ОЦЕНКА ПЕРИОДА ДЕЙСТВИЯ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ НАГРУЗОК НА ГОЛОВКУ БАЛАНСИРА СТАНКА-КАЧАЛКИ

Подбор конструкций штанговой колонны, как правило, производится по экстремальным нагрузкам на головку балан­сира. В зависимости от условий эксплуатации экстремум на­грузки может проявиться в различные моменты. Так, при от­качке маловязких нефтей экстремальная нагрузка возникает

│Nφ│ , Н/м	, Н/м	β			Fм, Н/м	Fш, Н/м	Fk, Н
	4,50	3,53	62,3	-	0,683		68,8
8,90	11,97	2,08	38,2	-	1.698		169,8
32,20	27,20	0,61	15,0	17,0	11,426	21,040	3246,6
6,00	8,40	2,26	45,6	-	1,215		121,5
3,40	21,96	1,33	28,2	-	3,073		307,3
2,80	20,00	1,32	29,6	-	2,800		280,0
5,30	10,40	1,72	41,0	-	1,485		148,5
2,00	11,20	1,57	39,5	-	1,593		159,3
2,20	10,90	1,50	40,0	-	1,552		155,2
-	-	-	-	-	-	-	-

только в момент начала движения штанговой колонны, что обусловлено силами инерции. При подъеме вязких нефтей и водонефтяных эмульсий возникает гидродинамическое сопротив­ление движению штанг, зачастую превышающее силы инерции. В таких случаях экстремальные нагрузки смещаются к середине хода штанг и определяются величиной гидродинамического трения.

Возможно существование и третьего варианта действия экстремальной нагрузки. Это может наблюдаться, если период начальной деформации штанг имеет большую продолжительность и колонна штанг получает движение в момент, близкий к макси­мальной скорости головки балансира. Экстремальная нагрузка в таком случае определяется суммой инерционной нагрузки и гидродинамического трения, и точка экстремума расположена близко к середине хода штанг.

Рассмотрим более подробно период действия экстремальной нагрузки при ходе штанговой колонны вверх.

Из литературы известно, что максимальная нагрузка инер­ционного характера, связанная с началом движения колонны жидкости и нижнего конца колонны насосных штанг, возникает несколько позже конца периода начальной деформации. Про­должительность периода начальной деформации в первом при­ближении может быть определена отношением длины колонны и скорости звука в данном материале, т.е.

(69)

где L - длина колонны насосных штанг, м; υ_ш, υ_ж - скорость звука соответственно в материале штанг и в жидкости, м/с.

По данным А.С. Вирновского, υ_ш = 4800 м/с; υ_ж =1400 м/с. С момента окончания периода начальной деформации до момента, когда дополнительная инерционная нагрузка достигнет макси­мума, пройдет время

(70), (71)

где F - площадь поперечного сечения плунжера, м²; F₁ -площадь поперечного сечения насосных труб, м²; f - площадь поперечного сечения насосных штанг, м²; L - длина штанговой колонны, м; γ_ж - удельный вес жидкости, Н/м³; γ_ш - удельный вес материала штанг, Н/м³.

Таким образом, от начала движения головки балансира станка-качалки до момента действия максимальной инерционной нагрузки кривошип успевает повернуться на определенный угол φ₁:

если

(72)

то

(73)

где (п - число двойных ходов головки балансира, мин^-1).

Силы гидродинамического трения определяются по зависи­мости [14]

(74)

где v - скорость штанг, м/с; μ - вязкость жидкости, Па*с; А и В - коэффициенты, учитывающие геометрические размеры штанг, труб и глубинного насоса.

Период действия и значение экстремума определяются в следующем порядке:

1. Находят инерционную нагрузку.

2. Определяют период действия инерционной нагрузки Т.

3. Рассчитывают скорость движения штанг в момент действия инерционной нагрузки

где а, b - элементы кинематики станка-качалки, м.

4. Определяют силы гидродинамичского трения в момент Т.

5. Рассчитывают сумму сил инерции и гидродинамического трения.

(75)

6. Определяют силы гидродинамического трения по формуле (74) при максимальной скорости головки балансира, т.е. при φ < π/2.

Рис. 29. Зависимость угла поворота кривошипа при движении головки балансира от нижней мертвой точки D_тр = 0,062 м, d_н = 0,056 м, d_ш = = 0,022 м, L = 1000 м:1 - до конца периода начальной деформации штанг и труб; 2 - до достижения максимума инерционной нагрузки

7. Сравнением величин Р_дин, Р_ин.в и Р_тр(π/2) находят период действия экстремальной нагрузки:

а) - экстремальная нагрузка опреде­ляется силами инерции и действует на головку балансира после периода начальной деформации;

б) - экстремальная нагрузка определяется силами гидродинамического трения и возникает в середине хода насосных штанг;

в) и - экстремальная нагрузка определяется суммой инерционной силы и сил гидродинами­ческого трения, а точка экстремума расположена близко к середине хода штанг.

На рис. 29 представлены графики, выражающие зависимость угла поворота кривошипа с момента начала движения головки балансира вверх до окончания периода начальной деформации (кривая 1) и до момента достижения максимума инерционной нагрузки (кривая 2).

Из графиков видно, чем больше число качаний, тем больше вероятность значительного увеличения экстремальной нагрузки за счет сложения сил инерции и гидродинамического трения. Анализ графиков также показывает, что для данных параметров работы насосной установки при п = 16 мин^-1 экстремальная нагрузка получается в результате сложения максимальной силы инерции с максимальным значением сил гидродинамического трения, поскольку момент достижения максимума инерционной нагрузки совпадает с моментом максимальной скорости головки балансира.

Для иллюстрации взаимосвязи между составляющими динами­ческой нагрузки на рис. 30 представлены графики, выражающие зависимость между числом двойных ходов полированного штока и

Рис. 30. Зависимость нагрузки от числа двойных ходов при ходе головки балансира вверх:

1 - инерционная нагрузка; 2 - гид­родинамическая нагрузка в момент максимума сил инерции; 3 - суммар­ная нагрузка в момент максимума сил инерции; 4 - гидродинамиче­ская нагрузка при максимальной скорости штанг; (μ - 0,7 Па*с, D_тр = 0,062 м; d_ш = 0,022 м, d_H = 0,056 м; L= 1000 м)

Рис. 31. Характерные динамограммы работы насосной установки с глубиной подвески насоса 1000 м:

а - откачка маловязкой нефти (S = 3 м, п = 9 мин^-1); б - откачка вязкой нефти (S=3м,п = 5,5 мин^-1), в - откачка вязкой нефти (S=3м,п = 9 мин^-1)

инерционной нагрузкой (кривая 1), гидродинамической на­грузкой в момент максимума сил инерции (кривая 2), суммарной динамической нагрузкой в момент достижения максимума сил инерции (кривая 3), гидродинамической нагрузкой при макси­мальной скорости движения штанговой колонны (кривая 4).

Сопоставление кривых 3 и 4 показывает, что при одних и тех же параметрах работы насосной установки в зависимости от числа двойных ходов полированного штока существуют различные области проявления экстремальных нагрузок, т.е. для данного примера до n = 5,7 мин^-1 экстремальная нагрузка при ходе штанг вверх определяется силами вязкости трения и период ее появления совпадает с максимальной скоростью штанг. При дальнейшем увеличении числа качаний экстремум смещается в сторону конца периода начальной деформации и определяется суммой сил гидродинамического трения и инерции.

Исследования, проведенные на стендовой скважине, под­твердили изложенное. Результаты, приведенные на рис. 31.

показывают, что существуют три типа динамограмм. Каждая из них характеризует область существования определенного режима работы насосной установки. Из динамограммы на рис. 31, а видно, что при откачке маловязких жидкостей верхние сечения штанговой колонны испытывают два ярко выраженных экстремума как при ходе вверх, так и при ходе вниз. Причем экстре­мумы в обоих случаях проявляются после окончания периода начальной деформации и вызваны началом движения жидкой колонны и нижнего конца колонны насосных штанг. Динамограмма рис. 30, б снята при откачке вязкой водонефтяной эмульсии на тихоходном режиме; так же, как и в первом случае, она по­казывает существование двух экстремумов. Однако в атом случае оба экстремума смещаются к середине хода штанг и определяются силами гидродинамического трения. Динамограмма, приведенная на рис. 31, в, снята при прочих равных условиях с предыдущей, изменено лишь число качаний.

Из рисунков видно, что увеличение числа качаний влечет за собой изменение характера динамограмм. Экстремум при ходе вверх проявляется между концом периода начальной деформации и моментом действия максимальной скорости движения штанг и определяется суммой сил инерции и гидродинамического трения в момент действия максимума инерционной нагрузки. При ходе вниз экстремум проявляется в середине хода штанг и оп­ределяется силами гидродинамического трения.

Обобщая изложенное, можно заключить:

период приложения экстремальных нагрузок на головку балансира может изменяться в зависимости от параметров от­качки;

для расчета максимальной и минимальной нагрузок не­обходимо предварительно оценить соотношение инерционных и гидродинамических нагрузок и вести расчет по превалирующей;

во избежание возникновения высоких динамических нагрузок из-за сложения инерционных и гидродинамических сил необ­ходимо вести откачку высоковязких жидкостей с минимальным числом качаний.