ПРОЕКТИРОВАНИЕ ШТАНГОВОЙ НАСОСНОЙ УСТАНОВКИ

В процессе эксплуатации нефтяного месторождения меня­ются условия работы отдельных скважин. Продукция обводня­ется, пластовое давление снижается, увеличивается приток газа, снижается дебит, понижается уровень жидкости. Однако не всегда удается выбрать оборудование, в том числе и станок-качалку, которое наилучшим образом соответствовало бы сло­жившимся в данный момент условиям. Станок-качалка остается на весь период насосной эксплуатации, так как его замена свя­зана с переделкой фундамента и сопряжена с другими большими трудностями. Рассчитывается насосная установка и главным образом СК на наиболее тяжелые условия работы, которые мо­гут возникнуть в течение эксплуатации скважины,— пуск штан­говой насосной установки после глушения скважины тяжелой жидкостью при ее ремонте. В этом случае нагрузки на штанги и на головку балансира будут наибольшими. Однако при экс­плуатации и ремонте на скважине тяжелые штанги, необходи­мость в которых может возникнуть в период освоения, могут быть заменены на другие, лучше отвечающие условиям от­качки чистой газированной нефти.

Расчет ШСНУ при откачке газированной жидкости наиболее сложен, поэтому остановимся на нем подробнее.

Будем исходить из того, что уравнение при­тока жидкости для данной сква­жины или индикаторная линия из­вестны, в противном случае какой-либо обоснованный инженерный расчет становится невозможным. Отбор жидкости из скважины дол­жен быть установлен, исходя из геологических условий, плановых заданий, недопущения разгазирования жидкости в пласте, появле­ния песка и других факторов. Если установлен отбор жидкости Q, то дальнейший расчет ведется сле­дующим образом.

1. По уравнению притока или по индикаторной линии определя­ется забойное давление, соответ­ствующее отбору жидкости Q.

2. Из точки, соответствующей принятому забойному давлению р_с, рассчитывается по шагам и стро­ится линия распределения давле­ния р(х) (рис. Х.19, кривая 1) «снизу вверх» для условия движе­ния по обсадной колонне жидкости с расходом Q при пластовом газовом факторе Го.

Расчет линии распределения давления р(х) может быть осу­ществлен по любой методике, описывающей процесс движения ГЖС в вертикальных трубах.

3. Если забойное давление больше давления насыщения, то до точки рнаспроводится прямая линия под углом, соответствую­щим градиенту давления негазированной жидкости плотностью, соответствующей термодинамическим условиям забоя. Выше точки р„_ас линия распределения давления р(х) строится по формулам, описывающим процесс движения ГЖС.

4. В процессе построения кривой распределения давления по шагам определяется расходное газосодержание β на каждом ин­тервале (шаге). По этим данным строится от забоя, или, если р_с>р_нас, от глубины, где ρ = р_нас, кривая распределения расход­ного газосодержания β(χ) (рис. Х.19, кривая 2) и одновременно кривая распределения приведенного газового фактора R(x) (рис. Х.19, кривая 3), т. е. зависимость газового фактора, при­веденного к данным термодинамическим условиям, от глубины.

Поскольку

(X.90)

то, решая (Х.90) относительно R, находим

(X.91)

Независимо от изложенного здесь способа построения зави­симости R(x) с помощью β можно тот же результат получить из формулы (Х.16), подставляя в нее различные значения дав­ления р_пр, заимствованные из имеющейся кривой распределения давления р(х], а также другие необходимые данные (Т, z, b_H, α, Г₀). Коэффициент сепарации т в формуле (Х.16) принимается равным нулю, так как рассматривается движение ГЖС в обсад­ной колонне.

5. На горизонтальной линии давлений, проведенной от устья скважины (см. рис. Х.19), откладывается устьевое давление ρ_γ, при котором продукция скважины будет поступать в нефтесборную сеть.

6. От устьевого давления р_у строится новая кривая распре­деления давления р(х) по методу «сверху вниз» для расхода жидкости, соответствующего дебиту скважины при выбранном диаметре НКТ, и для газового фактора с учетом сепарации на приеме насоса (рис. Х.19, кривая 4).

Следует отметить, что в штанговой насосной установке ГЖС движется по кольцевому зазору между НКТ и штангами. На­дежных методов расчета движения ГЖС для этих условий не существует, так как возвратно-поступательное движение штанг в потоке смеси, очевидно, будет влиять на скольжение газа, его относительную скорость, на потери давления на трение и т. д. Учесть все это затруднительно. Тем не менее можно рекомендо­вать рассчитывать этот процесс для трубы с фиктивным диа­метром, определяемым через гидравлический радиус кольце­вого сечения между внутренними стенками НКТ и наружной поверхностью штанг. Что касается скорости движения смеси, необходимой для расчетов р(х), то она должна определяться как частное от деления объема смеси при термодинамических условиях на данном шаге (интервале) на площадь кольцевого сечения. Расчет и построение кривой р(х) от точки ρ_Ύ ведется до глубины, соответствующей давлению насыщения р_пас.

Линия распределения давления от устья должна быть по­строена до такой глубины, при которой обе линии р(х), по­строенные сверху вниз (кривая 4) и снизу вверх (кривая 1), перекрывали бы друг друга на значительном диапазоне глубин, возможных для спуска насоса. Область перекрытия двух линий р(х) (заштрихованная область на рис. Х.19) и есть область воз­можных глубин спуска насоса.

7. Если насос спустить на глубину L_H, то пересечение гори­зонтали с кривой 1 (точка а) определит давление на приеме на­соса р_пр; пересечение с кривой 2 (точка с)—расходное газосодсржание на приеме насоса β_пр; с кривой 3 (точка d) —газовый фактор R_np, приведенный к условиям приема насоса; с ли­нией 4 — давление нагнетания p_H или давление на выкиде на­соса (точка е). Разница давления р_н — р_пр даст давление, раз­виваемое насосом. Зная давление р_н, можно определить на­грузку на штанги от столба жидкости р_ж= (р_н — p_np)F, где F — площадь плунжера. В данном случае противодавление на устье ρ_γ уже учтено построением кривой р(х) от точки р_у «сверху вниз».

8. Зная R(x), по формуле (Х.9) можно определить коэф­фициент наполнения насоса ηι и построить дополнительный гра­фик зависимости этого коэффициента ηι от глубины χ (рис. X.19, кривая 5). Она существенно облегчает выбор глубины под­вески насоса L_Н. В таком случае пересечение горизонтали с ли­нией 5 дает значение коэффициента наполнения насоса при его спуске на глубину L_Н (точка б).

9. Предварительно задаваясь наиболее вероятными значе­ниями остальных коэффициентов, влияющих на подачу насоса, такими как коэффициенты потери хода η₂, утечек η₃ и коэф­фициент усадки η₄, или делая их предварительные оценки для наиболее вероятных параметров откачки, определяем коэффи­циент подачи η = η₁ η₂ η₃ η₄

10. Оценив коэффициент подачи и зная дебит скважины, оп­ределяем возможные размеры насоса (площадь сечения плун­жера) и параметры откачки S и n. Для этого пользуемся фор­мулой (Х.2) с учетом (Х.З), в которую вместо Q_ф подставляется действительный суточный дебит скважины в объемных единицах при стандартных условиях.

Поскольку стандартных размеров насосов несколько, а пред­варительная оценка размера насоса по дебиту всегда может быть сделана, то практически достаточно определить параметры S и n только для трех ближайших размеров насосов.

11. Критерием правильности выбора штангового насоса и параметров откачки S, п, являются обеспечение отбора задан­ного количества жидкости и получение наименьших нагрузок на головку балансира. Однако вследствие износа деталей насоса и увеличения утечек необходимо расчетную подачу насоса не­сколько завышать: при частых подземных ремонтных на 10-15 %, при редких ремонтах на 5—10 %.

Задача выбора штанговой насосной установки многовариантна. Поэтому должны быть рассмотрены несколько вариан­тов. Следует иметь в виду, что подача изменением S и n (а также и F) может регулироваться ступенчато, так как суще­ствующие СК обеспечивают ступенчатое изменение S переста­новкой пальца кривошипа и ступенчатое изменение га сменой шкива на валу электродвигателя. Принятие наименьшей вели­чины F и наибольшей величины S всегда существенно умень­шает нагрузки на балансире СК. Поэтому из нескольких ком­бинаций S и n для трех стандартных вариантов F, обеспечивающих во всех случаях заданный отбор, следует выбрать тот, ко­торый обусловливает наименьшую нагрузку на головку балан­сира.

12. После установления размеров насоса, параметров от­качки и глубины подвески насоса можно приступить к расчету одноступенчатой или многоступенчатой колонны штанг, исполь­зуя известную номограмму Я. А. Грузинова или аналитические методы расчета. Процесс выбора насосных штанг и длин отдель­ных ступеней колонны облегчается благодаря наличию различ­ных таблиц, в которых заранее определены наивыгоднейшие раз­меры штанг и соотношения длин ступеней, исходя из принципа равнопрочности для насосов различного размера.

13. Типоразмер СК выбирается по максимальным нагрузке на головку балансира и крутящему моменту на валу редуктора, которые не должны превышать рекомендованные для данного СК и указанные в паспортной характеристике. Максимальная нагрузка на головке балансира определяется по формулам, при­веденным в § 4 настоящей главы. Максимальный момент на валу кривошипа определяется следующим образом. Для пра­вильно уравновешенного СК из всех сил, действующих на го­ловку балансира, уравновешенными с помощью контргрузов (балансирных, роторных или комбинированных) являются сила веса штанг в жидкости и половина веса столба жидкости, т. е. Рщ + Рт/2. Неуравновешенной силой при ходе вверх и вниз оста­ется сила Рж/2. Умножая эту силу на длину переднего плеча ба­лансира k₁, согласно паспортной характеристике СК получим крутящий момент

(Х.92)

Для преодоления сил трения в подвижных сочленениях СК также нужно затратить энергию, т. е. приложить на валу криво­шипа дополнительный момент.

Тогда расчетный момент

(Χ.93)

М еханический к. п. д. станка-качалки может быть опреде­лен так:

(Х.94)

где в числителе — крутящий момент, расходуемый на соверше­ние полезной работы, а в знаменателе — полный крутящий мо­мент с учетом сил трения. Из (Х.94) следует

(Х.95)

Поэтому расчетный момент па валу редуктора или криво­шипа может быть определен по формуле

(X.96)

Эта формула учитывает главные действующие силы, возни­кающие в звеньях СК, и не учитывает сил инерции. При нали­чии динамограммы расчетный момент может быть определен по формуле

(X.97)

где Рmax — максимальная нагрузка, определенная по динамо-грамме; Р_min — минимальная нагрузка, определенная по той же динамограмме; η_Μ — механический к. п. д. СК от канатной под­вески до вала редуктора (ориентировочно может быть принят равным 0,85).

14. Ориентировочно СК, насос и параметры откачки могут быть выбраны с помощью таблиц, в которых приводятся раз­меры насосов, глубины их спуска, размеры штанг и подачи на­соса при тех или иных S и п.

Кроме того, для той же цели составлена диаграмма (А. Н. Адонин), позволяющая по заданному дебиту и глубине спуска насоса определить диаметр цилиндра насоса и тип СК (рис. Х.20, Х.21).

Все СК делятся на две группы — так называемые базовые модели и модифицированные, отличающиеся от базовых удли­ненным передним плечом балансира.

На диаграммах штриховкой показаны области применения различных СК, а цифрами в кружках — размеры (диаметры) плунжера насоса, применение которого целесообразно для от­качки жидкости при данных условиях. Диаграмма составлена в предположении, что давление на устье и на приеме насоса (уровень у приема насоса) пренебрежимо малы. Для учета ука­занных давлений в расчетную глубину спуска насоса вносится поправка

(X.98)

где F — площадь плунжера; р_у, ρ_пр — давление на устье и на приеме насоса соответственно; q_ш — средний вес 1 м штанговой колонны.

Технологический режим работы усшн

Скважинные штанговые насосы (СШН) представляют собой вертикальную конструкцию одинарного действия с шариковыми клапанами, неподвижным цилиндром и металлическим плунжером. Предназначены для откачивания из нефтяных скважин жидкости, имеющей следующие показатели: температуру не более 453 К (130 С), обводненность не более 99% по объему, вязкость не более 0,3 Па с, минерализацию воды до 10 г/л, содержание механических примесей до 3,5 г/л, объемное содержание свободного газа на приеме насоса не более 25%, сероводорода не более 50 мг/л и концентрацию ионов водорода рН = 4,2-8.

После спуска скважинного насоса, проверки герметичности труб и правильности посадки конуса, необходимо выбрать запас длины хода в соответствии с характеристикой насоса, затем соединить последнюю штангу с подвеской балансира и дать ход станку-качалке.

Посадка плунжера определяется динамометрированием. В процессе эксплуатации установок следует систематически контролировать фактическую подачу, состояние подземного оборудования (насоса, труб, штанг) и динамического уровня в скважине динамометрированием. Снижение дебита допускается до минимальной величины коэффицента подачи, установленной отдельно для каждой скважины. Снижение подачи более, чем на одну треть или полное прекращение подачи служит основанием для подъема насоса из скважины.

Дата спуска и подъема насоса, параметры его работы, причина подъема заносятся в его паспорт.

Подачей установки скважинного штангового насоса называется количество жидкости, подаваемое в единицу времени. Условная теоретическая подача (м/сут) насосной установки по длине хода устьевого штока выражается следующим образом;

Q = 1440* F* S* n ,

где F – площадь сечения плунжера, м; S – длина хода устьевого штока, м; n – число ходов в минуту.

Отношении фактической подачи к теоретической называется коэффицентом подачи насоса.

Отношение фактического объема, поступившей в цилиндр насоса жидкости к геометрическому объему, описанному плунжером при его ходе вверх, называется коэффицентом наполнения насоса.

Длина полезного хода плунжера – при подсчетах теоретической подачи УСШН длину хода плунжера принимают равной перемещению точки подвеса устьевого штока, замеренному на поверхности. В действительности длина хода плунжера в цилиндре бывает меньше за счет упругих деформаций насосных штанг и труб.

Также при работе УСШН следует учитывать коэффицент сепарации газа у приема насоса, давление на выходе насоса, потери давления в клапанных узлах и производить расчет утечек в зазоре плунжерной пары.

В зависимости от характеристики скважины, дебита, свойств откачиваемой жидкости и высоты её подъема подбирается тип штангового насоса, защитные приспособления (газовый якорь, хвостовик и т. д.), устанавливается глубина его подвески и режим работы. Последний характеризуется длиной хода устьевого штока, диаметром насоса и числом качаний балансира. Подбирается конструкция НКТ и штанг.

Глубина насоса Нсп и, следовательно, давление на его приеме Рпр должны быть с одной стороны, достаточными для обеспечения высоких коэффицентов наполнения, с другой – по возможности минимальными для предотвращения чрезмерного роста нагрузок на штанги и станок-качалку, а также увеличения затрат на оборудование и подземный ремонт.

Необходимое давление на приеме СШН зависит в первую очередь, от содержания свободного газа в потоке откачиваемой газожидкостной смеси. Если свободного газа в откачиваемой жидкости мало, что наблюдается, например, при высокой (> 80%) обводненности жидкости, или низком газовом факторе, то необходимое давление на приеме насоса обусловлено, в первую очередь, гидравлическими потерями во всасывающем клапане. Согласно практическим рекомендациям для этого случая при дебите скважины менее 100 м / сут и вязкости жидкости более 0,0001 м/c СШН может быть погружен под динамический уровень на глубину 20-60 м, что соответствует давлению на приеме насоса примерно 0,15-0,5 МПа. При значительном содержании свободного газа в откачиваемой смеси сложно заранее обосновать оптимальное давление на приеме насоса. На основании опыта эксплуатации скважин, оборудованных СШН, для месторождении каждого нефтяного района устанавливают конкретные пределы оптимального давления на приеме насоса.

При компоновке УСШН рекомендуется проводить расчеты для нескольких различных глубин насоса. Для этого по результатам исследования строятся кривые распределения давления по стволу скважины и в колонне НКТ, по которым определяется Нсп, соответсвующая выбранному Рпр.

Диаметр насоса должен обеспечивать ожидаемый отбор жидкости из скважины при коэффиценте подачи, установленном технологическом режимом. Повышение подачи насоса при формированном отборе достигается, прежде всего, увеличением длины хода плунжера, затем числа качании и лишь в последнюю очередь – диаметра насоса.

При откачке высоковязкой жидкости для снижения гидродинамического трения штанг целесообразно выбирать НКТ с условным диаметром. В зависимости от конкретных условий можно использовать трубы гладкие или с высаженными наружу концами из стали группы прочности Д или К, а также футерованные НКТ.

Диаметр насоса и режим откачки жидкости можно выбирать по диаграммам, номограммам, графикам и расчетным путем. Режим эксплуатации насосных скважин по диаграммам и номограммам можно установить лишь при известных дебите, глубине спуска насоса и свойствах откачиваемой жидкости. Однако установленный этим путем режим является предварительным, который в последующем уточняется замером подачи и уровня жидкости и динамометрированием.

Для систем контроля за технологическим режимом эксплуатации необходимо проводить по каждой скважине замер дебита не менее 3-4 раз в месяц, отбивку динамического и статического уровней 2-3 раза в год и ежемесячное динамометрирование. Для контроля за содержанием воды в добываемой продукции следует 3-4 раза в месяц отбирать устьевые пробы.