Установление режима работы ШСНУ с учетом влияния деформации штанг и труб для скважины №796 Серафимовского месторождения (стр. 4 из 8)
К постоянным или статическим нагрузкам принято относить вес колонны насосных штанг в жидкости Р’шт, гидростатическую нагрузку Рж, обусловленную разницей давлений жидкости над и под плунжером при ходе его вверх, а также нагрузки от трения штанг о стенки подъемных труб Ртр пл /6/.
К переменным нагрузкам относятся:
инерционная нагрузка Рин, обусловленная переменной по величине и направлению скоростью движения системы “штанги-плунжер”;
вибрационная нагрузка Рвиб, обусловленная колебательными процессами, возникающими в колонне штанг под действием ударного приложения и снятия гидростатической нагрузки на плунжер;
нагрузка от трения штанг в жидкости Ртр г;
сила гидростатического сопротивления Ркл н, вызванная перепадом давления в нагнетательном клапане при движении жидкости.
Учитывая перечисленные нагрузки, можно записать общие формулы для определения усилия в точке подвеса штанг при ходе штанг вверх Рв и вниз Рн:
Рв=Р’шт+Рж+Рин в +Рвиб в+Ртр м+Ртр г+Ртр пл,
Рн=Р’шт-(Рин н+Рвиб н+Ртр м+Ртрг+Ркл н).
Вес колонны штанг в воздухе Ршти вес ее в жидкости Р’шт, заполняющей подъемные трубы, а также гидростатическая нагрузка на плунжер вычисляются по формулам:
или 
где qштi – вес 1 м штанг данного диаметра в воздухе, Н; Карх=(ρшт-ρсм т)/ρшт – коэффициент плавучести штанг; ρшт – плотность материала штанг, кг/м3; ρсм меж, ρсм т – средняя плотность жидкости (смеси), находящейся соответственно в пространстве между обсадной колонной и колонной насосно-компрессорных труб, кг/м; ρмеж – давление газа в этом пространстве на устье скважины, Па.
Расчет максимальных нагрузок на штанги:
При статическом режиме работы ШСНУ, т.е. при значениях параметра динамического подобия μд≤(0,3÷0,4), достаточно для практики точность обеспечивают приведенные ниже зависимости.
Формула И. М. Муравьева:
где n=N∙60 – число ходов плунжера в минуту.
Формула И. А. Чарного:
Формула Дж. С. Слоннеджера:
Формула Кемлера:
Формула К. Н. Милса:
где Р’ж – вес жидкости над плунжером.
Погрешность расчета по перечисленным приближенным формулам находится в пределах 10-20% от Рmax.
Известны и другие зависимости для расчета максимальной нагрузки в точке подвеса штанг, которые по существу не отличаются от приведенных приближенных формул /6/.
Расчет минимальных нагрузок на штанги:
Формула К. Н. Милса:
Формула Д. О. Джонсона:
Формула Дж. С. Слоннеджера:
Формула Н. Дрэготеску и Н. Драгомиреску:
Н. Дрэготеску указывает, что надежность приближенных формул для определения минимальной нагрузки обычно заметно ниже, чем аналогичных формул для Рmax /6/.
4. Динамометрирование и результаты исследований
Нормальная эксплуатация штанговой скважинной насосной установки требует постоянного контроля за работой основных узлов для своевременного принятия необходимых мер для ее обеспечения. Информацию о работе подземного оборудования при этом способе добычи нефти получают при помощи динамо-метрирования. Динамометрирование ШСНУ - важнейший источник информации о работе штангового насоса, колонны штанг, состоянии забоя скважины и др. — осуществляется при помощи специальных технических средств; наиболее распространено телединамометрирование, обеспечивающее оперативное получение динамограммы на диспетчерском пульте без нарушения режима работы скважин /7/. Динамограмма представляет собой график зависимости нагрузки в точке подвеса штанг от длины хода полированного штока верхней штанги. Теоретическая динамограмма нормальной работы установки основана на учете сил тяжести, упругости, трения и закона Архимеда. Недостаточный учет других влияющих факторов, таких как инерционная сила и свойства откачиваемой жидкости, ограничивает возможность существенного динамометрирования.
Динамограмма представляет собой параллелограмм в координатах нагрузка (р) – длина хода полированного штока (S) (рисунок 2). Линия Г1А1соответствует разнице нагрузки от веса штанг и силы трения р↓и параллельна нулевой линии (оси S) динамограммы вследствие постоянства веса штанги и силы трения. Линия АГ соответствует статическому весу штанг в жидкости Ршт, т. е. без трения. Следовательно, трение колонны штанг о жидкость уменьшает длину хода плунжера, и нагнетательный клапан закрывается не в точке А, а в точке А1(отрезок f↓). При изменении направления движения плунжера процесс записывается отрезком прямой АА2. Начиная с точки А2, штанги воспринимают нагрузку от веса столба жидкости Рж (отрезок А2Б2). В точке Б1нагрузка равна сумме весов штанг жидкости и сил трения Р↑. В этой точке приемный клапан насоса открывается и жидкость поступает в цилиндр насоса. Дальнейшее движение плунжера описывается линией Б1В1. С началом движения вниз изменяются направление и величина сил трения. Изменение нагрузки соответствует В2Г1, при этом происходит разгрузка колонны штанг и нагружение труб. Точка Г - открытие нагнетательного клапана насоса и начало движения плунжера вниз (отрезок Г1 А1) /7/.
Рисунок 2 – Динамограмма ШСНУ
Таким образом, обработка динамограммы дает возможность определить количественные и качественные показатели работы ШСНУ: нагрузки и напряжения в полированном штоке, длину хода плунжера и полированного штока, коэффициент наполнения насоса, герметичность приемной и нагнетательной частей насоса, влияние газа, правильность посадки плунжера, наличие утечек в НКТ, отвороты и обрывы штанг или штанговых муфт, заклинивание плунжера.
По динамограмме работы ШСН в среде, содержащей свободный газ, также определяют давление у приема насоса, дебит жидкости и дебит газа.
Как правило, динамометрирование должны проводить в первый же день после спуска насоса в скважину и при изменениях режима откачки и подачи насоса, а также в процессе его работы для своевременного выявления различных неполадок.
Для установления в каждом конкретном случае характера осложнений целесообразно воспользоваться типовыми динамограммами.
Измеряемую нагрузку G определяют умножением показания динамографа С (мм) по оси ординат на масштаб усилий Р (60 Н/мм):
G = CP.
Перемещение полированного штока и плунжера рассчитывают умножением расстояния между заданными точками по оси абсцисс на масштаб хода.
Расстояние между перпендикулярами, опущенными из крайний точек динамограммы (точки А и В) на ось, соответствует ходу полированного штока S. Ход плунжера Sплсоответствует расстоянию между перпендикулярами, опущенными на ось из точек Б и В.
Потеря хода полированного штока равна ∆S=S—Sпл, а коэффициент подачи насоса - η≈Sпл/S.
На рисунке 3 приведены типовые формы динамограмм /7/. Расшифровка динамограмм требует учета различных факторов.
Рассмотрим, например, динамограммы 23, 27, 28. Они соответственно, характеризуют, помимо высокой посадки и запаздывания закрытия нагнетательного клапана, негерметичность торцов втулок.
Так, например, динамограмма 23 показывает выход плунжера насоса НСН из цилиндра. Такая же форма динамограммы получена при разъедании у насоса НСН2 и НСВ1 одного стыка втулок в верхней части цилиндра и второго — в нижней части. Плунжер, находясь в нижней части, перекрывает разъеденную часть, и утечка не происходит, при ходе вверх он открывает путь для утечки жидкости. Динамограмма 27 указывает на разъедание стыка втулок посередине цилиндра.
Рисунок 3 - Типовые динамограммы ШСНУ:
1-3 - нормальная работа насоса: Н<1000 м, H>1000 м, H>1500 м соответственно; 4-6 - утечки в нагнетательной части: средняя, большая утечки; выход из строя нагнетательной части соответственно; 7 – 9 - утечки в приемной части: средняя, большая утечки, выход изстроя приемной части соответственно; 10-12 - утечки в приемной и нагнетательной частях; 13-15 - влияние газа на работу насоса: влияние пластового газа; изменение контура; влияние газа н утечки в нагнетательной части соответственно; 16-18 - прихват плунжера насоса: НСН2, НСВ1 cвыходом из замковой опоры, заедание песком соответственно, 19 -20 - утечки в НКТ; 21-22 – фонтанирование; 23 — высокая посадка плунжера в НСН2; 24 - то же, в НСВ1 без слива из замковой опоры; 25 - низкая посадка плунжера в НСН2; 26 - то же, в НСН1; 27, 28 - негерметичность насоса; 29 - обрыв или отворот штанг в нижней части; 30 - то же, в верхней части; 31-34 - низкий динамический уровень (33 - пробка, 34 - заедание песком).