ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ МЕХАНИЗМА ЦЕПНОГО ПРИВОДА ШТАНГОВОГО НАСОСА ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ

Ногаев Нурлан Аскарович

аким Западно-Казахстанской области, г. Уральск

Е-mail:

Баесов Алибек Каирлиевич

генеральный директор, АО «Уральск-Нефтегазгеология», г. Уральск

Е-mail: ANDAS@mail.ru

Дружинин Вячеслав Михайлович

генеральный директор, ТОО «ЖайкМунай», г. Уральск

Е-mail:

Ахметов Сайранбек Махсутович

ректор Казахстанского университета инновационных и

Телекоммуникационных, г. Уральск

Е-mail: Axmetov_aing@mail.ru

Optimization of parameters of the mechanism of a chain drive of the shtangovy pump for oil production

Nurlan Nogayev

Governor of the West Kazakhstan area, Uralsk

Alibek Baesov

The general director of Joint-stock company "Uralsk- Oil, gas and geology », Uralsk

Vyacheslav Druginin

The general director of the enterprise «JaiykMunai», Uralsk

Sayranbek Akhmetov

Rector of the Kazakhstan university of innovative and telecommunication systems, Uralsk

АННОТАЦИЯ

В целях оптимизации параметров цепного привода штангового насоса реализован многофакторный эксперимент. В результате получены оптимальные значения основных параметров установки, позволяющие подобрать эффективные размеры и характеристики цепного привода.

ABSTRACT

With a view of optimization of parameters of a chain drive of the shtangovy pump multiple-factor experiment is realized. Optimum values of the main parameters of the unit, allowing to pick up the effective sizes and characteristics of a chain drive are as a result received.

Ключевые слова: насосная установка; добыча нефти; механизм цепного привода; параметры; оптимизация.

Keywords: pump installation; oil production; mechanism of a chain drive; parameters; optimization.

На месторождениях высоковязкой нефти с осложненными условиями эксплуатации (обводнененность, наличие механических примесей и т. д.) для добычи скважинной продукции в последние годы хорошо зарекомендовали себя штанговые насосные установки (ШСНУ) с наземными цепными приводами (ЦП) [6]. ЦП отличаются меньшим габаритом в отличие от традиционных балансирных станков-качалок (СК). Это делает ее более эффективным при обеспечении работы одной и той же установки ШСНУ с учетом того, что, в СК процесс уравновешивания осуществляется за счет применения специальных тяжелых грузов. Поэтому ЦП менее металлоемкие.

Нами были анализированы конструкции и принципы работы ЦП с вертикальным расположением редуцирующего преобразующего механизма (РПМ), которые нашли наибольшее применение в промыслах России и частично начали внедряться в месторождениях Казахстана.

Недостатком данных устройств является износ роликов каретки. Это обусловлено тем, что, движение каретки в горизонтальной плоскости приведет к восприятию сил тяжестей колонны штанг и поднимаемой скважинной продукции роликами и горизонтальными направляющими что вызывает их интенсивный износ.

На основании существующих аналогов, описания которых изложены в работах [4, 5], нами было предложено новое техническое решение, позволяющее снизить износ рабочих элементов каретки РПМ и повысить их ремонтопригодность [2]. Предложенное устройство цепного привода скважинного штангового насоса (см. рис. 1, 2 и 3) содержит несущую раму 1, откатную L-образную сварную металлоконструкцию 2, двигатель 3, клиноременную передачу 4, редуктор 5, РПМ, включающий цепную передачу с цепью 6 повышенной нагрузочной способностью, ведущей 7 и ведомой 8 звездочками, каретку 9, выполненную в виде треугольного контура, имеющего на вершинах шарнирно установленные зубчатые ролики 10, горизонтальные направляющие, выполненные в виде съемных зубчатых реек 11 и 12, образующих с роликами 10 зубчатое зацепление. Рейки 11 и 12 соответственно расположены в нижней и верхней частях полости 13 противовеса 14 с обычными цилиндрическими роликами 15.

Рис. 1. Общая конструктивно-кинематическая схема устройства цепного привода скважинного штангового насоса

Рис.2. Схема расположения треугольной каретки в противовесе РПМ привода

Рис. 3. Взаимодействие зубчатых роликов с рейками горизонтальных направляющих каретки: (разрез вид - А на рис. 2)

Противовес перемещается по вертикальным направляющим 16 и связан посредством шкивов 17 с разомкнутым гибким звеном 18 и колонной штанг 19. Зубчатые рейки 11 и 12 горизонтальных направляющих каретки 9 в целях обеспечения возможности их замены при ремонте выполнены съемными. Треугольный контур каретки 9 расположен в полости 13 таким образом, что, две его вершины с соответствующими зубчатыми роликами 10 входят в зацепление с нижней рейкой 11, а третья с верхней рейкой 12, обеспечивающим беспрепятственное синхронное перемещение их по рабочим поверхностям реек. При этом, треугольный контур выполнен с возможностью изменения высоты посредством винтового механизма (на схеме не показан), позволяющего оперативно установить каретки 9 на рейках и регулировать усилия между ними и зубчатыми роликами. Зубчатые ролики 10 посажаны на пальцах 20, которые шарнирно установлены посредством подшипников качения 21 на вершинах треугольного контура каретки 9.

В центре каретки 9 установлена скалка 22 при помощи подшипников качения 23, к которой присоединена цепь 6 цепной передачи (на схеме не показана). Устройство цепного привода управляется со станции управления 24.

В предложенном устройстве, за счет выполнения роликов и горизонтальных направляющих зубчатым, радиальная нагрузка (нормальное механическое давление) распределяется на две составляющие, что позволяет снизить износ роликов, исключить их скольжение качения и повысить ремонтопригодность других узлов каретки, и таким образом, увеличить срок службы ее рабочих элементов.

В целях оптимизации параметров предложенной конструкции были проведены экспериментальные исследования с применением методики планирования многофакторного эксперимента [1, 3].

За основу был принят модель следующего вида [1]:

 ,                                              (1)

где - коэффициенты регрессии.

Для реализации модели (1) необходимо выбрать критерии оптимальности и факторы, оказывающие наибольшее влияние на этот критерии. Для ранжирования возможных факторов сначала необходимо их выделить из общего числа множества различных физических параметров.

Критерии оптимизации и факторы должны существенным образом характеризовать эффективность ЦП ШСНУ в соответствии с его назначением.

На этом основании были выделены следующие факторы, характеризующие, на наш взгляд, работу ЦП ШСНУ в эксплуатации нефтяных скважин:

1)  Кинематический параметр редуцирующего преобразующего механизма ЦП ШСНУ, характеризующий отношение полного хода точки подвес штанги (ТПШ) к радиусу ведущей (или ведомой) звездочки цепной передачи РПМ

 ;                                                               (2)

2)  Полный ход ТПШ, определяемый при помощи конструктивных размеров цепной передачи РПМ

,                                                               (3)

где L – межосевое расстояние цепной передачи РПМ;

3)  Передаточное отношение РПМ

,                                 (4)

где n и n₁ – соответственно частоты хода ТПШ насоса в единицу времени (частота качаний) и вращения звездочки РПМ, в мин^-1, которые определяются известными формулами

 ,                                                                          (5)

τ – время одного хода цепной передачи РПМ, вычисляемое

,                                (6)

ω – угловая скорость звездочки цепной передачи РПМ, с^-1;

4)  Коэффициент, характеризующий потерю хода плунжера из-за упругих свойств (деформации растяжения) колонны штанг и труб

 ;                                                                (7)

5)  Вес одного метра штанг в скважинной жидкости – q_шт;

6)  Удельный вес откачиваемой скважинной продукции - γ;

7)  Динамическая вязкость откачиваемой скважинной продукции - μ;

8)  Коэффициент, характеризующий величину силу трения в доле от веса штанговой колонны в скважинной жидкости – b_тр;

9)  Диаметры плунжера скважинного насоса, штанги и внутренней части НКТ, соответственно D_пл, D_шт и d _тр;

10) Коэффициенты, характеризующие соотношения диаметров D_шт и d_тр:

; ;                                         (8)

11) Максимальная скорость ТПШ насосной установки с цепным приводом

;                                               (9)

12) Коэффициент подачи ШСНУ

,                                 (10)

где - площадь поперечного сечения плунжера,  - утечка между плунжером и цилиндром насоса,  - коэффициент наполнения насоса, определяемый из выражения

,                                                (11)

где - газосодержание смеси, засасываемые насосом, - относительная величина вредного пространства насоса

,                                                              (12)

где  и - соответственно объем вредного пространства насоса и объем, описываемый плунжером за один ход

В выражении (10) в большинстве случаев, за определенный промежуток времени коэффициент наполнения  и величина утечки q_ут могут оставаться неизменными, которые, более того, с применением цепного привода соответственно будут расти и уменьшаться. Это дает основание упростить выражение (10) и дает ему более упрощенный и практичный вид

;                                                    (13)

13) Предельная (максимальная) теоретическая производительность ШСНУ с ЦП при откачке высоковязкой нефти

.                                           (14)

Анализируя выделенные 13 параметров, только последний показатель по свое значимости однозначно может охарактеризовать искомый критерий оптимальности. Это обусловлено, тем, что данный показатель по физической сущности характеризует также и эффективность ШСНУ с ЦП в соответствии с его основным назначением. Более того, как видим, он включает все основные параметры системы добычи нефти, которые приведены в позициях 1)÷12).

Задачу определения значений критерии оптимальности можно представить в виде целевой функции

                              (15)

Из (15) следует, что для достижения максимума в функции отклика нам необходимо реализовать факторный эксперимент с числом факторов n_ф=6.

Тогда, согласно методике центрального ортогонального композиционного планирования экспериментов, описанной в работе [6] число минимальных опытов (компьютерных вычислений) должно было быть равно

 .                                                  (16)

Однако это усложняло бы регрессионный анализ и делало бы матрицу планирования громоздкой. С другой стороны, с увеличением числа опытов повышается уровень ошибок и просчетов, что в целом сказывается на снижение достоверности и адекватности модели. Как показывает практика, самая оптимальная модель получается при числе факторов, не превышающих 3—4, которая ограничивается 15 или 25 опытами:

.                                             (17)

Из функции (15) можно исключить три параметра (фактора), которые, могут повторяться или иметь не существенное значение. Например, динамическая вязкость , хотя и является немаловажным параметром, в некоторых диапазонах мало поддается варьированию, т. к. изменение данного показателя зависит от реолого-химических свойств нефти, которая в пределах одного месторождения или участка можно принять постоянной. Следовательно, данный показатель в качестве варьируемого фактора исключаем, а будем только менять его значения при построениях графических зависимостей после факторного эксперимента.

Параметр  характеризует конструкцию устройства, и в этой связи хорошо поддается варьированию. Однако в том соотношений, каким он представлен в (2), особый интерес для оптимизационной задачи не представляет. Однако, если, допустим, это выражение выразим через межосевое расстояние L цепной передачи РПМ, так как от него зависит высота наземной части привода, а следовательно и масса металлоконструкции, т.е. его металлоемкость, то этот обобщающий фактор был бы более приемлемым для оптимизации. Поэтому, объединяя выражения (2) и (3) параметр  приводим в более практичный вид и примем его в качестве одного из основного фактора варьирования.

Параметры  и , при постоянном значении плотности материала штанги повторяют друг друга, т.е. при определении значения одного из них можно рассчитать величину другого. Между тем, безразмерный параметр  имеет преимущество перед показателем , представленным в физической единице. Это заключается в удобстве варьирования при построении математической модели. В связи с этим в качестве следующего фактора варьирования приняли параметр , характеризующий отношение диаметра штанги к внутреннему диаметру НКТ.

В качестве третьего варьируемого фактора один из двух оставшихся параметров  и . Коэффициент  (см. позицию 8)), характеризовать критерий оптимизации (производительность) непосредственно, так, как параметр  не может. С другой стороны параметр  (площадь поперечного сечения плунжера) имеет размерность физической величины в отличии от двух уже выбранных факторов. В связи с этим, в целях перевода его на безразмерную величину мы выражаем данный параметр в виде отношения его к площади поперечного сечения штанги, что после необходимых преобразований можно представить как отношение диаметров  и . В связи с этим третьим варьируемым фактором примем параметр, характеризующий отношение  к . При этом  являясь составляющим уравнения (8) для определения фактора , после определения оптимального значения позволит вычислять соответствующие им величины внутреннего диаметра НКТ - d_тр.

В таблице 1 представлены уровни и интервалы варьирования выделенных факторов.

Величина  в таблице 1 характеризует сдвиг координаты от центра двумерных сечений предполагаемой математической модели.

Таблица 1.

Уровни и интервалы варьирования выделенных факторов

Все измерения и вычисления были сведены в матрицу планирования, которая, в целях обеспечения полного факторного эксперимента была составлена методом центрального ортогонального композиционного планирования.

На основании вычисленных коэффициентов регрессии была получена математическая модель предельной производительности ШСНУ с ЦП, при максимальной нагрузке в ТПШ 60 кН, максимальной длине хода плунжера 3,0 м, которая представляет собою уравнение в виде зависимости критерия оптимизации от условных координат

              (18)

Для определения величин оптимизируемых факторов (параметров) в физических единицах, соответствующих экстремуму целевой функции, а также с целью перевода их значений от условных координат к физическим координатам (значениям) воспользуемся данными таблицы 1, в результате получим:

,                                (19)

или

                       (20)

Поставляя (20) в (18) получим искомую математическую модель предельной производительности в виде функциональной зависимости этого критерия оптимальности от физических параметров

(21)

Полученные математические модели (21) и (18) обрабатывались на компьютере с учетом (20) и уровней варьирования факторов, приведенных в таблице 1. Затем, применением специальной вычислительной программы, на их основе были построены графические изображения моделей в виде изменения поверхности отклика от выбранных параметров k_РПМ, m' и x на трехмерной пространственной системе координат. Затем, на зафиксированных оптимальных уровнях этих параметров вычисляли и другие параметры. Значения выбранных параметров, соответствующие экстремуму модели (21) составляют k_РПМ=5,03; m'=0,558 и x=2,308.

Выводы:

1.Предложенная конструкция устройства цепного привода скважинного штангового насоса наряду с техническим решением, позволяющим повышение эксплуатационных качеств ЦП ШСНУ дает возможность обосновать методику определения параметров сопротивления усталости промежуточных пластин, износостойкости цепи и потребной мощности для его привода.

2.Построенная математическая модель, представляющая собой полином зависимости критерия оптимизации от выделенных факторов в безразмерных координатах позволяет определить их оптимальные значения в условных и физических единицах.

Список литературы:

1.Адлер Ю.П., Маркова Е.В, Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. - М.: Наука, 1976. – 279 с.

2.Ахметов С.М., Ахметов Н.М., Абугалиев С.К. и др. Устройство цепного привода скважинного штангового насоса. Описание изобр. по Патенту РК № 23627 от 15.12.2010, бюл. № 12.

3.Молчанов Г.В., Молчанов А.Г. Машины и оборудование для добычи нефти и газа. – М.: Недра, 1984. – 464 с.

4.Патент РФ № 2301356, С1, F 04 В 47/02. - Цепной привод скважинного штангового насоса / Даутов Т.Г., Тахаутдинов Ш.Ф., Огнев М.Е., Торхов И.Н. и др. - Заявл. 10.01.2006; Опубл. 20.06.2007.

5.Поляков В.С., Барбаш И.Д. Муфты / Конструкции и расчет. Изд. 4, перераб. и доп.- Л.: Машиностроение, 1973, с. 271-273, рис. 193 а.

6.Тахаутдинов Ш.Ф., Ибрагимов Н.Г., Ахметвалиев Р.Н. и др. Результаты и перспективы применения цепных приводов скважинных штанговых насосов в ОАО «Татнефть» // Нефтяное хозяйство. – 2006. – № 3. – С. 68—71.