Измерительно-испытательный комплекс для испытаний клапанов

Измерительно-испытательный комплекс для испытаний клапанов

Сегодня стендовые испытания клапанов проводятся только с целью определения их герметичности и совершенно не преследуют целей выявления других эксплуатационных характеристик, например, таких как гидравлическое сопротивление, долговечность, стойкость к неблагоприятным скважинным условиям. В итоге у разработчиков нового оборудования и специалистов эксплуатирующих организаций отсутствуют инструменты, позволяющие провести сравнительный анализ использования того или иного клапанного механизма, и, в конечном итоге, его экономическую эффективность.

До настоящего времени практически не уделялось внимания исследованиям, направленным на оптимизацию эксплуатационных характеристик составных частей глубинного насосного оборудования, предназначенного для нефтедобычи. Это относится и к клапанам для штанговых глубинных насосов (ШГН), в которых они выполняют главенствующую роль, и к обратным клапанам электроцентробежных насосов (ЭЦН), где они призваны предотвращать слив скважинной жидкости из насосно-компрессорной трубы (НКТ) при остановках в работе насоса.

Все это говорит о важности и своевременности создания измерительно-испытательного комплекса для оценки энергоэффективности и ресурса современных клапанов для нефтедобывающих насосов.

Промысловые испытания золотниковых клапанов показывают значительные преимущества по сравнению с существующими шаровыми клапанами, например максимальная наработка на отказ составила уже 1600 суток и выше, появилась возможность использования нефтедобывающего оборудования при наклоне до 90°, увеличен коэффициент подачи для ШГН ~ 30 %. В целях демонстрации и проверки заявленных преимуществ золотниковых клапанов по сравнению с шаровыми, а также для изучения возможных модернизаций золотниковых клапанов для работы в наиболее осложненных условиях эксплуатации, разработаны технические решения создания измерительно-испытательного комплекса (ИИК) для оценки энергоэффективности и ресурса современных клапанов применяемых в нефтедобывающих насосах.

 

Обоснование создания измерительно-испытательного комплекса.

От качества функционирования клапанных узлов насосов зависит технико-экономические показатели работы насосных установок и эксплуатации скважины в целом. Анализ работы скважин, оборудованных ШГН показывает, что основными причинами дефекта работы шариковых клапанов являются:

  • Негерметичность клапанных пар шарик – седло, из-за некачественного изготовления или попадания под клапан посторонних предметов;
  • Высоковязкая нефть или эмульсия, которые приводят к отказу, в первую очередь, приемных клапанов. Эмульсия, как правило, образуется из-за пропуска клапанов или НКТ, при котором под большим давлением происходит гидромониторное перемешивание жидкости под клапаном или в затрубном пространстве скважины;
  • Большой наклон насоса к вертикали из-за кривизны скважины, при котором шариковый клапан начинает садиться на седло с запаздыванием. Это происходит при углах наклона 36-42° градусов к вертикали. Однако с учетом турбулентного движения жидкости в клапанных узлах, односторонний износ клапанных седел происходит даже при меньших углах наклона. Например, в Сарапульском НГДУ ОАО «Удмуртнефть» при расследовании отказов клапанов обнаруживали односторонний износ при наклоне ствола скважины в интервале работы насоса 26-28 градусов;
  • «Залипание» клапанов из-за наличия АСПО. Этот промысловый термин произошел из-за отказа не изношенных клапанов. Залипание клапанов устраняют чаще всего горячими или химическими обработками;
  • Износ или разрушение клапанных пар - такой дефект устраняется исключительно подземным ремонтом.

Создание измерительно-испытательного комплекса направлено на устранение описанных выше дефектов в клапанах новой конструкции, путем измерения критических параметров и внесение доработок устраняющих или минимизирующих дефекты. Этап стендовой отработки является одним из наиболее значимых в процессе создания любого технически сложного изделия. Принципиальная необходимость создания ИИК определяется высоким уровнем ответственности для принятия управленческих решений о модернизации нефтедобывающего оборудования и связанных с этим качественных и количественных рисков.

 

Возможные потери определяются следующими обстоятельствами:

  • невозможность осуществления оперативного ремонта без подъема насосного оборудования из скважины;
  • стоимость спуска-подъема насосного оборудования в 10-15 раз превышает стоимость клапана;
  • спуско-подъемные работы приводят к перерыву в добыче нефти на 2-3 суток;
  • потери в добыче, связанные с простоем оборудования, в 20-40 раз превышают стоимость клапана.

Отработка параметров клапанов на ИИК позволит свести к минимуму потери в добыче нефти и расходы на ремонтные мероприятия по причине неисправности клапанов. Характеристики надежности работы клапанов должны быть значительно выше надежности работы погружного насосного оборудования типа УШГН или УЭЦН в целом.

Основными параметрами клапана, подлежащими проверке и контролю в процессе стендовых испытаний являются:

  • степень герметичности при закрытии клапана (ΔQ за промежуток времени Δt) – в соответствии с ГОСТ 24054-80;
  • гидравлическое сопротивление клапана ΔΡгс;
  • гарантированное с заданной вероятностью время закрытия клапана Tз;
  • гарантированное с заданной вероятностью время открытия клапана То;
  • гамма-процентная наработка клапана до отказа Тотк.

В результате стендовых испытаний определяются:

  • зависимость времени срабатывания клапана от вязкости пластовой жидкости;
  • зависимость времени срабатывания от разницы давлений пластовой жидкости на входе и выходе клапана;
  • зависимость времени срабатывания клапана от концентрации механических примесей в пластовой жидкости;
  • зависимость времени срабатывания клапана от содержания свободного газа в пластовой жидкости;
  • гистограмма времени наработки клапана до отказа.

Основным свойством клапана, определяющим эффективность подъема пластовой жидкости из скважины на поверхность, является герметичность его закрытия. Испытанию на герметичность должны быть подвергнуты каждый из изготавливаемых клапанов. Отсутствие утечек пластовой жидкости при этих испытаниях является свидетельством качества изготовления клапана, сопряжения основных трущихся поверхностей – золотника и седла, а также качества процесса нанесения защитного алмазно-кластерного покрытия.

Измерительно-испытательный комплекс состоит из:

  • маслобак
  • мотор-насос
  • блок распределителей
  • система перекачки жидкости
  • система управления и сбора данных
  • трубная обвязка
  • запорная арматура

ИИК обеспечивает проведение следующего комплекса работ:

  • Отработка конструкции и проверка правильности принятых технических решений.
  • Проверка эксплуатационных характеристик клапанов.
  • Проведение сравнительных испытаний клапанов различной конструкции.
  • Проведение ресурсных, гидравлических, предварительных, приемочных и приемо-сдаточных испытаний.

ИИК обеспечивает имитацию условий эксплуатации клапанов путем моделирования следующих параметров среды:

  • давление на входе в насос;
  • давление на выходе из насоса;
  • температура пластовой жидкости;
  • удельный объем перекачиваемой пластовой жидкости;
  • удельный объем газа в составе пластовой жидкости;
  • плотность и вязкость пластовой жидкости;
  • концентрация механических примесей в пластовой жидкости.

 

ИИК реализован по 2-х контурной схеме. Рабочий контур ИИК включает две независимые испытательные линии, что позволяет более полно использовать ресурс элементов управляющего контура и ускорить процесс стендовых испытаний.

logo RAM LLC

Сайт компании "РАМ". Научные разработки, опытно-конструкторские работы. Производство композитных материалов и гальванических покрытий на основе наноалмазов. Инновационное оборудование для нефтедобычи. Мы всегда открыты для сотрудничества.