УДК 622.276.53.054.22
© М.Е. Рожкин, 2009
Анализ экспериментального моделирования скважинного штангового насоса
М.Е. Рожкин (Ухтинский гос. технический университет)
Analysis of experimental simulation of the well sucker rod pump
M.E. Rozhkin (Ukhta State Technical University)
The results of experimental simulation of the well sucker rod pump with a specially designed stand are analyzed. It is shown, that the delivery rate with the gas concentration increase at the pump intake decreases nonlinearly. It is established, that with the rod travel velocity increase the coefficient of bucket rods elastic extensions decreases. High reliability of evaluation of the actual well production, the capability of the pump fault diagnosis with a high degree of accuracy are shown experimentally The dynamometer card form change depending on the gas content in the pump intake is revealed.
Ключевые слова: экспериментальное моделирование, скважинный штанговый насос, СШН. Адрес для связи: merozhkin@gmail.com.
В настоящее время более 70 % действующих нефтяных скважин промыслов России оборудованы установками сква-жинных штанговых насосов (УСШН). Преобладание этого способа эксплуатации объясняется простотой конструкции и обслуживания скважинного штангового насоса (СШН), возможностью работы в малодебитных скважинах [1]. СШН является гидравлической вертикальной машиной объемного типа, которому присущи специфические особенности. Так, на коэффициент подачи насоса, который является основным параметром, характеризующим качество его работы, значительно влияют следующие факторы:
• газосодержание нефти на приеме насоса;
• упругие деформации колонны штанг;
• утечки в нагнетательном и всасывающем клапанах [2].
Нами предпринята попытка экспериментального моделирования работы СШН. ОАО «Фесто-РФ» успешно выполнило проект и изготовило лабораторный стенд [3] (рис. 1), позволивший моделировать:
• реальную работу СШН для определения коэффициента подачи;
• влияние растворенного газа в нефти на коэффициент подачи;
• упругие деформаций колонны штанг;
• динамометрирование работы СШН.
Для анализа степени влияния раство-
валась подача воздуха с расходом 0,17 - 0,97 л/мин. Результаты множества замеров усреднялись, и принималось итоговое число для дальнейшего расчета фактического дебита СШН. Коэффициент подачи в этом случае равен отношению фактического дебита к теоретическому. При максимальном расходе воздуха иногда наблюдался срыв подачи насоса, что характеризовалось проскальзыванием пузырьков газа через нагнетательный и всасывающий клапаны. Структура потока при этом являлась снарядной (пробковой или чечеточной) [4, 5]. Крупные пу-
Рис. 1. Принципиальная пневмогидравлическая схема лабораторного стенда:
А1 - линейный пневматический бесштоковый привод; БПВ - блок подготовки воздуха; С1 - компрессор; ренного газа в нефти на коэффициент по- Н1 - мерный бак; Н2 - резервуар с жидкостью; Р1 - центробежный насос; - дроссель с обратным клапаном; V02, V03, V04 - обратные клапаны; VI - отсекающий клапан; V2 - пропорциональный распределитель с электроуправлением; V3, V4 - редукционные клапаны; V5, V6, \П - распределители; Z1 - ультразвуковой датчик; Z2, Z3 - датчики давления; Z4 - датчик расхода
дачи СШН были проведены серии экспериментов: с помощью дросселя регулиро-
114
10'2009
НЕФТЯНОЕ ХОЗЯЙСТВО
зырьки двигались в основном по кольцевому пространству между НКТ и колонной штанг и по внешней форме напоминают снаряды или пробки. Анализ результатов расчетов показал, что коэффициент подачи с увеличением концентрации газа на приеме насоса снижается нелинейно (рис. 2).
Рис 2. Зависимость коэффициента подачи СШН от расхода воздуха при длине хода полированного штока 5, равной соответственно 300 (а), 450 (б) и 600 (в) мм (п - число качаний головки балансира)
Упругие деформации колонны штанг моделировали с помощью специального имитирующего модуля. Последний представляет собой пневматическое устройство, закрепленное на штоке и позволяющее колонне штанг растягиваться или уменьшаться по длине при ходе соответственно вверх и вниз. Модуль позволяет моделировать растяжения штанг до 0,025 м. Анализ данных экспериментального моделирования показал, что коэффициент упругих растяжений штанг меняется от 0,99 до 0,92 в зависимости от длины хода и числа качаний головки балансира. Установлено, что с увеличением скорости перемещения штока этот коэффициент уменьшается. Это является следствием возрастающих инерционных сил, действующих на колонну штанг. Анализ
литературных данных показал, что результаты проведенного нами экспериментального моделирования совпадают с теоретическими выводами на основе расчетов по фактическому фонду скважин, оборудованных УСШН [6].
Динамограммы работы УСШН пересчитывали из данных, представляющих собой нагрузки (по датчикам Z2 и Z3), изменяющиеся во времени, и из данных, представляющих координату перемещения штока в зависимости от времени [7]. По ним можно судить о нагрузках на шток, влиянии количества растворенного газа на форму фактической динамограммы. Исследования проводят на режимах, которые меняются в зависимости от длины хода, числа качаний и от количества газа. Анализ ди-намограмм показал, что они позволяют с высокой точностью определять дебит скважины, диагностировать неполадки в работе насоса.
Выводы
1. Коэффициент подачи с увеличением концентрации газа на приеме насоса снижается нелинейно. При значительном газосодержании на приеме насоса наблюдается срыв подачи, что характерно и для реальных скважин.
2. С увеличением скорости перемещения полированного штока уменьшается коэффициент упругих растяжений штанг в результате роста инерционных сил, действующих на колонну штанг.
3. Экспериментальное моделирование динамометрирования показало высокую достоверность оценки фактического дебита скважины, возможность диагностирования неполадок в работе насоса с высокой степенью достоверности, выявило зависимость формы динамограммы от газосодержания на приеме насоса.
4. С помощью экспериментального моделирования на лабораторном стенде можно прогнозировать работу штангового сква-жинного насоса, что очень важно для промысловых исследований работы УСШН.
Список литературы
1. Автоматизация периодически работающих скважин/ С.А. Алехин, С.Г. Кицнис, В.А. Оруджев, А.К. Островская- М.:Недра, 1980.
2. Адонин А.Н. Добыча нефти штанговыми насосами. - М.: Недра, 1979. - 213 с.
3. Техническое описание лабораторного стенда по исследованию модели штангового скважинного насоса [Техническое описание] / Ю. Артюшин, Д. Можаев, К. Разин, А. Сергеев. - М. : Отдел Дидактики ООО «Фесто - РФ», 2005. - 22 с.
4. Брил Дж. П., Мукерджи Х. Многофазный поток в скважинах. -Москва - Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2006. -384 с.
5. Coetano E.F., Shoham O. and Brill J.P. Upward Vertical Two-Phase Flow Through an Annulus, Part I: Single-Phase Friction Factor, Taylor Bubble-Rise Velocity and Flow-Patter Prediction//J.Energy Res. Tech. -1992. - 114 p.
6. Щуров В.И. Технология и техника добычи нефти: учеб. для вузов, изд. 2. - М.: Недра, 2005. - 510 с.
7. Мищенко И.Т. Скважинная добыча нефти: учебное пособие для вузов. - М: ФГУП Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2003. - 816 с.
НЕФТЯНОЕ ХОЗЯЙСТВО
10'2009
115
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.