EXPLOATAREA SONDELOR DE PETROL

Exploatarea sondelor de petrol

Dupa terminarea lucrarilor de forare, se efectueaza o serie de operatii pentru pregatirea gaurii de sonda in vederea exploatarii constand in: introducerea filtrelor, perforarea coloanei de exploatare in dreptul stratului productiv, introducerea si armarea (fixarea) tevilor de extractie etc.

Punerea efectiva in productie se face prin diminuarea presiunii hidrostatice a fluidului din sonda exercitata asupra zacamantului. Acest lucru se realizeaza prin usurarea fluidului din sonda (prin inlocuirea fluidului cu fluide cu densitate mai mica) sau prin eliminarea unei cantitati de fluid. Scoaterea fluidului din sonda se face cu un instrument numit lingura, prin operatia de lacarire.

Principalele metode de exploatare sunt:

eruptia naturala,

eruptia artificiala (gaz-liftul),

pompajul de adancime.

Eruptia naturala se realizeaza la sonde unde nivelul energiei petrolului, aflat in zacamant, este suficient pentru a se "ridica" singur din statul productiv pana la capul de eruptie (ansamblu de ventile montate la gura sondei). Numarul sondelor aflate in eruptie naturala depinde de natura zacamantului.

Dupa o perioada initiala de exploatare in eruptie naturala a sondei (care poate sa lipseasca), urmeaza exploatarea in gaz-lift sau in pompaj.

Unitatea de pompare cu balansier

Pompa de adancime, care comunica fluidului energia necesara urcarii la suprafata, este o pompa de tip 1.1 (un piston cu simplu efect). Actionarea sa se face de la suprafata prin intermediul prajinilor de pompare. Instalatia de suprafata, care actioneaza asupra capatului superior al prajinilor de pompare imprimandu-le o miscare rectilinie alternativa, se numeste unitate de pompare. Motorul unitatii de pompare este, de cele mai multe ori, motor electric asincron cu rotorul in scurtcircuit.

Unitatea de pompare cu balansier are rolul de a transforma miscarea de rotatie de la arborele manivelelor, in miscare de translatie pe verticala a garniturii de prajini de pompare (figura 9.1).

Aceasta transformare se realizeaza prin patrulaterul articulat format de manivelele 7, bielele 9 si balansierul 10. Capul de balansier 5 asigura, prin forma sa, infasurarea cablului 11 (prastia) pe un arc de cerc cu centrul in lagarul central 3, astfel incat garnitura de prajini, suspendata la puntea 12, se deplaseaza pe verticala tangentiala la acest cerc.

Pentru realizarea frecventei de pompare necesare, reducerea vitezei unghiulare a motorului 17 se face in doua trepte: prima la nivelul transmisiei prin curele trapezoidale 16 si a doua la nivelul reductorului de turatie 1.

Instalatia poate fi oprita in orice pozitie, datorita sistemului de franare 8. In figura 9.1 se mai identifica: articulatia sferica 2, lagarul sferic 4, dispozitivul de rabatere a capului balansierului 6, capra 13 si contragreutatile de echilibrare rotativa 14.

Figura 9.1 UPB.

Reglarea lungimii cursei se face in trepte, prin modificarea lungimii manivelei. Articulatia sferica 2 se muta in alezajul corespunzator, practicat pe manivela.

Simbolizarea unitatilor de pompare contine forta maxima la balansier, in [tf] si cursa maxima in [mm]. De exemplu, UP 12 x 3000 este o unitate de pompare cu balansier cu forta maxima la balansier de 12 tf si cu o cursa maxima de 3000 mm. Alaturi de simbolul mai sus precizat, de multe ori apare una din urmatoarele litere: B, M sau C. Acestea se refera la tipul echilibrarii, astfel: B - echilibrarea se face cu contragreutati montate pe coada balansierului (echilibrare oscilanta), M - echilibrarea se face cu contragreutati montate pe manivele (echilibrare rotativa), iar C reprezinta varianta echilibrarii combinate (atat rotativ, cat si oscilant)

Cinematica unitatilor de pompare

Pentru determinarea exacta a legii de variatie a fortei axiale in prajina lustruita (sau a cuplului la reductor) este necesar sa se cunoasca miscarea punctului A de suspensie a prajinilor, respectiv a punctului B de articulatie a bielei cu balansierul (figura 9.2).

Figura 9.2 Schema de calcul a cinematicii unitatilor de pompare.

Este necesar sa se cunoasca legile de variatie ale lungimii cursei, vitezei si acceleratiei pentru punctul A, in functie de timp sau de unghiul de rotire al manivelelor .

In cazul actionarii unitatii de pompare cu motoare electrice asincrone, variatiile vitezei unghiulare a arborelui manivelelor pot fi neglijate. In cele ce urmeaza, se va considera const.

Tinand seama de relatia de legatura dintre parametrii cinematici ai punctelor A si B:

(9.2)

rezulta ca studiul cinematic se poate rezuma la determinarea parametrilor cinematici ai punctului B.

In functie de precizia calculelor, sunt cunoscute trei teorii cinematice:

teoria cinematica elementara - bratul al balansierului se considera mult mai mare decat lungimea manivelei;

teoria cinematica aproximativa - lungimea bielei se considera mult mai mare decat lungimea manivelei;

teoria cinematica exacta, in care rapoartelor si au valorile lor reale.

Datorita simplitatii relatiilor si a preciziei destul de bune, in calculele curente se utilizeaza teoria cinematica elementara.

Teoria cinematica elementara

Tinand seama de ipotezele simplificatoare admise in cadrul acestei teorii, rezulta ca traiectoria punctului B (figura 9.2) nu este arcul de cerc BiBB2, ci segmentul de dreapta B1B2. Se obtine astfel un mecanism asemanator mecanismului biela-manivela. Preluand formulele cunoscute pentru studiul cinematicii mecanismului biela-manivela se poate scrie pentru cazul punctului B al balansierului:

(9.3)

Cu relatiile (9.3), in relatiile (9.2) se obtin parametrii cinematici ai punctului A, ai capului balansier:

  (9.4)

In teoria cinematica elementara, capul balansierului are o miscare oscilatorie armonica (figura 9.3).

Echipamentul de adancime

Echipamentul de adancime este format, in principal, din:

pompa, prajini (tije) de pompare si tevi de extractie.

a.Pompa de adancime

Pompa de adancime este o pompa simplex cu simplu efect (figura 9.4).

Din schematizarea prezentata in figura 9.4, rezulta principiul de functionare al pompei de extractie. Sagetile drepte indica sensul de deplasare al pistonului 3 actionat prin intermediul prajinilor de pompare 1, in cilindrul 2, iar sagetile curbe indica sensul de curgere al fluidului prin supape (4 - de refulare si 5 - de aspiratie).

La inceputul cursei ascendente, ambele supape sunt inchise. O data cu ridicarea pistonului 3, presiunea hidrostatica a fluidului din sonda inchide supapa de refulare 4, iar depresiunea creata pe fata pistonului o deschide pe cea de aspiratie 5. In aceasta cursa(figura 9.4,a-c), fluidul de deasupra pistonului este impins la suprafata si, simultan, sub piston, se realizeaza aspiratia.

La cursa descendenta, (figura 9.4,d) supapa de refulare se deschide, permitand fluidului aspirat in cursa precedenta sa treaca deasupra pistonului. Supapa de aspiratie se inchide ca urmare a suprapresiunii create de coborarea pistonului.

Figura 9.4 Pompa de adancime.

Dimensiunea pompei rezulta din conditia ca diametrul pistonului, D, sa asigure, la anumiti parametri de pompare, debitul prescris:

(9.5)

unde Sr este lungimea cursei reale a pistonului;

f - frecventa ciclurilor de pompare;

hv - randamentul volumic al pompei.

Pentru o garnitura de prajini de pompare data, parametrii regimului de pompare sunt: cursa de suprafata, S (care determina si cursa reala a pistonului Sr), frecventa curselor duble ale balansierului, f si diametrul pistonului, D.

b.Prajinile de pompare

Prajinile de pompare sunt bare cu sectiunea circulara plina, imbinate intre ele prin filete. Spre deosebire de prajinile de foraj, prajinile de pompare au la capete cep, legatura realizandu-se prin mufe detasabile (figura 9.5).

Figura 9.5 Prajina de pompare (cepul si mufa prajinii de pompare).

1 - corpul prajinii de pompare; 2 - capul prajinii; 3 - cepul prajinii de pompare; 4 - patratul pentru cheie al prajinii de pompare; 5 - taietura in corpul mufei pentru cheie.

Prima prajina de sub capul balansierului se numeste tija lustruita (sau polizata).

Lungimea prajinilor variaza intre 7,5 si 9,0 m, iar otelurile din care sunt confectionate sunt oteluri aliate cu mangan, crom si molibden.

Ciclul de solicitare axiala a prajinilor este oscilant, ruperea acestora se datoreaza, de cele mai multe ori, fenomenului de oboseala si nu depasirii limitelor de rezistenta.

Diametrul prajinilor de pompare utilizate la noi in tara se alege din gama: in.

O garnitura de prajini de pompare se realizeaza din unul, doua, trei sau chiar patru tronsoane cu diametre diferite astfel incat ansamblul sa se apropie de cat mai mult de un solid de egala rezistenta.

In cursa ascendenta a balansierului, prajinile se alungesc, iar in cursa descendenta se contracta.

c.Tevile de extractie

Garnitura de tevi de extractie sustine echipamentul de fund si asigura ascensiunea petrolului si gazelor din strat la suprafata. Ea este formata din bucati care se imbina prin insurubare.

Introducerea tevilor de extractie se face in interiorul ultimei coloane de tubare, coloana de exploatare.

Fortele din prajina lustruita. Dinamograma

Intr-o sectiune oarecare a prajinilor de pompare, deci si in prajina lustruita, forta axiala este variabila de-a lungul unei curse duble a balansierului.

Se poate determina forta din prajina lustruita in functie de (unghiul de rotire al manivelelor) si pozitia capului balansierului, pentru acel .

Rezulta ca, se poate constitui graficul fortei din prajina lustruita in functie de cursa capului balansierului . Aceasta reprezentare grafica se numeste dinamograma.

In figura 9.7 este prezentata o dinamograma reala. Forma sa este puternic influentata de prezenta gazelor, de starea de functionare a supapelor pompei, de vibratiile prajinilor si de frecventa curselor duble.

Echilibrarea unitatilor de pompare

Variabilitatea fortei la prajina lustruita, precum si inertia maselor unitatii de pompare, determina variabilitatea momentului la arborele de iesire al reductorului si la arborele motorului de antrenare.

Exista metode grafo-analitice pentru determinarea graficului de variatie al momentului la arborele motorului in functie de unghiul de rotire al manivelelor, . Un astfel de grafic este prezentat in figura 9.8.

Figura 9.7 Dinamograma reala.

Se observa ca in cursa ascendenta, de la 0 la , momentul solicitat motorului este pozitiv, in timp ce in cursa descendenta, de la la , momentul este negativ, masina electrica asincrona de actionare trece in regim de generator.

Aceasta trecere periodica din regim de motor in regim de generator si invers are drept consecinta un factor de putere () scazut si, deci, un consum ridicat de energie reactiva.

Pentru a remedia aceast aspect, unitatea de pompare trebuie echilibrata. Acest lucru se realizeaza prin adaugarea unor mase (contragreutati) fie pe balansier, fie pe manivele. In figura 9.1 este reprezentata o unitate echilibrata rotativ (masele sunt asezate pe manivele avand forma unor fluturi).

Astfel, in cursa descendenta, cand forta din prajina lustruita devine motoare determinand functionarea masinii asincrone in regim de generator, masele de echilibrare trebuie ridicate, greutatile lor fiind forte rezistente.

In figura 9.9 este reprezentata legea de variatie a momentului la motor pentru o unitate de pompare echilibrata. Momentul nu mai este strict negativ in cursa descendenta, dar variabilitatea sa este inca importanta.

Dupa standardele americane (API), o unitate de pompare este bine echilibrata daca maximele momentului din cele doua semicurse sunt egale.

  (9.10)

Indeplinirea conditiei de mai sus se obtine prin alegerea convenabila a valorilor maselor de echilibrare si a pozitiilor lor pe balansier si/sau pe manivele. Informatii despre calitatea echilibrarii unitatii de pomare se obtin din alura electrogramei. Electrograma este graficul variatiei intensitatii curentului pe una din fazele de alimentare ale motorului electric in functie de cursa capului balansierului fiind o cursa inchisa, ca si dinamograma.

Figura 9.8 Legea de variatie a momentului la motor pentru

o unitate de pompare neechilibrata.

Puterea a motorului este:

  (9.11)

unde viteza unghiulara este constanta; ca urmare, se poate concluziona ca puterea motorului are calitativ aceeasi variatie cu a momentului prezentate in figurile 9.8 si 9.9.

Figura 9.9 Legea de variatie a momentului la motor pentru o unitate de pompare echilibrata.