Нагрузки на колонну насосных штанг. Динамометрирование установок.

Штанговая колонна работает в тяжелых условиях, на нее дейст­вуют агрессивная скважинная среда и переменные нагрузки, приво­дящие к накоплению усталостных явлений в штанговой колонне. Кроме этого, колонна штанг изнашивается вследствие трения о ко­лонну НКТ, особенно при эксплуатации в наклонно направленных скважинах.

На штанговую колонну действуют следующие нагрузки:

- статические - вес штанговой колонны с учетом силы плавучести и вес столба жидкости над плунжером высотой от динамического уровня жидкости, за вычетом объема, занимаемого штанговой ко­лонной;

- динамические - силы инерции движущихся масс штанговой ко­лонны и жидкости, так как их движение осуществляется с ускорени­ем, а также силы вибрации, обусловленные волновыми явлениями, возникающими в штанговой колонне при работе насоса.

Разрушение штанговой колонны носит усталостный характер. В связи с этим разрушения штанг их долго­вечность снижается при работе в коррозионной среде.

Измерение нагрузок осуществляется специальным устройством, на­зываемым динамографом. Динамограф – прибор, регистрирующий на специальном бланке изменение нагрузки за время насосного цик­ла. Графическая зависимость нагрузки, дей­ствующей в каком-либо сечении штанг в течение насосного цикла (ход вверх — ход вниз) в функции перемещения этого сечения, на­зывается динамограммой. Динамографы по принципу действия могут быть разделены на несколько классов: механические, гидромеханические, электрические, электронные и др. Каждый класс динамографов имеет как преимущества, так и недостатки. В зависимости от места установки динамографа они разделяют­ся на две группы: глубинные динамографы, устанавливаемые, как правило, в нижней части колонны штанг (над плунжером насоса; поверхностные динамографы, устанавливаемые в месте соеди­нения полированного штока с канатной подвеской станка-качалки (ТПШ) и получившие довольно широкое распространение.

Динамограмма представляет собой замкнутую фигуру, разме­ры которой зависят от действующих усилий и длины хода полированного штока (при выбранных масштабах измерения G и S). Фор­ма динамограммы связывается с работой всей глубиннонасосной установки (ее подземной части) и отражает нарушения в различ­ных элементах подземного оборудования. Динамометрирование позволяет оперативно устанавливать нарушения в работе установ­ки и принимать соответствующие меры.

Для статического режима при нормальной работе глубинного насоса динамограмма в ТПШ имеет вид, представленный на рисунке 1.

Рисунок 1 – Теоретическая динамограмма при статическом режиме работы установки

Точка А соответствует началу хода по­лированного штока вверх. Плунжер насоса остается неподвижным в течение определенного времени (нагнетательный клапан закрыт), и происходит начальная деформация штанг и труб (линия АВ). В точке В всасывающий клапан открыт, нагрузка на штанги стабилизируется и остается постоянной в течение хода вверх (линия ВС). В точке С поли­рованный шток (ТПШ) начинает двигаться вниз. Всасывающий кла­пан закрывается, а через определенное время открывается нагнетатель­ный. Нагрузка в ТПШ снижается (линия CD), штанги сокращаются, а трубы удлиняются (упругие деформации штанг и труб). В точке D нагрузка на штанги стабилизируется и остается постоянной в течение всего хода вниз (линия DA). На динамограмме нанесены нагрузки от сил трения при ходе вверх и вниз.

Инерционные нагрузки, действующие в системе, трансформи­руют теоретическую динамограмму (рисунок 1) следующим обра­зом (рисунок 2).

Рисунок 2 – Влияние сил инерции на форму динамограммы

В момент начала движения полированного штока вверх (точка А') плунжер под действием сил инерции в течение определенного времени продолжает двигаться вниз, в результате чего закрытие на­гнетательного клапана происходит позднее. После закрытия нагнетательного клапана штанги продолжают воспринимать дополни­тельную нагрузку за счет веса продукции скважины; при этом они деформируются, а плунжер еще не движется вверх. При деформа­ции, соответствующей точке В', начинается движение плунжера вверх с резким ускорением, что приводит к увеличению нагрузки на полированный шток (линия В'В' ). Начиная с точки В', ско­рость движения плунжера уравнивается со скоростью движения полированного штока, и нагрузка на полированный шток умень­шается (линия В'С'). При ходе вниз процесс восприятия и измене­ния нагрузок протекает аналогично (только силы инерции направ­лены вверх при начале хода полированного штока вниз).

Таким образом, при работе установки в динамическом режиме вид динамограммы только под действием сил инерции существенно отличается от такового при статическом режиме.

Еще более сложными становятся динамограммы, когда в системе возникают вибрационные нагрузки, характерным признаком кото­рых является появление при ходе вверх и вниз синусоидальных кри­вых (рисунок 3).

Рисунок 3 – Влияние сил вибрации на форму динамограммы

Теоретические динамограммы мо­гут быть построены только для некоторых случаев. В практической деятельности расшифровка динамограмм требует индивидуального квалифицированного анализа. В настоящее время для расшифров­ки динамограмм используется метод сравнения, базирующийся на адекватной математической модели работы глубиннонасосной уста­новки. Суть этого метода заключается во введении в модель любой неисправности в любом элементе глубиннонасосной установки, ко­торая отражается на модельной динамограмме. Сравнение факти­ческой (промысловой) динамограммы с модельной позволяет уста­новить характер неисправности. Такой подход позволяет с помощью математической модели построить необходимое количество модель­ных динамограмм, используя которые можно устанавливать по виду практической динамограммы неисправность.