ЛЕКЦИЯ №15. Осложнения при механизированном способе эксплуатации скважин

При работе штанговых насосных установок часто встречаются особые условия, осложняющие работу этих установок. К ним следует отнести:

- большое газосодержание на приеме насоса;

- большое содержание песка в откачиваемой жидкости;

- отложение парафина в НКТ и на насосных штангах и минеральных солей в узлах насоса и в НКТ, сильное искривление скважин;

- высокопарафинистые высоковязкие нефти.

Очень часто эти осложняющие условия действуют совместно и тогда возникает необходимость борьбы одновременно с несколькими осложняющими факторами.

Влияние газа. Чаще всего возникают осложнения вследствие влияния газа на работу насоса, уменьшающего коэффициент наполнения цилиндра. Степень отрицательного влияния свободного газа зависит от его содержания в откачиваемой жидкости, а также от объема пространства, образующегося между нагнетательным и всасывающим клапанами насоса при нижнем положении плунжера. Это пространство, называемое вредным, имеется во всех штанговых насосах.

Отношение объема жидкости, фактически поступающей в насос, к объему цилиндра при верхнем положении плунжера называют коэффициентом наполнения насоса.

Когда плунжер завершает ход вниз, газ и нефть, заполняющие вредное пространство, находятся под давлением столба жидкости в подъемных трубах; при этом объем свободного газа вследствие его сжатия и частичного растворения в нефти сокращается.

При ходе плунжера вверх пространство цилиндра изолируется от полости подъемных труб нагнетательным клапаном, в результате чего давление в нем снижается и становится равным гидростатическому напору столба жидкости, находящегося за трубами над насосом. В начальный момент подъема плунжера газ, находящийся во вредном пространстве, расширяется и, занимая часть объема цилиндра, уменьшает его наполнение жидкостью, которая начинает поступать в насос несколько позже, после открытия приемного клапана.

Коэффициент наполнения в зависимости от количества газа, поступающего в насос, и объема вредного пространства можно выразить формулой

, (5)

где R= V_г/V_н— объемное соотношение газа и нефти, постоянно поступающих в насос при давлении погружения; К=V_вр/V_s — отношение объема «вредного» пространства насоса к объему цилиндра при верхнем положении плунжера.

Из уравнения (5) следует, что коэффициент наполнения тем больше, чем меньше К= V_вр/V_s,т. е. чем меньше объем вредного пространства и чем больше длина хода плунжера; коэффициент наполнения насоса тем больше, чем меньше объем поступающего насос газа. Это значит, что с вредным влиянием газа можно бороться:

1) уменьшая объем «вредного» пространства, что достигается обычно установкой нагнетательного клапана в нижней части плунжера;

2) увеличивая длину хода плунжера;

3) увеличивая глубину погружения насоса ниже динамического уровня жидкости; при этом увеличивается давление на приеме насоса и уменьшается объем газа, поступающего в насос;

4) устанавливая на приеме насоса специальные приспособления (газовые якори) для частичного отвода газа от насоса в межтрубное пространство.

Из общей теории работы штангового насоса следует, что коэффициент наполнения зависит от газового фактора в условиях приема насоса и доли вредного пространства по отношению к объему, описанному плунжером. Величина R_ж в свою очередь зависит от газового фактора Г_о, растворимости газа в нефти α, давления на приеме насоса Р_пр, коэффициента сепарации m и обводненности продукции n. Такие величины, как обводненность, газовый фактор, растворимость газа, температура на приеме насоса, являются природными факторами и не поддаются изменению. Другие факторы, такие как давление на приеме, коэффициент сепарации и коэффициент вредного пространства, можно изменять. Уменьшение вредного пространства и газового фактора на приеме насоса увеличивает коэффициент его наполнения. Уменьшение вредного пространства достигается применением насоса, имеющего на нижнем конце плунжера дополнительный нагнетательный клапан. Из этого следует, что применение насосов НГН-1 со штоком неэффективно в скважинах с большим газосодержанием на приеме. Существенное уменьшение вредного пространства достигается правильной посадкой плунжера в цилиндре насоса, т. е. такой посадкой, при которой плунжер и его нижний нагнетательный клапан при крайнем нижнем положении головки балансира приближается к всасывающему клапану на минимально возможное расстояние.

Рис. 22- Принципиальная схема обычного однокорпусного газового якоря

Увеличение хода при одновременном уменьшении диаметра насоса также уменьшает относительную долю объема вредного пространства.

При увеличении давления на приеме насоса Р_пр, что достигается увеличением глубины погружения насоса под динамический уровень, уменьшается газосодержание на приеме, т. е. величина R_ж, как за счет дополнительного растворения газа в нефти, так и за счет сжатия газа, оставшегося в свободном состоянии. При погружении насоса на глубину, где давление равно давлению насыщения, вредное влияние газа вообще прекращается, так как свободного газа на этой глубине нет.

На наполнение насоса в известной мере можно влиять, изменяя коэффициент сепарации газа m на приеме насоса, который зависит от условий всасывания газожидкостной смеси. С помощью особых устройств и приспособлений, называемых газовыми якорями, удается увеличить долю газа, уходящего через межтрубное пространство, а следовательно, уменьшить долю газа, поступающего в цилиндр насоса.

Работа газовых якорей основана на различных принципах, например, таких как отделение газовых пузырьков за счет их всплытия в потоке жидкости, направленном вниз, использование принципа центрифугирования при завихрении потока, использование вибрации тарелок на пружинных подвесках и др.

В однокорпусном якоре (рис.22) ГЖС заходит в кольцевое пространство между корпусом якоря 1 и центральной трубой 2, верхний конец которой присоединяется к приемному клапану насоса 4. Направление потока изменяется, газовые пузырьки всплывают и уходят в межтрубное пространство. Жидкость, обедненная газом, поступает в центральную трубку через отверстия 5 и далее в цилиндр насоса. Газовый пузырек 3 увлекается вниз нисходящим потоком жидкости, скорость которого зависит от дебита скважины и площади сечения кольцевого пространства между корпусом 1 и трубкой 2, так что

(6)

где Q - объемный секундный расход ГЖС в условиях приема насоса; F - f - площадь сечения между корпусом и центральной трубкой газового якоря.

Рис. 23- Принципиальная схема двухкорпусного газового якоря

Скорость всплытия газового пузырька V_г согласно формуле Стокса зависит от диаметра пузырька d и, разности плотностей жидкости ρ_ж и газа ρ_г и вязкости жидкости μ, так что

(7)

Условие эффективной работы газового якоря - V_г > V₁. В противном случае газовые пузырьки будут увлекаться потоком жидкости в насос. Если на V_г мы практически не можем воздействовать, то скоростью V₁ можно управлять. Ее можно уменьшить разделением потока Q на два или более параллельных потоков.

Это осуществляется в двух-, трех- или четырехкорпусных якорях (рис.23). В каждую секцию якоря попадает только часть общего расхода. Это означает, что нисходящая скорость потока V₁ в корпусе якоря будет меньше.

Рис. 24- Газовый якорь «зонтичного» типа

Существуют методы расчета газовых якорей подобного типа (методика А. С. Вирновского), однако эти методы не отличаются необходимой надежностью, так как размеры пузырьков всегда бывают разными, а скорость их всплытия, вследствие стесненности движения, сильно отличается от расчетной, определяемой формулой Стокса.

Примером удачной конструкции якоря может служить газовый якорь зонтичного типа (рис.24). В этом случае межтрубное пространство перекрывается эластичным пакером 1. Газожидкостная смесь поступает в кольцевой зазор между корпусом якоря 2 и всасывающей трубкой 3. Через отверстия в верхней части корпуса ГЖС попадает в межтрубное пространство, газ поднимается вверх, а внизу над эластичным пакером скапливается жидкость практически без газа. Эта жидкость по каналу 4 поступает на прием насоса. Хорошая сепарация газа получается при спуске насоса в зумпф скважины, который в этих условиях действует по принципу якоря-зонта.

Дата добавления: 2014-01-15