Погружение насосов под динамический уровень

По данным ряда исследователей коэффициент подачи насоса зависит от глубины погружения под уровень жидкости в скважине, т.е. от давления на приеме, до определенных пределов [24, 47 и др.]. Кроме того, проведенные исследования в НГДУ «Бугурусланнефть» позволили выявить связь между глубиной погружения h_u и обрывностью штанг. При h_u < 100 м среднее количество обрывов на одну скважину составило 3,66 в год при а = = 0,38, а при /г_п > 100 м — 2,3 при а = 0,51. Таким образом, с увеличением глубины погружения насосов под динамический уровень наблюдаются существенное уменьшение обрывности штанг и возрастание коэффициента подачи.

В ТатНИПИнефти и НГДУ «Елховнефть» (Татарстан) проведены исследования по выбору оптимального значения погружения штанговых насосов под динамический уровень жидкости. Методикой предусматривались замеры динамического уровня, дебита, расхода газа через затрубное пространство, давления на приеме при изменении глубины подвески насоса.

В результате исследований сделаны следующие выводы:

а) существенное увеличение коэффициента подачи от 0,3 до
0,5 происходит при росте давления на приеме от 0,5 до 1,0 МПа;
дальнейшее повышение давления до 4,0 МПа приводит к росту
коэффициента подачи от 0,5 до 0,7;

б) увеличение погружения до глубин, обеспечивающих
давление на приеме свыше 1,5-2,0 МПа, нецелесообразно;

в) коэффициент подачи, приведенный к действительному
ходу плунжера с учетом упругих деформаций труб и штанг, с
изменением глубины погружения увеличивается от 0 до 0,73, в
то время как при определении его по длине хода полированного
штока d = = 0,63 увеличение давления на приеме насоса от 2,0 до
4,0 МПа ведет к изменению коэффициента подачи от 0,72 до
0,87.

Одним из слабых элементов ШСНУ является колонна штанг. В процессе эксплуатации скважины в различных геолого-физи­ческих и технологических условиях происходит отворот и обрыв штанг, для устранения которых необходимо производить подземные текущие ремонты.

В процессе разработки нефтяного месторождения изменяются пластовое давление, дебит скважин, обводненность продукции, коррозионные условия среды, свойства смеси и т.д. Кроме того, изменяются в широких пределах также параметры, характеризующие работу оборудования: нагрузки на головку балансира, штанги, трубы, а также число ходов и длина хода головки балансира станка-качалки, конструкция колонны штанг и труб, глубина их подвески.

Эти факторы (каждый в отдельности и все вместе) влияют на показатели работы ШСНУ, определяя оптимальный режим ее работы.

При эксплуатации установки штангового глубинного насоса наиболее слабым звеном, как сказано выше, является колонна штанг, условия работы которой характеризуются разнообразием факторов как технического, так и технологического порядка. Исследования показали, что обрывы насосных штанг происходят в основном из-за усталости металла. Процесс усталостного разрушения заключается в возникновении и распространении по металлу усталостных трещин в местах концентрации напряжений. Наличие последних связано с дефектами физико-химического и механического происхождения.

Насосные штанги на промыслах ОАО «Оренбургнефть» эксплуатируются в скважинах с обводненной нефтью. Присутствие сероводорода и высокая минерализация пластовых вод характеризуют среду как коррозионно-агрессивную.

Дефекты механического происхождения связаны с некачественным изготовлением штанг в заводских условиях, их транспортировкой и складированием. В местах таких дефектов напряжения могут достигать значений, при которых деформация будет иметь остаточный характер, а цикличность напряжений будет приводить к возникновению усталостной трещины. С развитием трещины сечение штанги уменьшается, а напряжения в нем растут, пока не достигнут предела усталости металла. После этого разрушение происходит без увеличения нагрузки одновременно по всему сечению. Процесс ускоряется за счет напряженного режима работы УШГН: нагрузок, ударов, изгибов, трения.

По данным промысловых работ количество обрывов штанг растет пропорционально увеличению числа качаний балансира.

Очевидно, что работоспособность колонны штанг является определяющим фактором работы всей глубинно-насосной установки. Известно, что общую нагрузку в точке подвеса штанг (ТПШ) образуют статические (вес штанг, вес столба жидкости,

силы трения) и динамические (ускорение движения, удары, вибрация и т.д.) нагрузки.

По элементарной теории работы шатунно-кривошипного механизма СК максимальное ускорение в точке подвески штанг в начале хода вверх

( ) ^а9)

где S — длина хода полированного штока, м; ю — угловая скорость вращения кривошипа, рад.; г — радиус кривошипа, м; / — длина шатуна, м.

Для колонны штанг с учетом определенных допущений [3, 8, 18] инерционные силы можно определить по формуле

G_tt =/ ^_ш (2.10)

или

е_ы =_G JH—U₊l\ (2.H)

⁰ 1800 [ / J

где Gj,_H — инерционная сила, Н; G_mT — нагрузка от веса штанг, кг; п — число качаний балансира, мин"¹. Отношение ускорений

^J— ^Sn~ (2.12)

g 1400

есть фактор динамичности. Значит, инерционная нагрузка пропорциональна произведению длины хода полированного штока и квадрата числа качаний балансира. Последнее в определенных условиях может привести к аварийности, т.е. к обрыву колонны штанг. Анализ промыслового материала показал, что при Sn < < 17-И8 обрывность штанг растет незначительно, а при Sn > 18 обрывность штанг прогрессивно возрастает.

На значение динамических нагрузок влияет вибрация, обусловленная переменным приложением и снятием нагру­зок, вынуждающих колонну штанг совершать колебания с периодом

д, =60 /п. (2.13)

Кроме того, колонна штанг в процессе работы получает свободные колебания с частотой

п_ш =a/4L, (2.14)

где а — скорость звука в металле, м/с; L — длина колонны, м.

Указанные колебания могут отличаться по значению и направлению, но могут быть синхронными и усиливать друг друга.

Наиболее опасными будут импульсы, возникающие с интервалами, равными частоте свободных колебаний. Поскольку свободное колебание в каждом случае характеризуется постоянными параметрами, единственным фактором, вызывающим синхронность или асинхронность колебаний, является число качаний головки балансира. Из промысловой практики известно, что иногда достаточно увеличить или уменьшить число качаний только на единицу, чтобы уменьшить нагрузку на колонну и снизить аварийность.

Интенсивность колебаний в значительной мере зависит от состава и свойств поднимаемой жидкости: газированная жидкость создает импульс, вызывающий колебание штанг только один раз за цикл — в момент приложения нагрузки. Снятие нагрузки идет постепенно и не возбуждает дополнительных колебаний. Таким образом, чем больше содержится в жидкости газа, тем меньше амплитуда колебаний.

Следовательно, на приеме насоса следует поддерживать давление, при котором будет выделяться максимально возможное количество газа, обеспечивающее снижение импульса, создающее подъем жидкости и не снижающее коэффициент подачи.

Наблюдения показали, что штанги в условиях месторождений ОАО «Оренбургнефть» работают в условиях подъема слабогазированной жидкости, что приводит к возникновению нескольких импульсов нагрузки за цикл. Для скважин с ШСНУ ЦДНГ-4 НГДУ «Бугурусланнефть» оптимальные значения п и Sn лежат в интервалах 6-7 и 17-18 соответственно, а для скважин ЦДНГ-1 -7-8 и 18-19.