Ту хабаршысы

● Техникалыќ єылымдар 

 

ЌазЎТУ хабаршысы №5 2014  

 

251

0

5

10

15

20

25

30

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

CO

2

 

3

2

1

n(

x)

 / n(

0

)  

x

 

Рис. 8.

 Распределение кластерных субкомпонентов диоксида углерода  при давлении 

р= 8.0 МПа   и 

температуре Т=313 К в центрифуге в виде трубки длиной 60 см при вращении с угловой скорость 



=20 1/с 

1 – мономеры (молекулы), 2– димеры, 3 – тримеры 

 

0

5

10

15

20

25

30

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

CO

2

 

3

2

1

n(x) / n(0)  

x, cm

 

Рис. 9.

 Распределение кластерных субкомпонентов диоксида углерода  при давлении 

р= 8.0 МПа   и 

температуре Т=313 К в центрифуге в виде трубки длиной 60 см при вращении с угловой скорость 



=10 1/с 

1 – мономеры (молекулы), 2– тримеры, 3 – шестимеры 

 

Из сравнения рисунков 7 – видно, что распределение частиц по радиусу вращения зависит от 

угловой скорости вращения.  

Для сравнения распределения частиц в поле силы тяжести и в поле центробежных сил можно 

рассмотреть  вертикальную  колонку  высотой 

L

,  заполненную  диоксидом  углерода  в 

околокритической  области  давления  и  температуры.  Расчёты  для  такой  системы  приведены  на 

рисунке 10. 

0

5

10

15

20

25

30

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

CO

2

 

3

2

1

n(x) /

 n

(0)  

x, cm

 

Рис. 10.

 Распределение кластерных субкомпонентов диоксида углерода  при давлении 

р= 8.0 МПа   и 

температуре Т=313 К в вертикальной трубке высотой 30 см в поле силы тяжести 

1 – мономеры (молекулы), 2– тримеры, 3 – шестимеры 

● Технические науки 

 

     

                                               

№5 2014 Вестник КазНТУ  

          

252 

Как  видно  из  рисунков  7  –  10,  мономеры  вытесняются  кластерами  в  область  пониженного 

давления, причём в центрифуге центростремительное ускорение в отличие от ускорения свободного 

падения зависит от координаты. Этим объясняется отличия распределений в поле центробежных сил 

и в поле силы тяжести.  

Для  установления  области  макропараметров,  в  которой  проявляется  мезоскопия  больших 

кластеров,  в  данной  работе  использована  температурная  зависимость  вязкости,  приведённая  на 

рисунке 3. Как видно из этого рисунка, при низких температурах вязкость газа с ростом температуры 

уменьшается, что соответствует жидкости. Мезоскопия больших кластеров наблюдается и для газа в 

центрифуге. Как видно из рисунков 7, 8, уже тримеры скапливаются на периферии, что характерно 

для  жидкости. Однако жидкая фаза  не наблюдается: вся трубка заполнена газом. Промежуточность 

такого  состояния  вещества  связана  с  тем,  что  кластеры  существуют  только  как  результат 

динамического  равновесия  процессов  образования  и  распада,  которое  наблюдается  при 

столкновениях  кластеров  между  собой,  с  легкими  кластерами  и  с  молекулами.  Такие  особенности 

мезоскопической системы можно использовать на практике, в частности для разделения смесей.  

 

ЛИТЕРАТУРА 

1.  Курлапов Л.И. Мезоскопия кластерных газов // ЖТФ. – 2005. – Т. 75, вып. 8. – С 136-139.  

2.  Курлапов  Л.И.  Физическая  кинетика  мезоскопических  систем.  От  материальной  точки  к 

мезоскопической  частице.  Монография.  –  LAP  LAMBERT  Academic  Publishing.  –2011.  116  с.  ISBN  ISBN-13: 

978-3-8454-3722-4; ISBN-10: 3845437227.   

3.  Курлапов Л.И., Спицын А.А., Майлина Х.Р., Кошкинбаев А.Д. Термодинамические свойства рабочих 

тел  энергетических  устройств.//  Вестник  Казахского  национального  технического  университета  имени  К.И. 

Сатпаева  №2(90) 2012. – Стр. 67-71.  

4.  Харитон Ю. Б. К вопросу о разделении газов центрифугированием // ЖТФ.- 1937.-  Т. 7. -№ 14. – С.  

1476-1478.  

5.  Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука. 1972. – 720 с.   

6.  Ферцигер Дж., Капер Г. Математическая теория процессов переноса в газах. М.: Мир, 1976. – 556 с.  

 

REFERENCES 

1.  Kurlapov L.I. Mezoskopija klasternyh gazov // ZhTF. – 2005. – T. 75, vyp. 8. – S 136-139. 

2.  Kurlapov  L.I.  Fizicheskaja  kinetika  mezoskopicheskih  sistem.  Ot  material'noj  tochki  k  mezoskopicheskoj 

chastice.  Monografija.  –  LAP  LAMBERT  Academic  Publishing.  –2011.  116  s.  ISBN  ISBN-13:  978-3-8454-3722-4; 

ISBN-10: 3845437227.   

3.  Kurlapov  L.I.,  Spicyn  A.A.,  Majlina  H.R.,  Koshkinbaev  A.D.  Termodinamicheskie  svojstva  rabochih  tel 

energeticheskih ustrojstv.// Vestnik Kazahskogo nacional'nogo tehnicheskogo universiteta imeni K.I. Satpaeva  №2(90) 

2012. – Str. 67-71.  

4.  Hariton Ju. B. K voprosu o razdelenii gazov centrifugirovaniem // ZhTF.- 1937.-  T. 7. -№ 14. – S.  1476-1478.  

5.  Vargaftik N.B. Spravochnik po teplofizicheskim svojstvam gazov i zhidkostej. M.: Nauka. 1972. – 720 s.   

6.  Ferciger Dzh., Kaper G. Matematicheskaja teorija processov perenosa v gazah. M.: Mir, 1976. – 556 s. 

 

Курлапов Л.И., Спицын А.А., Касымов А.Б. 

Күш өрісінде газ күйіндегі мезоскопиялық жүйенің бөлшектер таралуын есептеу. 

Түйіндеме.

  Мақалада  күш  өрісіндегі  бөлшектердің  таралуы  үшін  формулалар  мезоскопиялық  жүйелер 

қозғалысының теңдеуінен алынған. Мезоскопиялық жүйе мысалы ретінде газда кластер болатындай қысым мен 

температурадағы  көміртек  диоксиді  қарастырылған,  оның  құрамында  ондаған  молекула  бар,  олар 

мезоскопиялық  бөлшектер  рөлін  атқарады.  Мұндай  жағдайда  кластерлерді  модельдік  центрифуга  мен  тік 

трубкада  бөліп  таралуының  есептеулері  жүргізілген.  Мұндай  мəліметтер  оларда  мезоскопиялық  жүйелер 

ерекшелігі  айқындалатынын  көрсетеді:  ауыр  кластерлер  молекулаларды  қысым  төмен  жаққа  ығыстырады,  ал 

айналу жылдамдығы көп болғанда ауыр кластерлер мезоскопиялық бөлшектер ретінде перефирияда жиналады.   

Негізгі сөздер: 

мезоскопия, кластерлер, молекула-кластерлік қосынды, көміртек оксиды, күш өрісі. 

 

Курлапов Л.И., Спицын А.А., Касымов А.Б. 

Расчёты распределений частиц в газообразной мезоскопической системе в силовых полях.  

Резюме

. В данной статье получены формулы для распределения частиц в силовых полях из уравнения 

движения  мезоскопических  систем.  В  качестве  примера  мезоскопической  системы  рассмотрен  диоксид 

углерода при таком давлении и температуре, при котором в газе существуют кластеры, содержащие до десятка 

молекул, которые играют роль мезоскопических частиц. При таких условиях проведены расчёты распределений 

кластеров в модельной центрифуге и в вертикальной трубке. Такие данные показывают, что в них проявляется 

особенность  мезоскопической  системы:  тяжёлые  кластеры  вытесняют  молекулы  в  область  пониженного 

давления, а при большой скорости вращения тяжёлые кластеры как мезоскопические частицы скапливаются на 

периферии. 

Ключевые  слова: 

мезоскопия,  кластеры,  молекулярно-кластерная  смесь,  диоксид  углерода,  силовое 

поле. 

● Техникалыќ єылымдар 

 

ЌазЎТУ хабаршысы №5 2014  

 

253

Kurlapov L.I., Spitsyn A.A., Kassymov A.B. 

Calculations of distributions of particles in mesoscopical gaseous system in force fields. 

Summary. 

In this paper formulas for distribution of particles in force fields from the equation of movement of 

mesoscopical  systems  are  obtained.  As  an  example  of  mesoscopical  systems  it  is  considered  carbon  dioxide  at  such 

pressure and temperature at which in gas exist clusters containing up to ten molecules which play a role of mesoscopical 

particles.  Calculations  of  distributions  of  clusters  in  a  modeling  centrifuge  and  in  a  vertical  tube  are  under  such 

conditions  carried  out.  Such  data  show  that  feature  of  mesoscopical  systems  is  shown:  heavy  clusters  supersede 

molecules  in  area  of  the  lowered  pressure,  and  at  the  big  speed  of  rotation  heavy  clusters  as  mesoscopical  particles 

accumulate on periphery. 

Key words: 

mesoscopy, clusters, molecule-cluster mixture, carbon dioxide, force field. 

 

 

УДК 622.323 

Б.А. Мырзахметов, Латыпов А.С.   

(Казахский национальный технический университет им. К.И.Сатпаева 

Республика Казахстан, г.Алматы, myrzakhmetov_ba@mail.ru) 

 

ДЛИННОХОДОВЫЕ ПРИВОДЫ ШТАНГОВЫХ НАСОСОВ НА БАЗЕ СЕРИЙНЫХ 

СТАНКОВ-КАЧАЛОК ДЛЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ СКВАЖИН В ОСЛОЖНЕННЫХ УСЛОВИЯХ 

                

Аннотация. 

В последние годы сложилось мнение, что возможности совершенствования их конструкций  

с  целью  увеличения  длины  хода  штанг  практически  исчерпаны.  В  настоящей  статье  показано,  что  еще 

существуют  резервы  для  совершенствования  конструкций  существующих  серийных  станков-качалок.  Путем 

предлагаемой  авторами  незначительной  модернизации  можно  в  несколько  раз  увеличить  длину  их  хода    и 

существенно расширить диапазон их применения на практике. 

Ключевые слова: 

длинноходовой привод, станок-качалка, модернизация, ход плунжера, штанга, насос. 

 

Штанговые скважинные насосные установки (ШСНУ) получили наибольшее распространение 

в мировой практике добычи нефти. В настоящее время ими оснащено свыше половины всего фонда 

действующих  скважин,  [1].  Так,  в  частности,  в  США  этим  способом  эксплуатируется  85%  всего 

фонда скважин (более 470 тыс.), в России - около 53% (около 76 тыс.), в том числе в ОАО "ЛУКОЙЛ" 

- 61% (около 15 тыс.), [2].

 

Столь  широкое  применение  ШСНУ  связано  с  простотой  конструкции  и  обслуживания  как 

поверхностного привода (станка-качалки), так и  внутрискважинного оборудования (насосов, штанг).  

Однако,  несмотря  на  некоторые  очевидные  их  преимущества  недостаточной  остается 

эффективность  глубинно-насосного  оборудования  установок,  особенно  при  добыче  высоковязкой 

нефти,  в    условиях  повышенного  содержания  песка,  водонефтяной  эмульсии,  отложении  солей  и 

АСПО.  Такие условия характерны для многих месторождений Казахстана, в том числе и таких, как: 

Узень,  Эмба,  Каражамбас  и  др.,  [3].  Известно,  что  глубинно-насосные  установки  с  балансирным 

приводом имеют относительно низкий КПД из-за невысоких коэффициентов наполнения насосов. С 

повышением вязкости нефти она снижается еще больше. Подсчет коэффициентов подачи на многих 

месторождениях  показывает,  что  их  значения  не  превышают  0,4-0,5.  Например,  средний 

коэффициент  подачи  ШСНУ  в  указанных  выше  месторождениях  не  превышает  0,5.  В  результате 

энергозатраты  при  использовании  балансирных  глубинно-насосных  установок  существенно 

превышают энергозатраты при других механизированных способах эксплуатации скважин.  

Кроме  того,  повышенное  содержание  песка  и  других  механических  примесей  являются 

основными причинами повышенного износа элементов штанговых насосов и их отказов. В результате 

снижается  межремонтный  период  ремонтов.  Так,  по    данным  нефтепромысловых  предприятий, 

средний  межремонтный  период  ШСНУ  составляет  порядка    90-130  суток,  что  приводит  к  росту  

числа простаивающих скважин, увеличиваются затраты на проведение подземных текущих ремонтов 

скважин. Аналогичные проблемы наблюдаются и в зарубежных компаниях.  

Циклический  характер    работы  серийных  ШСНУ  с  малым  периодом  цикла  и  большая 

асимметричность нагрузок является одним из главных недостатков штанговой скважинной насосной 

установки.  Циклическим  воздействиям  подвергаются  практически  все  элементы  установки  от 

двигателя до приемного клапана глубинного насоса. Интенсивность накопления усталостных явлений 

в  элементах  штанговой  установки  составляет  7  200—21  600  циклов  в  сутки,  что  является  частой 

● Технические науки 

 

     

                                               

№5 2014 Вестник КазНТУ  

          

254 

причиной  аварий  на  ШСНУ,  связанных  с    постепенным  разрушением  материала  штанг  из-за 

циклических нагрузок.  

Другим существенным недостатком является высокая стоимость подземного ремонта скважин, 

оборудованных ШСНУ. В результате аварий возникают простои скважин, загрязняется призабойная 

зона  пласта  в  процессе  ремонта,  появляются  незапланированные  вынужденные  затраты  на  аренду  

агрегатов  для  глушения  и  ремонта.  Проведение  подземного  ремонта  также  требует  значительных 

затрат  ручного  труда,  связанных  с  неудобством  перестановки  пальцев  шатунов,  высокой 

трудоемкостью перемещения грузов при уравновешивании, неудобством поворота головки балансира 

перед выполнением подземного ремонта скважин.  

Так,  к  примеру,  распространенные  станки-качалки  типа  СК6  и  СК8  имеют  максимальную 

длину хода, соответственно,  2,5 и 3,5м. Имеются также СК с  длиной хода плунжера насоса до 4,5 м. 

При  увеличении  длины  хода  балансирного  привода  возрастают  его  габариты,  масса  и  крутящий 

момент на валу редуктора. Так, например, станок-качалка фирмы "Лафкин" (США) типа APJ 3648 с 

длиной  хода  7,6  м  имеет  массу  24,8  т  и  вращающий  момент  на  валу  редуктора  402  кН·м  при 

грузоподъемности 248 кН, [4]. 

Считается,  что  кинематическая  схема  преобразующего  механизма  балансирных  станков-

качалок практически не поддается дальнейшему совершенствованию, так как конструкции механизма 

присущ органический недостаток, связанный с  компоновкой элементов четырехзвенника.  

Все  вышеуказанные  недостатки,  усугубляющие  в  своей  совокупности  друг  друга,  создали  в 

условиях  большого  фонда  скважин  такую  ситуацию,  при  которой  дальнейшее  развитие  нефтяной 

отрасли без разработки и внедрения новых технических средств стало затруднительным. 

Последними действующими стандартами  Американского нефтяного института (Specification for 

Pumping  Units  Spec  HE  API)    и    Российской  Федерации    (ГОСТ  Р  5866З)    не  регламентируются 

устройство и кинематические схемы приводов, а только их такие выходные параметры, как  длина хода, 

нагрузка в точке подвеса штанг и крутящий момент на выходном валу редуктора. А также  показатели 

надежности,  экологические  и  эргономические,[1].  Такой  подход  предоставляет  возможность 

разработки совершенно различных типов приводов насоса на иных принципах действия.  

Поэтому  перед  разработчиками  новой  техники  для  эксплуатации  скважин  стоит  задача  по 

созданию  универсальных  насосных  установок,  способных  эффективно  работать  как  в  нормальных 

технико-технологических условиях, так и при добыче нефти с аномальными свойствами. 

Практика показывает, что с увеличением длины хода плунжера насосной установки возрастает 

коэффициент  наполнения  и  подача  насоса,  увеличиваются  сроки  служб  штанг  и  насоса, 

межремонтный период скважин, улучшаются энергетические характеристики установки в целом. 

Преимуществами длинноходовых приводов являются: 

 

постоянная  скорость  движения  штанг  на  преобладающей  части  хода,  величина  которой  в       

1,6–1,7 раза меньше максимальной скорости штанг за цикл у типовых балансирных станков-качалок; 

 

меньшая  по  сравнению  с  балансирными  станками-качалками  зависимость  полной  массы  и 

габаритов цепного привода от длины хода; 

 

спокойные  длинноходовые  режимы  откачки,  способствующие  снижению  динамических  и 

гидродинамических  нагрузок  на  штанги  и  привод,  сокращению  числа  аварий  со  штангами, 

уменьшению износа штанг и труб, увеличению коэффициента наполнения насоса, увеличению срока 

службы  устьевого  сальника,  улучшению  показателей  при  откачке  продукции  с  повышенным 

газосодержанием и высокой вязкостью; 

 

сокращение энергетических затрат на подъем продукции из скважин; 

 

повышение  коэффициента  использования  мощности  за  счёт  обеспечения  равномерной 

нагрузки электродвигателя цепного привода. 

Поэтому,  в  последнее  время,  наряду    с  традиционными  балансирными  приводами  (т.н. 

станками-качалками)  для  добычи  нефти  наблюдается  расширение  применения  безбалансирных 

длинноходовых, преимущественно, цепных  и ленточных приводов.  

По информации ОАО «Татнефть» за 2013г., [4] имеющийся практический опыт эксплуатации 

длинноходовых цепных приводов типа ПЦ 60 и ПЦ 80 на месторождениях компании показывает, что 

они  оказались  наиболее  эффективны  на скважинах,  осложнённых  высоковязкой  нефтью, 

образованием  водонефтяной  эмульсии  (ВНЭ),  отложениями    на глубинно-насосном  оборудовании 

(ГНО)  солей  и  асфальтосмолопарафиновых  отложений  (АСПО),  работающих  в режиме 

периодической откачки, а также на скважинах малого диаметра (114 мм). Скважины, оборудованные 

цепными  приводами  с длиной  хода  3 м,  обеспечивают  экономию  удельных  энергозатрат  на подъём 

● Техникалыќ єылымдар 

 

ЌазЎТУ хабаршысы №5 2014  

 

255

жидкости  в среднем  на 15 процентов  по сравнению  с серийными  станками-качалками.  Также 

уменьшаются  динамические  нагрузки,  металлоёмкость,  затраты  на транспортировку,  монтаж 

и обслуживание.  Число  ремонтов  скважин  по причине  образования  эмульсии  снижается  в 3,9  раза, 

по  причине обрывов и отворотов штанг — в 2,4 раза. 

Преимуществами  ПЦ 60 (с длиной  хода  3 м) по сравнению  с балансирным  аналогом  является 

возможность  эксплуатации  скважин  периодического  низкопродуктивного  фонда  в непрерывном 

режиме и получение при этом дополнительного прироста продукции. 

ПЦ 80 (с длиной  хода  6 м) имеют  значительные  преимущества  по сравнению  с  балансирными 

аналогами  и установками  электропогружного  центробежного  насоса  (УЭЦН).  Эти  цепные  приводы 

целесообразно  использовать  на высокодебитных  скважинах,  в том  числе  с высоковязкой  нефтью, 

осложнённых  выносом  песка  и  механических  примесей,  на скважинах  малого  диаметра 

с дополнительными  эксплуатационными  колоннами  и циклической  закачкой.  Цепные  приводы 

с длиной хода 6 метров позволяют обеспечить снижение удельных энергозатрат на подъём жидкости 

по сравнению с УЭЦН в среднем на 57 процентов. 

Кинематика  работы  цепного  привода  -  малая  частота  качаний  при  равномерной  скорости  на 

большей  части  хода  -  обеспечивает  благоприятный  режим  эксплуатации  ГНО.  На  практике  данный 

режим  приводит  к  снижению  динамических  нагрузок  на  штанговую  колонну,  и,  следовательно  -  к 

сокращению  количества  их  отказов,  а  также  увеличению  коэффициента  наполнения  насоса.  Кроме 

этого,  получена  существенная  экономия  удельного  электропотребления  ПЦ  в  сравнении  с 

балансирными аналогами (в среднем на 15%).  

Однако  если  по  техническим  параметрам  эти  устройства  превосходят  традиционные  станки-

качалки, то по надежности до настоящего времени их превзойти не удалось. Поэтому в ближайшие 

годы этот вид приводов будет по-прежнему монополистом на нефтяных промыслах, [1].   

Учитывая массовое применение до настоящего времени типовых серийных станков-качалок (а 

их количество только на месторождениях Казахстана составляет десятки тысяч), встает вопрос об их 

дальнейшего рационального применения. По мере истощения дебитов скважин сфера их применения 

сужается, часто скважины переводятся на периодическую эксплуатацию, что приводит к ухудшению 

режима работы скважин и недобору нефти. Значительная часть их находится в бездействии не только 

из-за выработки ресурса, но и из-за снижения эффективности применения в условиях вязкой нефти, 

высокого содержания в ней песка и ее обводненности.    

Простая замена накопившейся в Казахстане огромного парка балансирных станков-качалок на 

зарубежные  длинноходовые  скважинные  насосные  установки  технически  и  экономически 

нецелесообразна.  Кроме  того,  опыт  их  эксплуатации  на  Узеньском  месторождении  показал 

невысокую эффективность и надежность. В настоящее время они, в большинстве своем, находятся в 

ремонте или выведены из эксплуатации.   

Компромиссным решением этой актуальной проблемы может стать разработанная в КазНТУ им. 

К.И.Сатпаева  конструкция  длинноходового  привода    ШСН    на  базе  серийных  конструкций 

балансирных  станков-качалок,  позволяющая  получить  все  вышеперечисленные  преимущества 

длинноходовых цепных приводов штанговых скважинных насосов. Отличительной особенностью этого 

проекта  модернизации  является    возможность  существенного  расширения  диапазона    ходов  и  сферы 

применения серийных станков-качалок с соблюдением требований вышеуказанных стандартов.  

Суть  модернизации  заключается  в  дооснащении  типовых  станков-качалок  оригинальной 

мачтой  с  полиспастной  приставкой,  позволяющая  повысить  длину  хода  штока  в  два  и  более  раз 

[5,6,7,8]. 

На  рисунке  1  представлена  схема  одного  из  вариантов  модернизированного  балансирного 

привода  с  двухструнной  талевой  оснасткой,  позволяющая  увеличить  длину  хода  штока  в  два  раза. 

Имеются  варианты  конструкций  с  трех  и  четырехструнной  талевой  оснасткой  с  шаговым 

увеличением длины хода в 3 и 4 раза.   

Балансирный  привод  штанговой  насосной  установки  состоит  из  основания  1,  на  котором 

смонтирован  силовой  привод  2  с  кривошипно-шатунным  преобразователем  крутящего  момента 

электродвигателя  в  колебательное  перемещение  балансира  3,  установленного  шарнирно  на  опоре  4 

основания  1.  Привод  имеет  мачтовую  опору  12,  имеющую  кронблочную  раму  6  и  регулятор  5 

отклонения положения упомянутой рамы  в установленных пределах c помощью винтовых нарезок 

противоположного  направления,  необходимого  для  обеспечения  доступа  к  устью  скважины  при 

ремонте. Ее концы соединены шарнирно с мачтовой опорой 12 и основанием 1.  

жүктеу/скачать 15,98 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: