Эксплуатация скважин штанговыми насосами

     где d- диаметр плунжера, м; ρ_ж-плотность откачиваемой жидкости, кг/м;

     g-ускорение свободного падения, м/с². 

     При динамическом режиме работы длину хода полированного штока можно определить по следующим формулам.

     Формула АзНИПИнефти:

                                   (7.5)

     где т – коэффициент, учитывающий влияние силы инерции массы столба жидкости на упругие деформации штанг. Коэффициент т, рассчитанный А. Н. Адониным, имеет следующие значения:

     Условный  диаметр насоса, мм …………………………………43    55    68    93

     Коэффициент т …………………………………………………1    1,5    2,0    3,0

     Формула (4.5) справедлива при μ_д≤0,5 для двухступенчатой колонны штанг, учитывает вынужденные колебания последней и имеет вид:

                 (7.6)

     где Здесь l_ш1, l_ш2 – длина ступеней колонны штанг с площадями поперечного сечения f_ш1 и f_ш2 соответственно.

     Для частного случая колонны штанг постоянного  сечения (т.е. одноступенчатой) формула (46) переходит в формулу Л. С. Лейбензона:

                                              (7.7)

     Формулы (3.6), (3.7) могут применяться для 0,2≤μ≤1,1.

     При расчете упругих деформаций ступенчатой  колонны штанг необходимо изменить значение скорости звука а, входящее в зависимость (4.1). Для одноразмерной колонны штанг а=4900 м/с, а для трехступенчатой а=5300 м/с.

     Все приведенные формулы не учитывают  влияния гидродинамического трения на ход плунжера. Этого недостатка лишена формула А. С. Вирновского:

                     

     где h – константа трения, равная 0,2÷1,0 с^-1.

     Среднее уменьшение подачи насоса из-за упругого удлинения труб и штанг в долях от его условно теоретической производительности Q_ут:

                                             ,

     и в долях от фактического дебита Q_ф:

                                              ,

     где q_λ-среднее уменьшение подачи насоса из-за упругого удлинения труб и штанг, м³/сут; λ-суммарное упругое удлинение труб и штанг, м; S-длина хода полированного штока, м; α-коэффициент подачи насоса /4/.  
 
 

      6.2 Нагрузки, действующие на штанги и трубы 

     При работе глубиннонасосной установки  на штанги и на трубы действуют  различные виды нагрузок – статические  от веса штанг и жидкости, силы инерции  движущихся масс и др.

     Рассмотрим  природу возникновения и влияние  их на длину хода плунжера. После закрытия нагнетательного клапана статическая нагрузка от столба жидкости над плунжером перед началом его хода вверх передается на штанги, вызывая их растяжение на λ_шт. При этом трубы разгружаются и сокращаются на λ_т. Плунжер остается неподвижным относительно труб, и полезный ход его начинается лишь после растяжения штанг и сокращения труб. Всасывающий клапан закрывается, вес жидкости со штанг передается на трубы, нагнетательный клапан открывается, и плунжер движется вниз. При этом статическая (постоянно действующая) нагрузка на головку балансира будет равна весу штанг в жидкости. Так как головка балансира с подвешенной к ней колонной штанг движется неравномерно (скорость изменяется от нуля в верхней и нижней точках до некоторого максимального значения в середине хода вниз и вверх), возникают ускорения и соответствующие инерционные и другие динамические нагрузки. Кроме того, в начале хода плунжера вверх, когда скорость его движения равна нулю, головка балансира уже движется с некоторой скоростью, которую она набрала в процессе растяжения штанг и сокращения труб. Вследствие этого следует удар плунжера о жидкость, в результате на штанги и головку балансира действуют динамические нагрузки. Очевидно, что максимальная нагрузка на штанги будет при движении плунжера вверх, а минимальная – при ходе вниз /5/.    

     К постоянным или статическим нагрузкам  принято относить вес колонны  насосных штанг в жидкости Р^’_шт, гидростатическую нагрузку Р_ж, обусловленную разницей давлений жидкости над и под плунжером при ходе его вверх, а также нагрузки от трения штанг о стенки подъемных труб Р_{тр пл} /6/.

     К переменным нагрузкам относятся:

     инерционная нагрузка Р_ин, обусловленная переменной по величине и направлению скоростью движения системы “штанги-плунжер”;

     вибрационная нагрузка Р_виб, обусловленная колебательными процессами, возникающими в колонне штанг под действием ударного приложения и снятия гидростатической нагрузки на плунжер;

     нагрузка  от трения штанг в жидкости Р_{тр г};

     сила  гидростатического сопротивления  Р_{кл н}, вызванная перепадом давления в нагнетательном клапане при движении жидкости.

     Учитывая  перечисленные нагрузки, можно записать общие формулы для определения  усилия в точке подвеса штанг  при ходе штанг вверх Р_в и вниз Р_н:

     Р_в=Р^’_шт+Р_ж+Р_{ин в} +Р_{виб в}+Р_{тр м}+Р_{тр г}+Р_{тр пл},

     Р_н=Р^’_шт-(Р_{ин н}+Р_{виб н}+Р_{тр м}+Р_трг+Р_{кл н}).

     Вес колонны штанг в воздухе Р_шт и вес ее в жидкости Р’_шт, заполняющей подъемные трубы, а также гидростатическая нагрузка на плунжер вычисляются по формулам:

                            

                               

        или

         

     где q_штi – вес 1 м штанг данного диаметра в воздухе,  Н; К_арх=(ρ_шт-ρ_{см т})/ρ_шт – коэффициент плавучести штанг; ρ_шт – плотность материала штанг, кг/м³; ρ_{см меж}, ρ_{см т} – средняя плотность жидкости (смеси), находящейся соответственно в пространстве между обсадной колонной и колонной насосно-компрессорных труб, кг/м; ρ_меж – давление газа в этом пространстве на устье скважины, Па.

     Расчет  максимальных нагрузок на штанги:

     При статическом режиме работы ШСНУ, т.е. при значениях параметра динамического  подобия μ_д≤(0,3÷0,4), достаточно для практики точность обеспечивают приведенные ниже зависимости.

     Формула И. М. Муравьева:

                                  

     где n=N∙60 – число ходов плунжера в минуту.

     Формула И. А. Чарного:

                                   

     Формула Дж. С. Слоннеджера:

                                    

     Формула Кемлера:

                                     

     Формула К. Н. Милса:

                                      

                                       

     где Р^’_ж – вес жидкости над плунжером.

     Погрешность расчета по перечисленным приближенным формулам находится в пределах 10-20% от Р_max.

     Известны  и другие зависимости для расчета  максимальной нагрузки в точке подвеса  штанг, которые по существу не отличаются от приведенных приближенных формул /6/.

     Расчет  минимальных нагрузок на штанги:

     Формула К. Н. Милса:

                                   

     Формула Д. О. Джонсона:

                                 

     Формула Дж. С. Слоннеджера:

                            

     Формула Н. Дрэготеску и Н. Драгомиреску:

                                     

     Н. Дрэготеску указывает, что надежность приближенных формул для определения  минимальной нагрузки обычно заметно  ниже, чем аналогичных формул для  Р_max /6/. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      7 Выбор ШСНУ и режима ее работы 

      7.1 Исходные данные

Скважина №1577 Волковского месторождения

Глубина скважины L₀, м…………………………………………..…….…1600

Диаметр эксплуатационной колонны D_с, м………………………………0,150

Планируемый дебит  жидкости Q_{ж пл}, м³/сут………………………........….26,2

Объемная обводненность жидкости В, доля единицы…………………...…..0

Плотность дегазированной нефти ρ_{н дег}, кг/м³……………………….……..850

Плотность пластовой  воды ρ_в, кг/м³………………………………….……1100

Плотность газа (при стандартных условиях) ρ_{г о}, кг/м³…………….……....1,4

Газовый фактор G₀, м³/м³…………………………………………….......…59,4

Вязкость нефти  ν_н, м²/с…………………………………………………….3∙10^-6

Вязкость воды ν_в, м²/с………………………………………………..………10^-6

Давление насыщения  нефти газом Р_нас, МПа…………………………….…..9

Пластовое давление Р_пл , МПа………………………………….………….…11

Устьевое давление Р_у, МПа…………………………………………………1,53

Средняя температура  в стволе скважины, К……………………………….303

Коэффициент продуктивности К_пр, м³/(с∙Па)…………………….…..1,02∙10^-10

Объемный коэффициент  нефти при давлении насыщения b_нас…….…….1,16 
 
 
 
 
 
 
 
 

7.2 Определение подачи и параметров работы штангового насоса 

     Подача  глубинной насосной установки определяется по следующей формуле:

                         (7.2.1)

     Q= 36 м³/сут;

     где 1440 — число минут в сутках; D — диаметр плунжера насоса, м; S_б — длина хода головки балансира (сальникового штока), м; п — число качаний (двойных ходов) в минуту; r — относительная плотность жидкости; h — коэффициент подачи насосной установки.

     Формула (7.2.1) связывает пять переменных параметров, из которых можно определить любой при известных четырех других.

     Для ускорения и облегчения расчетов по определению подачи штанговых  насосов можно пользоваться специальной  таблицей или номограммой Иванова (рисунок 2), перестроенной для стандартных диаметров насосов и длин хода сальникового штока в соответствии с ГОСТ 5866—76 на станки-качалки. На практике чаще всего приходится определять Q, D и h, при этом произведение длины хода сальникового штока S на число качаний в минуту п принимают таким, чтобы оно не выходило из пределов, указанных в технических характеристиках станков-качалок. Следует ориентироваться на Sмах при котором Sn изменяется от 22,5 до 4,5, что соответствует скорости движения плунжера 0,75— 1,5 м/с.