1474

Рис. 7.78. Теоретическая (/) и фактическая (2) динамограммы

Теоретическая динамограмма. Простейшая теоретическая ди­ намограмма нормальной работы штангового насоса имеет форму параллелограмма (см. рис. 7.78). Она строится для условий, когда насос исправен и герметичен, цилиндр насоса заполнен несжи­ маемой жидкостью, погружение насоса под динамический уро­ вень равно нулю, в насосной установке не возникают динамичес­ кие нагрузки, коэффициент наполнения насоса равен единице.

Процесс восприятия нагрузок штангами изображается наклон­ ной линией АБ. Отрезок Б,Б соответствует в масштабе переме­ щений сумме деформаций штанг и труб. Прямая БВ, параллель­ ная оси абсцисс, отвечает максимальной статической нагрузке у точки подвеса за ход вверх.

Процесс разгрузки штанг в условиях полного заполнения цилиндра несжимаемой жидкостью протекает аналогично про­ цессу восприятия нагрузки и изображается линией ВГ, парал­ лельной АБ. Дальнейшему движению устьевого штока вниз при постоянной нагрузке, равной весу штанг в жидкости минус силы трения, соответствует прямая ГА.

Действительная динамограмма работы штангового насоса отли­ чается от теоретической в основном из-за влияния сил инерции и колебательных процессов в колонне штанг. Вследствие влияния сил инерции динамограмма оказывается повернутой на некоторый угол по часовой стрелке, а продольные колебания в колонне штанг вызывают волнообразное изменение нагрузки на устьевой шток.

Для полного и правильного чтения динамограммы необходи­ мо выявить все факторы, влияющие на работу насоса. Для этого на основе практической динамограммы производят расчет эле­

ментов и построение теоретической динамограммы и их совме­ щение. Этот процесс называется обработкой динамограммы.

Построение теоретической динамограммы выполняется сле­ дующим образом (см. рис. 7.78).

Измерение нагрузки в точке подвеса штанг производится по вертикали, проведенной перпендикулярно к нулевой линии ди­ намограммы, которая прочерчивается перед монтажом динамог­ рафа на канатной подвеске.

где L — расстояние по вертикали от нулевой линии до точки, где измеряется нагрузка, мм; р — масштаб усилий динамографа, кг/мм.

Масштабом усилий называется величина нагрузки на устье­ вой шток, вызывающей отклонение пера самописца по вертика­ ли на 1 мм. Масштаб усилий можно найти и после динамометрирования из выражения

(7.99)

где L0— расстояние от нулевой линии до линии веса штанг, мм. Для точного определения масштаба усилий динамограф сле­ дует периодически тарировать. Тарировку можно производить на универсальной тарировочной машине или гидравлическим

прессом для всех трех масштабов измерения усилий. Перемещения по динамограмме измеряются по горизонтали

как расстояния между перпендикулярами, проведенными к ну­ левой линии через заданные точки динамограммы. Для измере­ ния фактического перемещения необходимо знать масштаб пе­ ремещений т, представляющий собой отношение длины хода устьевого штока S к длине динамограммы / (линия АГ, или Б,В),

Для построения расчетной динамограммы необходимо под­ считать статическую нагрузку, вес колонны штанг и деформа­ цию труб и штанг. Статическая нагрузка определяется по фор­ муле

где Рж— вес жидкости над плунжером насоса;

где Fm — площадь сечения, плунжера, м2; Яд — динамический уровень жидкости, м; рт — плотность жидкости в подъемных трубах, кг/м3; Р'т— вес колонны штанг в жидкости;

где А = (ршрт)/рш,

Для нанесения линии веса штанг на динамограмму (см. рис. 7.78) определяется ее удаление от нулевой линии из выражения

Отложив величину L0на перпендикулярах, проводят линию АГГ Расстояние линии статической нагрузки от нулевой линии

подсчитывается по формуле

Отложив I на вертикальной оси динамограммы, проводят горизонтальную линию Б,В.

Линия Восприятия нагрузки АБ находится отложением на линии Б, В величины деформации труб и штанг в масштабе.

Величина Отрезка, соответствующего значению деформации

Отложив на линии веса штанг линию Г,Г = Б,Б и соединив точки А, Б, Г и В, определяют линию восприятия нагрузки АБ и линию снятия нагрузки ВГ.

На динамограмме линия Б,В представляет собой длину хода устьевого штока S, линия БВ — длину хода плунжера 5'пл, а ли­ ния АГ — полезный или эффективный ход плунжера 6^. Из-за неполного заполнения цилиндра жидкостью линии БВ и АГ на практических динамограммах могут быть не равными. Исполь­ зуя соотношения этих величин в масштабе, можно определить коэффициенты подачи г| и наполнения насоса р [21, 27, 28].

Практические динамограммы. В зависимости от параметров штанговой насосной установки практические динамограммы нормальной работы насоса имеют весьма разнообразные очер­ тания (рис. 7.79).

На форму динамограммы существенно влияют глубина спус­ ка насоса, число качаний балансира, наличие свободного газа в цилиндре насоса, неисправность клапанных узлов и т.д.

Так, с увеличением глубины спуска насоса увеличивается высота линии нагрузки при ходе вниз по отношению к нулевой линии, возрастает нагрузка от веса жидкости при сохранении отношения веса штанг к весу жидкости, на динамограмме укла­ дывается меньшее число полуволн колебаний нагрузки.

С увеличением числа качаний на динамограмме появляются затухающие волнообразные изменения нагрузки при ходе плун­ жера вверх и вниз.

При наличии утечки жидкости в нагнетательной части насо­ са (см. рис. 7.79, динамограммы 4, 5) процесс восприятия на­ грузки изображается линией, имеющей меньший угол наклона к горизонтали, чем линия восприятия нагрузки при нормальной работе насоса; правый верхний угол динамограммы закруглен; линия снятия нагрузки идет более круто и угол, образуемый ею и нулевой линией, имеет больший наклон.

Характерные особенности динамограммы насоса, имеющего утечки в приемной части, следующие см. рис. 7.79, динамограм-

ма 7: процесс снятия нагрузки изображается линией, угол на­ клона которой к нулевой меньше, чем у линии снятия нагрузки при нормальной работе насоса; левый нижний угол динамог­ раммы закруглен; линия восприятия нагрузки идет более круто

иугол между ней и нулевой линией имеет больший наклон. Если насосная установка имеет одновременные утечки в при­

емной и нагнетательной частях, то динамограмма имеет закруг­ ление левого нижнего и правого верхнего углов (см. рис. 7.79, динамограммы 9, 10).

Утечка жидкости из НКТ не придает динамограмме какихлибо специфических очертаний. Однако при помощи динамографирования можно установить ее наличие. Для этого при останов­ ленном СК несколько раз прочерчивают линию максимальной нагрузки в течение 10—15 мин. Если эта линия при повторной записи не совпадает с первой, то имеют место утечки через НКТ.

Динамограммы работы штангового насоса при откачке жидкости с газом имеют следующие характерные очертания (см. рис. 7.79, динамограммы 11—13): линия снятия нагрузки представляет со­ бой кривую с той или иной кривизной, выпуклость которой об­ ращена влево вверх; процесс снятия нагрузки протекает замед­ ленно, вследствие чего открытие нагнетательного клапана про­ исходит позже, чем при нормальной работе; левый нижний и правый верхний углы динамограммы острые; линии снятия и восприятия нагрузки параллельны.

При низкой посадке плунжера снижение нагрузки и последу­ ющий набор этой нагрузки на динамограмме записывают поразному. Если удар нерезкий, нагрузка снижается плавно, по­ садка плунжера записывается в виде петли в нижнем левом углу динамограммы (см. рис. 7.79, динамограмма 25). Линия воспри­ ятия нагрузки отодвигается вправо от своего нормального поло­ жения. Петля удара всегда располагается ниже линии веса штанг. При ударах плунжера полезная длина его хода уменьшается на длину горизонтальной проекции петли.

При высокой посадке плунжера динамограмма имеет петлю в верхнем правом углу (см. рис. 7.79, динамограмма 34). Часто петля располагается выше линии статической нагрузки.

Обрыв (отворот) штанг записывается на динамограмме в виде узкой горизонтальной замкнутой линии. Динамограмма совпадает с линией веса штанг, если обрыв произошел у самого плунжера

(см. рис. 7.79, динамограмма 22. Чем выше глубина обрыва (отво­ рота), тем меньше вес оставшейся части колонны штанг и тем ниже линии веса штанг располагается динамограмма (см. рис. 7.79, динамограмма 21).

В настоящее время в нефтяной промышленности при техни­ ческой диагностике ШСНУ широкое распространение получи­ ли микропроцессоры.

Существует множество видов оборудования для диагности­ ки и контроля за работой ШСНУ на базе микропроцессорных систем.

Так, например, фирма «АТК» (г. Пермь) [21] предлагает сис­ тему, состоящую из стандартного геликсного динамографа, дат­ чика давления и перемещения, который соединен со вторичны­ ми приборами, предназначенными для хранения и первичной обработки информации, а также для передачи этой информации в ЭВМ для обработки и анализа полученных данных. Фирма поставляет также программное обеспечение, позволяющее оп­ ределить до 14 параметров системы «пласт — скважина — уста­ новка», такие как: динамический уровень, дебит скважины, на­ грузка в точке подвеса колонны штанг, коэффициенты подачи и наполнения насоса и некоторые другие. Однако при всех своих достоинствах этот способ динамометрирования имеет свои не­ достатки. К ним в первую очередь относиться необходимость остановки станка-качалки для монтажа динамографа, подвеска полированного штока на специальном зажиме, ручной монтаж и демонтаж динамографа между траверсами канатной подвески станка-качалки, невозможность телемеханизации процесса ди­

намометрирования.

Подобное оборудование используется фирмой Dynapump (США) [21]. В этой системе геликсный динамограф заменен на электронные датчики давления, а персональный компьютер мак­ симально приближен к скважине для оперативной обработки и анализа информации, а также выдача рекомендации по даль­ нейшей эксплуатации данной скважины. Система в целом мо­ бильна и имеет ряд преимуществ перед ранее известными.

К недостатком этой системы относится невозможность те­ лемеханизации процесса диагностирования. Система фирмы «Dynapurnp* является усовершенствованной моделью систе­

мы фирмы «Nabra Согр» (США), которая была создана ранее для фирмы «Shell» (США). Как уже было отмечено, одним из основных недостатков всех рассмотренных систем диагности­ ки работоспособности 111СНУ является невозможность теле­ механизации процесса диагностики. Этого недостатка лише­ ны системы, разработанные фирмами «Mobil Oil Со» (США), «DELTA-Х» (США), «Baker САС» (США) [21, 30]. Система ди­ агностики включает датчик нагрузки на колонне штанг, систе­ му сбора данных и каналы от конечных устройств к ЭВМ. Си­ стема состоит из центрального, обрабатывающего информацию, комплекса и полевых компьютеров, обслуживающих группы скважин.

Оценка технического состояния ШСНУ проводится по ре­ зультатам последовательных замеров определенных параметров работы. Система применяется не только для диагностики, но и для оптимизации режима работы установок, анализа нагружен­ ное™ колонны насосных штанг, работы станка-качалки и его уравновешенности.

Другая система диагностирования ШСНУ разработана французкой фирмой «CIMSA» [21, 30] на базе микрокомпьютера «SYSTEP» и состоит из трех главных частей:

—локальная система отбора и обработки данных;

—центральная (диспетчерская) система;

—система связи.

Локальная система сбора данных выполняет следующие опе­ рации:

—снятие и хранение динамограмм;

—связь с диспетчерской.

Локальная система не проводит диагностику, она передает следующие данные в центральную:

—полную динамограмму скважины;

—технологический номер скважины;

—минимальные и максимальные значения нагрузки. Диагностика скважины в центральной диспетчерской проис­

ходит на ЭВМ с участием оператора. Преимущество системы в том, что она позволяет управлять как одной скважиной, так и группами скважин.

Данная система включает в себя первичные датчики усилия, размещенные на траверсах канатной подвески СК, и углового

перемещения, размещенного в подшипнике опоры балансира СК. Отличительной особенностью данной системы от предшествую­ щих является постоянный контроль и анализ основных пара­ метров работы системы «пласт — скважина — оборудование» с помощью ЭВМ.

Система фирмы BAKER(CLUA) типа ROD PUM P CONTRROLLER MODEL 8500 [21] предназначена только для наблюдения предельных величин нагрузки и состояния обору­ дования включено (отключено).

К преимуществу данной системы можно отнести:

—снижение эксплуатационных расходов;

—простота в эксплуатации;

—экономия электроэнергии.

Американская фирма «Technical Oil Tool Corporation» (ТОТСО) [38] выпускает автоматические системы контрольно-измеритель­ ной аппаратуры для нефтегазодобывающих установок. Новая система «Datakc» для контроля, измерения и управления добы­ чей, а также для сбора и обработки данных, о работе промысло­ вой установки состоит из полевой станции, системы связи и центральной станции сбора и обработки данных. Полевая стан­ ция включает в себя дистанционный терминал, представляю­ щий собой микрокомпьютер, который выполняет операции кон­ троля, измерения, связи и управления на месте промысловой установки. На терминал поступает сигнал с аналоговых, диск­ ретных и частотных датчиков, доступные для обслуживающего персонала на месте установки, ежедневно автоматически или при поступлении соответствующей команды передаются на цен­ тральную станцию обработки данных.

КОМПАНИЯ «ЭХОМЕТР» (США) [21, 30] предлагает комп­ лексную систему исследования работы скважин SPE-24060. Для количественного динамометрического анализа необходимы дан­ ные высокой степени точности, для получения которых требует­ ся использование калиброванного датчика.

Отслеживание движения полированного штока может осуще­ ствляться несколькими способами. Традиционно, положение полированного штока регистрируется вращательно-перемещаю- Щимся датчиком. Преимущество этой системы состоит в высо­ кой скорости обработки данных компьютером и чувствительно­ сти к ускорению датчика нагрузки.

Последнее возможно благодаря использованию очень ком­ пактного акселерометра на интегральной схеме, который встро­ ен в элемент измерения нагрузки. Таким образом необходим только один кабель для соединения компьютера и датчика нагрузки/ускорения.

Скорость движения полированного штока определяется пу­ тем интегрирования сигнала ускорения, а повторное интегриро­ вания дает значение положения полированного штока как фун­ кции времени. В системе используется датчик нагрузки на по­ лированном штоке (ДПШ) для быстрого и легкого получения динамометрических показателей. Датчик устанавливается и об­ служивается одним оператором. С помощью зажима датчик кре­ пится к полированному штоку и фиксирует необходимые для динамометрирования значения положения и нагрузки. В прибо­ ре используется чувствительный измеритель нагрузки напряже­ ния для получения информации о нагрузке и акселерометр для получения информации о положении.

Американская корпорация «Дельта-Х» предлагает систему DDI-01, представляющую собой динамометрический анало­ говый интерфейс данных, который подсоединяется к любому IBM-совместимому компьютеру. Система принимает анало­ говые сигналы от датчиков нагрузки, положения и тока и пре­ образует их для компьютера. Датчик нагрузки имеет подково­ образную форму, датчик тока двигателя относится к типу Хо­ мутовых [21, 30].

В последнее время большое количество российских фирм занимается разработкой и внедрением систем диагностики ра­ боты скважинных штанговых насосов. Среди них необходимо отметить систему диагностики насосных установок СДНУ-ЗМ (разработчик — РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина), аппар- тно-программный комплекс динамометрирования скважин «Квантор» (г. Набережные Челны), электронный динамограф M S-117 (фирма Маркетинг-Сервис, г. Набережные Челны), динамограф СИДДОС (фирма «СИАМ» г. Томск), комплекс диагностики скважин «КДС-П» (ПермНИПИнефть, г. Пермь), комплекс диагностики станков-качалок «Омега» (АОЗТ «Вол­ жское конструкторское бюро», г. Самара) и другие. Практи­ чески все они основаны на анализе динамограмм, которые сни­ маются с помощью тензометрических датчиков нагрузки и дат­