МЕХАНИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ НАСОСНО-КОМПРЕССОРНЫХ ТРУБ

Довольно значительная часть подземных ремонтов скважин (ПРС) связана с неполадками НКТ. Только в 1988 г. в объеди­нении "Башнефть" проведено 708 ремонтов, связанных с утеч­ками в НКТ (около 5% от общего количества ПРС). Около 55% составили утечки в резьбовой части, остальные - по телу НКТ. Такое распределение видов утечек характерно для всех НГДУ. Наибольшее количество ремонтов из-за утечек отмечено в НГДУ "Южарланнефть", наименьшее - в НГДУ "Арланнефть", "Уфа-нефть". В остальных НГДУ доля ремонтов из-за утечек нахо­дится примерно на одном уровне.

Анализ утечек по заводам-изготовителям показывает, что наибольшая аварийность характерна для НКТ производства Азтрубзавода, Руставского завода (табл. 6). По всем заводам-изготовителям сохраняется преобладание утечек в резьбовой части НКТ [5].

Как показали выборочные проверки, основные причины утечек в резьбовой части - это коррозия, дефекты изготовления и эксплуатации, а также работа НКТ в сложнонапряженном сос­тоянии в ННС. Структура утечек приведена на рис. 9.

Утечки по телу НКТ наблюдаются по трем причинам: скрытые заводские дефекты, истирание тела НКТ штангами в наклонно направленных скважинах и коррозия. Из-за коррозии произошло около 90% ремонтов, связанных с утечками по телу НКТ.

Для защиты колонн НКТ рекомендуются ингибиторы коррозии типа К-2175, коррексид 7798, Нефтехим, Викор-1, Урал-2. Пе­риодическая заливка ингибитора К-2175 позволила сократить

Таблица 6

Распределение ремонтов, связанных с утечками в НКТ, по заводам-изготовителям (данные 1988 г.)

число ПРС из-за утечек в теле НКТ в 4 раза (НГДУ "Чек-магушнефть").

Анализ аварийности по новым НКТ (со сроком службы до 5 лет) показал, что из-за отсутствия опрессовки при проведении входного контроля труб происходит дополнительно до 3% "лиш­них" ремонтов от общего количества ПРС. Коррозионное разру­шение характерно для НКТ всех заводов. Наиболее подвержены коррозии трубы Нижнеднепропетровского трубопрокатного заво­да, затем - японские и австрийские. Отклонение геометриче­ских параметров резьбы приводит к ее размыву на трубах. Вы­сок процент таких дефектов у труб Сумгаитского, затем Нижне­днепропетровского, Руставского, Каменск-Уральского заводов. Следует отметить высокое качество резьбовых соединений им­портных труб.

Существенный резерв сокращения подземных ремонтов - пред­упреждение спуска в скважины дефектных труб. Для этого не­обходимо проводить входной контроль НКТ. Методы и средства входного контроля качества НКТ даны в разработанном БашНИПИнефтью СТО 03-136-89 "Штанги насосные, трубы насосно-компрессорные и муфты к ним. Порядок проведения входного контроля". На продолжительность безотказной работы НКТ зна­чительное влияние оказывают условия работы насосно-компрессорных труб в ННС, оценить которые в промысловых ус­ловиях крайне затруднительно либо вообще невозможно. Поэтому с целью повышения эффективности работы НКТ на искривленных участках скважины важное значение приобретают эксперимен­тальные исследования по оценке влияния отдельных факторов [16].

Рис. 9. Структура утечек в подземной части УСШН

Опыт эксплуатации колонн НКТ показывает, что в качестве основных факторов, определяющих условия их работы примени­тельно к искривленным участкам ствола скважины, следует признать изменяющиеся во времени осевые нагрузки, вызывающие линейные деформации, давление рабочей среды, а также обус­ловленную искривлением ствола скважины деформацию от изгиба.

Применительно к эксплуатации скважин с помощью штанговых скважинных насосов растягивающая нагрузка, действующая на муфтовое соединение НКТ на глубине Я, согласно [12] определяется по формуле

(16)

где L - длина колонны насосных штанг; q_m - вес 1 м НКТ; ρ -

плотность жидкости; р_у - давление на устье скважины; F -площадь кольцевого сечения над плунжером насоса.

Моделирование осевых нагрузок, действующих на колонну НКТ, возможно с помощью силового гидроцилиндра, в котором необходимо создать давление

(17)

где F_ц - площадь рабочей поверхности поршня гидроцилиндра; P₀ - давление внутри образца НКТ; F_m - площадь проходного сечения образца НКТ.

Давление внутри образца НКТ

(18)

Линейное удлинение насосных штанг и НКТ можно определить по формуле

(19)

где g - ускорение свободного падения; Е - модуль упругости I рода для материала штанг и труб; L_ш, L_т - длина штанг и труб соответственно; f_ш, f_т - площадь сечения по металлу штанг и труб соответственно.

С учетом выражений (16) и (19) линейную деформацию образца НКТ со штоком гидроцилиндра можно определить как

(20)

где L₀ , L_шт - длина образца НКТ и штока гидроцилиндра соответственно; f₀, f_шт - площадь сечения по металлу образца НКТ и штока цилиндра соответственно.

Среднюю скорость движения головки балансира при ходе на величину S' можно рассчитать так:

(21)

где п - число качаний балансира в минуту.

Тогда время погружения муфтового соединения колонны НКТ на глубине Нсоставит

(22)

С учетом (21) выражение (22) примет вид

(23)

Рис. 10. Схема стенда для исследования работы труб в ННС

Для исследования работы труб в ННС спроектирован лабора­торный стенд, в котором образец НКТ 9 с муфтовым соединением 7 устанавливается шарнирно в опоры 5 и 10 (рис. 10). Стенд монтируется на станине 21. Ручным насосом 2 из резервуара 1 во внутреннюю полость образца 9 через заглушку 4 нагнетается рабочая жидкость, давление которой контролируется манометром 3. Образец трубы изгибается винтовой опорой 6, выполненной совместно с накопителем 8 для сбора жидкости. Плунжерный на­сос 17 нагнетает масло из резервуара 18 в гидроцилиндр 13, управляемый золотниковым устройством 19 и диафрагмами 20. При создании избыточного давления в левой полости гидроци­линдра 14 через шток 11 и заглушку передается растягивающая нагрузка на образец, а при создании избыточного давления в правой полости образец сжимается. Регулятор давления 16 по­зволяет в процессе работы создавать в гидросистеме норми­руемое давление, т.е. регулировать осевую нагрузку. Аккуму­лятор давления 15 сглаживает его колебания, возникающие

вследствие неравномерности работы насоса 77 и гидроцилиндра 13. Давление в гидросистеме контролируется манометрами 3, 12 [16].

Стенд позволяет использовать результаты исследования на модели для прогнозирования работы колонны НКТ в искривленном участке ствола скважины.

2.3. КОЭФФИЦИЕНТ ТРЕНИЯ ШТАНГ И МУФТ

С целью экспериментального исследования совместного вли­яния вязкости нефти, относительной скорости движения тру­щихся тел и удельной нормальной нагрузки на коэффициент тре­ния муфт и штанг были созданы два стенда: для исследования на образцах в натуральную величину (горизонтальный стенд) и для исследования на уменьшенных образцах (моделирующий силь­но искривленный участок ствола скважины). Горизонтальный стенд состоит из модели муфты или штанги 1 и модели насосной трубы 2 (рис. 11, а). Модель штанговой муфты имеет диаметр 46 мм. Диаметр отрезка трубы - 62 мм. Длина отрезка трубы равна 100 мм, что обеспечивает длину зоны касания трущихся элементов 1 и 2, равную длине натурного образца муфты. Об­разец штанги опирается на ролики 4 и соединен с приводом, обеспечивающим его возвратно-поступательное движение. Насос­ная труба через тензодатчик 3 соединена с регистрирующей ап­паратурой. Прижимающая сила создается нагрузкой 2 на отрезок насосной трубы 5, приложенной к его середине через шарнирное соединение. Шарнирное приложение нагрузки обеспечивает воз­можность свободного поворота образца. Это соответствует

Рис. 11. Схема стенда для штанг и труб:

а - для образцов в натуральную величину; б - для образцов штанг умень­шенных размеров

представлению, что штанги из-за своей малой жесткости при изгибе не препятствуют повороту муфты. В этом случае соблю­даются условия моделирования трения при гидродинамическом режиме, когда образуется жидкостный смазочный клин между муфтой и трубой (условия однозначности согласно третьей тео­реме подобна).

При исследовании трения натурных образцов штанг вместо цилиндра устанавливают отрезок штанги диаметром 19, 22, 25 мм. Для оценки влияния концевых эффектов были использо­ваны отрезки труб двух длин: 100 и 200 мм. Влияние концевых эффектов не наблюдалось, и поэтому основное количество из­мерений проведено для отрезков 100 мм.

Для определения влияния искривления ствола скважины на коэффициент трения штанг создан стенд уменьшенных размеров (рис. 11, б) [20]. Этот стенд представляет собой вращающееся колесо 2, по ободу которого сделана канавка 5, моделирующая искривленную насосную трубу - Штанга моделируется проволокой 3, расположенной в канавке и охватывающей часть колеса. Один конец проволоки прикреплен к датчику усилия 1. К другому концу приложена нагрузка 4, создающая прижимающую силу. Гео­метрическое подобие обеспечивается критериями подобия

где d - диаметр штанг; h - длина искривленного ствола сква­жины; λ - масштаб геометрического подобия; r - радиус ис­кривления ствола скважины; индекс "н" соответствует размерам натуры, а индекс "м" - модели.

Принимая λ_d = 20 и λ_h = 34 для интенсивного искривления ствола скважины 2 на 10 м, получаем r_м = 0,2 м. В соответ­ствии с полученными масштабами спроектирован и изготовлен стенд, имеющий диаметр колеса 400 мм, диаметр канавки 3,1 мм, диаметр проволоки 1,1 мм. Отношение диаметра прово­локи к диаметру канавки равно отношению диаметра штанг 22 мм к внутреннему диаметру труб 62 мм, коэффициент геометриче­ского подобия равен 20. Измерения проводили при угле охвата колеса проволокой, равном 90⁰ , Контрольные измерения при угле охвата 180⁰ показали, что концевые эффекты не сказыва­ются на результатах.

В процессе трения значительную роль играет шероховатость трущихся поверхностей. В связи с этим с помощью профилометра была оценена шероховатость трущихся пар в новых образцах муфт, штанг и труб, а также проработавших на скважине. Из­мерения показали, что поверхность новых штанг и внутренняя стенка насосных труб имеют 4-5 класс чистоты, а за счет притирки во время работы чистота трущихся поверхностей

достигает 7-8 класса. Это соответствует данным, приведенным в работе С.К. Кадымовой, согласно которым коэффициент трения в течение 8 ч работы трущихся пар снижается на 50%. Поэтому можно считать, что в реальных промысловых условиях муфты, штанги и трубы имеют малую шероховатость. Приведенные далее результаты получены для поверхностей 7-8 класса чистоты.

Коэффициент трения для протяженных тел определяется из выражения

f = F/N,

где F - сила трения на единицу длины, Н/м; N - прижимающая сила на единицу длины, Н/м.

При наличии смазки трение зависит от безразмерной вели­чины, которая называется обобщенным числом Зоммерфельда [2]

где μ - вязкость жидкости, Па*с; υ - относительная скорость трущихся тел, м/с.

Верхняя граница диапазона числа Зоммерфельда, для кото­рого необходимо провести исследование, определяется выра­жением

Для штанговой насосной эксплуатации можно принять, что υ_max = 1 м/с, μ_max=0,1 Па*с. В условиях скважины N_maxможетиметь очень малые значения, однако проведение исследований трения целесообразно, когда сила трения F существенна, т.е. сравнима с весом единицы длины штанг q. Для муфт это условие принимает вид:

(24)

где l_м - длина муфты; l_ш - длина штанги.

Здесь принято, что сила трения составляет 1/10 веса штанг.

Учитывая, что из (24), при f = 0,2 находим

(25)

Так как q ≈ 30 Н/м, то из (23) имеем

(26)

Из таких же соображений находим верхнюю границу для тела штанг So_max = 10^-3. При определении нижней границы числа So для муфт и штанг воспользуемся известной из области машино­строения зависимостью . Можно предположить, что f не превышает значений 10². Тогда находим So_max ≈ 10^-6. Таким

Рис. 12. Преобразователь усилий:

а - обший вид; б - схема электрических соединений

образом, если So > So_max, то трение соответствует малой прижимающей силе, когда трение вообще несущественно. Если So < So_min, то граничное трение со смазкой незначительно по сравнению с общим трением.

В указанном диапазоне было проведено 102 опыта для муфт и 240 опытов для штанг. Силу трения регистрировали при помощи аппаратуры, включающей преобразователь усилий (рис. 12, а), состоящий из чувствительного элемента / в виде прямоуголь­ника из упругого металла, установленного на текстолитовом основании 2. На поверхности чувствительного элемента в об­ластях растягивающих и сжимающих деформаций наклеивают про­волочные тензорезисторы 3. Выводы из резисторов, образующих смежные плечи активного полумоста, припаивают к контактам 1, 2, 3 (рис. 12, б) основания датчика.

Принцип действия преобразователя заключается в передаче деформаций упругого элемента, испытывающего растягивающие усилия, к тензорезисторам. Деформируясь, тензорезисторы из­меняют свое сопротивление, уменьшая его от сжатия и увеличи­вая от растяжения. Общее изменение сопротивления обоих плеч вызывает разбаланс всей мостовой схемы. Разность потенциалов, возникающая в измерительной диагонали моста, фиксируется на регистраторе в виде диаграммы усилий в функции времени. Типовая запись силы трения показана на рис. 13. По среднему значению записанной силы трения вычисляют коэффициент трения.

На рис. 14 представлены результаты измерений на стенде, моделирующем сильно искривленный участок ствола скважины, и на горизонтальном стенде с использованием уменьшенных об­разцов. Результаты исследований свидетельствуют о том, что искривление ствола в геометрическом смысле не оказывает влияния на коэффициент трения и поэтому исследования на образцах в натуральную величину проведены на горизонтальном стенде.

Рис. 13. Типовая запись силы тре­ния:

1 - v = 0,0146 м/с, N = 80 Н/м. μ = 59*10^-3 Па*с;

2 - v = 0,0024 м/с, N = 50 Н/м. μ = 59*10^-3 Па*с;

Рис. 14. Зависимость коэффициента тре­ния от числа Зоммерфельда:

1 - для муфт; 2 - для штанг

На рис. 14 кривая 1 представляет результаты измерений для муфт. Она имеет характерный вид зависимости коэффициен­та трения от числа Зоммерфельда для случаев трения смазан­ных тел [2]. Кривая f(So) состоит из падающего и восходя­щего участков, а в средней части достигает минимума. На падающем участке при малых значениях So трение происходит в режиме граничной смазки, а на восходящем при больших So - в режиме гидродинамической смазки. При средних So отмечается переходный (смешанный) режим смазки.

Кривая 2 на рис. 14 построена по результатам измерений коэффициента трения тела штанг. Основное различие зависи­мостей коэффициентов трения муфт и штанг состоит в том, что для штанг граница перехода на режим граничного трения смещается в сторону увеличения числа Зоммерфельда.

Гидродинамический режим характеризуется наличием жид­кости, полностью разделяющей трущиеся поверхности. Так как

Рис. 15. Схема граничного слоя по Боудену:

1 - поверхность насосной трубы; 2 - поверхность штанг

твердые детали не касаются друг друга, то износ практически не существует, а сопротивление движению определяется только вязкостью жидкости. Режим трения определяется обобщенным числом Зоммерфельда. При снижении числа Зоммерфельда ниже указанных значений невозможно обеспечить полное гидроди­намическое разделение двух трущихся поверхностей, в этом случае возникает смешанный режим или режим граничного слоя. Режим смешанной смазки включает частичный контакт высту­пающих вершин неровностей и наличие достаточно большого ко­личества смазки в полостях. На рис. 15 приведена схема гра­ничного слоя по Боудену [2]. В этом случае сопротивление движению определяется как вязкостью смазочного слоя, так и задеванием вершин неровностей трущихся поверхностей. Нижняя граница смешанной смазки по экспериментальным данным нахо­дится ниже числа Зоммерфельда (10^-5 для тела штанг и 10^-6 для штанговых муфт). Дальнейшее снижение числа Зоммерфельда вызывает твердое трение (трение без смазки). При этом смазка между трущимися поверхностями полностью вытесняется и со­противление движению вызывает взаимозадевание выступов не­ровностей.

Коэффициент для граничного трения в общем случае может быть рассчитан так [11]:

(27)

Для удобства проведения расчетов сил трения опытные дан­ные аппроксимированы четырехпараметрической функцией, зна­чения коэффициентов а, Ь, с, d представлены в табл. 7.

Таблица7