Повышение эффективности работы винтовых насосных установок в малопродуктивных скважинах при низких частотах вращения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, кандидат технических наук Тимашев, Эдуард Олегович

• Тимашев, Эдуард Олегович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Тимашев, Эдуард Олегович

1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ УСТАНОВОК ВИНТОВЫХ НАСОСОВ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Основные типы винтовых насосных установок для добычи нефти

1.2 Конструктивные отличия винтовых насосов

1.3 Винтовые насосные установки с поверхностным приводом

1.4 Анализ отказов и промысловая эксплуатация винтовых насосов

1.5 Выводы

2 СТЕНДОВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ОДНОВИНТОВЫХ МНОГОЗАХОДНЫХ НАСОСОВ

2.1 Цель экспериментальных исследований

2.2 Выбор модельной среды для испытаний

2.3 Планирование экспериментальных исследований винтовых пар

2.4 Стенд для опытных испытаний винтовых пар

2.5 Выбор схемы испытаний

2.6 Оценка погрешности эксперимента

2.7 Исследование характеристик винтовых насосов

2.7.1 Определение параметров винтовой пары

2.7.2 Исследование напорных характеристик

2.7.3 Исследование энергетических характеристик и определение КПД винтового насоса 76 2.7.4. Исследование влияния частоты вращения, вязкости и натяга на основные рабочие параметры винтового насоса

2.8 Выводы

3 ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ 90 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности работы винтовых насосных установок в малопродуктивных скважинах при низких частотах вращения»

Актуальность работы

Наиболее распространённым в Российской Федерации механизированным способом добычи нефти в малопродуктивных скважинах являются штанговые скважинные установки (УСШН) и низкодебитные установки электроцентробежных насосов (УЭЦН), зачастую работающие с остановками на приток.

Основной проблемный вопрос эксплуатации малопродуктивного фонда скважин, оборудованных УЭЦН, заключается в более высоком уровне затрат на тонну добываемой нефти. Применение УСШН не всегда позволяет сохранить текущий уровень добычи в связи с ограничениями по вязкости добываемого флюида и нагрузок по глубине спуска насоса. При добыче жидкостей повышенной вязкости, с высоким содержанием механических примесей и газа применение традиционных механизированных способов малоэффективно.

Для добычи нефти из скважин с осложненными условиями разработаны установки электровинтовых насосов с погружным электродвигателем (УЭВН) и винтовые насосы с поверхностным приводом (УВНП), обладающие целым рядом преимуществ по сравнению с насосами других типов.

При всех достоинствах УЭВН высокая скорость вращения погружного двигателя накладывает дополнительные риски по эксплуатации в малопродуктивных скважинах вследствие перегрева и износа обоймы. Применение винтовых насосов с поверхностным приводом ограничивается высоким уровнем потерь на вязкое трение и большим количеством отказов штанговой колонны при работе на повышенных частотах вращения, в связи с этим наибольший практический интерес представляет решение задач по оптимизации их работы в малопродуктивных скважинах.

Цель работы - совершенствование винтовых насосных установок с мно-гозаходными винтовыми парами для эксплуатации малопродуктивных скважин.

Основные задачи исследования

1 Анализ опыта эксплуатации винтовых насосов, классификация винтовых насосов для добычи нефти. Постановка задачи исследований.

2 Разработка стенда специальной конструкции для проведения исследований многозаходных насосных пар.

3 Обоснование кинематического отношения рабочих органов обеспечивающего эффективную работу насоса при низких частотах вращения винта. Проведение стендовых исследований напорных и энергетических характеристик многозаходных винтовых насосных пар при изменении давления, вязкости жидкости, натяга и частоты вращения, оптимизация режима работы насосных установок.

4 Исследование влияния вязкости жидкости и натяга на крутящий момент и осевую силу винтового насоса. Оценка эффективности работы винтовых пар, с обоймами из различных марок эластомеров.

Научная новизна

1 Экспериментально установлен оптимальный коэффициент натяга в пределах от 0,002 до 0,014 обеспечивающий работу винтовых насосных пар с кинематическим отношением 5:6 с максимальным КПД.

2 Получены эмпирические зависимости подачи, напора, потребляемой мощности многозаходных винтовых насосов от частоты вращения в диапазоне от 20 до 180 об/мин.

3 Установлена зависимость объемного КПД от частоты вращения винтовых многозаходных насосов с кинематическим отношением 5:6 и числом шагов 4, 5, 8, 10.

Методы решения поставленных задач

Поставленные задачи решались с применением стендовых экспериментальных исследований, статистического анализа промысловых данных и теоретических расчетов.

Практическая ценность

1 Разработана конструкция стенда для испытаний винтовых насосов, на котором в ООО «НПП «Винтовые системы» проведены стендовые испытания винтовых пар.

2 Работоспособность винтовых насосных пар подтверждена промысловой эксплуатацией на Чибьюском месторождении ООО «Нефтяная компания «Дельта-Нафта» при низких частотах вращения винта и штанговой колонны.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались на 55-58 научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых (г. Уфа, УГНТУ, 2004-2007гг.), Межвузовской научно-методической конференции (г. Октябрьский, 2004г.), II Всероссийской учебно-научно-методической конференции (г. Уфа, 2004г.), VI, VIII конференциях молодых специалистов организаций, осуществляющих виды деятельности, связанной с пользованием участками недр на территории Ханты-Мансийского автономного округа - Югры (г. Ханты-Мансийск, 2006, 2008гг.).

Публикации

Основное содержание диссертации опубликовано в 11 печатных работах, в том числе 4 научных статьях, 6 тезисах докладов на научно-технических конференциях, получен 1 патент РФ, в том числе 2 статьи опубликованы в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, 3 глав, основных выводов, списка использованной литературы из 104 наименований, содержит 115 страниц машинописного текста, 3 8 рисунков, 29 таблиц и приложения на 5 страницах.

Заключение диссертации по теме «Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)», Тимашев, Эдуард Олегович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1 На основании анализа отказов винтовых насосов установлено, что наработка УВНП может быть увеличена путем уменьшения рабочей частоты вращения (с сохранением напорных характеристик насоса) и использования обойм, изготовленных из эластомеров, состав которых выбран исходя из конкретных скважинных условий.

2 Разработан стенд, позволяющий производить сборку, обкатку и испытания винтовых насосов при различных частотах вращения, с поддержанием постоянной температуры рабочей жидкости за счет встроенной системы охлаждения.

3 Определен оптимальный диапазон коэффициента натяга в пределах от 0,002 до 0,014, обеспечивающий работу винтовых насосных пар с кинематическим отношением 5:6 с максимальным КПД.

4 Установлен диапазон частот от 40 до 150 об/мин, при котором объемный КПД винтовых многозаходных насосов с кинематическим отношением 5:6 является максимальным, данный диапазон рекомендован для эксплуатации УНВП в малопродуктивных скважинах Чибьюского месторождения.

5 Определено, что с увеличением вязкости в диапазоне от 1 до 42 мм"/с и натяга в пределах от 0,002 до 0,014, для винтовых насосных пар с кинематическим отношением 5:6 и числом шагов 8 и 10 дифференциальное давление возрастает в 2 раза, а рабочая зона винтового насоса расширяется на 50%.

6 Винтовые насосные пары показали свою работоспособность на Чибью-ском месторождении, промысловые характеристики соответствуют стендовым.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Тимашев, Эдуард Олегович, 2009 год

1. Абуталипов У.М. Совершенствование эксплуатации наклонно направленных скважин установками винтовых насосов с поверхностным приводом/ Дисс. работа на соискание ученой степени кандидата технических наук.- Уфа: ООО «Геопроект»,2005.-111с.

2. Адонин А.Н. Процессы глубиннонасосной нефтедобычи.- М.: Недра, 1964.

3. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя.- В 3-х т.-Т. 1,- 6-е изд. перераб и доп. М.: Машиностроение, 1982.-736 с.

4. Архипов К.И., Попов В.И. Справочник инженера-механика по ремонту нефтяного оборудования: Справочник.-Альметьевск: ТатАСУ-нефть, 1996.-188 с.

5. Балденко Д.Ф., Балденко Ф.Д., Гноевых А.Н. Одновинтовые гидравлические машины: В 2 т. М.: ООО «ИРЦ Газпром».-2005. - Т.1 Одновинтовые насосы.- 488 с.

6. Балденко Д.Ф. Винтовые гидравлические машины. Машины и нефтяное оборудование. М., ВНИИОЭНГ, 1979, №9.

7. Балденко Д.Ф. Винтовые гидравлические машины. Машины и нефтяное оборудование. М., ВНИИОЭНГ, 1979, №9.

8. Балденко Д.Ф., Балденко Ф.Д., Коротаев Ю.А. Способ оптимизации геометрических параметров профиля рабочих органов одноврштовой гидромашины. Патент 2150566 РФ, с приоритетом 10.06.2000.

9. Балденко Д.Ф., Балденко Ф.Д. Перспективы создания гидроприводных винтовых насосных установок для добычи нефти / Нефтяное хозяйство, 2002. №3.- С.67-69.

10. Балденко Д.Ф. Винтовые героторные гидравлические машины.- М: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1983.

11. Балденко Д.Ф. Перспективы применения многозаходных одновинтовых насосов // Нефть, газ и нефтехимия за рубежом.- 1993.-№ 10-11.

12. Балденко Д.Ф. , Балденко Ф.Д. Перспективы применения и критерии эффективности одновинтовых гидромашин в нефтяной промышленности // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и море. — М.: ВНИИОЭНГ, 1995 № 4-5.

13. Балденко Ф.Д. Одновинтовые насосы в нефтяной промышленности. // Нефть и капитал.- 2003.-№3.

14. Балденко Ф.Д. Одновинтовые насосы и гидродвигатели / Насосо-строение. Сер. ХМ-Ч.М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1987.- С.40.

15. Басов С.Г., Тимашев Э.О. Разработка алгоритмов автоматической оптимизации скважин с низкими притоками. Научно-технический вестник ОАО «НК «Роснефть»: Изд-во ООО «Август Борг» , 2008.-С.29-31.

16. Батарин Е.А. Исследование изнашивания пары трения резина-металл при динамическом нагружении применительно к условиям эксплуатации одновинтовых гидромашин: Дисс. к.т.н. -М.: МИНХ и ГП, 1974.

17. Борец: Каталог оборудования.

18. Брот А.Р. Разработка и исследование установки винтового погружного насоса с поверхностным приводом для добычи нефти: Дис. . канд. техн. наук.- Уфа: УГНТУ,1993- 141с.

19. Брот А.Р., Султанов Б.З., Идиятуллин P.M., Матяш С.Е. Испытание винтовых насосов с поверхностным приводом.- Нефтяное хозяйство, 1992, №7, С. 36-38.

20. Бухаленко Е.И. Справочник по нефтепромысловому оборудованию.1. М.: Недра 1983.-398 с.

21. Валеев М.Д., Хасанов М.М. Глубинонасосная добыча вязкой нефти. Уфа: Башкнигоиздат, 1991.

22. ГОСТ 17335-79. Насосы объемные. Правила приемки и методы испытаний.

23. ГОСТ Р 52744-2007 Насосы погружные и агрегаты насосные. Требования безопасности.

24. ГОСТ 18863-89 Насосы одновинтовые. Основные параметры.

25. Давыдов А.Ю. Оценка влияния крутильных колебаний штанговой колонны на работы винтовой насосной установки: Автореферат, дис. . канд. техн. наук.- Уфа: УГНТУ,2002.-24с.

26. Девликамов В.В., Хабибуллин З.А. Выбор режима эксплуатации малодебитных скважин на залежах высокосмолистых нефтей.- Известия высших учебных заведений, 1988, №7, С.39-42.

27. Демидович Б.П., Марон И.А., Основы вычислительной математики.- М.: Высшая школа, 1970.

28. Жулаев В.П., Султанов Б.З. Винтовые насосные установки для добычи нефти / Уфа: Изд-во УГНТУ, 1977.- С.42.

29. Забойные винтовые двигатели для бурения скважин / М.Т. Гусман, Д.Ф. Балденко, A.M. Кочнев, С.С. Никомаров.- М.: Недра, 1981, 232с.

30. Закиров А.Ф. Совершенствование эксплуатации наклонно направленных скважин установками винтовых насосов / Дисс. работа на соискание ученой степени кандидата технических наук.- Уфа: БашНИПИ-нефть, 2000.-124с.

31. Закиров А.Ф., Авраменко А.Н. Опыт эксплуатации винтовых насосов в Республике Татарстан // Нефтепромысловое дело.-1999,-№4.

32. Закиров А.Ф. Анализ внедрения винтовых насосов на месторождениях республики Татарстан // Тезисы научно-практической конференции, Уфа, БашНИПИнефть, с. 117-118.

33. Запивалов Н., еженедельная газета Сибирского отделения Российской академии наук «Наука в Сибири», № 30-31, 2000.

34. Зиякаев З.Н., Салимов В.Г. Некоторые вопросы оптимизации режимов откачки при периодической эксплуатации малодебитных скважин.- Нефтепромысловое дело, 2003, № 1, С. 25-29.

35. Зубаиров С.Г., Султанов Б.З. Скважинная насосная установка. Патент №2123137, 06.09.1996.

36. Зубаиров С.Г., Султанов Б.З., Габдрахимов М.С. Поверхностный привод скважинного винтового насоса. Патент № 2139448, 30.04.1997.

37. Ивановский В.Н., Дарищев В.И., Сабиров А.А., Каштанов B.C., Пекин С.С. Скважинные насосные установки для добычи нефти.-М.: ГУП Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2002. -824 с.

38. Коротаев Ю.А., Чудаков Г.Ф., Николаев В.Ю. Винтовые насосные секции и насосные установки Пермского филиала ВНИИБТ // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и море. — М.: ВНИИО-ЭНГ, 2003 № 9.

39. Коротких Н.И. Гаврилова Е.И. Разработка новых эластомеров для статоров винтовых забойных двигателей и винтовых насосов // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и море. — М.: ВНИИО-ЭНГ, 2003 № 9.

40. Кравцов А.И., Хрусталев А.К., Асеев Е.Г., Бернштейн А.Д. Скважинная насосная установка. Патент 2059111 РФ, с приоритетом 27.04.1996

41. Крылов А.В. Одновинтовые насосы. — М.: Гостоптехиздат, 1962. — 154с.

42. Ливгидромаш: Каталоги продукции.

43. Мищенко И.Т. Скважинная добыча нефти. М.: Нефть и газ, 2002.

44. Молчанов А.Г. Гидроприводные штанговые скважинные насосные установки.- М.: Недра, 1982, 245с.

45. Мутин И.И., Валовский В.М., Исхакова Н.М. и др. Оценка влияния условий эксплуатации на долговечность эластомеров скважинных винтовых насосов для добычи нефти // Интервал.-2004.-№4.с. 31-37.

46. Обрен JI.X., Флешмен Р., Механизированная добыча для увеличения дебитов/Нефтегазовое обозрение, 2000.-С. 53-71.

47. Омаров Махач Гасан-Гусейнович. Скважинная винтовая насосная установка. Патент №2146018, 0.03.1999.

48. ООО «НПП Винтовые системы»: Каталог фирмы.

49. Патент РФ № 2330992 CI F04C29/00, F04C2/107. Механизм для вращения труб или штанг / Брот А.Р., Виноградов Д.Г., Батищев О.В., Скрипка Ю.В., Тимашев Э.О.

50. Патент РФ № 2333389 CI F04B51/00, F04C2/107. Стенд для испытаний винтовых насосов / Брот А.Р., Виноградов Д.Г., Батищев О.В., Скрипка Ю.В., Тимашев Э.О.

51. Персиянцев М. Н. Добыча нефти в осложненных условиях.-М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2000, 640с.

52. Плясов В.В. Одновинтовые насосы с поверхностным приводом для добычи нефти производства ОАО «Ливгидромаш»/ Территория нефте-газ, 2005.№10.-С. 46-47.

53. Ратов A.M. О работе погружных винтовых насосов при добыче высоковязкой или с повышенным газосодержанием нефти / М.: ВНИИО-ЭНГ, Нефтепромысловое дело, 1976. № 2.

54. Рязанцев В.М. Одновинтовой высоконапорный насос с многозаход-ными рабочими органами // Вестник машиностроения.-2001.-№5. С.7-11.

55. Рязанцев В.М. Геометрия многозаходных рабочих органов одновинтовых насосов //Вестникмашиностроения.-2002.-№9. С.14-16.

56. Рязанцев В.М. О герметичности рабочих органов винтовых насосов // Вестник машиностроения.-2003.-№6. С.21-23.

57. Санников Р.Х. Теория подобия и моделирование: учебное пособие,2004.-155 с.

58. Северцев Н.А., Шолхин В.Г., Ярыгин Г.А., под ред. В.А. Никишина; АН СССР.-М.:Наука, 1986.-205 с.

59. Скважинные насосные установки для добычи нефти: Учеб. пособие /С.Ю. Вагапов и др.; Под ред. Ю.Г. Матвеева.-Уфа: Изд-во УГНТУ, 2003. 167 с.

60. Скотт Дж. Р. Физические испытания каучука и резины. Перевод с английского под ред. М.М. Резниковского, М.: Химия, 1968. - 316 с.

61. Справочная книга по добыче нефти / Под ред. Гиматутдинова М.К. М.: Недра, 1974.-704 с.

62. Справочник по добыче нефти / Под ред. Уразакова К.Р. М.: Недра, 2000.- 374 с.

63. Справочное руководство по проектированию разработки и эксплуатации нефтяных месторождений // Добыча нефти/Под ред. Гиматутдинова Ш.К., М.: Недра, 1983.- 455 с.

64. Султанов Б.З., Брот А.Р. Погружная насосная установка. Патент РФ № 2059112, 23.06.1992.

65. Султанов Б.З., Зубаиров С.Г., Жулаев В.П. Поверхностный привод скважинного винтового насоса. Патент № 2093708, 01.03.1995.

66. Технология и техника добычи нефти: Учебник для вузов/ Мирзаджан-заде А.Х., Ахметов И.М., Хасаев A.M., Гусев В.И. Под ред. Проф. Мирзаджанзаде А.Х. -М.: Недра, 1986.

67. Тимашев Э.О., Ямалиев В.У. Анализ причин разрушения эластомеров обойм винтовых насосов / Нефтегазовое дело, www.ogbus.rn, 2005.

68. Тимашев Э.О., Ямалиев В.У., Брот А.Р., Виноградов Д.Г., Батищев О.В. Стендовые исследования работоспособности одновинтовых мно-гозаходных насосов при низких частотах вращения винта/ Нефтегазовое дело, 2008.№6-1, С. 137-141.

69. Тимашев Э.О. , Ямалиев В.У., Брот А.Р., Реунов Н.А. Применение винтовых насосов — один из путей повышения рентабельности малодебитных скважин/Нефтегазовое дело, 2008.№6-2, С. 44-47.

70. Уразаков К.Р., Закиров А.Ф., Абуталипов У.М, Кутлуяров Ю.Х., Му-талов A.M., Валеев A.M. Стенд для испытаний винтовых насосов. Патент №2172868.

71. Уразаков К.Р., Валеев A.M., Абуталипов У.М., Закиров А.Ф. Применение винтовых насосов с поверхностным приводом для добычи нефти// Нефтяное хозяйство.-2003.-№6.-С.108-110.

72. Шайдаков В.В. Свойства и испытания резин.- М.: Химия, 2002 235 с.

73. Яременко О.В. Испытание насосов. Справочное пособие. Машиностроение, 1976.

74. Baker Hughes (США). Centrilift PSP Systems. Каталоги фирмы.

75. Bomemann (Германия): Каталог фирмы.

76. Bratu С, (2005): Progressing Cavity Pump (РСР) behavior in multiphase conditions, SPE 95272, SPE Annual Technical Conference and Exhibition, Dallas, Texas, USA, 9-12 October.

77. Gamboa J., Olivet A., Espin S., (2003): New Approach for Modeling Progressive Cavity Pumps Performance, SPE 84137.

78. Can-K (Канада): Каталог продукции.

79. Gaymand В. Винтовые насосы фирмы KUDU для нефтяных скважин, KUDU, 2001, 105 с.

80. Griffin Pumps (Канада): Каталог фирмы.

81. Hydraulically driven oil well pump. /SMITH, WINSTON. UK Patent № 2209869. 6 F 04 D 13/04. Proalta, Machine & Manufacturing, Ltd. № 203969; Заявл. 04.07.97. Опубл. 17.11.1998.

82. International Standard for Downhole Progressing Cavity Pump (ISO 15136), International Standard Organization, 2000.

83. Kachele (Германия): Каталог продукции.

84. KUDU Industries Inc.: Каталог оборудования.

85. Moineau R.L.J., A New Capsulism. Doctoral thesis. The University of Paris, 1930.

86. Moineau R.L.J. Gear Mechanism. USA Patent №1892217, 27.04.1931.

87. Moineau R.L.J. Gear Mechanism. USA Patent №2028407, 29.04.1932.

88. Moineau R.L.J. Gear Mechanism. USA Patent №2085115, 18.04.1935.

89. Moyno Means Efficiency // OGJ.-1990.-v.87.№9.

90. Netzscli (Германия): Каталог фирмы.

91. Protex (Канада): Каталоги фирмы.

92. Reda (США). Винтовые насосные системы с погружным электродвигателем: Каталоги фирмы.

93. Robbins & Myers Energy Systems, Inc. (США). Каталог фирмы. 103.Schoeller-Bleckmann (Австрия): Каталог фирмы.

94. Weatherford (США). Progressing Cavity Pumps. Artifical Lift Systems: Каталоги фирмы.