CC BY
16УДК 681.3:621.34
АНАЛИЗ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ СКВАЖИННЫХ СИСТЕМ C УСТАНОВКАМИ ШТАНГОВЫХ СКВАЖИННЫХ НАСОСОВ
POWER-EFFICIENCY ANALYSIS OF OIL WELL SYSTEMS WITH SUCKER ROD PUMPING UNITS
А. М. Сагдатуллин
A. М. Sagdatullin
Альметьевский государственный нефтяной институт, г. Альметьевск
Ключевые слова: энергоэффективность; скважинные системы; установки штанговых скважинных насосов; цепной привод; балансирный станок-качалка Key words: power-efficiency; downhole system; downhole sucker rod pumping units; chain drive;
walking-beam jack pump
Поздняя стадия разработки месторождений характеризуется необходимостью новых подходов к эксплуатации и подбору оборудования эксплуатируемых добывающих скважин, обеспечивающих добычу нефтегазовой эмульсии в осложненных условиях при наименьших затратах. Особенностью месторождений на поздней стадии разработки является высокая обводненность нефтяных скважин, в дебите которых более 50 % составляет нагнетаемая в систему поддержания пластового давления жидкость. Как правило, высокообводненные скважины со средними и высокими дебитами эксплуатируются одним из механизированных способов - с помощью установок электроцентробежных погружных насосов (УЭЦН). Вследствие невысокого коэффициента полезного действия (КПД) затраты электроэнергии на добычу нефти с помощью УЭЦН значительно выше, при этом потери в погружном электронасосе возрастают обратно пропорционально скорости вращения ротора электродвигателя из-за уменьшения КПД УЭЦН на низких оборотах его вращения [1, 2, 3].
КО
Нефть и газ
№ 4, 2015
Постановка проблемы и метод ее решения. Применение установок штанговых скважинных насосов (УСШН) с балансирными станками-качалками (СК) вследствие ограничений длины хода плунжера (1,2-3,0 м стандартных типоразмеров СК) требует таких режимов работы, при которых откачка жидкости из скважин осуществляется с высокой скоростью, что приводит при установке насосов с большим диаметром к снижению межремонтного периода скважин, дополнительным затратам и сопутствующим потерям добычи нефти. В результате основной задачей в области механизированных методов эксплуатации скважин является повышение эффективности поднятия жидкости из скважин и снижение себестоимости добычи путем совершенствования существующих установок добывающих скважин. Наиболее перспективным методом решения данной задачи является применение в составе УСШН цепного длинноходового привода штанговых скважинных насосов или ПЦ. Данный тип привода предназначен для эксплуатации как высокообводненных скважин, так и для добычи высоковязкой нефти, а также для поддержания на заданном уровне скважинного давления. ПЦ является высокоэффективным и энергосберегающим оборудованием для добычи нефти, позволяющим снизить энергозатраты до 25 % относительно станков-качалок и до 50 % относительно погружных электроцентробежных насосов, так как КПД скважинных насосов данных приводов приблизительно равен 50-60 %, при этом КПД для СК с УСШН приблизительно равен 20-50 %, а КПД УЭЦН составляет менее 30 % [4, 5].
Цель данной работы — анализ энергоэффективности скважинных систем с установками штанговых скважинных насосов.
Для анализа энергоэффективности скважинных систем установок со штанговыми скважинными насосами рассмотрим цепной привод типа ПЦ 80-6-02 со следующими техническими характеристиками (рис. 1).
ПАРАМЕТРЫ ОБОРУДОВАНИЯ ЗНАЧЕНИЕ
Тягпвону! ИЛИРНН ШТШР, кНг ИР 6олрр ЯП
Длина хода, м 6+0,1
РСдуитор трехСтупС! 1Ч0ТЫЙ, С З-ОЦСПЛС! тем Новикова ТЗ-15Ц 45 -16
- МОМРНТ ИН ВЫХОДНОМ ПНПУг нН-м 16
- передаточное число 45
Диаметр сменных шкивов, мм:
- НН |1РДуНТО[1Р 31 6ПП
из до и гото л с 142; 175; 205; 230
Исполнения привода: Двигатели: Число двойных ходов в минуту:
ПЦ 80-6 1 5 кВт, 1000 Об/мин 1-2,7
ПЦ 00-6-01 1&, 5 кВт, 1500 об/мин 1,5-3,54
ПЦВО-Ь-02 ¿1 кВт, 1 ЬОО Об/мин Л
ЦрПЬ ВТуЛПЧНС)-|МЛИК£)ЯЛЯ 1ТП-63.КОЛИЧЕСТВО {ПРНЬРВ ?П1
Ннннт 1Яг6-Г-В-Л-Н-1670 ГОСТ ЗА66-ЯП г длинн, м 46,4
Длина отннта нолонны (при КРС и ПРО, м 1,6
Масса противовесов, мин/макс, нг 1&00/0000
Масса привода, иг:
- без уравновешивающих грузов, кг 12 500
■ с уравновешивающими 1 рузами, к.1 16 700
Габаритные размеры, мм 43-70 х 2390 х 10 250
Рис. 1. Рассматриваемый цепной привод типа ПЦ 80-6-02
Преимущества цепных приводов УСШН:
• монотонный режим откачки, обеспечиваемый запасом хода до 6 м, позволяет повысить надежность составных механизмов цепного привода, а также штанговых скважинных установок вследствие меньшего износа штанг и труб;
• применение длинноходовых УСШН позволяет увеличить коэффициент наполнения насоса и с высокой эффективностью использовать ПЦ на скважинах с высокими и низкими дебитами, а также на скважинах с высокой обводненностью;
• удельные энергозатраты цепных приводов с УСШН, в сравнении с аналогичными по характеристикам подачи насосами УЭЦН, ниже на 50 % и более;
№ 4, 2015
Нефть и газ
81
• цепные приводы оснащаются длинноходовыми глубинно-насосными установками с глубинными штанговыми насосами (стандарт API — система стандартов, разработанная некоммерческой организацией American Petroleum Institute для повышения безопасности, взаимозаменяемости оборудования, снижения затраты на обеспечение совместимости систем и упорядочения процессов в добыче и переработке нефти) с длиной хода плунжера 6 м и более;
• контроль за узлами привода при обслуживании, проверке и ремонте обеспечивается открытым исполнением ПЦ;
• аварийная тормозная система цепного привода автоматически позволяет предотвратить падение противовеса в случае обрыва штанги (каната);
• автоматическая система электроблокировок цепного привода обеспечивает безопасность в условиях эксплуатации оборудования;
• система оперативного контроля натяжения цепи позволяет автоматически подтягивать цепь привода с помощью механического устройства [1, 6].
Для сравнения рассмотрим балансирный станок-качалку с УСШН типа ПНШТ 803-40 со следующими техническими характеристиками (рис. 2). Согласно рисунку можно видеть, что при аналогичном числе качаний равную производительность приводу ПЦ 80-6-02 с электродвигателем 22 кВт, 1500 об/мин может поддерживать только привод типа ПНШТ 80-3-40-37-02 с электродвигателем 30 кВт, 1500 об/мин. Это обусловливается тем, что вследствие большей длины хода цепного привода производительность станка-качалки возможно компенсировать увлечением числа качаний в минуту либо подбором более металлоемкого привода СК с электродвигателем большей мощности.
Рис. 2. Рассматриваемый станок-качалка с УСШН типа ПНШТ 80-3-40
Синхронную угловую частоту вращения электродвигателя можно определить с помощью выражения [7, 8, 9]
ж-п0 3.14-1500 ,с„, л,
®„ =-0 =-= 157,1 рад / с.
0 30 30
Номинальную частоту вращения, а также угловую скорость электродвигателя можно определить с помощью выражений
«дв„ =(1")-«о =(1"0,036)-1500 = 1446 об/мин,
юдвн =(!" % )'»о =(1 - 0.036)-157.1 = 151.4, рад/с Номинальный момент электродвигателя можно определить с помощью выражений:
Р 22-103
м = _дв^ = 22 10
двн1 а>тн 151,4 Р,Вн 30-103
= 145,3 Н-м = 198,1 Н-м
82
Нефть и газ
№ 4, 2015
Номинальное фазное напряжение и номинальный фазный и линейный ток статора
и'ф- - Цт - 3830 - ^
В результате для определения потребляемой мощности механизмом систем СК и цепного привода выражение будет следующим:
М, тт
Г = -
с. мех дв
где Рмех — потребная мощность механизма (системы), Вт.; Мслкх — момент сопротивления механизма под нагрузкой, Нм; ы дв — угловая скорость двигателя, рад/с; т1мех — КПД механизма в заданной точке.
Дискретные участки времени за половину цикла
Рис. 3. Диаграмма потребления энергии механизмом (системой) за половину цикла работы для: 1 — станка-качалки, 2 — цепного привода
На рис. 3 представлена диаграмма потребления энергии механизмом (системой) за половину цикла работы. Согласно рисунку можно сделать вывод, что потребление энергии станком-качалкой на 15-20 % превышает потребление энергии цепного привода за половину цикла работы, то есть за один ход.
В заключение можно сделать следующие выводы:
• проведен анализ энергоэффективности цепного привода и аналогичного по характеристикам станка-качалки, согласно которому можно сказать, что УСШН с цепным приводом на 15-20 % более экономичный тип привода относительно аналогичного СК;
• цепной привод является более совершенным во многих аспектах эксплуатации установок штанговых скважинных насосов и может являться наиболее эффективной заменой установок электроцентробежных погружных насосов, а также балансирных станков-качалок при дополнительных исследованиях.
Список литературы
1. Валовский В. М., Авраменко А. Н., Валовский К. В., Шамсутдитнов И. Г., Федосеенко Н. В. Применение цепных приводов для эксплуатации малодебитных скважин // Нефть Татарстана. - 2001. - № 1. - С. 34-41.
2. Сагдатуллин А. М. Анализ фонда добывающих скважин и степени разработанности нефтегазовых месторождений // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. - 2014. - № 5 (107). - С. 46-50.
3. Сагдатуллин А. М., Емекеев А. А., Муравьева Е. А. Интеллектуальное логическое управление электроприводом насосной станции // Современные технологии в нефтегазовом деле - 2014. Сборник трудов международной научно-технической конференции, в 2 т. - Т. 2. - Уфа: Аркаим, 2014. - С. 218-221.
4. Сагдатуллин А. М. Анализ энергоемкости технологических процессов схемы сбора и подготовки нефти на промысле нефтедобывающего предприятия // Нефтепромысловое дело. - 2014. - № 6. - С. 51-55.
5. Сагдатуллин А.М. Идентификация режимов работы и анализ состояния скважинного оборудования на основе нейронной сети // Газовая промышленность. - 2014. - № 6 (707). - С. 60-64.
№ 4, 2015
Нефть и газ
83
6. Сагдатуллин А. М. Повышение эффективности разработки нефтегазовых месторождений на основе интеллектуальных систем // Бурение и нефть. - 2014. - № 7-8. - С. 42-45.
7. Artur Sagdatullin, Alexander Emekeev, Elena Muravyova. Intellectual Control of Oil and Gas trans-portation system by Multidimensional Fuzzy Controllers with Precise Terms // Applied Mechanics and Materials. Vol. 756 (2015). pp. 633-639.
doi:10.4028/www.scientific.net/AMM.756.633.
8. Терехов В. М. Системы управления электроприводов: Учебник для студ. высш. учеб. заведений / В. М. Терехов, О. И. Осипов; Под ред. В. М. Терехова. - М.: Издательский центр «Академия», 2005. - 304 с.
9. Kayashev Alexander; Muravyova Elena; Sharipov Marsel; Emekeev Alexander; Sagdatullin Artur, «Verbally defined processes controlled by fuzzy controllers with input/output parameters represented by set of precise terms» Mechanical Engineering, Automation and Control Systems (MEACS), 2014 International Conference on , Vol., no., pp.1,5, 16-18 Oct. 2014. doi: 10.1109/MEACS.2014.6986847.
Сведения об авторе
Сагдатуллин Артур Маратович, аспирант кафедры «Автоматизация и информационные технологии», Альметьевский государственный нефтяной институт, г. Альметьевск, e-mail: saturn-s5@mail.ru
Information about the author
Sagdatullin A. M., postgraduate of the chair «Automation and information technologies», Almetiev State Petroleum Institute, Almetievsk, e-mail: saturn-s5@mail.ru
