Динамометрирование скважин, оборудованных СШНУ

СОДЕРЖАНИЕ

Введение……………………………………………………………………………...2

Динамометрирование. Общие сведения……………………………………………3

Динамографы, их виды и принцип действия………………………………………4

Простейшая  теоретическая динамограмма нормальной работы УШГН…….......8

Динамограммы  нормальной работы………………………………………………13

Образцы динамограмм  работы УШГН с разными видами неисправностей…...14

Заключение………………………………………………………………………….18

Список  литературы…………………………………………………………………19

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время основным техническим средством диагностирования установок скважинных насосов в  процессе их эксплуатации остается динамометрирование. В нефтепромысловой деятельности этому  вопросу уделяется первостепенное внимание, поскольку своевременное  определение качественных и количественных показателей работы глубиннонасосного  оборудования позволяет эксплуатировать  скважины с наименьшими недоборами продукции и минимальными экономическими издержками.

Правильная и своевременная  диагностика работы глубиннонасосного  оборудования позволяет добиться бесперебойного функционирования установки ШГН, обеспечить оптимальный режим отбора нефти  из пласта, вовремя выявить нарушения  в работе установки и выбрать  рациональный метод их устранения, что положительно скажется на процессе добычи нефти из скважины и продлению  межремонтного периода установки.

ДИНАМОМЕТРИРОВАНИЕ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

В процессе работы установки штангового глубинного насоса на трубы и штанги действуют разнообразные нагрузки:

1. Статические  силы веса штанг, труб и столба  жидкости.

2. Архимедова  сила, действующая на штанги, погруженные  в жидкость, и уменьшающая вес  штанг.

3. Сила инерции  движущихся масс штанг, столба  жидкости и труб.

4. Силы упругости  материала штанг, труб и столба  жидкости.

5. Силы трения.

Измерение нагрузок осуществляется специальным  прибором, называемым динамографом. Динамограф — прибор, регистрирующий на специальном бланке изменение нагрузки на штанги за время насосного цикла.

Графическая зависимость нагрузки, действующей  в каком-либо сечении штанг в  течение насосного цикла (ход вверх — ход вниз) как функция перемещения этого сечения, называется динамограммой.

Изменение нагрузки, действующей на полированный шток за одно качание балансира станка-качалки, является результатом сложного взаимодействия большого числа различных факторов. Каждый фактор вызывает свойственное ему изменение нагрузки на полированный шток и соответствующим образом изменяет конфигурацию динамограммы.

Исследование  работы штанговых глубиннонасосных установок динамографом выполняется  с целью контроля режимов их эксплуатации, обнаружения нарушений в работе глубиннонасосного оборудования и  выявления причин, вызывающих эти  нарушения. Зная, как изменяется конфигурация динамограммы при тех или иных нарушениях в работе глубиннонасосного оборудования, можно распознать эти нарушения, не извлекая внутрискважинное оборудование на поверхность.

Динамограмма  позволяет выявить качественные показатели работы глубиннонасосной установки: пропуски через нагнетательный и  всасывающий клапаны, влияние газа, низкую и высокую посадку плунжера, прихват плунжера, утечку жидкости из труб и т.д.

По динамограмме можно определить и количественные показатели работы глубиннонасосной установки: величину нагрузки на полированный шток в любой момент его движения, амплитуду  нагрузки, коэффициент подачи, ориентировочный  дебит и др.

ДИНАМОГАФЫ, ИХ ВИДЫ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Динамограф  — прибор, регистрирующий на специальном  бланке изменение нагрузки за время  насосного цикла. Существует много  типов динамографов, но все они  по принципу действия могут быть разделены  на несколько классов: механические, гидромеханические, электрические, электронные  и др.

Для динамометрирования штанговых глубиннонасосных установок  в настоящее время используются электронные устьевые динамографы, реализующие измерительные системы  двух классов:

• стационарные (постоянный контроль);
• нестационарные (оперативные измерения).

На  промыслах России применение стационарных систем ограничено. Они используются в условно распределенных «телеметрических»  системах контроля и управления, а  также в локальных системах (скважинной и кустовой) автоматики.

Основные  объемы контроля состояния ШГНУ реализуются  по традиционной технологии за счет оперативных  исследований на основе нестационарных систем измерений.

Нестационарные  системы динамометрирования используют прямые и косвенные методы контроля нагрузки и перемещения полированного штока.

Косвенные методы

В настоящее время практически  все производители динамографов имеют своей номенклатуре динамографы, реализующие косвенные методы измерения.

Измерительные системы данного класса в основном ориентированы на относительные  измерения. Это означает, что контролируется изменение параметра во времени, а не его абсолютное значение. К примеру, динамограф может измерить разность нагрузок между двумя точками динамограммы в тоннах, но не может измерить абсолютное значение ни в одной из точек динамограммы.

Среди косвенных методов контроля наибольшее распространение получили системы, в которых используются закрепляемые на полированном штоке УШГН датчики, контролирующие изменение нагрузки штока по изменению его диаметра (так называемые «накладные» динамографы типа «СИДДОС-мини»). При этом положение штока, как правило, контролируется на основе показаний акселерометра (по ускорению рассчитываются сначала скорость, затем перемещение).

Рассмотрим, как функционирует накладной  динамограф на примере моноблочного динамографа «СИДДОС-мини» фирмы СИАМ (рис. 1) с накладным на полированный шток датчиком ускорения для контроля перемещения. Прибор предназначен для регистрации изменения во времени нагрузки на полированный шток  и его перемещения при различных режимах работы станка-качалки.

Рис. 1.

Накладной динамограф «СИДДОС-мини»

Динамограф  работает по внутренней программе под  управлением встроенного микропроцессорного контроллера, который синхронизирует работу всех элементов, осуществляет обработку  информации с первичных датчиков, отображает режимы работы и результаты контроля на цифровом дисплее, заносит параметры и результаты измерений в долговременную память, а также обеспечивает связь с внешними устройствами (компьютер, визуализатор).

При контроле динамограмм динамограф  устанавливается непосредственно  на нерабочую часть полированного  штока под траверсами подвески УШГН. В приборе используется метод пересчета изменения диаметра штока в изменение нагрузки штока с одновременной регистрацией перемещения штока,  которое рассчитывается по показаниям встроенного в прибор акселерометра с расчетом периода качания балансира УШГН и длины хода подвески. В течение исследования данные, полученные с накладного датчика, обрабатываются и записываются в память.  При обработке данных производится фильтрация,  расчет нагрузки в зависимости от диаметра полированного штока,  рассчитывается перемещение полированного штока,  вычисляется максимальная и минимальная нагрузка на полированный шток,  регистрируется темп качания балансира (кач/мин).

Основные положительные свойства накладных динамографов:

• простота технологии и оперативность измерений;
• надежность, обеспечиваемая отсутствием значительно нагруженных механизмов.

Однако  косвенному методу контроля (соответственно накладному динамографу) присущи некоторые  основные ограничения, которые не позволяют  использовать накладные динамографы  как универсальное средство для  динамометрирования:

• зависимость результатов контроля от геометрических размеров и физических свойств полированного штока;
• невозможность контроля перемещений при невысоких темпах качания (около 3 кач/мин) из-за низкой разрешающей способности акселерометра;
• контролируемые динамографом параметры чувствительны не только к измеряемым нагрузкам и перемещениям, но и к таким неконтролируемым параметрам, как невертикальность движения штока и его изгиб;
• накладной динамограф контролирует относительные, а не абсолютные значения нагрузки на полированный шток, что, в свою очередь, не позволяет корректно произвести расчет максимальных и минимальных напряжений в колонне штанг.

Таким образом, мы видим, что косвенные  методы динамометрирования, а значит, и накладные динамографы, имеют  ряд особенностей, ограничивающих возможности  их использования для контроля нарушений  и оценки эффективности работы УШГН.

Прямые  методы

Прямые  методы измерения подразумевают контроль абсолютных значений нагрузок на шток и его перемещения. По сравнению с косвенными методами, они потенциально имеют лучшие точность и разрешающую способность, так как в них проще реализовать независимость показаний от неконтролируемых факторов.

Прямые  методы измерения реализуются в  так называемых «межтраверсных» динамографах, которые монтируются в пространство между траверсами, соединяющими канатную подвеску с полированным штоком.

Динамографы с прямыми методами измерения  не имеют недостатков накладных  динамографов и обеспечивают эффективный  контроль следующих дополнительных данных для интерпретации динамограмм:

• повторных динамограмм после кратковременной остановки ШГНУ или долива дополнительной жидкости в межтрубное пространство;
• статических нагрузок для построения линий веса штанг в жидкости и веса штанг с жидкостью;
• дополнительный контроль проявлений утечек после остановки УШГН на графиках изменения статических нагрузок во времени.

Среди основных недостатков межтраверсных  динамографов с прямыми измерениями  по сравнению с накладными динамографами  можно выделить более продолжительные  процессы монтажа и демонтажа; наличие  нагруженных механических узлов, требующих  периодического обслуживания и смены  изношенных деталей. До некоторого времени  данный тип динамографов имел еще  один существенный недостаток: для  его монтажа и демонтажа была необходима разгрузка подвески колонны  штанг. Однако для двухтраверсных подвесок в настоящее время используются динамографы со встроенными или внешними подъемными механизмами, позволяющими проводить монтаж динамографа без разгрузки подвески. Например, в комплектацию динамографов «СИДДОС-автомат», «Квантор» входят траверсные домкраты.

Представленные  недостатки не ограничивают возможности  использования динамографов с прямыми  измерениями как основного и  даже универсального инструмента для  решения задач динамометрирования УШГН.

Таким образом, основными преимуществами прямых измерений при динамометрировании являются:

• контроль абсолютных значений нагрузок и перемещения штока;
• выполнение всех видов контроля статических нагрузок, в том числе косвенного контроля наличия утечек;
• исключение искажений динамограмм, связанных с изгибом штока, ударами в подвеске, инерционностью и температурной чувствительностью узлов измерительной схемы динамографа, а также низкой разрешающей способностью.

Все больше предприятий выходит на рынок  производителей электронных динамографов. Наибольшее признание и распространение  получили приборы семейства «СИАМ», «Микон», «Автон», «Квантор».

ПРОСТЕЙШАЯ ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ДИНАМОГРАММА НОРМАЛЬНОЙ РАБОТЫ УШГН

Рассмотрим  простейшие условия работы штангового глубинного насоса, которые характеризуются:

• полной исправностью насосной установки;
• абсолютной герметичностью;
• отсутствием погружения под уровень жидкости;
• полным заполнением дегазированной жидкостью;
• отсутствием инерционных нагрузок;
• отсутствием сил трения.

Соответствующая этим условиям динамограмма носит название простейшей теоретической динамограммы нормальной работы штанговой глубиннонасосной установки.

На  практике получить такую динамограмму нельзя из-за невозможности полного  соблюдения практически всех перечисленных  условий. Несмотря на это, простейшая теоретическая  динамограмма незаменима для интерпретации  практических динамограмм.

Обработка динамограммы сводится к следующему:

1) на основании данных практической  динамограммы строится простейшая  теоретическая динамограмма нормальной работы (ПТДНР);

2) контур фактической динамограммы сопоставляется с контуром теоретической динамограммы;

3) сравнением динамограмм выявляются  характерные отличия фактической  динамограммы от теоретической;

4) по выявленным отличиям определяются  осложнения в работе подземного  оборудования;

5) исходя из определенных осложнений разрабатываются рекомендации по оптимизации работы УШГН.

Цикл  насосной установки

Рассмотрим  схему плунжерного насоса, представленную на рис.2. Перемещение плунжера осуществляется между нижней мертвой точкой (НМТ) и верхней мертвой точкой (ВМТ) и характеризуется величиной, называемой длиной хода плунжера S_пл. Наружный диаметр плунжера D_пл принимается равным внутреннему диаметру цилиндра (хотя фактически между этими величинами имеется определенная разница 2d; d — зазор между плунжером и цилиндром).

При ходе плунжера вверх нагнетательный клапан 4 закрывается под действием веса столба продукции скважины, находящейся в колонне НКТ 5. В цилиндре насоса 1 давление снижается и в определенный момент всасывающий клапан 3 открывается; продукция скважины поступает в цилиндр насоса (в подплунжерное пространство, которое увеличивается до тех пор, пока плунжер не придет в ВМТ). Ход плунжера из НМТ до ВМТ называется тактом всасывания.

Рис. 2. Принципиальная схема плунжерного  насоса

1 — цилиндр; 2 — плунжер; 3 — всасывающий клапан; 4 — нагнетатель-

ный клапан; S — колонна НКТ; 6 — колонна штанг

При ходе плунжера вниз (от ВМТ до НМТ) давление в цилиндре насоса повышается, всасывающий  клапан 3 закрывается, и в определенный момент времени открывается нагнетательный клапан 4. Продукция из цилиндра насоса 1 перетекает через плунжер 2 в надплунжерное пространство. Ход плунжера из ВМТ до НМТ называется тактом нагнетания.

Рассмотрим  теперь, как выглядит простейшая теоретическая  динамограмма нормальной работы УШГН (рис. 3). Она представляет собой динамограмму работы штанговой глубиннонасосной установки, лифтирующей дегазированную жидкость при коэффициенте подачи, равном единице, отсутствии сил трения и инерционно-динамических нагрузок.

Рис. 3.

Простейшая  теоретическая динамограмма нормальной работы УШГН

• точка А – НМТ (нижняя мертвая точка). Начало движения колонны штанг вверх;
• АБ – восприятие нагрузки колонной штанг от веса жидкости в НКТ, растяжение штанг;
• точка Б – начало движения плунжера вверх, открывается всасывающий клапан;                                                                                 
• БВ – полезный ход плунжера (статическая нагрузка Р_в = вес штанг и жидкости);
• точка В – ВМТ (верхняя мертвая точка). Начало движения колонны штанг вниз;
• ВГ – участок разгрузки колонны (сокращение штанг);
• точка Г – начало движения плунжера вниз, открывается нагнетательный клапан (статическая нагрузка Р_н = вес штанг);
• S – длина хода полированного штока;
• λ – деформация штанг.

Ход вверх

В конце хода вниз, т.е. перед началом  хода вверх, полированный шток установки  и плунжер насоса приближаются к  своим нижним крайним положениям. При этом нагнетательный клапан насоса открыт, всасывающий закрыт. Плунжер не нагружен. На полированный шток действует только нагрузка от веса штанг, погруженных в жидкость (P_шт). В момент начала движения полированного штока вверх плунжер останавливается, и нагнетательный клапан закрывается (точка А).

По  мере движения полированного штока  вверх плунжер и штанги принимают  нагрузку от веса столба жидкости в  подъемных трубах. Под действием этой нагрузки штанги растягиваются, а подъемные трубы разгружаются и сокращаются.

В продолжение всего процесса растяжения штанг и сокращения труб плунжер  остается неподвижным по отношению  к цилиндру насоса. Одновременно с  этим полированный шток перемещается на величину, равную сумме растяжения штанг и сокращения труб.

Процесс восприятия полированным штоком нагрузки от веса столба жидкости записывается на динамограмме наклонной прямой АБ. Отрезок бБ определяет величину перемещения только полированного штока в процессе восприятия нагрузки и характеризует суммарное растяжение штанг и сокращение труб от веса штанг и жидкости.

По  окончании процесса восприятия нагрузки полированным штоком начинается движение плунжера вверх, вследствие чего открывается  всасывающий клапан насоса. Этому  моменту на динамограмме соответствует  точка Б.

Нагрузка  на полированный шток при ходе плунжера вверх равна весу штанг, погруженных  в жидкость (Р_шт), плюс нагрузка от веса столба жидкости на плунжер (Р_ж).

Движение  системы «полированный шток –  колонна штанг – жидкость –  плунжер» до крайнего верхнего положения (точка В) происходит при этой неизменной нагрузке. На динамограмме этот процесс изображен прямой БВ, параллельной оси ОS (нулевая линия).

Ход вниз

В начале хода полированного штока  вниз (точка В) всасывающий и нагнетательный клапаны закрыты. Объем насоса под  плунжером заполнен жидкостью. Полированный шток нагружен весом штанг, погруженных  в жидкость, находящуюся в подъемных  трубах, и нагрузкой от веса этой жидкости на плунжер.

По  мере движения вниз полированный шток, штанги и плунжер разгружаются от веса жидкости на плунжер, передавая  нагрузку трубам. Вследствие этого  трубы растягиваются, а штанги сокращаются.

Плунжер остается неподвижным по отношению  к насосу до полной разгрузки полированного штока от веса жидкости. Этот процесс на динамограмме изображается наклонной прямой ВГ, параллельной линии АБ.

Отрезок Гг на динамограмме определяет перемещение только полированного штока в процессе разгрузки и характеризует суммарное сокращение штанг и растяжение труб при снятии веса жидкости с колонны штанг и передаче его колонне труб.

По  окончании процесса разгрузки полированного  штока начинается движение плунжера вниз. При этом за счет повышения  давления в цилиндре насоса нагнетательный клапан открывается.

Нагрузка  на полированный шток при ходе плунжера вниз равна лишь весу штанг, погруженных  в жидкость, находящуюся в подъемных  трубах. Движение системы «полированный  шток – колонна штанг – жидкость – плунжер» до крайнего нижнего  положения (точка А) происходит при этой неизменной нагрузке. На динамограмме этот процесс изображен прямой линией ГА, параллельной оси ОS.

Выводы

Таким образом, простейшая теоретическая  динамограмма работы глубинного насоса имеет форму параллелограмма.

Данное  описание контура динамограммы, представленной на рисунке 3, характеризует весь цикл работы глубинного насоса (всасывание и нагнетание). Каждая линия контура  динамограммы дает представление о  состоянии глубиннонасосной установки  на данный момент цикла. Площадь параллелограмма, подсчитанная в масштабах усилий и перемещений, равна работе, затраченной  на подъеме жидкости за одно качание  балансира станка-качалки (один цикл).

Расчет  дебита по динамограмме

где

- площадь сечения плунжера, м²

- длина хода полированного  штока, м

- число качаний, кач/мин

- коэффициент подачи насоса:

ДИНАМОГРАММЫ  НОРМАЛЬНОЙ РАБОТЫ

Под нормальной работой глубиннонасосной установки в реальной скважине понимается ее эксплуатация с производительностью, соответствующей заданному режиму.

Условия нормальной работы глубинного насоса в реальной скважине не вполне соответствуют  описанным выше условиям, принимавшимся  при построении простейшей теоретической  динамограммы.

Для реальной скважины эти условия можно  сформулировать следующими:

• глубинный насос исправен;
• погружение насоса под динамический уровень достаточно для обеспечения полного заполнения цилиндра насоса жидкостью без свободного газа;
• число качаний обуславливает возникновение сил инерции и упругих колебаний системы штанги-жидкость;
• отсутствует чрезмерное трение от высокой вязкости продукции, кривизны скважины, наличия асфальто-смолопарафиновых веществ.

Несмотря  на различие теоретических и реальных условий нормальной работы установки  ШГН, можно указать основные признаки практической динамограммы, по которым  можно заключить, что установка  в реальной скважине работает нормально:

1. Линии восприятия и снятия  нагрузки – прямые. Данное положение справедливо и в том случае, если эти линии несколько осложнены изгибами, но могут быть усреднены прямыми.

2. Углы наклона линий восприятия  и снятия нагрузки практической  динамограммы равны углам наклона  таких же линий простейшей  теоретической динамограммы таких  же линий простейшей теоретической  динамограммы, т.е. обе пары линий  параллельны друг другу.

3. Левый нижний и правый верхний  углы практической динамограммы, если не учитывать искажения  очертаний колебаниями, острые.

Очертания практических динамограмм зависят  от инерционных и динамических нагрузок, являющихся функцией целого ряда эксплуатационных факторов: глубины спуска насоса, числа качаний, диаметра насоса, длины хода полированного штока, физико-химических свойств продукции и т.д.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Мы  рассмотрели, как с помощью динамометрирования выявить наиболее характерные и  часто проявляющиеся дефекты  глубиннонасосного оборудования, а  также некоторые способы оптимизации  оборудования с данными дефектами.

На  самом деле фактические динамограммы имеют огромное количество форм и  разновидностей. Кроме того, расшифровка динамограмм должна проводиться в комплексе с данными замеров дебита и динамического уровня.

Правильная  диагностика работы глубиннонасосного  оборудования позволяет выбрать  рациональный метод устранения дефектов, снизить недобор нефти и затраты  на восстановление работоспособности  насосного оборудования.

СПИСОК  ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Адонин А.И. Добыча нефти штанговыми насосами. - М.: Недра, 1979.

2. Гаус П.О., Лавров В.В. Анализ применимости динамографов с прямым и косвенным способами измерения нагрузки на полированный шток и его перемещения, Нефтяное хозяйство – 2003. №9. С. 78-81.

3. Гилаев Г.Г. и др. Диагностирование глубиннонасосных скважин динамометрированием. Ижевск: ООО «РА «Парацельс», 2008. – 212 с.

4. Кудинов В.И. Основы нефтегазопромыслового дела. Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований; Удмуртский госуниверситет, 2008. - 720 с.

5. Мищенко И.Т. Скважинная добыча нефти: Учебное пособие для вузов. М: ФГУП Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2003. — 816 с.

6. Динамограф «СИДДОС-мини». Техническое описание и инструкция по эксплуатации / Томское научно-производственное и внедренческое общество СИАМ. Томск, 2009.