SCREW-SHAPED SUCKER ROD PUMPING UNITS DRIVEN BY VERTICAL AXIS WIND TURBINE FOR OIL EXTRACTION
Rubrics: TECHNICAL SCIENCES
Authors:
1.
Astrakhan State Technical University
2.
Astrakhan State Technical University
(Doctor of Sciences in Technology, Professor; Professor of the Department of Technological Machines and Equipment)
Type:
Article
Pages:
from 11
to 16
Status:
Published
Received:
10.10.2016
Accepted:
14.10.2016
Published:
14.10.2016
Subject area:
UDK [622.24.053:621.665]:621.548-854
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 26.03 Общественно-политическая мысль
GRNTI 43.01 Общие вопросы естественных и точных наук
GRNTI 44.01 Общие вопросы энергетики
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 62.01 Общие вопросы биотехнологии
GRNTI 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
GRNTI 70.01 Общие вопросы водного хозяйства
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 26.03 Общественно-политическая мысль
GRNTI 43.01 Общие вопросы естественных и точных наук
GRNTI 44.01 Общие вопросы энергетики
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 62.01 Общие вопросы биотехнологии
GRNTI 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
GRNTI 70.01 Общие вопросы водного хозяйства
GRNTI 73.34 Водный транспорт
Language:
Russian
Keywords:
screw-shaped pumps, pumping unit drive, oil extraction, oil fields, top drive, wind turbines, Darrieus rotors, Savonius rotors, combined wind turbines
Abstract (English):
The evaluation of the advantages of screw rod pumping units (SRPU) is made. The design of top-driven SRPU for extraction of high-viscosity oil with a high content of casing head gas is considered. The design of the SRPU driven with the combined vertical-axis wind turbine (CVAWT) based on the Darrieus and Savonius rotors is presented. The calculations showed that with the increase in wind speed from 2 to 10 m/s and in swept area from 5 to 20 m2 CVAWT power increases from 8 to 4.5 kW. According to the calculations at typical for SRPU blowing from 3 to 50 m3/day, a pressure 10-15 MPa and efficiency equal to 0.50, the power of SRPU driven with CVAWT ranges from 0.78 to 8.68 kW, and the cross-sectional area of a wind turbine - from 4.7 to 52.5 m2, i. e. it has quite acceptable values. Annual energy savings with the capacity factor of 0.2 for these values of CVAWT power will range from 1370 to 15200 kW · h/y, the annual saving will be from 8.2 to 91.2 thousand rub/y and the payback period, according to preliminary estimations, will not exceed 3-5 years.
The evaluation of the advantages of screw rod pumping units (SRPU) is made. The design of top-driven SRPU for extraction of high-viscosity oil with a high content of casing head gas is considered. The design of the SRPU driven with the combined vertical-axis wind turbine (CVAWT) based on the Darrieus and Savonius rotors is presented. The calculations showed that with the increase in wind speed from 2 to 10 m/s and in swept area from 5 to 20 m2 CVAWT power increases from 8 to 4.5 kW. According to the calculations at typical for SRPU blowing from 3 to 50 m3/day, a pressure 10-15 MPa and efficiency equal to 0.50, the power of SRPU driven with CVAWT ranges from 0.78 to 8.68 kW, and the cross-sectional area of a wind turbine - from 4.7 to 52.5 m2, i. e. it has quite acceptable values. Annual energy savings with the capacity factor of 0.2 for these values of CVAWT power will range from 1370 to 15200 kW · h/y, the annual saving will be from 8.2 to 91.2 thousand rub/y and the payback period, according to preliminary estimations, will not exceed 3-5 years.
Keywords:
screw-shaped pumps, pumping unit drive, oil extraction, oil fields, top drive, wind turbines, Darrieus rotors, Savonius rotors, combined wind turbines
screw-shaped pumps, pumping unit drive, oil extraction, oil fields, top drive, wind turbines, Darrieus rotors, Savonius rotors, combined wind turbines
Введение Винтовые штанговые насосные установки (ВШНУ) для отбора пластовых жидкостей из глубоких нефтяных скважин появились на нефтепромысловом рынке в начале 80-х гг. ХХ в. в США и во Франции [1]. В настоящее время, как в России, так и за рубежом, винтовые штанговые насосы (ВШН) в составе ВШНУ стали достаточно широко применяться для замены скважинных штанговых насосных установок на скважинах с небольшим дебитом нефти для добычи высоковязкой нефти с большим газовым фактором. В России использование поверхностно-приводных ВШНУ пока ограничено, но за рубежом достигло высокого уровня. Так, в Канаде уже более 33 % скважин эксплуатируются ВШНУ с поверхностным приводом [2]. Следует отметить, что резкое снижение цен на нефть в конце 2015 г. (до 30-40 долл. США/барр.) сделало весьма актуальным снижение себестоимости добычи нефти, в частности и за счет уменьшения энергозатрат на привод насосных установок. В этой связи одним из наиболее рациональных вариантов может быть использование для верхнего привода ВШНУ применение ветродвигателей, в частности вертикально-осевых (ВОВД), которые ранее предлагались для выработки электрической и тепловой энергии [3-5]. Целью исследований являлась разработка энергоэкономичной ВШНУ для добычи нефти с использованием для привода ветровой энергии. Задачи исследования - оценка преимуществ и конструкций ВШНУ, оценка конструкции ВШНУ с приводом от ВОВД и основных технических и технико-экономических параметров этой установки. Основные результаты исследования Причиной достаточно широкого применения ВШНУ служат их технико-экономические преимущества по сравнению с другими механизированными способами добычи нефти: простота конструкции и малая масса привода; отсутствие необходимости в возведении фундамента под привод установки; простота транспортировки, монтажа и обслуживания; возможность откачки пластовых жидкостей высокой вязкости и ликвидации повышенного газосодержания; уравновешенность привода, постоянство нагрузок, действующих на штанги, равномерность потока жидкости, снижение энергозатрат и мощности приводного двигателя, минимальное эмульгирующее воздействие на откачиваемую жидкость; отсутствие клапанов в скважинном насосе. Рассмотрим устройство и основные параметры ВШНУ. В состав установки входит скважинное и наземное оборудование (рис. 1). Скважинное оборудование включает: полированный шток 5, передающий вращение от привода на штангу 6, центратор 7 и далее - на основные части винтового наоса - вращающийся ротор 8, размещаемый в неподвижном статоре 9 [1]. Наземное оборудование устанавливается на трубной головке 4 и предназначено для преобразования энергии приводного электродвигателя 11 в механическую энергию вращающейся колонны штанг 6. Для уменьшения частоты вращения с 1500 до 100-300 об./мин используется клиноременная или зубчатая передача. Рис. 1. Установка винтового штангового насоса: 1, 2 - приводная головка; 3 - превентор; 4 - трубная головка; 5 - полированный шток; 6 - штанга; 7 - центратор; 8 - ротор; 9 - статор; 10 - палец; 11 - электродвигатель К настоящему времени создано большое количество типоразмеров ВШНУ с диапазоном подач от 0,5 до 1000 м3/сут и давлением от 6 до 30 МПа [1, 2]. Винтовые насосы работоспособны в следующих условиях: в наклонно направленных скважинах с углом кривизны до 28° при содержании механических примесей до 1000 мг/л, газовом факторе до 85 м3/м3, наличии парафиноотложений, температуре воздуха на поверхности до минус 45 °С. Применение ВШНУ позволяет снизить металлоемкость поверхностного привода, ускорить монтаж, сократить затраты на капитальное строительство и обустройство месторождений с малодебитными скважинами. Нами предлагается агрегирование КВОВД непосредственно с полированным штоком для передачи вращательного движения на ВШН (рис. 2). Через муфту сцепления 2 КВОВД 1 передает вращение на полированный шток и далее на ВШН. В периоды безветрия привод ВШН осуществляется за счет вращательного движения, передаваемого от электродвигателя 3 через редуктор 4. Для герметизации поверхностного оборудования используется сальниковое уплотнение 5. Скважинное оборудование 6 более детально было показано ранее на рис. 1. Предлагаемый агрегат позволит существенно снизить затраты электроэнергии, что особенно важно для нефтяных промыслов, удаленных от источников электроснабжения. Рис. 2. Агрегирование КВОВД с ВШНУ: 1 - КВОВД; 2 - муфта сцепления; 3 - электродвигатель; 4 - редуктор; 5 - сальниковое уплотнение; 6 - скважинное оборудование Рядом авторов были исследованы параметры роторов Дарье и Савониуса [6-11], однако в литературе отсутствуют данные о параметрах комбинированных ветродвигателей на их основе. Для определения полезной мощности КВОВД на основе ротора Дарье и вспомогательного ротора Савониуса для самозапуска установки может быть использована известная универсальная формула [6, 7]: , (1) где СКВОВД - коэффициент мощности ротора КВОВД; ρ - плотность воздуха; SД - площадь сечения ветрового потока (ометаемая площадь), проходящего через роторы Дарье и Савониуса; V - скорость ветрового потока. Коэффициент мощности (энергетический КПД) КВОВД может быть при одинаковой высоте лопастей роторов Дарье и Савониуса определен по предлагаемой нами формуле: , (2) где СNД, СNC - энергетические КПД роторов Дарье и Савониуса; DC, DД - диаметры роторов Савониуса и Дарье. Расчеты по формуле (2) при оптимальном соотношении диаметров роторов Савониуса и Дарье, равном 0,20 [5], позволили получить значение энергетического КПД ротора КВОВД равное 0,36, что лишь ненамного ниже значения КПД для ВОВД с ротором Дарье равного 0,40 [8, 10]. Зависимость полезной мощности комбинированной установки от скорости воздушного потока и ометаемой площади ротора представлена на рис. 3. Рис. 3. Зависимость полезной мощности КВОВД от скорости воздушного потока и ометаемой площади ротора Как видно из рис. 3, при увеличении скорости ветра с 2 до 10 м/с и ометаемой площади с 5 до 20 м2 мощность КВОВД возрастает с 8 Вт до 4,5 кВт. Например, при номинальной скорости ветра 9 м/с, типичной для ветродвигателя малой мощности и ометаемой площади 20 м2 номинальная мощность составит 3,4 кВт. Мощность ВШНУ с приводом от КВОВД может быть определена по известной формуле [1]: , (3) где P, Q, hВШНУ - давление, подача и КПД ВШНУ. Как отмечается в [1], чаще всего ВШНУ применяются для дебитов (подач) от 3 до 50 м3/сут и напора до 1000-1500 м водяного столба (давления 10-15 МПа), а КПД ВШНУ составляет 0,50. Расчеты по формуле (3) показывают, что с учетом меньшей, чем у воды плотности нефти, составляющей в среднем 750 кг/м3, для указанных выше значений подач и давления мощность ВШНУ с приводом от КВОВД составляет от 0,78 до 8,68 кВт. Из формулы (1) может быть выражена площадь сечения ветрового потока, проходящего через ротор КВОВД: (4) Расчеты по формуле (4) показывают, что при увеличении мощности от 0,78 до 8,68 кВт площадь сечения КВОВД при скорости ветра 9 м/с возрастает от 4,7 до 52,5 м2, т. е. имеет вполне приемлемые значения. Согласно расчетам, при среднем коэффициенте использования установленной мощности 0,2 для этих значений мощностей КВОВД годовая экономия электроэнергии достигнет 1370-15200 кВт · ч/год, годовая экономия составит 8,2-91,2 тыс. руб./год, а срок окупаемости по предварительным оценкам не превысит 3-5 лет. В дальнейшем следует уточнить параметры КВОВД, работающей совместно с ВШНУ, т. к. непостоянство скорости ветра потребует повышения установленной мощности КВОВД, кроме того, следует учесть необходимость увеличения вращающего момента при пуске КВОВД. Заключение В заключение необходимо отметить следующее. 1. Резкое снижение цен на нефть в конце 2015 г. (до 30-40 долл. США/барр.) сделало весьма актуальным снижение себестоимости добычи нефти, в частности и за счет уменьшения энергозатрат на привод насосных установок. 2. Предлагается агрегирование КВОВД непосредственно с полированным штоком для передачи вращательного движения на ВШН. В периоды безветрия привод ВШН осуществляется за счет вращательного движения, передаваемого от электродвигателя через редуктор. 3. Расчеты показывают, что при увеличении скорости ветра с 2 до 10 м/с и ометаемой площади с 5 до 20 м2 мощность КВОВД возрастает с 8 Вт до 4,5 кВт. Например, при номинальной скорости ветра 9 м/с, типичной для ветроэнергоустановки малой мощности и ометаемой площади 20 м2 номинальная мощность составит 3,4 кВт. 4. Чаще всего ВШНУ применяются для дебитов (подач) от 3 до 50 м3/сут и давления 10-15 МПа, а КПД ВШНУ составляет 0,50. Расчеты показывают, что для этих значений подач и давлений мощность ВШНУ с приводом от КВОВД составляет от 0,78 до 8,68 кВт, а площадь сечения ветрового потока - от 4,7 до 52,5 м2, т. е. имеет вполне приемлемые значения. 5. Годовая экономия электроэнергии при коэффициенте использования установленной мощности 0,2 для этих значений мощностей КВОВД составит от 1370 до 15200 кВт · ч/год, годовая экономия - от 8,2 до 91,2 тыс. руб./год, а срок окупаемости, по предварительным оценкам, не превысит 3-5 лет.
1. Ivanovskiy V. N., Darischev V. I., Sabirov A. A. Skvazhinnye nasosnye ustanovki dlya dobychi nefti. M.: Izd-vo «Neft' i gaz» RGU nefti i gaza im. I. M. Gubkina, 2002. 824 s.
2. Sidorkin D. I. Sovershenstvovanie metodov rascheta shtangovogo privoda vintovoy nasosnoy ustanovki: avtoref. dis. … kand. tehn. nauk. Ufa: UGNTU, 2013. 129 s.
3. Gerlov V. S., Shishkin N. D. Issledovanie parametrov ortogonal'nyh vetroenergoustanovok dlya neftedobyvayuschih platform // Noveyshie tehnologii osvoeniya mestorozhdeniy uglevodorodnogo syr'ya i obespecheniya bezopasnosti ekosistem kaspiyskogo shel'fa: materialy IV Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. Astrahan': Izd-vo AGTU, 2013. S. 118-122.
4. Gerlov V. S., Shishkin N. D. Issledovanie parametrov mehanicheskih vetroteplogeneratorov dlya teplosnabzheniya avtonomnyh ob'ektov // Materialy 9-y Mezhdunar. nauch.-tehn. konf. stud., aspirantov i molodyh uchenyh «Energiya-2014» (Ivanovo, 11-17 aprelya 2014 g.). Ivanovo: Izd-vo IGEU, 2014. S. 73-76.
5. Shishkin N. D. Effektivnoe ispol'zovanie vozobnovlyaemyh istochnikov energii dlya avtonomnogo teplosnabzheniya razlichnyh ob'ektov: monogr. Astrahan': Izd-vo AGTU, 2012. 208 s.
6. Abramovskiy E. R., Gorod'ko S. V., Sviridov N. V. Aerodinamika vetrodvigateley: ucheb. posobie. Dnepropetrovsk: DGU, 1987. 220 s.
7. Turyan K., Striklend Dzh. Moschnost' vetroenergeticheskih ustanovok s vertikal'noy os'yu vrascheniya // Aerokosmicheskaya tehnika. 1988. № 8. S. 100-115.
8. Solomin E. V. Metodologiya razrabotki i sozdaniya vertikal'no-osevyh vetroenergeticheskih ustanovok: monogr. Chelyabinsk: Izd-vo YuUrGU, 2011. 324 s.
9. Baklushin P. G., Vashkevich K. P., Samsonov V. V. Eksperimental'noe issledovanie aerodinamicheskih harakteristik ortogonal'nyh kryl'chatyh vetrokoles // Sb. nauch. tr. Gidroproekta. Vyp. 5. Vetroenergeticheskie stancii. M., 1988. S. 98-105.
10. Gorelov D. N. Energeticheskie harakteristiki rotora Dar'e (obzor) // Teplofizika i aeromehanika. 2010. T. 17, № 3. S. 325-333.
11. Modi F. Harakteristiki vetrodvigatelya Savoniusa // Sovremennoe mashinostroenie. Ser. A. 1989. № 10. S. 139-148.
