зав. кафедрой «Техническая механика» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина
д. т. н., профессор
Привод штангового скважинного насоса, или, как его традиционно называют станок-качалка (в дальнейшем — СК), является одним из важнейших компонентов штанговой скважинной насосной установки, предназначенной для подъема пластовой жидкости из скважин. СК обеспечивает перемещение плунжера насоса посредством колонны насосных штанг. Этот вид насосных установок является наиболее массовым в нефтедо-бывающей промышленности, и в настоящее время ими оснащено свыше половины всего фонда действующих скважин.
Следует иметь в виду, что термин «станок-качалка» не соответствует его устройству и назначению. Эта установка не качает, а является приводом насоса, спущенного в скважи-ну для откачки жидкости. Поэтому во вновь разрабатываемых стандартах используется термин «привод штангового скважинного насоса», как более точно отражающий его назначение.
Насосная установка в целом и его наземная часть — станок-качалка являются дос-таточно консервативным комплексом оборудования, основные конструктивные элементы которого не меняются на протяжении многих десятилетий. Основной областью применения СК являются скважины с глубиной подвески насоса до 1500 м и дебитами пластовой жидкости до 20 м3/сутки, что характерно для примерно 80% всего фонда скважин в стране. Незначительное число СК обеспечивает подъем жидкости при глубине подвески до 2750 м или дебите до 60 м3/сутки.
В основном на отечественных нефтепромыслах применяются СК с длиной хода 2,5-3 м и максимальной нагрузкой в точке подвеса 60-80 кН. Нужно отметить, что основные параметры фонда скважин изменяются очень медленно, а поэтому и необходимость в изменении характеристик станков-качалок отсутствует. В тоже время разнообразие условий эксплуатации, например пробная эксплуатация скважин, требует новых типов приводов, которых обеспечивают расширение возможностей данных устройств.
СК в силу заложенного в них принципа действия и необходимости уравновешивания обладают высокой металлоемкостью — в среднем 15-25 т — и поэтому требуют сооружения массивного железобетонного фундамента или стального основания. В боль-шинстве случаев СК монтируются рядом с устьем скважины и не меняются в течение всего периода их эксплуатации. Область применения станков-качалок ограничена условно прямолинейными и мало искривленными скважинами. Наличие значительных неуравновешенных масс не позволяет использовать их на морских промыслах, а на заболоченных территориях требуется сооружение дорогостоящих фундаментов, стоимость которых может пре-вышать стоимость самих СК.
Современные СК состоят из рамы, стойки, преобразующего механизма (балансир, траверс, шатуны, кривошипы), редуктора, клиноременной передачи и приводного двигателя. Фактический срок службы этого оборудования, исходя из мирового опыта, составляет более 20-30 лет. Его ремонт или замена являются чрезвычайно трудоемкими и дорогостоящими операциями, что обусловлено, в частности, значительной массой и габаритами оборудования.
Совершенствование станков-качалок идет в направлении разработки новых типоразмеров с аналогичными или близкими параметрами взамен имеющихся, а также проектирования устройств, основанных на иных принципах действия. К примерам последних следует отнести станки-качалки с гидроприводом, бесбалансирные станки-качалки ленточного типа, цепные и др. Однако если по техническим параметрам эти устройства существенно превосходят традиционные станки-качалки, то по надежности до настоящего времени их превзойти не удалось. Поэтому в ближайшие 5 -10 лет этот вид приводов будет по-прежнему монополистом на нефтяных промыслах.
СК является машиной, конструкция которой совершенствовалась в течение всей истории нефтедобывающей промышленности. В существующих ныне конструкциях изменений не предвидится. Энергоемкость и удельная мощность СК определяются прочностными показателями материалов, изменений которых также не предвидится. Можно, конечно, сделать балансир из углепластика, а при изготовлении редуктора использовать нанотехнологии, но и цена у таких изделий будет космическая.
Перспективы изменения стоимости СК можно отследить по следующим характеристикам. Основную долю в общем балансе составляет стоимость материалов. Для наиболее распространенных СК с максимальным усилием в точке подвеса 60-80 кН собственная масса составляет 15-20 т. Из них на стальной прокат с минимальной механической об-работкой приходится около 30%, литой чугун — 45%, на стальные детали с механиче-ской обработкой — 15%, остальное — на покупные изделия. Динамика изменения стоимости этих материалов в совокупности с механосборочными работами позволяет прогнозировать увеличение цен на 5-8% в год без учета инфляции.
Основными конкурентами в области применения штанговых скважинных насосных установок с приводом от СК в настоящее время являются гидропоршневые, электро-винтовые, диафрагменные, струйные и штанговые винтовые насосные установки. Первые четыре типа установок стоят существенно дороже, а последний является ос-новным конкурентом для эксплуатации прямолинейных и малоискривленных скважин. Винтовые штанговые насосные установки характеризуются более низкой ценой наземной части, не требуют сооружения фундамента и достаточно надежны. Их внедрение является скорее организационной, чем технической проблемой, о чем свидетельствует опыт их эксплуатации в Канаде.
История развития станков-качалок хорошо отражается в этапах совершенствования стандартов на них. Не рассматривая первые образцы, имевшие деревянный балансир и открытую зубчатую передачу, можно сказать, что их развитие, как серьезного машино-строительного изделия, началось с создания конструкции, параметры которой были регламентированы стандартом «Станки-качалки» (ГОСТ 5866). Последняя редакция этого ГОСТа была разработа-на в 1987 г. За рубежом параметры станков-качалок рег-ламентируются стандартом Американского нефтяного института Specification for Pumping Units Spec HE API. В настоящее время в нашей стране действует государственный стандарт Российской Федерации ГОСТ Р 5866, гармонизиро-ванный с Spec HE API.
Отличие последнего отечественного стандарта от предыдущих заключается в том, что кинематическая схема СК не регламентируется ни прямо, ни косвенно. Стандарт со-держит требования, касающиеся исполнения основных узлов, а также регламентирует показатели надежности, экологические и эргономические. При этом тре-бования, касающиеся длины хода, нагрузки в точке подвеса штанг и крутящего момента на выходном валу редуктора, приведены в соответствие со Spec HE API. Подобный подход обеспечивает возможность разработки новых типов приводов насоса.
СК характеризуются тремя основными пара-метрами: длиной хода точки подвеса штанг, мак-симальной нагрузкой в точке подвеса штанг и крутящим моментом на выходном валу редуктора.
Новый отечественный стандарт, гармонизированный со стандартом API, предусматри-вает ряд значений длины хода – от 0,41 до 7,62. Исследования зависимостей массы и габаритов балансирных станков-качалок показывают, что подобная схема привода может быть реализована только для длины хода, не превышающей 6,1 м. При даль-нейшем увеличении длины требуется масса привода свыше 60 т, что делает нереальным его изготовление, монтаж и обслуживание в условиях массовой эксплуатации. Поэтому длина хода точки подвеса штанг свыше указанной величины не должны регла-ментироваться вообще.
Максимальная нагрузка в точке подвеса штанг является вторым основным параметром привода. Ее значения в процессе эксплуатации обусловлены большим количеством факторов — это условный диаметр применяемого скважинного насоса, глубина его подвески, физические характеристики пластовой жидкости и др. Поэтому выбор зна-чений максимальной нагрузки, как правило, сводится к выбору ряда круглых чисел, составляющих арифметическую прогрессию. За всю историю отечественного нефте-промыслового машиностроения в серийном производстве были освоены станки-качалки с грузоподъемностью до 80 кН включительно. Опыт эксплуатации этого оборудования на отечест-венных промыслах показывает, что потребность в приводах с максимальным усилием менее 40 кН практически отсутствует.
Третьим основным параметром является величина крутящего момента на выходном валу редуктора. Этот параметр — комплексный и при одном и том же числе двойных ходов характеризует про-изводительность станка-качалки, поскольку зависит и от длины хода, и от полезной нагрузки в точке подвеса штанг. Редукторы, реализующие стандартные значения крутящего момента, обеспечивают создание до 5 типоразмеров приводов, которые отличаются длиной хода и усилием в точке подвеса штанг.
Монополизация в СССР разработки и изготовления станков-качалок только в Баку и отсутствие конкурентов привели к катастрофическому падению качества основного нефтепро-мыслового оборудования. Так, станки-качалки эксплуатировались в режимах, соответствующих 30-50% их паспортной максимальной мощности. При попытке эксплуатировать их с максимальными паспортными параметрами они выходили из строя в течение 2-3 недель. С распадом Советского Союза исчезла база про-изводства почти всей номенклатуры оборудования для добычи нефти штанговыми насосами. Однако ряд оборонных и гражданских предприятий России освоил производства станков-качалок. Высокий уровень конструкторских разработок, современный парк станков и высокая технологическая дисциплина позволили довести их показатели надежности до уровня, соответствующего мировым требованиям.
В первые годы освое-ние в России производства станков-качалок происходило особенно бурно. Это было обусловлено с одной стороны огромным, как казалось маркетинго-вым службам заводов-производителей, рынком сбыта, а с другой, тоже как казалось, простотой изделия. В результате исчез дефицит этого оборудования, изменились пара-метры, резко улучшилось качество изделий. Производством СК занималось сначала много заводов. Однако практика показала, что выход на рынок и занятие устойчивых позиций возможны только при правильной маркетинговой политике.
За последнее время существенных изменений ни в качестве станков-качалок, ни в их па-раметрах не произошло. Хотя значительная доля работающих СК формально давно выработала ресурс, на промыслах принимаются все возможные усилия, чтобы продлить действие разрешительной документации на СК, находящиеся в приемлемом техническом состоя-нии, в том числе за счет их ремонта. Такая политика проводится с целью снижения затрат и в ответ на высокие отпускные цены, устанавливаемые заводами-изготовителями.
Создавшаяся ситуация логична – в нефтедобывающих районах – это Татария, Башкирия, районы Поволжья и часть Западной Сибири — происходит обводнение скважин и сниже-ние их дебитов. Около 50% скважин обеспечивает дебит пластовой жидкости не более 5 м3/сутки при высокой обводненности. Установка нового оборудования при таких дебитах не по-зволит окупить расходы на приобретение СК, сооружение нового фундамента, их монтаж и транспортировку.
Ремонт СК выполняется собственными силами предприятий. При этом приходится обычно заменять только редуктор, срок службы которого в настоящее время недопустимо низок. Ситуация отслеживается машиностроителями – часть из них прекратили выпуск СК, а некоторые ограничиваются изготовлением редукторов. Это ведет к истощению техноло-гической базы, разрушению отлаженного производства и застою в развитии нового обо-рудования.
К основным недостаткам балансирных СК следует отнести:
— низкий срок службы редуктора (если у американских производителей он составляет 20 лет, то отечественные работают в среднем 5 лет); — разрушение элементов преобразующего механизма;
— неудовлетворительное центрирование канатной подвески, обусловленное неточно-стью изготовления головки балансира и приводящее к ускоренному износу устьевого уплотненияж;
— неудобство перестановки пальцев шатунов; — высокая трудоемкость перемещения грузов при уравновешивании; — неудобство обслуживания клиноременной передачи;
— неудобство поворота головки балансира перед выполнением подземного ремонта скважин.
Говоря о перспективах развития штангового способа эксплуатации скважин и соот-ветственно о перспективах совершенствования приводов штанговых скважинных на-сосов необходимо иметь в виду, что вновь вводимые в эксплуатацию месторождения по своим масштабам не сравнимы с ранее освоенными — они располагаются в основном в труднодоступных, заболоченных районах с вечно мерзлыми грунтами. Бурение скважин на таких территориях ведется, как правило, с кустов наклонно-направленными скважинами, эксплуатация которых штанговыми насосами затруднительна. А к пер-спективным относятся районы шельфа и морские месторождения, на которых применение механических СК нереально.
Поэтому необходимости в каком-нибудь существенном совершенствовании конструкции СК сегодня нет. Основное направление их развития должно заключаться в увеличении надежности, облегчении обслуживания и снижении металлоемкости в рамках существующих отработанных схем. Последнее подразумевает, например, применение одноплечных СК с пневматическим уравновешиванием, которые по сравнению с двуплечными, аналогичными по параметрам, имеют меньшие габариты и массу.
Ситуация с балансирными СК отнюдь не означает прекращения работ по созданию приводов, основанных на иных принципах действия. Развитию этих работ благоприятствует упомянутый выше новый стандарт на приводы штанговых насосов, который не регламентирует устройство и кинематическую схему приводов, а только их выходные параметры.
При этом можно выделить новые приводы с использованием цепной передачи, выпуск которых налажен в Татарии, гидравлические приводы с пневматическим уравновешиванием, выпускаемые ОАО «Мотовилихинские заводы» (Пермь) и гидравлический привод с инерционным уравновешиванием, разработанный в РГУ нефти и газа им.И.М.Губкина.
Основой для создания гидроприводных установок послужили выпускавшиеся серийно гидравлические приводы с использованием насоснокомпрессорных труб в качестве уравновешивающего груза «АГН». Выпускаются они пока опытно-промышленными партиями, но факт ведения этих работ свидетельствует о возможности массового по-явления приводов штангового насоса нетрадиционных конструкций.
Основными достоинствами гидравлического привода, независимо от способа уравно-вешивания, являются:
— монтаж непосредственно на устье скважины и отсутствие необходимости в фунда-менте. Это позволяет запустить его в работу через 2-3 часа после начала монтажа и исключает необходимость центрирования; — простота регулирования режима работы в достаточно широком диапазоне длины хо-да точки подвеса штанг и числа двойных ходов — от 15 до 1 хода в минуту; — отсутствие необходимости в уравновешивании инерционных приводов;
— малая, порядка 1 – 1,5 т, масса, что позволяет доставлять их на скважину с помощью вертолетов.
Так что можно прогнозировать, что в ближайшие годы спрос на станки-качалки останется на прежнем уровне, каких-либо изменений в балансирных приводах не произойдет, а дальнейшее развитие приводов будет идти в направлении создания и совершенствования нетрадиционных конструкций.
