Измерение нагрузок на штанги с помощью динамографа

Измерение нагрузок осуществляется специальным при­бором, называемым динамографом. Графическая зависимость нагрузки, действующей в каком-либо сечении штанг в течение насосного цикла (ход вверх — ход вниз) в функции перемеще­ния этого сечения, называется динамограммой. 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. Каждый класс дина­мографов имеет как преимущества, так и недостатки.

В зависимости от места установки динамографа они раз­деляются на две группы:

1. Глубинные динамографы, устанавливаемые, как правило, в нижней части колонны штанг (над плунжером насоса). Они регистрируют нагрузки, действующие в течение насосного цикла на плунжер. Широкого применения в нефтепромысловой практике глубинные динамографы до настоящего времени не получили.

2. Поверхностные динамографы, устанавливаемые в ме­сте соединения полированного штока с канатной подвеской станка-качалки (ТПШ) и получившие довольно широкое рас­пространение.

Рассмотрим принципиальную схему поверхностного ги­дромеханического динамографа, представленную на рис. 5.17. Динамограф состоит из двух частей: силоизмерительной I и регистрирующей П.

Силоизмерительная часть состоит из верхнего 1 и нижнего 2 рычагов, которые для измерения нагрузки устанавливаются между траверсами канатной подвески и воспринимают нагрузку

Рис. 5.17. Принципиальная схема гидромеханического динамографа:

1 — верхний рычаг; 2 — нижний рычаг; 3 — опорный ролик; 4 — призма; 5 — мессдоза; 6 — поршень; 7 — шарик; 8 — капил­лярная трубка; 9 — геликоидальная манометрическая пружина; 10 — корпус; 11 -- ходовой винт; 12 — каретка со столиком; 13 — стрелка с пером; 14 — шкив; 15 — шнур; 16 — ролик

в течение насосного цикла. Для изменения масштаба измерения усилий требуется изменить плечо рычагов по отношению к воспринимаемой нагрузке G перестановкой опорных роликов

3. Действующая нагрузка G передается рычагам через призмы

4. Верхний рычаг 1 имеет мессдозу 5 с мембраной. Мессдоза заполнена жидкостью. В мессдозу входит поршень 6, нижний торец которого через шарик 7 опирается на нижний рычаг 2. Мессдоза 5 связана капиллярной трубкой 8 с геликоидальной манометрической пружиной 9. Под действием приложенной нагрузки G давление жидкости в мессдозе повышается и по капиллярной трубке передается геликсной пружине 9, под действием чего верхний конец ее разворачивается на угол, про­порциональный давлению.

Регистрирующая часть динамографа включает корпус 10, внутри которого имеется ходовой винт И, с которым связана каретка 12 со столиком. На верхнем конце геликсной пружины имеется стрелка с пером 13. При вращении ходового винта 11 каретка 12 со столиком перемещается вверх или вниз. На конце ходового винта имеется шкив 14 с возвратной пружиной. На шкив намотан шнур 15. Второй конец шнура через ролик 16 закрепляется к устьевой арматуре. После закрепления динамо­графа между траверсами и шнура к устьевой арматуре прибор готов к работе. При ходе вверх шкив 14 вращается, приводя в действие ходовой винт 11, который перемещает каретку 12 со столиком вверх. При ходе вниз шнур 15 наматывается на шкив 14 под воздействием возвратной пружины, а ходовой винт 11 перемещает каретку 12 со столиком вниз.

На столике каретки закрепляется бланк, на котором и фик­сируются пером 13 изменяющиеся в течение хода «вверх—вниз» нагрузки, действующие в ТПШ. Перемещение каретки со сто­ликом пропорционально ходу полированного штока.

Изменение масштаба регистрации усилий достигается перестановкой опорного ролика 3 между верхним 1 и нижним 2 рычагами; изменение масштаба перемещения каретки 12 со столиком производится сменой диаметра шкива 14.

Таким образом, применение динамографа позволяет фик­сировать зависимость усилия, действующего в ТПШ,в функции перемещения ТПШ (длины хода полированного штока) G = f(S) и называемой динамограммой.

Широкое распространение гидромеханического динамогра­фа обусловлено его простотой, оперативным получением пер­вичной информации - динамограммы и возможностью здесь же, на месте, определения основных неисправностей СШНУ или причин недостаточной эффективности работы установки.

К недостаткам данного вида оборудования относятся низкая точность и достоверность информации, субъективность в оценке и расшифровке динамограмм, остановка станка-качалки для установки динамографа, большие затраты времени и ручного труда операторов по исследованию скважин, особенно при сложных погодно-климатических условиях, невозможность телемеханизации и телеавтоматизации процесса динамометри-рования, затруднение в сборе и обработке полученной инфор­мации с помощью ЭВМ.

В настоящее время в нефтяной промышленности при технической диагностике СШНУ широкое распространение получили микропроцессоры.

Существует множество видов оборудования для диагности­ки и контроля за работой ШСНУ на базе микропроцессорных систем.

Так, например, фирма «АТК» (г. Пермь) предлагает систему, состоящую из стандартного геликсного динамографа, датчика давления и перемещения, который соединен со вторичными приборами, предназначенными для хранения и первичной об­работки информации, а также для передачи этой информации в ЭВМ для обработки и анализа полученных данных. Фирма поставляет также программное обеспечение, позволяющее определить до 14 параметров системы «пласт — скважина — установка», такие как: динамический уровень, дебит скважины, нагрузка в точке подвеса колонны штанг, коэффициенты подачи и наполнения насоса и некоторые другие. Однако при всех сво­их достоинствах этот способ динамометрирования имеет свои недостатки. К ним в первую очередь относится необходимость остановки станка-качалки для монтажа динамографа, подвеска полированного штока на специальном зажиме, ручной монтаж и демонтаж динамографа между траверсами канатной подвески станка-качалки, невозможность телемеханизации процесса динамометрирования.

Подобное оборудование используется фирмой Dynapump (США). В этой системе геликсный динамограф заменен на электронные датчики давления, а персональный компьютер максимально приближен к скважине для оперативной обра­ботки и анализа информации, а также выдачи рекомендаций по дальнейшей эксплуатации данной скважины. Система в целом мобильна и имеет ряд преимуществ перед ранее известными.

К недостаткам этой системы относится невозможность телемеханизации процесса диагностирования. Этого недостат­ка лишены системы, разработанные фирмами «Mobil Oil Co» (США), «DELTA-X» (США), «Baker CAC» (США). Система диагностики включает датчик нагрузки на колонне штанг, си­стему сбора данных и каналы от конечных устройств к ЭВМ. Система состоит из центрального, обрабатывающего инфор­мацию, комплекса и полевых компьютеров, обслуживающих группы скважин.

Оценка технического состояния ШСНУ проводится по ре­зультатам последовательных замеров определенных параметров работы. Система применяется не только для диагностики, но и для оптимизации режима работы установок, анализа нагружен­ности колонны насосных штанг, работы станка-качалки и его уравновешенности.

Компания «ЭХОМЕТР» (США) предлагает комплексную систему исследования работы скважин. Для количественного динамометрического анализа необходимы данные высокой степени точности, для получения которых требуется исполь­зование калиброванного датчика. Преимущество этой системы состоит в высокой скорости обработки данных компьютером и чувствительности к ускорению датчика нагрузки.

Существуют также системы диагностики и других зару­бежных фирм.

В последнее время большое количество российских фирм занимается разработкой и внедрением систем диагностики работы скважинных штанговых насосов. Среди них необ­ходимо отметить систему диагностики насосных установок СДНУ-ЗМ (разработчик — РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина), аппаратно-программный комплекс динамометрирования скважин «Квантор» (г. Набережные Челны), электронный динамограф MS-117 (фирма Маркетинг-Сервис, г. Набережные Челны), динамограф СИДДОС (фирма «СИАМ» г. Томск), комплекс диагностики скважин «КДС-П» (ПермНИПИнефть, г. Пермь), комплекс диагностики станков-качалок «Омега» (АОЗТ «Волжское конструкторское бюро», г. Самара) и дру­гие. Практически все они основаны на анализе динамограмм, которые снимаются с помощью тензометрических датчиков нагрузки и датчиков перемещения головки балансира или по­лированного штока. Также, как в ранее рассмотренных системах («Дельта-Х», «ЭХОМЕТР», Dynapump), датчики нагрузки могут быть накладными (на полированный шток) или встраи­ваемые в канатную подвеску станка-качалки. Полученные в результате замеров динамограммы передаются на компьютеры по физическим линиям (проводные системы) или по систе­мам радиосвязи. В некоторых конструкциях фирмы «Микон» (г.Набережные Челны) и фирмы «СИАМ» (г. Томск) микро-ЭВМ встроена в прибор, совмещенный с датчиком нагрузки. В этом случае микро ЭВМ оснащена и датчиком акселерометром, заменяющим датчик перемещения полированного штока. Об­работка динамограммы проводится компьютером по заданной программе. Кроме динамограмм указанные системы могут проводить замеры ваттметрограмм для определения уравно­вешенности станка-качалки. Некоторые из современных систем диагностики пытаются воссоздать принципы, заложенные в СДНУ-ЗМ в начале 90-х годов XX века: тестирование клапанов скважинного штангового насоса, определение негерметичных интервалов колонны НКТ, использование системы для точного определения действительного дебита насосной установки, по­строение плунжерной динамограммы с определением нагрузок в штанговой колонне в любом ее сечении.

Кроме отсутствия субъективного подхода к анализу дина­мограмм и ваттметрограмм, электронные системы диагностики имеют важное преимущество, заключающееся в сохранении всех данных по исследованию скважин в хронологическом порядке. Это позволило создавать базы данных на нефтедобы­вающих предприятиях, которые используются для отслеживания правильности разработки месторождения и движения нефтепромыслового оборудования.

Динамограммы

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 глубинно-насосной установки (ее подземной части) и отражает нарушения в различных элементах подземного оборудования. Динамометрирование позволяет оперативно устанавливать нарушения в работе установки и принимать соответствующие меры.

1.Теоретические динамограммы

Простейшая теоретическая идеальная динамограмма, за­фиксированная у плунжера при нормальной работе глубинного насоса, представлена на рис. 5.18, а. Точка А характеризует на­чало хода плунжера вверх, когда нагнетательный клапан закрыт, а всасывающий — открыт и на плунжер действует нагрузка G_n, величина которой определяется точкой В. Таким образом, линия АВ — это линия восприятия нагрузки на плунжер при

Рис. 5.18. Простейшие теоретические динамограммы при статическом режиме работы установки:

а - зафиксированная у плунжера; б - зафиксированная в точке подвеса

начале хода вверх. В течение всего хода вверх (линия ВС) на­грузка остается постоянной. В точке С (начало хода плунжера вниз) нагнетательный клапан открывается, а всасывающий — закрывается, и нагрузка G_n с плунжера передается на трубы (линия CD). В течение всего хода вниз (линия DA) нагрузка на плунжер остается постоянной.

При фиксировании динамограммы в ТПШ вид динамо­граммы изменяется, что связано с особенностями восприятия нагрузки колонной штанг, являющейся упругой системой. Для статического режима при нормальной работе глубинного насоса динамограмма в ТПШ имеет вид, представленный на рис. 5.18, б. 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

Рис. 5.19. Влияние на форму динамограммы инерци­онных и вибрационных процессов

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. Нагрузки, действующие в установке при статическом режиме работы, нанесены на динамограмме рис. 5.18, б.

Более сложными становятся динамограммы с учетом инер­ционных и вибрационных нагрузок. На рис. 5.19 показаны все нагрузки, действующие в системе при ходе вверх и вниз.

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 глубинно-насосной установки. Суть этого метода заключается во введении в модель любой неисправности в любом элементе глубинно-насосной 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.

2. Практические динамограммы

Рассмотрим некоторые практические динамограммы, кото­рые дешифруются при использовании простейшего анализа.

Влияние свободного газа,попадающего в цилиндр насоса при такте всасывания (рис. 5.20).

Эти динамограммы отличаются характером процесса раз­грузки колонны штанг при ходе вниз. Если под плунжером на­соса имеется свободный газ, то при ходе плунжера (штанг) вниз замедляется процесс разгрузки штанг вследствие сжимаемости газожидкостной смеси в цилиндре насоса. При этом вид дина­мограммы зависит от давления на приеме насоса. При малых давлениях на приеме получают динамограмму, показанную на рис. 5.20, а, а при больших — динамограмму, показанную на рис.

Рис. 5.20. Динамограммы для случая влияния свободного газа:

а - динамограммы при небольших давлениях у приема на­соса, причем линия 1 при Р_пр1, 2 - Р_пр2, 3 - при Р_пр3 (Р_пр1> Р_пр2> Р ), линия 4 - срыв подачи насосом; б - динамограмма при большом давлении у приема насоса

5.20, б. По мере роста объема свободного газа в цилиндре насоса площадь динамограммы уменьшается (линии 1,2,3 на рис. 5.20, я), а при срыве подачи вследствие свободного газа динамограм­ма приобретает следующий вид (линия 4 на рис. 5.20, а).

Превышение подачи установки над притоком.Очень часто по форме динамограммы при влиянии свободного газа похожи на динамограммы, когда подача насоса превышает приток про­дукции в скважину и давление на приеме резко снижается. В этом случае необходимо проследить за формой динамограмм, фиксируемых последовательно одна за другой после кратков­ременной остановки скважины. В случае превышения подачи насоса над притоком продукции в скважину первая после оста­новки скважины динамограмма покажет полное заполнение цилиндра при такте всасывания (рис. 5.21, динамограмма 1). Последовательно фиксируемые динамограммы 2, 3 и 4 будут принимать форму, характерную для влияния свободного газа.

Рис. 5.21. Динамограмма при превышении притока продукции в скважину:

1 - нормальное заполнение цилиндра при такте всасывания (после остановки скважины); 2, 3, 4 - динамограммы, фикси­руемые через определенные промежутки времени после снятия первой динамограммы

Нарушение герметичности насоса,связанное с утечками в нагнетательной части насоса (нарушение герметичности нагнетательных клапанов или пары «цилиндр-плунжер»), ха­рактеризуется выполаживанием линии восприятия нагрузки штангами при ходе вверх, большей крутизной линии разгрузки штанг и скруглением линии нагрузки в точках С и D (рис. 5.22, а). Утечки в приемной части насоса (нарушение герметичности всасывающего клапана или посадочного конуса вставного насо­са — при нижней посадке) характеризуются выполаживанием линии разгрузки штанг при ходе вниз, большей крутизной линии восприятия нагрузки штангами и скруглением линии нагрузки в точках А и В при ходе вверх (рис. 5.22, б).

Неправильная посадка плунжера насосаотражается на динамограммах по-разному. Удар плунжера о нижний (вса­сывающий) клапан или низкая посадка плунжера вследствие неправильной подгонки длины штанг при монтаже проявляется на динамограмме петлей в нижнем левом углу ее (рис. 5.23, а). Срыв нижнего конуса захватным штоком при высокой посадке плунжера проявляется на динамограмме в виде петли в правом верхнем углу и характерными изменениями нагрузки при ходе

Рис. 5.22. Динамограммы при нарушении герметичности насоса:а - утечка в нагнетательной части насоса; б - утечка в приемной части насоса

вниз, определяемыми колебаниями колонны штанг вследствие удара в момент посадки конуса (рис. 5.23, б).

Рис. 5.23. Динамограммы при неправильной посадке плунжера в цилиндре насоса:

а - при ударе плунжера о всасывающий клапан; б - высокая посадка плунжера и срыв нижнего конуса захватным штоком

Обрыв штанг (отворот плунжера)характеризуется на динамограмме незначительной разницей в нагрузках при ходе вверх и вниз, т.е. динамограмма имеет форму узкой горизон­тально расположенной петли (рис. 5.24), которая располагается на уровне нагрузки от веса штанг в продукции скважины, если произошел отворот плунжера или обрыв штанг у плунжера (рис. 5.24, а). Местоположение такой динамограммы связано с местом обрыва: петля располагается между нулевой нагрузкой и нагрузкой от веса штанг в продукции (рис. 5.24, б).

Рис. 5.24. Динамограммы при обрыве штанг (отвороте плунжера):

а - обрыв штанг у плунжера (отворот плунжера); б - обрыв штанг в середине штанговой колонны (динамограмма 1) и обрыв в верхней части колонны (динамограмма 2)

Заедание плунжерахарактеризуется на динамограмме значительным местным увеличением или снижением нагрузки в сравнении с нагрузками при нормальной работе установки. На рис. 5.25, а показана динамограмма с заеданием плунжера в конце хода вверх, а на рис. 5.25, б — когда заедание плунжера происходит в конце хода вниз.

Следует отметить, что динамометрирование штанговых глубинно-насосных установок является эффективным сред­ством контроля состояния системы и позволяет своевременно принимать необходимые меры в случае нарушения работы отдельных элементов. Кроме того, динамограмма позволяет рассчитывать с определенной точностью некоторые техноло­гические характеристики, хотя для этого необходимо обычную методологию снятия динамограмм дополнить регистрацией на­грузок, действующих в верхнем и нижнем мертвых положениях полированного штока, для чего в этих положениях необходима остановка станка-качалки.

Рис. 5.25. Динамограммы при заедании плунжера в цилиндре:

а - в конце хода вверх; б - в конце хода вниз