Рассмотрим, от чего зависит фактическая подача установки (коэффициент подачи)

Цилиндр; 2 — плунжер; 3 — всасывающий клапан; 4 — нагнетательный клапан; 5 — колонна штанг; 6 — уплотнитель; 7 — отверстие в цилиндре насоса; 8 — полки-пескоприемники; 9 — отверстие в полой штанге; а — насос обычный (простой); б — насос для откачки вязких жидкостей; в — насос для откачки жидкости со значительным содержанием свободного газа; г — насос высокой производительности; д — насос для добычи жидкости с механическими примесями

Таким образом, за один насосный цикл «ход вверх — ход вниз» объем продукции, откачиваемый из скважины, составляет:

Обозначим число двойных ходов плунжера в мин через п. Тогда теоретическая минутная подача насоса составит Q'_T:

Переходя к суточной подаче установки, умножим (9.6) на 1440 (число минут в сутках) и получим суточную теоретическую подачу установки Q_т

где n – число двойных ходов плунжера в мин (число качаний балансира в мин).

Обозначая длину хода полированного штока (на поверхности) через S, введем понятие условно теоретической подачи Q_т.усл:

Введение условно теоретической подачи связано с тем, что длина хода плунжера S_пл в каждом конкретном случае является неизвестной величиной и может существенно отличаться от известной длины хода полированного штока S. Таким образом, условно теоретическая подача установки может быть легко рассчитана в любой момент времени, для чего достаточно измерить (знать) длину хода полированного штока S. Фактическая суточная подача установки, измеряемая на поверхности по жидкости (после процесса сепарации) Q_ф может не совпадать с Q_т.усл по целому ряду причин. Отношение фактической подачи установки Q_ф к условно теоретической подаче ее Q_т.усл назовем коэффициентом подачи установки и обозначим его через η:

С учетом выражения (9.8) фактическая подача такова:

1. Коэффициент наполнения скважинного насоса —β. Этот коэффициент характеризует степень заполнения цилиндра насоса при такте всасывания жидкостью, поступающей из скважины. Так как продукция скважины в общем случае состоит из жидкой и газовой фаз, то при такте всасывания часть объема цилиндра насоса может заполняться газовой фазой, что снижает коэффициент наполнения насоса жидкостью (β < 1).

2. Упругие деформации штанг и труб, характеризуемые коэффициентом η_λ:

Таким образом, коэффициент, учитывающий упругие деформации, таков: η_λ <=> 1

3. Рассмотрим влияние утечек продукции скважины как в самом насосе (зазор «цилиндр—плунжер», клапаны), так и на пути движения продукции от насоса до устья (через резьбовые соединения НКТ, через возможные нарушения труб за счет их протертости штангами и т.п.). Обозначим суммарные утечки продукции через Q_ут. Коэффициентом утечек η_ут назовем отношение объема утечек Q_ут к условно теоретической подаче Q_т.усл:

Таким образом, коэффициент, учитывающий утечки (1 - η_ут), всегда меньше единицы

4. Коэффициент, учитывающий объемные свойства продукции скважины (нефть, нефть + вода). Отношение фактической подачи жидкости в поверхностных условиях Q_фпк фактической подаче, приведенной к термобарич-м условиям в скважине (в насосе) Q_фс:

окончательно получаем:

Независимо от обводненности продукции при вн(Р_с, Т_с) > 1 и вв(Р_с, Т_с) > 1 коэффициент, учитывающий объемные свойства продукции, η_об < 1. Во всех других случаях: в_н(Р_с, Т_с) > 1 и в_в(Р_с, Т_с) = 1; вн(Рс, Тс) < 1 и вв(Р_с, Т_с) = 1; вн(Р_с, Т_с) > 1 и вв(Р_с, Т_с) > 1 и др. необходимо проводить дополнительный анализ величины коэффициента η_об.

В общем случае коэффициент подачи η является произведением всех рассмотренных коэффициентов.

8. Производительность насоса. Коэффициент наполнения и определяющие
его факторы.

Коэффициентом наполнения насоса β называется отношение объема жидкости, поступившей в цилиндр насоса из скважины Vжс при такте всасывания, к объему, описанному плунжером F:

Под мертвым пространством насоса Vм будем понимать разность объема цилиндра насоса Vц и объема, описываемого плунжером Vs между нижней и верхней мертвыми точками (объем между всасывающим и нагнетательным клапанами, когда плунжер находится в

нижней мертвой точке):

При выводе зависимости для коэффициента наполнения принимаем следующие допущения:

1. Процесс изотермический.

2. Свободный газ равномерно распределен в жидкости в цилиндре насоса.

3. Процесс растворения свободного газа в жидкости и процесс выделения растворенного газа из жидкости равновесный.

4. Утечки отсутствуют.

Введем следующие обозначения:

где R_ц — газовое число в цилиндре насоса при давлении всасывания Р_вс;

где R_M — газовое число в мертвом пространстве насоса (плунжер находится в НМТ) при давлении нагнетания Р_наг.

и введем следующее обозначение

Коэффициент К называется коэффициентом мертвого пространства и характеризует численно долю мертвого пространства в объеме, описываемом плунжером.

С учетом обозначений (9.26) и (9.45) перепишем выражение (9.44) в виде:

откуда окончательно получаем:

Выражение (9.46) является общей формулой для расчета коэффициента наполнения скважинного насоса в рамках принятых допущений.

Анализ полученного выражения показывает, что мертвое пространство всегда оказывает отрицательное влияние на коэффициент наполнения (т.е. оно является вредным пространством) даже при откачке чистых жидкостей. Поэтому в реальных условиях не-

возможно получить коэффициент наполнения, равный 1. Количественное же влияние на коэффициент наполнения различных факторов различно. Соотношение R_ц и R_м связывает все процессы, происходящие в цилиндре насоса при его работе, и определяет фазовые превращения продукции скважины.

Из общей зависимости (9.46) можно получить соответствующие

выражения для частных случаев:

9. Нагрузки на штанги. Упругие деформации штанг и труб под действием
статических нагрузок.

При ходе вверх максимальная нагрузка, действующая в ТПШ, такова:

(9.76)

При ходе вниз нагрузка, действующая в ТПШ, минимальна и такова:

. (9.77)

Соединение штанг с плунжером осуществляется с помощью клетки клапана; при этом на нижней торец штанг действует гидростатическое давление Р, равное сумме гидростатического давления от веса столба смеси в НКТ Р_см.т и устьевого давления Ру

(9.80)

или

. (9.81)

Таким образом, нагрузка от веса штанг в смеси G_шт.смбудет таковой:

(9-82)

где G_шт — вес колонны штанг в воздухе, Н;

f_шт — площадь поперечного сечения штанг, м2.

где b' — коэффициент «плавучести» штанг в смеси при Р_у > 0:

(9.85)

Нагрузка от веса столба смеси (жидкости) в НКТ:

(9.86)

где F — площадь поперечного сечения плунжера насоса, м2.

Нагрузка от давления на устье скважины:

(9.87)

Нагрузка от давления в затрубном пространстве скважины (давлением от веса столба газа высотой Н_дин пренебрегаем):

(9.88)

где Р_у, Р_з — соответственно давления на устье скважины в НКТ и в затрубном пространстве, Н/м2.

Нагрузка от веса столба смеси (жидкости) в затрубном пространстве скважины:

(9.89)

УПРУГИЕ ДЕФОРМАЦИИ ШТАНГ И ТРУБ

Таким образом, деформация колонн штанг и труб является значительной только под действием нагрузки (G_T - G₃). При ходе штанг вверх колонна штанг увеличивает под действием нагрузки (G_T - G₃) свою длину на величину i_шт:

При ходе вниз нагрузка (G_T - G₃) снимается с колонны штанг, вследствие чего длина колонны штанг сокращается на величину i_шт, и передается на колонну НКТ, под действием которой длина колонны НКТ увеличивается на величину i_т:

где f_тр — площадь поперечного сечения труб по металлу, м2.

В результате этих деформаций перемещение плунжера в цилиндре насоса начнется только тогда, когда ТПШ скомпенсирует за счет перемещения полированного штока вверх удлинение штанг на величину i_шт и сжатие труб на величину i_т, т.е. полированный

шток переместится вверх на величину (i_шт + i_т) прежде, чем начнется движение плунжера вверх. Обозначим:

(9-99) и назовем величину λ потерями хода плунжера S_пл в сравнении с ходом полированного штока S

(9.100)

Подставляя (9.97), (9.98) в (9.99), получим:

(9.101)

Нагрузка от веса штанг является максимальной в ТПШ и нулевой — в месте крепления штанг к плунжеру. При больших глубинах спуска насоса и использовании одноразмерной колонны штанг (f_шт = c o n s t) нагрузка в ТПШ может оказаться чрезвычайно большой. Для снижения этой нагрузки проектируют ступенчатую колонну штанг, уменьшая поперечное сечение (диаметр) штанг сверху вниз. Потери хода плунжера для ступенчатой колонны штанг с количеством ступеней «n» таковы:

(9.102)

С целью исключения деформации НКТ (i _т= 0) при работе СШНУ колонна НКТ заякоривается специальным якорем, исключающим ее перемещение. В этом случае потери хода плунжера при работе установки таковы:

Как следует из приведенных зависимостей, потери хода плунжера при статическом режиме работы СШНУ зависят не только от конструкции колонны штанг и труб и диаметра насоса, но и от ряда технологических параметров, в том числе и задаваемых промысловым инженером (Р_у, Н_дин, Н_сп).

Дата добавления: 2015-07-13