Подача ГПН и рабочее давление

Рассмотрим работу ГПН двойного действия, так как такие агрегаты являются наиболее современными. Обозначим: Рн - площадь поршня насоса, откачивающего пластовую жидкость; f - площадь сечения штока; S - ход поршня; n - число двойных ходов в минуту.

Подача насоса при ходе вниз

,

при ходе вверх

.

Подача за один двойной ход

.

Подача за n ходов будет в n раз больше, а в сутки в 24 x 60 = 1440 раз больше. Таким образом, теоретическая подача насоса в сутки будет равна

, (12.1)

Вводя коэффициент подачи α, учитывающий различные потери (утечки через неплотности, незаполнение цилиндра из-за влияния газа, усадку нефти и др.), можно определить фактическую подачу ГПН двойного действия

. (12.2)

По аналогии с (12.2) можно определить расход рабочей жидкости гидравлического двигателя двойного действия ГПН

. (12.3)

где Fд - площадь поршня двигателя; αз - коэффициент, учитывающий утечки рабочей жидкости в зазоре между цилиндром и поршнем, в клапанах, протечки жидкости в золотниковом устройстве и в муфтовых соединениях НКТ.

Силовой насос на поверхности должен обеспечить подачу Qр. Если силовой насос будет иметь подачу меньшую, то в соответствии с ней изменится и число ходов ГПН.

Поэтому, регулируя подачу силовою насоса на поверхности, можно изменить число ходов ГПН, а следовательно, и подачу всей установки. Изменение подачи силового насоса возможно только заменой плунжеров и втулок насоса, а также путем сбрасывания части рабочей жидкости из нагнетательного трубопровода назад в приемную часть насоса, т. е. дросселированием жидкости. Однако такой метод регулировки снижает к. п. д. установки.

Рабочее давление, развиваемое силовым насосом, обычно велико и составляет 10,0 МПа и более. Это давление определяется соотношением площадей поршней в двигателе ГПН и самом насосе, а также гидравлическими сопротивлениями в колонне НКТ и кольцевом пространстве. Определим рабочее давление силового насоса на устье скважины для ГПН двойного действия (рис. 12.5).

Рис. 12.5. Схема распределения давлений и действия сил в ГПН при ходе вниз

Сила Rд, действующая сверху на поршень гидравлического двигателя, при его ходе вниз должна уравновешиваться силой Rн, действующей на поршень насоса снизу, и силами трения r, возникающими в сальниках и на уплотнительных поверхностях при движении всей поршневой системы:

. (12.4)

Но сила Rд - равнодействующая от силы R'д, действующей на поршень сверху, и силы R"д, действующей на поршень снизу в цилиндре двигателя ГПН, так что

. (12.5)

Обозначим: f₁ - верхняя площадь поршня двигателя; f₂ - нижняя площадь поршня двигателя, равная верхней за вычетом площади сечения штока; P₁ - давление рабочей жидкости в полости над поршнем; P₂ - давление отработанной жидкости в полости под поршнем.

Тогда

, (12.6)

, (12.7)

Давление рабочей жидкости в цилиндре двигателя P₁ (см. рис. 12.5) складывается из давления нагнетания рабочей жидкости на устье Pн, гидростатического давления столба рабочей жидкости в колонне НКТ от устья до глубины подвески ГПН Р'_г, потерь давления на трение жидкости в НКТ Р_т и потерь давления на трение рабочей жидкости в подводящих каналах и золотниковом устройстве двигателя n. Потери на трение P_т и n, очевидно, надо взять со знаком минус. Итак,

. (12.8)

Давление отработанной жидкости под поршнем двигателя сложится из давления в выкидной линии на устье скважины P_у, гидростатического давления столба жидкости в кольцевом пространстве P"_г, которая может иметь плотность, отличную от плотности рабочей жидкости, и поэтому, вообще говоря P'_г ≠ P"_г , потерь на трение Р_к в кольцевом пространстве при движении по нему смеси из пластовой и отработанной жидкости и потерь на трении п в отводных каналах и золотнике двигателя, которые должны быть взяты со знаком плюс. Таким образом,

. (12.9)

Рассмотрим теперь силы и давления, возникающие над и под поршнем насосного цилиндра также при ходе поршня вниз.

Сила R'_н равна алгебраической сумме сил, действующих на поршень снизу и сверху, т. е,

, (12.10)

где R'_н - сила, действующая на нижнюю поверхность поршня; R"_н - сила, действующая на верхнюю поверхность поршня. Но

, (12.11)

где F₁ - нижняя площадь поршня насоса со стороны нагнетания жидкости при ходе вниз; P_н1 - давление на выкиде насоса, действующее на нижнюю поверхность поршня при его ходе вниз.

Аналогично определится и сила R"_н, действующая на верхнюю поверхность поршня насоса со стороны всасывания. Верхняя площадь поршня меньше нижней на величину сечения штока. Обозначим ее F₂. Тогда

, (12.12)

где P_н2 - давление над поршнем насоса при всасывании.

Давление нагнетания

, (12.13)

где P_у, P"_г и P_к - прежние, а m - потеря давления на трение в клапанах и отводных каналах насоса при нагнетании.

Давление на стороне всасывания равно

, (12.14)

где P_пр - давление на приеме насоса, т. е. на глубине погружения.

Подставляя (12.14) в (12.12) и (12.13) в (12.11) и далее все в (12.10), получим

. (12.15)

Подставляя (12.8) в (12.6) и (12.9) в (12.7) и далее все в (12.5), получим

. (12.16)

Далее (12.15) и (12.16) подставим в (12.4) и получим

(12.17)

Решая (12.17) относительно искомого P_н, получим

. (12.18)

Потери давления на трение рабочей жидкости в каналах двигателя n и потери давления на трение пластовой жидкости в каналах насоса m, вообще говоря, малы и можно считать n = m. Тогда из (12I.18) получим давление нагнетания насоса при ходе поршневой группы вниз

. (12.19)

Рассуждая аналогично, можно легко получить формулу для давления нагнетания силового насоса P_н при ходе поршневой группы ГПН вверх. Для этого необходимо учесть, что при ходе вверх давление P₁ будет действовать на нижнюю поверхность f₂ поршня двигателя, а давление на выкиде P₂ - на верхнюю поверхность f₁.

В цилиндре насоса давление нагнетания P_н1 будет действовать на верхнюю поверхность поршня насоса F₂, а давление всасывания P_н2 - на нижнюю поверхность f₁.

С учетом сказанного формула для давления нагнетания силового насоса P_н при ходе вверх будет иметь следующий вид:

. (12.20)

Как видим, формула (12.20) аналогична формуле (12.19), но величины площадей F₁ и F₂, а также f₁ и f₂ меняются местами.

Гидропоршневые насосы - сложные установки. Они требуют размещения на поверхности у скважины силовых насосов трансформатора, станций управления и защиты. Кроме того, сложны сепарационные и очистные сооружения для подготовки рабочей жидкости. Это является одной из причин, сдерживающих их широкое распространение. Однако с помощью ГПН легко осуществляется эксплуатация наклонных скважин, в которых работа штанговых насосов иногда оказывается совершенно невозможной. В настоящее время на отечественных промыслах эксплуатируется несколько установок ГПН в порядке накопления опыта работы с ними и выяснения возможности их эксплуатации на промыслах Сибири и Севера.