Приводы ШГН: за какой технологией будущее?
Штанговые насосы уже многие десятилетия верой и правдой работают на нефтегазовых месторождениях. Казалось бы, их конструкция уже давно известна и добавить в неё нечего. Однако есть сегмент, где разные технологии конкурируют между собой. Речь идёт о приводах ШГН. Их подразделяют на гидравлические, реечные и станки-качалки. Каковы преимущества и недостатки каждого из вариантов? И какие нюансы стоит учесть при выборе?
Станки-качалки по-прежнему вне конкуренции
На сегодняшний день самым распространённым типом приводов для штанговых насосов в российских нефтедобывающих компаниях являются станки-качалки (СК). На их долю приходится 75–80 % парка, приводят цифры в ООО «ЭЛКАМ». Гидравлические и реечные модели делят оставшиеся 20–25 %, так как применяются в специфических условиях добычи.
«Станки-качалки по-прежнему вне конкуренции. Они на протяжении длительного времени зарекомендовали себя с лучшей стороны с точки зрения простоты конструкции и обслуживания, автономности, надёжности, эффективности и, главное, дешевизны. Но, учитывая скорость развития технологий, следует ожидать, что позиции гидравлических и линейных приводов усилятся», ― отметил ведущий преподаватель ЧОУ ДПО «Нефтегазовый образовательный центр» Антон Епихин.
Руководитель проекта департамента развития ООО «ЭЛКАМ» Станислав Каменских согласен с тем, что доля станков-качалок будет сокращаться. По словам эксперта, это связано с тремя ключевыми факторами:
- повышением требований к энергоэффективности оборудования;
- ужесточением экологических нормативов;
- развитием цифровых систем управления добычей.
От каких же условий зависит выбор того или иного привода в каждом конкретном случае?
«Ключевой критерий ― это, конечно, экономическая целесообразность. Далее стоит смотреть на расположение точки добычи с позиции автономности энергетических систем (нужно ли будет использовать генераторные станции или есть линия электропередач). Климат региона добычи также влияет на особенности функционирования каждого из приводов. Безусловно, играет роль и накопленный опыт компании-оператора, которая занимается добычей на данной локации», ― перечислил Антон Епихин.
Достоинства и недостатки станков-качалок
Конечно, есть свои преимущества и ограничения, заложенные в самой конструкции приводов. Рассмотрим этот вопрос подробнее.
Станки-качалки ценят, прежде всего, за надёжность и простоту.
«Минимум электроники, механическая устойчивость к перегрузкам, средний срок службы до капитального ремонта 10–15 лет ― всё это достоинства станков-качалок. Для их обслуживания не требуется высококвалифицированный персонал; запчасти (подшипники, сальники, редукторы) всегда доступны.
К тому же большинство сервисных бригад имеют опыт работы с этим типом приводов. Сегодня станки-качалки широко распространены, успешно справляются со своими задачами и хорошо совместимы с имеющейся инфраструктурой (не требуют переделки устьевого оборудования). Поэтому нефтяные компании не спешат заменять их альтернативными приводами», ― рассказал Станислав Каменских.
Антон Епихин также отмечает, что станки-качалки удобны в обращении, неприхотливы и имеют высокую надёжность благодаря выработанным за годы эксплуатации технико-технологическим решениям.
«С другой стороны, они, как и любые механические системы, работающие от стороннего привода, обладают малым коэффициентом полезного действия», ― добавил эксперт.
Станислав Каменских также отмечает низкий КПД (около 70%) станков-качалок из-за потерь энергии в кривошипно-шатунном механизме. Среди других недостатков данного типа привода эксперт «ЭЛКАМ» выделяет ограничение по длине хода, как правило, до трёх метров.
«Наращивать её нет смысла, увеличение с трёх до четырёх метров приведёт к двукратному росту затрат как на сам СК, так и на электроэнергию и обслуживание», ― объяснил г-н Каменских.
Вибрации и инерционные нагрузки влекут за собой ускоренный износ фундамента и колонн штанг, а значит, и необходимость периодической балансировки (раз в 3–6 месяцев). Частоту и длину хода можно менять только механически (перестановкой шкивов/противовесов), привлекая специализированную сервисную бригаду. При этом добыча останавливается. То есть СК не подходит для скважин с переменным дебитом.
При работе на месторождениях с высоковязкими нефтями возможно подвисание колонн штанг при ходе вниз, что чревато авариями. Для их устранения требуется участие бригады по ремонту скважин. Кроме того, данный тип приводов требует точного центрирования устьевого штока и головки станка-качалки. Иначе уплотнительные манжеты будут быстро изнашиваться, что приведёт к разгерметизации.
«Станки-качалки много весят и требуют большей площади для монтажа, чем гидравлические и реечные приводы. Нужен фундамент, также возникают трудности с транспортировкой в труднодоступные районы. Всё это увеличивает сроки ввода скважины в эксплуатацию. Кроме того, из-за удорожания металла их цена теперь соизмерима со стоимостью реечного или гидравлического привода с аналогичными характеристиками при большей степени автоматизации и функциональности последних», ― заключил Станислав Каменских.
Реечные приводы ― современное решение для неглубоких скважин
Следующий тип устройств – это реечные приводы.
«У них выше КПД, их проще автоматизировать и управлять удалённо. Также реечные приводы имеют возможность контролировать длину хода и частоту возвратно-поступательных движений. Кроме того, они весьма хорошо себя зарекомендовали для неглубоких скважин», ― перечислил достоинства техники Антон Епихин.
Высокого КПД (85–92%) удаётся достичь благодаря прямому преобразованию вращения в поступательное движение (без кривошипно-шатунного механизма), отметил Станислав Каменских. В целом, по словам представителя «ЭЛКАМ», реечные приводы ― более современное и высокотехнологичное оборудование по сравнению со станками-качалками, так как здесь есть возможность точной регулировки параметров без остановки скважины благодаря частотному преобразователю, что подходит для скважин с переменным дебитом.
Они интегрируются с цифровыми системами, для них доступны поддержка IoT-мониторинга (датчики нагрузки, температуры, положения штока) и совместимость с системами автоматической оптимизации добычи.
«По сравнению со станками-качалками, реечные приводы занимают на 60–80% меньше места, что упрощает монтаж на труднодоступных месторождениях (например, в болотистой местности или на шельфе). Также это даёт возможность использовать их на кустовых площадках с близким расположением скважин, на которых невозможно разместить станки-качалки.
Фундамент не требуется, привод устанавливается на фланец устьевой арматуры скважины, станция управления ― на дорожную плиту. Всё это ускоряет процесс ввода скважины в эксплуатацию за счёт сокращения сроков монтажа», ― рассказал Станислав Каменских.
Всё в порядке и с надёжностью. Ресурс реечной передачи — 30–50 млн циклов при правильной и своевременной смазке и отсутствии механических включений типа песка.
А низкий уровень вибраций и шума означает устранение инерционных нагрузок и, как следствие, меньший износ штанг и устьевого оборудования. Также привлекает внимание возможность значительного снижения энергопотребления за счёт применения схемы с рекуперацией электроэнергии в сеть при ходе рейки вниз.
«Но стоит уточнить, что, во-первых, частотно-регулируемый привод с функцией рекуперации значительно увеличивает стоимость оборудования. Во-вторых, далеко не во всех нефтяных компаниях организован учёт сдачи вырабатываемой электроэнергии в сети, которые не всегда технически подготовлены к получению и распределению дополнительных объёмов», ― уточнил Станислав Каменских.
Впрочем, как на солнце есть пятна, так и у реечных приводов есть свои недостатки. Антон Епихин относит к ним неэффективность работы в сильно искривлённых и горизонтальных скважинах и неоптимальную траекторию рабочих органов, что может привести к высоким динамическим нагрузкам и биениям, а также к сложностям в балансировке.
Станислав Каменских в первую очередь выделяет ограничения по нагрузке.
«Широкое применение получили реечные приводы грузоподъёмностью 6 и 8 т. При увеличении до 10, 12 или 16 т, в разы, а не пропорционально, растут металлоёмкость и стоимость. Поэтому они не подходят для глубоких и сверхглубоких скважин (2000 м и более)», ― объяснил эксперт «ЭЛКАМ».
Также стоит учитывать чувствительность реечных приводов к загрязнениям. Попадание песка или абразивных частиц ускоряет износ рейки и шестерни. А их замена требует специального оборудования и квалифицированных специалистов. В полевых условиях провести такой ремонт непросто. К этому стоит добавить большую стоимость и длительный срок поставки основных узлов (рейки, шестерни, редуктора). Высокие требования предъявляются и к персоналу эксплуатирующей организации.
Со сложностями связан и процесс монтажа реечных приводов.
«Необходима идеальная соосность рейки и направляющих. Перекосы приводят к заклиниванию. Так как привод монтируется на верхний фланец устьевой арматуры скважины, необходимо заранее подготовить соответствующее монтажное основание с нужными присоединительными размерами», ― перечислил Станислав Каменских.
К слову
Станок-качалка ― классический привод с кривошипно-шатунным механизмом, преобразующий вращение двигателя в возвратно-поступательное движение штанг. Используется для традиционной добычи со стабильными условиями эксплуатации, имеет простую конструкцию и отличается высокой надёжностью.
Реечный привод преобразует вращение электродвигателя в поступательное движение штока насоса через редуктор и реечную передачу, применяется для эксплуатации малодебитных, неглубоких скважин.
Гидравлический привод использует давление рабочей жидкости (масла) для передачи усилия на плунжер насоса для скважин с осложнениями, такими как АСПО, газ, высокая вязкость нефти, большая нагрузка на привод.
Гидропривод ― универсальное решение для ШГН
Ещё один вариант для нефтяных компаний ― гидравлический привод. Его достоинства частично совпадают с реечными моделями. Как отмечает представитель завода «ЭЛКАМ», здесь также доступна регулировка параметров без остановки скважины. Причём как с панели оператора, так и через систему удалённого мониторинга. Стоит отметить высокую степень автоматизации, поддержку IoT-мониторинга и возможность интеграции в систему высшего уровня эксплуатирующей организации.
«Например, наличие автоматических режимов расхаживания, очищения плунжера при возникновении нештатных ситуаций позволяет минимизировать вмешательство человека в процесс добычи», ― привёл пример Станислав Каменских.
Немаловажно, что габариты гидравлических приводов на 50–70%, а масса ― на 60–80% меньше, чем у станков-качалок той же мощности.
«На монтаж потребуется в среднем два-три часа. Фундамент не требуется, в зависимости от конструктивного исполнения скважинный модуль гидропривода устанавливается на фланец устьевой арматуры или на приустьевую площадку скважины (вариант с шатровой опорой), модуль гидростанции и станции управления ― на дорожную плиту. Всё это также даёт возможность применять их на кустовых площадках с близким расположением скважин», ― рассказал г-н Каменских.
Что отличает гидравлические приводы от реечных, так это длина хода штока 6 метров и более. Благодаря этому ШГН можно использовать в сложных условиях: для наклонных/горизонтальных, глубоких скважин с большой нагрузкой на устьевой шток; при высоком содержании механических примесей, газа, АСПО; при высокой вязкости добываемой нефти. Также большая длина хода позволяет снизить нагрузки и износ колонны штанг и насоса из-за снижения количества циклов, что положительно сказывается на ресурсе работы глубинно-насосного оборудования.
Кроме этого в «ЭЛКАМ» к преимуществам гидравлических приводов относят плавность работы. Это значительно снижает ударные нагрузки при реверсе вплоть до их полного отсутствия, что увеличивает ресурс насосных штанг и снижает вероятность их обрыва.
Оптимизация скорости хода штока вверх и вниз позволяет увеличить коэффициент заполняемости штангового насоса при добыче высоковязких нефтей и эмульсий, а также при наличии большого объёма газа. Также стоит отметить энергоэффективность. Правда, это относится в основном к гидроприводам с системой уравновешивания и рекуперацией при ходе штока вниз, а также к работе на глубоких скважинах с относительно высоким дебитом.
Есть у гидравлических приводов и свои ограничения. Антон Епихин называет высокую, по сравнению с конкурентами, стоимость. Отмечая универсальность этого оборудования, он всё же отмечает ограничения по глубине и профилю скважины (сильно искривлённые и горизонтальные стволы).
В свою очередь, Станислав Каменских говорит, что гидравлический привод может применяться практически на любых скважинах, оборудованных ШГН.
«Но, как любое технически сложное изделие, он требователен к обслуживанию и квалификации персонала. Для долгой безотказной работы привода требуется регулярная и своевременная замена масла, изношенных уплотнительных элементов, рукавов высокого давления, фильтроэлементов масляных фильтров, очистка радиатора маслоохладителя и т. д. Если имеется пневмогидравлическое уравновешивание, то добавляется обслуживание данной системы, включая дозаправку азотом», ― объяснил представитель «ЭЛКАМ».
Сервисные работы осложняет отсутствие унификации приводов различных производителей. Это относится к гидравлическим и электронным схемам, а также узлам и материалам. Но в целом доступность ЗИП для текущего и капитального ремонта остаётся на высоком уровне, необходимые детали широко представлены на рынке.
Выше говорилось об энергоэффективности таких приводов, которая достигается за счёт системы уравновешивания. Однако это значительно снижает надёжность установки в целом и усложняет обслуживание. Наконец, стоит учитывать экологические риски, так как существует вероятность утечки масла при несоответствующем и несвоевременном сервисе, заключил г-н Каменских.
В погоне за совершенством
Итак, у каждого из типов приводов есть свои слабые места. Каковы шансы, что их удастся устранить?
«За последние годы производители смогли частично устранить или минимизировать ключевые недостатки приводов ШГН, но полностью избавиться от них невозможно из-за фундаментальных ограничений конструкций», ― объяснил Станислав Каменских.
Что уже сделано? Так, у станков-качалок имелись проблемы с низким КПД, вибрацией и высокими динамическими нагрузками, а также с частыми поломками кривошипно-шатунного механизма.
«В настоящее время применение частотно-регулируемого привода и оптимизированная конструкция кривошипа и противовесов позволили сделать ход более плавным и снизить энергопотребление на 15–20%.
А использование усиленных (керамических, полимерных) подшипников увеличило срок службы этих деталей вдвое», ― рассказал представитель «ЭЛКАМ».
Если посмотреть на перспективу, то стоит обратить внимание на следующие новации:
- исполнение рамы и балансира из композитных материалов, что позволит снизить массу на 40% и повысить коррозионную стойкость;
- увеличение длины хода без роста габаритов за счёт использования гибридной схемы с гидроцилиндром;
- реализацию возможности автоматической балансировки;
- автоматическую оптимизацию работы с помощью интеллектуальных алгоритмов.
А вот решить проблему с ограничением по максимальной длине хода в станках-качалках не получится из-за большой материалоёмкости, констатировал Станислав Каменских.
«Что касается реечных приводов, то основной проблемой был быстрый износ рейки. В таком случае она подлежит замене и не может быть восстановлена. Сейчас применение более износостойких материалов, высокая точность изготовления и качественные смазочные материалы позволяют значительно продлить срок её службы.
А цифровизация с применением встроенных датчиков нагрузки и интеллектуальных алгоритмов даёт возможность прогнозировать износ рейки и проводить своевременное техническое обслуживание и ремонт, исключая аварийные ситуации», ― отметил представитель «ЭЛКАМ».
Дальнейший технический прогресс также пойдёт в сторону применения биметаллических конструкций и износостойких покрытий для повышения ресурса работы рейки, считает эксперт. Кроме этого, стоит посмотреть в сторону изменения конструкции для упрощения возможности ремонта в полевых условиях, рекуперации и накопления электроэнергии для повторного использования без сброса в сеть. А вот решить проблемы с небольшой длиной хода и ограничениями по нагрузке на данный момент не получится, резюмировал Станислав Каменских.
Наконец, у гидроприводов основным недостатком долгое время считалась низкая надёжность гидравлических и электрических узлов, что приводило к частым отказам и высокой стоимости обслуживания. Специалисты «ЭЛКАМ» отмечают, что эти проблемы по большой части остались в прошлом. Тем не менее к выбору оборудования стоит подойти с большим вниманием.
«Качество гидравлики и электронных компонентов значительно выросло наравне с опытом и профессионализмом персонала, что позволило кратно увеличить наработку и периодичность ремонтов оборудования. Однако из-за большого количества производителей существует риск применения изделий низкого качества, особенно в попытках снизить стоимость конечной продукции. Это в итоге негативно сказывается на надёжности и ресурсе работы гидропривода и увеличивает операционные расходы на обслуживание», ― объяснил Станислав Каменских.
Впрочем, здесь тоже остался потенциал для развития. Например, стоит посмотреть в сторону экологического биоразлагаемого гидравлического масла для снижения негативного влияния на окружающую среду в случае утечек. Интеллектуальные алгоритмы могут ещё больше повысить степень автоматической оптимизации работы привода.
«Кроме этого, с развитием электроники будет целесообразно применение электрогидравлических схем уравновешивания (вместо существующих ненадёжных пневмогидравлических систем), совмещённых с системой рекуперации и накопления электроэнергии», ― добавил представитель «ЭЛКАМ».
Резюмируем: хотя в отрасли всё большую популярность набирают УЭЦН, надо сказать, что штанговые насосы и приводы к ним ещё не сказали своего последнего слова.
«Они сохраняют свою нишу благодаря более низкой стоимости эксплуатации на малодебитных скважинах, простоте обслуживания в сложных условиях, возможности работы с высоковязкой нефтью. Если говорить о приводах для ШГН, то их конструкция продолжает развиваться с целью повышения надёжности и энергоэффективности, упрощения обслуживания и эксплуатации, интеллектуальной оптимизации режимов работы», ― заключил Станислав Каменских.
Станислав Каменских, руководитель проекта департамента развития ООО «ЭЛКАМ»
«При выборе привода ШГН учитываются такие факторы, как условия эксплуатации и экономическая целесообразность применения. Наличие АСПО, механических примесей, вязкость нефти, глубина и отдалённость скважин, время их ввода в эксплуатацию и другие условия напрямую влияют на конструктивное исполнение привода. Главной целью здесь является обеспечить максимальную эффективность эксплуатации скважины».
Антон Епихин, ведущий преподаватель ЧОУ ДПО «Нефтегазовый образовательный центр»
«Совершенствование конструкции ШГН с любым приводом может иметь место, если будут поставлены цели ― упрощение и снижение себестоимости производстве без потери качества. Это стандартный принцип оптимизации. Если рассуждать о направлении технологического прогресса, из того, что я наблюдаю, всё указывает на повышение доли УЭЦН в добыче. Но если говорить о будущем именно штанговых насосов, то тут я отдаю предпочтение электрическим и гидравлическим приводам».
Текст: Андрей Халбашкеев.
Фото предоставлено ООО «ЭЛКАМ».
