Эксплуатация скважин штанговыми насосными установками

    Зазор на сторону, мкм………………….0 - 22,5    10 - 35    35 - 60    60 - 85 

    Насосы  с группой посадки 0 и I применяют для откачки маловязкой нефти при глубине спуска свыше 1200 м в скважинах с повышенными устьевыми давлениями; насосы II группы посадки - для откачки жидкости малой и средней вязкости с глубины до 1200 м и средней температуре; насосы III группы посадки - для откачки высоковязкой жидкости или с высокой температурой, а также с повышенным содержанием асфальто-смолопарафиновых веществ и песка.

    При повышенных скоростях откачки  Sn>34 м∙мин^-1 или высокой вязкости жидкости необходимо выбирать насосы с клапанными узлами увеличенного проходного сечения. Здесь S - длина хода полированного штока, м; n - число качаний балансира мин^-1. В соответствии с вышеизложенными для рассматриваемых расчетных вариантов могут быть выбраны следующие насосы.

6. Выбираем колонны насосно-компрессорных труб.

    При насосной эксплуатации применяют насосно-компрессорные  трубы (табл. 9.3).

    Диаметр НКТ выбирают в зависимости от типа и условного размера ШСН  согласно табл. 4.

    В соответствии с табл. 4 для 1-го варианта выбираем НКТ с условным диаметром 60 мм.

    При откачке высоковязкой жидкости для  снижения гидродинамического трения штанг  целесообразно выбирать НКТ с  условны диаметром н 1-2 размера  большим, чем рекомендуемой в  табл. 4.

    Во  всех расчетных вариантах могут быть использованы трубы гладкие или с высаженными наружу концами из стали группы прочности Д (см. табл.3).  

    Расчет  коэффициента сепарации  газа у приема насоса

    Задача 2. Рассчитать коэффициент сепарации  газа у приема насоса.

    Решение. Коэффициент сепарации газа у приема ШСН определяем по приближенной формуле 

                                                                          (9) 

    где D_эк - внутренний диаметр эксплуатационной колонны скважины, м; D_тн - наружный диаметр насосно-компрессорных труб на уровне приема насоса, м; ω_s - относительная скорость движения газа на участке приема насоса.

    Если  экспериментальные данные отсутствуют, то в первом приближении может  быть использована следующая зависимость:

                           0,02 м/с при В≤0,5,

                            ω_s=    0,17 м/с при В>0,5. 

    Вследствие  сепарации части свободного газа у приема насоса изменяется газовый  фактор жидкости, поступающей в насос  и НКТ (так называемый «трубный»  газовый фактор), который определяют по формуле 

                                                      (11)

    предполагая состав газа неизменным, скорректированное  значение давления насыщения р_нас, соответствующее «трубному» газовому фактору, определяется из условия  

                                                                                            (12)

    или по следующей формуле: 

                                            (13) 

    Затем рассчитаем расход свободного газа и газожидкостной смеси , поступающих в насос, т.е. с учетом коэффициента сепарации  

                                                                    (14) 

                                                             (15)

    Подставим в формулу (9.9) - 9.15) числовые значения величин для 1-го расчетного варианта: 

                        

                       м³/м³; 

                      МПа; 

                         м³/с; 

                        м³/с=16,41 м/сут; 

Определение давления на выходе насоса

    Распределение давления по длине колонны НКТ  может быть рассчитано по одной из методик, приведенных в гл. 5.; при этом необходимо учесть, что продукция движется по кольцевому зазору между трубами и насосными штангами.

    Задача 3. Определить давления на выходе насоса.

    Решение. Давление на глубине спуска насоса L_н, определяемое по соответствующей кривой распределения, принимаем за давление на выходе насоса; р_вн =9,6 МПа.

    Далее рассчитываем характеристики продукции, поступающей из насоса в колонну НКТ при ходе нагнетания, т.е. при р_{вн і} , по (1) - (8), аналогично тому, как это было сделано ранее для давления р_{пн і} .

    Для 1-го варианта р_{вн і} < , следовательно в продукции имеется свободный газ:  

    b_н(р_вн)=1+ (1,28 - 1)[(9,6- 0,1)/(13,0 - 0,1)]^0,25=1,43; 

    b_ж(р_вн)=1,43(1 - 0,2) + 1∙0,2=1,3; 

    Q_ж(р_вн)=1,3∙1,35∙10^-4/(1 - 0,2)=2,2∙10^-4 м³/с; 

    Г₀(р_вн)=60[(9,6 - 0,1)/(13,0 - 0,1)]^0,5=48,3 м³/м³; 

     1,35∙10^-4(52,71-48,3)∙1∙0,1∙330/(9,6∙273)=0,075∙10^-4 м³/с; 

       (1,1+0,075)∙10^-4=1,075∙10^-4 м³/с=10,15 м³/сут. 

    Определение потерь давления в клапанных узлах

    Расчет  максимального перепада давления р_кл, возникающего при движении откачиваемой продукции через клапанные узлы насоса, основан на результатах работ А.М.Пирвердяна и Г.С.Степановой. В расчетах принято, что при наличии в потоке жидкости потока свободного газа в качестве расчетной используется максимальная абсолютная скорость течения смеси через отверстие седла клапана, а при откачке обводненной смеси не образуется высоковязкая эмульсия.

    Расчет  потерь давления р_кл ведется в следующем порядке.

    Расходы газожидкостной смеси через всасывающий и нагнетательный клапаны определены в задачах 2 и 3: 

                                    

    Максимальная  скорость движения продукции в отверстии седла клапана с учетом неравномерности движения плунжера и соответствующее этой скорости число Рейнольдса Re_кл равны соответственно  

                                                                                       (16) 

                                                                                   (17) 

    где d_кл - диаметр отверстия в седле клапана, м; υ_ж - кинематическая вязкость жидкости, м²/с. В качестве υ_ж выбирается вязкость того из компонентов, содержание которого в откачиваемой продукции наибольшее.

    Задача  4. Определить потери давления в клапанных узлах.

    Решение. Для 1-го варианта

    Q_{кл вс}=1,9∙10^-4 м³/с,

    Q_{кл н}=1,175∙10^-4 м³/с.

    υ_{max вс} =4∙1,9∙10^-4/(0,02)²=1,9 м/с;

    υ_{max н} =4∙1,175∙10^-4/(0,011)²=1,72 м/с;

    Re_{кл вс} =1,9∙0,02/(2∙10^-6)=2∙10⁴;

    Re_{кл н} =1,175∙0,025/(2∙10^-6)=1,81∙10⁴. 

    По  графикам Г.С.Степановой определяем коэффициент  расхода клапана ξ_кл в зависимости от числа Рейнольдса, вычисленного по (17) (рис. 3 кривая 1) ξ_{кл вс}=ξ_{кл н}=0,4.

    Перепад давления в клапане рассчитываем по формуле 

                                                                                 (18) 

    где ρ_жд - плотность дегазированной жидкости.

     

                      ρ_жд=ρ_нд(1-β_в)+ρ_вβ_в=800(1-0,1)+1000∙0,1=860 кг/м³;             (19) 

                    =(1,9)²∙860/(2∙0,4²)=0,9∙10⁴ Па≈0,01 МПа;

                    =(1,72)²∙860/(2∙0,4²)=0,8∙10⁴ Па≈0,008 МПа. 

    Затем рассчитываем давления в цилиндре насоса при всасывании и нагнетании:

                     р_{вс ц}=р_пн - р_{кл вс}=4,0-0,01=3,99 МПа;                                     (20) 

                    р_{н ц}=р_вн - р_{кл н}=9,6+0,008=9,608 МПа.                                       (21) 

    Расчет  утечек в зазоре плунжерной пары

    На  стадии проектирования штанговой насосной эксплуатации, когда еще не известен режим откачки, утечки в зазоре плунжерной пары нового (неизношенного) насоса рассчитываем по формуле А.М.Пирвердяна: 
 

                                                      (22) 

    где  ρ_ж, υ_ж - плотность и кинематическая вязкость откачиваемой жидкости; l_пл - длина плунжера, м (для серийных насосов l_пл=1,2 м); - зазор между плунжером и цилиндром при их концентричном расположении, м; С_э - относительный эксцентриситет расположения плунжера в цилиндре, т.е. отношение расстояния между их центрами к величине (0≤С_э≤1).

    Формула (22) справедлива для ламинарного режима течения жидкости в зазоре, причем условие сохранения этого режима согласно имеет следующий вид: 

                               Re=q_ут/(πD_пл υ_ж) ≤ Re_кр=10³,                                        (23) 

    где Re_кр - критическое значение числа Рейнольдса.

    При турбулентном режиме течения жидкости в зазоре утечки можно приближенно  определить по следующей зависимости: 

                              q_ут=4,7πD_пл [δ³(р_вн-р_{вс ц})/(l_плρ_ж)]^4/7∙1/υ^1/7_ж                     (24)      

    После выбора режима откачки, когда известны длина хода плунжера S_пл и число двойных ходов плунжера в секунду N, можно уточнить объем утечек по следующей формуле: 

                                                                           (25) 

    Оценим  утечки для каждого из расчетных  вариантов. Предварительно принимаем: Сэ=0,5 - среднее значение для всех вариантов: δ₁=0,25 10^-4 м, δ₂=0, 5 10^-4 м, δ₃=0,75 10^-4 м в соответствии с выбранной в задаче 9.1 настоящего раздела группой посадки насоса; υ_ж1= υ_в1; υ_ж2= υ_в2, так как вследствие сепарационных процессов в полости НКТ над насосом накапливается вода, υ_ж3= υ_н.

    Задача  5. Рассчитать утечки в зазоре плунжерной пары.

    Решение.

     м³/с.

    Проверим  характер течения в зазоре 

    

    Следовательно, режим течения жидкости в зазоре - ламинарный. 

    Расчет  коэффициента наполнения скважинного насоса

    влияние свободного газа, поступающего в цилиндр  насоса, на его подачу оценивают  коэффициентом наполнения η_нап: 

                                       η_нап=V_ж(р_пн)/V,                                                          (26) 

    где V_ж(р_пн) - объем жидкости, поступающей в цилиндр насоса из скважины в течение хода всасывания при давлении р_пн ; V=F_плS_пл - объем, описываемый плунжером при всасывании; S_пл - длина хода плунжера.