Подача штанговой скважинной насосной установки

Определение нагрузок на штанги и станок-качалку. Выбор электродвигателя станка-качалки.  Подача насоса. Факторы, влияющие на подачу штангового скважинного насоса

Определение нагрузок на штанги и станок-качалку

Колонна насосных штанг работает в очень сложных условиях. На штанги действуют большие (до 150 кН), переменные, асимметричные нагрузки. В верхней части штанг они носят пульсирующий характер, а в нижней — знакопеременный. Боковая поверхность штанг вследствие искривленности скважины трется о внутреннюю поверхность НКТ и изнашивается. Коррозионно-активная среда  и абразивные примеси (песок) приводят к износу штанг, заклиниванию плунжера.

Также возможно воздействие повышенной температуры, особенно при применении тепловых методов повышения нефтеотдачи.

В точке подвеса штанг действуют следующие нагрузки:

- статические (или постоянные) Рст;

переменные нагрузки — динамические (инерционные Рин и вибрационные Рвиб) и силы трения Ртр.

В зависимости от некоторых технологических характеристик работы ШСНУ различают статический и динамический режим ее работы.

Для статических режимов работы установки динамические составляющие в общей нагрузке, действующей на колонну штанг, являются небольшими и не оказывают значительного влияния на работу всей системы.

Если же динамические составляющие существенны по величине, они приводят к значительным отличиям в работе ШСНУ.

 Режимы работы установки, при которых динамические составляющие существенны, называются динамическими.

Совместное действие этих нагрузок обусловливает в точке подвеса штанг максимальные при ходе вверх (в) и минимальные при ходе вниз (н) нагрузки.

Статические нагрузки обусловлены весом штанг в жидкости Р¹шт и весом поднимаемого столба жидкости Рж. При ходе вверх статическая нагрузка

                      Рст(в) = Р ¹шт + Рж                          (5.3)

При ходе вниз нагнетательный клапан открывается, нагрузка Рж снимается со штанг и передается на трубы, так как связанный с ними всасывающий клапан закрыт.

Тогда статическая нагрузка на штанги при ходе вниз

                  Рст(в)  = Р ¹шт                                      (5.4)

При работе ШСНУ штанги постоянно находятся в жидкости. На них действует выталкивающая архимедова сила.

Тогда вес штанг в жидкости:

           Р ¹шт = Ршт·bарх

где Ршт — вес штанг в воздухе; bарх — коэффициент, учитывающий архимедову силу или потерю веса штанг в жидкости:

              bарх = 1 -   f_ш (Рт -  Р₀) / Ршт

где    f_ш — площадь сечения штанг; Рт — давление жидкости в трубах над плунжером;

 Р₀ — атмосферное давление.

Инерционные нагрузки обусловлены ускорением колонны штанг при изменении движения вверх и вниз и инерцией столба жидкости в момент начала ее движения.

Вибрационные (колебательные) нагрузки вызваны тем, что колонна насосных штанг совершает вынужденные колебания, которые придает ей станок-качалка.

Инерционные и вибрационные нагрузки вызваны движением колонны штанг, поэтому их сумму называют динамическими нагрузками. Они возникают при больших числах качаний и большой глубине спуска насоса.

2. Выбор электродвигателя станка-качалки

Приводом станков-качалок служат короткозамкнутые асинхронные во влагоморозо-стойком исполнении трехфазные электродвигатели серии АО и их модификации с повышенным пусковым моментом АОП, а также электродвигатели серии А02 и их модификации АОП2, которые имеют более высокий КПД и надежнее в эксплуатации. Электродвигатели имеют частоту вращения 1500 и 900 мин-1, отношение пускового момента к номинальному 1,8— 2, отношение максимального момента к номинальному 2,2-2,8.

Выбирают электродвигатель по необходимой мощности.

Необходимая мощность электродвигателя (в кВт) рассчитывается по формуле Д.В. Ефремова:  

          N = А ·0,401 • 10 ^-4 π D² S· п · р_см ·L ·Kу · ()1- η_н ·η_ск / η_н ·η_ск  + α)

где d — диаметр плунжера насоса, м;

  п — число качаний в минуту;

 рсм — плотность смеси, кг/м 3;

 S — длина хода плунжера;

 L — высота подъема жидкости (расстояние от устья до динамического уровня);

 Ку — коэффициент уравновешенности (для балансирных СК Ку = 1,2);

η_н — КПД насоса (η_н = 0,9); η_ск — КПД СК (η_ск = 0,82);

 α — коэффициент подачи насоса.

 

По таблице выбирается стандартный электродвигатель.

 

Подача штанговой скважинной насосной установки

Рассмотрим схему плунжерного насоса, представленную на рисунке 5.16. Перемещение плунжера осуществляется между нижней мертвой точкой (НМТ) и верхней мертвой точкой (ВМТ) и характеризуется величиной, называемой длиной хода плунжера S  .

                                

Рис. 5.16. Принципиальная схема плунжерного насоса:

1 — цилиндр; 2 — плунжер; 3 — всасывающий клапан; 4 — нагнетательный клапан; 5 — колонна НКТ; 6 — колонна штанг

Наружный диаметр плунжера  принимается равным внутреннему диаметру цилиндра. При ходе плунжера вверх нагнетательный клапан 4 закрывается под действием веса столба продукции скважины, находящейся в колонне НКТ 5. В цилиндре насоса 1 давление снижается, и в определенный момент всасывающий клапан 3 открывается; продукция скважины поступает в цилиндр насоса. Ход плунжера из НМТ до ВМТ называется тактом всасывания.

При ходе плунжера вниз (от ВМТ до НМТ) давление в цилиндре насоса повышается, всасывающий клапан 3 закрывается, и в определенный момент времени открывается нагнетательный клапан 4. Продукция из цилиндра насоса 1 перетекает через плунжер 2 в надплунжерное пространство. Ход плунжера из ВМТ до НМТ называется тактом нагнетания.

Таким образом, за один насосный цикл «ход вверх — ход вниз»  происходит откачивание объема  продукции.

                       

 

Одним из главных параметров, характеризующих работу скважины, оборудованной ШСНУ, является суточная подача (дебит).

При расчетах используют теоретическую и фактическую подачу насоса.

Теоретическую подачу для расчетов могут брать минутную, часовую и суточную.

Теоретическая подача минутная - Q = k·  ,           

где D - диаметр плунжера, м;

S - длина хода плунжера, м;

п - число двойных качаний в минуту.

При k = 1 подача минутная, при k = 60 - часовая, при k = 1440 - суточная.

Поэтому

Теоретическая подача часовая  - Q = 60 ·  ,       

 

Теоретическая подача суточная -   Q = 1440 ·  ,           

 

Однако в действительности фактическая подача меньше теоретической.

Потери жидкости в скважинном насосе характеризуются коэффициентом подачи насоса η или α, представляющим собой отношение фактической суточной подачи насоса Q_Ф к теоретической Q_T:

                                                                            

 

4. Факторы, влияющие на подачу штангового скважинного насоса

К основным факторам, определяющим коэффициент подачи установки, можно отнести: деформацию штанг и труб, усадку жидкости, степень наполнения насоса жидкостью и утечки жидкости. Характеризуя влияние этих факторов соответствующими коэффициентами и учитывая независимость их действия, записывают

                        α = α_д· α_ус ·β_н · α_ут

1. Степень наполнения насоса характеризуется коэффициентом наполнения скважинного насоса — β.  Коэффициентом наполнения насоса β называется отношение объема жидкости, поступившей в цилиндр насоса, ко всему объему смеси, состоящей из объема жидкости и объема свободного газа.

2. Упругие деформации штанг и труб, приводящие к разности между длиной хода полированного штока и длиной хода плунжера, характеризуемые коэффициентом α_д

3. Усадка жидкости характеризуется коэффициентом усадки α_ус, учитывающим объемные свойства продукции скважины. Цилиндр насоса заполняется жидкостью при температуре и давлении на приеме насоса (в скважине). На поверхности жидкость дегазируется и охлаждается, ее объем уменьшается, т.е. происходит усадка жидкости.

4.В процессе работы ШСНУ возможны утечки жидкости через зазор между цилиндром и плунжером насоса (плунжерная пара), в клапанах насоса вследствие их износа, коррозии и частично немгновенного закрытия и открытия клапана, а также через неплотности муфтовых соединений НКТ. Эти утечки учитываются коэффициентом утечек α_ут