Измерение нагрузок на штанги (динамометрия)

Для измерения нагрузок на штанги и определения качественных показателей работы глубинного насоса применяют приборы, назы­ваемые динамографами. Эти приборы записывают на бумаге значения нагрузок на сальниковый шток за одно двойное качание (вверх и: вниз) в виде диаграммы. Записанная диаграмма называется динамо-граммой,

Рис. 115. Схема устройства карманного динамографа ГДМ-3.

Нагрузка на сальниковый шток определяется как параметрами насосной установки и режимом ее работы, так и состоянием насосного оборудования и характером работы отдельных его узлов. Например, при плохой работе нагнетательного клапана нагрузка от столба жид­кости будет восприниматься штангами частично или вообще не будет восприниматься. Таким образом, неисправности насосной установки и другие факторы, влияющие на работу оборудования, будут влиять на форму и размеры динамограммы, т. е. по динамограмме можно определить причину неисправности установки и своевременно при­нимать меры к ее устранению.

Будучи простым и удобным средством контроля за работой глу-биннонасосного оборудования, динамографы нашли широкое при­менение. Известны динамографы гидравлические, механические, электрические. В НГДУ применяются гидравлические динамо­графы конструкции Г. М. Мининзона и др. На рис. 115 приведена принципиальная схема гидравлического карманного динамографа ГДМ-3. Прибор состоит из двух основных частей; измерительной и

самописца. Измерительная часть состоит из месдозы 11 и рычага 12. Полость 10 месдозы, заполненная жидкостью (спиртом или водой), перекрывается латунной или резиновой мембраной, на которую опи­рается поршень 9. Измерительную часть прибора вставляют между траверсами канатной подвески штанг, в которой растягивающие усилия штанг преобразуются в усилия, сжимающие месдозу. При этом рычаг 12 нажимает на поршень 9 и в полости месдозы создается давление, которое через капиллярную трубку 5 воспринимается манометрической геликсоидальной пружиной 7. При увеличении давления пружина разворачивается и прикрепленное к ней перо 6 чертит линию нагрузки. Бланк диаграммы прикреплен к столику 5 самописца. При движении динамографа вверх нить 7, прикреплен­ная одним концом к неподвижной части устьевого оборудования, сматывается со шкива 2, заставляя его вращаться вместе с ходовым. винтом 3. При этом ходовая гайка (на рисунке не показана) вместе со столиком движется вверх по направляющим 4. В полости винта расположена спиральная возвратная пружина. При ходе вверх пру­жина заводится, при ходе вниз — раскручивается и возвращает столик в первоначальное положение. Таким образом, столик с блан- -ком повторяет движение сальникового штока в определенном мас­штабе. Длина записи хода сальникового штока зависит от диаметра шкива 2. Сменные шкивы позволяют записывать перемещения в мас­штабе 1: 15, 1: 30 или 1: 45.

Для определения величины нагрузки по динамограмме динамо­
граф предварительно тарируют при помощи разрывной или тариро-
вочной машины. Динамографы ГДМ-3 выпускают с пределами изме­
рений 4000, 8000 и 10 000 кгс (т. е. от 40 до 100 кН). Максимально
допустимая погрешность прибора (по техническим нормам) состав­
ляет +2%. •

Простейшая теоретическая динамограмма работы глубинного насоса за один ход вверх и вниз имеет форму параллелограмма (рис. 116). По вертикальной оси отложены (в масштабе) нагрузки, дей­ствующие на сальниковый шток, а по горизонтальной (в масштабе) — перемещение сальникового штока. Нагрузка на шток по мере его перемещения вверх и вниз изменяется в следующем порядке.

Ход вверх. В конце хода вниз сальниковый шток и плунжер находятся в крайнем нижнем положении; при этом нагнетательный клапан насоса открыт, всасывающий клапан закрыт. На шток дей­ствует нагрузка только от штанг. Этому положению соответствует точка А на динамограмме. В момент начала движения сальникового штока вверх плунжер останавливается, нагнетательный клапан закрывается, и шток воспринимает нагрузку от штанг и столба жидкости в подъемных трубах. Под действием этой нагрузки штанги растягиваются, подъемные трубы разгружаются (давление столба жидкости в этот момент воспринимается плунжером) и сокращаются. В продолжение всего процесса растяжения штанг и сокращения труб плунжер остается неподвижным по отношению к цилиндру насоса, в то время как сальниковый шток перемещается на вели-

16*

чину, равную сумме растяжения штанг и сокращения труб. Процесс восприятия штоком нагрузки от давления на плунжер столба жидко­сти записывается на диаграмме наклонной прямой АБ; линия Бб показывает величину перемещения сальникового штока в про­цессе действия нагрузки; она равна сумме величин растяжения штанг и сокращения труб. По окончании процесса восприятия нагрузки штангами начинается движение плунжера и открывается приемный клапан насоса; этому моменту на динамограмме соответствует точка Б. Дальнейшее движение сальникового штока и плунжера вверх до крайнего верхнего положения происходит при неизменной на­грузке; на динамограмме этот процесс изображается прямой ЕВ.

Ход сальникобого штока-г	- -1» Нагрузка от давления на плунжер столба жидкости 6 трубах
Чагрузка на сальниковый шток	5 Л Нагр	Растяжение штс	гне+сокраше д плунжера	чиетруВ
Б
/Наг			/

:

чение при хоЗе ВВерх •узка при коде вверх --------- — —	/
/			/	1рениепри
узка при ходе Вниз — |	ьэ &	1 штанг		Г	г I хайе Вниз
' "<

Ход сальникоВаго штока \

Растяжение труб-* сокращение штане

Рис. 116. Теоретическая динамограмма.

Нагрузка на сальниковый шток при этом движении равна силе тя­жести штанг, погруженных в жидкость, плюс нагрузка от давления столба жидкости на плунжер.

Ход вниз. В начале хода вниз всасывающий и нагнетатель­ный клапаны закрыты, сальниковый шток воспринимает нагрузку от штанг, погруженных в жидкость, и столба жидкости. Этому мо­менту соответствует точка В.

По мере движения сальникового штока вниз шток, штанги и плунжер разгружаются, передавая нагрузку на трубы, причем трубы растягиваются, а штанги сокращаются. Плунжер остается непод­вижным но отношению к цилиндру насоса. Этот процесс на динамо-грамме изображается наклонной линией ВГ. Линия Гг на динамо-грамме определяет перемещение сальникового штока в процессе разгрузки; оно равно сумме величин сокращения штанг и растяже­ния труб. По окончании процесса разгрузки штока нагнетательный клапан открывается и начинается движение плунжера вниз; этому моменту на динамограмме соответствует точка Г. Дальнейшее дви­жение сальникового штока и плунжера происходит при открытом

нагнетательном клапане и неизменной нагрузке и изображается на динамограмме линией ГА. В точке А цикл возобновляется.

Теоретическая динамограмма работы глубинного насоса, имею­щая форму параллелограмма, получается при работе глубинного насоса в скважине в дегазированной жидкости при коэффициенте наполнения, равном единице, и при отсутствии динамических на­грузок, т. е. при весьма медленном и плавном движении системы «сальниковый шток — штанги — плунжер» вверх и вниз. Если бы при работе глубинного насоса не было упругой деформации (растя­жения и обратного сокращения) штанг и труб, теоретическая динамо-грамма имела бы вид прямоугольника, т. е. линии АБ и ВГ были бы перпендикулярны линиям БВ и ГА.

При работе' насосной установки бывают различные неполадки, приводящие к снижению коэффициента подачи глубинного насоса. Причинами этого снижения могут быть утечки жидкости через не­плотности в насосе и в трубах, вредное влияние газа на работу на­соса, изменения в состоянии притока жидкости в скважину; вслед­ствие этого нарушается нормальный процесс изменения нагрузки на сальниковый шток. Каждому нарушению нормальной работы насоса соответствует своя характерная форма динамограммы. Зная, как изменяется форма динамограммы при тех или иных наруше­ниях, по динамограмме можно определить эти нарушения, не под­нимая насоса на поверхность.

На рис. 117 показано несколько наиболее характерных практи­ческих динамограмм глубинного насоса.

Динамограмма а отражает нормальную работу глубинного на­соса.

Динамограмма б указывает на утечки жидкости при ходе плун­жера вверх. Установить это можно путем следующих рассуждений. На динамограмме видно, что при ходе вверх линия восприятия нагрузки фактической динамограммы лежит правее теоретической, т. е. нагрузка воспринимается штангами медленнее, чем при нор­мальной работе насоса. Это возможно только при негерметичности нагнетательной части насоса. Линия снятия нагрузки лежит леве& соответствующей линии теоретической динамограммы, т. е. в самом начале хода сальникового штока вниз нагрузка от столба жидкости снимается со штанг быстрее, чем при нормальной работе на­соса. Это также возможно только при утечках в нагнетательной

части.

Утечки в нагнетательной части возможны как через резьбовые соединения труб, клапан и его седло, так и через зазор между плун­жером и цилиндром. Установлено, что при утечках жидкости череа зазор между цилиндром и плунжером линия восприятия нагрузки выпуклая (линия 2 на графике г), а в других случаях — вогнутая

(линия 1).

Аналогичным сравнением фактических динамограмм с теорети­ческими можно прийти к определенным выводам о причинах ненор­мальной работы установки.

Помимо качественных показателей работы глубинного насоса (утечка через насос, влияние газа на работу насоса, неправильная посадка плунжера, заедание плунжера и т. п.), по динамограмме определяют также количественные показатели: нагрузку на саль­никовый шток в любой момент движения, приближенное значение коэффициента наполнения насоса и т. п. Таким образом, динамо­граф позволяет определять, правильно ли работает насос, не влияет ли вредно на работу насоса газ, достаточна ли глубина погружения.

Рис. 117. Практические динамограммы (на динамограммах б и д цифрами обозначен порядок их записи).

Частое контролирование работы насосных установок при помощи динамографа дает возможность устанавливать причины неисправ­ностей и своевременно устранять их.