Расчет нагрузок на головку балансира

Для определения нагрузки на головку балансира исполь­зуется проекция на ось скважины уравнения равновесия колонны штанг, которое запишем в виде

(65)

 

Начальное условие Т(0) = Р_пл и силы сопротивления F_T и F_μ

зависят, вообще говоря, от самого продольного усилия T(S) в направлении движения штанг. Зависимость F_Т от продольного усилия определена с учетом искривления скважины с помощью проекции уравнений равновесия колонны в нормальном к оси скважины направлении. Из выражения (47) имеем

(66), (67), (68)

При определении F и Р_пл приняты некоторые постоянные значения эксцентриситета колонны штанг в НКТ, и поэтому здесь F и Р_пл зависят не от продольного усилия, а лишь от направления движения колонны.

Обычно частота качаний станка-качалки гораздо меньше, чем частота собственных упругих колебаний колонны штанг. При этом рассматриваемое квазистатическое равновесие колонны соответствует усреднению за период времени больший, чем период собственных колебаний колонны [11].

В течение рабочего цикла насоса полированный шток дважды (в верхнем и нижнем положении) останавливается. Если бы колонна не растягивалась, то в эти моменты она бы тоже вся останавливалась. Поскольку коэффициент трения при нулевой скорости достигает локального минимума (трение покоя), то и нагрузки трения были бы наибольшими. Однако в действитель­ности часть колонны вследствие инерции и упругих перемещений продолжает двигаться, и поэтому трение не достигает экс­тремальных значений. Кроме того, вблизи моментов остановок штока меняются режим работы клапанов насоса и, следова­тельно, нагрузки на плунжер. Поэтому в эти моменты общие нагрузки на балансир также не достигают экстремума.

Когда полированный шток располагается вблизи среднего положения, клапаны насоса находятся в одном состоянии и нагрузки от веса и трения жидкости не изменяются. В эти отрезки времени колонна движется практически с одной скоростью, и для определения сил граничного трения можно считать скорость постоянной. Далее будем рассчитывать на­грузки в предположении постоянной вдоль колонны скорости, равной максимальной скорости движения полированного штока.

Рис. 25. Измене­ние прижимающей силы и кривизны оси ствола сква­жины по глубине: а - кривизна; б -прижимающая сила муфт; в - прижи­мающая сила тела штанг

 

Для расчетов по изложенной методике с помощью ЭВМ во ВНИИ составлена программа INCL. Программа позволяет определить нагрузку на головке балансира при ходе штанг вверх и вниз, а также при ходе вниз с незаполнением насоса. Кроме того, на всем протяжении колонны рассчитывают прижимающую силу и силу граничного трения муфт и штанг о насосные трубы. Дифферен­циальные выражения для характеристик профиля скважины представляют с помощью конечных разностей, интегрирование уравнения равновесия производят с помощью метода Эйлера. Программа позволяет рассчитывать одно-, двух- и трех­ступенчатую колонну.

Здесь приводятся результаты расчета для штанговой уста­новки в скв. 548 Сергеевского месторождения в Башки­рии. Инклинометрические измерения использованы через 40 м. Колонна составлена из штанг диаметром 19 мм и 22 мм в количестве соответственно 88 и 62. Длина штанги с муф­той 7,8 м. Длина колонны L - 1170 м, глубина подвески Н = 1140 м. Нагрузка от веса колонны составляет Р_вш = 30,03 кН. Диаметр насосных труб и плунжера равен соответ­ственно 62 и 43 мм. Максимальная скорость движения колонны 0,437 м/с. Вязкость продукции скважины 1,6 мПа*с.

На рис. 25 показаны кривизна оси скважины и силы гранич­ного трения при ходе колонны вверх в зависимости от

Таблица 9

Результаты замеров и расчета усилий на штанговую колонну

Номер скважины и площадь	Способ опреде­ления	Ртр, кН	Ршт, кН	Рmin, кН	Рmax, кН
	Расчет	18,4	29,4	23,3	50,0
Волконская	Динамограмма	14,5	27,5	22,9	48,9
	Расчет	15,9	31,9	25,2	50,4
Волконская	Динамограмма	13,1	30,4	26,0	52,9
	Расчет	32,6	35,0	25,2	65,3
Волконская	Динамограмма	21,1	29,7	20,5	60,9
	Расчет	10,5	22,4	19,1	43,7
Кушкульская	Динамограмма	9,3	20,0	15,4	41,2
	Расчет	10,2	26,6	23,2	42,9
Сергеевская	Динамограмма	8,9	26,0	22,3	40,1
	Развернутая Динамограмма	10,9	28,6	26,9	45,5

расстояния от устья X = L - S. Силы трения, отнесенные к единице длины, показаны отдельно для муфт и штанг: , . Нагрузка трения колонны составляет 0,20 нагрузки от ее.веса и обусловлена практически только граничным трением колонны. Силы вязкого трения при движении колонны ничтожны - 3,7 Н. Размеры зон касания и граничного трения штанг определяются главным образом кривизной оси скважины. Суммы сил трения муфт и штанг по всей колонне равны 4,98 кН и 0,94 кН, т.е. составляют 0,84 и 0,16 от на­грузки трения всей колонны.

Были рассчитаны нагрузки еще для некоторых штанговых установок на месторождениях Башкирии. Результаты расчета нагрузки на балансир при ходе вверх и вниз , а также сил трения сведены в табл. 9. Нагрузка трения Р_тр определена сложением абсолютных величин нагрузок трения при ходе штанг вверх и при ходе вниз с незаполнением насоса. В табл. 9 приведены также значения нагрузок, определенные по динамограммам. Сила трения по динамограммам определена с исполь­зованием методики "хвоста незаполнения". Для скв. 548 Сергеевского месторождения приведены результаты измерения также по развернутой динамограмме (рис. 26).

В БашНИПИнефти разработан дистанционный гидравлический динамограф, позволяющий получать развернутые динамограммы полированного штока во времени. Дистанционный динамограф состоит из силовой части гидравлического датчика, взятого от прибора ГДМ-3, тензодатчика, преобразующего гидравли­ческий сигнал в электрический, и каротажного регистратора марки КСП-4. Увеличение масштаба записи и исключение из гидравлической системы геликоидальной пружины позволяет повысить точность прибора.

Определение сил трения по развернутой динамограмме производится также по "хвосту заполнения", как и для замкнутой динамограммы.

Рис. 26. Динамограммы: а - замкнутая, б - развернутая

Из табл. 9 видно, что расчетные значения и данные динамограмм дают близкие результаты. В то же время можно от­метить, что нагрузки, определенные для одной и той же скважины по замкнутой и развернутой динамограммам, значи­тельно различаются. Отсюда следует, что точность самого динамометрирования невелика.

Как видно из приведенного на рис. 25, б примера, наи­большие потери на трение приходятся на муфты. Выше отмечено, что трение муфт в наклонных скважинах обычно происходит в условиях граничной смазки, на падающем участке характерис­тики (см. рис. 14). Поэтому во многих случаях можно понизить нагрузки на колонну, если увеличить вязкость поднимаемой жидкости.

Для такой же штанговой установки и скважины, как скв. 548 Сергеевского месторождения, были рассчитаны нагрузки при различной вязкости поднимаемой жидкости. На рис. 27 показаны в зависимости от вязкости нагрузки на колонну от вязкого и граничного трения Р_м и Р_т. Показана также результирующая нагрузка Р_б - Р_вш = Р_пл + Р_м + Р_т.

Нагрузка от граничного трения имеет минимум так же,,как характеристика коэффициента трения (см. рис. 14). В на­клонных скважинах граничное трение превышает вязкое соп­ротивление движению штанг, поэтому и общая нагрузка имеет минимум при изменении вязкости жидкости. В рассмотренном случае минимум сил трения и нагрузок достигается при вяз­кости жидкости 5,5 мПа * с. Поэтому в диапазоне вязкости, меньшем этого значения, происходит уменьшение нагрузки на колонну штанг. Следует отметить, что увеличение вязкости

Рис. 27. Нагрузки на головке балансира в зависимости от вязкости про­дукции для скв. 548 Сергеевского месторождения при ходе вверх (а) и вниз (б):

1, 2, 3 - нагрузка соответственно от вязкого трения, на плунжер и от граничного трения; 4 - разность между нагрузкой на головке балансира и весом штанг

должно приводить также к уменьшению износа колонны. Оче­видно, аналогичного эффекта уменьшения нагрузки от трения можно добиться также при повышении максимальной скорости движения колонны за счет увеличения длины хода полированного штока.

Приведенные зависимости позволяют, имея промысловые дан­ные, рассчитать усилие в точке подвеса штанг с учетом зон касания штанг, вязкого трения и коэффициента граничного трения колонны в виде интегрального показателя.

Ниже сопоставляются результаты расчетов и эксперимен­тальных исследований по скв. 622 Юсуповской площади. Скважина имеет следующие параметры работы: диаметр насоса -56 мм; длина штанг - 873 м; длина штанг диаметром 22 мм - 417 м; длина штанг диаметром 19 мм - 456 м; вязкость нефти –35*10^-3 Па*с; фактическая сила трения - 4615 Н.

Используя зависимости, приведенные в предыдущих разделах, произведены расчеты сил трения движению штанговой колонны. Результаты расчетов приведены в табл. 10 и на рис. 28 в виде эпюр прижимающих сил. Анализ результатов показывает, что наибольшие прижимающие силы развиваются в интервале 200-300 м. Кроме того, видно, что в зависимости от кон­фигурации скважины прижимающие силы за счет веса штанг и эйлеровой силы могут как складываться, так и противо­действовать друг другу. Результаты показывают также, что прижимающие силы за счет искривления ствола скважины по зениту и азимуту могут быть одного порядка. Для этой скважины значительный вклад в суммарную силу трения вносит

Результаты расчетов сил сопротивления движению штанговой колонны вверх в скв. 622 НГДУ "Южарланнефгь"

К	Z, м	α, град	φ, град	, н	Nq, Н/м	NТ, Н/м	Nα, Н/м
				38,89		-4,51	-4,51
		0,66		35,81	0,33	-8,34	-8,01
		2,00		31,73	0,96	-124,70	-123,74
		23,83		29,65	11,10	-5,20	4,90
		24,83		26,83	11,50	10,20	21,70
		22,66		24,04	10,60	9,20	19,80
		21,17		21,20	7,20	1,80	9,00
		20,66		19,10	7,10	3,90	11,00
		19,50		16,90	6,70	4,00	10,70
		18,17		-	-	-	-

Рис. 28. Эпюры прижимающих сил для скв. 622

трение по телу штанг (40%), хотя тело штанг касается стенки насосных труб на небольшом протяжении. Результаты расчетов и промыслового эксперимента хорошо согласуются.

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: