Расчёты в добыче нефти

Задача 53. Определить с учетом влияния газа и упругих удли­ нений насосных штанг рациональную глубину погружения насоса под динамический уровень, при которой насосная установка будет работать с наиболее высоким коэффициентом подачи.

Исходные данные: глубина скважины Н = 1500 м; внутренний диаметр эксплуатационной колонны D = 150 мм (F = 177 сма); диаметр плунжера насоса DnJI = 28 мм; наружный диаметр встав­

Vcu = G•20/100 = 200-20/100 = 40 м3/м3.

Для полного устранения влияния свободного газа на наполне­ ние насоса (когдат]гс = 1) необходимо весь газ перевести в рас­ творенное состояние. Для этого потребуется давление

рр = G/a = 200/7 10“®= 28,6- 10е Па,

или погружение насоса под динамический уровень на

h = pp/p g = 28,6-106/850 - 9,81 = 3 4 3 0 м.

Учитывая, что при ограниченной глубине скважины такое погружение насоса под динамический уровень невозможно и во всех случаях неэкономично, для определения рациональной глубины погружения насоса с учетом совместного проявления влияния газа и упругих удлинений штанг найдем общий коэф­ фициент подачи насосной установки по формуле1

1 З у б к о в Н. В. О рациональной глубине погружения насоса под ди­ намический уровень. — «Нефтяное хозяйство», 1963, № 4, с. 46— 48.

101

т]г>с — коэффициент подачи, зависящий от свободного газа; riyA — коэффициент подачи, зависящий от удлинения колонны насосных штанг; FnJl = 6,15 см2 — площадь сечения плунжера (см. прил. 3); /ш— площадь сечения штанг, см2; р — давление на приеме на­ соса, МПа. Остальные обозначения даны в условии задачи.

Для двухступенчатой колонны средневзвешенный диаметр штанг

dcp = 2,2-28 - f 1,9-72/100= 1,98 см;

/=ш= 0,785-1,982 = 3,08 см2.

Определим значения коэффициентов k и

А: = 6,15-890/2,1 1010- 1,8-3,08 = 4,71 •10~8 м2/кг;

£ = 1 — 4,71 10'8-890-850 = 0,964;

Задавшись глубиной погружения насоса под динамический

Выполним аналогичные расчеты для следующих давлений на приеме насоса: 8; 7; 6; 5; 4; 3; 2 и 1 МПа. Полученные результаты сведем в табл. VI. 1.

Из табл. VI. 1 видно, что с уменьшением р коэффициент т]г>с уменьшается, тогда как т)уд увеличивается. При р — 9 МПа общий коэффициент подачи т]' = 0,866, а при р — 3 МПа к\' = 0,844. Разница между ними составляет всего 0,022 (2,6% ). Поэтому нет смысла спускать насос на большую глубину под уровень жидкости,

102

а рационально опустить его на глубину, где давление равно 3 МПа, что обеспечивает нормальную работу насоса. Тогда общая глу­ бина спуска насоса определится по формуле

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ НА ПРИЕМЕ ШТАНГОВЫХ НАСОСОВ

Задача 54. Непосредственный замер давления на приеме штанговых глубинных насосов связан с большими трудностями (необходимостью спуска под насос глубинного манометра или замера динамического уровня по затрубному пространству). Эту задачу можно решить, используя динамограмму работы насоса1.

В верхней точке действует нагрузка от веса столба жидкости в на­ сосных трубах и веса насосных штанг в жидкости, а в нижней точке действует только вес погруженных в жидкость насосных штанг.

Давление на приеме глубинного насоса

(VI.9)

где Нсп — глубина спуска насоса, м; Р ш— вес колонны насосных штанг в воздухе, Н; Р'т — то же в жидкости, Н; Р в. м. т — нагрузка, действующая на головку балансира в верхней мертвой точке, Н; FuJl — площадь сечения плунжера насоса, м2.

Для определения давления на приеме насоса примем следу­

IV — вес насосных штанг в воздухе Р ш. По оси абсцисс квадранта I показан вес насосных штанг в жидкости Р'ш и по оси абсцисс ква­ дрантов II и III — давление, создаваемое насосом рп, и давление на приеме насоса р1ф.

Для решения этой задачи надо провести вертикальную пря­ мую из точки а (р'ш = 21,9 кН) до точки б квадранта I (Р в.м. т = = 29 кН). Затем из этой точки провести влево горизонталь до пересечения с линией D H= 56 мм в квадранте II (точка в). Из этой точки опустить перпендикуляр до пересечения с осью давле-

1 Т и щ е н к о И. Т., И ш е м г у ж и н С. Б. Экспресс-метод опреде­ ления давления на приеме штанговых глубинных насосов. — ^Нефтепромысловое дело», 1971 л № 1, с. 18—21.

юз

ний р н и определить создаваемое насосом давление р н (точка г), равное 3 МПа. Далее, из точки а провести вертикаль до пересе­ чения с линией Р ш = 24,6 кН в квадранте IV (точка д). Из нее провести горизонталь влево до пересечения с линией Нсп = 900 м в квадранте III (точка ё). Из этой точки восставить перпендику­ ляр к оси абсцисс, где и определится в точке ж давление на приеме глубинного насоса рпр = 7,8 МПа.

Рис. V I.5. Номограмма для определения давления на приеме штанговых глу­ бинных насосов

Следовательно, глубинный насос в данном случае имеет очень

5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ ХОДА И ДИАМЕТРА ПЛУНЖЕРА, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ МАКСИМАЛЬНУЮ ПОДАЧУ НАСОСА

Задача 55. Определить длину хода плунжера по статической (элементарной) и динамической теории (по формулам И. А. Пар­ ного и Л. С. Лейбензона) и сравнить полученные результаты.

104

105

С учетом полученных величин имеем по формуле (VI. 11)

совпадают, а по формуле И. А. Чарного они несколько ниже. При глубинах установки насоса более 1500 м и при большем числе качаний расчет по динамической теории дает большие значения длины хода, чем расчет по статической теории.

В большинстве случаев (при L < 1500 м) можно пользоваться более простой формулой статической теории или формулой Лей­ бензона — Вирновского. При малых числах качаний (до шести — восьми в минуту) можно определить значение 5 ПЛ по статической

теории без учета фактора выигрыша хода (1 -\----- — ), т. е.

с учетом только упругих удлинений насосных штанг и труб.

106

В случае применения ступенчатой колонны насосных штанг общее удлинение Яуд будет слагаться из удлинений отдельных ступеней.

Принимая в данном случае (L = 1500 м) двухступенчатую колонну штанг диаметром 22 мм (43%) и 19 мм (57%), общее удли­ нение всей колонны определим по формуле [11]

где /i и /2 — соответственно площади поперечного сечения штанг диаметрами 22 и 19 мм, следовательно, f± = 3,8 см2; /2 = 2,83 см2; а и b — доли длины штанг диаметрами соответственно 22 и 19 мм

Следовательно, при двухступенчатой колонне насосных штанг потери хода из-за упругих удлинений насосных труб и штанг для заданных условий будут на 0,055 м меньше, чем при одноступенча­ той колонне штанг, что способствует повышению подачи насоса.

Задача 56. Для любой глубины спуска насоса существует неко­ торый предельный диаметр плунжера, при котором можно полу­ чить максимальную подачу.

Максимальная подача насоса достигается при таком диаметре плунжера, при котором потери хода от упругих деформаций равны половине хода сальникового штока.

Определим диаметр плунжера, обеспечивающего максималь­

(не заякорены). Для этих условий максимальная площадь сечения

117

Следует принять ближайший стандартный диаметр плунжера Dnл = 82 мм.

Если насосные трубы заякорены, то они не испытывают упру­ гих деформаций. Поэтому формула для определения поперечного сечения плунжера, обеспечивающего максимальную подачу насоса, имеет вид:

Можно принять стандартный максимальный диаметр плунжера равным 93 мм.

Из приведенного расчета видно, что предельная глубина спуска насоса (или высота подъема жидкости) и длина хода сальникового штока находятся между собой в прямой зависимости. Следова­ тельно, при больших глубинах спуска надо для сохранения подачи насоса при постоянном диаметре увеличить длину хода сальни­ кового штока.

Расчеты показывают, что область применения насосов больших диаметров при малой длине хода сальникового штока ограничи­ вается только небольшими глубинами спуска насоса. За преде­ лами этих глубин большие упругие деформации не компенсируются при малой длине хода, что уменьшает подачу насосов.

6. ПОДБОР ОСНОВНОГО ГЛУБИННОНАСОСНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

ИУСТАНОВЛЕНИЕ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ НАСОСА

Задача 57 Подобрать тип станка-качалки (см. прил. 6), диаметр и тип насоса, диаметр насосных труб и штанг и установить режим­ ные параметры работы насоса для следующих условий: дебит скважины Q = 36 т/сут; плотность нефти р = 900 кг/м3; глубина спуска насоса L = 1400 м; динамический уровень находится у приема насоса; коэффициент подачи насосной установки г\ = 0.7.

Задачу решим сначала графическим методом при помощи

108

J

сечении линий, проведенных от дебита скважины и глубины спуска насоса. Это же пересечение определяет диаметр плунжера насоса d = 43 мм 1.

Тип насоса выбирают в зависимости от глубины его работы: при глубине более 1200 м следует применять вставные насосы. Для заданной глубины принимаем насос НГВ-1.

О, м 3/ с .у т

Рис. V I.6. Диаграмма АзНИИ для подбора станков-кача­ лок

1 — СКН2-615; 2 — СКНЗ-915; 3 — СКН5-1812; 4 — СКН10-2115

Диаметр насосных труб зависит от типа и диаметра насоса. Для насоса НГВ-1 диаметром 43 мм требуются 62-мм насосные трубы. Диаметр насосных штанг зависит от группы прочности стали, диаметра насоса и глубины его работы. В заданных условиях (А,л = 43 мм, L = 1400 м) следует принять штанги d = 22 мм, но для облегчения их собственного веса лучше взять двухступенча­ тую колонну насосных штанг. Для штанг из углеродистой стали

1 Для выбора нового глубиннонасосного оборудования (ГОСТ 5866— 76) необходимо пользоваться диаграммой, изображенной на рис. 39 справочника мастера по добыче нефти [8].

109