Эксплуатация наклонно направленных насосных скважин by Уразаков. Насосных
 Скачать 1.96 Mb.
|
|
конструкции. Такого рода конструкция насоса с гибким плунжером разработана в Уфимском нефтяном институте, применение его дает возможность собрать насос первой группы посадки и обеспечить его надежную работу в искривленных скважинах. Плунжер состоит из втулок, насаженных на стержень, упорных вкладышей, уплотнительных колец, верхней и нижней муфты. Упорные вкладыши, посаженные в кольцевых пазах стержня, состоят из двух половин и служат для упора торца втулок, также разделяют их и не допускают прижатия друг к другу, при котором ограничивалось бы их радиальное перемещение. Верхняя и нижняя муфты также служат для упора при смещении их в осевом направлении и для присоединения узлов верхнего и нижнего нагнетательных клапанов. Втулки на стержень насажены на упругих резиновых кольцах, поэтому при появлении радиальной силы любая из втулок может смещаться от оси за счет упругого сжатия колец. При возвратно-поступательном движении плунжер всегда будет иметь форму в соответствии с внутренней поверхностью цилиндра. При этом утечки через зазор плунжерной пары, а также контактные напряжения от радиальных усилий, приводящих к взаимному сдиранию поверхностного слоя плунжера и цилиндра, уменьшаются. Таким образом, разработанная конструкция плунжера позволяет повысить срок службы и подачу насосов, работающих в наклонно направленных скважинах. Скважинная установка, оборудованная пневмокомпенсаторами Силы трения особенно осложняют работу штанговой установки в наклонно направленных скважинах, дающих высоковязкие эмульсии. В таких скважинах кроме сложения сил гидродинамического и граничного трения происходит рост сил трения, так как силы гидродинамического трения увеличивают натяжение штанг. С другой стороны, известно, что основная доля сил граничного трения в наклонных скважинах обусловлена эйлеровой силой прижатия, зависящей от натяжения штанг. Таким образом, снижение сил гидродинамического трения позволит  Рис. 54. Барограммы над плунжером насоса уменьшить силы трения в целом в подземной части штанговой установки, работающей в наклонной скважине. Для снижения силы натяжения путем уменьшения ее составляющей от гидродинамических сил трения можно использовать пневмокомпенсаторы. Эксплуатация наземных поршневых насосов (НГШ) без компенсаторов неравномерности подачи приводит к быстрому выходу из строя как насоса, так и трубопровода. На первый взгляд, скважинные штанговые насосы (СШН) работают в более мягких условиях, чем НПН. СШН имеют, как правило, меньшие диаметры плунжеров и число ходов, работают с более низкими выкидными давлениями. Тем не менее данные барографирования СШН говорят о наличии значительных пульсаций давления в полости насосно-компрессорных труб. Пульсации могут быть как инерционного, так и гидродинамического характера. Барограммы СШН качественно отличаются от барограмм НПН. Объясняется это наличием в НКТ СШН подвижной колонны штанг. У одноцилиндрового НПН простого действия два такта - такт всасывания и такт нагнетания. Во время такта нагнетания давление в трубопроводе повышается относительно гидростатического, а во время такта всасывания - уменьшается. У СШН же давление всегда возрастает при такте нагнетания, а при такте всасывания может возрастать, падать и оставаться равным гидростатическому. На рис. 54 показаны зависимости изменения давления в НКТ над плунжером СШН (барограммы) в зависимости от угла поворота кривошипа станка-качалки для случаев: а - скорость жидкости в НКТ при ходе вверх больше скорости штанг υшт(Dнкт < Dсшн); б - скорость жидкости при ходе вверх меньше скорости штанг (Dнкт > Dсшн); в - скорость жидкости при ходе вверх равна скорости штанг (Dнкт = Dсшн); У всех трех барограмм есть общее: давление при ходе вниз всегда выше гидростатического. В работе М.Д. Валеева и Б.А. Исанчурина приведена эпюра скоростей жидкости в НКТ для хода штанг вниз. Из эпюры видно, что значительная часть жидкости  Рис. 55. Движение штанг вниз увлекается штангами вниз. На стенке НКТ скорость равна нулю (рис. 55). Расход жидкости через кольцевое пространство (между радиусами Rиr) должен быть равен расходу жидкости, увлекаемой штангами, плюс расход жидкости за счет вытеснения ее, т.е. по сечению кольца между штангами и трубами слои жидкости движутся в противоположных направлениях. Потери давления на трение жидкости суммируются по длине колонны и проявляются на нижнем конце НКТ (т.е. клапан на плунжере открыт). Указанное давление, действуя на нижний торец колонны штанг, разгружает их, увеличивая тем самым амплитудную нагрузку, а следовательно, и приведенное напряжение. Больше всего разгружается верхнее сечение штанг. В случае значительной вязкости продукции скважины штанговая колонна может тонуть в жидкости медленнее, чем головка балансира станка-качалки движется вниз. В этом случае неминуем удар, нередко приводящий к обрыву штанг. Уменьшить потери давления на трение и разгрузку штанг можно, снизив скорость жидкости относительно штанг, так как потери давления пропорциональны относительной скорости. Эпюры скоростей жидкости в НКТ, показанные на рис. 56, а, б, в, соответствуют барограммам, приведенным на рис. 54, а, б, в (ход вверх). На рис. 56, а приведена эпюра, соответствующая случаю, когда жидкость движется быстрее штанг. Потери давления на гидродинамическое трение жидкости о трубы и штанги суммируются по длине колонны. Перепад давлений, обусловленный этими потерями, действует на плунжер насоса, а усилие - на штанги. Жидкость, опережая штанги, увлекает их вверх, разница давления на торцах штанговых муфт также создает подъемную силу. Это приводит к перераспределению нагрузки по длине штанговой колонны. Верхнее сечение штанг разгружается, а нагрузка на нижние сечения увеличивается, динамограмма не регистрирует внутреннюю силу.  Рис. 56. Эпюры скоростей Рассмотрим случай, когда скорость штанг выше скорости жидкости (рис. 56, б). Штанги увлекают жидкость за собой. Значительное увеличение разницы в скоростях может привести к передаче штангами жидкости такой энергии, которая больше затрачиваемой на гидродинамическое трение, в результате давление над плунжером упадет ниже гидростатического. На первый взгляд может показаться, что нагрузка на головку балансира станка-качалки уменьшится, но это не так. Нагрузка просто перераспределится по длине штанговой колонны. Нижнее сечение разгрузится, верхнее - наоборот. В случае движения штанг и жидкости с одинаковыми скоростями потери на трение штанг о жидкости отсутствуют, перераспределения нагрузки не происходит. Потери давления на трение жидкости о НКТ преобразуются в усилие на плунжер и штанги. Во всех описанных выше случаях потери на гидродинамическое трение пропорциональны скорости жидкости относительно штанг и НКТ. Относительная скорость всегда максимальна в средней части ходов вниз и вверх. Уменьшить относительную скорость можно увеличением диаметра НКТ. Однако, как правило, технические и технологические условия этого не позволяют. Другим средством снижения относительной скорости может служить пневмокомпенсатор. Компенсаторы неравномерности подачи представляют собой емкости, заполненные каким-либо газом (воздухом, азотом, инертными газами) и сообщающиеся через разделитель или напрямую с трубопроводом, в котором наблюдается неравномерная подача. Компенсатор неравномерности давления действует по закону Бойля - Мариотта: увеличивается давление в месте установки компенсатора - он принимает -в себя жидкость, уменьшается - подает ее в трубопровод. Компенсатор как бы препятствует изменению давления. Следует отметить, что давление может быть постоянным только у приема компенсатора, имеющего бесконечно большой объем, во входе которого потери давления на гидродинамическое сопротивление равны нулю (в жидкости, не имеющей массы). Первоначально пневмокомпенсаторы размещали на НКТ. Однако в этом случае загромождается затрубное пространство скважины и исключается возможность исследования скважин через за-трубное пространство. Пневмокомпенсаторы, установленные на насосных штангах, не закрывают затрубное пространство. Они представляют собой полые штанги, заглушенные с верхнего конца и имеющие отверстия в нижней части. Перед спуском в скважину компенсаторы заполнены воздухом при атмосферном давлении. После спуска компенсатора в скважину и заполнения НКТ жидкостью воздух оказывается сжатым до гидростатичесого давления. Во время работы СШН давление в НКТ изменяется. Газ в компенсаторе периодически расширяется и периодически сжимается. В результате изменения объема воздуха скважинная жидкость то втекает в компенсатор, то вытекает из него, оставляя часть свободного газа в полости компенсатора и увеличивая объем газовой подушки в нем. Происходит зарядка компенсатора нефтяным газом. Понятно, что отсутствие свободного газа в скважинной жидкости (из-за высокой обводненности продукции скважины, высокого давления) или малое количество его снижает эффект от применения компенсаторов. Таким образом, область применения этих компенсаторов ограничена газосодержанием в продукции скважины. Поэтому пневмокомпенсаторы необходимо устанавливать на глубине, имеющей давление ниже давления насыщения жидкости газом. С другой стороны, чем ближе расположен пневмокомпенсатор к выкиду насоса, тем выше эффективность его применения. С учетом этого разработан двухкамерный пневмокомпенсатор, который заполняется газом на поверхности и готов к работе сразу после спуска в скважину. Конструкция его отличается от компенсатора, описанного выше, тем, что в его цилиндре установлен поршень и в верхней части имеется обратный клапан, предназначенный для зарядки компенсатора. При использовании пневмокомпенсатора в насосных установках, соответствующих рассмотренным случаям аив, т.е. когда давление над плунжером в обоих ходах выше гидростатического, его заполняют газом, имеющим давление, равное гидростатическому в месте установки компенсатора. Давление заряжаемого газа при этом определяется из уравнения Клайперона - Менделеева  (130)где т - масса газа; R - универсальная газовая постоянная; μ - грамм-моль; Vг - объем компенсатора; Тскв - температура в скважине. Рассмотрим случай б, когда давление над плунжером при ходе штанг ниже гидростатического. В этом случае давление газа в компенсаторе, равное гидростатическому, должно обеспечивать расположение разделительного поршня в средней части поршневой камеры, т.е.  (131)где Рст- гидростатическое давление жидкости в месте расположения компенсатора; Vср, - объем компенсатора, когда разделительный поршень находится в средней длины хода [19]. |