Научный задел. В Санкт-Петербургском горном университете были произведены расчеты вращающейся штанговой колонны с применением двух приведенных дисков. Проведено моделирование искривленного участка. Разработана расчетная схема и математическая модель крутильных колебаний насосных штанг в искривленном участке скважины. Разработан центратор для вращательной колонны, позволяющий снизить вибрацию и ударные воздействия штанг о трубы.

Текущее состояние. Многолетний опыт эксплуатации скважин с помощью установок штанговых винтовых насосов (УШВН) с приводом от вращающейся колонны штанг с 2003 года, показал, что винтовые насосы являются одним из наиболее эффективных средств механизированной добычи высоковязкой нефти, с низким коэффициентом продуктивности пласта, большим содержанием газа при высоком давлении насыщения. Простота конструкции УШВН связана с отсутствием клапанов и сложных переходов, что значительно снижает гидравлические потери. Чем больше значение вязкости, тем меньше происходят перетоки через уплотнительные линии пары эластомер-ротор, поэтому большого влияния вязкость на коэффициент подачи винтового насоса не оказывает. Обратная картина видна в других способах эксплуатации (УШГН, УЭЦН, УЭДН и др.). Коэффициент подачи УШГН при вязкости 300 мПа•с составляет, в среднем, 0,35, у УШВН – 0,9÷0,95. Простота в эксплуатации позволяет снижать эксплуатационные затраты и себестоимость добычи нефти. Эксплуатация скважин с УШВН обусловлена недостаточным наличием высокоэффективных технических средств предупреждения или существенного снижения степени осложнений в эксплуатации УШВН, особенно в скважинах с высокой интенсивностью набора кривизны, что периодически приводит к снижению наработки установок и отбора скважинной жидкости из скважин. Таким образом, разработка новых технических средств для скважин, эксплуатирующихся с УШВН является актуальной задачей.

Решаемая проблема. Авторами для повышения наработки УШВН предлагается применять новый центратор с трением сопряженных поверхностей. В недостаточной степени проработан вопрос о моделировании движении колонны насосных штанг при эксплуатации в искривленных и наклонно-направленных скважинах, тем самым для нефтепромысловых служб не в полной мере понятен процесс вращения штанг в насосно-компрессорных трубах, а также алгоритм установки центрирующих устройств в колонне штанг. Для выявления частоты и влияния отказов на надежность УШВН были использованы методы статистического анализа. Для представления опасного резонансного явления при вращении штанг впервые разработана математическая модель движения штанг с использованием приведенного диска в искривленном участке скважины, а также показана реализация данной модели на фактическом промысловом материале.

Методы исследования. В качестве методов исследования были: разработка математической модели штанговой колонны в наклонно-направленных скважинах; применение эффективных центраторов, установленных на насосных штангах. Решение первой задачи заключается в применении к колонне штанг уменьшенного диска с эксцентриситетом, что позволяет создать модель вращения штанг с отклонением от оси. Основным методом в данном исследовании было определение частоты собственных крутильных колебаний стержней, и рассматривается модель с двумя плечами (локтями). Решение второй задачи предполагает разработку, изготовление и испытания центраторов, дополнительно выполняющих функции подшипников. Испытания центраторов были проведены на следующих стендах: вертикальном стенде с электродвигателем и частотным преобразователем; горизонтальном стенде СИЦ-2 с трубным имитатором; вертикальном стенде испытания пружинных центраторов СИЦ-2.

Результаты исследования. Впервые предложена расчетная схема и математическая модель крутильных колебаний насосных штанг в двух искривленных участках скважины, с двумя приведенными дисками. Увеличение размеров и массы приведенных дисков, количества приведенных дисков, приближение искривленных участков к винтовому насосу приводит к снижению круговой частоты вращения и жесткости штанговой колонны математической модели.  Разработанный в отделе инноваций и экспертизы ООО УК "Шешмаойл" центратор ЦШНП увеличивает надежность колонны насосных штанг и достигается необходимая соосность колонны насосных штанг по отношению к насосно-компрессорным трубам.  Предлагаемый центратор позволит эксплуатировать горизонтальные и сильно искривленные скважины, в связи с чем можно увеличить производительность или получить доступ к труднодоступным продуктивным зонам.

Детали исследования. С целью снижения негативного влияния интенсивности кривизны и наличия "колен" в скважине с УШВН необходимо применять центраторы, которые предназначены также для центрирования колонны насосных штанг при вращении в насосно-компрессорных трубах. Применение центраторов позволит снизить количество ремонтов скважин, связанные с обрывами штанг и истиранием труб НКТ и штанг. По теме НИОКР "Разработка центраторов для насосных штанг" в отделе инноваций и экспертизы ООО УК "Шешмаойл" разработаны центраторы ЦНШП, представляющие собой подшипник скольжения с центрирующими ребрами (планками), напоминающие буровой фонарь (рис.1).

На тело насосной штанги 1 установлены нижняя 2 и верхняя 3 упорные разъемные ограничители хода центратора, которые состоят из разъемных полувтулок и стянуты между собой крепежными деталями. Рекомендуется центратор с ограничителями устанавливать на короткую штангу длиной 0,5…1,5 м. Между ограничителями на насосной штанге размещен центратор, который состоит из нижнего 4 и верхнего 5 разъемных полувкладышей, стянутых через монтажные отверстия крепежными деталями. В полувкладыши установлены центрирующие ребра 6, выполненных в форме упругих дугообразных планок заданного профиля и сечения, количество которых должно быть не менее трех. Центрирующие ребра 6 на концевых участках имеют сгибы, входящие в пазы нижних разъемных полувкладышей. Нижние разъемные полувкладыши являются подшипниками скольжения. Применение центрирующих ребер обеспечит концентричное размещение насосных штанг в насосно-компрессорных трубах и предотвратит прилегание насосных штанг к стенкам НКТ. Наружный диаметр центрирующих ребер в свободном состоянии больше внутреннего диаметра насосно-компрессорных труб.

Принцип работы центратора заключается в следующем. Перед монтажом в скважину на насосные штанги 1 устанавливаются нижние 2 и верхние 3 упорные разъемные ограничители, после чего между ними устанавливается центратор. Возможен вариант установки центратора на короткую штангу непосредственно на заводе и поставка центратора в таком случае будет в сборе. При прохождении через различные диаметры НКТ, обусловленных их толщиной стенки, центрирующие ребра деформируются, перемещаются в радиальном направлении и вместе с насосными штангами проходят дальше. Сила упругости центрирующих ребер 6 устанавливает насосные штанги 1 по центру НКТ. При извлечении центратора на поверхность центрирующие ребра возвращаются в первоначальное положение.

Согласно утвержденной Программе и методике испытаний центраторов ЦНШ-22-73 были проведены положительные испытания центраторов ЦШНП на испытательных стендах ООО УК "Шешмаойл", ООО "Татпром-Холдинг" и ООО "НЧТЗ" (г. Н.Челны) (рис. 1 и 2). Планируется внедрение центраторов ЦШНП в первом квартале 2022 года в количестве 14 шт на двух скважинах. Экономия от внедрения центраторов по АО "Шешмаойл" составит 494 691 руб. без НДС в год.

Восстанавливающее усилие, направленное перпендикулярно в сторону продольной оси центратора, определили на горизонтальном стенде. В трубном имитаторе проводилось приложение нагрузки с определением прогиба до получения минимального значения восстанавливающего усилия. Таким образом, испытания планок центратора ЦШНП проводили в разных положениях (табл.1).

Таблица 1. Значения нагрузок на планки в зависимости от перемещения внешней трубы при достижении степени центрирования 67 %

№планки	Нагрузка, кН
	Перемещение, мм
	1	2	3	4	5	6	7	8	9
1	0,31	0,39	0,48	0,56	0,64	0,72	0,83	1,08	2,12
1-2	0,29	0,45	0,57	0,71	0,76	0,88	1,02	1,28	1,49
2	0,16	0,28	0,35	0,42	0,50	0,59	0,67	0,90	2,19
2-3	0,24	0,43	0,55	0,64	0,73	0,88	1,12	1,45	2,33
3	0,26	0,34	0,41	0,48	0,55	0,66	0,78	1,02	1,36
3-4	0,27	0,37	0,49	0,58	0,64	0,72	0,89	1,10	1,31
4	0,17	0,28	0,35	0,42	0,49	0,61	0,74	0,93	1,57
4-5	0,24	0,39	0,51	0,66	0,75	0,87	1,17	1,61	2,43

 

Благодаря таким центраторам появляется возможность эксплуатации горизонтальных и сильно искривленных скважин, в связи с чем можно увеличить производительность или получить доступ к труднодоступным продуктивным зонам.

Заключение. Сравнение одноплечей и двуплечей схемы математической модели штанговой колонны показывает, что добавление второго приведенного диска, т.е. создание дополнительного искривленного участка, приведет к многократному снижению "резонансной" частоты вращения и жесткости математической модели.

Влияние искривленных участков на крутильные колебания штанговых колонн предлагается учесть заменой этих участков прямолинейным стержнем достаточно большой протяженности с посаженной на них в центре участков виртуальных (приведенных) дисков. Наиболее сложным для такой модели, приводящим к реальным результатам является определение исходных характеристик дисков, таких как их масса и момент инерции. Для решения этой проблемы допускается, что радиус кривизны в искривленных участках определяется как радиус дуги окружности в виде сопряжения двух ветвей прямых, обеспечивающих плавность перехода от одной ветви в другую. Расстояние между точками касания соответствует длине штанг в первом приближении, на основании которой определяется масса приведенного диска. В дальнейшем, варьируя радиусом дуги окружности анализируется влияние полученных характеристик на результаты колебательного процесса. В отличие от случая крутильного колебания машиностроительных валов с незначительной длиной, масса которых в сравнении с массой дисков можно не учитывать. В случае колебания штанговой колонны распределенная масса, которая имеет значительную величину, должна учитываться. Для этого масса колонны штанг заменяется сосредоточенной массой, которая переносится к точке подвеса дисков. При этом допускается, что величина такой массы пропорциональна величине истинной массы.

Коэффициент пропорциональности для определения величины истинной массы называется коэффициентом приведения массы.

При вращении дисков Д1 и Д2 в противоположном друг другу направлениях будет существовать некоторое сечение с центром в точке М, угол поворота которого из условия равновесия равняется нулю. Тогда участки стержня АМ и МВ будут иметь одинаковую частоту собственных колебаний, и каждый из этих участков может рассматриваться как одноплечная система. Сечение стержня, в центре которого находится точка М называется узловой или мертвой точкой. Таким образом, решение задачи по определению частот собственных колебаний системы с двумя искривленными участками сводится к определению местонахождения точки М.

При появлении «колена» в штанговой колонне частота собственных колебаний в сравнении с прямолинейной колонной будет меньше, т.е. резонансная частота системы в зависимости от геометрических форм и размеров искривленного участка должна снижаться существенно. При сравнении частоты свободных крутильных колебаний с резонансной частотой в местах искривлений происходит торможение вследствие соприкосновения штанг к НКТ. Насосная штанга подвергается ударному воздействию со стороны НКТ, причем это может произойти как при запуске наземного привода, так и при его остановке, т.к. мгновенный набор вращения или мгновенная остановка колонны штанг не может иметь место.

При появлении "колена" в штанговой колонне присутствует резонанс, после прохождения которого резонансный момент пропадает. В этих местах ("коленах") происходит торможение. При прохождении точки резонанса штанги подвергаются ударному воздействию со стороны НКТ, причем это может произойти как при запуске наземного привода, так и при его остановке. Находящейся в сложном напряженном состоянии штанга после таких ударных воздействий может оборваться, т.к. такое закручивание (с вибрацией) для штанги не предусмотрено, т.е. она спроектирована без учета этих воздействий. Если штанга расположена вертикально и прямолинейно, то резонанс будет выше фактической частоты вращения.

Винтовые насосы, благодаря своей конструкции, могут работать при зенитном угле 90 градусов. Но, в связи с отсутствием технических решений, способствующих снижению истиранию штанг и НКТ на искривленных участках, широкое применение штанговых винтовых насосов на скважинах с высокими значениями зенитных углов не нашло. Применение центратора с центрирующими ребрами (планками) позволит эксплуатировать скважины с высоким темпом набора кривизны, боковыми стволами малого диаметра, а также наклонные и глубокие искривленные скважины, при этом углубление подвески насоса приведет к увеличению дебита скважины.

Положения планок включало также и между планками (1-2, 2-3, 3-4, 4-5), тем самым количество испытаний было 72. Приложение нагрузки на планки и между планками проводили в различных перемещениях, от 1 до 9 мм, т.е. максимальным было перемещение планок к оси центратора, при этом записывались показания прогиба до получения трехкратного минимального значения восстанавливающего усилия. Работы выполнены с учетом компенсации на массу перемещающейся трубы и ее оснастки. Определено, что при увеличении перемещения планок от периферии к центру нагрузка увеличивается почти в 10 раз, а с учетом того, что после снятия нагрузок планки возвращаются в исходное положение можно признать выбор материала и конструкцию планок технически правильным решением.

Стендовые испытания предлагаемого центратора показало правильность в выборе решении по конструкции планок, а также в материале, способном восстанавливать свои первоначальные габариты после приложения нагрузок, причем довольно значительных, перемещение планок от периферии к центру достигало 9 мм, нагрузки были увеличены в 10 раз.

Использование разработанного центратора позволяет эксплуатировать горизонтальные и сильно искривленные скважины, в связи с чем можно увеличить производительность или получить доступ к труднодоступным продуктивным зонам.

По результатам исследования получены следующие выводы:

1. Высокая интенсивность искривления значительно влияет на обрывность штанги, часто обрывы штанг происходят возле "колен" с интенсивностью 2 град/10 м и более.

2. Впервые предложена расчетная схема и математическая модель крутильных колебаний насосных штанг в двух искривленных участках скважины, с двумя приведенными дисками.

3. Увеличение размеров и массы приведенных дисков, количества приведенных дисков, приближение искривленных участков к винтовому насосу приводит к снижению круговой частоты вращения и жесткости штанговой колонны математической модели.

4. Разработанный в отделе инноваций и экспертизы ООО УК "Шешмаойл" центратор ЦШНП увеличивает надежность колонны насосных штанг и достигается необходимая соосность колонны насосных штанг по отношению к насосно-компрессорным трубам.  Предлагаемый центратор позволит эксплуатировать горизонтальные и сильно искривленные скважины, в связи с чем можно увеличить производительность или получить доступ к труднодоступным продуктивным зонам.

Isaev A., Aliev M., Drozdov A., Gorbyleva Y., Nurgalieva K. Improving the Efficiency of Curved Wells’ Operation by Means of Progressive Cavity Pumps. Energies, 2022, no. 15, 12, 4259. DOI: 10.3390/en15124259