Нефтегазопромысловое оборудование


А. А. Ладенко, M. M. Якутович













        НЕФТЕГАЗОПРОМЫСЛОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ



Учебное пособие
























Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 620.193.8:622.24.05
ББК 33.36
      Л15




Рецензенты: доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой нефтегазового дела им. проф. Г. Т. Вартумяна Кубанского государственного технологического университета Д. Г. Антониади; директор ООО «Югнефтемаш» С. В. Сотников




     Ладенко, А. А.
Л15       Нефтегазопромысловое оборудование : учебное пособие / А. А. Ла-
     денко, М. М. Якутович. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. -236 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0886-8

     Рассмотрены вопросы эксплуатационного оборудования для сбора и подготовки нефти и газа, классификация, технические и технологические характеристики нефтепромыслового оборудования, установок для добычи, хранения и подготовки нефти и газа. Представлены расчеты основных технологических и технических параметров установок на основе существующих методик.
     Для студентов, обучающихся по направлению подготовки магистров 21.03.01 «Нефтегазовое дело».


                                                       УДК 620.193.8:622.24.05
                                                       ББК 33.36










ISBN 978-5-9729-0886-8

   © Ладенко А. А., Якутович М. М., 2022
   © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                          © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

        СОДЕРЖАНИЕ


Введение...............................................................4
1. Функциональные схемы, классификация и состав оборудования [2, 3, 7, 16].6
  1.1. Развитие, современное состояние и взаимосвязь технологии и оборудования для добычи нефти и газа [7, 16].......................6
  1.2. Функциональная схема комплекса машин и оборудования для добычи [2, 3, 7, 16].............................................9
  1.3. Классификация и состав машин, оборудования, сооружений и инструмента для добычи [2, 7, 16].................................12
2. Оборудование общего назначения [1, 4, 5, 9-12, 18].................21
  2.1. Классификация оборудования, применяемого при эксплуатации нефтяных и газовых месторождений....................................21
  2.2. Оборудование ствола скважины, законченной бурением.............21
  2.3. Трубы..........................................................23
  2.4. Скважинные уплотнители (пакеры)................................37
3. Оборудование для эксплуатации скважин фонтанным и газлифтным способами [10, 14, 15, 18, 20]........................................41
  3.1. Оборудование фонтанных скважин......................................41
  3.2. Оборудование газлифтных скважин.....................................55
4. Штанговые скважинные насосные установки [1, 8-10, 12, 14, 21]......64
  4.1. Штанговые насосные установки с механическим приводом...........64
  4.2. Составные элементы ШСНУ.............................................67
  4.3. Обслуживание глубинно-насосных скважин [8].....................80
  4.4. Другие способы эксплуатации скважин.................................83
5.  Эксплуатация скважин бесштанговыми насосными установками [1, 3, 7-10, 20, 21]......................................88
  5.1. Установки погружных электроцентробежных насосов................88
  5.2. Установки винтовых и гидропоршневых погружных насосов.........109
  5.3. Установки струйно-насосные для добычи нефти.........................118
  5.4. Установки для эксплуатации нескольких горизонтов одной скважиной [1-4, 9, 13, 15, 21].....................................121
6. Оборудование и сооружения для сбора и подготовки продукции скважин [1, 4, 9, 10-12, 20].........................................130
  6.1. Оборудование и сооружения для разделения пластовой газированной жидкости на нефть, газ и воду............................................130
  6.2. Оборудования и сооружения для подготовки товарной нефти, газа и воды........................................................150
  6.3. Перекачивающее оборудование...................................181
  6.4. Оборудование и схемы для подготовки и первичной переработки газа....189
  6.5. Промысловая подготовка воды...................................196
7. Оборудование и сооружения для интенсификации добычи нефти и газа [1, 10-12, 14, 18, 20]........................................202
     7.1. Оборудование для нагнетания в пласт воды и газа [1, 10-12].203
     7.2. Оборудование для увеличения проницаемости пласта.................213
Список использованных источников...........................................231

3

        ВВЕДЕНИЕ


     С повышением объемов бурения скважин и добычи нефти и газа особо острой становится проблема обеспечения эффективности функционирования парка, применяемого нефтепромыслового оборудования. Последнее в свою очередь требует изменения подхода к вопросам проектирования и эксплуатации оборудования, а главное, к обеспечению необходимого уровня эксплуатационной надежности.
     Под термином «нефтегазопромысловое оборудование» понимается комплекс оборудования, обеспечивающий бесперебойную добычу нефти и газа из скважин с заданными рабочими параметрами, проведение ремонтных работ на скважинах, интенсификацию добычи пластового флюида из существующих объектов добычи, внутрипромысловую подготовку и транспортировку нефти, газа и пластовой воды.
     Специфика и своеобразие этого вида современной техники обусловлены спецификой технологических процессов и операций, для выполнения которых она предназначена, процессов, свойственных только нефтегазодобывающей промышленности.
     Нефтегазопромысловое оборудование может быть классифицировано по месту размещения или видам работ, по технологическим признакам, составляющим комплекс «добыча и подготовка нефти и газа»: оборудование ствола и устья скважины; наземное и скважинное (подземное) оборудование для добычи нефти и газа; оборудование для обработки призабойной зоны скважины; оборудование для поддержания пластового давления; оборудование для химического воздействия на пласт; оборудование для гидравлического разрыва пласта; оборудование для подземного ремонта и освоения скважин; оборудование для сбора и подготовки продукции добывающих скважин; оборудование для защиты от коррозии.
     Надежность и безотказность оборудования - залог бесперебойной добычи нефти и газа из скважин с заданными рабочими параметрами.
     Поэтому важно правильно выбрать нефтепромысловое оборудование при технологических особенностях каждой скважины. Также необходимо соблюдение эксплуатационных правил работы оборудования. Простой оборудования ведет к уменьшению нефтеотдачи.
     Отказы изделия могут означать не только различные механические повреждения, но и уход его параметров за допустимые пределы. В связи с этим отказы могут быть внезапными и постепенными.
     Возникновения внезапных отказов в оборудовании являются случайными событиями. Эти отказы могут быть независимыми, когда отказ одного элемента в изделии происходит независимо от других элементов, и зависимыми, когда отказ одного элемента вызван отказом других. Разделение отказов на внезапные и постепенные является условным, так как внезапные отказы могут быть вызваны развитием постепенных отказов.

4

     Количественной характеристикой для математического определения надежности является интенсивность отказов устройства в единицу времени, которая обычно измеряется числом отказов в час. Величина, обратная интенсивности отказов, называется средней наработкой до первого отказа и измеряется в часах. В течение срока службы технического изделия можно выделить три периода, интенсивность отказов в которых меняется по-разному.
     В первый период, называемый периодом приработки, происходит выявление конструктивных, технологических, монтажных и других дефектов, поэтому интенсивность отказов может повышаться в начале периода, понижаясь при подходе к периоду нормальной работы.
     Период нормальной работы характеризуется внезапными отказами постоянной интенсивности, которая увеличивается к периоду износа.
     В период износа интенсивность отказов увеличивается с течением времени по мере износа изделия.
     Очевидно, основным должен быть период нормальной работы, а другие периоды являются периодами входа и выхода из этого периода.
     Надежность изделия закладывается на стадии проектирования. Если принятые при этом конструкторские решения соответствуют мировому уровню, то это будет способствовать большей надежности при работе изделия. Так же влияют технология производства и грамотность кадров на всех уровнях. На надежность изделия сказываются, также, условия транспортировки и хранения, монтаж, наладка и обкатка, соблюдение правил эксплуатации оборудования.
     Для многих видов нефтегазопромыслового оборудования эффективность его функционирования наряду с техническим обслуживанием и ремонтом в условиях эксплуатации характеризуется также, необходимостью устранения неисправностей при периодической переброске установок и агрегатов с одной точки эксплуатации на другую и повторном монтаже оборудования, что усложняет цикл его оборачиваемости и приводит к изменению принятой системы технического обслуживания и ремонта.
     Известно, что безотказность и ремонтопригодность в той или иной степени свойственны оборудованию в любом из возможных режимов его существования. В основном эти свойства изделия или объекта рассматриваются применительно к его использованию по назначению. Однако, в отмеченном случае необходима оценка безотказности и ремонтопригодности и с учетом периодически проводимых монтажных работ. Данной проблеме следует отвести должное место и в программах обеспечения надежности при проектировании нового и модернизации существующего оборудования.
     Настоящая работа посвящена рассмотрению вопросов эксплуатации нефтегазопромыслового оборудования и его классификации.

5

        1. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СХЕМЫ, КЛАССИФИКАЦИЯ И СОСТАВ ОБОРУДОВАНИЯ [2, 3, 7, 16]

        1.1. Развитие, современное состояние и взаимосвязь технологии и оборудования для добычи нефти и газа [7, 16]

     Нефть и газ являются главными источниками энергетической мощи страны, важнейшим источником химического сырья, и их роль непрерывно возрастает, несмотря на развитие альтернативных источников энергии. Обеспеченность государства нефтегазовым сырьем определяет уровень экономического развития страны и темпы технического прогресса.
     Нефтегазодобывающая промышленность характеризуется различными фазами развития - начальным периодом освоения, периодом бурного развития и стабилизации. При этом отдельные месторождения включаются в эксплуатацию, интенсивно разрабатываются и переходят в режим падения добычи. Если в начале века добыча нефти в мире составляла лишь несколько миллионов тонн в год, а газ вообще не добывался, то в 1983 г. добыча нефти превысила 270 млн т, а газа - 2 • 10³ млрд. В настоящее время только в Российской Федерации добывается около 500 млн т.
     В 2019 году в России добывалось нефти 10,8 млн bbls в сутки. Это был третий показательный в мире после США (15 043 000 bbls в сутки) и Саудовской Аравии (12 млн bbls в сутки).
     В 2020 году российские нефтяники все вместе добыли 512,68 млн тонн сырой нефти и конденсата.
     В становлении и развитии нефтегазодобывающей промышленности можно проследить несколько этапов, каждый из которых отражает постоянное изменение соотношения, с одной стороны, масштабов потребления нефти и газа, а с другой - степень сложности их добычи.
     На первом этапе возникновения нефтедобывающей промышленности нефть добывали на небольшом числе месторождений, разработка которых не представляла сложности: нефтесодержащие коллекторы располагались на небольшой глубине - иногда лишь в несколько десятков метров, а добываемая нефть, как правило, отличалась малой вязкостью, отсутствием агрессивных сред и воды. Основным способом подъема нефти на поверхность был фонтанный. Простыми были и технология сбора, хранения и транспортирования нефти. Соответственно примитивным было и оборудование, применявшееся для ее добычи. На этом этапе газ не добывался, а попутный (нефтяной) газ не использовался, а сжигался в факелах.
     Когда потребность в нефти значительно увеличилась, возникла необходимость в добыче данного полезного ископаемого из пластов, расположенных на больших глубинах, измеряемых не десятками, а сотнями метров, на месторождениях с более сложными геологическими условиями. Возникла проблема подъема нефти из скважины после окончания фонтанирования ее и целый ряд

6

других проблем, таких как обеспечение внутрипромыслового сбора, перекачки, сепарации, очистки, хранения, транспорта. Тогда были разработаны технологии подъема жидкости по скважине газлифтным и насосным способами, технологии сбора и сепарации нефти, а для осуществления этих технологий началось создание и внедрение совершенно новых машин и оборудования для разработки и эксплуатации нефтяных месторождений. На этом же этапе началась утилизация нефтяного газа. Было создано оборудование для эксплуатации скважин фонтанным способом, оборудование для газлифтной эксплуатации скважин с мощными компрессорными станциями, установки для эксплуатации скважин штанговыми и бесштанговыми насосами, оборудование для сбора, перекачки, разделения продукции скважин. Постепенно начало развиваться нефтяное машиностроение.
     Появление и массовое внедрение ДВС в автомобильном транспорте, на судах, тепловозах, развитие авиации, освоение производства смазочных масел на нефтяной основе и, наконец, возникновение нефтехимии, превратившей нефть, а затем и газ из сырья для топлива, горючего и масел также в сырье для химической промышленности, привели к новому этапу развития нефтегазодобывающей промышленности. Одновременно с увеличением потребности в газе началось бурное развитие газодобывающей промышленности. Наряду с нефтью газ также стал превращаться только из источника топлива в сырье для химической переработки. На этом этапе промышленно развитые страны начали развивать топливно-энергетические отрасли и химию за счет преимущественного развития нефтегазовой промышленности, что позволило значительно ускорить темпы технического прогресса. В результате, например, в нашей стране, к 1980 г. доли нефти и газа в топливно-энергетическом балансе составили соответственно 44 и 26 %, доля угля сократилась до 24 %. Такое однобокое развитие топливной базы привело к ускоренной выработке нефтегазовых месторождений, в результате чего наметился дефицит разведанных запасов, при том, что добыча на освоенных месторождениях монотонно сокращается.
     Растущая потребность в нефти и газе привела к вовлечению в разработку глубокозалегающих нефтяных и газовых месторождений с нефтями высокой вязкости, с большим содержанием агрессивных сред, со значительным количеством воды, в новых отдаленных регионах, часто с неблагоприятными условиями для работы и со сложными геологическими условиями. Таким образом, этот этап характеризуется резким усложнением добычи нефти и газа. Возникла необходимость в разработке и внедрении принципиально новых технологических процессов, для чего необходимы соответствующие машины и оборудование. Были разработаны технологии форсированного отбора жидкости, эксплуатации глубоких скважин, более совершенного разделения добытой пластовой жидкости и газа, деэмульгирования, обессоливания, обезвоживания нефти и газа, а для интенсификации добычи и более полного извлечения нефти - технологические процессы по обработке призабойных зон пласта и воздействию на пласты в целом. Были разработаны процессы увеличения проницаемости пласта, снижения вязкости пластовой жидкости, поддержания и восстановления пластового давления.

7

     Реализация новых технологий обусловила создание и массовое внедрение большого числа типов и типоразмеров совершенно новых машин и оборудования, без которых осуществление этих технологий невозможно. Появились новые и резко усложнились созданные комплексы оборудования для эксплуатации нефтяных и газовых скважин. Созданы и широко внедрены комплексы оборудования для поддержания пластового давления, воздействия на пласт, интенсификации добычи нефти и увеличения нефтеотдачи пластов.
     Оснащение нефтяных и газовых промыслов большим числом разных машин и оборудованием непосредственно для добычи нефти или газа в свою очередь привело к необходимости создания служб обеспечения работоспособности этих машин и оборудования, бесперебойности их функционирования, а следовательно, к необходимости снабжения и этих служб также соответствующими машинами и оборудованием. Были созданы и внедрены комплексы сложных машин, оборудования, инструментов для ремонта и обслуживания оборудования скважин и средств их эксплуатации. В результате современный нефтегазовый промысел чрезвычайно насыщен техникой с автоматизированным управлением и регулированием, что позволяет комплексно выполнять сложные взаимосвязанные технологические процессы.
     По количеству, сложности, разнообразию применяемых технологических процессов, машин и оборудования для их осуществления, по динамике их совершенствования и внедрению новых нефтегазодобывающая промышленность заняла ведущее место среди других отраслей современной промышленности. Непрерывное увеличение номенклатуры, количества машин и оборудования для добычи, их специфика привели к формированию новой отрасли промышленности - нефтегазового машиностроения. От того, насколько она эффективна, полностью зависит функционирование нефтегазодобывающей промышленности.
     Для современного этапа развития характерна также постепенная дифференциация на ряд, по существу, подотраслей, каждой из которых свойственна своя специфика, как по организационной структуре, так и по используемой технике, и масштабы, которых сопоставимы с некоторыми отраслями промышленности. К таким образовавшимся в последние годы подотраслям, кроме поисково-разведочных работ на нефть и газ и буровых работ, можно отнести эксплуатацию скважин, процессы подготовки пластовой жидкости и газа, процессы подземного ремонта скважин, т. е. целую группу процессов, для выполнения которых применяется специальное оборудование, обычно называемое машинами и оборудованием для добычи нефти и газа.
     Специфика и своеобразие этого вида современной техники обусловлены технологическими процессами и операциями, для выполнения которых она предназначена, процессами, как отмечалось, свойственными только нефтегазодобывающей промышленности.
     К настоящему времени наука по созданию оборудования для добычи нефти и газа превратилась в самостоятельную область, от развития которой зависят дальнейшее повышение эффективности существующего комплекса ма

8

шин и оборудования и создание новых технических средств для добычи нефти и газа, а следовательно, и эффективности их добычи.
     Нефтегазодобывающая промышленность России во все исторические формации развивалась интенсивно. До октябрьского переворота развитие нефтяной промышленности обеспечивалось в основном европейскими компаниями, прежде всего компанией братьев Нобиле. Однако русскими учеными Менделеевым, Губкиным, Шуховым были заложены основы разведки, добычи, транспортировки и переработки нефти.
     После 1917 г. использование иностранного опыта сопровождалось творческим переносом его на отечественную почву. В исторически короткий срок была создана современная нефтегазодобывающая промышленность, базирующаяся на отечественном машиностроении, обеспечивающем ее необходимым комплексом машин и оборудования.
     Развитие нефтегазодобывающей промышленности в послевоенный период связано с вовлечением в разработку все большего числа мелких месторождений, месторождений со значительными глубинами скважин, месторождений с высоковязкими нефтями, с нефтями, насыщенными агрессивными средами. Оно связано со все большим освоением месторождений на Крайнем Севере. Для развития отрасли на этом этапе решающее значение приобретают резкое увеличение нефтегазоотдачи пластов и разработка многочисленных истощенных и разрабатываемых месторождений.
     Современный этап развития нефтегазодобывающей промышленности характеризуется еще большим усложнением условий эксплуатации. Следовательно, необходимы разработки новых технологий бурения, добычи и транспортирования и оборудования для их реализации. Поэтому еще большую актуальность приобретает разработка отечественного оборудования, соответствующего мировому уровню техники.

        1.2. Функциональная схема комплекса машин и оборудования для добычи [2, 3, 7, 16]

     Нефтегазовые, газовые или газоконденсатные месторождения разрабатывают и эксплуатируют с помощью машин, оборудования, сооружений, аппаратов, инструментов и механизмов, функционирование которых взаимосвязано между собой и с функционированием объекта разработки и эксплуатации -нефтяным, нефтегазовым, газовым или газоконденсатным пластом или одновременно с несколькими пластами месторождения (рис. 1.1).
     Таким образом, то, что обычно принято называть нефтяным или газовым промыслом, следует рассматривать как единую систему, сочетающую в себе как геологическое образование, так и комплекс инженерных средств. Эффективность работы одного или группы промыслов обеспечивается синхронизацией функционирования комплекса инженерных средств и объекта разработки и эксплуатации, что обеспечивается техническим и административным управлением и всем персоналом промысла с привлечением необходимых средств авто

9

матизации и регулирования и, в частности, АСУ. Поэтому, кроме машин и оборудования, эта система содержит и средства автоматизации, и вычислительную технику.
      Нефтегазовая залежь, условно показанная в виде антиклинальной структуры, содержит нефть, подпираемую по крыльям пластовой водой, а в свободной части - газовую шапку.


Рисунок 1.1 - Функциональная схема нефтегазового промысла:
1 - скважина для нагнетания в пласт газа; 2 - система сбора пластовой жидкости и газа и их разделения на нефть, газ, воду; 3 - система разделения скважинной продукции на нефть, газ и воду; 4 - насосные станции; 5 - компрессорные станции;
6 - система поддержания пластового давления нагнетанием в пласт воды и газа;
7 - нефтяные скважины; 8 - газовая шапка; 9 - нефтенасыщснная часть пласта;
10 - водонасыщенная часть пласта; 11 - комплекс оборудования для воздействия на пласт с целью интенсификации добычи и увеличения нефтегазоотдачи путем увеличения проницаемости коллектора и снижения вязкости пластовой жидкости; 12 - комплекс оборудования для текущего ремонта скважин; 13 - комплекс оборудования для капитального ремонта скважин; 14 - оборудование для эксплуатации скважин

     Пласт эксплуатируют скважинами, часть которых, обычно называемых нефтяными, служит для извлечения пластовой жидкости из пласта, а часть -для нагнетания в пласт воды и газа (в шапку). Для подъема по скважине добываемой пластовой жидкости используют комплекс оборудования для ее эксплуатации. Пластовую жидкость, содержащую, кроме нефти, воду, газ, механиче

10

ские примеси, с помощью системы сбора собирают и разделяют на нефть, воду, газ и другие компоненты, после чего нефть обессоливают, обезвоживают и как товарную направляют потребителям. Из газа после первичной обработки получают сухой газ. Все эти технологические процессы выполняются специальным комплексом оборудования. Для интенсификации и более полного извлечения запасов нефти из пласта используют оборудование, к которому относится оборудование для кислотной обработки пласта, его гидравлического разрыва, а также для термического воздействия. Для поддержания или восстановления пластовой энергии в пласт с помощью напорного и коммуникационного оборудования закачивают воду и газ, в том числе добытую пластовую воду, а также сухой газ.
     Кроме того, для восполнения разницы в объемах извлеченной пластовой жидкости и воды к возвращаемой воде добавляется вода из других источников, которая подвергается специальной подготовке.
     Комплексы оборудования для эксплуатации нефтяных или газовых месторождений на морском или океанском континентальном шельфах или на заболоченных территориях отличаются тем, что содержат, кроме машин и оборудования, которые по функциональному назначению аналогичны рассмотренным, также и другое, специфичное оборудование и сооружения. Одним из основных функциональных назначений этих комплексов является обеспечение возможности разработки месторождений не отдельными вертикальными скважинами, а кустами наклонно направленных скважин. Эти сооружения и оборудование позволяют осуществлять подводную разработку месторождений, площади которых находятся под водой на больших, средних и малых глубинах, под подвижными полями льда.
     Собственно скважина, нефтяная или нагнетательная, и подъемное или нагнетательное оборудование, которым она оснащена, сохраняют работоспособность ограниченное время, продолжительность которого значительно меньше периода разработки пласта и соответствует периоду, обычно называемому межремонтным. Поэтому эксплуатация каждой скважины циклична, прерывиста. Для восстановления свойств, скважины выполняют работы, обычно называемые капитальным ремонтом, а для ремонта внутрискважинного подъемного оборудования проводят текущий ремонт скважины. Количество труда, затраченного на эти процессы, по каждой скважине определяется геологическими условиями, надежностью оборудования скважины и спущенного в нее подъемного или нагнетательного оборудования. Число скважин, с помощью которых разрабатывается месторождение или пласт, весьма значительно и, как правило, определяется сотнями и тысячами, а межремонтный период их работы невелик, поэтому суммарные затраты времени и труда на ремонт обоих видов весьма большие, что обусловливает необходимость иметь службу ремонта, оснащенную сложным оборудованием. После капитального ремонта, а часто и после бурения новой скважины необходимо ее освоение с использованием специализированного оборудования.

11