Накопление попутного нефтяного газа в затрубном пространстве является одним из негативных факторов, препятствующих интенсификации механизированной добычи нефти. Повышение давления затрубного газа обуславливает рост забойного давления, снижение противодавления на пласт и притока пластового флюида. Кроме того, накопление газа в затрубном пространстве приводит к оттеснению и снижению уровня жидкости над погружным насосом. Недостаточный уровень погружения насоса (штангового или электроцентробежного) вызывает ряд осложнений в работе установок механизированной добычи, связанных с перегревом узлов насосного оборудования, поэтому разработка технологий оптимизации давления газа в затрубном пространстве является актуальной. Разработан метод расчета интенсивности роста давления газа в затрубном пространстве добывающих скважин, эксплуатируемых погружными насосами. Получена аналитическая зависимость для расчета временного интервала накопления газа в затрубном пространстве, в течение которого динамический уровень снижается до приема насоса. Эта величина может использоваться для оценки периодичности отбора газа из затрубного пространства с помощью компрессоров. Установлено, что скорость роста давления затрубного газа во времени нелинейно возрастает по мере увеличения газового фактора и снижения обводненности, а также линейно возрастает с увеличением дебита жидкости. Проанализировано влияние эксплуатационного (газового фактора) и технологического (величины поддерживаемого давления газа в затрубном пространстве) факторов на подачу подвесного поршневого компрессора с приводом от станка-качалки, предназначенного для принудительной откачки и перепуска затрубного газа в выкидную линию скважины.
Эффективность работы установок скважинных штанговых насосов, получивших распространение в практике механизированной добычи, в значительной степени определяется уравновешенностью привода. В процессе эксплуатации штанговых установок баланс нагрузок, действующих на штанговую колонну и привод, может существенно изменяться вследствие изменения динамического уровня жидкости, что приводит к снижению уравновешенности и росту нагрузок на узлы насосного оборудования. Рост и снижение динамического уровня в соответствии с циклом откачки и накопления происходит в скважинах, работающих в режиме периодической откачки. Показано, что в процессе эксплуатации оборудования в периодическом режиме возникают колебания динамического уровня и, соответственно, нагрузок, действующих на узлы. Это приводит к необходимости динамической корректировки уравновешивающих грузов для обеспечения уравновешенности станка-качалки. Разработана система автоматического уравновешивания привода штанговой установки, включающая уравновешивающий контргруз, электродвигатель, передвигающий груз вдоль балансира, винт и вычислительный блок. Для исследования эффективности предложенного устройства разработана комплексная математическая модель совместной работы системы пласт – скважина – штанговый насос – штанговая колонна – станок-качалка. Показано, что за счет динамической корректировки положения балансирного контргруза автоматическая система уравновешивания позволяет существенно снизить амплитудную величину крутящего момента на кривошипном валу (в сравнении с традиционной штанговой установкой) и обеспечить более равномерную загрузку электродвигателя. Выравнивание крутящего момента и нагрузки на электродвигатель снижает мощность, потребляемую установкой.
Предложены пневмокомпенсаторы УЭЦН с квазинулевой жесткостью. Пневмокомпенсатор с квазинулевой жесткостью предлагается выполнить в виде совокупностей пневмопружины, имеющих силовую характеристику с рабочим участком положительной жесткости и пакета последовательно соединенных тарельчатых пружин и силовую характеристику с рабочим участком отрицательной жесткости. Конструктивно, пакет тарельчатых пружин расположен внутри пневмопружины и подпирает ее поршень. В результате сложения отрицательной жесткости пакета тарельчатых пружин и положительной жесткости пневмопружины результирующая система (предлагаемый пневмокомпенсатор) приобретает квазинулевую или заданную малую жесткость. Эффективность рассматриваемого пневмокомпенсатора определялась возможностью перемещения его поршня от воздействия различных перепадов давления. Предполагалось, чем на большее расстояние может переместиться поршень при заданном воздействии, тем эффективнее пневмокомпенсатор. Смоделировано воздействие на поршень различных сил, возникающих при перепадах давления на выкиде установок электроцентробежных погружных насосов (УЭЦН): быстро исчезающей нагрузки; внезапно увеличивающейся силы; колебательного воздействия. Во всех рассмотренных примерах перемещение поршня составило несколько метров, что соответствует длине рабочего участка силовой характеристики рассмотренного пневмокомпенсатора с квазинулевой жесткостью. Показано, что существующие пневмокомпенсаторы, представляющие собой газовые колпаки, принципиально не в состоянии обеспечить то же перемещение поршня при тех же воздействиях на него. Для их эффективной работы размер газового колпака должен составлять несколько десятков метров, что невозможно в условиях скважины. В приведенных расчетах показана возможность изготовления необходимых тарельчатых пружин из различных материалов: стали; стеклопластика СВАМ; бериллиевой бронзы. Особый интерес представляют тарельчатые пружины из бериллиевой бронзы, способные выдержать до 20 миллиардов циклов нагрузки.
