9. Подача штангового насоса и коэф-т подачи. Характеристика факторов, снижающих подачу шсн. Нагрузки, действующие на штанги и их влияние на ход плунжера.

Подача штангового насоса и коэф-т подачи.

Теоретическая подача СШНУ определяется:

При перемещении плунжера вверх вытесняется объем ж-ти равный: , где F- площадь сечения плунжера, f – площадь сечения штанги, S_n – длина хода плунжера.

При перемещении плунжера вниз дополнительно вытесняется объем ж-ти равный: .

За полный двойной ход плунжера вытесняется объем ж-ти равный: .

Минутная подача насоса:

Суточная подача насоса:

М/у плунжером и точкой подвеса штанг находится длина колонны штанг, которую можно рассматривать как упругий стержень, следовательно, движение плунжера ни по амплитуде, ни по фазе не совпадают с движением точки подвеса. , S-ход точки подвеса.

Действительный ход плунжера не поддается прямому измерению. Ход точки подвеса поддается измерению и бывает известен. Следовательно, в формулу вместо S_n подставляют S и получают теоретическую подачу СШНУ: .

-коэф-т подачи. (>=06-0,65-нормальная работа насоса). На η влияют постоянные и переменные факторы.

К постоянным факторам можно отнести:

• влияние свободного газа в откачиваемой смеси;

• уменьшение полезного хода плунжера по сравнению с ходом точки подвеса штанг за счет упругих деформаций насосных штанг и труб;

• уменьшение объема откачиваемой ж-ти (усадка) в результате ее охлаждения на поверхности и дегазации в сепарационных устройствах.

К переменным факторам, изменяющимся во времени, можно отнести:

• утечки м/у цилиндром и плунжером, которые зависят от степени износа насоса и наличия абразивных примесей в откачиваемой ж-ти;

• утечки в клапанах насоса из-за их немгновенного закрытия и открытия и, главным образом, из-за их износа и коррозии;

• утечки через неплотности в муфтовых соединениях НКТ, которые все время подвергаются переменным нагрузкам.

Факторы, снижающие подачу ШСН.

Влияние газа

R-газовый фактор.

Данная формула не учитывает наличие в СШНУ вредного пространства. Вредное пространство-объем заключенный м/у всасывающим и нагнетательным клапанами насоса при крайнем нижнем положении плунжера. Вирновский предложил формулу: . Где к – доля вредного пространства.

Влияние потери хода плунжера.

, λ-величина деформации (зависит от площади сечения штанг, длины колонны штанг, веса ж-ти, материалов штанг).

Влияние утечек.

, Н-глубина спуска насоса, δ- зазор м/у плунжером и цилиндром, ν – вязкость откачиваемой ж-ти, l_n- длина плунжера, Dn- диаметр плунжера, n- число ходов в минуту, Sn – длина ходов плунжера.

Влияние усадки ж-ти.

Η₄характеризует потери подачи СШНУ в результате изменения объема продукции при переходе от условий приема к ст.усл.

, где Q _Н,Q_В- дебиты нефти и воды при ст.усл. в объемных единицах.

Нагрузки

При ходе вверх статические нагрузки в точке подвеса штанг складываются из веса штанг Ршт и веса столба ж-ти Рж. В н. м. т. возникает максимальное ускорение, к ним добавляется сила инерции Рi, направленная вниз; кроме того, действует сила трения Ртр, также направленная вниз. Таким образом, максимальная нагрузка, возникающая в точке подвеса штанг при начале хода вверх, будет равна

Рмах = Рш+Рж+Рi+Ртр.

При ходе вниз нагнетательный клапан открывается и гидростатические давления над и под плунжером выравниваются. Поэтому нагрузка от столба ж-ти со штанг снимается и передается на трубы, т.к. имеющийся в цилиндре всасывающий клапан при ходе вниз закрыт. Силы инерции, возникающие в в. М. т., направлены вверх. Силы трения также направлены вверх, т. е. в сторону, противоположную направлению движения. Поэтому нагрузка в начале хода вниз будет минимальной:

Рмin = Рш-Рi-Ртр.

Силы Рi и Ртр составляют малую долю от Рш + Рж. За исключением высоковязких нефтей и эмульсий, следовательно их влияние на плунжер не велико.

Влияние статических нагрузок на ход плунжера.

Сила Рж действует попеременно то на штанги (ход вверх), то на трубы (ход вниз). В рез-те этого при ходе вверх штанги доп-но растягиваются на величину λш, которая м.б. определена по з-ну Гука

, где L- длина колонны штанг, Е-модуль Юнга, f_ш – площадь сечения штанг.

В результате снятия с труб силы Рж, последние укорачиваются на величину

, где L- глубина спуска насоса, Е-модуль Юнга, f_Т – площадь сечения НКТ.

В рез-те, перемещение плунжера относительно цилиндра насоса, т. е. начало процесса всасывания ж-ти, начнется только после того, как точка подвеса скомпенсирует своим перемещением вверх удлинение штанг и сжатие труб. Поэтому полезный ход плунжера составит

Нагрузка от веса столба ж-ти опред-ся как произведение площади сечения плунжера на разность давлений, действующих снизу и сверху на поверхность плунжера. Рж = fп (Рн – Рпр)

Рн — давл-е над плунжером, складывается из четырех слагаемых: гидростатическое давл-е столба ж-ти; давл-е на устье скв, обычно задается или известно; потери давления на трение ж-ти в трубах при движении плунжера вверх; давл-е разгрузки в результате газлифтного эффекта выделяющегося из нефти газа в НКТ.

Влияние динамических нагрузок.

Максим-е динамические нагрузки возникают в в.м.т. и н.м.т. В в. М. т. они направлены вверх и уменьшают вес штанг, кот-е сжимаются и поэтому сообщают плунжеру дополнительный ход e₁. В н. м. т. эти нагрузки направлены вниз и поэтому увеличивают вес штанг, которые удлиняются и сообщают плунжеру дополнительный ход е₂. В результате полезный ход плунжера будет равен: . Обычно равномерно распределенную силу заменяют сосредоточенной и приложенной к центру тяжести тела, который для одноступенчатой колонны штанг лежит в середине их длины: , - максимальная инерционная сила в в.м.т., - максимальная инерционная сила в н.м.т.

Поверхность головок штанг не должна иметь поперечных дефектов. Для ОАО «ТН» базовым явл-ся штанги диаметром 19 и 22 мм. Диаметр 25мм – «утяжеленный низ», 16мм практически не применяется.

Штанговые насосы. Подразделяются на трубные и вставные.

Трубные (невставные). Цилиндр спускается в скважину на насосных трубах без плунжера. Плунжер спускается отдельно на насосных штангах.

Вставные насосы. Цилиндр в сборе с плунжером и клапанами спускается на штангах. В этом случае на конце насосных труб заранее устанавливается специальное посадочное устройство – замковая опора, на которой происходит посадка и уплотнение насоса. Для извлечения вставного насоса в случае ремонта достаточно извлечь только штанги, вместе с которыми извлекается весь насос.

Полная маркировка насоса включает:

• Номинальный диаметр насосно-компрессорных труб;

• Номинальный диаметр плунжера;

• Тип насоса, тип рабочего цилиндра, расположение и тип замка;

• Длину цилиндра в футах, или соответственно, число втулок;

• Номинальную длину плунжера в футах;

• Общую длину удлинителей, если таковые применяются.

Насосы состоят из цельного цилиндра, металлического плунжера, всасывающего и нагнетательного клапанов и узла крепления насосов в НКТ.

силы гидродинамического трения штанг Р_тр.г

Сила трения плунжера о стенки цилиндра Р_{тр пл}

Сила гидравлич-го сопротивления от перепада давл-я в нагнетательном клапане насоса Р_{кл н}

экстремальные нагрузки в т.подвеса штанг (при откачке маловязкой ж-ти):

- вес штанг в ж-ти

А – коэф-т плавучести штанг;

Где q₁, q₂ – вес 1м штанги в воздухе по ступеням;

l₁, l₂ – длина ступеней;

где F_пл - площадь сечения плунжера

Динамические нагрузки (вибрационная Р_виб и инерционная Р_ин) рассчит-ся по ф-лам Вирновского А.С. д/хода вверх:

где - растяжение штанг при ходе вверх, м.

где Е – модуль упругости Юнга, для стали Е = 20∙10¹⁰ Н/м²

принимают

Где - частота вращ-я вала кривошипа:

где - сжатие труб при снятии нагрузки от веса ж-ти, м.

где - площадь сечения металла труб, м².

Выбираются (в завис-ти от Дпл) по справочным данным поправочные коэф-ты и и рассчит-ся уточенные динамич-е нагрузки:

Расчет Р_{тр мех}. Исп-ся завис-ть, предложенная Песляком и упрощенная Шариповым:

С_шт – коэффициент трения штанг о трубы.

По рекомендациям Троицкого: 1. д/обводненной нефти с вязк-ю 10^-6-10^-5 м²/с С_шт = 0,25. 2. д/легкой нефти с вязк.< 3∙10^-5 м²/с С_шт = 0,2. 3. д/легкой нефти с вязк. >3∙10^-5 м²/с С_шт = 0,16

- максимальный угол отклонения ствола скв от вертикали, рад.

Расчет Р_тр.г. По А.М. Пирвердяну Р_тр.г для гладкой, т.е. безмуфтовой, штанговой колонны и при отсутствии потока ж-ти в подъемных трубах, т.е. когда трубы заглушены на нижнем конце:

где

D_тв – внутренний диаметр НКТ, мм. Для НКТ с условным диаметром 73мм

D_тв = 62мм.

Рассчитать Р_{тр г} с учетом движения ж-ти в НКТ:

Где знак + соответствует ходу штанг вверх, а знак – ходу вниз.

Расчет Р_{тр пл}

По эмпирич-м ф-лам В.И. Сердюка при смазке трансформаторным маслом

При смазке водой

Расчет Р_{кл н}

где -потери давления в клапане

нагрузки при откачке ж-ти выс.вязкости: