авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Повышение эффективности работы винтовых насосных установок в малопродуктивных скважинах при низких частотах вращения

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ТИМАШЕВ ЭДУАРД ОЛЕГОВИЧ



повышение эффективности работы винтовых насосных установок в малопродуктивных скважинах при низких частотах вращения

Специальность 05.02.13 – «Машины, агрегаты и процессы» (нефтегазовая отрасль)

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Уфа - 2009

Работа выполнена на кафедре нефтегазопромыслового оборудования

Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Ямалиев Виль Узбекович.
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Уразаков Камил Рахматуллович; кандидат технических наук Вагапов Самат Юнирович.
Ведущая организация Институт ТатНИПИнефть ОАО «Татнефть».

Защита состоится 20 ноября 2009 года в 15.30 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.289.05 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан « 20 » октября 2009 года.

Учёный секретарь совета Лягов А.В.

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Наиболее распространённым в Российской Федерации механизированным способом добычи нефти в малопродуктивных скважинах являются штанговые скважинные установки (УСШН) и низкодебитные установки электроцентробежных насосов (УЭЦН), зачастую работающие с остановками на приток.

Основной проблемный вопрос эксплуатации малопродуктивного фонда скважин, оборудованных УЭЦН, заключается в более высоком уровне затрат на тонну добываемой нефти. Применение УСШН не всегда позволяет сохранить текущий уровень добычи в связи с ограничениями по вязкости добываемого флюида и нагрузок по глубине спуска насоса. При добыче жидкостей повышенной вязкости, с высоким содержанием механических примесей и газа, применение традиционных механизированных способов малоэффективно.

Для добычи нефти из скважин с осложненными условиями разработаны установки электровинтовых насосов с погружным электродвигателем (УЭВН) и винтовые насосы с поверхностным приводом (УВНП), обладающие целым рядом преимуществ по сравнению с насосами других типов.

При всех достоинствах УЭВН высокая скорость вращения погружного двигателя накладывает дополнительные риски по эксплуатации в малопродуктивных скважинах вследствие перегрева и износа обоймы. Применение винтовых насосов с поверхностным приводом ограничивается высоким уровнем потерь на вязкое трение и большим количеством отказов штанговой колонны при работе на повышенных частотах вращения, в связи с этим наибольший практический интерес представляет решение задач по оптимизации их работы в малопродуктивных скважинах.





Цель работы совершенствование винтовых насосных установок с многозаходными винтовыми парами для эксплуатации малопродуктивных скважин.

Основные задачи исследования

  1. Анализ опыта эксплуатации винтовых насосов, классификация винтовых насосов для добычи нефти. Постановка задачи исследований.
  2. Разработка стенда специальной конструкции для проведения исследований многозаходных насосных пар.
  3. Обоснование кинематического отношения рабочих органов, обеспечивающего эффективную работу насоса при низких частотах вращения винта. Проведение стендовых исследований напорных и энергетических характеристик многозаходных винтовых насосных пар при изменении давления, вязкости жидкости, натяга и частоты вращения, оптимизация режима работы насосных установок.
  4. Исследование влияния вязкости жидкости и натяга на крутящий момент и осевую силу винтового насоса. Оценка эффективности работы винтовых пар, с обоймами из различных марок эластомеров.

Научная новизна

  1. Экспериментально установлен оптимальный коэффициент натяга в пределах от 0,002 до 0,014, обеспечивающий работу винтовых насосных пар с кинематическим отношением 5:6 с максимальным КПД.
  2. Получены эмпирические зависимости подачи, напора, потребляемой мощности многозаходных винтовых насосов от частоты вращения в диапазоне от 20 до 180 об/мин.
  3. Установлена зависимость объемного КПД от частоты вращения винтовых многозаходных насосов с кинематическим отношением 5:6 и числом шагов 4, 5, 8, 10.

Методы решения поставленных задач

Поставленные задачи решались с применением стендовых экспериментальных исследований, статистического анализа промысловых

данных и теоретических расчетов.

На защиту выносятся результаты экспериментальных и аналитических исследований многозаходных винтовых насосных пар с кинематическим отношением 5:6 при низких частотах вращения винта.

Практическая ценность

  1. Разработана конструкция стенда для испытаний винтовых насосов, на котором в ООО «НПП «Винтовые системы» проведены стендовые испытания винтовых пар.
  2. Работоспособность винтовых насосных пар подтверждена промысловой эксплуатацией на Чибьюском месторождении ООО «Нефтяная компания «Дельта-Нафта» при низких частотах вращения винта и штанговой колонны.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались на 55-58 научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых (г. Уфа, УГНТУ, 2004-2007гг.), Межвузовской научно-методической конференции (г. Октябрьский, 2004г.), II Всероссийской учебно-научно-методической конференции (г. Уфа, 2004г.), VI, VIII конференциях молодых специалистов организаций, осуществляющих виды деятельности, связанной с пользованием участками недр на территории Ханты-Мансийского автономного округа – Югры (г. Ханты-Мансийск, 2006, 2008гг.).

Публикации

Основное содержание диссертации опубликовано в 11 печатных работах, в том числе 4 научных статьях, 6 материалах на научно-технических конференциях, в том числе 2 статьи опубликованы в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ, получен 1 патент РФ.

Объём и структура работы

Диссертация состоит из введения, 3 глав, основных выводов, списка использованной литературы из 104 наименований, содержит 115 страниц машинописного текста, 38 рисунков, 29 таблиц и приложения на 5 страницах.

Автор выражает благодарность сотрудникам и директору ООО «НПП «Винтовые системы» к.т.н. А.Р.Броту, а также коллективу кафедры нефтегазопромыслового оборудования за помощь в подготовке работы.

Основное содержание работы

Во введении приводится обоснование актуальности диссертационной работы, определены цель и основные задачи исследования, научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе диссертационной работы представлен анализ современного состояния техники и технологии эксплуатации винтовых насосов для добычи нефти, классификация винтовых насосных установок для добычи нефти.

Вопросами совершенствования конструкций винтовых насосных установок для повышения наработки и производительности посвящены исследования специалистов различных российских и зарубежных научных организаций и производственных предприятий, таких как Уфимский государственный нефтяной технический университет, Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина, ООО «ВНИИБТ - Буровой инструмент», ООО «НПП «Винтовые системы», ОАО «Ливгидромаш», Weatherford (США), Robbins & Myers Energy Systems Inc. (США), PCM (Франция), Netzsch (Германия), Kudu industries Inc. (Канада).

Существенный вклад в разработку и совершенствование конструкций винтовых насосных установок в разное время внесли: Балденко Д.Ф., Балденко Ф.Д., Батищев О.В., Брот А.Р., Виноградов Д.Г., Габдрахимов М.С., Зубаиров С.Г., Казак А.С., Конюхов И.Н., Крылов А.В., Рязанцев В.М., Султанов Б.З., Уразаков К.Р. и другие авторы.

Технико-экономические предпосылки широкого применения УВНП связаны с изменением условий эксплуатации скважин и преимуществами по сравнению с другими механизированными способами добычи нефти. По сравнению с УСШН: простота конструкции, отсутствие необходимости возведения свайного поля, минимальные массогабаритные показатели привода, снижение затрат на транспортные расходы; возможность откачки жидкостей высокой вязкости и повышенного газосодержания. По сравнению с УЭВН: возможность эксплуатации низкодебитных скважин, нет необходимости охлаждения погружного электродвигателя, простота конструкции насоса, низкая стоимость по причине наземного расположения приводного двигателя.

В рамках исследований условий эксплуатации проведен статистический анализ отказов УВНП. На основе метода Парето выявлено, что основную долю составляют отказы, связанные с вращательной колонной и погружным винтовым насосом.

Проведенный анализ показал, что наработку винтовых насосов можно значительно увеличить за счет уменьшения рабочих частот вращения и использования обойм, изготовленных из эластомеров, состав которых выбран исходя из конкретных скважинных условий, в частности, физико-химических свойств пластовой жидкости.

В настоящее время наиболее изучены и освещены в литературе рабочие характеристики одновинтовых насосов героторного типа при средних и высоких частотах вращения винта в диапазоне от 300 до 3000 об/мин.

Рабочие параметры многозаходных одновинтовых насосов при работе на низких частотах вращения исследованы недостаточно. В работах Балденко Д.Ф., Брота А.Р., Рязанцева М.В. приведены рекомендации, согласно которым оптимальными частотами вращения штанговой колонны являются частоты до 300 об/мин. На низких частотах увеличивается ресурс винтовой пары, снижаются риски усталостного и абразивного износа, снижается рабочая температура насоса. В связи с этим наибольший практический интерес представляют исследования рабочих параметров насосов при низких частотах вращения винта.

Обзор выполненных исследований показал, что наличие эксплуатационных ограничений для различных элементов установок винтовых насосов и многообразие геолого-технических условий обусловливает необходимость создания научно обоснованных рекомендаций по эксплуатации одновинтовых многозаходных насосов с поверхностным приводом на низких частотах вращения, технологий и областей их применения для эффективной работы.

Во второй главе рассмотрены исследования винтовых насосов при низких частотах вращения винта. Для этого был разработан стенд, представленный на рисунке 1, на конструкцию которого получен патент РФ. Стенд позволяет производить сборку, испытания и обкатку винтовых насосов, и включает привод с электродвигателем, редуктор, раму, гидравлическую систему, систему измерения и регистрации параметров насоса, систему управления стендом с тиристорным преобразователем частоты, систему охлаждения рабочей жидкости.

Напорная часть гидравлической системы расположена между испытуемым винтовым насосом и редуктором с образованием гидравлической полости, ограниченной полым валом, расположенным во внутренней полости выходного вала редуктора, и корпусом напорной части, жестко связанным с обоймой испытуемого винтового насоса. Внутри полого вала и корпуса напорной части находится гибкий вал, установленный с возможностью осевого перемещения относительно полого вала с передачей вращения. Гибкий вал кинематически связывает винт испытуемого винтового насоса с валом редуктора и подвержен действию крутящего момента, растягивающих или сжимающих осевых сил, изгибающих моментов.

При проектировании стенда в соответствии с условиями нагружения, произведены расчеты гибкого вала на статическую и циклическую прочность, выбран материал изготовления и диаметр гибкого вала.

Основными отличиями конструкции стенда от аналогов являются:

- корпус напорной части, установленный с возможностью вращения, снабжен штурвалом для сборки и разборки насосов;

1 – редуктор, 2 - электродвигатель, 3 - клиноремённая передача, 4 - мерная ёмкость, 5 - сливной кран, 6 - основная ёмкость, 7 - корпус напорной части, 8 - штурвал, 9 - гибкий вал, 10 - полый вал, 11 - насос, 12, 14 - динамометры, 13 - подшипник, 15 - направляющие, 16 - стойки, 17 - система измерения и регистрации параметров насоса, 18 - фильтр, 19 -напорный рукав, 20 - регулятор давления, 21, 22 - манометры, 23 - вакуумметр, 24 – замерная линия, 25 - стравливающая линия,26 - подводящий рукав, 27 - датчик температуры, 28 - система управления стендом, 29 - устройство для охлаждения рабочей жидкости, 30 - рама

Рисунок 1 – Схема стенда для испытаний винтовых насосов

- гидравлическая система снабжена регулятором давления и устройством охлаждения рабочей жидкости;

- на раме размещены динамометры, кинематически связанные с обоймой и винтом испытуемого насоса.

Для избежания ошибок, влекущих за собой излишнюю затрату средств и потерю времени условия работы винтовой пары предварительно изучены на экспериментальной модельной жидкости. Для этого геометрические размеры модели, выбор моделирующей среды и ее физических параметров, скоростей должны быть подчинены условиям, излагаемым в теории подобия («-теореме»), в соответствии с критерием подобия Рейнольдса, числом Фруда, критерием гомохронности.

Подобие потоков в реальном трубопроводе и в моделируемой трубе требует одновременно выполнения условий для чисел Рейнольдса и Фруда или условий для коэффициентов подобия. Последнее возможно только тогда, когда масштабы линейных размеров и вязкостей находятся в следующем соотношении:

= 1, (1)

где kL – коэффициент подобия геометрических размеров;

k – коэффициент подобия вязкости жидкости.

Для расчета кинематической вязкости требуемой модельной среды уравнение (1) примет вид

мод. = , (2)

где 1 – кинематическая вязкость пластовой жидкости, мм2/с.

Для расчета принимаем L1 = 0,050 м (внутренний диаметр насосно-комрессорной трубы 60 мм в реальных условиях, с толщиной стенки 5 мм), L2 = 0,016 м (диаметр сечения трубки на выкиде). Согласно (2) кинематическая вязкость требуемой модельной среды:

мод = = 1,05810-6 м2/с.

Путем проведения моделирования процесса течения по данным критериям установлено, что в качестве модельной среды можно применить среду «вода-масло», при температуре 20С и кинематической вязкости модельной среды мод. = 1,01 мм2/с, которая будет подобна промысловому флюиду «вода–нефть» при кинематической вязкости флюида = 9 мм2/с.

В качестве объектов исследований выбраны одновинтовые опытные насосы Н1 с кинематическим отношением 5:6, числом шагов 4 (Н1-4), 5 (Н1-5), 8 (Н1-8), 10 (Н1-10), по следующим причинам: увеличенный рабочий объем, уменьшенный осевой габарит, возможность поддержания высоких давлений при пониженной частоте вращения. Для изготовления обойм насосов использовались эластомеры (резины) двух марок: для Н1-4, Н1-8 с условным названием марки И-5, а для Н1-5, Н1-10 - марки В-1.

По результатам входного контроля, произведенных замеров и предварительных испытаний подготовлены винтовые пары с коэффициентами натяга С от 0,002 до 0,014, модельные жидкости с вязкостями - 1, 12, 40, 42 мм2/с. Температура рабочей жидкости постоянно поддерживалась в диапазоне 20±2С за счет устройства для охлаждения модельной жидкости. При отключении устройства происходил рост температуры до 80-90С, вязкость модельной жидкости снижалась в 2-5 раз.

Коэффициент натяга рассчитывался по методике Д.Ф. Балденко

С =/dср, (3)

где – натяг, мм;

dср – средний диаметр винта, мм.

В целях минимизации количества экспериментов основным результирующим признаком на разных этапах исследования приняты следующие параметры: объемный КПД винтового насоса, крутящий момент, предельное давление нагнетания, развиваемое насосом, осевая сила. Для получения достоверной информации в результате эксперимента установлено минимальное количество измерений, обеспечивающих с некоторой вероятностью заданную величину отклонения средней арифметической результирующих признаков от истинного значения, согласно формуле (4).

, (4)

где n – число измерений;

Sm – оценка стандартного отклонения;

tp [m-1] – критерий Стьюдента;

m – число измерений в предварительном эксперименте, m=5;

Jp – максимально допустимое отклонение среднего значения от истинного.

Приняв максимально допустимое отклонение среднего значения результирующих признаков в размере 2,5% от истинного среднего с уровнем достоверности 95%, установили, что, согласно (4), необходимо осуществить 9±1 замеров рабочих параметров винтовых пар.

Погрешность определения объемного КПД, используя закон накопления относительных ошибок

, (5)

где об – относительная погрешность определения объемного КПД;

Q – относительная погрешность определения подачи насоса;

n – относительная погрешность определения частоты вращения;

n2 – относительная погрешность определения n2 = 20 об/мин;

Q1 – относительная погрешность подачи при n2.

Согласно формуле (5), 3,6 %.

По результатам расчетов погрешностей полученные величины относительных ошибок исследуемых параметров удовлетворительные и находятся в допустимых пределах.

Построение напорных характеристик производилось с учетом пошагового увеличения частоты вращения на 20-40 об/мин до максимального значения 180 об/мин. Определение подачи винтового насоса, потребляемой мощности, момента и осевого усилия осуществлялось при изменении давления нагнетания с шагом 0,1 МПа.

На рисунке 2 в качестве примера представлены напорные характеристики винтовой пары Н1-4 при вязкости жидкости 12 мм2/с. Основываясь на результатах испытаний насоса Н1-4, установлено, что при 40 об/мин максимальное давление нагнетания достигает 5 МПа, максимальная подача при холостом режиме 12 м3/сут, объемный КПД в оптимальном режиме работы составляет 86%. При увеличении частоты вращения до 80 об/мин предельное давление нагнетания увеличивается до 7 МПа, максимальная подача до 22 м3/сут, объемный КПД составляет 81 %.

Проведены исследования для всего диапазона изменения частоты вращения (от 20 до 180 об/мин) для винтовой пары Н1-4, которые позволили получить обобщенные результаты по винтовой паре: подача составляет от 5 до 45 м3/сут, максимальный напор до 600 метров, потребляемая мощность изменяется в пределах от 1 до 3 кВт.

1 – Q-P при 40 об/мин, 2 – Q-P при 80 об/мин, 3 – N-P при 40 об/мин,

4 – N-P при 80 об/мин, 5 – КПДоб -P при 40 об/мин, 6 – КПДоб -P при 80 об/мин



Pages:   || 2 |
 



Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.