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. Осложнения, возникающие при эксплуатации скважин механизированными способами добычи нефти, приводят к уменьшению дебита скважин, то есть препятствуют достижению максимального потенциала скважин по дебиту. Одним из таких негативно влияющих на добычу нефти погружными насосами факторов является влияние попутного нефтяного газа, накапливаемого в затрубном пространстве.

Анализ влияния различных факторов на процесс выделения и накопления газа в затрубном пространстве в работах, показывает необходимость разработки методик прогнозирования динамики величины затрубного давления газа. Работы, направлены на исследование процесса накопления газа, по результатам которых получены зависимости для расчета интенсивности роста давления газа в затрубном пространстве и времени его накопления. Помимо этого разработан алгоритм расчета параметров оптимального режима работы скважины, исследовано влияния газового фактора и обводненности продукции на эффективность снижения давления газа в затрубном пространстве добывающих скважин.

Вопросу поиска технологических решений проблемы снижения давления газа в затрубном пространстве при различных способах эксплуатации скважин посвящено множество работ. В проведенном в работе обзоре показаны инструменты для снижения влияния газа на работу штанговых скважинных насосов и их эффективность в различных условиях эксплуатации. Согласно литературному обзору имеются результаты разработки технологии оптимизации режима работы штанговых насосов при откачке нефти с высоким содержанием газа.

Решаемая проблема. В последние годы в нефтедобывающей отрасли находит все большее применение способ отбора сепарированного газа из затрубного пространства скважины компрессором и закачки его в манифольдную линию. Основной эффект от применения данного способа состоит в дополнительной добыче нефти в связи с повышением динамического уровня жидкости в скважине и коэффициента наполнения насоса. Стравливание или откачка газа из межтрубного пространства приводит к изменению термобарических условий в скважине, а также снижению давления на приёме насоса.

Согласно литературному обзору экспериментально отбором и исследованием 813 проб было установлено, что при откачке газа и создании вакуума в затрубном пространстве вязкость нефти на устье скважин увеличилась в среднем по группам пластов на 6,8%, что является незначительным показателем, на уровне погрешности замеров.

Снижение давления на приёме насоса, вызванное стравливанием газа, приводит к увеличению максимальной нагрузки, действующей на головку балансира станка-качалки и штанговую колонну. Данный факт обусловлен ростом гидростатического перепада давления на плунжер при движении колонны штанг вверх.

Методы исследования. Чтобы определить характер изменений нагрузок, необходимо выполнить расчеты и полевые испытания для определения влияния кольцевого отбора газа на нагрузки, действующие на колонну штанг. В представленном исследовании расчеты и полевые испытания были выполнены для скважин месторождений, разрабатываемых ПАО "ТАТНЕФТЬ".

Во время прерывистого отбора газа из затрубного пространства скважины максимальные и минимальные нагрузки измерялись с помощью датчика, включенного в программное и аппаратное обеспечение для оптимизации добычи "XSPOC". Контроллер датчика передает все данные на рабочие места специалистов.

Для определения эффективности штангового насоса использовался метод динамометрии. Метод динамометрической карты для скважин позволяет проводить непрерывные измерения и мониторинг в режиме реального времени.

Вязкость и асфальтеново-смоляно-парафиновые вещества были изучены и измерены в лабораториях химического анализа.

Для перекачки попутного нефтяного газа применялся кластерный компрессор типа KOGS (рис. 1), разработанный отделом инноваций и экспертизы ООО "УК "Шешмаойл" (Республика Татарстан). В состав KOGS входят следующие элементы оборудования: трехступенчатый компрессор с двумя электроприводами; технологические линии, включающие запорную арматуру, системы контроля параметров газа и работы установки (взрывозащищенные датчики давления и температуры, обратные клапаны, манометры и т.д.); вентиляция и система отопления; пожарная сигнализация, расположенная в защищенном корпусе; станция управления, позволяющая осуществлять дистанционный мониторинг и управление; точки подключения к устьевой арматуре; комплект рукавов высокого давления 16,5 МПа (HPH); узлы подключения к трубопроводу коллектора (включая шаровые краны, обратные клапаны); нагревательный кабель и теплоизоляция HPH (для зимних условий); кабели и провода.

Результаты исследования. Резкое стравливание газа из межтрубного пространства приводит к увеличению амплитуды нагрузок, действующих на штанговую колонну.

Это ведёт к следующему:

•        резкому росту максимальных и снижению минимальных нагрузок на головку балансира станка-качалки, что в случае эксплуатации СК с нагрузкой, близкой к паспортной грузоподъёмности, может привести к разрушению отдельных узлов привода штангового насоса;

•        увеличению приведённых напряжений и повышению вероятности обрыва штанг;

•        увеличению максимальной нагрузки, что в свою очередь приводит к нарушению уравновешенности СК. Следствием этого является перегруз электродвигателя, повышение энергопотребления, а также значительный износ ремней.

Рост максимальной нагрузки при стравливании газа прямо пропорционален типоразмеру насоса, а также скорости стравливания.

При наличии отложений АСПВ в колонне насосно-компрессорных труб, стравливание газа может привести к дальнейшему росту отложений на глубинно-насосном оборудовании, как следствие, к зависанию колонны штанг.

Представленные подробные расчеты показали, что производительность компрессоров KOGS соответствует значениям по умолчанию.

Измерение с помощью скважинного манометра и блока KOGS показало, что принудительный отбор газа до 0,5 атм из затрубных пространств скважин с помощью единой гидродинамической системы изменяет забойное давление, и гармоника забойного давления и давления в затрубном пространстве выравнивается.

Детали исследования. Результаты проведения опытных работ представлены на рис. 1-3, данные получены из контроллера «Lufkin Automation». На рис.1 видно, что удаление газа из ЗПС привело к одновременному изменению нагрузок на полированный шток: максимальные - увеличились на 7%, минимальные - снизились на 11%. После окончания удаления газа из ЗПС и дальнейшим набором газа в ЗПС нагрузки на полированный шток вернулись к первоначальным значениям.

При испытаниях (рис.2) была произведена имитация работы станка-качалки (СК) без контроллера (отключили функцию остановки станка-качалки при достижении допустимой нагрузки), что привело к обрыву крепления редуктора. Во второй день исследований картина изменения нагрузок была аналогична предыдущей.

Аналогичные результаты при стравливании затрубного газа по нагрузкам на полированный шток получены на скважинах № 32554 НГДУ «АН» (рис.3), № 14764д НГДУ «АН» и № 3963 НГДУ «ЕН» (рис.4).

На скв.5597д после удаления газа из ЗПС значительно увеличилась вязкость с 20 мПа•с до 330 мПа•с, содержание АСПВ в нефти увеличилось с 3,3% до 12,1% (рис.5).

Изменение вязкости добываемой жидкости после стравливания затрубного газа не на всех скважинах имеет такой ярко выраженный характер по причине расслоения эмульсии в процессе доставки проб в лабораторию.

Заключение. В результате анализа полученных результатов исследований изменения нагрузки на колонну штанг, а также изменения величины максимальной и минимальной по различным скважинам НГДУ «Альметьевнефть» и «Елховнефть» были сформулированы рекомендации для проведения кратковременного стравливания газа из затрубного пространства скважин, оборудованных СШНУ.

1.          При значительных величинах давления газа в межтрубном пространстве, его стравливание (или откачку газу компрессором) следует производить в выкидную линию ступенчато, по 1,0-1,5 МПа/сут.

2.          Скважины, характеризующиеся интенсивным набором затрубного газа, необходимо оборудовать компрессорами для откачки газа или лифтовыми клапанами для стравливания газа в манифольдную линию. Монтаж клапана следует осуществлять с учётом расположения исследовательской пробки на трубодержателе устьевой арматуры.

3.          В случае необходимости стравливания затрубного давления до атмосферного (набивка сальников СУСГ, замена задвижки и т.д.) и отсутствии на скважине компрессора по откачке газа, запуск скважины необходимо производить не раньше, чем через один час, после полного стравливания газа в межтрубном пространстве скважины.

4.          Стравливание затрубного газа следует производить с учётом представленных результатов исследований и рекомендаций в данной статье.

По результатам исследований можно выделить следующие выводы:

1.          Резкое стравливание газа из межтрубного пространства приводит к увеличению амплитуды нагрузок, действующих на штанговую колонну.

Это ведёт к следующему:

•           резкому росту максимальных и снижению минимальных нагрузок на головку балансира станка-качалки, что в случае эксплуатации СК с нагрузкой, близкой к паспортной грузоподъёмности, может привести к разрушению отдельных узлов привода штангового насоса;

•           увеличению приведённых напряжений и повышению вероятности обрыва штанг;

•           увеличению максимальной нагрузки, что в свою очередь приводит к нарушению уравновешенности СК. Следствием этого является перегруз электродвигателя, повышение энергопотребления, а также значительный износ ремней.

2.          Рост максимальной нагрузки при стравливании газа прямо пропорционален типоразмеру насоса, а также скорости стравливания.

3.          При наличии отложений АСПВ в колонне насосно-компрессорных труб, стравливание газа может привести к дальнейшему росту отложений на глубинно-насосном оборудовании, как следствие, к зависанию колонны штанг.

4.          Представленные подробные расчеты показали, что производительность компрессоров KOGS соответствует значениям по умолчанию.

5.          Измерение с помощью скважинного манометра и блока KOGS показало, что принудительный отбор газа до 0,5 атм из затрубных пространств скважин с помощью единой гидродинамической системы изменяет забойное давление, и гармоника забойного давления и давления в затрубном пространстве выравнивается.