Совершенствование методов расчета штангового привода винтовой насосной установки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, кандидат технических наук Сидоркин, Дмитрий Иванович

• Сидоркин, Дмитрий Иванович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сидоркин, Дмитрий Иванович

Введение

1 Обзор литературы связанной, с винтовыми насосными установками с приводом поверхностного типа

1.1 Обзор работ посвященных работе вращательной колонны штанг

1.2 Винтовая насосная установка с поверхностным приводом конструкции УГНТУ

1.3 Отечественные насосные штанги для винтовых насосов с поверхностным приводом

1.4 Зарубежные насосные штанги для винтовых насосов с поверхностным приводом

1.5 Постановка цели задач исследований

1.6 Выводы по первой главе

2 Разработка программы для проектирования штанговой колонны

2.1 Разработка математической модели «Винтовой насос - колонна штанг — колонна НКТ»

2.1.1 Нахождение момента вращения штанговой колонны

2.1.2 Момент, затрачиваемый на трение ротора в статоре

2.1.3 Момент, затрачиваемый на подъём скважинной жидкости

2.1.4 Момент сопротивления вращению штанг в скважинной жидкости

2.1.5 Момент сопротивлению вращению штанг на участках набора и стабилизации угла искривления скважины

2.2 Расчёт необходимой мощности электродвигателя для привода УНВП

2.3 Обоснование прочности материала штанг

2.4 Исследование математической модели работы штанговой колонны в скважине

2.4.1 Влияние числа оборотов штанговой колонны на затрачиваемые мощность и крутящий момент

2.4.2 Влияние динамического уровня в скважине на затрачиваемые мощность и крутящий момент

2.4.3 Влияние глубины подвеса насоса в скважине на затрачиваемую мощность и момент сопротивления

2.4.4 Влияние устьевого давления в скважине на затрачиваемую мощность и момент сопротивления

2.4.5 Влияние плотности скважинной жидкости в скважине на затрачиваемую мощность и момент сопротивления

2.4.6 Влияние давления, развиваемого винтовым насосом на затрачиваемую мощность и момент сопротивления

2.4.7 Влияние натяга винта в статоре винтового насоса на затрачиваемую мощность и момент сопротивления

2.4.8 Влияние диаметра штанг на затрачиваемую мощность и момент сопротивления

2.5 Выводы по второй главе

3 Разработка методов защиты колонны штанг от перегрузок

3.1 Станция управления БМС-1УП

3.2 Предохранительная шариковая муфта

3.3 Выводы по третьей главе 76 4 Внедрение результатов расчета на промыслах 77 4.1 Выводы по четвертой главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование методов расчета штангового привода винтовой насосной установки»

Актуальность проблемы

В условиях, когда фонд скважин, продуцирующих высоковязкую жидкость растёт, наиболее эффективным, а иногда и единственно возможным, становится добыча нефти с помощью винтовых насосных установок. Но винтовые насосные установки с погружным электродвигателем имеют большую сложность в обслуживании в виду того, что возможно при спуске и подъёме повреждение кабеля. Применение поверхностного привода позволяет использовать менее дорогостоящее оборудование, например, обычный промышленный электродвигатель, что приводит к улучшению условий обслуживания оборудования. В винтовых насосных установках с поверхностным приводом самым слабым звеном становятся колонны штанг, которые часто рвутся ввиду перегрузок и заклинивания винта в обойме насоса. Исходя из вышеизложенного, вопрос надёжности штанговой колонны является основной нерешенной задачей при эксплуатации винтовых насосных установок с поверхностным приводом. В России использование поверхностноприводных винтовых насосных установок ограничено, но за границей их использование достигло высокого уровня. Так, в Канаде уже более 33% скважин эксплуатируются винтовыми насосными установками с поверхностным приводом. Поэтому за рубежом вопросами выбора и расчета вращающих штанговых колонн занимаются многие фирмы. Это выражается в разработке различных программ для выбора и проектирования скважинных компоновок. Но в открытой печати они не публикуются. В России так же те предприятия, которые занимаются поверхностноприводными винтовыми насосными установками не публикуют программный материал. В связи с этим возникает необходимость рассмотрения этих вопросов на основании значительных материалов, полученных при работе колонны бурильных труб при роторном бурении и внедрении винтовых насосных установок с поверхностным приводом типа УНВП.

Цель работы

Снижение аварийности штанговой колонны винтовой насосной установки с поверхностным приводом путём оптимального выбора штанг, # электродвигателя и совершенствования их защиты.

Задачи исследования

1. Создание программного обеспечения, на основе математической модели системы «Винтовой насос - колонна штанг - колонна НКТ», позволяющего подбирать скважинное и поверхностное оборудование.

2. Исследование математической модели системы «винтовой насос -колонна штанг - колонна НКТ» и установление зависимостей от частоты вращения, динамического уровня в скважине, плотности и вязкости скважинной жидкости, давления на устье, диаметра штанг, натяга винта в обойме статора и давления, развиваемого насосом.

3. Обоснование и разработка конструкции механического устройства, снижающего крутящий момент с последующим отключением электродвигателя при заклинивании колонны.

4. Разработка рекомендаций по выбору параметров штангового привода.

Научная новизна

1. Разработано программное обеспечение, на основе математической модели системы «винтовой насос - колонна штанг - колонна НКТ» для вертикальной и трехинтервальной скважин, позволяющая определить крутящий момент в колонне штанг и затрачиваемую на вращение мощность на вертикальном участке, участке набора кривизны и наклонного участка наклонно-направленной скважины с учетом веса штанг, гидравлической нагрузки на винт, трения штанг по участкам скважины и трения ротора в статоре насоса.

2. Выявлены зависимости системы «винтовой насос - колонна штанг - колонна НКТ» в наклонно-направленной скважине от частоты вращения, динамического уровня в скважине, плотности и вязкости скважинной жидкости, давления на устье, диаметра штанг, натяга винта в обойме статора и давления, развиваемого насосом.

3. Аналитически установлено распределение мощности и момента по участкам вертикальной и наклонно-направленной скважины. Выведена зависимость механических потерь привода от частоты вращения.

Теоретическая и практическая ценность работы

1. Разработано программное обеспечение по выбору штанговой колонны и электродвигателя для вертикальных и трехинтервальных скважин, основанное на математической модели системы «винтовой насос - колонна штанг - колонна НКТ».

2. Разработаны рекомендации по выбору штанговой колонны и поверхностного привода винтовой насосной установки для вертикальных и наклонно-направленных скважин. Результаты расчета программы внедрены на скв. 9008 НГДУ «Заинскнефть» ООО «Татнефть», скв. 2160 филиала ОАО «АНК «Башнефть» «Башнефть-Уфа» Туймазинский УДНГ и скв. 1657 НГДУ «Бузулукнефть» ОАО «Оренбургнефть», что подтверждается соответствующими актами.

Апробация работы

Результаты исследований докладывались:

- на Всероссийской научно-методической конференции (г. Уфа, 2002 г.).

- на 53-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных УГНТУ (г. Уфа, 2002 г.).

- на Всероссийской научно-методической конференции (г. Уфа, 2002 г.).

- на Научно-практической конференции, посвященной 70-летию башкирской нефти (г. Уфа, 2002 г.).

- на II Всероссийской учебно-научно-методической конференции (г. Уфа, 2003 г.).

- на 55-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных (г. Уфа, 2004 г.)

Публикации

Основные результаты диссертационной работы изложены в семи печатных трудах.

Работа выполнена в Уфимском государственном нефтяном техническом университете в 2001-2004 гг.

Заключение диссертации по теме «Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)», Сидоркин, Дмитрий Иванович

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана математическая модель системы «винтовой насос — колонна штанг - колонна НКТ». Разработан алгоритм решения системы. На основе алгоритма разработаны программы на языке «Object Pascal» для выбора штангового привода винтовой насосной установки.

2. Выявлены зависимости поведения системы «винтовой насос -колонна штанг - колонна НКТ» в трехинтервальной скважине от частоты вращения, динамического уровня в скважине, плотности и вязкости скважинной жидкости, давления на устье, диаметра штанг, натяга винта в обойме статора и давления, развиваемого насосом, показывающие, что на увеличение мощности наиболее влияют частота вращения, устьевое давление и натяг винта. Выявлены механические потери привода, зависящие в основном от величины натяга герметизирующего уплотнения в сальнике-превенторе, который при повышенных гидравлических параметрах имеет относительно меньшую величину.

3. Разработана предохранительная пружинно-шариковая муфта механического принципа действия, впервые примененная для защиты поверхностно-приводной винтовой насосной установки, снижающая крутящий момент при заклинивании колонны, с последующим отключением электродвигателя.

4. На основании промысловых исследований было подтверждено что, программа расчета штангового привода винтовой насосной установки работоспособна.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сидоркин, Дмитрий Иванович, 2006 год

1. Sultanov B.Z., Brot A.R. Improving the downhole screw pump. Oil and gas Russia.- Vol 1, № 2,Autumn, 1992.- C.27-29

2. Авторское свидетельство СССР № 1580053, бюллетень изобретений № 27, 1990.

3. Адонин А.Н. Выбор способа добычи нефти. М.: Недра, 1971.184 с.

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

5. Адонин А.Н. Процессы глубинонасосной нефтедобычи. М.: Недра, 1964.-264 с.

6. Александров М.М. К вопросу об учёте упругости бурильных труб. Нефть и газ/Известия высших учебных заведений - 1965 - №12 - с. 2328

7. Александров М.М. О величине коэффициента трения при движении бурового инструмента в искривленной скважине и о возможностях упрощения расчетов по определению силы трения. // Нефть и газ, №6,1962.

8. Александров М.М. Определение сил сопротивления при бурении скважин. -М: Недра, 1965 176 с.

9. Александров М.М. О формулах для определения затрат мощности на холостое вращение бурильной колонны. Нефть и газ/Известия высших учебных заведений - 1971 - №2 - с. 30-34

10. Александров М.М. О затратах мощности на холостое вращение бурильной колонны, опирающейся на забой. Нефть и газ/Известия высших учебных заведений - 1971 - №4 - с. 25-28

11. Александров М.М. О прижимающих силах для спирально изогнутой сжатой бурильной колонны, оснащённой замками. — Нефть и газ/Известия высших учебных заведений 1968 - №9 - с. 18-20

12. Александров М.М. О силе прижатия вращающихся труб к стенкам вертикальной скважины. Нефть и газ/Известия высших учебных заведений - 1967 - №9 - с. 25-30

13. Александров М.М. О характере вращения бурильной колонны. Нефть и газ/Известия высших учебных заведений - 1968 - №4 - с. 33-36

14. Амензаде Ю.А., Азимов Б.А. О методике определения мощности, затрачиваемой на холостое вращение бурильной колонны -Азербайджанское нефтяное хозяйство 1948 - №9

15. Аметов И.М., Байдиков Ю.Н., Рузин J1.M., Спиридонов Ю.А. Добыча тяжелых и высоковязких нефтей. М.: Недра, 1985. - 205 с.

16. Антипин Ю.В., Валеев М.Д., Сыртланов А.Ш. Предотвращение осложнений при добыче обводненной нефти. Уфа: Башкирское книжное издательство, 1987. - 168 с.

17. Артоболевский И.И. Теория механизмов. М.: Гостоптехиздат, 1966.-775 с.

18. Афанасьев Н.В. Выбор мощности электродвигателя для винтовой насосной установки. // Нефть и газ 2001: проблемы добычи, транспорта и переработки. Межвуз. сб. науч. тр. Уфа: УГНТУ, 2001. - С. 206-210.

19. Бабаев С.Г., Джабаров Р.Д. Виды изнашивания штанговых муфт и насосных труб в различных условиях эксплуатации. // РНТС ВНИИОЭНГ. Сер. Машины и нефтяное оборудование, 1977, №6 С. 8 11.

20. Бабаев С.Г., Джабаров Р.Д. Исследование влияния добываемой нефтяной среды на изнашивание штанговых муфт и НКТ. // Тематический сборник научных трудов АзИНЕФТЕХИМ. Трение и износ в машинах. -Баку: АзИНЕФТЕХИМ, 1984, С. 3 10.

21. Бабаев С.Г. Надежность нефтепромыслового оборудования. -М.: Недра, 1987.-264 с.

22. Балденко Д.Ф., Балденко Ф.Д., Гноевых А.Н. Винтовые забойные двигатели: Справочное пособ. М.: Недра, 1999. - 375 с.

23. Бекух И.И., Ибатулов К.А., Симонянц Л.Е. Об устойчивости колонны бурильных труб при роторном и турбинном бурении Нефть и газ-1969-№8

24. Белокобыльский С.В., Ветюков М.М., Нагаев Р.Ф. О фрикционных автоколебаниях бурильной колонны. Изв. АН СССР: Машиноведение, 1982, С. 15-20.

25. Беляев Н.М. Сопротивление материалов. М: Наука, 1976 608с.

26. Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Шнейдерович P.M. Расчёт на прочность деталей машин / справочное пособие. М: Машиностроение, 1966-616 с.

27. Брот А.Р., Султанов Б.З., Идиятуллин P.M. Испытание винтовых насосов с поверхностным приводом. // Нефтяное хозяйство, 1992, №7, С. 36-37.

28. Вагапов С.Ю. Продольный изгиб колонны НКТ и штанг в установках скважинного винтового насоса с поверхностным приводом. -Нефтяное хозяйство 2004 - №4 - с. 92-94.

29. Вагапов С.Ю., Султанов Б.З. Совместный продольный изгиб колонны НКТ и штанг при работе скважинного насоса. Нефтяное хозяйство - 2001 - №2 - с. 64-66.

30. Вагапов С.Ю. Устойчивость колонн насосно-компрессорных труб и штанг глубинонасосной установки. Уфа: Уфимский государственный нефтяной технический университет — 2000 — 133 с.

31. Вагин JI.JI., Горбатов B.C. Проблемы и перспективы внедрения погружных винтовых электронасосов при добыче высоковязкой нефти // Нефт. хоз-во. 1987. - №8: С. 36-38.

32. Валов В.М. и др. Прочностной анализ параметров штанг для работы с верхнеприводными винтовыми насосами. Нефтепромысловое дело/ВНИИоЭНГ - 1996 - №11 - с. 11-20.

33. Вирновский А.С. Теория и практика глубиннонасосной добычи нефти

34. Вольмир А.С. Устойчивость упругих систем. М.: Физматгиз, 1963.-567 с.

35. ГОСТ 13877-80. Штанги насосные и муфты к ним. М: Госстандарт СССР, 1980. - 48 с.

36. Гусман М.Т., Балденко Д.Ф. Винтовые забойные двигатели. РНТС ВНИИОЭНГ. Сер. Бурение, 1972, №6. С. 82.

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

38. Демидович Б.П., Марон И.А., Шувалова Э.З. Численные методы анализа. М: Физматгиз, 1963 - 400 с.

39. Детали машин. Справочник, т. 1 под об. ред. Н.С. Ачеркана. -М: Машиностроение, 1968 440 с.

40. Динник А.Н. Продольный изгиб, кручение. Изб. труды, т. 1 Киев: Изд-во АН УССР, 1955.

41. Добыча нефти глубинными штанговыми насосами. Генрих Ришмюллер, Хорст Майер, Шеллер-Блекманн ГмБХ, Терниц. Австрия: 1988.- 150 с.

42. Жулаев В.П., Султанов Б.З. Винтовые насосные установки для добычи нефти: Учебное пособие. Уфа: Изд-во УГНТУ, 1997,- 42 с.

43. Зубаиров С.Г. Проектирование штанговых насосных установок для осложненных условий эксплуатации. Уфа: Изд-во УГНТУ, 1999. -157 с.

44. Ильский А.Л., Миронов Ю.В., Чернобыльский А.Л. Расчет и конструирование бурового оборудования. М.: Недра, 1985.

45. Казак А.С. Добыча нефти глубинными винтовыми насосами. // Нефтяное хозяйство, 1991, №12, С.39 40.

46. Казак А.С. Установки глубинных винтовых насосов нового типа для добычи нефти. // Нефтяное хозяйство, 1989, №2, С.62 63.

47. Керимов З.Г. Динамические расчеты бурильной колонны. М.: Недра, 1970.- 155 с.

48. Комнатный Ю.Д. К вопросу определения величины передаваемого крутящего момента и угла закручивания колонны труб в вертикальной скважине Нефть и газ - 1969 - №4

49. Крагельский И.В., Виноградова И .Я. Коэффициенты трения, -М.: Машгиз, 1962. 220 с.

50. Крагельский И.В., Гитис Н.В. Фрикционные автоколебания. -М: Наука, 1987-184 с.

51. Крагельский И.В. Трение и износ. М.: Машиностроение, 1968.-480 с.

52. Круман Б.Б. Глубиннонасосные штанги. М.: Недра, 1977.181 с.

53. Круман Б.Б. О конструкции колонн насосных штанг. // Нефтяное хозяйство, 1975, №2, С. 55 58.

54. Крылов А.В. Одновинтовые насосы. М: Государственное научно-техническое издательство нефтяной и горно-топливной литературы, 1962- 154 с.

55. Лачинян Л.А. Работа бурильной колонны. М: Недра, 1979207 с.

56. Локтев А.В. и др. Использование винтовых насосов с поверхностным приводом в АО «Черногорнефть». // Нефтяное хозяйство, 1995, №9, С. 54-55.

57. Майоров И.К. Спиральный продольный изгиб колонны труб в скважине Нефтяное хозяйство - 1966 - №5

58. Мирзаджанзаде А.Х., Гусейнзаде М.А. Решение задач нефтегазопромысловой механики. М.: Недра, 1971. - 200 с.

59. Нагаев Ф.М. Исследование эксплуатационной надежности работы колонны штанг. // РНТС ВНИИОЭНГ, сер.: Машины и нефтяное оборудование, 1980, №5, С. 11 14.

60. Нефтепромысловое оборудование. Справочник под ред. Бухаленко Е.И. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1990. - 559 с.

61. Поляков B.C., Барбаш И.Д. Муфты. Л.: Машиностроение, 1973-336 с.

62. Пумпянский A.J1. Чтение и перевод английской научной и технической литературы. Лексика. Грамматика. Фонетика М.: Наука, 1964-382 с.

63. Румшиский Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», - 1971. - 245 с.

64. Саркисов Г.М. Расчёты бурильных и обсадных колонн. М: Недра, 1971 -208 с.

65. Сароян А.Е. Бурильные колонны в глубоком бурении. М: Недра, 1979-231 с.

66. Сароян А.Е. Теория и практика работы бурильной колонны. -М: Недра, 1990.-263 с.

67. Сидоркин Д.И., Орекешев С.С. Подбор колонны штанг для винтовой насосной установки типа УНВП. // 53-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных УГНТУ: Сборник тезисов / Ред. кол. И.Р. Кузеев и др. Уфа: УГНТУ, 2002.

68. Скучик Е.С. Простые и сложные колебательные системы. Пер. с англ. под ред. Лямшева JI.M. М.: «Мир», 1971. - 558 с.

69. Смирнов И.Н. Гидравлические турбины и насосы. М.: Недра, 1969.-400 с.

70. Справочная книга по добыче нефти. Под ред. д-ра техн. наук Ш.К. Гиматудинова. М.: «Недра», 1974. - 704 с.

71. Справочник по бурению нефтяных скважин, под общей ред. М.А. Евсеенко. М.: Государственная научно-техническое издательство нефтяной и горно-топливной литературы, 1947 - 730 с.

72. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Г. Корн, Т. Корн. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1974.

73. Справочник машиностроителя. Справочник, т. 4 под об. ред. Н.С. Ачеркана. М: Машиностроение, 1962 - 448 с.

74. Султанов Б.З., Афанасьев Н.В. Система защиты штанговой скважинной установки от работы «вхолостую». // Актуальные проблемы Волго-Уральской нефтегазоносной провинции: Тез. докл. международн. науч.-практ. конф. Уфа: УГНТУ, 2001. - С. 55-56.

75. Султанов Б.З., Зубаиров С.Г., Афанасьев Н.В. Штанговая насосная установка с регулируемым приводом. // Прогрессивные технологии в нефти: Сб. науч. тр. Уфа: УГНТУ, 2000. - С. 76-86.

76. Султанов Б.З., Зубаиров С.Г., Афанасьев Н.В. Экспериментальное определение рабочих параметров одновинтовогонасоса на лабораторном стенде. // Прогрессивные технологии в нефти: Сб. науч. тр. Уфа: УГНТУ, 2000. - С. 156 - 162.

77. Султанов Б.З., Ишемгужин Е.И., Шаммасов Н.Х., Сорокин В.Н. Испытания забойного моментомера в процессе бурения скважин. // РНТС ВНИИОЭНГ. Сер. Машины и нефтяное оборудование, 1971, №6, С. 35-36.

78. Султанов Б.З., Ишемгужин Е.И., Шаммасов Н.Х., Сорокин В.Н. Работа бурильной колонны в скважине. М: Недра, 1973 - 216 с.

79. Султанов Б.З., Подавалов Ю.А. Промысловые испытания глубинного механического регистратора момента при турбинном и роторном бурении. // Вопросы бурения скважин и добычи нефти и газа. Науч. труды УНИ, 1972, Вып №8, С. 26 28.

80. Султанов Б.З., Сидоркин Д.И. Затраты мощности поверхностного привода винтовой насосной установки. Технологии ТЭК - 2004-№3-с. 31-35

81. Султанов Б.З., Шаммасов Н.Х. Забойные буровые машины и инструмент. М.: Недра, 1976 - 239 с.

82. Султанов Б.З. Управление устойчивостью и динамикой бурильной колонны. М: Недра, 1991 - 208 с.

83. Теория эксперимента. Налимов В.В. Физико-математическая библиотека инженера. Изд. Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит-ры, 1971. -208 с.

84. ТУ 14-1-5408-2000. Штанги насосные

85. ТУ 14-1-5438-2001. Штанги насосные и штоки устьевые полые

86. Уразаков К.Р. и др. Насосная добыча высоковязкой нефти из наклонных и обводненных скважин. М.: Недра, 2003. - 303 с.

87. Уразаков К.Р. Эксплуатация наклонно-направленных насосных скважин. -М.: Недра, 1993. 176 с.

88. Фаерман И.Л., Алиев Ш.Н., Джабарзаде Д.И. и др. Инструкция по эксплуатации насосных штанг. М.: Недра, 1968.

89. Фаерман И.Л. Штанги для глубинных насосов. Баку: Азнефтеиздат, 1955.

90. Федоров B.C. и др. Практические расчёты в бурении. М.: Недра, 1966.

91. Федоров B.C. Проектирование режимов бурения. М.: Гостоптехиздат, 1958.

92. Цзе Ф.С., Морзе И.Е., Хинкл Р.Т. Механические колебания, перевод с англ., М.: Машиностроение, 1966. 508 с.

93. Чичеров Л.Г. Нефтепромысловые машины и механизмы. Учебное пособие для вузов М.: Недра, 1983. - 312 с.

94. Чичеров Л.Г., Молчанов Г.В., Рабинович A.M. и др. Расчет и конструирование нефтепромыслового оборудования. М.: Недра, 1987. -422 с.

95. Шацов Н.И. Бурение нефтяных скважин, т. 1 М.: Гостоптехиздат, 1944 - 436 с.