Производственно-технический нефтегазовый журнал
+7 (903) 580-85-63 +7 (495) 371-01-74 info@glavteh.ru

Новые технологии эксплуатации малодебитного и периодического фонда

Штанговые скважинные насосные установки (ШСНУ) с плунжерными насосами хорошо зарекомендовали себя при эксплуатации малодебитного фонда и успешно эксплуатируется в РФ более чем на 50 000 скважинах. В связи с усложнением условий эксплуатации скважин и структуры фонда количество ШСНУ в перспективе будет возрастать, однако ШСНУ при эксплуатации имеет существенные ограничения, обусловленные наличием в приводе колонны штанг и станка-качалки.

Более 40 лет назад специалисты исследовательских институтов нефтяной промышленности пришли к выводу, что перспективой повышения эффективности плунжерных насосов могут стать линейные цилиндрические двигатели, используемые в качестве привода плунжерных насосов. Это дало толчок к разработке специализированных линейных двигателей (ЛД) для плунжерных насосов и к разработке электроплунжерных насосных агрегатов. В данной статье приведены материалы, относящиеся к этим исследованиям и результаты опытно-промысловых испытаний (ОПИ) установок насосных с линейным приводом (УНЛП).

06.01.2018 Инженерная практика №11/2017
Вдовин Эдуард Юрьевич Директор ООО «Инженерно-технический центр инновационных технологий»
Локшин Лев Иосифович Главный инженер ООО «Инженерно-технический центр инновационных технологий», к.т.н.
Лурье Михаил Адольфович Заместитель директора по техническим вопро сам ООО «Инженерно-технический центр инновационных технологий»
Коротаев Александр Дмитриевич Доцент Пермского национального исследовательского политехнического университета, к.т.н.
Тимашев Эдуард Олегович Докторант Уфимского государственного нефтяного технического университета

В период 1971-1980 годов в институте «ПермНИПИнефть» были проведены необходимые теоретические и проектные работы и созданы первые образцы погружных цилиндрических линейных асинхронных двигателей (ЦЛАД) и электроплунжерных насосных агрегатов (ЭПНА).

Погружной ЦЛАД представлял собой цилиндрическую машину вертикального исполнения, соединенную с глубинным насосом. Статор ЦЛАД был собран в тонкостенном корпусе из модулей. Модуль, в свою очередь, состоял из последовательно чередующихся кольцевидных медных катушек и стальных шайб, имеющих по внешнему диаметру пазы для укладки ярма магнитопровода. Внутренняя поверхность модуля была загерметизирована тонкостенной немагнитной гильзой. Между собой модули центрировались при помощи втулок, внутренняя поверхность которых являлась опорой скольжения для вторичного элемента (бегуна, слайдера). Вторичный элемент ЦЛАД состоял из отдельных секций, концевого участка и несущей полой ферромагнитной трубы.

Отдельная секция вторичного элемента ЦЛАД включала токопроводящие и ферромагнитные кольца и уравнители. Кольца, предварительно обработанные по внутреннему и наружному диаметрам, набирались в пакет при помощи уравнителей.

На нижнем конце вторичного элемента имелась резьба для соединения его с плунжером глубинного насоса. В плунжере глубинного насоса был расположен нагнетательный клапан, а в нижней части корпуса насоса был установлен всасывающий клапан. Сверху на ЦЛАД был установлен переходник с двумя датчиками положения вторичного элемента (например, магнитоуправляемые контакты).

Работы, впоследствии выполненные в Пермском национальном исследовательском политехническом университете (ПНИПУ), позволили улучшить технические характеристики линейного цилиндрического двигателя для привода плунжерного насоса. Была испытана конструкция цилиндрического линейного вентильного двигателя ЦЛВД, предназначенного для погружной насосной установки.

ЦЛВД состоит из неподвижного круглого индуктора и штока с постоянными магнитами (рис. 1, магниты группы 4МКГ46х21х8 со следующими параметрами: Нс=1400 кА/м, Вr=1,0 Тл).

Рис. 1. Продольный разрез ЦЛВД
Рис. 1. Продольный разрез ЦЛВД

На индукторе имеются зубцы и пазы, в которых находятся цилиндрические катушки статора. Полюсное деление – 30 мм, а зубцовое деление – 10 мм. Катушки трехфазной обмотки соединены последовательно и питаются от преобразователя частоты (ПЧ). Обмотка цилиндрического индуктора создает бегущее магнитное поле, скорость движения которого и направление изменяются с помощью ПЧ. Ротор имеет диаметр Dр=53 мм. Зазор δ между статором и ротором составляет 1,5 мм по всей длине.

Рис. 2. Стенд для динамических испытаний ЦЛВД
Рис. 2. Стенд для динамических испытаний ЦЛВД

На динамическом стенде (рис. 2), специально созданном для лабораторных испытаний ЦЛВД, индуктор закреплен неподвижно, а шток совершает возвратно-поступательные движения с различными значениями длины и частоты хода. Одно направление движения штока является рабочим (перемещение вверх). В этом направлении перемещается груз наибольшей величины. В обратном направлении шток перемещается без груза в режиме холостого хода до исходного положения. Связь штока и груза осуществляется с помощью троса, перекинутого через блок. Один конец троса соединен со штоком, а второй – с платформой, на которой находится груз. Изменение величины груза позволяет изменить величину нагрузки на шток (рис. 3, табл. 1).

Таблица 1. Данные экспериментальных замеров усилий и тока двигателя
Таблица 1. Данные экспериментальных замеров усилий и тока двигателя
Рис. 3. Зависимость тягового усилия от величины тока, равного разности электромагнитного усилия и силы трения опорных подшипников индуктора (внутренняя втулка) и подшипников скольжения (стальных колец) штока
Рис. 3. Зависимость тягового усилия от величины тока, равного разности электромагнитного усилия и силы трения опорных подшипников индуктора (внутренняя втулка) и подшипников скольжения (стальных колец) штока

Управление электроприводом ЦЛВД позволяет регулировать число двойных ходов (0,2-6 мин-1) и ход штока в одном направлении в пределах от 1,2 до 2 м.

РЕЗУЛЬТАТЫ ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ УНЛП НА ТЕРРИТОРИИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Рис. 4. Состав комплекта
Рис. 4. Состав комплекта

Для нефтяных компаний вопрос эффективной эксплуатации малодебитного фонда остается достаточно острым. Подбор техники и технологии для подъема жидкости из таких скважин является одной из основных задач нефтедобычи. Для ее решения и с целью подтверждения правильности пути создания нового оборудования в период с октября 2015 по апрель 2017 года силами ООО «Центр ИТ» совместно с ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ» и АО «РН-Няганьнефтегаз» были проведены ОПИ насосных установок с линейным приводом.

Рис. 5. Конструктивные элементы линейного двигателя. Создан в России. 1972 г.
Рис. 5. Конструктивные элементы линейного двигателя. Создан в России. 1972 г.
Рис. 6. Конструктивные элементы Линейного двигателя, Китай 2015 г.
Рис. 6. Конструктивные элементы Линейного двигателя, Китай 2015 г.

Для проведения данных испытаний были закуплены шесть комплектов УНЛП производства КНР (единственного на тот момент производителя работоспособного оборудования), которые предполагалось взять за основу для дальнейшего совершенствования и адаптации к условиям нефтедобычи на территории РФ (рис. 4, 5, 6).

Испытания проводились с целью решения следующих задач:

  • оценка работоспособности, конструктивной и эксплуатационной надежности оборудования;
  • оценка энергоэффективности технологии по сравнению с обычными способами добычи нефти;
  • определение области наиболее рационального применения оборудования.

По результатам проведенных ОПИ определены основные преимущества эксплуатации скважин с использованием УНЛП:

  • значительное снижение удельного энергопотребления (до 30%);
  • прирост дебита (до 10%);
  • перевод скважин из периодического режима работы в постоянный;
  • высокая надежность оборудования;
  • простота обслуживания.

Кроме того, была определена область применения УНЛП:

  • скважины добывающего фонда с проектным дебитом от 4 до 20 м3/сут;
  • скважины с глубиной спуска насоса от 800 до 2500 м;
  • скважины со сложной конструкцией эксплуатационной колонны;
  • скважины, реагирующие на сезонную закачку, где периодически требуется корректировка дебита;
  • скважины периодического фонда;
  • скважины, расположенные на кустовых площадках с ограниченной электрической мощностью;
  • наклонно-направленные и горизонтальные скважины.

Проведенный анализ ОПИ УНЛП показал неоспоримое преимущество УНЛП над УШГН вне зависимости от глубины спуска, а также над УЭЦН, эксплуатируемыми в нерасчетных режимах.

Коэффициент подачи плунжерного насоса УНЛП не менее, чем вдвое превосходит коэффициент подачи УШГН за счет отсутствия колонны штанг и потерь на их растяжение-сжатие. По этой же причине имеется возможность увеличения двойных ходов (при эксплуатации УШГН существует риск обрыва колонны штанг в результате частых знакопеременных перегрузок).

ПРЕИМУЩЕСТВА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЛИНЕЙНОГО ПРИВОДА

Использование линейного привода позволяет существенно сократить затраты на обустройство скважин, связанные с возведением фундаментов и устьевых площадок, а также способствует увеличению наработки на отказ за счет исключения штанговой колонны и простоты конструкции насосной установки.

Также возможно оперативное (одним нажатием кнопки или дистанционно с рабочего места) изменение параметров работы насоса: скорости движения и количества перемещений плунжера вверх-вниз без привлечения сервисных организации и без остановки оборудования.

За счет периодической эксплуатации, малой длительности закачки, высокой степени заполнения, а также отсутствия потерь хода насос с линейным двигателем отличается высоким КПД.

К преимуществам такого подхода относится и то, что внутренние поверхности двигателя и насоса выполнены из никелевого сплава с добавлением бора, азота и углерода, что обеспечивает высокую коррозионную защиту. Кроме того, особенности конструкции насоса исключают образование газовых пробок.

Рис. 7. Схема расстановки оборудования
Рис. 7. Схема расстановки оборудования

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИИ

На основании полученных технических характеристик линейных двигателей в процессе ОПИ дальнейшие работы по оптимизации погружных линейных двигателей должны быть направлены на увеличение тягового усилия из расчета на сборочную единицу (один модуль) (рис. 7).

Одним из направлений решения этой задачи является разработка уточненного метода расчета рабочих характеристик, на базе которого можно провести многовариантные расчеты с целью оптимизации параметров и геометрических размеров модуля линейного двигателя. Технические характеристики линейных двигателей предполагается оптимизировать следующим образом:

  • использование магнитных элементов с остаточной индукцией не менее 0,9 Тл;
  • оптимизация зубцового деления и длины полюсного деления;
  • замена проводников обмотки статора с более высокой температурой изоляции;
  • создание равнопрочной изоляции фаз статорной обмотки;
  • снижение силы трения слайдера при возвратно-поступательном движении.

В настоящее время для решения поставленных задач на производственных площадках ООО «Центр ИТ» проводятся заводские испытания узлов линейного двигателя нового поколения. Предполагается, что технические характеристики разрабатываемого оборудования и его ресурсная возможность будут превосходить прототип зарубежного производства. Кроме того, оборудование будет унифицированным и адаптированным к условиям эксплуатации на российских объектах нефтедобычи.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Локшин Л.И. Электромагнитные соотношения в линейном цилиндрическом двигателе погружного типа // Сборник научных трудов №197 Пермского политехнического института «Специальные электрические машины и системы электропривода». – Пермь, 1976. С. 212-222.
  2. Семенов В.В., Огарков Е.М., Коротаев А.Д. Специальные асинхронные электрические двигатели для нефтедобычи. – Пермь: Изд-во ПНИПУ, 2014.
  3. Ключников А.Т., Коротаев А.Д., Шутемов С.В. Моделирование цилиндрического линейного вентильного двигателя // Электротехника. 2013. №11.
Комментарии

Эту публикацию еще никто не прокомментировал. Станьте первым, поделитесь своим мнением.

Написать комментарий
Комментировать
Читайте далее
Повышение эффективности и ресурса систем винтовых насосов в условиях высокого содержания газа
Оборудование производства ООО «ЭЛКАМ» для добычи нефти в осложненных условиях
Реклама
Свежий выпуск
Инженерная практика №05/2018

Инженерная практика

Выпуск №05/2018

Промысловые трубопроводыМеханизированная добыча
Особенности и нормативная база в области эксплуатации и ремонта подводных трубопроводовДиагностика, мониторинг и обеспечение безаварийной эксплуатации промысловых трубопроводов, защитные покрытияПроектирование, строительство и ремонт стальных и полимерных трубопроводовОПИ глубинно-насосного оборудования и НКТ с защитными покрытиями, эксплуатация неметаллических НКТРеагенты и внутрискважинное оборудование для механизированной добычи нефти в осложненных условияхПодготовка нефти. Внедрение ГИС
Ближайшее совещание
Механизированная добыча, Трубопроводный транспорт
Коррозия 2018
Международная производственно-техническая конференция

КОРРОЗИЯ – 2018: Эффективные методы работы с фондом скважин, осложненным коррозией, эксплуатация промысловых нефтегазопроводов и водоводов в условиях высокой коррозионной активности

27-29 августа 2018 г., г. Казань, конференц-зал «Габдулла Тукай»
Задачей Конференции является обмен опытом и определение наиболее экономически и технологически эффективных решений и технологий в области работы с фондом скважин, осложненных коррозионным фактором и анализ применения современных методов и технологий для сокращения аварийности промысловых трубопроводов различного назначения в условиях высокой коррозионной активности.
Ближайший тренинг
Капитальный ремонт скважин
Ловильный сервис – сентябрь 2018
Тренинг-курс

Ловильный сервис на нефтяных и газовых скважинах

10 – 14 сентября 2018 г., г. Пермь
ООО «Инженерная практика» от имени журнала «Инженерная практика» проводит набор группы специалистов для прохождения производственно-технического тренинга по программе «Ловильный сервис на нефтяных и газовых скважинах». Пятидневный тренинг - курс будет проводиться в г. Перми (отель «Урал») в рамках авторского курса С. Балянова.