Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 [ 50 ] 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

пара), в клапанах насоса вследствие их износа, коррозии и частично немгновенного закрытия и открытия, й также через неплотности муфтовых соединений НКТ. В отличие от рассмотренных выше факторов утечки жидкости являются переменными, изменяющимися во времени. Утечки через зазор плунжерной пары можно определить расчетным путем только на начальный период, например, по формуле Буссинеска, рассматривая круговой зазор как плоскую щель. А. М. Пирвердян путем решения дифференциального уравнения неустановившегося движения* вязкой жидкости предложил формулы для определения расхода утечки дут с учетом эксцентриситета расположения плунжера в цилиндре и движения плунжера при ламинарном и турбулентном режимах. В результате было установлено, что расход ут прямо процорционален кубу размера зазора б, диаметру насоса, перепаду давлений над и под плунжером и обратно пропорционален кинематической вязкости жидкости и длине щели. Утечки уменьшаются с увеличением 5пл и-/г, а также с уменьшением эксцентриситета плунжера в цилиндре. Так как утечки через зазор плунжерной пары происходят только при ходе плунжера вверх (в течение половины времени работы насоса), то при расчете Оут следует принимать-7ут=0,57ут.

Оптимальный коэффициент подачи насоса

Поскольку в процессе работы насоса возрастают утечки жидкости, то соответственно уменьшаются коэффициенты Оут и Оп, а также подача. Уменьшение подачи во времени А. Н. Адонин представил уравнением параболы (рис. 9.3)

(9.12)

С.ек=СГ1-(--Л-)"-1 L \ J прп / J

где Qxeu - текущая подача в момент времени t после очередного ремонта; Q - начальная подача нового (или отремонтированного) насоса; Гпрп - полный период работы скважины до прекращения подачи (если причина прекращения подачи -износ плунжерной пары, то Гпр п означает полный возможный срок службы Насоса); гПп - показатель степени параболы, обычно равный двум.

Продолжительность цикла работы скважины tц равна сумме продолжительностей межремонтного периода (работы насоса) и ремонта скважины tp (см. рис. 9.3). Продолжительность оптимального межремонтного периода /мопт А. Н. Адонин рекомендует определять по критерию минимальной себестоимости /м ст добычи нефти за цикл:

1,5Г:

(9.13)

Рис. 9.3. Изменение подачи штангового насоса во времени

где Bp -стоимость предупредительного ремонта; Вэ - затраты на скважино-сутки эксплуатации скважины, исключая Bp. Разделив уравнение (9.12) на теоретическую подачу Qr, запишем выражение текущего коэффициента подачи

а„.ек=апГ1-Г--Г-1. (9.14)

где Оп -начальный коэффициент подачи, рассчитанный выше. Тогда можно записать оптимальный конечный коэффициент подачи перед предупредительным подземным ремонтом (для остановки скважины)

аГк = а„Г1-Г-Т"1 (9.15)

\ i прп /оптJ

И Средний - за межремонтный период

„опт 1 г „ Спер ==-~-,1 «птек м О

4t = an

\ прп /оптJ

Анализ показывает, что при Вр/Вэ 7прп<:0,12 допустимая степень уменьшения подачи за межремонтный период составляет 15-20 %, а при очень больших значениях Вр/Вэ Гпрп она приближается к 50 %. Увеличения экономической эффективности эксплуатации можно достичь, в частности сокращением Вэ, Bp, а также своевременным установлением момента ремонта скважины. В последнем случае необходимо располагать текущими значениями дебита, что обеспечивается использованием средств автоматизации измерения дебита.

§ 9.3. НАГРУЗКИ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА НАСОСНЫЕ ШТАНГИ, И ИХ РАСЧЕТ. ДЕЙСТВИТЕЛЬНАЯ ДЛИНА ХОДА ПЛУНЖЕРА. РАСЧЕТ КОЛОННЫ НАСОСНЫХ ШТАНГ. УРАВНОВЕШИВАНИЕ СТАНКОВ-КАЧАЛОК

Колонна насосных штанг работает в очень сложных условиях: а) действуют большие нагрузки (до 150 кН); б) нагрузки переменные, асимметричные (в верхней части штанг носят пульсирующий характер, в нижней - знакопеременный); в) боковая поверхность штанг вследствие искривленности скважины трется о внутреннюю поверхность НКТ и изнашивается; г) наличие коррознонно-актнвной среды (минерализованная вода, H2S, СО2) и абразивных примесей (песок), что приводит к износу штанг, заклиниванию плунжера; д) повышенная температура, особенно при применении тепловых методов повышения нефтеотдачи.

Виды нагрузок

Динамика работы ШСНУ очень сложна, поэтому существует несколько приближенных теорий ее описания. Считается, что в точке подвеса штанг действуют нагрузки: а) постоянные или статические Рст; б) переменные - инерционные Рин, вибрационные Рвиб нагрузки и силы трения Ртр. В общем виде нагрузки в точке подвеса штанг при ее ходе вверх (в) и вниз (н) будут:

PB = PcT(B) + (PH„(B)-bPBH6(B)-f Ртр(в)); (9.17)

Рн = Рст (И)-(Рин (н) + Рвив(н) + Ртр(н)). (9.18)

Статические нагрузки

Статические нагрузки обусловлены весом штанг в жидкости Ршт и весом поднимаемого столба жидкости Рж- Примем, что в точке подвеса штанг действуют только статические нагрузки. Это допустимо при очень медленном движении точки подвеса штанг. Силами трения пренебрегаем. При ходе вверх статическая нагрузка

Рст(в) = Ршх + ж. (9.19)

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 при ходе вниз

Рст(н) = Ршт. (9.20)

Штанги при работе ШСНУ постоянно находятся в жидкости. На верхний торец штанг действует атмосферное давление ро, а на нижний - давление в трубах над плунжером рт (поскольку

штанги конструктивно сочленены с плунжером с помощью клапанной клетки). Тогда с учетом выталкивающей архимедовой силы

Ршт - Ршт /ш [Рт-Ро) ~ Рц

1 fmiPr - Pa)

РштЬарх. (9.21)

где Ршт -вес штанг в воздухе; /ш - площадь сечения штанг; Оарх - коэффициент, учитывающий потерю веса штанг в жидкости (коэффициент плавучести штанг):

fm (Рт - Ро)

Ьарх=1

(9.22)

Так как рр+р+р-р, px = 9mgL, Pui. = pcgLfui, то

bgpx = 1 - (P»g + Pi-\- Рз - Pi - Pa) J Рж Л ,

+ P + P-P*-Poy (9.23)

где pi - гидростатическое давление столба жидкости в трубах; Рг -давление на устье (выкиде) скважины (обычно задается из условия сбора и подготовки продукции); рз -потери давления на трение жидкости в трубах при движении плунжера вверх; Р4 - давление разгрузки в результате газлифтного эффекта, т. е. выполнения подъемной работы энергией расширения выделяющегося из нефти газа; рж, рс -плотность (средняя) соответственно жидкости в трубах и материала штанг (стали); g-ускорение свободного падения; L - длина штанг или глубина подвески насоса. Поскольку Pi> (p2-f рз-Р4-ро), то обычно принимают

(9.24)

Если имеется расчетное значение Рт, то Ьарх= 1-рсм/рс где рсм= (Pt-P2)/(L/)-плотность газожидкостной смеси в НКТ. Нагрузка P« обусловлена разницей давлений жидкости над ГРт) и под (Рвсц) плунжером насоса:

Рж = F (рт- Рвсц) = F [рт-(Рпр-Арклв)], (9.25)

где Рвсц=Рпр-Арклв; Рпр - давление на приеме насоса:

Рпр = hpaarpg + Рзатр-, (9.26)

Арвс ц - потери давления во всасывающем клапане (местном сопротивлении) при перетоке жидкости в цилиндр насоса при ходе плунжера вверх (определяется по формуле Борда):

Арклв =

max 21.L

(9.27)

h - погружение насоса под динамический уровень; рзатр-средняя плотность жидкости в затрубном пространстве; рзатр-давление газа в затрубном пространстве на уровне жидкости; Vrrnx - максимальная скорость движения смеси (жидкости и газа) в седле клапана; Цкл - коэффициент расхода клапана, определяемый в зависимости от числа Рейнольдса для потока смеси в седле клапана.

Инерционные нагрузки

Инерционная сила равна произведению массы тела на его ускоренна Движущиеся массы - это колонна шГанг и жидкость в трубах. Поэтому инерционные нагрузки включают нагрузки, обусловленные ускорением колонны штанг в верхней и нижней мертвых точках и инерцией столба жидкости в момент начала ее движения.

Колонна штанг представляет собой упругий стержень. Импульс силы прикладывается к штангам в точке подвеса при переходе через мертвую точку. Вдоль колонны он распространяется не мгновенно, а со скоростью звука в металле Vk, и достигает нижнего конца штанг с опозданием. За это время кривошип успевает повернуться на некоторый угол и вызывает в точке подвеса ускорение, меньшее максимального, которое возникает в мертвой точке. Плунжер создает импульс силы на столб жидкости, находящейся над ним. В столбе жидкости этот импульс силы распространяется как в упругой системе со скоростью звука в жидкости Уж. Поскольку УмБООО м/с, VmCl400 м/с (негазированная вода), то действие силы инерции жидкости очень запаздывает. Ввиду сложности учета этих упругих процессов обычно принимают, что масса штанг сосредоточена у головки балансира (завышается Рнн), и отбрасывают инерцию столба жидкости (занижается Рин). Предполагается, что эти две неточности компенсируют друг друга. Тогда определяя выражение максимального ускорения по приближенной методике, записывают

ИН (в, и) =

• «в (н) =

РIIIT

в(н)

30". 2

-j-) = Pm.m, (9.28)

где а,

1 ±-j--ускорение (максимальное) точки

подвеса штанг в начале хода вверх (вниз); и = яп/ЗО - угловая скорость вращения кривошипа: г -длина кривошипа; /-длина

шатуна; m„= 306

в(н)

ктор динамичности

(характеризует соотношение максимального ускорения точки подвеса штанг и ускорения свободного падения). Знак «-» принимается в верхней мертвой точке (при ходе вниз), а знак « + » - в нижней мертвой точке (при ходе вверх). Так как /Ид 0,05-0,12, то инерционная нагрузка составляет 5-12% веса штанг в воздухе. А. С. Вирновский получил более точное выражение:

/Ид = 0,5ав („)т« (а („> - 2 --j

(9.29)

где ав(н), ав(н) - кинематические коэффициенты; m - sjotSlg ; \) = Хш/(Х™-)-Хт); Ki, К - упругие деформации штанг и труб, обусловленные гидростатической нагрузкой Рж-

Вибрационные нагрузки

Колонна насосных штанг совершает вынужденные колебания, которые придает ей станок-качалка, с периодом Гв = 60/п с/цикл. В штангах возникают также собственные колебания под действием ударного приложения и снятия гидростатической нагрузки Рж на плунжер. В течение двойного хода на штанги действуют два импульса нагрузки Р»: 1) при начале хода плунжера вверх, когда нагнетательный клапан закрывается и нагрузка Рж воспринимается штангами; 2) при начале хода вниз, когда нагнетательный клапан открывается и нагрузка Рж передается на колонну НКТ. От этих импульсов по штангам распространяется волна напряжений со скоростью звука в металле. Волна напряжений при ходе штанг вверх, распространяясь снизу вверх и достигая точки подвеса, увеличивает нагрузку. Отражаясь от концов колонны штанг, волны периодически возвращаются к точке подвеса. Дополнительная нагрузка, обусловленная ими, вследствие рассеивания их энергии (трение штанг о жидкость, внутреннюю поверхность НКТ) со временем убывает. Аналогичный процесс происходит при ходе штанг вниз. Последующие импульсы нагрузки Рж также вызывают затухающие волны напряжений. Такие колебания, называемые вибрационными, вызывают дополнительные нагрузки на штанги.

Время приложения и снятия нагрузки Рж мало.по сравнению с периодом собственных колебаний колонны штанг Гс = = 4L/y„. Поэтому А. С. Вирновский использовал теорию Б. Сен-Венана, описывающую продольные колебания при ударе по призматическому стержню, и получил выражение вибрационной нагрузки:

Рвнб (в, в) = «в (Юа y\Jifl

(н)-

РштР»

(9.30)