CC BY
44НАСОСЫ
УДК 622.276.53.054.2
А.Г. Молчанов, д.т.н., профессор, зав. кафедрой технической механики РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, e-mail: [email protected]; В.Г. Певнев, к.т.н., доцент кафедры технической механики РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, e-mail: [email protected]; К.В. Тарасов, зам. генерального директора «Энерпром - Инженерные решения», e-mail: [email protected]
ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПРИВОД ШТАНГОВОГО СКВАЖИННОГО НАСОСА С ИНЕРЦИОННЫМ УРАВНОВЕШИВАНИЕМ
Фонд балансирных станков-качалок находится в изношенном состоянии. Для эксплуатации выбывающих из строя и для вновь вводимых скважин нужны дешевые приводы штангового насоса, позволяющие отказаться от массивных фундаментов и обеспечивающие снижение трудоемкости обслуживания. Такими являются гидравлические приводы с инерционным уравновешиванием. Элементная база объемного гидропривода, применяемого в дорожных, строительных машинах, станочном гидроприводе и используемая в нашем типе привода, а также общий уровень квалификации работников промыслов позволяет вернуться на более высоком инженерном и технологическом уровне к созданию нового типа гидропривода.
В настоящее время фонд эксплуатационных скважин в РФ составляет 180 тыс. шт. Из этого числа скважины, оборудованные штанговыми скважинными насосами (ШСН), приводимыми в действие балансирными станками-качалками, составляют порядка 70 тыс. Остальная часть эксплуатируется погружными электро-центробежными насосными установками (УЭЦН). Кроме того, существует большое количество установок иных типов, которые в нашей стране применяются в достаточно ограниченных масштабах.
В основе штанговых скважинных установок лежит применение насоса объемного действия, который соединен колонной штанг с приводом, располагающимся на поверхности земли. В подавляющем большинстве случаев применяется плунжерный насос с шариковыми нагнетательными и всасывающими клапанами. За последние почти 150 лет развития оборудования, реализующего данный способ, было предложено и внедрено огромное количество конструкций приводов ШСН, основанных на использовании механических, электрических, пневматических и гидравлических передач. Но механи-
Рис. 1. Схема штанговой скважинной насосной установки:
1 - фундамент;
2 - рама;
3 - электродвигатель;
4 - редуктор;
5 - кривошип;
6 - груз уравновешивающий;
7 - шатун;
8 - груз уравновешивающий;
9 - стойка;
10 - балансир;
11 - механизм фиксации головки
балансира;
12 - головка балансира;
13 - канатная подвеска;
14 - устьевой шток;
15 - сальник устьевой;
I - оборудование устья;
II - эксплуатационная колонна,
колонна насосно-компрессорных труб и штанг;
III - штанговый скважинный насос
ческий привод, реализованный в балансирных станках-качалках, основанный на использовании редуктора и рычажного механизма, не уступает своих позиций. Это обусловлено, в частности, тем, что в условиях отечественных промыслов простой и ремонтоспособный механизм в наибольшей степени соответствует менталитету российских нефтяников.
52 \\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\
спонсор номера Q03HQ
\\ № 4 \\ апрель \ 201 3
В процессе работы штанговой насосной установки с любым типом привода необходимо сохранить потенциальную энергию колонны насосных штанг, которую привод поднимает при ходе вверх, а также выровнять нагрузку на двигатель, который при ходе штанг вниз не совершает полезной работы (рис. 1). Поэтому независимо от типа привода присутствие уравновешивающего устройства в приводе штангового насоса обязательно. В противном случае мощность двигателя должна быть увеличена в 3-10 раз, в зависимости от конкретных условий эксплуатации скважины. Применительно к балансирным станкам-качалкам это условие может быть обеспечено, если вес уравновешивающего груза, установленного на балансире, равен весу штанг плюс половина веса столба жидкости, поднимаемого плунжером скважинного насоса. Груз в данном случае является аккумулятором гравитационного типа. Кроме гравитационных аккумуляторов в приводах штанговых насосов применяют пневматические и инерционные.
При наличии уравновешивающего устройства (рис. 2) энергия от колонны штанг при их ходе вниз передается уравновешивающему устройству, а при ходе штанг вверх передается от него к колонне штанг. При этом двигатель развивает постоянную мощность, направляя энергию то к штангам, то к уравновешивающему устройству. Основными недостатками станков-качалок является:
- квадратичная зависимость массы от длины хода, при длине хода штанг более
2 м она составляет более 10 т;
- наличие горизонтальных составляющих сил при работе привода, расшатывающих фундамент;
- необходимость наличия массивного фундамента;
- необходимость в сооружении свайного основания при расположении на неустойчивых грунтах;
- значительный период монтажа станка-качалки при обустройстве скважины и ее ремонте;
- необходимость выполнения ремонтных работ в полевых условиях. Перечисленные недостатки привели к тому, что с 1950-х гг. зарубежные, а затем и отечественные конструкторы пытались использовать объемный гидропривод для перемещения колоны штанг. В России в 60-70-е гг. разработка гидроприводных установок сосредоточилось в АзИНМАШе (Баку) и Московском нефтяном институте им. И.М. Губкина.
Рис.2. Блок-схема штанговой скважинной установки, иллюстрирующая направление потоков энергии при ходе штанг вверх - 1 и вниз - 2. Силовой орган обеспечивает перемещение штанг вверх-вниз (балансир, гидроцилиндр и т.п.); уравновешивающее устройство аккумулирует энергию (груз, пневматический аккумулятор, маховик); привод обеспечивает энергией установку (электродвигатель, ДВС)
Эти работы велись с переменным успехом, внедрялись новые типы приводов, шел поиск комплектующих изделий, отрабатывались наиболее ответственные узлы и детали. Не всегда эти работы сопровождались успехом, что давало повод отдельным «специалистам» утверждать, что на промыслах нет места гидроприводу, а у механических станков-качалок нет альтернативы. В общей сложности на промыслах Краснодарского края, Татарстана и Казахстана эксплуатировалось более 120 гидроприводных установок, использующих в качестве уравновешивающего груза колонну насосно-компрессорных труб. К 1990-м гг. в РФ они были настолько отработаны, что некоторые конструкции были рекомендованы к серийному производству, однако произошедшая перестройка прервала процесс их массового внедрения и создания мощностей по их масштабному изготовлению.
Надежность гидроприводных установок тех лет оставляла желать лучшего. Во время вынужденного перерыва в работах были глубоко проанализированы результаты эксплуатации установок, основные причины отказов. Одним из основных источников отказов являлась система уравновешивания, представлявшая собой отдельный гидроцилиндр с насосом высокого давления и системой клапанов. Как показывает практика, резкое улучшение параметров может быть обеспечено только при внесении коренных изменений в принцип действия машины. Исследовательские и конструкторские работы показали, что существенное увеличение надежности установки может быть до-
стигнуто за счет применения инерционного уравновешивания.
В последние годы интерес к гидравлическим станкам-качалкам возрос, и ряд фирм занялся их проектированием и изготовлением. Это вполне естественный процесс, потому что прогрессивность существующих схем приводов штанговых скважинных насосов ранее не соответствовала уровню их элементной базы. В настоящее время можно говорить об их соответствии, что достигнуто за счет полной гидрофикации оборудования в таких отраслях, как транспортное и дорожностроительное машиностроение, станкостроение. Тут напрашивается некоторая аналогия с проектами Леонардо да Винчи: его оригинальные проекты в XV в. не могли быть реализованы при существовавшем уровне развития машиностроения, химической промышленности и т.п. Потребовалось пять веков, чтобы эти проекты стали реальными. С гидравлическим приводом штанговых насосов проще - потребовалось 50 лет, чтобы насосы, распределители, клапаны и другие элементы гидропривода были усовершенствованы настолько, что появилась возможность на их базе изготавливать реальные машины, эксплуатирующиеся на промыслах без непрерывного контроля обслуживающим персоналом. Кроме того, многократно увеличилась номенклатура гидрофицированных машин, работающих на промыслах, и, соответственно, вырос общий уровень культуры эксплуатации и обслуживания подобного оборудования. Надо отметить, что традиционные конструкции гидравлических приводов, несмотря на их простую принципиальную схему, достаточно сложны и состоят из большого количества узлов и деталей, изготавливаемых с высокой точностью. Уровень квалификации обслуживающего и ремонтирующего персона должен быть в разы выше, чем у работников, связанных с механическими станками-качалками. Существующие гидроприводные установки с пневматическим уравновешиванием включают в себя гидравлическую и пневматическую системы, должны настраиваться в зависимости от режима эксплуатации - диаметра плунжера штангового насоса, диаметра и длины насосных штанг, динамического уровня. Изменение длины хода штанг и числа качаний в них проще, чем в балансирных станках-качалках, но все равно далеко от совершенства. Они должны подвергаться ежегодной ревизии органами Ростехнадзора, поскольку в их конструкции имеются сосуды, работающие под высоким
НАСОСЫ
давлением. Стремление выйти из-под его контроля и использовать аккумуляторы малого объема приводит к значительной неравномерности нагрузки на приводной двигатель. Кроме того, детали пневматических аккумуляторов(разделительная диафрагма или уплотнения поршня-разделителя) нуждаются в периодической замене.
Естественно, хочется иметь такой привод штангового скважинного насоса, который был бы свободен от перечисленных недостатков. И такой привод есть! Это гидроприводные станки с инерционным уравновешиванием. Преимущества этих установок следующие:
• предельная простота по сравнению с гидроприводными установками известных типов;
• короткий срок монтажа - не более 4-5 часов от доставки к скважине до пуска установки;
• отсутствие необходимости в сооружении фундамента - монтаж непосредственно на устье скважины;
• сравнительно большая длина хода -3,5 м, с возможностью увеличения до 6 м;
• нет необходимости в операциях уравновешивания установки;
• большой диапазон чисел качаний (от 0 до 10 ходов в мин.) при сохранении во всем диапазоне значений коэффициента подачи скважинного насоса;
• нет необходимости в уходе за уравновешивающим устройством и в его ремонте. За счет чего достигаются перечисленные преимущества? За счет применения маховика в качестве уравновешивающего устройства. Его применение достаточно эффективно, поскольку он работает в режиме, при котором длительность фаз накопления энергии и ее отдачи составляют десятки секунд и при этом энергия маховика практически не рассеивается. Достаточно очевидно, что чем проще машина, тем она надежней. И простота конструкции должна быть обеспечена прежде всего в тех элементах машины, которые передают наибольшие потоки энергии. За всю историю человечества не изобретено более надежного устройства для накопления энергии, чем груз. Если он движется вверх-вниз, то накапливает потенциальную энергию, если вращается - кинетическую. Однако при одинаковой массе величина энергии, которую он может накопить и отдать, в десятки и сотни раз выше у вращающегося тела, чем у простого груза. Не следует забывать, что в каждом автомобиле, в каждом ДВС имеется маховик, диаметр которого 0,3-
2 м, вращающийся с числом оборотов от 1000 до 5000 и более. Так, например, для уравновешивания балансирного станка-качалки среднего типоразмера необходим вес груза порядка 3000-4000 кгс, а при
использовании маховика - 300-500. Подобное уравновешивающее устройство не требует настройки и регулировки: единожды изготовленное и отбалансированное, оно будет работать весь срок службы устройства, не нуждаясь в обслуживании и ремонте.
Принцип работы штанговой установки может быть проиллюстрирован схемой (рис. 3).
Установка с динамическим уравновешиванием включает приводной гидравлический цилиндр 1, поршень 2 которого посредством штока 3, устьевого штока 17 и колонны штанг 16 соединен с плунжером 15 скважинного насоса, цилиндр 14 которого подвешен на колонне 13. Привод установки осуществляется двигателем 7, вращающим вал силового мотор-насоса 5, на котором установлен маховик 6. Гидравлическая схема состоит из силового золотника 4, переливного 11, разгрузочного 8, обратного 10 клапанов, бака 12, а также системы реверсирования, фильтрации и т.п. В электрическую цепь двигателя включено реле тока 9, управляющее электромагнитным приводом разгрузочного клапана 8. Он служит для уменьшения нагрузки на двигатель при его запуске.
При движении штанг вверх энергия для подъема столба жидкости и колонны штанг подводится от электродвигателя
Диаграмма «О - Н» установки СКГИ-60
Глубина подвески ШСН, м
Рис. 3. Схема штанговой насосной установки с динамическим Рис. 4. Область применения установки СКГИ-60 уравновешиванием
54 \\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\
спонсор номера доОЭНО
\\ № 4 \\ апрель \ 201 3
Фото. Опытный образец установки с инерционным уравновешиванием
Таблица. Характеристики удельной энергоемкости уравновешивающих устройств различных типов, применяемых в штанговых насосных установках
Способ уравновешивания Грузовое Пневматическое Инерционное
Удельная энергия, кДж/кг 1-6 28-30 200
и маховика (рис. 2). При ходе штанг вниз потенциальная энергия штанг посредством гидропривода преобразуется в кинетическую энергию маховика, который ее запасает. Помимо этого, при ходе штанг вниз электродвигатель также передает свою энергию маховику. В результате мощность, развиваемая двигателем, постоянна и минимальна.
Два опытных прототипа установки были изготовлены в 1994 г. и испытаны в ПО «Когалымнефтегаз». Характеристики установок следующие:
• длина хода максимальная - 3,5 м,
• максимальная нагрузка в точке подвеса штанг - 60 кН,
• мощность приводного двигателя -
13 кВт,
• масса установки - 1800 кг,
• число двойных ходов точки подвеса штанг - 0-5 мин-1,
• габариты - 8 х 2 х 2 м.
Способ уравновешивания - динамический, с помощью маховика.
Способ монтажа - на устье скважины, без специального фундамента.
Для монтажа установки необходим кран с высотой подъема крюка 9 м при условии предварительного спуска в скважину насоса, колонны НКТ, колонны штанг с устьевым штоком и монтажа узла его уплотнения, входящего в комплект поставки.
Область применения установки с подобной характеристикой характеризуется диаграммой - Н» (рис. 4).
Установки успешно эксплуатировались в течение года, при этом был выявлен ряд замечаний, не касающихся силовой части и уравновешивающего устройства. Они касались приспособления для монтажа установки и ее первоначального запуска. Эти замечания были устранены, однако дальнейшие работы были прекращены из-за возникших организационных проблем в период перестройки.
В настоящее время помимо моноблочной конструкции (фото) разработаны установки с отдельным блоком привода. При этом на скважине монтируется только силовой орган (гидроцилиндр), а привод с уравновешивающим устройством и баком - в отдельном компактном блоке. В гидравлической системе используются импортные комплектующие. Для кратковременной эксплуатации скважин (1-2 месяца) может быть использовано автономное исполнение установки с использованием в качестве приводного двигателя дизеля.
Данное исполнение подразумевает монтаж привода в утепленном балке, обеспечивающем удобную эксплуатацию двигателя и обслуживание гидравлической системы при низких температурах. Предпочтительными областями применения установки СКГИ-60 помимо постоянной эксплуатации являются пробная эксплуатация скважин, работа на удаленных и труднодоступных скважинах, где отсутствуют электроснабжение, вызов притока на скважинах после проведения капитального ремонта и исследование скважин.
Характерными особенностями установки помимо перечисленных выше положительных свойств являются:
• нормирование усилия в точке подвеса штанг;
• возможность работы в режиме постоянного дебита;
• возможность работы при обеспечении постоянного динамического уровня;
• регулирование дебита скважины при вводе ее в эксплуатацию;
• возможность плавного регулирования числа двойных ходов точки подвеса штанг в широком диапазоне от 0 до максимума;
• обеспечение постоянства коэффициента подачи насоса и, соответственно, общего КПД, при любом числе качаний;
• отсутствие необходимости в периодическом выполнении работ по центровке привода относительно оси скважины.
Ключевые слова: штанговая скважинная насосная установка, гидравлический привод штангового насоса, способы уравновешивания, инерционное уравновешивание, область применения.
