Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Динамометрирование представляет собой процесс регистрации изменения нагрузки на полированный шток в функции его перемещения в течение полного цикла работы штанговой глубиннонасосной установки. Результатом измерения является динамограмма — графическая зависимость, позволяющая выявлять десятки различных неисправностей насосного оборудования и оценивать режимы откачки.
Динамограф — специализированный измерительный прибор, оснащенный датчиками усилия и перемещения, устанавливается между траверсами станка-качалки. Современные системы динамометрирования регистрируют не только форму кривой, но и абсолютные значения нагрузок, число качаний балансира, длину хода полированного штока, что существенно расширяет диагностические возможности.
Нормативные требования
Согласно нормам API Spec 11E и практике эксплуатации, регулярное динамометрирование является обязательной процедурой технического обслуживания ШГНУ. Периодичность измерений определяется технологическим регламентом и составляет не реже одного раза в квартал для стабильно работающих скважин.
Методика динамометрирования включает в себя установку датчиков, стабилизацию режима работы установки, регистрацию нескольких последовательных циклов качания и последующий анализ полученных кривых. Качественная интерпретация динамограмм требует знания теоретических основ работы ШГН, опыта распознавания типовых форм и понимания физических процессов в насосно-компрессорной колонне.
Теоретическая динамограмма имеет форму параллелограмма и строится при следующих допущениях: абсолютная жесткость колонны штанг, мгновенное открытие и закрытие клапанов, полное заполнение цилиндра насоса жидкостью без газа, отсутствие динамических эффектов. В реальных условиях эти условия не выполняются, что приводит к характерным отклонениям формы кривой.
Точка А соответствует крайнему нижнему положению плунжера насоса, где на полированный шток действует нагрузка, равная весу штанг в жидкости. Отрезок АБ отражает процесс восприятия нагрузки — деформацию колонны штанг при начале хода вверх, когда открывается всасывающий клапан и столб жидкости начинает подниматься.
Линия БВ представляет полезный ход плунжера, во время которого статическая нагрузка на шток равна весу штанг плюс вес столба жидкости над плунжером. Точка В фиксирует крайнее верхнее положение плунжера. Отрезок ВГ показывает процесс снятия нагрузки при ходе вниз — закрытие всасывающего клапана, открытие нагнетательного, сжатие колонны штанг. Линия ГА замыкает цикл при движении плунжера вниз.
На практике упругость штанговой колонны приводит к волнообразному характеру линий динамограммы. Инерционные эффекты, зависящие от глубины подвески насоса, числа качаний и длины хода, вызывают дополнительные динамические нагрузки. Наличие свободного газа на приеме насоса снижает коэффициент наполнения цилиндра, что проявляется в характерном укорочении правой части параллелограмма.
Трение в паре плунжер-цилиндр, зависящее от вязкости жидкости, температуры, зазора между деталями и наличия механических примесей, влияет на форму углов динамограммы. Утечки через клапаны из-за износа седел или попадания твердых частиц приводят к закруглению характерных точек и уменьшению площади кривой.
Различают устьевую динамограмму, измеренную на полированном штоке, и глубинную, характеризующую работу непосредственно плунжера насоса на глубине. Устьевая динамограмма содержит информацию как о работе насоса, так и о влиянии колонны штанг — ее упругости, колебаний, распределенной массы.
Глубинную динамограмму рассчитывают из устьевой по волновому уравнению, учитывающему параметры штанговой колонны: длину, диаметр секций, материал штанг, глубину подвески насоса. Современные контроллеры систем автоматизации выполняют такой пересчет в реальном времени, что позволяет более точно определять эффективную длину хода плунжера и диагностировать состояние погружного оборудования.
Методическая рекомендация
Для корректного анализа работы насоса целесообразно использовать глубинные динамограммы, пересчитанные из устьевых. Анализ только устьевых кривых может привести к ошибочным выводам, особенно для глубоких скважин с высокими динамическими нагрузками.
Построение динамограмм в различных сечениях колонны штанг позволяет визуализировать динамику изменения формы кривой в зависимости от глубины. По мере приближения к насосу наблюдается уменьшение значений усилия, выпрямление линий восприятия и снятия нагрузок, снижение амплитуды колебаний штанговой колонны. Такой анализ помогает оптимизировать конструкцию комбинированной колонны штанг и выявлять зоны концентрации напряжений.
Каждое изменение условий работы установки вызывает характерное изменение формы динамограммы, что составляет основу методики интерпретации практических кривых. Опытный специалист по форме динамограммы определяет неисправности насоса, режим заполнения цилиндра, наличие газа на приеме, состояние клапанов, посадку плунжера и множество других параметров.
Динамограмма исправно работающего насоса при полном заполнении цилиндра приближается по форме к параллелограмму с закругленными углами. Линии восприятия и снятия нагрузки параллельны, расстояние между ними соответствует весу столба жидкости в НКТ над насосом. Отклонения от параллельности незначительны и обусловлены трением. Такая форма свидетельствует о коэффициенте подачи 0,7-0,8, что считается нормальным для большинства условий эксплуатации.
При наличии свободного газа на приеме насоса динамограмма приобретает характерную яйцеобразную форму с укороченной правой стороной. Линия снятия нагрузки наклоняется вправо, что указывает на неполное заполнение плунжера жидкостью. Степень отклонения от нормальной формы пропорциональна объемной доле газа. При газосодержании более 10-15 процентов на приеме эффективность работы насоса резко снижается, требуется установка газосепаратора.
Негерметичность клапанов проявляется в закруглении характерных углов динамограммы, наклоне линий восприятия и снятия нагрузки, общем сужении параллелограмма. Утечки через всасывающий клапан приводят к закруглению правого нижнего угла, через нагнетательный — левого верхнего. Площадь динамограммы уменьшается пропорционально величине утечек, что напрямую влияет на коэффициент подачи насоса.
Высокая посадка плунжера характеризуется резким выбросом нагрузки в правом верхнем углу динамограммы, когда плунжер достигает верхнего ограничения раньше, чем балансир завершает ход вверх. Низкая посадка проявляется резким падением нагрузки в левом нижнем углу при ударе плунжера о преграду при ходе вниз. Обе ситуации указывают на неправильную регулировку хода или изменение динамического уровня жидкости в скважине.
Заедание плунжера, вызванное отложениями парафина, солей, коррозионными продуктами или механическими примесями, проявляется характерной петлей в левом нижнем углу динамограммы. Плавное снижение нагрузки и последующий ее набор указывают на преодоление сопротивления движению. Интенсивность заедания можно оценить по амплитуде петли и ее протяженности вдоль оси перемещения.
Динамограмма позволяет определить фактическую производительность установки расчетным путем. Теоретический дебит вычисляется по формуле, учитывающей диаметр плунжера, длину хода полированного штока и число качаний станка-качалки в минуту. Длину хода и число качаний регистрирует динамограф в процессе измерений.
Фактический дебит скважины всегда меньше теоретического из-за неполного заполнения цилиндра, утечек через клапаны, влияния газа, усадки жидкости. Отношение фактической подачи к теоретической называется коэффициентом подачи насоса и составляет обычно 0,6-0,8 для новых установок. С увеличением износа оборудования коэффициент снижается.
Коэффициент подачи можно оценить по форме динамограммы, анализируя эффективную длину хода плунжера, определяемую по глубинной динамограмме. Площадь динамограммы пропорциональна работе, совершаемой установкой за цикл, и косвенно характеризует объем откачиваемой жидкости. Точность определения дебита по динамограмме составляет ±15-20%, что приемлемо для оперативной оценки работы скважины.
Методика расчета
Для определения дебита по динамограмме рассчитывают коэффициент заполнения цилиндра через отношение эффективной длины хода плунжера к полной длине хода. Затем вычисляют коэффициент подачи с учетом утечек и влияния газа. Произведение теоретического дебита на коэффициент подачи дает оценку фактической производительности.
К постоянным факторам относятся конструктивные параметры насоса: зазор в паре плунжер-цилиндр, качество изготовления клапанов, материал уплотнительных элементов. Переменные факторы включают вязкость продукции, газосодержание на приеме, давление насыщения нефти газом, температуру в зоне работы насоса, степень износа деталей.
Увеличение вязкости жидкости приводит к росту утечек через зазоры и снижению коэффициента подачи. Высокое газосодержание уменьшает эффективный объем цилиндра, занятый жидкостью. Снижение давления на приеме насоса интенсифицирует газовыделение. Износ клапанов и увеличение зазоров в плунжерной паре со временем эксплуатации закономерно снижают производительность установки.
Конструкция штанговых насосов и компонентов насосных штанг регламентируется ГОСТ 13877-96, который гармонизирован с API Spec 11B и устанавливает требования к материалам, размерам, точности изготовления и методам испытаний. Стандарт предусматривает идентификацию основных параметров и присоединительных размеров с принятыми в международной практике.
Спецификация API Spec 11AX определяет требования к глубинным штанговым насосам, их компонентам и арматуре. Стандарт API 11E регламентирует конструкцию и параметры станков-качалок, включая методики расчета нагрузок, выбора балансировки и определения крутящих моментов. Эти документы составляют основу проектирования установок ШГН в международной практике.
Классическим источником по теории и практике эксплуатации ШГН является учебное пособие Мищенко И.Т. «Скважинная добыча нефти», где подробно изложены основы динамометрирования, методики интерпретации динамограмм, расчеты параметров работы установок. Работы российских ученых, публикуемые в журналах «Нефтяное хозяйство», «Нефтегазовое дело», а также статьи в базе РИНЦ содержат современные подходы к диагностике оборудования.
Зарубежная литература, включая техническую документацию компаний Lufkin Industries, Weatherford, NOV, представляет практический опыт применения систем динамометрирования в различных условиях эксплуатации. Базы данных OnePetro и SPE содержат обширные коллекции технических статей по оптимизации работы штанговых установок, анализу динамограмм, внедрению методов машинного обучения для автоматизированной диагностики.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.