Подача УШСН и факторы, влияющие на подачу УШСН

Общее количество жидкости, которое подает насос при непре­рывной работе за единицу времени, называется его подачей. На нефтедобывающих предприятиях подачу штанговых насосов под­считывают за сутки и обычно выражают в массовых едини­цах (т/сут).

За один двойной ход плунжера (двойным ходом считается дви­жение плунжера вниз и вверх) насос подает объем жидкости, рав­ный объему цилиндра, описываемому плунжером:

(169)

где F—площадь сечения плунжера; S_пл—длина хода плунжера.

Если обозначить число ходов плунжера в минуту через n, то подача насоса в объемных единицах будет

(170)

Чтобы получить подачу насоса за сутки, эту величину надо ум­ножить на число минут в сутках, т. е. 60*24== 1440:

(171)

Подача насоса в массовых единицах можно определить, если известна плотность ρ откачиваемой жидкости:

(172)

или

(173)

где Q_сут—подача насоса, т/сут; d—диаметр плунжера, м; S_пл— длина хода плунжера, м; n—число качаний балансира в минуту; ρ — плотность жидкости, т/м³.

Если принять, что 1400 , то формула (173) примет вид:

(174)

Значения К для плунжеров различных диаметров приведены в табл. 11.

Подача штангового насоса, подсчитанная по формулам (173) и (174), называется теоретической. Она показывает, какое коли­чество жидкости может подавать насос при условии равенства длины хода плунжера насоса и точки подвеса штанг, полного за­полнения цилиндра насоса при ходе вверх и при отсутствии утечек жидкости в насосе и подъемных трубах.

Фактическая подача насоса почти всегда меньше теоретической, и лишь в тех случаях, когда скважина фонтирует через насос, его подача может оказаться равной или большей, чем теоретическая.

Отношение фактической подачи насоса к теоретической называ­ется коэффициентом подачи насоса. Эта величина характеризует работу насоса в скважине и учитывает все факторы, снижающие его производительность.

Коэффициент подачи насоса и его фактическая подача зависят от следующих факторов.

1. Влияние газа. Отрицательное влияние газа на работу штан­гового насоса выражается в том, что газ, заполняя часть объема цилиндра насоса, уменьшает его наполнение жидкостью.

Степень отрицательного влияния свободного газа зависит от его содержания в откачиваемой жидкости, а также от объема про­странства, образующегося между нагнетательным и всасывающим клапанами насоса при нижнем положении плунжера. Это прост­ранство, называемое вредным, имеется во всех штанговых на­сосах.

Отношение объема жидкости, фактически поступающей в на­сос, к объему цилиндра при верхнем положении плунжера назы­вают коэффициентом наполнения насоса.

Когда плунжер завершает ход вниз, газ и нефть, заполняющие вредное пространство, находятся под давлением столба жидкости в подъемных трубах; при этом объем свободного газа вследствие его сжатия и частичного растворения в нефти сокращается.

При ходе плунжера вверх пространство цилиндра изолируется от полости подъемных труб нагнетательным клапаном, в резуль­тате чего давление в нем снижается и становится равным гидро­статическому напору столба жидкости, находящегося за трубами над насосом. В начальный момент подъема плунжера газ, находя­щийся но вредном пространстве, расширяется и, занимая часть объема цилиндра, уменьшает его наполнение жидкостью, которая начинает поступать в насос несколько позже, после открытия при­емного клапана.

Коэффициент наполнения в зависимости от количества газа, по­ступающею в насос, и объема вредного пространства можно выра­зить формулой

(175)

где R=V_г/V_п объемное соотношение газа и нефти, постоянно поступающих в насос при давлении погружения; K=V_вр/V_s—от­ношение объема «вредного» пространства насоса к объему цилинд­ра при верхнем положении плунжера.

Из уравнения (175) следует, что коэффициент наполнения тем больше, чем меньше K=V_вр/V_s, т.е. чем меньше объём вредного пространства и чем больше длина хода плунжера; коэффициент наполнения насоса тем больше, чем меньше объем поступающего в насос газа. Это значит, что с вредным влиянием газа можно бороться: 1) уменьшая объем «вредного» пространства, что достигается обычно установкой нагнетательного клапана в нижней час­ти плунжера; 2) увеличивая длину хода плунжера; 3) увеличивая глубину погружения насоса ниже динамического уровня жидкости; при этом увеличивается давление на приеме насоса и уменьшается объем газа, поступающего в насос; 4) устанавливая на приеме на­соса специальные приспособления (газовые якори) для частичного отвода газа от насоса в межтрубное пространство.

2. Утечки жидкости через насос. С течением времени рабочие поверхности плунжера, цилиндра и клапанов насоса изнашивают­ся, в результате чего увеличиваются зазоры между ними и возра­стают утечки жидкости. Износ этих деталей особенно интенсивен в скважинах, продукции которых содержат песок, а также при на­личии в откачиваемой жидкости коррозионной пластовой воды и сернистых газов.

При работе насос испытывает давление в несколько мегапаскалей (кгс/см²), создаваемое силой тяжести столба жидкости в подъ­емных трубах. При таком давлении объем жидкости, перетекающей через зазоры между плунжером и цилиндром насоса, может быть значительным. Эта жидкость, заполняя часть освобождаемого плунжером объема цилиндра, уменьшает степень его заполнения свежей жидкостью, поступающей из скважины.

Для предотвращения утечек жидкости через зазор между ци­линдром и плунжером необходима тщательная пригонка плунжера к внутренней поверхности цилиндра насоса. Чем больше глубина скважины, тем более тщательной должна быть пригонка плунжера, так как с увеличением глубины скважины и соответственно глуби­ны спуска насоса возрастает давление на плунжер, обусловливаю­щее увеличение утечек жидкости. Однако очень сильное уменьше­ние зазора, т. е. тугая пригонка плунжера, не всегда приемлемо, потому что могут возникнуть сопротивления трению в цилиндре и это может привести к заклиниванию плунжера, выходу насоса из строя, а также к обрыву насосных штанг.

Степень пригонки плунжера к цилиндру выбирают в зависи­мости от условий эксплуатации скважины.

В зависимости от температуры откачиваемой жидкости метал­лические части насоса изменяются в объеме. При высокой темпе­ратуре стальной плунжер расширяется больше, чем чугунные втулки рабочего цилиндра. Поэтому при откачке холодной нефти возможна тугая пригонка плунжера к цилиндру насоса, а при от­качке горячей нефти—слабая.

Степень пригонки зависит также от вязкости откачиваемой нефти. Масляные нефти содержат достаточное количество смазы­вающих веществ, которые уменьшают трение между плунжером и рабочей поверхностью. Следовательно, при откачке масляных нефтей допускается применение насосов с тугой пригонкой плунжера, а для откачки легких бензинистых нефтей рекомендуется приме­нять насосы с более свободной пригонкой, а лучше с плунжерами, на поверхности которых нарезаны канавки.

3. Негерметичность подъемных труб. Снижение коэффициента подачи насоса может происходить также вследствие утечек жид­кости в колонне подъемных труб. Причиной этих утечек являются плохое свинчивание муфтовых соединений труб, загрязнение резьб, дефекты в резьбе или трещины в стенках труб. Негерметичность труб может привести к полному прекращению подачи жидкости насосом на поверхность.

Поэтому при спуске насосно-компрессорных труб в скважину следует внимательно следить за качеством их свинчивания, состоя­нием резьбы и наружной поверхности.

4. Число качаний и длина хода плунжера. Формула, по которой подсчитывается теоретическая подача насоса, показывает, что с увеличением числа качаний подача насоса возрастает. В действительности же с увеличением числа качаний подача насоса возрас­тает лишь до определенного предела. Это происходит потому, что при большом числе качаний скорость перемещения плунжера уве­личивается и жидкость, поступающая в насос, не успевает запол­нять освобождающийся объем цилиндра.

Недостаточное заполнение цилиндра не только снижает коэф­фициент подачи насоса, но и отрицательно влияет на работу всей установки, так как движение плунжера вниз сопровождается его ударами о жидкость, что вызывает сотрясение колонны штанг и неравномерную нагрузку на механизм станка-качалки. Такие яв­ления особенно часто наблюдаются при небольшом погружении насоса в жидкость.

Поэтому чрезмерное увеличение числа ходов плунжера не ре­комендуется, и предельным считается число качаний, равное 15— 18 в минуту. Целесообразнее увеличивать подачу насоса путем уд­линения хода плунжера при меньшем числе его ходов, что улучша­ет условия работы всей глубиннонасосной установки.

5. Несоответствие длин хода плунжера и сальникового штока. При подсчете подачи штангового насоса длину хода плунжера принимают равной расстоянию перемещения точки подвеса сальникового штока, замеренному на поверхности. В действительности длина хода плунжера в цилиндре бывает меньше расстояния пе­ремещения сальникового штока вследствие периодического растя­жения колонны насосных штанг при ходе вверх и сокращения ее длины при ходе вниз. Колонна насосных труб претерпевает анало­гичные упругие деформации. Объясняется это переменой нагру­зок, воспринимаемых насосными штангами и трубами.

Потеря длины хода плунжера возрастает по мере увеличения глубины подвески насоса, что иногда существенно отражается на значении коэффициента наполнения насоса и коэффициента подачи.

Истинную длину хода плунжера по замеренной на поверхности длине хода сальникового штока легко определить, если известна общая нагрузка в штанги. Методика такого определения дана ниже.

Влияние перечисленных выше факторов на фактическую подачу штангового насоса в сумме может быть весьма значительным, и коэффициент подачи насоса может изменяться в широких преде­лах—от 1,0 и выше до 0,1 и ниже.

Когда коэффициент подачи насоса больше единицы, это озна­чает, что скважина фонтанирует через насос.

Работа штанговой насосной установки считается удовлетвори­тельной, если имеет место неравенство

(176)

т. е. установка работает с коэффициентом подачи не менее 0,6.