Ключевые слова: двухлифтовая УСШН с одним приводом, скорость откачки, длинноходовой режим работы, преобразователь длины хода, передаточное число, регулирование производительности, лифт.
В [1, 2] были установлены теоретические зависимости между характеристиками пластов, свойствами продукции, режимами откачки, техническими характеристиками преобразователя хода и нагрузками на привод двухлифтовой установки с преобразователем длины хода; разработана и обоснована двухлифтовая технология раздельной добычи продукции объектов скважин многопластовых нефтяных месторождений двухлифтовой установкой скважинных штанговых насосов с одним наземным приводом и преобразователем длины хода. Цель данного исследования: обосновать работоспособность разработанной двухлифтовой технологии раздельной добычи продукции объектов скважины штанговыми насосами, приводимыми в действие одним наземным приводом, провести экспериментальные исследования и подтвердить полученные теоретические зависимости работы технологии.
Исследование работы разработанной технологии может выполняться различными методами: при помощи математического или компьютерного моделирования, с использованием специальных нагрузочных приспособлений [3] на стендовых скважинах и, наконец, на действующих скважинах в условиях реальной эксплуатации. Исследование на моделях – наименее трудоемко, однако любые модели строятся при определенных упрощениях и поэтому не дают полной картины явлений, которые имеют место при работе реальной установки на реальной скважине. Экспериментальное исследование работы технологии на действующей скважине хотя и является наиболее трудоемким, но дает действительные параметры работы двухлифтовой УСШН, реализующей разработанную технологию, которые могут служить достоверным критерием оценки теоретических зависимостей.
Однако при исследовании на действующей скважине трудно учесть все факторы, влияющие на работу УСШН, поэтому, если это возможно, исследование предпочтительно проводить параллельно двумя методами: исследованием работы УСШН на действующей скважине и созданием модели работы УСШН на этой скважине. Постепенно определяя предварительно принятые упрощения, модель работы УСШН можно максимально приблизить к модели работы УСШН в реальной действующей скважине.
Основными задачами исследования поставлены:
– определение работоспособности предлагаемой технологии в условиях реальной эксплуатации;
– получение фактических параметров работы установки (нагрузки в точках подвеса штанг (ТПШ) лифтов, производительности лифтов и удельное потребление электроэнергии установки) при различных режимах откачки;
– проверка полученных теоретических зависимостей.
Экспериментальные исследования работы технологии и установки были проведены в три этапа:
– на первом – были проведены испытания материального макета наземной части установки для определения работоспособности проверкой возможности индивидуального изменения длины хода подвесок лифтов. Испытания макета подтвердили работоспособность предложенной установки. При имитации подъема и спуска лифтов преобразователь приводился в действие от разницы нагрузок на подвесках, что приводило к дополнительному увеличению длины хода более тяжелой подвески и уменьшению хода более легкой подвески, тем самым опытно доказав возможность эксплуатации лифтов с разной скоростью откачки;
– на втором – были проведены стендовые испытания преобразователя в динамике при нагрузке, близкой к максимально допускаемой для гибкой тяги преобразователя, с целью уточнения диапазона изменения длины хода под нагрузкой;
– на третьем – в условиях реальной эксплуатации проведены исследования работы установки, в частности определение производительности лифтов, нагрузок в ТПШ лифтов, потребляемой электроэнергии и других показателей работы для сравнения применяемой технологии эксплуатации с разработанной.
Критериями работоспособности установки и, в частности, преобразователя являются регулирование скорости откачки лифтов преобразователем, что на скважине выражается неснижением производительности лифтов, и подтверждение полученных теоретических зависимостей.
Для корректности сравнения подобрана скважина, в которой переход можно осуществить без изменения скважинного оборудования и перемонтажа наземного привода
Исследования работы установки проводились на скважине (рисунок 1). Подходящий для совместной работы с преобразователем станок-качалка UP-9T-2500-3500 (слева) расположен на достаточном для размещения преобразователя высоте, что исключает необходимость его подъема (перемонтажа). На выбранной скважине для нормальной работы установки доработана устьевая арматура с целью расположения устьевых сальников примерно на одном уровне, произведена подгонка колонн штанг лифтов, отцентрован и уравновешен СК.
На момент исследований до перехода на скважине эксплуатировались два наземных привода: на лифте 1 – СК6-2,1-2500 и лифте 2 – UP-9T-2500-3500 (на рисунке 1 слева). По результатам исследований выявлено, что более производительным и с большей нагрузкой в ТПШ является лифт 2 по отношению к лифту 1. Более производительный (лифт 2) будет эксплуатироваться с длиной хода , менее производительный (лифт 1) с длиной хода . В качестве наземного привода решено использовать UP-9T, параметры которого близки к техническим параметрам преобразователя.
По данным исследований, проведенных до перехода на разработанную технологию, лифт 1 эксплуатировался с длиной хода 2,1 м и частотой качаний 2,9 мин-1, а лифт 2 – 2,5 м и 2,9 мин-1 с общим дебитом в среднем 7,15 м3/сут. Установка после перехода (рисунок 2) испытывалась в двух режимах: с длиной хода 2 м лифта 1 и 3 м – лифта 2 при длине хода станка-качалки UP-9T 2,5 м и частотой качаний 2,9 мин-1 и с одинаковой длиной хода обоих лифтов, равной длине хода UP-9T с частотой качаний 2,9 мин-1.
Основными показателями работы добывающих технологий являются производительность, нагрузки в ТПШ и удельный расход энергии. Сравним полученные фактические перечисленные показатели работы применяемой технологии с двумя наземными приводами и разработанной с одним приводом и преобразователем длины хода.
Для сравнения производительностей установок на рисунке 3 приведены графики фактических замеров дебитов (производительностей) лифтов и скважины за период 01.05–02.09.2018 г. Общий (суммарный) дебит лифтов 1 и 2 скважины измеряется на групповой замерной установке счетчиком ТОР. Дебит лифта 1 измеряется отдельно с помощью счетчика РИНГ. Дебит лифта 2 определяется разностью значений общего дебита и дебита лифта 1. На рисунке также приведены графики запланированных дебитов по технологическому режиму скважины.
По графикам замеров дебита видно, что после перехода общий дебит скважины не уменьшился и даже увеличился за счет большего отбора с лифта 1 и меньшего с лифта 2.
Общий дебит скважины до 18.06.2018 г. (до перехода) составлял в среднем 7,15 м3/сут при запланированном по технологическому режиму 7,7 м3/сут. Видно снижение общего дебита скважины из-за снижения дебита лифта 1 скважины, что подтверждается результатами комплексных исследований до перехода на разработанную технологию по причине снижения забойного давления в среднем с 8,3 до 6,4 МПа и нестабильной работы лифта 2 из-за влияния газа под пакером на динамограммах.
С 18.06.2018 г. по 05.07.2018 г. дебиты лифтов сохраняются, а после 05.07.2018 г. происходит увеличение дебита лифта 1 и уменьшение дебита лифта 2. Увеличение общего дебита скважины в среднем до 8,1 м3/сут не связано с переходом, т.к. параметры эксплуатации установки изменились не в сторону увеличения отбора с лифта 1: длина хода лифта 1 уменьшилась с 2,1 до 2 м, а длина хода лифта 2 увеличилась с 2,5 до 3 м при сохранении числа качаний 2,9 мин-1. Частично это связано с простоями скважины 25–28.06.2018 г. для выполнения работ по переходу на разработанную технологию, но в основном с увеличением забойного давления с 6,4 до 6,7 МПа (определено по результатам исследований) в объекте эксплуатации лифта 1.
Ввиду того что возникла необходимость корректировки технологического режима в сторону увеличения отбора с лифта 1 и уменьшения отбора с лифта 2, было принято решение увеличить отбор продукции с объекта эксплуатации лифта 1 путем увеличения длины хода лифта 1, поэтому с 23.07.2018 г. установка переведена на эксплуатацию при одинаковой длине ходов обоих лифтов, равной длине хода СК, т.к. разница в скоростях откачки стала менее 10 %. В результате общий дебит скважины (суммарный дебит лифтов) увеличился в среднем до 9,5 м3/сут при сохранении обводненности в районе 20 % по данным на 04.09.2018 г. и 8,8 % лифта 2 на 03.09.2018 г.
Полученный рост общего дебита скважины, в частности увеличение дебита лифта 1 и снижение дебита лифта 2, больше связаны с изменениями пластовых и забойных давлений, но полученные результаты экспериментально подтверждают возможность регулировки производительности лифтов за счет преобразователя под требуемые режимы эксплуатации. Причем за счет более точной регулировки (гибкости настройки) скорости откачки лифтов обеспечивается более точный подбор производительности лифта дебитам объектов скважины. Для получения аналогичного результата на традиционной двухлифтовой УСШН с двумя приводами на этой скважине потребовалось бы на наземном приводе лифта 1 увеличить число качаний или заменить привод из-за невозможности на СК 6 увеличить длину хода с 2,1 до 2,5 м.
На рисунке 4 представлены графики изменения фактических нагрузок в течение цикла работы установки с СК и преобразователем в первом режиме при разной длине хода лифтов на скважине, снятые одновременно двумя автономными межтраверсными динамографами «Квантор-5абд» с погрешностью измерения нагрузки 2 %.
Наглядно видно, что максимальные нагрузки в ТПШ лифтов смещены друг относительно друга. Максимальная нагрузка 2857 кг в ТПШ лифта 1 возникает на 3,1 с цикла или на 625 мм хода вверх, при этом в ТПШ лифта 2 нагрузка составляет 3469 кг и ТПШ находится на 929 мм хода вверх. Максимальная нагрузка 3782 кг в ТПШ лифта 2 возникает на 9,6 с цикла или на 2998 мм хода вверх, при этом в ТПШ лифта 1 нагрузка составляет 2710 кг и ТПШ находится на 2710 мм хода вверх. Вертикальные линии, проведенные через точки, соответствующие максимальным нагрузкам в ТПШ лифтов, показаны на рисунке. Результирующая максимальная нагрузка на головку балансира СК с учетом массы преобразователя (265 кг) составляет 6732 кг и возникает на 9,4 с цикла или на 3000 мм хода вверх в верхней мертвой точке.
На данной скважине увеличение нагрузки в конце цикла вверх в ТПШ лифта 2 свидетельствует о наличии заедания плунжера в цилиндре насоса в этом месте. В типовых динамограммах максимальная нагрузка располагается ближе к началу хода вверх после растяжения колонны штанг. Если рассматривать этот участок, то видно, что максимальная нагрузка в ТПШ лифта 1 приходится на снижающуюся по значению нагрузку в ТПШ лифта 2. Данный факт связан с конструктивной особенностью преобразователя – работой его от мгновенной разницы нагрузок лифтов. По этой причине лифт с большей нагрузкой в ТПШ всегда первым начинает ход вверх и первым воспринимает нагрузку, при этом другой лифт запаздывает за счет гибкости тяги (ленты), сглаживающей разницу нагрузок.
Для сравнения нагрузок на головку балансира СК применяемой двухлифтовой УСШН с двумя СК и разработанной двухлифтовой УСШН с одним СК и преобразователем на рисунке 5 приведены графики изменения нагрузок, полученные суммированием нагрузок в ТПШ лифтов. На рисунке также приведен для сравнения график изменения суммарных нагрузок на головку балансира СК в течение цикла работы установки с одним СК и преобразователем при одинаковой длине хода лифтов.
Как видно из рисунка 5, суммарные нагрузки на головку балансира СК в течение цикла работы установки с одним СК и преобразователем при разной длине хода лифтов ниже, чем при работе без преобразователя (двухлифтовая УСШН с двумя СК). Фактически получено на эталонных динамограммах снижение максимальной нагрузки на 569 кг, что составляет 7,8 %, и минимальной нагрузки на 293 кг (8,2 %).
Во время проведения экспериментальных исследований на скважине проводились также измерения потребляемой установкой электроэнергии двухлифтовой УСШН с двумя СК и после перехода на УСШН с одним СК и преобразователем. Как было сказано выше, для корректности сравнения на данной скважине была обеспечена неизменность скважинного оборудования и наземного привода, электродвигателя и ведущего шкива ременной передачи. Потребление электроэнергии измерялось одним и тем же, прошедшим поверку счетчиком АКИП 40-22, установленным в трансформаторной подстанции.
В результате комплексных измерений на скважине получено, что электроэнергия, потребляемая традиционной двухлифтовой УСШН с двумя наземными приводами, в сутки составляет в среднем 225,6 кВт, соответственно, удельные энергозатраты на подъем единицы продукции установкой составляют в среднем 44,3 кВт·ч/(м3·км). После перехода на УСШН с одним СК и преобразователем электроэнергия, потребляемая установкой в сутки, составила в среднем 144,8 кВт, соответственно, удельные энергозатраты на подъем единицы продукции установкой составили в среднем 12,37 кВт·ч/(м3·км). Следовательно, переход на УСШН с одним СК и преобразователем на данной скважине позволил уменьшить потребление электроэнергии в среднем на 35,8 % и удельные энергозатраты на подъем единицы продукции установкой – в среднем на 72,1 %.
Как было показано выше, приведение в действие только одним СК штанговых насосов двухлифтовой УСШН позволяет не только не ухудшить эксплуатационные характеристики, но и улучшить некоторые, особенно при длинноходовых режимах их эксплуатации. Так, при этом сокращаются затраты на оснащение установки вторым полноценным приводом, его монтаж на скважине, обслуживание и ремонт при эксплуатации, электроэнергию для его работы, на демонтаж одного из приводов и последующий монтаж заново при подземном ремонте скважины, улучшаются энергетические характеристики установки за счет снижения величины суммарной нагрузки в ТПШ лифтов на наземный привод и возможности более точного согласования дебита объектов эксплуатации (пластов) со скоростью откачки лифтов.
На практике переход на предлагаемую технологию возможен в следующих случаях (расставлены по мере вероятности):
1 при переходе от эксплуатации скважины базовым вариантом на эксплуатацию предлагаемым вариантом;
2 при переходе от эксплуатации скважины типовым УСШН на эксплуатацию по предлагаемым двухлифтовым ОРД;
3 при внедрении на новой скважине предлагаемого двухлифтового ОРД.
Для иллюстрации эффективности технологии рассмотрим конкретный случай ее применения на скважине, на которой проводились исследования. Для расчета воспользуемся фактическими данными. В качестве базы сравнения принимаются эффектообразующие показатели работы двухлифтовой УСШН с двумя СК по технологии ОРД до перехода на разработанную технологию. На этой скважине фактически получился переход с эксплуатации двумя приводами на эксплуатацию одним приводом и преобразователем с частичной доработкой устьевой арматуры (случай 1).
На данной скважине при переходе на предлагаемую технологию снизились затраты за счет:
1 исключения аренды СК6. СК не принадлежат ПАО «Татнефть», а арендуются у УК ООО «ТМС групп». Стоимость услуг по аренде с обслуживанием СК до 60 кН без учета покраски без замены ремней составляют 280,7 руб./сут., свыше 60 кН – 300,9 руб./сут. (согласно протоколу согласования стоимости услуг УК ООО «ТМС групп» по аренде с обслуживанием приводов ШГН (СК) для структурных подразделений ПАО «Татнефть» с 1 января 2018 года). Соответственно, затраты на аренду уменьшаются с 212 284 руб./год при двух СК до 109 829 руб./год при одном СК;
2 снижения потребления электроэнергии установкой в среднем на 35,8 %. По результатам исследований работы скважины до и после перехода на разработанную технологию получено фактическое снижение потребления электроэнергии установкой в среднем с 231 258 руб./год до 151 064 руб./год при сохранении дебита скважины (обоих лифтов).
При этом затрачено:
1 на оснащение установки преобразователем. Стоимость преобразователя с НДС составила 397 446,48 руб.;
2 на монтаж преобразователя, центровку СК, доработку устьевой арматуры на скважине. Фактические затраты составили 80 173,27 руб.
Дополнительно следует учесть:
1 стоимость обслуживания преобразователя оценена экспертно в 500 руб./год. При обслуживании преобразователя производится чистка и смазка цепей и звездочек один раз в год, совмещенное с обслуживанием СК;
2 стоимость ремонта преобразователя (замена цепи, ленты и каната один раз в два года) оценено экспертно в 32 525 руб. в год;
3 ориентировочная стоимость перемонтажа с целью обеспечения необходимой длины хода (приподъема) СК составляет в среднем 90 тыс. руб.;
4 затраты на демонтаж и перевозку одного из СК – 60 тыс. руб.;
5 потенциальный фонд скважин на основании анализа фонда скважин ПАО «Татнефть», согласно КИС «АРМИТС», по состоянию на октябрь 2018 г. – в количестве 248 скважин.
Согласно расчету технико-экономической эффективности на один объект в ценах 2018 года, выполненному в КАС «Эдисон+», получено следующее:
– чистый дисконтированный доход 534 тыс. руб.;
– индекс доходности дисконтированный 1,78;
– срок окупаемости 4,2 года;
– ожидаемая денежная стоимость при внедрении на весь потенциальный фонд скважин 72,05 млн руб.
Чистый дисконтированный доход с учетом потенциального фонда 132,432 млн руб.
Результаты расчетов подтверждают эффективность разработанной технологии.
В то же время выявлены эксплуатационные ограничения для применения технологии, такие как: необходимость наличия разницы нагрузок в ТПШ лифтов в любой момент времени цикла работы установки и точной центровки наземного привода относительно оси эксплуатационной колоны скважины, а также относительно низкая наработка установки на отказ, требующие подробного изучения.
Выводы
1. По результатам проведенных исследований, в частности – производительности лифтов и установки в целом, потребляемой электроэнергии и возможности эксплуатации установки и лифтов в различных режимах работы, обоснована работоспособность двухлифтовой технологии раздельной добычи нефти из пластов в скважине штанговыми насосами, приводимыми в действие одним наземным приводом.
2. На основании сравнения нагрузок по динамограммам в точках подвеса штанг лифтов двухлифтовой УСШН с двумя наземными приводами и двухлифтовой УСШН с одним наземным приводом экспериментально доказано, что максимальная нагрузка на наземный привод во втором случае снижается на 8 % и удельные энергозатраты на подъем единицы продукции – в среднем на 72 % при сохранении производительности лифтов и скважины в целом.
3. Применение двухлифтовой технологии раздельной добычи продукции объектов скважины штанговыми насосами, приводимыми в действие одним наземным приводом, повышает эффективность эксплуатации. Для условий ПАО «Татнефть» эффективность эксплуатации повышается за счет более точного согласования дебита объектов эксплуатации (пластов) со скоростью откачки лифтов, улучшения энергетических характеристик установки за счет снижения величины суммарной нагрузки в точках подвеса штанг лифтов на наземный привод и создания предпосылок для сокращения затрат на аренду и обслуживание одного наземного привода, а чистый дисконтированный доход от применения предлагаемой технологии на потенциальном фонде скважин превышает 132 млн руб.
Литература
1. Саитов А.А. Предпосылки снижения затрат на добычу нефти двухлифтовой установкой скважинных штанговых насосов // Нефтепромысловое дело. – 2025. – № 4. – С. 57–63.
2. Саитов А.А., Валовский В.М. О возможности эксплуатации двух объектов (продуктивных пластов) нефтяного месторождения двухлифтовой установкой скважинных штанговых насосов с одним наземным приводом // Нефтепромысловое дело. – 2025. – № 5. – С. 46–53.
Рабинович, А.М. Нагрузочное приспособление для испытания и исследования работы приводов глубиннонасосных установок / А.М. Рабинович. – Текст: непосредственный // Труды АзИНМАШа, конструкторско-экспериментальные и научно-исследовательские работы в области нефтепромыслового оборудования и инструмента. Выпуск 3. – Баку: АзИНМАШ-ОНТИ, 1965. – С. 35–70.
