Экономический расчет СШНУ для добычи нефти

 

На динамограмме 28 показан случай, когда разъедены стыковые соединения, расположенные в таких местах, что плунжер в нижнем и в верхнем положениях перекрывает их, а утечка происходит на середине хода плунжера. На динамограмме при этом в середине хода получается провал (показан стрелками).

Следует отметить, что  в настоящее время все шире используют телеконтроль за работой  штанговых скважинных насосов. Анализ многочисленных телединамограмм показал, что при четкой налаженной работе датчиков по ним можно определить такие явления, как влияние газа, применение уровня, обрыв или отворот штанг, заклинивание плунжера, низкую и высокую посадку насоса, выход из строя клапанов и др. В связи с отсутствием нулевой линии невозможно определить величину пропуска жидкости в приемной и нагнетательной частях насоса, высоту динамического уровня, степень влияния газа, течь в трубах, коэффициент наполнения насоса и потерю хода ∆S, а также производить расчет нагрузок, необходимых для подсчета напряжения в штангах /7/. Поэтому при исследовательских работах необходимо обязательно пользоваться гидравлическим динамографом.

 

 

5. Выбор штанговой насосной установки и режима ее работы с учетом деформации штанг и труб

 

5.1 Исходные данные

 

Глубина скважины L₀, м………………………  ……………..…….…1600

Диаметр эксплуатационной колонны D_с, м…………… ……………0,150

Планируемый дебит жидкости Q_{ж пл}, м³/сут…………………........….26,2

Объемная обводненность  жидкости В, доля единицы… …………...…..0

Плотность дегазированной нефти ρ_{н дег}, кг/м³………………….……..850

Плотность пластовой  воды ρ_в, кг/м³………………… ………….……1100

Плотность газа (при стандартных  условиях) ρ_{г о}, кг/м³……………....1,4

Газовый фактор G₀, м³/м³……………………………………….......…59,4

Вязкость нефти ν_н, м²/с……………………………………………….3∙10^-6

Вязкость воды ν_в, м²/с…………………………………………..………10^-6

Давление насыщения  нефти газом Р_нас, МПа……………………….…..9

Пластовое давление Р_пл , МПа…………………………….………….…11

Устьевое давление Р_у, МПа……………………………………………1,53

Средняя температура  в стволе скважины, К………………………….303

Коэффициент продуктивности К_пр, м³/(с∙Па)……………….…..1,02∙10^-10

Объемный коэффициент  нефти при давлении насыщения b_нас…….1,16

^.

5.2 Расчеты

 

1. Определим дебит нефти:

 

 

2. Забойное давление:

 

 

Строим кривую распределения  давления по стволу скважины при Р_заб=8,03 МПа (рисунок 4).

 

Рисунок 4 - Кривые распределения  давления по стволу скважины (1) и колонне  НКТ (2).

 

4. Глубину спуска насоса  выбираем, исходя из оптимального  давления на приеме, примерно  равного 2,6 МПа. По графику (рисунок  4) находим, находим что при L_н=900 м Р_пр=2,56 МПа. Эту глубину и выбираем в качестве глубины спуска.

5. По диаграмме А.  Н. Адонина выбираем диаметр  насоса, который для L_н=900 м и Q_{ж пл}=26,2 м³/сут равен 38 мм. По таблице IV.25 /6/ выбираем насос НСВ1-38, пригодный для неосложненных условий эксплуатации (с обычными клапанами), II группы посадки с зазором δ=100 мкм (10^-4) в плунжерной паре.

 

 

Таблица 13

Характеристика насосных штанг

Показатели	Диаметр штанг dшт, мм
	16	19	22	25
Площадь поперечного  сечения штанги, см2 Вес 1м штанг в воздухе, Н Наружный диаметр муфты, мм	2,01 17,5 38	2,83 23,5 42	3,80 31,4 46	4,91 41,0 55

 

6. Колонна НКТ для  насоса НСВ1-38 в соответствии с  таблицей IV.25 /6/ выбирается с условным диаметром 73 мм и толщиной стенки 5,5 мм. Для труб этого размера D_т.н=0,073 м; D_т.в=0,062 м; f_тр=11,6*10^-4 м².

7. Для давления р_пр определим объемный коэффициент нефти:

 

 

количество растворенного  газа:

 

 м³/м³;

 

расход свободного газа:

 

 м³/с;

 

подачу жидкости:

 

 м³/с;

 

 

8. Коэффициент сепарации газа:

 

 

Трубный газовый фактор:

 

 м³/м³.

 

Очевидно, Г_{н о}=G_{н о}.

Новое давление насыщения  МПа.

9. Определим давление  на выкиде насоса  МПа (рисунок 4)

Определим среднюю плотность  смеси в колонне НКТ:

 

 кг/м³.

 

10. Определим максимальный  перепад давления в клапанах  при движении через них продукции скважины.

Согласно таблице IV.1 /6/, d_{кл в}=25 мм, d_{кл н}=18 мм. Предварительно определим расход смеси через всасывающий клапан:

 

 м³/с,

 м³/с.

 

Максимальная скорость движения смеси  в седле всасывающего клапана  и число Рейнольдса:

 

 м/с;

 

По графику (см. рисунок IV.1 /6/) определяем коэффициент расхода клапана при Rе=2,8*10⁴ М_кл=0,4. Перепад давления на всасывающем клапане

 

 Н/м²=0,03 МПа.

 

Аналогично определим  перепад давления на нагнетательном клапане. Поскольку р_вык>р’_нас, то Q’_г(р_вык)=0 и Q_кл=Q_ж(р^’_нас),

 

 

 м³/с;

 м³/с;

M_кл=0,4 (см. рисунок IV.1 /6/),

 Н/м²=0,05 МПа.

 

Тогда давление в цилиндре насоса при всасывании р_{вс ц} и нагнетании р_нагнц и перепад давления, создаваемый насосом ∆р_нас, будет следующее:

 

р_всц=р_пр-∆р_{кл в}=2,56-0,03=2,53 МПа;

р_нагц=р_вык+∆р_{кл н}=7,94+0,05=7,99 МПа;

∆р_н=р_{нагн ц}-р_пр=7,99-2,56=5,43 МПа.

 

11. Определим утечки  в зазоре плунжерной пары:

 

 

Проверяем характер течения  в зазоре:

 

 

Следовательно, режим  течения жидкости в зазоре ламинарный.

12. Определим коэффициент  наполнения:

Установим предварительно Q_см (р_всц):

 

Q_ж(р_всц)≈Q_ж(р_пр)≈3,39∙10^-4 м³/с;

 м³/м³;

 м³/с;

Q_см=(3,39+1,95)∙10^-4=5,34∙10^-4 м³/с;

 

Проверяем условие р_всц<р’_нас. Поскольку оно выполняется, то в цилиндре во время хода всасывания имеется свободный газ. Тогда коэффициент наполнения η_нап определяем в следующем порядке:

Коэффициент утечек:

 

 

Газовое число:

 

 

р_нагнц=7,99 МПа>р’_нас=5,5 МПа. Следовательно, коэффициент наполнения:

 

 

В расчете принято b_ж(р)=b_н(р);

 

 

Определим коэффициент  наполнения также для неравновесного характера процесса растворения газа:

 

 

Определим коэффициент наполнения также для процесса неравновесного и при полной сегрегации фаз:

 

 

По формуле И.М. Муравьева:

 

 

Вероятные средние значения коэффициента наполнения и соответствующие максимальные абсолютные отклонения δ_i составят соответственно:

 

 

 

 

Следовательно, значения коэффициента наполнения насоса, определенные для различных схем процесса выделения  и растворения газа и сегрегации фаз, лежат в довольно узком диапазоне значений: η_нап=0,59-0,62. Погрешность схематизации не превышает 0,02.

Для дальнейших расчетов принимаем η_нап=0,60.

Коэффициент η_рг, учитывающий усадку нефти:

 

 

13. Определим подачу  насоса W_нас, обеспечивающую запланированный дебит нефти при получившемся коэффициенте наполнения:

 

 м³/с.

 

При известном диаметре насоса можно определить необходимую  скорость откачки, пользуясь, например, формулой:

 

 м/мин.

 

По диаграмме А. Н. Адонина  для заданного режима можно использовать станки-качалки 6СК6-1,5*1600 или 6СК6-2,1*2500.

Первый из них не подходит, поскольку не обеспечит требуемую  скорость откачки (для этого станка sn_max=22 м/мин). Поэтому следует ориентироваться на параметры станка СК6-2,1-2500 по ГОСТ 5866-76, параметры которого аналогичны параметрам станка-качалки 6СК6-2,2*2500.

Выбираем s_пл=2 м; n=15 кач/мин или N=0.25 1/c.

14. При выборе конструкции  штанговой колонны, вначале воспользуемся  таблицами АзНИПИ ДН. По таблице IV.8 /6/ для насоса диаметром 38 мм выбираем двухступенчатую колонну штанг из углеродистой стали 40 ([σ_пр]=70 МПа) диаметрами 16 и 19 мм с соотношениями длин ступеней 55*45%. Выберем также конструкцию равнопрочной штанговой колонны по методике МИНХ и ГП.

Предварительно установим  значения следующих коэффициентов (необходимые размеры штанг приведены в таблице 13):

 

; ; ;

  ;

 

 

 

Площадь плунжера насоса:

 

 м².

 

Гидравлическая нагрузка:

 

 Н.

 

Коэффициенты динамичности при ходе вверх m_в и вниз m_н, а также плавучести штанг К_арх и вспомогательный множитель М:

 

 

Сила гидравлического трения, действующая на единицу длины колонны:

 

 Н/м,

 Н/м.

 

Далее определим силы сопротивлений, сосредоточенные у  плунжера:

 

 Н,

 Н.

 

Вес “тяжелого низа”  принимаем равным сумме сил сопротивления, сосредоточенных у плунжера:

 

 Н.

 

Далее установим длины нижней l₁ и верхней l₂ ступеней.

Последовательно отметим, что q_{тр 1} и q_{тр 2} составляют весьма незначительную часть от веса единицы длины штанг q_{шт 1} и q_{шт 2}. Поэтому при расчете можно не учитывать q_{тр 12:}

 

 м.

 м;

 

Оценим необходимую длину “тяжелого низа”, если его выполнить из штанг диаметром 25 мм:

 

 

 м, или 1,6% от общей длины  колонны.

 

Таким образом, расчетным  путем была получена конструкция  колонны диаметром 16*19 мм с соотношением длин ступеней 65*35%. Для дальнейших расчетов принимаем конструкцию колонны с соотношением длин для ступеней 65*35%.

15. Рассчитаем потери  хода плунжера и длину хода  полированного штока: 

 

м.

 м.

 м.

 

Критерий динамичности для данного режима:

 

 

Поскольку _кр=0,2 (см. табл. II.3 /6/), то и длину хода полированного штока S можно определить по формулам:

 

 м;

 м.

 

Обе формулы дают одинаковый результат, причем длина хода штока  оказалась несколько меньше, чем  рассчитываемая без учета динамических усилий в штангах.

Для дальнейших расчетов принимаем ближайшую стандартную длину хода станка-качалки СК6-2,1-2500 s=2,1, тогда для сохранения прежней скорости откачки определяем уточненное число качаний:

 

 кач/с=14,7 кач/мин;

 рад/с.

 

Длина хода плунжера при s=2,1 м:

 

 м;

 

а общий коэффициент  подачи штанговой насосной установки:

 

 

16. Перейдем к определению  нагрузок, действующих в точке  подвеса штанг. Соответственно  вес колонны штанг в воздухе  и в жидкости с учетом веса “тяжелого низа”:

 

 кН.

 

Вычислим предварительно коэффициенты m_ω и φ в формулах А. С. Вирновского: