Підвищення ефективності експлуатації штангових глибинно-насосних установок у вертикальних і викривлених свердловинах - Автореферат

На окремих ділянках свердловини з викривленням виникають великі сили притискання штанг до стінок насосно-компресорних труб (НКТ) і сили тертя, зони інтенсивного зносу штанг і труб, які приводять до появи наскрізних отворів в насосно-компресорних трубах і втрати подачі насосної установки. Зростає, у порівнянні з вертикальними свердловинами, кількість обривів штанг, що пояснюється збільшенням сил опору і тертя на викривлених ділянках, що спричиняє, в свою чергу збільшення навантаження на штанги і їх значення в зоні тертя. Виникає необхідність у визначенні навантажень в поперечних перерізах штанг, притискуючих сил в зоні контакту штанг з насосно-компресорними трубами НКТ, сил тертя між штангами і трубами, зони інтенсивного зносу штанг труб. Мета роботи полягає у підвищенні ефективності експлуатації штангових глибинно-насосних установок на основі вивчення умов руху і навантаженості колони штанг у вертикальних і викривлених свердловинах. 3 Визначити навантаження які діють на колону штанг на викривлених ділянках і встановити умови руху колони штанг з врахуванням сил опору на викривлених ділянках.У першому розділі проведений аналіз умов роботи колони штанг у вертикальних і викривлених свердловинах, навантажень, які вони сприймають, методів розрахунку. Крім того, на колону діють сили тертя між штангами і насосно-компресорними трубами, між плунжером і циліндричними втулками, гідродинамічний опір перетіканню рідини в клапанах насоса. У третьому розділі розглядається рух колони штанг у викривленій свердловині і визначаються навантаження, які діють на штанги. З умови рівності робіт деформації штанг на згин і протягування їх на віддаль ВС визначена повздовжня сила N, яку необхідно прикласти до штанг, щоб виконати задане переміщення: , (1) де с-радіус викривлення свердловини; l1 - довжина половини ділянки викривлення; LП-довжина похилої ділянки свердловини; fn - коефіцієнт тертя між штангами і НКТ; ц - кут викривлення свердловини; FПЛ - сила опору в плунжерному насосі. Для цього випадку одержані рівняння повздовжніх сил, які діють на окремих ділянках колони штанг і максимальної сили в точці підвісу штанг для свердловин з однією ділянкою викривлення: , (2) і двома ділянками викривлення: .1 На основі аналізу умов експлуатації свердловинних штангових установок встановлено що на їх роботу і навантаженість впливають такі фактори як циклічність зміни сил опору, коливання колони штанг, викривленість профілю свердловини, тертя між штангами і насосно-компресорними трубами, сили тертя і гідравлічного опору в погружному насосі. 2 Рух точки підвісу колони штанг в безбалансирних установках має характер більше наближений до гармонійного ніж в балансирних установках. За рахунок коливань колони штанг появляється розбіжність в переміщеннях точки підвісу штанг і плунжера погружного насосу. 3 Одержані рівняння для визначення повздовжніх сил, які необхідно прикласти до колони штанг при протягуванні їх через викривлену свердловину як з врахуванням згинальної жорсткості штанг, так і без врахування. Встановлено, що при значеннях радіуса кривизни починається інтенсивне наростання необхідної проштовхувальної сили, щоб забезпечити рух колони штанг вниз.

Основний зміст роботи

На основі проведених досліджень у відповідності з поставленими задачами можна зробити наступні висновки.

1 На основі аналізу умов експлуатації свердловинних штангових установок встановлено що на їх роботу і навантаженість впливають такі фактори як циклічність зміни сил опору, коливання колони штанг, викривленість профілю свердловини, тертя між штангами і насосно-компресорними трубами, сили тертя і гідравлічного опору в погружному насосі.

2 Рух точки підвісу колони штанг в безбалансирних установках має характер більше наближений до гармонійного ніж в балансирних установках. На кінематику і навантаженість верстатів-качалок суттєво впливає якість зрівноваження. Порушення зрівноваження відбувається як на етапі монтажу при неправильному виборі і розташуванні зрівноважуючих мас, так і в процесі експлуатації при порушеннях в роботі погружного насосу. За рахунок коливань колони штанг появляється розбіжність в переміщеннях точки підвісу штанг і плунжера погружного насосу. Переміщення плунжера може перевищувати хід точки підвісу, що спричиняє удари в погружному насосі. Уникнути цього можна при умові, що кутова швидкість щ кривошипа верстата-качалки буде меншою від власної частоти коливань К колони штанг в 1,41 рази.

3 Одержані рівняння для визначення повздовжніх сил, які необхідно прикласти до колони штанг при протягуванні їх через викривлену свердловину як з врахуванням згинальної жорсткості штанг, так і без врахування. Визначені умови руху колони штанг вниз по викривленій свердловині під дією власної ваги штанг. Встановлено, що при значеннях радіуса кривизни починається інтенсивне наростання необхідної проштовхувальної сили, щоб забезпечити рух колони штанг вниз. Встановлено, що у викривлених свердловинах збільшується втрата ходу плунжера в порівнянні з вертикальними. При куті викривлення 300 втрата ходу зростає на 50%, а при куті 450 втрата ходу зростає в 2 рази. Максимальне навантаження в точці підвісу штанг при куті викривлення 300 зростає на 20%, а при куті 450 на 40% порівняно з вертикальними свердловинами.

4 На основі розвязку рівняння пружної вісі нижньої частини колони штанг, яка сприймає деформацію повздовжнього і поперечного згину, одержані рівняння для визначення згинаючого моменту і напружень в защемленні штанги і плунжера. Встановлено, що при відхиленні від вертикалі на 150 згинаючий момент і напруження зростають більш ніж в 3 рази, при використанні плунжерних насосів d=32;45мм і в 1,5-2 рази при застосуванні насосів d=56;68мм. При відхиленні від вертикалі на 300 інтенсивність зростання моменту і напружень зменшується. Момент і напруження інтенсивно зростають при збільшенні діаметра плунжера від d=56мм до d=68мм і, особливо до d=93мм. Аналіз результатів розрахунків показав що у викривлених свердловинах при діаметрі плунжера d?56мм більший вплив має складова моменту від поперечного навантаження під дією ваги штанг.

5 Використання двох плунжерних насосів в колоні штанг, верхній з яких розташований посередині колони дає можливість зменшити навантаження на нижню ділянку штанг на 25%. Зменшення навантаження дозволяє збільшити їх довговічність роботи або використати штанги з менш міцного матеріалу. Компоновка штангової колони з двома плунжерними насосами, розташованими на різних рівнях, сприяє видобутку нафти в свердловинах з низьким динамічним рівнем.

6 Проведено експериментальні дослідження на лабораторній установці для вивчення впливу кута викривлення свердловини на зміну зусилля, яке необхідно прикласти до моделі штанг на викривленій ділянці, при здійсненні руху вверх. Установка допускає викривлення трубки, по якій рухається металічний стержень, що моделює штанги, до 150. Дослідження проводились з різними навантаженнями на стержень.

Результати експериментальних досліджень показали співпадання значень сили опору, при збільшенні кута нахилу свердловини, з результатами теоретичних досліджень з похибкою до 5%.

1 Малько Б.Д., Лігоцький М.В., Прозур О.В. Характеристика сил опору при переміщенні труб у свердловині //Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ. 2003, №1(6).- С. 125 - 128.

2 Малько Б.Д., Прозур О.В. Аналітичне дослідження руху плунжера погружного насосу //Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ. 2003, №4. - С.41-45.

3 Малько Б.Д., Прозур О.В., Пушкар П.В. Навантаженість колони штанг з двома плунжерними насосами //Науковий вісник. ІФНТУНГ, 2004, №1(7). - С.41- 43.

4 Прозур О.В. Деформація штанг і зменшення ходу плунжера у викривлених свердловинах //Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ. - Івано-Франківськ. - 2005. - №4. - с.58-63.

5 Малько Б.Д., Харун B.P., Прозур О.В. Нагрузки механизмов станков-качалок при неполном уравновешивании. Nove metody i texnoloqie w geologii naftowey, wiertnictwie, eksploatacji otworowej i gazownictwie, XIII medzynarodowa konferenciy.- Krakov, 2002. - C. 65 - 69.

6 Малько Б.Д., Прозур О.В. Геометричні і кінематичні характеристики безбалансирних верстатів-гойдалок. Тези науково-технічної конференції професорсько-викладацького складу. ІФНТУНГ, 2002. - С.69.

7 Malko B., Prozur O. Movement conditions of string of bars in the curved borehole //The international meeting of the Carpation Region specialists in the field of gears. Scientific bulletin. Baja Mare. - 2004. - C.215 - 218.

8 Малько Б.Д., Прозур О.В. Умови руху колони штанг у викривленій свердловині //Матеріали ІІІ міжнародної науково-практичної конференції “Динаміка наукових досліджень 2004”. - Дніпропетровськ, 2004. - С.52 - 53.

9 Малько Б.Д., Прозур О.В. Навантаження на штанги у викривлених свердловинах. Матеріали VIII-ої міжнародної науково-практичної конференції “Нафта і газ України-2004”.- Київ. - 2004. - С. 222 - 223.

10 Малько Б.Д., Прозур О.В. Навантаження штанг в нижній частині колони //Матеріали І-ої міжнародної науково-практичної конференції “Науковий потенціал світу 2004”. Дніпропетровськ, 2004. - C.57 - 59.

11 Харун В.Р., Артим В.І., Прозур О.В. Використання математичної моделі для визначення технічного стану ШСНУ в умовах експлуатації. Матеріали міжнародної науково-технічної конференції “Інтегровані компютерні технології в машинобудуванні” ІКТМ-2005. - ХАІ. - 2005. - с.145-146.