Рисунок 1. Оборудование для эксплуатации скважин с боковыми стволами малого диаметра.
а) УЭЦН 2А габарита; б) скважинная насосная установка с канатной
штангой - СНУ с КШ; в) струйная насосная установка – СНУ.
использовать стандартное насосное оборудование [2].
Сегодня существует несколько видов специального насосного оборудования, созданного для эффективной эксплуатации скважин с боковыми стволами малого диаметра (БСМД), которое уже прошло опытно-промысловые испытания (ОПИ) и переведено в промышленную эксплуатацию или находится на завершающей стадии ОПИ.
К такому оборудованию можно отнести (рисунок 1):
• Малогабаритные установки электроприводных центробежных насосов (УЭЦН 2А и 3-го габарита);
• Скважинные насосные установки с канатной штангой (СНУ с КШ);
• Струйные насосные установки (СНУ).
БЮ УЭЦН 2А и 3-го габарита в настоящее время выпускаются ООО «Новомет», ООО «Алмаз», ООО «Алнас».
Ступени для малогабаритных ЭЦН создавались с учетом большого опыта работы ЭЦН других габаритов, за счет чего ступени габаритов 3 и 2А
получились довольно удачными по энергоэффективности – их КПД достигает 60% ( у фирмы «Новомет»).
Напоры ступеней невелики – 2,5 – 2,7 м при стандартной частоте вращения (2910 об/мин), поэтому для повышения напора используются высокоскоростные вентильные ПЭД (ВПЭД): частоты вращения вала от 4500 до 6000 об/мин.
Несмотря на использование высокой частоты вращения длина насосной установки, особенно при использовании ГС, может достигать 7,3 – 22,2 м (длина ВПЭД – от 2,5 до 7 м + длина насоса от 4 до 14 м + длина ГС – 0,8 – 1,2 м), что создает очень большие проблемы по работе таких установок в БСМД, имеющими большие темпы набора кривизны (малые радиусы искривления).
Главными недостатками малогабаритных ступеней являются гидравлические каналы малого проходного сечения в рабочих колесах и направляющих аппаратах, что может приводить к засорению их солями и механическими примесями, а также требует применение газосепараторов (ГС) при наличии свободного газа [3].
В условиях ООО «ЛУКОЙЛ- ПЕРМЬ» использование малогабаритных УЭЦН не получило широкого применения из-за высокой стоимости оборудования и недостаточно высоких дебитов скважин с боковыми стволами малого диаметра.
Оборудованием, которое активно используется в последние годы для эксплуатации скважин с боковыми стволами малого диаметра в Пермском крае, являются скважинные насосные установки с канатной штангой (СНУ с КШ).
Скважинная насосная установка с канатной штангой разработана в РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина на кафедре машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности совместно с ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ». Установка (см. рисунок 1 б) включает в себя: привод в виде станка качалки (в качестве привода могут использоваться гидравлические, цепные и другие типы приводов), штангового насоса специальной конструкции колонны канатных штанг, которая устанавливается в месте интенсивного набора кривизны [4, 5].
Создание нового вида оборудования и технологии его применения – непростая задача.
Работы по созданию СНУ с КШ начались в 2011 году, за это время были разработаны:
• Технические условия на канаты закрытой конструкции для производства канатной штанги;
• Комплекс оборудования для соединения канатных штанг с плунжером насоса и колонной штанг;
• Специальные насосы, обеспечивающие растяжение канатных штанг при ходе плунжера вниз;
• Программный блок для подбора СНУ с КШ к параметрам скважины, входящий программный комплекс «Автотехнолог»;
• Руководящий документ, включающий требования, инструкции и рекомендация по работе с канатной штангой.
Канатная штанга является наиболее важным элементом всей установки. Канаты при их использовании в качестве колонны штанг должны обладать достаточной прочностью и модулем упругости, такими свойствами обладают канаты закрытой конструкции. Многочисленные лабораторные и опытно-промысловые испытания канатов различной конструкции позволили разработать технические условия на канаты закрытой конструкции для производства канатной штанги [6]. Параметры канатов закрытой конструкции для производства канатной штанги
представлены в таблице 1.
Техническими условиями предусмотрен выпуск канатных штанг трех исполнений (рисунок 2, 3): стандартное (группа К1); коррозионностойкое (группа К2), с оцинкованным покрытием всех проволок; коррозионностойкое (группа К3), с оцинкованным покрытием всех проволок и наружным полимерным покрытием Poketon M630F.
Рисунок 2. Канатная штанга.
Стендовые лабораторные испытания образцов канатной штанги с полимерным покрытием показали, что полимерное покрытие служит не только защитой от коррозионного воздействия пластовой продукции, но и защищает канат от распушения в результате действия сжимающих нагрузок. При монтаже плунжера насоса или в процессе эксплуатации (из-за большой кривизны, отложения АСПО, подклинивания плунжера насоса и т.д.) на канатные штанги могут действовать сжимающие нагрузки, приводящие к потере устойчивости каната и его распушению.
При дальнейшей работе установки из-за переменного изгиба в месте распушения происходят разрушения проволок канатной штанги и ее обрыв. На рисунке 3 показаны результаты испытания образцов канатных штанг с полимерным покрытием и без него. Канатная штанга с полимерным покрытием проходит ОПИ на месторождениях ООО «ЛУКОЙЛ-Пермь».
Рисунок 3. Испытание образцов канатных штанг на сжатие.
а) с полимерным покрытием (распушения нет); б) распушение канатной штанги без покрытия
Канатная штанга с полимерным покрытием проходит ОПИ на месторождениях ООО «ЛУКОЙЛ-Пермь». На рисунке 4 показан монтаж канатной штанги с полимерным покрытием на скважине, для спуска канатной штанги используется геофизическая лебедка и система роликов.
Рисунок 4. Монтаж канатной штанги с полимерным покрытием на скважине.
Важным элементом канатной штанги являются заделки, которые служат для соединения каната колонной обычных штанг и должны обеспечивать равномерное нагружение всех проволок каната. Заделка состоит из корпуса, внутри которого расположены две конические втулки, в одной втулке канат распушается с помощью клиньев, а во второй установлены клиновые вкладыши, обжимающие канат по наружной поверхности [7, 8].
Первые опытно промысловые испытания показали, что в ряде случаев происходит разрушение как самого каната в заделке, так и отдельных элементов заделки (рисунок 5).
Рисунок 5. Разрушение канатных штанг в заделке и корпуса заделки.
Для оптимизации конструкции в программном комплексе SolidWorks были проведены прочностные расчеты всех элементов заделки, и подобраны их оптимальные геометрические параметры, обеспечивающие минимальные контактные напряжения в канатных штангах. На рисунке 6 показана 3D модель заделки канатной штанги для проведения прочностных расчетов.
Рисунок 6. 3D модель заделки канатной штанги для проведения прочностных расчетов в программном комплексе Solid Works.
Для нормальной работы канатной штанги используются насосы специальной конструкции, которые обеспечивают растягивающую нагрузку на канатные штанги при ходе плунжера насоса вниз. В настоящее время в СНУ с КШ используется специальный насос СПР, производства
«Элкам-Нефтемаш» (рисунок 7а). Недостатком данного насоса является зависимость растягивающей нагрузки от динамического уровня жидкости в скважине. В РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина на кафедре машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности разработан насос с разрядной камерой ННРК, который обеспечивает увеличение нагрузки на нижнюю часть колонны штанг и не допускает «сжатия» канатной штанги (рисунок 7б) [9].
Рисунок 7. Специальные насосы, применяемые в СНУ с КШ.
Три опытных образца насосов с разрядной камерой ННРК 44/27 были изготовлены в ООО «НКНМ» и в настоящее время в соответствии с утвержденной методикой проходят ОПИ на скважинных в ООО «ЛУКОЙЛ-Пермь». На рисунке 8 показан процесс монтажа насоса с разрядной камерой ННРК 44/27 и динамограмма работы насоса.
Рисунок 8. Монтаж насоса с разрядной камерой ННРК 44/27 и динамограмма его работы.
Канатная штанга, обладая высокой прочностью, имеет условный модуль упругости ниже модуля упругости стандартной штанги, что увеличивает её удлинение и снижает подачу насоса, кроме того, для работы в боковом стволе необходима установка канатной штанги в месте наиболее интенсивного набора кривизны. Все это потребовало создания методики подбора СНУ с КШ к условиям скважины, которая была реализована в программном блоке в ПК «Автотехнолог» [10]. Программа позволяет строить профиль скважины, и дает рекомендации по месту установки канатной штанги, при этом выводится информация о контактных нагрузках и деформациях (износе) колонны НКТ от трения канатной штанги, рассчитывается оптимальная конструкция штанговой колонны и параметры работы установки, обеспечивающие необходимый дебит скважины (рисунок 9).
Расчеты, которые подтверждаются практикой применения СНУ с КШ, показывают, что применение канатной штанги снижает в 50-100 раз интенсивность износа НКТ в скважинах со сложной инклинометрией.
Рисунок 9. Подбор СНУ с КШ по параметрам скважины в ПК «Автотехнолог».
В настоящее время СНУ с КШ используются для промышленной эксплуатации более 85 скважин с боковыми стволами в компаниях: ПАО НК «ЛУКОЙЛ» (ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ», ООО ЛУКОЙЛ-Западная Сибирь»); ПАО НК «РОСНЕФТЬ (Саматлорнефтегаз, Самаранефтегаз, Оренбургнефть, Удмуртнефть); ООО «УК «Шешмаойл»»; «ЗАРУБЕЖНЕФТЬ»; ООО «УралОйл», кроме этого идут опытно-промышленные испытания в других нефтедобывающих компаниях России и зарубежья. На наработку канатной штанги влияют различные факторы, такие как кривизна скважины, отклонение скважины от вертикали, длина канатной штанги, наличие АСПО и др. [11], в таблице 2 представлены данные по наработке канатной штанги. Невысокие значения наработки в ряде добывающих обществ связаны с тем, что СНУ с КШ монтировались в 2017 и 2018 годах.
Необходимо отметить, что применение насосных установок с канатными штангами позволило увеличить добычу нефти из скважин с боковыми стволами малого диаметра в среднем на 2,0 – 3,5 т/сутки и увеличить среднюю наработку до отказа штанговых колонн и колонн НКТ со 180 до 500 суток.
Таблица 2.
Еще одна технология для добычи нефти из скважин с боковыми стволами малого диаметра, разработанная РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина совместно с ООО «ЛУКОЙЛ-Пермь» - это струйные насосные установки.
К преимуществам применения струйных насосов относятся:
-
малые габариты (длина насоса не превышает 1м при диаметре 48 мм), что позволяет использовать такое оборудование даже в очень сложных по инклинометрии боковых стволах малого диаметра;
-
широкий диапазон по дебиту и возможность стабильно отбирать пластовую жидкость с высоким содержанием свободного газа, плавно регулировать и поддерживать на заданном уровне забойное давление и дебит за счет регулирования давления и объема закачиваемого рабочего агента;
-
простота конструкции, отсутствие движущихся деталей обеспечивает высокий межремонтный период, изнашиваемая часть насоса – сопло – может быть изготовлено из износостойких материалов;
-
возможность исполнения насоса в виде свободно сбрасываемого агрегата, т.е. смена сопел может производиться без подъема колонны НКТ;
-
подача насосной установки мало зависит от вязкости (до 500 сП).
Малые диаметральные габариты позволяют использовать струйные насосы в скважинах с боковыми стволами с эксплуатационной колонной диаметром 102 мм (внутренний диаметр 89мм), с темпами набора кривизны более 200 на 10м.
На рисунке 10 приведена общая схема установки струйного насоса. В качестве силовой жидкости используется вода из системы ППД. Силовая жидкость подается на струйный насос по колонне НКТ, пластовая продукция поступает на устье скважины по затрубному пространству, для разобщения затрубного пространства используется пакер [12,13].
Рисунок 10. Общая схема струйной насосной установки для добычи нефти из скважин с боковыми стволами малого диаметра.
На рисунке 11 показан струйный насос, его монтаж на устье скважины и обустройство устья добывающей скважины, оборудованной установкой струйного насоса и нагнетательной скважин, вода из которой используется в качестве силовой жидкости.
Рисунок 11. Оборудование для работы со струйными насосными установками:
а - устьевое оборудование со сменными штуцерами добывающей скважины; б - расходомер силовой жидкости (нагнетательная скважина); в - струйный насос перед спуском и на устье скважины.
Контроль за рабой установки струйного насоса осуществляется с помощью глубинного манометра, установленного в подпакерной зоне (на рисунке 12 показаны показания глубинного манометра во время работы установки струйного насоса), устьевых манометров и расходомера, измеряющего расход силовой жидкости. Регулирование работы установки осуществляется сменным штуцером, регулирующим расход рабочей жидкости. Сменные штуцеры размещаются в диске задвижки типа ЗД, установленной в устьевом оборудовании скважины, на которой внедряется струйная насосная установка.
Рисунок 12. Показания глубинного манометра во время работы установки струйного насоса: Т1 - время освоения скважины после ПРС; Т2 - время выхода скважины на режим Q1; Т3 - время стабильной работы в режиме Q1; Т4 - время перевода скважины на режим с подачей Q2.
Основным элементом струйного насоса является сопло и камера смешения, при этом сопло в процессе работы подвергается значительным нагрузкам (скорость истечения жидкости из сопла может превышать скорость звука), которые могут приводить к разрушению проточной части сопла. Проведенные численные исследования в среде Flow Simulation программного комплекса Solid Works позволил оптимизировать конструкцию сопла и камеры смешения. В качестве материала предложено использовать твердый стлав ВК-6. На рисунке 13 показан процесс численного моделирования напряженного состояния сопла и элементы струйного аппарата (сопло и камера смешения, выполненные из твердого сплава ВК-6).
Рисунок 13. Напряженное состояние сопла и элементы струйного аппарата, выполненные из твердого сплава ВК-6.
Для подбора установки струйного насоса так де был разработан расчетный блок «Струйный насос» в ПК «Автотехнолог», позволяющий подбирать установку по параметрам скважины.
При подборе установки струйного насоса в ПК «Автотехнолог» по данным скважины определяется (рисунок 14) [14]:
-
подача рабочей (эжектирующей) жидкости,
-
расход перекачиваемой (эжектируемой) среды,
-
напор струйного насоса,
-
мощность силового насоса,
-
давление силового насоса,
-
КПД струйного насоса,
- типоразмеры основных узлов струйного аппарата.
Рисунок 14. Результат определения типоразмеров основных узлов струйного насоса.
В настоящее время на месторождениях ООО «ЛУКОЙЛ-Пермь» в рамках ОПИ шесть скважин с боковыми стволами малого диаметра эксплуатируются струйными насосными установками. Максимальная наработка до отказа струйного насоса составила 562 суток. В 2019 году планируется внедрение ещё 11 комплектов струйных установок.
Применение струйных установок позволило увеличить дебит (но нефти) скважин с боковыми стволами малого диаметра на 3,0 – 5,2 т/сутки, при этом стоимость оборудования таких скважин примерно в 3-4 раза ниже, чем при использовании малогабаритных установок электроприводных центробежных насосов.
Таким образом, в настоящее время в Российской Федерации разработаны уникальные новые технологии и комплексы оборудования, позволяющие эффективно эксплуатировать мало- и средне дебитные скважины с боковыми стволами малого диаметра, что в свою очередь позволяет получить дополнительную добычу нефти на месторождениях, находящихся на завершающей стадии эксплуатации и увеличить коэффициент извлечения нефти на данных месторождениях.
Литература:
1. Ивановский В.Н., Деговцов А.В., Сабиров А.А., Поносов Е.А., Красноборов Д.Н. «Анализ влияния темпа набора кривизны на габаритные размеры скважинного оборудования для эксплуатации скважин с боковыми стволами» «Территория НЕФТЕГАЗ» М., «Камелот-Паблишинг». 2012 г. № 4. С. 72-74.
2. Ивановский В.Н., Деговцов А.В., Сабиров А.А., Поносов Е.А., Красноборов Д.Н. «К вопросу о создании оборудования для эксплуатации скважин с боковыми стволами». «Территория НЕФТЕГАЗ» М., «Камелот-Паблишинг». 2011 г. № 3. С. 80-82.
3. Бортников А.Е., Ивановский В.Н., Кузьмин А.В., Сабиров А.А., Хайретдинов Р.Р., Хасанов И.Г. «О возможности эксплуатации боковых стволов малого диаметра установками электроцентробежных насосов с открытыми рабочими колесами на примере месторождений ООО «ЛУКОЙЛ-Западная сибирь». «Территория НЕФТЕГАЗ» М., «Камелот-Паблишинг». 2018 г. № 4. С. 28-32.
4. Третьяков О.В., Мазеин И.И., Усенков А.В., Меркушев С.В., Красноборов Д.Н., Ивановский В.Н. и др. «Установка штангового насоса для эксплуатации скважины с боковым стволом». Патент на полезную модель № 144762. Опубликовано в Государственном реестре полезных моделей РФ 27.08.2014 г.
5. Ивановский В.Н., Деговцов А.В., Сабиров А.А., Пекин С.С., Качин Е.В., Патрушев С.Г., Попов С.В. «Опыт эксплуатации скважин с боковыми стволами малого диаметра, ШСНУ с канатной штангой в ООО «ЛУКОЙЛ ПЕРМЬ». «Территория НЕФТЕГАЗ» М., «Камелот-Паблишинг». 2015 г. № 3. С. 78-87.
6. Стандарт организации «Канаты закрытой конструкции для производства канатной штанги. Технические условия», СТО-34269720-ТУ 012-2018, Волгоград.
7. Ивановский В.Н., Деговцов А.В., Сабиров А.А., Пекин С.С., «Канатная насосная штанга». Патент на полезную модель № 123445 Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей РФ от 27.12.2012г.
8. Ивановский В.Н., Сабиров А.А., Деговцов А.В., Пекин С.С. «Канатная насосная штанга». Патент на изобретение № 2527275 Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений РФ 08.07.2014г.
9. Алиев Ш.А., Деговцов А.В. «Разработка нового оборудования для скважинных насосных установок с канатной штангой и анализ их надежности при эксплуатации боковых стволов малого диаметра».
Труды Российского государственного университета нефти и газа им. И.М. Губкина. 2018. № 1 (290). С. 39-49.
10. Свидетельство на Программу для ЭВМ "Автотехнолог + Соль" № 2011613348.
11. Ивановский В.Н., Деговцов А.В., Сабиров А.А., Алиев Ш.А., Третьяков О.В., Мазеин И.Н. и др. «Анализ вероятности безотказной работы скважинных насосных установок с канатной штангой на месторождениях ООО «ЛУКОЙЛ - ПЕРМЬ». «Территория НЕФТЕГАЗ» М., «Камелот-Паблишинг». 2017 г. № 7-8. С. 74-80.
12. Третьяков О.В., Мазеин И.И., Усенков А.В., Меркушев С.В., Красноборов Д.Н., Ивановский В.Н. и др. «Установка струйного насоса для эксплуатации скважины с боковым стволом малого диаметра» Патент на полезную модель № 144129 Опубликовано в Государственном реестре полезных моделей РФ 10.08.2014 г.
13. Третьяков О.В., Мазеин И.И., Усенков А.В., Меркушев С.В., Качин Е.В., Ивановский В.Н., Сабиров А.А., Деговцов, А.В., и др. «Опыт эксплуатации скважин с боковыми стволами малого диаметра с помощью струйного насоса». «Территория НЕФТЕГАЗ» М., «Камелот-Паблишинг». 2017 г. № 7-8. С. 74-80.
14. Ивановский В.Н., Сабиров А.А., Деговцов А.В., Сазонов Ю.А., Пекин С.С., Клименко К.И., Кузьмин А.В. «Подбор струйного насоса по параметрам скважины в программном комплексе «Автотехнолог». «Территория НЕФТЕГАЗ» М., «Камелот-Паблишинг». 2015 г.
№ 4. С. 26-30.
