Самостоятельная работа №2
Тема: Обработка данных исследования скважин с помощью эхолота ЭП-1 и динамографа ДГМ-3.
Используя данные, полученные с помощью эхолота, определить динамический уровень в скважине, при условии: скорость вращения каретки масштабного делителя vкар = 100 мм/с, расстояние до репера Нр = 250 м; расстояние прохождения звуковой волны до репера Тр = 70 мм, а до уровня Тур = 86 мм.
Определить забойное давление для первого режима работы скважины, при проведении эхолотометрии с использованием регулятора противодавления в затрубном пространстве для следующих исходных данных: относительная плотность газа в затрубном пространстве ρг = 0,8; средняя температура газа в затрубном пространстве Тср = 290 К; коэффициент сверсжимаемости газа z = 0,65; глубина забоя скважины L = 1500 м; глубина спуска НКТ Lнкт = 1000 м; затрубные давления изменялись от Р1 = 0,6 МПа до Р2 = 0,9 МПа; Тур1 = 900 мм; Тур2 = 1000 мм; скорость продвижения звуковой волны соответствует данным предыдущей задачи.
Расшифровать динамограмму работы УСШН и определить коэффициенты подачи насоса, наполнения, упругих деформаций и подачу насоса для следующих исходных данных: глубина спуска насоса Lн = 1000 м; насос НСН-32; колонна штанг двухступенчатая, первая ступень диаметром d1 = 16 мм длиной L1 = 400 м, вторая – d2 = 19 мм; длина хода полированного штока S = 2,1 м; число двойных качаний балансира n = 6 кач/мин; средняя плотность газожидкостной смеси в скважине ρж = 800 кг/м3.
Теоретическая часть
ИССЛЕДОВАНИЕ ГЛУБИННОНАСОСНЫХ СКВАЖИН
Для исследования глубиннонасосных скважин применяют специальные глубинные манометры — лифтовые, которые устанавливают под насосом. Такие манометры спускают в скважины на трубах вместе с насосом. Часовой механизм манометра заводится на длительное время (до 10 суток и более). За этот период проводят весь цикл исследования скважины.
Исследование насосной скважины с непосредственным замером забойных давлений глубинным манометром связано с остановками скважины и потерей добычи нефти.
Поэтому такие исследования насосных скважин проводят в исключительных случаях: при необходимости определения пластовых давлений в различных частях залежи для построения карт изобар или для разовой проверки данных, полученных при исследовании скважин другими методами.
В большинстве случаев при исследовании глубиннонасосных скважин находят зависимость «дебит — динамический уровень» или определяют забойное давление по высоте динамического уровня жидкости в скважине.
Расстояние от устья до динамического уровня измеряют эхолотом или маленькой желонкой, спускаемой на проволоке в затрубное пространство скважины при помощи лебедки (аппарата Яковлева).
Широкое распространение получили различные эхометрические установки для замера динамического уровня, основанные на принципе отражения звуковой волны от уровня жидкости в затрубном пространстве скважин.
Если у устья скважины создать выстрелом или воздушной хлопушкой звуковую волну, то эта волна, распространяясь по стволу скважины, дойдет до уровня жидкости, отразится от него и в виде эхо снова возвратится к устью скважины. Момент возбуждения и возвращения звуковой волны отмечается пером прибора на ленте, движущейся с постоянной скоростью.
Умножив время, прошедшее от момента возбуждения до возвращения волны, на скорость звука, получают расстояние, которое прошла звуковая волна, равное удвоенной глубине уровня.
Из элементарной физики известно, что звуковые волны распространяются в различных газах со скоростью 250 — 400 м/с в зависимости от природы газа, его плотности и температуры.
Приборы для определения уровней в скважинах, построенные на принципе отражения звуковой волны от уровня жидкости, называются эхолотами или эхометрами. В НГДУ широкое распространение получили эхолоты конструкции В. В. Сныткина (рис. 10).
Рис. 10. Схема эхометрической установки.
Эхолот состоит из пороховой хлопушки 1, представляющей собой тройник из сваренных под углом двух цельнотянутых труб. Открытый конец прямой трубы (колена хлопушки), на который навинчен конус, при помощи резиновой трубки герметично вставляется в отверстие планшайбы на устье скважины. В верхнем конце этой прямой трубы имеется ударник — устройство для возбуждения взрыва пороха, заряд которого помещен в специальной гильзе.
В средней части трубы находится пламегаситель 2, представляющий собой металлическую шайбу с мелкими отверстиями, которая, понижая температуру пороховых газов, предотвращает взрыв газовой среды в межтрубном пространстве скважины. Выстрел производят ударом руки по ударнику.
В другой трубе, приваренной под углом к прямой трубе, помещен термофон 3. Это вольфрамовая нить, по которой протекает постоянный электрический ток силой 0,2 — 0,3 А, нагревающий ее до температуры 100° С. Термофон получает питание от батарейки напряжением 3 — 6 В. Звуковые импульсы, воздействуя на вольфрамовую нить, вызывают изменение ее температуры, в результате чего изменяется сила тока в цепи термофона. Это изменение силы тока в цепи термофона передается через усилитель 4 регулятору 5, который фиксирует соответствующие пики на диаграмме 6, движущейся с постоянной скоростью от электромоторчика 7. Эхолот питается от сети напряжением 220 В.
При создании взрыва в хлопушке звуковая волна распространяется по стволу скважины со скоростью звука, отражается от уровня жидкости и снова возвращается к устью скважины, где улавливается термофоном. Так как определение скорости распространения звука в газовой среде скважины связано со значительными техническими трудностями, на колонне насосных труб устанавливают отражатели звука — реперы, расстояние от которых до устья скважины предварительно точно измеряют. Репер (рис.11) представляет собой патрубок длиной 300 — 400 мм, который приваривают к верхнему торцовому концу муфты насосной трубы и спускают в скважину ближе к уровню жидкости, но так, чтобы он не мог оказаться под уровнем.
Рис. 11. Схема установки репера
1-насосная труба; 2-репер; 3-стопорный винт; 4-обсадная колонна.
Рис. 12. Типовая эхограмма.
По времени прохождения звуковой волны до репера (что фиксируется на эхограмме) определяют скорость звука в скважине и по ней уже находят глубину стояния динамического уровня.
Лента прибора движется с постоянной скоростью, равной 100 мм/с, и по измеренному расстоянию между пиками (отражение волн рисуется на эхограмме в виде пик) можно определить время прохождения звука до репера и до уровня (рис. 12).
ИЗМЕРЕНИЕ НАГРУЗОК НА ШТАНГИ (ДИНАМОМЕТРИЯ)
Для измерения нагрузок на штанги и определения качественных показателей работы глубинного насоса применяют приборы, называемые динамографами. Эти приборы записывают на бумаге значения нагрузок на сальниковый шток за одно двойное качание (вверх и вниз) в виде диаграммы. Записанная диаграмма называется динамограммой.
Рис. 13. Схема устройства карманного динамографа ГДМ-3.
Нагрузка на сальниковый шток определяется как параметрами насосной установки и режимом ее работы, так и состоянием насосного оборудования и характером работы отдельных его узлов. Например, при плохой работе нагнетательного клапана нагрузка от столба жидкости будет восприниматься штангами частично или вообще не будет восприниматься. Таким образом, неисправности насосной установки и другие факторы, влияющие на работу оборудования, будут влиять на форму и размеры динамограммы, т. е. по динамограмме можно определить причину неисправности установки и своевременно принимать меры к ее устранению.
Будучи простым и удобным средством контроля за работой глу-биннонасосного оборудования, динамографы нашли широкое применение. Известны динамографы гидравлические, механические, электрические. В НГДУ применяются гидравлические динамографы конструкции Г. М. Мининзона и др. На рис. 13 приведена принципиальная схема гидравлического карманного динамографа ГДМ-3.
Прибор состоит из двух основных частей: измерительной и самописца. Измерительная часть состоит из месдозы 11 и рычага 12. Полость 10 месдозы, заполненная жидкостью (спиртом или водой), перекрывается латунной или резиновой мембраной, на которую опирается поршень 9.
Измерительную часть прибора вставляют между траверсами канатной подвески штанг, в которой растягивающие усилия штанг преобразуются в усилия, сжимающие месдозу. При этом рычаг 12 нажимает на поршень 9 и в полости месдозы создается давление, которое через капиллярную трубку 8 воспринимается манометрической геликсоидальной пружиной 7. При увеличении давления пружина разворачивается и прикрепленное к ней перо 6 чертит линию нагрузки. Бланк диаграммы прикреплен к столику 5 самописца.
При движении динамографа вверх нить 1, прикрепленная одним концом к неподвижной части устьевого оборудования, сматывается со шкива 2, заставляя его вращаться вместе с ходовым винтом 3. При этом ходовая гайка (на рисунке не показана) вместе со столиком движется вверх по направляющим 4.
В полости винта расположена спиральная возвратная пружина. При ходе вверх пружина заводится, при ходе вниз — раскручивается и возвращает столик в первоначальное положение. Таким образом, столик с бланком повторяет движение сальникового штока в определенном масштабе. Длина записи хода сальникового штока зависит от диаметра шкива 2. Сменные шкивы позволяют записывать перемещения в масштабе 1 : 15, 1 : 30 или 1 : 45.
Для определения величины нагрузки по динамограмме динамограф предварительно тарируют при помощи разрывной или тарировочной машины. Динамографы ГДМ-3 выпускают с пределами измерений 4000, 8000 и 10 000 кгс (т. е. от 40 до 100 кН). Максимально допустимая погрешность прибора (по техническим нормам) составляет +2%.
Простейшая теоретическая динамограмма работы глубинного насоса за один ход вверх и вниз имеет форму параллелограмма (рис. 14). По вертикальной оси отложены (в масштабе) нагрузки, действующие на сальниковый шток, а по горизонтальной (в масштабе) — перемещение сальникового штока. Нагрузка на шток по мере его перемещения вверх и вниз изменяется в следующем порядке.
Ход вверх. В конце хода вниз сальниковый шток и плунжер находятся в крайнем нижнем положении; при этом нагнетательный клапан насоса открыт, всасывающий клапан закрыт. На шток действует нагрузка только от штанг. Этому положению соответствует точка А на динамограмме.
В момент начала движения сальникового штока вверх плунжер останавливается, нагнетательный клапан закрывается, и шток воспринимает нагрузку от штанг и столба жидкости в подъемных трубах. Под действием этой нагрузки штанги растягиваются, подъемные трубы разгружаются (давление столба жидкости в этот момент воспринимается плунжером) и сокращаются.
В продолжение всего процесса растяжения штанг и сокращения труб плунжер остается неподвижным по отношению к цилиндру насоса, в то время как сальниковый шток перемещается на величину, равную сумме растяжения штанг и сокращения труб.
Процесс - восприятия штоком нагрузки от давления на плунжер столба жидкости записывается на диаграмме наклонной прямой АБ; линия Бб показывает величину перемещения сальникового штока в процессе действия нагрузки; она равна сумме величин растяжения штанг и сокращения труб. По окончании процесса восприятия нагрузки штангами начинается движение плунжера и открывается приемный клапан насоса; этому моменту на динамограмме соответствует точка Б. Дальнейшее движение сальникового штока и плунжера вверх до крайнего верхнего положения происходит при неизменной нагрузке; на динамограмме этот процесс изображается прямой БВ.
Рис. 14. Теоретическая динамограмма.
Нагрузка на сальниковый шток при этом движении равна силе тяжести штанг, погруженных в жидкость, плюс нагрузка от давления столба жидкости на плунжер.
Ход вниз. В начале хода вниз всасывающий и нагнетательный клапаны закрыты, сальниковый шток воспринимает нагрузку от штанг, погруженных в жидкость, и столба жидкости. Этому моменту соответствует точка В.
По мере движения сальникового штока вниз шток, штанги и плунжер разгружаются, передавая нагрузку на трубы, причем трубы растягиваются, а штанги сокращаются. Плунжер остается неподвижным по отношению к цилиндру насоса. Этот процесс на динамограмме изображается наклонной линией ВГ. Линия Гг на динамограмме определяет перемещение сальникового штока в процессе разгрузки; оно равно сумме величин сокращения штанг и растяжения труб. По окончании процесса разгрузки штока нагнетательный клапан открывается и начинается движение плунжера вниз; этому моменту на динамограмме соответствует точка Г. Дальнейшее движение сальникового штока и плунжера происходит при открытом нагнетательном клапане и неизменной нагрузке и изображается на динамограмме линией ГА. В точке А цикл возобновляется.
Теоретическая динамограмма работы глубинного насоса, имеющая форму параллелограмма, получается при работе глубинного насоса в скважине в дегазированной жидкости при коэффициенте наполнения, равном единице, и при отсутствии динамических нагрузок, т. е. при весьма медленном и плавном движении системы «сальниковый шток — штанги — плунжер» вверх и вниз.
Если бы при работе глубинного насоса не было упругой деформации (растяжения и обратного сокращения) штанг и труб, теоретическая динамограмма имела бы вид прямоугольника, т. е. линии АБ и ВГ были бы перпендикулярны линиям БВ и ГА.
При работе насосной установки бывают различные неполадки, приводящие к снижению коэффициента подачи глубинного насоса.
Причинами этого снижения могут быть утечки жидкости через неплотности в насосе и в трубах, вредное влияние газа на работу насоса, изменения в состоянии притока жидкости в скважину; вследствие этого нарушается нормальный процесс изменения нагрузки на сальниковый шток. Каждому нарушению нормальной работы насоса соответствует своя характерная форма динамограммы. Зная, как изменяется форма динамограммы при тех или иных нарушениях, по динамограмме можно определить эти нарушения, не поднимая насоса на поверхность.
На рис.15 показано несколько наиболее характерных практических динамограмм глубинного насоса. Динамограмма а отражает нормальную работу глубинного насоса.
Динамограмма б указывает на утечки жидкости при ходе плунжера вверх. Установить это можно путем следующих рассуждений.
На динамограмме видно, что при ходе вверх линия восприятия нагрузки фактической динамограммы лежит правее теоретической, т. е. нагрузка воспринимается штангами медленнее, чем при нормальной работе насоса.
Это возможно только при негерметичности нагнетательной части насоса.
Линия снятия нагрузки лежит левее соответствующей линии теоретической динамограммы, т. е. в самом начале хода сальникового штока вниз нагрузка от столба жидкости снимается со штанг быстрее, чем при нормальной работе насоса. Это также возможно только при утечках в нагнетательной части.
Утечки в нагнетательной части возможны как через резьбовые соединения труб, клапан и его седло, так и через зазор между плунжером и цилиндром. Установлено, что при утечках жидкости через зазор между цилиндром и плунжером линия восприятия нагрузки выпуклая (линия 2 на графике г), а в других случаях - вогнутая (линия 7).
Аналогичным сравнением фактических динамограмм с теоретическими можно прийти к определенным выводам о причинах ненормальной работы установки.
Помимо качественных показателей работы глубинного насоса (утечка через насос, влияние газа на работу насоса, неправильная посадка плунжера, заедание плунжера и т. п.), по динамограмме определяют также количественные показатели: нагрузку на сальниковый шток в любой момент движения, приближенное значение коэффициента наполнения насоса и т. п.
Таким образом, динамограф позволяет определять, правильно ли работает насос, не влияет ли вредно на работу насоса газ, достаточна ли глубина погружения.
Рис.15. Практические динамограммы (на динамограммах б и д цифрами обозначен порядок их записи).
Частое контролирование работы насосных установок при помощи динамографа дает возможность устанавливать причины неисправностей и своевременно устранять их.
Решение:
1) vср= 2·Нр/Тр = 250/3,5 = 71,4 м/с→ средняя скорость движения звука в межтрубном пространстве;
Ндин = vср·Тур/2 = 71,4·8,6/2 = 307 м.
Ответ: динамический уровень Ндин = 307 м.
2) Рз = Рб + (L – Lнкт) · ρж·q , где:
Рб – давление на башмаке НКТ; ρж – плотность жидкости;
Рб= Рзат·е0,03415·Н·ρ/(z·Т) , здесь Н = Lнкт.
Рб1 = 0,6·е0,03415·1000·0,8/(0,65·290) = 0,695 МПа, аналогично и Рб2.
Рб2 = 1,04 МПа.
ρж = ΔРб/(q·ΔH)↔ Н1= 71,4·4,5 = 321,3 м → динамический уровень для 1 режима.
Н2 = 71,4·5 = 357 м → для 2 режима.
ρж = 345000/(10·35,7) = 980,4 кг/м3.
Рз1 = 0,69 +(1500 – 1000)·980,4·10 = 5,59 МПа.
Ответ: для 1 режима Рз = 5,59 МПа.
3) η = γ · β → коэффициент подачи насоса;
β = АД/А´Д´ → коэффициент наполнения;
γ = ВС/В”С → коэффициент упругих деформаций.
Из графика (динамограммы): АД=1,5; А´Д´=1,71; ВС=1,41; В”С=2,1.
β = 1,5/1,71=0,877.
γ =1,41/2,1=0,67.
η = 0,877·0,67=0,588.
Q = Fпл· S · n · η · 1440 = 8.04·10-4·2.1·6·0,588 ·1440 = 8,58 м3/сут.
Задание: Ознакомившись с данным теоретическим материалом, выполните письменно задание, указанное в приложении 2.
|
