Разработка и эксплуатация нефтяных месторождений

Рис. 9.3. Изменение подачи штангового насоса во времени

где Вр— стоимость предупредительного ремонта; Вэ — затраты на скважино-сутки эксплуатации скважины, исключая Вр. Раз­ делив уравнение (9.12) на теоретическую подачу QT, запишем выражение текущего коэффициента подачи

а птек = ОСп^ 1— ^ > (9-14)

где ап — начальный коэффициент подачи, рассчитанный выше. Тогда можно записать оптимальный конечный коэффициент по­ дачи перед предупредительным подземным ремонтом (для оста­ новки скважины)

и средний — за межремонтный период

Анализ показывает, что при Вр/Вэ 7,П п<0,12 допустимая сте­ пень уменьшения подачи за межремонтный период составляет 15—20 %, а при очень больших значениях Вр/Вэ Тпрп она при­ ближается к 50 %. Увеличения экономической эффективности эксплуатации можно достичь, в частности сокращением Вэ, 5 Р, а также своевременным установлением момента ремонта сква­ жины. В последнем случае необходимо располагать текущими значениями дебита, что обеспечивается использованием средств автоматизации измерения дебита.

§9.3. НАГРУЗКИ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА НАСОСНЫЕ ШТАНГИ,

ИИХ 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 пере­ менные, асимметричные (в верхней части штанг носят пульси­ рующий характер, в нижней — знакопеременный); в) боковая поверхность штанг вследствие искривленности скважины трется о внутреннюю поверхность НКТ и изнашивается; г) наличие коррозионно-активной 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 нефте­ отдачи.

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 нагрузки

Статические нагрузки обусловлены весом штанг в жидкости Я'шт 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 статиче­ ская нагрузка

(9.19)

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

(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

h — погружение насоса под динамический уровень; р3атР— сред­ няя плотность жидкости в затрубном пространстве; р'затр—Дав­

Инерционные нагрузки

Инерционная сила равна произведению массы тела на его ус­ корение. Движущиеся массы — это колонна штанг 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. Им­ пульс силы прикладывается к штангам в точке подвеса при переходе через мертвую точку. Вдоль колонны он распространя­ ется не мгновенно, а со скоростью звука в металле vM, и дости­ гает нижнего конца штанг с опозданием. За это время криво­

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 ско­ ростью звука в жидкости иж. Поскольку им^5000 м/с, уж~1400 м/с (негазированная вода), то действие силы инер­ ции жидкости очень запаздывает. Ввиду сложности учета этих упругих процессов обычно принимают, что масса штанг сосре­ доточена у головки балансира (завышается Р„н), и отбрасывают инерцию столба жидкости (занижается Рин). Предполагается, что эти две неточности компенсируют друг друга. Тогда опре­ деляя выражение максимального ускорения по приближенной

Инерционные и вибрационные нагрузки вызваны движением колонны штанг, поэтому их сумму называют динамическими на­ грузками. Обычно динамические нагрузки не превышают 5— 10 % ОТ Р'шт+ Яж.

Силы трения

Выделяют следующие силы трения.

1. Силы механического трения штанг и труб Ятрм. Сила тре­ ния направлена вдоль поверхности соприкосновения в сторону, противоположную движению, и равна произведению коэффици­ ента трения на силу нормального давления, которая прижимает тело к опоре. Тогда с учетом действующей на штанги статиче­

где а3 — средний зенитный угол отклонения ствола скважины от вертикали (угол искривления скважины); Ст— коэффициент трения штанг о трубы, принимаемый значения в зависимости от вязкости и обводненности нефти в пределах 0,1—0,7 (обычно 0,15—0,25). Более точную формулу с учетом разной кривизны участков ствола скважины предложил Ю. А. Песляк, которую экспериментально проверил А. X. Шарипов.

Силу Ртрм следует учитывать в скважинах с отклонением ствола по вертикали более 5°, по азимуту — более 4я и при ста­ тической нагрузке более 50 кН. В этих условиях Ртр м> 1 кН. Больших значений (до 10—15 кН) сила Ртрм может достигать в искривленных или наклонно направленных скважинах. Эта сила распределена по длине штанг и труб.

2. Сила трения плунжера о стенки цилиндра насоса Ятрпл. Теоретически определить эту силу сложно. А. Н. Адонин реко­ мендовал ее определять по эмпирическим формулам В. И. Сер­ дюка в зависимости от диаметра плунжера и зазора между плунжером и цилиндром. Она, принимается равной для всей длины хода (трения покоя и скольжения), одинаковой для хода вверх и вниз, может достигать 2—3 кН. При наличии песка в от­ качиваемой жидкости, отложений парафино-смолистых веществ в зазоре плунжерной пары сила ЯтРпл существенно увеличива­

носительного движения штанг и жидкости. Тогда согласно прин­

ципу относительности движения (жидкости в трубе или трубы относительно неподвижной жидкости) сила трения

(9.33)

где ДрТ — потери давления на трение, определяемые прибли­ женно по формуле Дарси — Вейсбаха, в которой в качестве диа­ метра принимается диаметр штанг, а коэффициент гидравличе­ ского сопротивления вычисляется в зависимости от критерия Рейнольдса как функции скорости относительного движения штанг и жидкости, диаметра штанг и кинематической вязкости жидкости (более точные формулы предложили А. М. Пирвердян, А. Р. Каплан). Сила РТ г при ходе вверх значительно меньше, чем при ходе вниз (меньше скорость движения). При ходе штанг вниз сила трения РТ г направлена вверх, т. е. под­ держивает штанги. При ходе штанг вверх она направлена вниз, если F<FTPi или вверх, если F>FTV, где FTр — площадь проход­ ного сечения труб. Сила Ртрг также распределена по длине. Обычно эта сила не превышает 5 % от веса штанг.

Сила гидродинамического трения больших значений может достигать в скважинах, дающих высоковязкую жидкость. Она может быть столь большой, что при ходе вниз происходит «за­ висание» штанг в жидкости, отставание в движении устьевого штока от движения головки балансира с последующим резким ударом, что приводит к обрыву канатной подвески или штанг.

ниями при движении жидкости в трубах, Ртрт. Она увеличи­ вает давление жидкости на плунжер и равна произведению по­ терь давления на трение в трубах и площади сечения плунжера. Эта сила сосредоточена у плунжера. Ее можно принимать рав­ ной при ходе штанг вверх и вниз.

Таким образом, силы трения действуют в направлении, про­ тивоположном направлению движения штанг, и при ходе штанг вверх увеличивают нагрузку в точке подвеса штанг, а при ходе вниз — уменьшают ее соответственно на величины:

где знак «±» берется в зависимости от соотношения F и FTP (см. выше). Сумма сил трения, приведенная к низу штанг, при ходе вверх и вниз с учетом их линейного распределения и на­ правления составляет:

Расчетные формулы для определения экстремальных нагрузок на штанги

На штанги действуют статические, инерционные, вибрационные нагрузки и силы трения. Для расчета экстремальных (макси­ мальных при ходе вверх и минимальных при ходе вниз) нагру­ зок в настоящее время нет универсальной методики, в которой были бы учтены все составляющие усилия. Их учитывают в за­ висимости от параметра динамического подобия (критерия Коши), представляющего собой отношение частоты вынужден­ ных колебаний, вызванных станком-качалкой, к основной ча­ стоте собственных колебаний:

со _ toL

vJL v„

(9.39)

Параметр срд характеризует интенсивность вынужденных ко­ лебаний штанг. В зависимости от значения < д различают два режима работы ШСНУ: а) статический при фд^ ф кр; б) дина­ мический при ф д > ф к Р, где ф К р — критическое значение критерия Коши, которое принимается в зависимости от диаметра насоса:

При вычислении фд следует принимать vMравным 4600 для одноразмерной колонны, 4900 — для двухступенчатой и 5300 м/с — для трехступенчатой. При статическом режиме пре­ обладают статические нагрузки.