3.2 Анализ и синтез компоновочных схем оборудования скважинных штанговых насосных установок для добычи нефти применительно к заданию на проектирование

3.2.1 Назначение и область применения

Из всех существующих механизированных способов добычи нефти в нефтедобывающей промышленности штанговый насосный способ является наиболее массовым. С помощью штанговых скважинных насосных установок (УШСН) эксплуатируется около 60 тысяч скважин, в т.ч. почти треть из них в Татарстане.

Штанговая скважинная насосная установка состоит из трех принципиально различных частей - скважинного насоса, насосных штанг и наземного привода. Самая «консервативная» часть всей установки, находящаяся в эксплуатации наибольшее время, - наземный привод, в подавляющем большинстве установок представленный в виде станка-качалки. Фактический срок службы наземного оборудования, исходя из мирового опыта, составляет 20-30 лет. Этим объясняется одновременное наличие в эксплуатации оборудования, выпускавшегося по различным нормативным документам, естественно меняющимся за такой продолжительный период.

До 1991 г. головной организацией по проектированию и разработке всей документации на станки-качалки являлся АзИН-МАШ (г.Баку) и все оборудование установок монопольно производилось только в Азербайджане. В 1987 г. указанной организацией был разработан последний стандарт на станки-качалки. В последние годы на производство станков-качалок были переклюю-чены российские предприятия, в числе которых и ранее входившие в военно-промышленный комплекс, - Ижевский механический завод (АО «Ижнефтемаш»), Ижевский завод «Редуктор» (ОАО «Редуктор»), завод Уралмаши ГПО «Уралтрансмаш» (г.Екатеринбург), АО Мотовилихинские заводы (торговый дом «Мотовилихинский», г.Пермь), предприятие «Вакууммаш» (г.Казань), а также Нефтепроммаш (г.Ахтырка Сумской области). Появление нескольких производителей однотипного оборудования способствует увеличению разнообразия конструктивных решений и улучшению качества изделий на конкурентной основе.

За последние годы наблюдается тенденция пересмотра традиционных решений, что нашло отражение, в частности, во внедрении станков-качалок дезаксиального типа, в появлении отечественных станков-качалок с одноплечим балансиром, которые во времена монополии АзИНМАШа не изготовлялись. Можно предполагать, что в ближайшие годы более широко будут проводиться эксперименты по внедрению принципиально отличных от станков-качалок наземных приводов — тихоходных и длинноходовых безбалансирных и гидроприводных с различным видом уравновешивания.

С точки зрения экономических возможностей СШНУ могут обеспечить высокий напор в ограниченном диапазоне подач от 5 до 50 м³/сут. В области подач от 1 до 40 м³/сут СШНУ имеет более высокий КПД по сравнению с другими способами добычи нефти и при подаче, равной 35 м³/сут, он может достигать максимального значения (37%). Таким образом, СШНУ хорошо приспособлена для работы в условиях малого и среднего дебита скважин. Однако, в некоторых случаях подача может достигать 200 м³/сут и глубины подвески насосов достигают 2500 м.

Независимо от конструкций основных узлов, для всех СШНУ характерны следующие особенности: 1) значительное удаление гидравлической части насоса от механической, т.е. плунжера с цилиндром от кривошипно-шатунного механизма; 2) вертикальное расположение основных элементов установки; 3) малый поперечный (диаметральный) размер деталей, входящих в гидравлическую (подземную) часть установки. Все это в свою очередь обусловливает следующие явления, неблагоприятные для работы СШНУ.

1. Суммарная деформация колонны штанг и насосно-компрессорных труб достигает значительных величин и соизмерима с длиной хода плунжера.

2. Закон движения точки подвеса штанг отличается от закона движения плунжера, фактическая длина хода плунжера на 200— 500 мм меньше длины хода точки подвеса штанг. Поэтому при выборе режима работы установки стараются обеспечить максимальную длину хода плунжера.

3. Усилие в точке подвеса штанг постоянно направлено вниз и отличается при ходе вверх и вниз на 30—50%. Постоянство направления нагрузки в точке подвеса штанг, обусловленное весом колонны штанг и столба жидкости под плунжером глубинного насоса, обусловливает неравномерную загрузку приводного двигателя.

За время полного оборота кривошипа, т.е. за время одного цикла работы глубинного насоса, происходит подъем и опускание штанг. При этом при ходе штанг вверх двигатель привода должен затратить дополнительную работу по подъему штанг —увеличению их потенциальной энергии. Полезная работа двигателя при ходе вверх расходуется на подъем жидкости.

Для обеспечения хода штанг вниз не нужно совершать дополнительной работы - колонна опускается вниз силой собственного веса, а приводной двигатель при этом работает вхолостую.

Для обеспечения равномерной нагрузки двигателя за время двойного хода и уменьшения его мощности привод СШНУ снабжают уравновешивающим устройством (в данном случае — грузы на правом плече балансира), назначение которого аккумулировать энергию, получаемую от приводного двигателя и штанг, при ходе плунжера вниз и отдавать ее при ходе штанг вверх.