§ 6. Проектирование установки

При проектировании штанговых насосных установок учитывают продуктивные характеристики, глубину залегания пласта, кон­струкцию скважины. Для каждой из них подбирают оборудова­ние и определяют режим его эксплуатации, соответствующий заданию и конкретным характеристикам пласта и скважины. При решении этой задачи, так же как и в случае газлифтных скважин, учитывают следующее.

1. Если дебит скважины не определяется геолого-физиче­скими факторами (он ограничивается лишь возможностями оборудования и конструкцией скважины), задача заключается в подборе такого оборудования и режима его эксплуатации, при которых обеспечиваются максимально возможные дебиты скважины.

2. Если максимальный ожидаемый дебит скважины ограни­чен геолого-физическими факторами, задача заключается в под­боре наиболее легкого экономичного оборудования и режима эксплуатации, позволяющих длительное время извлекать задан­ное количество нефти.

Наиболее часто встречаются задачи, когда дебит скважины ограничен геолого-физическими факторами. Рассмотрим прин­ципы их решения. Заданы допустимый дебит, уравнение при­тока нефти, устьевое давление, конструкция скважины (диа­метр обсадных труб, глубина залегания пласта), газовый фак­тор и зависимости, характеризующие свойства газожидкостных смесей.

Из формулы притока (см. гл. III) находим забойное давле­ние, которое обеспечивает заданный приток нефти Q. Согласно линейному закону притока

■

<г=/С(Рпл—Рз); (VIII. II)

р₃= . (VIII.12)

К

При откачке малогазированной жидкости по ее плотности р устанавливаем динамический уровень h_mHj соответствующий найденному забойному давлению:

^КРпл~° ; (Viii.13)

Лдн„ - ^КРп;^Q - (vin.и)

Расстояние /* этого уровня от устья (при открытом затрубном пространстве) будет

h = И—^дин» (VIII.15)

где И — глубина скважины.

При малогазированной жидкости в скважине насос погру­жают под динамический уровень на 50—100 м, тогда глубина его спуска составит

L = /z + 504-100 м. (VIII.16)

В случае газированной жидкости глубину спуска насоса нельзя рассчитать по формуле (VIII. 16), так как плотность жидкости изменяется с глубиной по сложному закону. Для оп­ределения глубины спуска насоса в этом случае по одному из методов, описанных в гл. VII, строят кривую распределения давления в обсадных трубах по шагам снизу вверх (см. гл. VII), начиная с известного забойного давления p_tl или с давления насыщения р„ нефти газом, если р₃>Ря (рис. VIII. 13, кривая 1).

Расстояние 1г„ от забоя до точки, где давление равно р,„ находят по известной плотности р_э жид­кости в этой зоне:

Рис. VIII.13. Кривые распределе­ния в сквлжпне

/1_Н= ^Рз~^Рн ■ (VIII.17)

Точно так же по шагам строят кривую распределения давления в насосных трубах (рис. VIII. 13, кривая 2) сверху вниз, задаваясь известным давлением р_у (давле­ние в системе сбора нефти и газа). При этом следует принять диаметр труб, на которых пред­полагается спустить насос. Чаще всего штанговые установки обо­рудуют трубами номинальным диаметром 73 мм. По кривой рас­пределения давления в обсад­ных трубах определяют целесо­образную глубину спуска насоса, при которой коэффициент его наполнения будет находиться в заданных пределах. Для этого строят график распределения приведенного газового фактора R по высоте (см. рис. VIII. 13, кривая 5), т. е. график количе­ства свободного газа, приходящегося на единицу объема жид­кости в термодинамических условиях потока в расчетной точке [9].

д_ [Г₀ - а (р - _Ро)1 Рог_пр7-_Пр (!_g)_t (VIII.18)

где Г₀ — газовый фактор на поверхности; а — коэффициент растворимости газа в нефти; р и р₀— давление соответственно в расчетной точке обсадных труб и атмосферное; z_np — коэф­фициент сверхсжимаемости газа в термодинамических условиях потока в расчетной точке; Т₀ и Т_пр — температура соответст­венно стандартная и в расчетной точке потока; В — обводнен­ность продукции, доли ед.; Ь_н — объемный коэффициент нефти.

Коэффициент наполнения насоса в зависимости от приве­денного газового фактора R составит (см. рис. VIII.13, 4)

2-KR (VIII.19)

2(1 + /?)

где K=Vbp/Vs — коэффициент, характеризующий долю вредного пространства насоса от объема V$, описываемого плунжером при ходе вверх (значение V_BP определяют по таблицам харак­теристик насосов). Допустим, что в проектируемой установке коэффициент наполнения r]i = 0,9. Этой точке на кривой 4 зави­симости r\_l = t)i(L) (см. рис. VIII. 13) соответствует глубина под­вески насоса L_H. Тогда давление в точке с будет равно давле­нию на выкиде насоса (давление нагнетания рнагн). Следова­тельно, нагрузка на штанги от веса столба жидкости над плунжером

Рж = (Рн.гн —Рпр)/⁷. (VI 11.20)

где р_пр — давление на приеме насоса, соответствующее давле­нию в точке Ь пересечения кривой давления p(L) в обсадных трубах с горизонтальной линией глубины спуска насоса; F— площадь сечения плунжера.

В общем случае коэффициент подачи насоса равен произве­дению коэффициентов наполнения ц\, потерь хода г\2 (от несо­ответствия длин хода плунжера и полированного штока), усадки т!з и утечек щ:

« ^в ПЛаЛЛ* (VII 1.21)

Очевидно, что

Л2 « -5—L ; (VIII.22)

где и S — длина хода соответственно плунжера и полиро­ванного штока; к — суммарные потери хода плунжера за счет деформации труб и штанг:

_{щ =}-!-- (VI 11.23)

Ь_н(\-п) + Ь_нВ

При нормальной работе насоса основные утечки q (в м³/сут) происходят через зазор между плунжером и стенками ци­линдра. Можно принять [9]

q= , (VIII.24)

где Д/7 = р_Нагн—Рпр — разность между давлениями нагнетания и на приеме насоса (соответствует отрезку be на рис. VIII. 13); 6 — половина разности диаметров цилиндра и плунжера; I — длина плунжера; D — диаметр плунжера; и, — динамическая вязкость. Тогда

Т)₄= ^титълз - 9 . (VIII.25)

Коэффициент подачи а составляет 0,7—0,8.

При установлении глубины погружения насоса задаются ря­дом параметров еще не спроектированной установки (диамет­рами плунжера D и НКТ и т. д.). Для упрощения расчетов це­лесообразно эти параметры определять по диаграмме А. И. Адо-нина (рис. VIII. 14), на которой по промысловым данным построены области применения различных станков-качалок и насосов по дебитам Q и глубинам L. Примерную глубину погру­жения насоса L можно найти по уравнению притока [см. фор­мулу (VIII. 14) или (VIII. 15)].

Если по этой диаграмме зададимся, например, шифром станка-качалки, при решении задачи число возможных вари­антов уменьшается, но задача остается многозначной, так как один и тот же дебит с заданной глубины можно получить с по­мощью насосов разного диаметра и при различных сочетаниях длин и числа ходов плунжера. Поэтому сначала по формуле (VIII.4) или (VIII.5) определяют нагрузку на головку балан­сира при каждом возможном варианте, обеспечивающую подъем из скважины заданного количества нефти, а затем вы­бирают то оборудование, при котором эта нагрузка будет наи­меньшей. После вычисления максимальной нагрузки проверяют справедливость выбора станка-качалки и диаметра насоса. Если станок не соответствует по грузоподъемности найденной на­грузке, расчет проводят заново для характеристик другого станка-качалки, максимальная грузоподъемность которого со­ответствует условиям скважины.

Рис. VIII.14. Диаграмма А. Н. Адонина для выбора оборудования:

Q — дебит скважины; L — глубина спуска насоса

Конструкцию колонны насосных штанг устанавливают по приведенному напряжению а_пР. При ступенчатой колонне длины участков с разным диаметром определяют с учетом условия равнопрочности (в опасных сечениях приведенные напряжения в верхних частях каждой из ступеней должны быть равными). Приведенное напряжение

* _

<*пр= л/(У_тахО_а i (VI 11.26)

где ornax и а_а — соответственно максимальное напряжение и его амплитуда в сечении штанг:

с_а= , (VIII.27)

где amin — минимальное напряжение цикла (напряжение при ходе штанг вниз).

Штанги изготавливают в расчете на допустимое приведенное напряжение от 70 до 120 МПа. Азербайджанским институтом (АзНИПИнефть) разработаны таблицы рекомендуемых конст­рукций штанговых колонн в зависимости от диаметра насоса, глубины его спуска и допустимых приведенных напряжений, которые можно использовать при проектировании насосной ус­тановки.

Таблица VIII.2

Глубина спуска насоса и длины ступеней двухступенчатой колонны (в % от общей длины) штанг при о_пр 70 МПа

Диаметр штанг, мм		Диаметр насоса, мм
		28	32	38	43	55	68
Верхняя ступень	19 22 25	34 28	38 31	45 36	55 42	55 42	56
Нижняя ступень	16 19 22	66 72	62 69	55 64	45 58	45 58	44
Глубина спуска, м		1480 1620 1	1310 1460 |	1100 1260 !	920 1060	820 960	720

Рассчитав параметры установки, правильность выбора диа­метра и длины ступеней колонны штанг проверяют по приве­денным напряжениям в наиболее опасных (верхних) сечениях ступеней. В табл. VIII.2 приведены рекомендуемые АзНИПИ-нефтью конструкции двухступенчатых штанговых колонн при допустимых значениях а_Пр = 70 МПа.

Как следует из изложенного, решение задачи выбора обо­рудования и рационального режима эксплуатации скважины штанговой установкой имеет множество вариантов. Поэтому расчеты обычно выполняют, используя ЭВМ с учетом экономи­ческих показателей вариантов.