CC BY
121
УДК [622.24.053:621.665] :621.548-854
Н. Д. Шишкин, И. С. Терентъев
ВИНТОВЫЕ ШТАНГОВЫЕ НАСОСНЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ С ПРИВОДОМ ОТ ВЕРТИКАЛЬНО-ОСЕВЫХ ВЕТРОДВИГАТЕЛЕЙ
Выполнена оценка преимуществ винтовых штанговых насосных установок (ВШНУ). Рассмотрена конструкция ВШНУ с верхним приводом для добычи высоковязкой нефти с большим содержанием попутного газа. Предложена конструкция ВШНУ от комбинированного вертикально-осевого ветродвигателя (КВОВД) на основе роторов Дарье и Савониу-са. Расчеты показали, что при увеличении скорости ветра с 2 до 10 м/с и ометаемой площади с 5 до 20 м2 мощность КВОВД возрастает с 8 до 4,5 кВт. Согласно расчетам, при типичной для ВШНУ подаче от 3 до 50 м3/сут, давлении 10-15 МПа и КПД равном 0,50, мощность ВШНУ с приводом от КВОВД составляет 0,78-8,68 кВт, а площадь сечения ветродвигателя -4,7-52,5 м2, т. е. имеет вполне приемлемые значения. Годовая экономия электроэнергии при коэффициенте использования установленной мощности 0,2 для этих значений мощности КВОВД составит от 1370 до 15200 кВт • ч/год, годовая экономия - от 8,2 до 91,2 тыс. руб./год, а срок окупаемости по предварительным оценкам не превысит 3-5 лет.
Ключевые слова: винтовые насосы, привод насосных установок, добыча нефти, нефтяные промыслы, верхний привод, ветродвигатели, роторы Дарье, роторы Савониуса, комбинированные ветродвигатели.
Введение
Винтовые штанговые насосные установки (ВШНУ) для отбора пластовых жидкостей из глубоких нефтяных скважин появились на нефтепромысловом рынке в начале 80-х гг. ХХ в. в США и во Франции [1]. В настоящее время, как в России, так и за рубежом, винтовые штанговые насосы (ВТТТН) в составе ВШНУ стали достаточно широко применяться для замены сква-жинных штанговых насосных установок на скважинах с небольшим дебитом нефти для добычи высоковязкой нефти с большим газовым фактором. В России использование поверхностно-приводных ВШНУ пока ограничено, но за рубежом достигло высокого уровня. Так, в Канаде уже более 33 % скважин эксплуатируются ВШНУ с поверхностным приводом [2]. Следует отметить, что резкое снижение цен на нефть в конце 2015 г. (до 30-40 долл. США/барр.) сделало весьма актуальным снижение себестоимости добычи нефти, в частности и за счет уменьшения энергозатрат на привод насосных установок. В этой связи одним из наиболее рациональных вариантов может быть использование для верхнего привода ВШНУ применение ветродвигателей, в частности вертикально-осевых (ВОВД), которые ранее предлагались для выработки электрической и тепловой энергии [3-5].
Целью исследований являлась разработка энергоэкономичной ВШНУ для добычи нефти с использованием для привода ветровой энергии. Задачи исследования - оценка преимуществ и конструкций ВШНУ, оценка конструкции ВШНУ с приводом от ВОВД и основных технических и технико-экономических параметров этой установки.
Основные результаты исследования
Причиной достаточно широкого применения ВШНУ служат их технико-экономические преимущества по сравнению с другими механизированными способами добычи нефти: простота конструкции и малая масса привода; отсутствие необходимости в возведении фундамента под привод установки; простота транспортировки, монтажа и обслуживания; возможность откачки пластовых жидкостей высокой вязкости и ликвидации повышенного газосодержания; уравновешенность привода, постоянство нагрузок, действующих на штанги, равномерность потока жидкости, снижение энергозатрат и мощности приводного двигателя, минимальное эмульгирующее воздействие на откачиваемую жидкость; отсутствие клапанов в скважинном насосе.
Рассмотрим устройство и основные параметры ВШНУ. В состав установки входит сква-жинное и наземное оборудование (рис. 1). Скважинное оборудование включает: полированный шток 5, передающий вращение от привода на штангу 6, центратор 7 и далее - на основные части винтового наоса - вращающийся ротор 8, размещаемый в неподвижном статоре 9 [1]. Наземное оборудование устанавливается на трубной головке 4 и предназначено для преобразо-
вания энергии приводного электродвигателя 11 в механическую энергию вращающейся колонны штанг 6. Для уменьшения частоты вращения с 1500 до 100-300 об ./мин используется клино-ременная или зубчатая передача.
Рис. 1. Установка винтового штангового насоса: 1, 2 - приводная головка; 3 - превентор; 4 - трубная головка; 5 - полированный шток;
6 - штанга; 7 - центратор; 8 - ротор; 9 - статор; 10 - палец; 11 - электродвигатель
К настоящему времени создано большое количество типоразмеров ВШНУ с диапазоном подач от 0,5 до 1000 м3/сут и давлением от 6 до 30 МПа [1, 2]. Винтовые насосы работоспособны в следующих условиях: в наклонно направленных скважинах с углом кривизны до 28° при содержании механических примесей до 1000 мг/л, газовом факторе до 85 м3/м3, наличии пара-финоотложений, температуре воздуха на поверхности до минус 45 °С. Применение ВШНУ позволяет снизить металлоемкость поверхностного привода, ускорить монтаж, сократить затраты на капитальное строительство и обустройство месторождений с малодебитными скважинами.
Нами предлагается агрегирование КВОВД непосредственно с полированным штоком для передачи вращательного движения на ВШН (рис. 2). Через муфту сцепления 2 КВОВД 1 передает вращение на полированный шток и далее на ВШН. В периоды безветрия привод ВШН осуществляется за счет вращательного движения, передаваемого от электродвигателя 3 через редуктор 4. Для герметизации поверхностного оборудования используется сальниковое уплотнение 5. Скважинное оборудование 6 более детально было показано ранее на рис. 1. Предлагаемый агрегат позволит существенно снизить затраты электроэнергии, что особенно важно для нефтяных промыслов, удаленных от источников электроснабжения.
3 4
Рис. 2. Агрегирование КВОВД с ВШНУ: 1 - КВОВД; 2 - муфта сцепления; 3 - электродвигатель; 4 - редуктор;
5 - сальниковое уплотнение; 6 - скважинное оборудование
Рядом авторов были исследованы параметры роторов Дарье и Савониуса [6-11], однако в литературе отсутствуют данные о параметрах комбинированных ветродвигателей на их основе. Для определения полезной мощности КВОВД на основе ротора Дарье и вспомогательного ротора Савониуса для самозапуска установки может быть использована известная универсальная формула [6, 7]:
^квовд ~ 0,50 сквовд р^ду 3
(1)
где СКВОВд - коэффициент мощности ротора КВОВД; р - плотность воздуха; 5Д - площадь сечения ветрового потока (ометаемая площадь), проходящего через роторы Дарье и Савониуса; V - скорость ветрового потока.
Коэффициент мощности (энергетический КПД) КВОВД может быть при одинаковой высоте лопастей роторов Дарье и Савониуса определен по предлагаемой нами формуле:
сквовд _ 0,50 снд
(1 _ £с_) + с
Б
ад
Д
Бт
(2)
где Сщ, Смс - энергетические КПД роторов Дарье и Савониуса; Бс, Бд - диаметры роторов Савониуса и Дарье.
Расчеты по формуле (2) при оптимальном соотношении диаметров роторов Савониуса и Дарье, равном 0,20 [5], позволили получить значение энергетического КПД ротора КВОВД равное 0,36, что лишь ненамного ниже значения КПД для ВОВД с ротором Дарье равного 0,40 [8, 10].
Зависимость полезной мощности комбинированной установки от скорости воздушного потока и ометаемой площади ротора представлена на рис. 3.
1
Ы, кВт
4,5 4 3,5
3 2,5 2 1,5 1 0,5 0
✓
✓
/
*
-
5 = 5 м2
V, м/с
5 = 10 м
5 = 20 м
Рис. 3. Зависимость полезной мощности КВОВД от скорости воздушного потока и ометаемой площади ротора
Как видно из рис. 3, при увеличении скорости ветра с 2 до 10 м/с и ометаемой площади с 5 до 20 м2 мощность КВОВД возрастает с 8 Вт до 4,5 кВт. Например, при номинальной скорости ветра 9 м/с, типичной для ветродвигателя малой мощности и ометаемой площади 20 м2 номинальная мощность составит 3,4 кВт.
Мощность ВШНУ с приводом от КВОВД может быть определена по известной формуле [1]:
* _-РО- (3)
вшну ' v-'/
"Лвшну
где Р, Q, ^ВШНУ - давление, подача и КПД ВШНУ.
Как отмечается в [1], чаще всего ВШНУ применяются для дебитов (подач) от 3 до 50 м3/сут и напора до 1000-1500 м водяного столба (давления 10-15 МПа), а КПД ВШНУ составляет 0,50. Расчеты по формуле (3) показывают, что с учетом меньшей, чем у воды плотности нефти, составляющей в среднем 750 кг/м3, для указанных выше значений подач и давления мощность ВШНУ с приводом от КВОВД составляет от 0,78 до 8,68 кВт.
Из формулы (1) может быть выражена площадь сечения ветрового потока, проходящего через ротор КВОВД:
2 N
£ _ КВОВД
Д С оГ3' (4)
КВОВД
Расчеты по формуле (4) показывают, что при увеличении мощности от 0,78 до 8,68 кВт площадь сечения КВОВД при скорости ветра 9 м/с возрастает от 4,7 до 52,5 м2, т. е. имеет вполне приемлемые значения.
Согласно расчетам, при среднем коэффициенте использования установленной мощности 0,2 для этих значений мощностей КВОВД годовая экономия электроэнергии достигнет 1370-15200 кВт • ч/год, годовая экономия составит 8,2-91,2 тыс. руб./год, а срок окупаемости по предварительным оценкам не превысит 3-5 лет.
В дальнейшем следует уточнить параметры КВОВД, работающей совместно с ВШНУ, т. к. непостоянство скорости ветра потребует повышения установленной мощности КВОВД, кроме того, следует учесть необходимость увеличения вращающего момента при пуске КВОВД.
Заключение
В заключение необходимо отметить следующее.
1. Резкое снижение цен на нефть в конце 2015 г. (до 30-40 долл. США/барр.) сделало весьма актуальным снижение себестоимости добычи нефти, в частности и за счет уменьшения энергозатрат на привод насосных установок.
2. Предлагается агрегирование КВОВД непосредственно с полированным штоком для передачи вращательного движения на ВШН. В периоды безветрия привод ВШН осуществляется за счет вращательного движения, передаваемого от электродвигателя через редуктор.
3. Расчеты показывают, что при увеличении скорости ветра с 2 до 10 м/с и ометаемой площади с 5 до 20 м2 мощность КВОВД возрастает с 8 Вт до 4,5 кВт. Например, при номинальной скорости ветра 9 м/с, типичной для ветроэнергоустановки малой мощности и ометаемой площади 20 м2 номинальная мощность составит 3,4 кВт.
4. Чаще всего ВТТТНУ применяются для дебитов (подач) от 3 до 50 м3/сут и давления 10-15 МПа, а КПД ВТТТНУ составляет 0,50. Расчеты показывают, что для этих значений подач и давлений мощность ВТТТНУ с приводом от КВОВД составляет от 0,78 до 8,68 кВт, а площадь сечения ветрового потока - от 4,7 до 52,5 м2, т. е. имеет вполне приемлемые значения.
5. Годовая экономия электроэнергии при коэффициенте использования установленной мощности 0,2 для этих значений мощностей КВОВД составит от 1370 до 15200 кВт • ч/год, годовая экономия - от 8,2 до 91,2 тыс. руб./год, а срок окупаемости, по предварительным оценкам, не превысит 3-5 лет.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ивановский В. Н., Дарищев В. И., Сабиров А. А. Скважинные насосные установки для добычи нефти. М.: Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, 2002. 824 с.
2. Сидоркин Д. И. Совершенствование методов расчета штангового привода винтовой насосной установки: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Уфа: УГНТУ, 2013. 129 с.
3. Герлов В. С., Шишкин Н. Д. Исследование параметров ортогональных ветроэнергоустановок для нефтедобывающих платформ // Новейшие технологии освоения месторождений углеводородного сырья и обеспечения безопасности экосистем каспийского шельфа: материалы IV Междунар. науч.-практ. конф. Астрахань: Изд-во АГТУ, 2013. С. 118-122.
4. Герлов В. С., Шишкин Н. Д. Исследование параметров механических ветротеплогенераторов для теплоснабжения автономных объектов // Материалы 9-й Междунар. науч.-техн. конф. студ., аспирантов и молодых учёных «Энергия-2014» (Иваново, 11-17 апреля 2014 г.). Иваново: Изд-во ИГЭУ, 2014. С. 73-76.
5. Шишкин Н. Д. Эффективное использование возобновляемых источников энергии для автономного теплоснабжения различных объектов: моногр. Астрахань: Изд-во АГТУ, 2012. 208 с.
6. Абрамовский Е. Р., Городько С. В., Свиридов Н. В. Аэродинамика ветродвигателей: учеб. пособие. Днепропетровск: ДГУ, 1987. 220 с.
7. Турян К., Стриклэнд Дж. Мощность ветроэнергетических установок с вертикальной осью вращения // Аэрокосмическая техника. 1988. № 8. С. 100-115.
8. Соломин Е. В. Методология разработки и создания вертикально-осевых ветроэнергетических установок: моногр. Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2011. 324 с.
9. Баклушин П. Г., Вашкевич К. П., Самсонов В. В. Экспериментальное исследование аэродинамических характеристик ортогональных крыльчатых ветроколес // Сб. науч. тр. Гидропроекта. Вып. 5. Ветроэнергетические станции. М., 1988. С. 98-105.
10. Горелов Д. Н. Энергетические характеристики ротора Дарье (обзор) // Теплофизика и аэромеханика. 2010. Т. 17, № 3. С. 325-333.
11. Моди Ф. Характеристики ветродвигателя Савониуса // Современное машиностроение. Сер. А. 1989. № 10. С. 139-148.
Статья поступила в редакцию 16.05.2016
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Шишкин Николай Дмитриевич - 414056, Россия, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; д-р техн. наук, профессор; зав. Лабораторией нетрадиционной энергетики Саратовского научного центра Российской академии наук (при Астраханском государственном техническом университете); n.shishkin-53@mail.ru.
Терентьев Илья Сергеевич - 414056, Россия, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов; tis_han@mail.ru.
N. D. Shishkin, I. S. Terentiev
SCREW-SHAPED SUCKER ROD PUMPING UNITS DRIVEN BY VERTICAL AXIS WIND TURBINE FOR OIL EXTRACTION
Abstract. The evaluation of the advantages of screw rod pumping units (SRPU) is made. The design of top-driven SRPU for extraction of high-viscosity oil with a high content of casing head gas is considered. The design of the SRPU driven with the combined vertical-axis wind turbine (CVAWT) based on the Darrieus and Savonius rotors is presented. The calculations showed that with the increase in wind speed from 2 to 10 m/s and in swept area from 5 to 20 m2 CVAWT power increases from 8 to 4.5 kW. According to the calculations at typical for SRPU blowing from 3 to 50 m3/day, a pressure 10-15 MPa and efficiency equal to 0.50, the power of SRPU driven with CVAWT ranges from 0.78 to 8.68 kW, and the cross-sectional area of a wind turbine - from 4.7 to 52.5 m2, i. e. it has quite acceptable values. Annual energy savings with the capacity factor of 0.2 for these values of CVAWT power will range from 1370 to 15200 kW • h/y, the annual saving will be from 8.2 to 91.2 thousand rub/y and the payback period, according to preliminary estimations, will not exceed 3-5 years.
Key words: screw-shaped pumps, pumping unit drive, oil extraction, oil fields, top drive, wind turbines, Darrieus rotors, Savonius rotors, combined wind turbines.
REFERENCES
1. Ivanovskii V. N., Darishchev V. I., Sabirov A. A. Skvazhinnye nasosnye ustanovki dlia dobychi nefti [Down-hole pumping units for oil extraction]. Moscow, Izd-vo «Neft' i gaz» RGU nefti i gaza im. I. M. Gubkina, 2002. 824 p.
2. Sidorkin D. I. Sovershenstvovanie metodov rascheta shtangovogo privoda vintovoi nasosnoi ustanovki. Avtoreferat dis. ... kand. tekhn. nauk [Improvement of the methods of calculation of sucker-rod drive of screw-shaped pumping unit. Abstract of dis. cand. tech. sci.]. Ufa, UGNTU, 2013. 129 p.
3. Gerlov V. S., Shishkin N. D. Issledovanie parametrov ortogonal'nykh vetroenergoustanovok dlia neftedobyvaiushchikh platform [Study of parameters of orthogonal windmills for oil platforms]. Noveishie tekhnologii osvoeniia mestorozhdenii uglevodorodnogo syr'ia i obespecheniia bezopasnosti ekosistem kaspiiskogo shel'fa. Materi-alyIV Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii. Astrakhan, Izd-vo AGTU, 2013. P. 118-122.
4. Gerlov V. S., Shishkin N. D. Issledovanie parametrov mekhanicheskikh vetroteplogeneratorov dlia tep-losnabzheniia avtonomnykh ob"ektov [The study of mechanical parameters for heating wind generarors of autonomous objects]. Materialy 9-i Mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii studentov, aspirantov i molodykh uchenykh «Energiia-2014» (Ivanovo, 11-17 aprelia 2014 g.). Ivanovo, Izd-vo IGEU, 2014. P. 73-76.
5. Shishkin N. D. Effektivnoe ispol'zovanie vozobnovliaemykh istochnikov energii dlia avtonomnogo teplos-nabzheniia razlichnykh ob "ektov [Effective usage of renewable sources of energy for autonomous heat supply of different objects]. Astrakhan, Izd-vo AGTU, 2012. 208 p.
6. Abramovskii E. R., Gorod'ko S. V., Sviridov N. V. Aerodinamika vetrodvigatelei [Aerodynamics of wind turbines]. Dnepropetrovsk, DGU, 1987. 220 p.
7. Turian K., Striklend Dzh. Moshchnost' vetroenergeticheskikh ustanovok s vertikal'noi os'iu vrashcheniia [Power of wind energy units with vertical axis of rotation]. Aerokosmicheskaia tekhnika, 1988, no. 8, pp. 100-115.
8. Solomin E. V. Metodologiia razrabotki i sozdaniia vertikal'no-osevykh vetroenergeticheskikh ustanovok [Methods of development and designing of vertical-axis wind energy units]. Chelyabinsk, Izd-vo IuUrGU, 2011. 324 p.
9. Baklushin P. G., Vashkevich K. P., Samsonov V. V. Eksperimental'noe issledovanie aerodinamicheskikh kharak-teristik ortogonal'nykh kryl'chatykh vetrokoles [Experimental studies of aerodynamic characteristics of orthographic vane wind wheels]. Sborniknauchnykh trudov Gidroproekta. Iss. 5. Vetroenergeticheskie stantsii. Moscow, 1988. P. 98-105.
10. Gorelov D. N. Energeticheskie kharakteristiki rotora Dar'e (obzor) [Power characteristics of Darrieus rotor (review)]. Teplofizika i aeromekhanika, 2010, vol. 17, no. 3, pp. 325-333.
11. Modi F. Kharakteristiki vetrodvigatelia Savoniusa [Characteristics of Savonius wind turbine]. Sov-remennoe mashinostroenie. Seriia A, 1989, no. 10, pp. 139-148.
The article submitted to the editors 16.05.2016 INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Shishkin Nickolay Dmitrievich - 414056, Russia, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Doctor of Technical Sciences, Professor; Head of the Laboratory of Alternative Power Engineering of Saratov Research Center of the Russian Academy of Sciences (attached to Astrakhan State Technical University); n.shishkin-53@mail.ru.
Terentiev Ilya Sergeevich - 414056, Russia, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department of Machines and Equipment of Oil and Gas Fields; tis_han@mail.ru.
