Вплив характеристик наземного та глибинного обладнання на режим роботи верстата-гойдалки

Б.Д.Малько

При роботі верстата-гойдалки навантаження, яке сприймає виконавчий механізм, містить такі складові [1]:

де: - максимальне та мінімальне значення сили корисного опору; - статичні (постійні) навантаження, спричинені вагою штанг у рідині та силою гідростатичного тиску стовпа рідини, що знаходиться в насосно-компресорних трубах (НКТ), на плунжер глибинного насоса; - інерційні навантаження, спричинені прискоренням колони штанг у верхній та нижній мертвих точках та інерцією стовпа рідини в момент початку його руху; - вібраційні складові навантаження, викликані коливаннями колони штанг; - сили тертя, які складаються з тертя штанг об труби та плунжера об стінки циліндра насоса, а також сил гідравлічного опору та гідравлічного тертя штанг у рідині.

Розрахунок максимальних та мінімальних значень сили корисного опору виконується в таких випадках:

- при визначенні максимальних, мінімальних та приведених напружень, за допомогою яких проводиться вибір компоновки колони штанг перед спуском насоса в свердловину;

- для порівняння діючих при експлуатації свердловини приведених напружень в колоні штанг з гранично допустимими;

- при діагностуванні технічного стану глибинного обладнання;

- при визначенні навантаженості наземного обладнання та виконанні якісного зрівнова-жування верстата-гойдалки.

Режим роботи насосної установки може бути статичним і динамічним. Статичним режимом називається такий, для якого максимальні навантаження практично не залежать від динамічних (інерційних та вібраційних) складових. Динамічні навантаження можуть бути незначними порівняно зі статичними, тоді ними нехтують, вважаючи режим роботи установки статичним.

На сьогодні існує чимало спрощених методик розрахунку максимального навантаження [2, 3, 4, 5], які наближено враховують вплив динамічних навантажень.

В свій час А.Н.Адоніним, І.Г.Беловим, Л.Н.Бегляровим було проведено значну кількість експериментів з дослідження коливань вільної штангової колони [6], на основі яких авторами побудовані графіки зростання інерційного навантаження при поступовому збільшенні числа гойдань балансира та запропоновано формулу для визначення граничного числа гойдань балансира верстата-гойдалки

,

де - глибина спуску насоса, м.

Відповідно до цієї формули коливання починають суттєво впливати на збільшення навантаження при числі гойдань балансира близько 36 гойд./хв для глибини підвіски насоса в 1000 м та 17 гойд./хв при збільшенні глибини підвіски до 2000м. В роботі [7] досліджено зростання навантаження виконавчого механізму та колони штанг внаслідок явища резонансу, який проявлявся при кутовій швидкості кривошипа
1 = 1,8 с-1 (17.2 об/хв). Значення діючих навантажень значною мірою залежить від компоновки глибинного обладнання та параметрів газорідинної суміші, що видобувається з свердловини [8].

Важливою складовою динамічного навантаження виступає прискорення точки підвіски штанг від якого безпосередньо залежить сила інерції.

Найпростішим параметром для визначення межі між статичним та динамічним режимами роботи глибинонасосної установки виступає критерій Коші [1]

,

де: - швидкість звуку в колоні штанг, м/с;

1 - кутова швидкість обертання кривошипа, с-1.

Проте цей параметр не враховує довжини ходу плунжера глибинного насоса, яка в існуючих конструкціях верстатів-гойдалок може змінюватись в значних межах від 0,5 до 5 м і більше. Тому академіком Л.С.Лейбензоном [6] запропоновано формулу для розрахунку максимальних інерційних навантажень з додатковим врахуванням довжини ходу плунжера глибинного насоса та площі перерізу колони насосних штанг

,

де: - модуль пружності сталі, кг/см2; Ашт - площа перерізу штанг, см2; - параметр Коші; Н - довжина ходу точки підвіски штанг, м.

В наведених вище роботах аналізується вплив динамічної складової на максимальне навантаження, яке діє при русі штанг вгору. Для врахування динамічних навантажень при русі штанг як вгору, так і вниз пропонується враховувати зміну інерційного навантаження визначаючи силу інерції через фактор динамічності [1]

,

де: - вага колони штанг в рідині; - фактор динамічності; - радіус кривошипа верстата-гойдалки; - довжина шатуна; знак “+” приймають для крайнього нижнього положення точки підвіски штанг.

Статичною складовою навантаження виступає вага колони штанг.

Проте розрахунки за вказаними формулами не дають змоги дослідити, як змінюється сила інерції протягом всього робочого циклу, визначити вплив на нього геометричних пара-метрів виконавчого механізму верстата-гойдалки та всіх параметрів глибинного обладнання.

Більш доцільно проводити визначення впливу динамічної складової на навантаження точки підвіски, користуючись коефіцієнтом динамічності [9]

,

де:

- максимальне навантаження, визначене при врахуванні тільки статичної складової; - максимальне навантаження, визначене при врахуванні додаткового динамічного навантаження.

Значення сили, що діє в точці підвіски штанг залежно від параметрів глибинного обладнання можна визначити:

- для рух штанг вгору

- для рух штанг вниз

де: - гравітаційне прискорення; - прискорення точки підвіски штанг; - діаметри штанг, плунжера та отворів впускного та нагнітального клапанів глибинного насоса; - густина матеріалу штанг та рідини; - коефіцієнт, що враховує зменшення ваги занурених у рідину свердловини; - динамічний рівень рідини в експлуатаційній колоні; - лінійний тиск рідини на гирлі свердловини та тиск газу над рідиною в свердловині; - втрата тиску у нагнітальному клапані.

Формули (7) дають змогу встановити залежність навантаження виконавчого механізму верстата-гойдалки як від наземних, так і глибинних параметрів обладнання та рідини, що видобувається з свердловини.

Максимальне значення навантаження залежить від динамічної складової - сили інерції, яка визначається в момент передачі на колону штанг всієї маси рідини, що знаходиться в насосно-компресорних трубах,

де: - сумарна маса, приведена в точку підвіски штанг; - маса колони штанг, зануреної в рідину; - маса рідини, що знаходиться над плунжером глибинного насоса.

Для визначення залежності прискорення від кінематичних параметрів виконавчого механізму запишемо лінійне прискорення точки підвіски штанг через кутове прискорення балансира

,

де: , - кутове прискорення та довжина переднього плеча балансира верстата-гойдалки;

- друга передавальна функція балансира; - перша передавальна функція шатуна; - перша передавальна функція балансира; r - відстань від осі обертання кривошипа до точки з'єд-нання його з шатуном; l - довжина шатуна; k - довжина заднього плеча балансира; - кути, що позначають положення кривошипа, шатуна та балансира і відраховуються від горизонталі.

В першому наближенні приймемо, що кривошип рухається з постійною кутовою швидкістю 1=const, тому 1=0.

Записавши кутову швидкість кривошипа через його оберти, отримаємо формулу для аналізу впливу числа гойдань та довжини ходу плунжера на прискорення точки підвіски штанг

.

Згідно з (8) зміна прискорення точки підвіски штанг, а отже й сили інерції, відбувається відповідно до другої передавальної функції балансира і пропорційно квадрату числа гойдань та довжині переднього плеча балансира.

У виконавчих механізмах верстатів-гойда-лок єдиним змінним геометричним параметром виступає відстань від осі обертання вала кривошипа до точки з'єднання його з шатуном, за допомогою якої регулюється довжина ходу точки підвіски штанг. На рис. 1 побудовано графіки залежності другої передаточної функції балансира від довжини ходу плунжера для верстата-гойдалки UP12T-3000-5500, аналізуючи які можна відзначити, що:

1 - значення сили інерції буде тим більшим, чим швидше відбувається процес передачі рідини на штанги;

2 - на початку руху штанг вгору та в кінці їх руху вниз динамічна складова додатково навантажує точку підвіски штанг;

3 - в кінці руху вгору та на початку руху штанг вниз прискорення сприяє зменшенню навантаження.

4 - збільшення довжини ходу плунжера від 1 до 3 м сприяє зростанню динамічної складової на 180%.

Для аналізу впливу маси колони штанг та рідини на динамічну складову побудуємо графік залежності зміни навантаження точки підвіски штанг від кута повороту кривошипа (рис. 1, б).

Даний графік має дві характерні ділянки деформації штанг та насосно-компресорних труб (НКТ), які характеризуються кутами сп, п - сприйняття та передачі навантаження.

Для невеликих глибин підвіски насоса, до 800м, кут повороту кривошипа на протязі якого відбувається деформація штанг та НКТ змінюється в межах до 20-250 і далі зростає з збільшенням глибини підвіски насоса.

Максимальне динамічне навантаження при ході вгору буде діяти тоді, коли сп 0 (рис. 1), тобто на невеликих глибинах. В цьому випадку при русі вгору прискорення точки підвіски штанг та маса, приведена в неї, будуть найбільші. навантаження полірування верстат качалка

На рис. 1, в, г наведені теоретичні динамограми, побудовані для чисто статичного навантаження та з врахуванням динамічної скла-дової. Розрахунки виконані для 44 мм насоса при числі гойдань балансира - 6,6кач./хв, для глибини підвіски 700 м (рис. 1, в) та 2000 м (рис. 1, г). На великих глибинах - понад 2000 м значення максимальної сили інерції буде визначатись в основному масою колони штанг. В той же час, вплив сили інерції на зменшення мінімального навантаження не залежить від глибини підвіски, а визначається здебільшого масою штанг.

Негативний вплив сили інерції при русі вниз пояснюється тим, що вона сприяє зменшенню мінімального навантаження на початку ходу точки підвіски штанг вниз. Це суттєво для верстатів-гойдалок з балансирним та комбінованим зрівноважуванням, оскільки для цих установок розрахунок необхідної ваги балансирних противаг базується на значенні мінімального зусилля.

причому цей вплив більше проявляється на невеликих глибинах. При збільшенні глибини під-віски залежність коефіцієнта динамічності від діаметра плунжера зменшується. Так, для глибини підвіски 700 м коефіцієнт динамічності становитиме 1.05 для 29 мм насоса та 1.1 для 70 мм насоса відповідно. При зростанні глибини підвіски вплив діаметра насоса зменшується.

На рис. 2 побудовані графіки залежності коефіцієнта динамічності від параметрів, які мають визначальний вплив на зміну його значення: діаметра плунжера глибинного насоса та числа гойдань балансира. Графіки побудовані з врахуванням максимально можливої глибини підвіски насосів певного діаметра, що пов'я-зано з їх технічними характеристиками [1]. Відповідно до рис. 2 коефіцієнт динамічності зменшується при зростанні глибини підвіски насоса та збільшенні діаметра плунжера. Для початку ходу штанг вгору та наприкінці ходу їх вниз завжди Kd >1.

На динамічну складову значний вплив має діаметр плунжера глибинного насоса (рис. 2, а)

Отже, можна зробити такі висновки:

1 Правильне визначення максимальних значень навантаження верстата-гойдалки та режиму його роботи можливе тільки при найбільш повному врахуванні характеристик як наземного, так і глибинного обладнання.

2 Маса рідини, що знаходиться в колоні насосно-компресорних труб, має значний вплив на максимальне навантаження особливо для невеликих глибин підвіски штангового насоса.

3 Експлуатація свердловини насосами великих діаметрів на менших довжинах ходу призведе до зменшення динамічних навантажень.

Література

Бойко В.С., Кондрат Р.М., Яремійчук Р.С. Довідник з нафтогазової справи. - К.- Львів, 1996. - 620 с.

Мищенко И.Т.Расчеты в добыче нефти. - М.: Недра, 1989. - 245 c.