению коэффициента подачи скважинного насоса. Поэтому работы велись в направлении совершенствования технологии их изготовления и использования более эффективных марок сталей. Итогом является увеличение долговечности и несущей способности колонны штанг.
Общим для внутрискважинного оборудования является то, что его эксплуатационные показатели, прежде всего надежность, улучшаются при увеличении длины хода точки подвеса штанг, поскольку при этом, например, пропорционально сокращается число циклов нагружения колонны штанг, числа срабатываний клапанов насоса и т.п.
Анализ элементов ШСНУ показывает, что при современном уровне развития всех основных составляющих параметры в целом определяет привод штангового насоса – применяемый в подавляющем большинстве случаев балансирный станок-качалка. Специфика его функционирования, как и любого другого, требует использования уравновешивающего устройства (аккумулятора энергии), которое обеспечивает минимизацию потребляемой энергии для привода установки. В настоящее время наиболее широко используются гравитационные (грузовые) и пневматические аккумуляторы. Использование сочетания рычажного преобразующего механизма в совокупности с указанными уравновешивающими устройствами блокирует дальнейшее улучшение параметров привода и как следствие – всей установки. При максимально возможной длине хода штанг 6 м максимальная реальная длина хода составляет 3 – 4 м, а усилие в точке подвеса штанг (при максимальном значении 120 кН) составляет 60 – 80 кН. Отдельными фирмами выпускаются станки-качалки с максимальными параметрами, которые имеют циклопические размеры, и скорее, носят рекламный характер, демонстрируя возможности разработчиков.
При меньших значениях длины хода и грузоподъемности, массы и габариты станков-качалок тоже значительны и в общем виде могут быть описаны эмпирической зависимостью
М = ?Lm + ?P,
где ?, ?, m – коэффициенты, характеризующие особенности конструкции определенного типа привода;
L – максимальная длина хода точки подвеса штанг;
P – максимальная паспортная нагрузка в точке подвеса штанг.
Для балансирных станков-качалок показатель степени m = 1,5 – 2,4. Большие значения m характеризуют конструкции станков-качалок, выполненных с большими запасами прочности и долговечности.
Отдельные станки-качалки, выполненные в соответствии с американскими традициями, характеризуются максимальными значениями коэффициентов и экстраполяция приведенной зависимости до длины хода 6 м дает значение порядка 45 тонн – массу реального балансирного станка-качалки фирмы Lufkin c длиной хода 6 м.
Таким образом, данные зависимости, несмотря на свою простоту, позволяют выполнить достаточно точный прогноз основных параметров установки и убедиться в том, что при длинах ходов более 3 м балансирный станок-качалка превращается в монстра.
Процесс совершенствования всех элементов ШСНУ можно считать завершенным, установка в ее современном виде достигла, по сути, предельной степени отработки, что как ни парадоксально, является тормозом для ее дальнейшего совершенствования. При этом основным результатом совершенствования является надежность. Отечественные образцы имеют этот показатель ниже, но все равно приемлемый для массовой эксплуатации на промыслах.
Основными недостатками станков-качалок являются:
- значительная масса привода, величина которой связана с длиной хода степенной зависимостью;
- необходимость в массивном фундаменте;
- наличие горизонтальных составляющих опорных реакций фундамента при работе привода, расшатывающих его и вызывающих необходимость в центрировании привода относительно оси скважины;
- необходимость в сооружении свайного основания при расположении на неустойчивых грунтах;
- значительный период монтажа станка-качалки при обустройстве скважины и ее ремонте;
- необходимость выполнения ремонтных работ в полевых условиях, требующих использования специализированной техники.
Поскольку рост усилия лимитируется прочностными характеристиками штанг, то основным направлением совершенствования ШСНУ является увеличение длины хода. Это положение отнюдь не ново, но реализовать его в рамках существующих конструкций в полном объеме не удается. Наименее эффективным способом его достижения является увеличение размеров четырехзвенника преобразующего механизма, что помимо увеличения его размеров и массы приводит к необходимости создания высокомоментных редукторов. Было предложено очень большое число механизмов иного типа – барабанного, с бесконечными цепями, винтами и т.п., но они не оправдали себя и большинство из них на практике не используется. Их проектирование и эксплуатация осложняются еще и тем, что в кинематическую схему любого привода необходимо встраивать уравновешивающее устройство.
Наиболее простым путем увеличения длины хода штанг является использование гидропривода. Эта очевидная идея известна еще из патентной литературы 1900 – 1904 гг. Ее реализации препятствовало отсутствие надежной элементной базы гидропривода – насосов, распределителей, клапанов и т.п. По этой же причине сорвалась попытка применения гидропривода в 70-х гг. в СССР, хотя в разработках МИНХиГП им. И.М. Губкина были реализованы и апробированы в промышленных масштабах (около 120 установок в Краснодарском крае, Татарии, Башкирии, Азербайджане, Казахстане) новые технические решения, в частности, использование колонны насосно-компрессорных труб в качестве уравновешивающего груза.
Однако опытным путем было доказано, что новые системы уравновешивания позволяют увеличить их эффективность и существенно улучшить параметры как по сравнению с балансирными механическими приводами, так и с уже известными на тот момент гидроприводными установками.
В это же время была проверена возможность применения объемного гидропривода в различных климатических зонах и отработана концепция выполнения установки в виде моноблока, монтируемого на устье скважины. Было сломлено скептическое отношение к новому типу привода, но качество отечественных элементов гидропривода оставляло желать лучшего, трудоемкость обслуживания была достаточно высокой, а уровень квалификации обслуживающего персонала – низким.
Анализ эксплуатации гидроприводных установок показал, что их дальнейшее совершенствование может быть обеспечено при замене известных уравновешивающих устройств на иное, обладающее существенно большей энергоемкостью и компактностью. Решение этой задачи является ключом к открытию дальнейших перспектив совершенствования ШСУ.
Выбор типа уравновешивающего устройства с минимальной массой и высокой энергоемкостью зависит от величины удельной энергоемкости, т.е. количества аккумулируемой энергии на единицу собственного веса. Грузовой аккумулятор обладает энергоемкостью в пределах 1 – 6 кДж/кг, пневматический – 25 – 30, динамический – 200 и выше. Эти характеристики зависят от конструктивных особенностей устройств, но приведенные значения достаточно полно характеризуют их сравнительные возможности.
Работы в РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина по совершенствованию установок вылились в создание гидроприводной установки принципиально нового типа – с использованием в качестве аккумулятора энергии маховика. Две макетные установки (рис. 1) эксплуатировались в ПО «Когалымнефтегаз».
Рис. 1. Общий вид установки с инерционным уравновешиванием
Его применение достаточно эффективно, поскольку длительность фаз накопления энергии и ее последующей отдачи составляют десятки секунд. При этом накопленная маховиком энергия практически не рассеивается – КПД составляет 97 – 98%. Маховик позволяет сократить число элементов в гидроприводных установках вдвое и свести их к минимуму: гидравлическая машина, попеременно работающая то в режиме насоса, то в режиме мотора, гидравлический цилиндр и общепринятая система реверсирования и фильтрации рабочей жидкости. Вся элементная база заимствуется из номенклатуры аппаратов, широко используемых в станочном гидроприводе, гидроприводе строительных и дорожных машин.
Сегодня возросший уровень технической культуры работников промыслов позволяет вернуться к гидроприводу штанговых скважинных насосов на более высоком концептуальном уровне, используя при этом более совершенные схемы с динамическим уравновешиванием. Отечественные и зарубежные компоненты гидропривода обладают высокими эксплуатационными характеристиками, а возможность применения подобных элементов в приводе штангового насоса была проверена многолетним опытом эксплуатации в 80 – 90-х гг.
Таким образом, нынешняя ситуация такова:
- разработана и проверена конструкция объемного гидропривода с инерционным уравновешиванием и монтажом непосредственно на устье скважины;
- существует элементная база гидропривода, обеспечивающая его надежную работу в промысловых условиях;
- персонал промыслов в состоянии обеспечить квалифицированную эксплуатацию гидропривода.
Рис. 2. Схема гидроприводной установки с инерционным уравновешиванием
При движении штанг вверх энергия для подъема столба жидкости и колонны штанг подводится от электродвигателя и маховика. При ходе штанг вниз потенциальная энергия штанг посредством гидропривода преобразуется в кинетическую энергию маховика, который ее запасает. При ходе штанг вниз электродвигатель также передает свою энергию маховику. В результате мощность, развиваемая двигателем, постоянна и минимальна.
В настоящее время создан типоразмер установки с инерционным уравновешиванием (рис. 2) со следующими характеристиками:
| Длина хода максимальная, м | 3,5 |
| Максимальная нагрузка в точке подвеса штанг, кН | 60 |
| Мощность приводного двигателя, кВт | 13 |
| Масса установки, кг | 1800 |
| Число двойных ходов точки подвеса штанг, мин.-1 | 0 – 8 |
| Габариты, м | 8 х 2 х 2 |
Способ монтажа – на устье скважины, без специального фундамента.
В данной установке становится возможным реализовать преимущества гидроприводных установок известных конструкций и установок с инерционным уравновешиванием:
- короткий срок монтажа – не более 4 – 5 часов от доставки к скважине до пуска установки;
- не нужен фундамент – монтаж осуществляется непосредственно на устье скважины;
- нет необходимости в периодическом выполнении работ по центровке привода относительно оси скважины;
- обеспечивается реальная длина хода 3,5 м и увеличение длины хода штанг до 6 м и более;
- нормирование усилия в точке подвеса штанг;
- возможность работы при обеспечении постоянного динамического уровня;
- снижение переменной составляющей усилия на трубную и колонную головки по сравнению с балансирными станками- качалками.
- предельная простота по сравнению с гидроприводными установками известных типов;
- нет необходимости в операциях уравновешивания установки (привод самоуравновешивается за счет изменения величины скольжения электродвигателя);
- возможность работы в режиме постоянного дебита и регулирование дебита скважины при вводе ее в эксплуатацию;
- большой диапазон чисел качаний (от 0 до max) при сохранении во всем диапазоне постоянных значений коэффициента подачи скважинного насоса;
- нет необходимости в обслуживании и ремонте уравновешивающего устройства.
Это свойство гидроприводных установок (как с инерционным уравновешиванием, так и других типов) позволяет существенно сократить число их типоразмеров. Для сравнения можно проанализировать область применения механических станков-качалок типа СК (ГОСТ 5866-76) и рассматриваемых приводов с инерционным уравновешиванием с грузоподъемностью 60 и 80 кН. Для этого используется диаграмма А.Н. Адонина «Q – H» (рис. 3). Кривые, характеризующие каждый станок-качалку, построены исходя из расчетных значений глубин подвесок насосов с различными диаметрами плунжера и соответствующих им подач насоса. Как видно, области применения станков-качалок каждого типоразмера, ограниченные соответствующими кривыми, могут быть «закрыты» меньшим количеством линий, соответствующих малому количеству типоразмеров установок.
Рис. 3. Область применения приводов штангового скважинного насоса различных типов
В таблице показаны области глубин подвески и подачи, которые могут быть обеспечены установками с инерционным уравновешиванием с длиной хода 3,5 м, при 6 двойных ходах в минуту: зеленым цветом обозначены установки с нагрузкой в точке подвеса 60 кН (91,5% скважин), желтым – 80 кН (2,75% скважин), красным – 100 кН (0,6% скважин). Естественно, установка с нагрузкой 80 кН может использоваться на скважинах, для которых достаточно усилия 60 кН. Хотя решение этого вопроса относится к области экономики.
Длина хода точки подвеса штанг гидроприводных установок может быть увеличена до 8 м, что не приведет к изменениям конструкции, но при существующем парке штанговых насосов эта задача пока не является актуальной.
Помимо постоянной работы на скважине наиболее предпочтительной областью применения гидроприводных установок является пробная эксплуатация скважин, для обеспечения которой монтаж привода ШГН при предварительно спущенной колонне труб, насоса и штанг занимает 2 – 3 часа, необходимость в фундаменте отсутствует и нет необходимости в каких-либо операциях по уравновешиванию. Удобство выполнения исследований заключается в возможности плавного изменения числа двойных ходов в минуту за счет введения пауз между ходами. Подобный способ регулирования имеет преимущество по сравнению с традиционным – за счет уменьшения числа качаний.
Особенностью монтажа привода являются отсутствие специального фундамента и крепление к планшайбе, устанавливаемой на фланце трубной головки. Подобное крепление не должно вызывать сомнений по следующим причинам:
- привод монтируется строго соосно скважине, поэтому какой-либо изгиб корпуса головки и ее элементов отсутствует;
- конструкция трубной головки рассчитана на большие нагрузки, в обычных условиях на ней подвешена колонна НКТ, на нее воздействует вес столба жидкости в НКТ. Добавление веса колонны штанг и собственно привода не вызывает особых перегрузок;
- в 1970 – 1990 гг. гидроприводные установки иных типов, но с аналогичным способом монтажа эксплуатировались в различных регионах СССР с различными конструкциями скважин и не вызывали никаких нареканий по поводу способа их монтажа.
Сравнение механической и гидроприводной установок, с точки зрения создания наиболее приемлемых условий для работы колонны насосных штанг, всегда в пользу последних. Это обусловлено тем, что гидроприводные установки обеспечивают «мягкий» режим нагружения колонны штанг, исключая перегрузку, обусловленную кинематикой четырехзвенного преобразующего механизма, увеличение нагрузки при заклинивании плунжера скважинного насоса и иных аварийных ситуаций. Таким образом, гидропривод позволяет обеспечить работу внутрискважинного оборудования, регламентируя усилие в точке подвеса колонны штанг, а механические приводы обеспечивают закономерность перемещения, «жестко» нагружая колонну штанг. В конечном счете различие в типе нагружения приводит к увеличению срока службы штанг.
Таким образом, реализация нового способа уравновешивания в сочетании с известным объемным гидроприводом позволяет выполнять дальнейшее совершенствование ШСНУ в целом и достигнуть целей, указанных в начале настоящей статьи.
Следует добавить еще одно важное замечание: результат раннего старта выполнения работ по использованию инерционного уравновешивания, взятого в нашей стране, может быть сведен к нулю зарубежными разработчиками – например, фирма «Рекс-Роад» (Германия) уже торгует подобными установками с рядом нефтедобывающих стран. Так что разработанные у нас установки подобного типа вполне может ожидать судьба многих других российских начинаний – самолета Можайского, радио Попова и т.д. и т.п.
