Лекция № 13. Условия, влияющие на работу штанговой установки. Статические и динамические нагрузки при работе глубинного насоса.

3.1 Условия, влияющие на работу штанговой установки.

При ходе плунжера вверх объем жидкости, поступающей в цилиндр насоса, равен геометрическому объему, описанному плунжером, т.е.

(1)

где - площадь сечения плунжера ( )

- длина хода плунжера (м)

D - диаметр плунжера (м)

Одновременно из труб в выкидную линию вытиснится количество жидкости, равное объему кольцевого пространства между трубами и штангами по длине хода плунжера, т.е.

(2)

где - площадь поперечного сечения штанг в ;

d - диаметр штанг в м

При движении плунжера вниз объем жидкости, поступающей из скважин под плунжер, перемещается в насосные трубы, а так как в последних освободился маленький объем, то избыток поступит из насосных труб в выкидную линию, который равен:

(3)

Таким образом, теоретическая производительность глубинного насоса за один двойной ход плунжера в объемных единицах будет

(4)

Если обозначить число ходов плунжера насоса в минуту через n, то минутная производительность глубинного насоса составит

(5)

Это выражение производительности насоса справедливо только в том случае, когда объем, освобождается плунжером, при его движении вверх целиком заполняется поступающей из скважины жидкостью, которая полностью поднимается на поверхность при каждом ходе плунжера.

В действительности объем жидкости, поступающий в цилиндр насоса, практически всегда меньше геометрического объема, описываемого плунжером, вследствие следующих причин:

- при всасывании вместе с жидкостью, в цилиндр насоса поступает растворенный ранее в нефти газ;

- вследствие большого давления гидростатического столба жидкости, поднимаемой по насосным трубам, происходят утечки некоторого количества жидкости из труб в зазоры между плунжером и цилиндром и при неплотном закрытии выкидного клапана под плунжер; эти утечки заполняют часть освобождаемого плунжером пространства;

- при несоответствии, скорости пробега плунжера и скорости притекания жидкости через приемный клапан последняя (жидкость) может не успеть заполнить все пространство, освобождаемое плунжером.

Все эти факторы, уменьшая частичный объем поступающего в цилиндр насоса жидкости, определяют величину так называемого коэффициента наполнения насоса, т.е. отношение фактически поступающего под плунжер объема жидкости к геометрическому объему, описываемому плунжером при его ходе вверх.

В практике для удобства обычно пользуются выражением условной теоретической производительности, исчисляемой по длине хода сальникового штока, замеряемой на поверхности. Тогда формула для определения условной теоретической производительности (в / сутки) примет вид

(6)

где 1440=24 · 60 мин в сутки

- площадь сечения плунжера в ;

S - длина хода, сальникового штока в м;

n- число качаний в минуту, сообщаемое штангам на поверхности.

Действительная производительность глубинного насоса, т.е. фактическое количество добытой жидкости (нефти), в промысловой практике всегда меньше теоретической.

Отношение действительной производительности глубинного насоса к его условной теоретической называется коэффициентом подачи глубинного насоса , т.е.

(7)

Коэффициент подачи глубинного насоса может изменяться в пределах 0,1 до 1,0.

Считается, что глубинный насос работает в скважине хорошо, если коэффициент подачи его

При правильном подборе насоса и при нормальных условиях его работы в скважине фактическая производительность приближается к теоретической.

На коэффициент подачи глубинного насоса влияют следующие факторы:

1. степень наполнения цилиндра насоса;

2. возможные утечки жидкости из труб в скважину;

3. возможное не соответствие истинного хода плунжера с замеренной на поверхности величиной, принятой для расчета, за счет удлиненных штанг и труб.

Истинная производительность насоса составляет:

(8)

Таким образом, производительность глубинного насоса зависит от длины хода и числа ходов в минуту приводного механизма, а также от диаметра насоса и коэффициента подачи.

В зависимости от величины отношения длины хода сальникового штока к длине плунжера штанговые насосы могут быть:

1. короткоходовые при

2. среднеходовые при

3. длиноходовые при

Факторы, снижающие, подачу ШСН, подразделяются на постоянные и переменные.

К постоянным факторам относятся:

• влияние свободного газа в откачиваемой жидкости;

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

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

К переменным факторам, изменяющимся во времени относят:

• утечки между цилиндром и плунжером, которые зависят от степени износа и наличия абразивных примесей в откачиваемой жидкости;

- утечки в клапанах насоса из-за их (инертности) не мгновенного закрытия и открытия и, главным образом из-за износа и коррозии;

• утечки через не плотности в муфтовых соединениях НКТ, которые (все время) постоянно подвергаются переменным нагрузкам.

Переменные факторы, сводящиеся и различного рода утечкам, меняются во времени и поэтому их трудно определить расчетным путем, за исключением утечек через зазор между плунжером и цилиндром. Это приводит к тому, что коэффициент подачи вновь спущенного в скважину насоса, после незначительного его снижения в начальный период в результате приработки плунжера, затем стабилизируется и длительное время остается практически постоянным. Затем он заметно начинает снижаться в результате износа клапанов, их седел и увеличения зазора между плунжером и цилиндром.

Наряду с этим может произойти и резкое уменьшение коэффициента подачи в результате смещения втулок насосов, отворотов и не плотностей в муфтах.

Таким образом, результирующий коэффициент подачи насоса можно представить как произведение нескольких коэффициентов, учитывающих влияние на него подачу различных факторов:

(9)

-( )- коэффициент наполнения цилиндра насоса жидкостью, учитывающий влияние свободного газа;

- коэффициент, учитывающий влияние уменьшения хода плунжера;

- коэффициент утечек, учитывающий наличие неизбежных утечек жидкостей при работе насоса;

- коэффициент усадки, учитывающий уменьшение объема жидкости при достижении его поверхностных емкостей.

Влияние газа в откачиваемой жидкости учитывается коэффициентом наполнения цилиндр насоса. Он равен отношению объема жидкости V_ж, поступивший в насос, ко всему объему смеси V_см состоящему из объема жидкости V_ж и объема свободного газа V_г:

(10)

где R- газовый фактор при температуре Т_пр и давление Р_пр на приеме насоса.

Формула (10) не учитывает наличие в ШСН вредного пространства и его влияние на коэффициент наполнения при откачке газированной жидкости. Формула (10) дает завышенной - коэффициент наполнения.

Вредным пространством ШСН называют объем, заключенной между всасывающим и нагнетательным клапанами насоса при крайнем нижнем положении плунжера. При ходе плунжера вниз газожидкостная смесь (ГЖС) под ним сжимается до давления, равного давлению над плунжером, которое достаточно велико. Газ растворяется в жидкости и в частности, в той, которая находится во вредном пространстве. При последующем ходе вверх давление под плунжером падает до давления на приеме насоса. Растворенный газ выделяется и задерживается открытие всасывающего клапана, пока давление не упадет до давления приема. В результате под плунжер поступает меньшее количество смеси.

Коэффициент наполнения цилиндра насоса, учитывающий вредное пространство насоса, предложенный А.С. Вирновским, имеет вид:

(11)

где - доля вредного пространства от V_S,

-объем, описанной плунжером за ход вверх;

- объем вредного пространства;

- общий объем под плунжером при его крайнем верхнем положении.

но следовательно

отсюда (12)

Объем жидкости, поступившей в насос за очередной ход плунжера вверх, будет меньше первоначального объема на величину объема жидкости во вреднем пространстве

Следовательно

Тогда коэффициент наполнения равен

отсюда с учетом, что получим

(11^’)

Это формула (11^’) дает заниженные значения коэффициента наполнения, так как исходит из предложения мгновенного выделения и растворения газа во вредном пространстве.

Известные несколько формул для определения коэффициента наполнения насоса, которые дают указания в пределах .

Поэтому наиболее достоверное определение коэффициента как среднего между его максимальным и минимальным значениями т.е.

(13)

Величина R может быть определена через газовый фактор на поверхности измеренный при стандартных условиях, т.е. при температуре и атмосферном давлении после полной дегазации нефти.

Влияние потери хода плунжера на коэффициент подачи насоса учитывается коэффициентом , который равен:

(14)

где S - длина хода точки подвеса штанг;

действующий ход плунжера относительно цилиндра насоса;

- потеря хода плунжера за счет упругих деформаций штанг и труб.

Эта потеря обусловлена тем, что при ходе вверх штанги дополнительно растягиваются от действия силы, равной произведению площади сечения плунжера на разность давления над и под плунжером, так как нагнетательный клапан при ходе вверх закрыт. Одновременно касание трубы отличаются, так как действовавшая на них при ходе вниз та же сила теперь при ходе вверх с труб снимается и воспринимается штангами. Величина этих деформаций может быть определена по формуле Гука.

Кроме этого в штангах, которые двигаются приблизительно по синусоидальному закону, возникают инерционные силы.

Эти силы в верхней мертвой точке (в.м.т.) направлены вверх в сторону, противоположную направлению силы тяжести, и поэтому уменьшает силу тяжести штанг. В нижней мертвой точке (н.м.т.) инерционные силы направлены вниз и увеличивают силу тяжести штанг. Это приводит к дополнительному сжатию (в в.м.т.) и удлинению (в н.м.т.) штанг, и в результате чего полезный ход плунжера в цилиндре несколько увеличивается. Это учитывается коэффициентом выигрыша хода К. С учетом поправки, коэффициент потери хода запишется следующим образом:

(15)

К и определятся с учетом статических и динамических нагрузок (ниже)