В управлении процессом глубиннонасосной добычи нефти важнейшим источником информации о работе насоса являются данные динамометрирования, которые увязывают типоразмер спущенного в скважину оборудования, характеристику станка-качалки, глубину спуска насоса и динамический уровень, дебит скважины, обводненность и т. д.
Динамограмма работы штангового глубинного насоса представляет собой запись усилий. На практике используются динамограммы по перемещению точки подвеса штанг.
Приведем технические средства, применяемые для получения динамограмм:
а) гидравлический динамограф ДГМ конструкции Г.М.Мининзона, – это прибор, обеспе
чивающий достаточную точность динамограмм; он удобен в работе и портативен;
б) различные системы телединамометрирования, достоинством которых является воз
можность быстрого получения динамограмм непосредственно на устье с последующей рас
шифровкой на ЭВМ,
Методика расшифровки (чтения) динамограмм основана на теоретической динамог-рамме нормальной работы глубинного насоса (рис. 1), при построении которой учтено действие лишь следующих сил: тяжести, упругости материала штанг и труб; полужидкого трения (штанг о трубы, плунжера в цилиндре и др.) и силы Архимеда. Исключено действие сил инерции движущихся масс и гидродинамического трения, т. е. движение штанг предполагается замедленным. Кроме того, принято, что насос и трубы герметичны, откачиваемая жидкость лишена упругости и дегазирована, цилиндр насоса полностью заполняется жидкостью. При ходе штанг вниз действует трение, уменьшающее нагрузку в точке их подвеса. Поэтому динамограф записывает линию Г1А1, соответствующую нагрузке от веса штанг, погруженных в жидкость, минус сила трения. Так как и вес штанг, и сила трения постоянны по величине, то линия Г1А1 получается прямой, параллельной нулевой линии динамограм-мы. Если бы трение отсутствовало, динамограф записал бы линию АГ (пунктир), соответствующую фактическому весу штанг, погруженных в жидкость.
Очевидно, что трение уменьшает полезную длину хода плунжера, а значит, и производительность насоса.
Нагнетательный клапан закрывается в точке А1, а не в точке А, как это было бы при отсутствии трения. В следующий момент штанги должны изменить направление движения (снизу -вверх). Поэтому должно быть снято трение при ходе вниз и «набрано» трение при ходе вверх. Этот процесс записывается отрезком прямой А1А2 с некоторым наклоном вправо.
С точки А2 начинается процесс восприятия штангами нагрузки от веса столба жидкости,
который записывается прямой линией А2Б1 (отрезки АА2 и 56 1 одинаковы). Нагрузка в точке Б1 равна сумме весов штанг и жидкости плюс сила трения (вес жидкости – это вес столба с площадью, равной сечению плунжера, и высотой – от приведенного динамического уровня до устья скважины), В точке Б ! открывается приемный клапан насоса, начинается движение плунжера вверх и вход жидкости из скважины в цилиндр насоса. Далее следует движение плунжера и штанг, описывающееся линией Б1В1.
Как только точка подвеса штанг начинает движение вниз, изменяются направление и величина сил трения. Снятие нагрузки от веса жидкости начинается в точке В2 и изображается линией В2Г1, параллельной линии восприятия нагрузки штангами А2Б1. При этом вес столба жидкости передается на трубы – происходит процесс разгрузки штанг и нагружения труб.
В точке П открывается нагнетательный клапан насоса и плунжер начинает двигаться вниз -происходит процесс движения плунжера вниз, изображаемый отрезком П А1, параллельным Б1В1.
Таким образом, цикл действия глубинного насоса состоит из четырех процессов и изображается в координатах: нагрузка Р на штанги в точке подвеса и перемещение S точки подвеса в виде параллелограмма.
ей и внутренний – пунктиром. Первый изображает цикл насоса с учетом полужидкого трения, а пунктирный – без учета сил трения. Цикл, изображенный пунктиром, является простейшим теоретическим циклом (соответственно имеем простейшую теоретическую динамограмму) нормальной работы глубинного насоса. Именно эта динамограмма является основой обработки и чтения практических динамограмм, получаемых на скважинах.
Параллельность линий восприятия нагрузки штангами (и одновременно разгрузки труб) и разгрузки штанг (одновременно нагрузки труб) является важнейшим признаком отсутствия утечек жидкости в насосе.
Практические динамограммы нормальной работы насоса вследствие действия сил инерции и возникновения собственных и вынужденных упругих колебаний штанговой колонны отличаются от простейшей динамограммы тем больше, чем больше число качаний станка, глубина спуска насоса и (в меньшей мере) длина хода. Поэтому до значения параметра т = 0,00002 xnL = 0,2/0,25 (п – частота качаний в минуту; L – глубина спуска насоса в м) динамограммы читаются без затруднений. При m > 0,2/0,25 возникают затруднения, усложняющие полную расшифровку динамограмм, вплоть до почти полной «нечитаемости» их на основе элементарной методики, излагаемой здесь. В таких случаях нужно использовать метод А.С.Вирновского расчета и построения глубинной динамограммы насоса по данным, получаемым из обычной динамограммы, снятой в точке
подвеса штанг. Этим методом глубинная динзмограмма усилий, например в самой нижней штанге, дает возможность исключить влияние колебательного процесса в штангах, трубах и столбе жидкости и полунить легкочитаемую динамограмму непосредственно глубинного насоса.
Рис. 2. ‘,
Практические динамограммы нормальной работы насоса
На рис. 2 показаны практические динамограммы нормальной работы глубинного насоса. Волнообразные линии при ходах штанг вверх и вниз фиксируют упругие колебания штанг: собственные и вынужденные с превалированием первых. При больших величинах сил трения и больших утечках в рабочих парах насоса колебания сильно затухают, вплоть до полного исчезновения.
Рис. 3.
Изменение формы динамограммы с изменением числа качаний а – п = 7; б – п * 13; в – п = 24
На рис. 3 представлена серия динамограмм, снятых при различных числах качаний станка и постоянстве всех других параметров откачки и условий эксплуатации, показывающих существенные изменения формы динамограммы вследствие интенсивного колебательного процесса, возникающего в штанговой колонне.
Методика элементарной обработки динамограмм, снятых в точке подвеса штанг при значении т, не большем 0,2/0,25, в общих чертах, состоит в построении простейшей теоретической динамограммы (параллелограмма) и в сравнении ее с обрабатываемой практической динамограммой. При возникновении различных дефектов в насосной установке происходят соответствующие изменения в геометрии динамограммы.
Следует учитывать, что без обработки динамограммы составление правильного заключения возможно лишь в случаях, когда параметры оборудования скважины после предшествующего динамометрирования (проведенного с обработкой динамограммы) не изменились, а конфигурация новой динамограммы дает исчерпывающую информацию о работе оборудования и без ее обработки.
Ниже приводится краткое описание и разбор наиболее характерных динамограмм, фиксирующих часто встречающиеся отклонения от нормальной работы глубинных насосов.
Динамограммы, фиксирующие утечки жидкости в подземном оборудовании.
Имеются в виду утечки более или менее значительной величины, влияющие на подачу насоса (по практическим замерам подачи). Утечки, составляющие 5% и менее от производительности насоса, трудно обнаружить на промысловой динамограмме.
а б
Рис. 4.
Динамограммы работы насоса с утечкой жидкости
в нагнетательной части
а – простейшая теоретическая; б – практическая
На рис. 4а приводится простейшая теоретическая динамограмма, показывающая значительную утечку жидкости нагнетательной части насоса. Под этим термином подразумевает -
ся утечка в зазоре между плунжером и цилиндром, в нагнетательном клапане, в месте сопряжения седла клапана и гнезда и др. В каждом конкретном случае утечка может возникнуть в одном из перечисленных мест и может быть любое сочетание этих видов утечки, но форма динамограммы (если величина утечки одна и та же) будет почти одинаковой. Методов количественной оценки величины утечки по динамограмме не существует.
Характерной особенностью динамограмм рассматриваемого типа является нарушение параллельности линий восприятия нагрузки штангами и разгрузки штанг. Наклон линии восприятия увеличивается, а наклон линии разгрузки уменьшается, и сама линия закругляется в части, соответствующей концу хода плунжера вверх. Имеются и другие признаки, хорошо видные на рис. 4а. На рис. 46 приводится в качестве примера практическая динамограмма утечки жидкости в нагнетательной части насоса.
и б
Рис. 5.
Динамограммы работы насоса с утечкой жидкости в
приемной части
а – простейшая теоретическая; б – практическая
На рис. 5а и 56 приводятся теоретическая и практическая динамограммы значительной по величине утечки жидкости в приемной части насоса, т. е. между шариком и седлом приемного клапана, между конусом и седлом и т. д. В общем форма динамограммы при утечке жидкости в приемной части глубинного насоса такая же, как и при утечке ее в нагнетательной части, но повернута в отношении осей координат на 180°.
В обоих рассматриваемых видах динамограмм фиксируется тем большая относительная утечка жидкости, чем сильнее форма динамограммы отличается от формы простейшей теоретической динамограммы – в первую очередь в отношении нарушения параллельности линий восприятия нагрузки и разгрузки.
Динамограммы незаполнения цилиндра насоса жидкостью.
Эти динамограммы могут получаться по двум совершенно различным причинам:
1. Вследствие превышения производительности насоса над притоком жидкости в скважину (включая частный случай полного отсутствия притока), при этом динамический уровень находится у приема насоса;
2 Когда динамический уровень находится выше приема насоса и в насос вместе с жидкостью поступает газ {газожидкостная смесь, поднимающаяся с забоя по скважине).
Рис. 6.
Динамограммы незалолнения цилиндра насоса жидкостью
а – простейшая теоретическая {газ с большой упругостью); б – практическая того же типа; в – простейшая теоретическая с малым давлением газа; г – практическая того же типа
Следует учитывать, что установить причину незаполнения цилиндра жидкостью непосредственно по форме динамограммы можно лишь тогда, когда погружение насоса под динамический уровень значительное (порядка 50 м
и более). При этом газ, поступающий вместе с жидкостью в насос, обладает большим давлением и это заметно влияет на форму динамограммы. На рис. 6а приведена простейшая теоретическая динамограмма для такого случая. Здесь самый характерный признак – это отличие линии процесса разгрузки штанг от прямой линии, получающейся при отсутствии газа в цилиндре. На рис. 66 дана практическая динамограмма такого типа.
На рис. 6в приводится простейшая теоретическая динамограмма незаполнения цилиндра жидкостью для случая, когда упругость газа почти не ощущается. К этому типу динамограмм приближаются динамограммы, получаемые в случаях, когда динамический уро-
вень находится у приема насоса или же погружение приема не очень велико. На рис. 6г дана практическая динамограмма такого типа. В большинстве случаев на практике для установления причины незаполнения прибегают к следующему. После остановки скважины в течение некоторого времени снимают серию динамограмм. Если окажется, что степень незаполнения цилиндра жидкостью явно возрастает с течением времени и затем более или менее стабилизируется, имеет место случай, когда уровень находится у приема насоса. Если же степень незаполнения изменяется незначительно, происходит влияние пластового газа.
Динамограммы, показывающие наличие механических неполадок в подземном оборудовании (приложение 11).
Посредством динамометрирования можно также обнаружить течь в соединениях насосных труб, фонтанные проявления в скважине, приближенно определить местонахождение динамического уровня в скважине и т. д. (см. руководство по динамометрированию И.Г.Белова).
Следует учитывать, что без систематического применения динамометрирования и полного использования получаемой при этом информации нельзя осуществлять процесс глу-биннонасосной добычи нефти на должном уровне.
фиксирующий прибор
Датчик сжатия штанг
