Экспресс-диагностика обрыва-отворота штанг на скважинах, оборудованных штанговыми глубинными насосами

Полный текст

Введение

В настоящее время значительная часть нефтедобывающего фонда скважин эксплуатируется скважинными штанговыми насосными установками (далее – УСШН). Установки данного типа условно можно разделить на 2 части: наземный привод и внутрискважинная компоновка.

Контроль технического состояния наземной части не вызывает объективных трудностей, в то же время контроль исправности спущенного в скважину оборудования, как правило, осуществляют по косвенным признакам. Вышеуказанная ситуация вызвана невозможностью визуального контроля, труднодоступностью внутрискважинного оборудования и сложными условиями работы, в частности, циклическим нагружением колонны штанг. При этом значительная доля аварийных отказов вызвана обрывом или отворотом штанг (далее – ООШ) [1–5].

Постановка задачи

Контроль технического состояния внутрискважинной компоновки, как правило, осуществляют путем анализа динамограмм (далее – ДГ).

Динамометрирование позволяет определить большинство видов аварийных отказов: сравнивая полученную динамограмму с эталонной, определяют отклонения в работе УСШН.

Но, несмотря на известные преимущества данного способа, имеются и определенные недостатки, т.к. оценка технического состояния проводится по косвенным параметрам. Одним из существенных недостатков является практическая сложность определения нижнего ООШ, который графически совпадает с неисправностью клапанов штанговых глубинных насосов (далее – ШГН).

Ошибка в распознавании неисправности приводит к неверному планированию работ по восстановлению работоспособности внутрискважинного оборудования. В связи с этим возникают лишние затраты, связанные с «реанимацией» скважинного оборудования (промывки водой, горячей нефтью, растворителем).

Предлагаемое решение

Для обнаружения нижнего ООШ предлагается следующее [6–8] (рис. 1): на устье скважины с помощью источника стабилизированного тока, подключенного одним контактом (зажимом) к наземной части металлической колонны штанг, а другим контактом (зажимом) к приемному электроду на устье, в качестве которого используется колонна насосно-компрессорных труб (далее – НКТ), в скважину подают постоянный стабилизированный по величине ток I_стаб , который создает разность потенциалов Uразд на концах омического сопротивления, разделяющий металлическую электрическую цепь и имеющий конечное известное сопротивление R_разд:

U_разд. = R_разд. • I_разд. (1)

При этом напряжение на устье U_устье (на источнике стабилизированного тока) равно:

U_устье = $\frac{R_{разд}·R_{пласт.жидк}}{\left(R_{разд}·R_{пласт.жидк}\right)+R_{кол}}$ • I_разд. (2)

где R_кол – сопротивление колонны штанг, насоса и насосно-компрессорных труб, R_{пласт.жидк} – сопротивление столба пластовой жидкости в кольцевом пространстве между колонной НКТ и колонной штанг (3):

$R_{пласт\text{.}жидк\text{.}}=\frac{{\rho }_{пласт\text{.}жидк\text{.}}\text{ln}\left(\frac{{\text{D}}_{внутр\text{.}}}{{\text{D}}_{внешн\text{.}}}\right)}{\text{2}\pi H}$ (3)

где R_{пласт.жид.} – удельное сопротивление добываемого флюида (нефть + вода), D_внутр и d_внешн – соответственно, диаметры внутренний НКТ и наружный колонны штанг, H – длина колонны штанг от устья до погружного насоса.

Причем при отсутствии нижнего ООШ сопротивление всей цепи равно (4):

U_устье / I_cтаб. ≈ R_разд. (4)

т.к. R_кол мало: R_кол. << R_разд. (колонны НКТ и штанг – металлические и имеют большие сечения, - больше 150 мм²), а R_{пласт.жидк} велико: R_{пласт.жидк.} << R_разд. (удельное сопротивление водо-нефтяных смесей близко к проводимости нефти и составляет величину, большую 10^-10 (Ом∙м).

 

Рисунок 1. Устройство обнаружения нижнего ООШ. 1 – источник стабилизированного тока, 2 – контакт к наземной части колонны, 3 – колонна металлических штанг, 4 – приемный электрод, 5 – колонна НКТ, 6 – блок регистрации изменения напряжения, 7 – разделитель известного электрического сопротивления, 8 – глубинный насос, 9 – сальник из диэлектрического материала, 10 – скребок-центратор из диэлектрика; пунктирной линии показана создаваемая электрическая цепь [8]

 

Результаты экспериментов

Целью проведения испытаний по моделированию протекания тока по каналу «НКТ – штанга» являлось обоснование возможности его применения на скважинах, оборудованных штанговыми глубинными насосными установками.

Стенд состоит из 4 моделей коаксиального проводника – аналог канала связи «НКТ – колонна штанг», представляющих собой металлические трубки определенного диаметра и длины.

Внутри каждой трубки (модели) находится коаксиально установленная металлическая (медь) проволока определенного диаметра, отцентрированная при помощи диэлектрических изолирующих втулок-центраторов (рис. 2). Каждая трубка имеет резиновую пробку с отверстием, через который пропущена проволока и соединена с зажимом для подачи сигнала.

 

Рисунок 2. Схема испытательного стенда. 1 – контакты для подключения генератора сигналов, 2 – проволока; 3 – труба, 4 – среда, заполняющая трубу, 5 – диэлектрическая пробка, 6 – контакты подключения источника питания [7]

 

Регистрация импульсов производилась при помощи двухканального осциллографа GW Instek gds-71042:

– канал А – контроль сигнала на входе в трубку,

– канал В – контроль сигнала на выходе из трубки.

С целью оценки волнового сопротивления коаксиального «кабеля», заполненного воздухом, первая серия испытаний проводилась без заполнения кольцевого пространства жидкостью. Для удобства рассмотрения частоты импульсов объединялись в диапазоны (1…5) кГц и (6…10) кГц.

 

Таблица 1. Результаты эксперимента

Диапазоны частот на входе, кГц	Амплитуда сигнала на выходе, В, для диаметра трубы, мм, исследуемого образца
	1	2	3	4
	6,2	10,3	14,2	16,6
С заполнением воздухом
от 1 до 5	8,8	8,8	8,8	8,8
от 6 до 10	8,8	8,8	8,8	8,8
С заполнением дистиллированной водой
от 1 до 5	6,8	6,2	6,4	6,4
от 1 до 5	6,4	6,2	6,4	6,8
С заполнением пресной водой
от 1 до 5	2,4	1,2	1,0	0,8
от 1 до 5	2,2	1,0	0,85	0,7

 

Получено, что на этих частотах волновое сопротивления не сказывается на прохождении сигнала, а воздух является идеальным диэлектриком.

Во второй части опыта трубы в испытательном стенде были заполнены дистиллированной водой.

Проводимость дистиллята оказалась существенно выше; соответственно, выходной сигнал оказывается на ~20% меньше, причем независимо от номера модели. Кроме того, сигналы разной частоты претерпевают одинаковое гашение (в пределах погрешности измерений, около 5%).

В третьей части опыта трубы в испытательном стенде были заполнены пресной водой.

Для пресной воды комплексное сопротивление (омическое + емкостное) оказывается существенным, и происходит значительное ослабление сигнала (от 3,5 раз для модели № 1 до 11 раз для модели № 4), причем независимо от частоты сигнала. В то же время видно, что полоса 6…10 кГц затухает сильнее.

Эксперименты показали возможность применения протекания тока по каналу «НКТ – штанга» для контроля целостности электрической цепи и соответственно колонны штанг.

Обсуждение результатов

При возникновении нижнего ООШ электрическое сопротивление цепи «НКТ – насос – разделитель – колонна штанг» будет резко возрастать, т.к. при этом (5):

R_кол. → ∞ (5)

что вызовет синхронное возрастание для поддержания Iстаб, а значит (6):

U_устье / I_стаб = R_разд (6)

Последнее (6) послужит критерием обнаружения нижнего ООШ.

Случайные замыкания колонны штанг при изгибах (в частности, при ходе вниз) и, соответственно, падение сопротивления практически до нуля (7),

R_кол. → ∞ (7)

которое не влияет на надежность определения нижнего ООШ при данном способе, т.к. блок синхронизации, входящий в устьевой блок, настроен на регистрацию возрастания сопротивления цепи много больше R_разд.

Апробация

Практические испытания были осуществлены на 3 скв. – 68А, 4051, 2823 – Ельниковского нефтяного месторождения с предварительной причиной отказа «обрыв штанг».

Испытание 1. Скв. 68А Ельниковского месторождения. При обходе оператор обнаружил отсутствие подачи жидкости по скважине. После производства гидродинамических исследований (по динамограмме на рис. 3 нагрузки составляли около 3 т) было принято решение произвести внеплановую промыв динамограмме наблюдались также нерабочие клапаны (нагрузки после промывки горячей нефтью составляли около 2,5 т). Оперативно было принято решение о постановке бригады капитального ремонта скважин (далее –КРС).

 

Рисунок 3. Динамограмма скв. 68А

 

Перед подъемом насосных штанг произвели замер сопротивления цепи «колонна штанг – насос – колонна НКТ» (рис. 4). Для этого один из контактов зафиксировали на колонне насосных штанг, другой контакт присоединили к противовыбросовому оборудованию. Сопротивление изоляции составило 3,79 МОм, что говорит нам о возможном обрыве штанг.

 

Рисунок 4. Замер изоляции цепи НКТ-насос-колонна штанг на скв. 68А

 

При подъеме насоса обнаружился обрыв между 95-й и 96-й насосными штангами по муфте. Причиной обрыва послужила высокая интенсивность набора кривизны ствола скважины в данном участке. После производства подъемных работ, спустили насос прежнего типоразмера (НН-57), а в интервал высокого набора кривизны были внедрены насосные штанги с центраторами. Экономических затрат, связанных с проведением горячей обработки, а также излишнего простоя скважины, можно было избежать в случае своевременного обнаружения нижнего обрыва штанг, что по ДГ определить невозможно.

Испытание 2. Скв. 4051. Данную скважину в феврале 2019 г. остановили из-за отсутствия подачи жидкости. По динамограмме (рис. 5) видно, что на скважине не работают оба клапана. В мае 2018 г. в скважине проводились ГРП, наработка составляла 212 сут. После промывки скважины работоспособности насоса не наблюдалось, поэтому принято решение о постановке бригады ТКРС.

 

Рисунок 5. Динамограмма по скв. 4051

 

При замере изоляции системы «НКТ – насос – колонна штанг» сопротивление изоляции составило 0 Ом, что свидетельствует об отсутствии обрыва штанг. Подъем внутрискважинной компоновки подтвердил отсутствие обрыва.

Испытание 3. Скв. 2823. Скважина остановлена в связи с отсутствием подачи жидкости в сентябре 2018 г. По динамограмме на данной скважине наблюдались признаки нерабочих клапанов насоса. Произвели промывку скважины горячей водой в объеме 30 м³. После промывки подача на устье не появилась, было принято решение о постановке бригады ТКРС на данную скважину.

При замере сопротивления изоляции значение было близко к 0 Ом, что говорит об отсутствии обрыва штанг. После подъема ГНО обнаружился облом плунжера на расстоянии 50 см от нагнетательного клапана.

Выводы и заключение

ООШ на сегодняшний день является одной из основных проблем эксплуатации штанговых насосов. Причины данного отказа оборудования могут быть разные: истирание колонны штанг о колонну НКТ в связи с кривизной ствола скважины, слишком большие динамические нагрузки на колонну штанг по разным причинам – от отложений асфальтосмолопарафиновых отложениий до приклиниваний плунжера в цилиндре насоса. Все отказы оборудования по причине обрыва штанг связаны с увеличением удельной нагрузки на единицу площади сечения насосной штанги.

Все «проблемы» скважинного оборудования ШГН можно с легкостью распознать через динамометрирование. Однако по динамограмме качественно сложно определить нижний ООШ, который практически не отличается от неработающих клапанных узлов ШГН. Ошибка в распознавании неисправности приводит к ошибкам в планировании работ по восстановлению работоспособности внутрискважинного оборудования. В связи с этим возникают лишние затраты, связанные с «реанимацией» скважинного оборудования (промывки водой, горячей нефтью, растворителем).

Для определения ООШ по электромагнитному каналу блок синхронизации измеряет сопротивление системы на диэлектрической вставке: при обнаружении ООШ электрическое сопротивление цепи «НКТ – насос – колонна штанг» будет гораздо выше, чем при отсутствии данного отказа.

Недостаток данного способа заключается в том, что колонна насосных штанг может соприкасаться с колонной НКТ в интервалах набора кривизны ствола скважины, что приводит к замыканию электрической цепи «НКТ – насос – колонна штанг» до диэлектрического разделителя. Последнее существенно снижает надежность канала связи. Решением данной проблемы может быть использование насосных штанг с пластиковыми скребками.

Проведение данного мероприятия по диагностированию ООШ позволят исключить затраты на ненужные мероприятия по «реанимации» скважины и снизить время простоя ГНО без работы, благодаря своевременной постановке бригады ТКРС на скважину при данном отказе оборудования.

Об авторах

Ахметсалим Сабирович Галеев

ФГБОУ ВО Альметьевский государственный нефтяной институт

Автор, ответственный за переписку.
Email: ssgaleev@mail.ru

доктор техн. наук, профессор

Россия, Альметьевск

Сергей Леонидович Сабанов

ФГБОУ ВО Альметьевский государственный нефтяной институт

Email: sab-sl@mail.ru

канд. техн. наук, доцент

Альметьевск

Раис Насибович Сулейманов

ФГБОУ ВО Уфимский государственный нефтяной технический университет

Email: rsulem@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2510-3703
SPIN-код: 4245-2811
ResearcherId: ABB-3047-2021

канд. техн. наук, доцент

Россия, Уфа

О. В. Филимонов

ФГБОУ ВО Уфимский государственный нефтяной технический университет

Email: oleg1543@mail.ru

канд. техн. наук, доцент

Россия, Уфа

Т. А. Утемисов

ФГБОУ ВО Уфимский государственный нефтяной технический университет

Email: lvd@mail.ru

канд. техн. наук, доцент

Россия, Уфа

Ж. К. Жантурин

НАО «Атырауский университет нефти и газа им. С. Утебаева»

Email: aing-zhomart@mail.ru

канд. техн. наук, доцент

Казахстан, Атырару

Список литературы

Дополнительные файлы