Материал: Технологические процессы и технические средства для глубинно-насосной эксплуатации нефтяных скважин
в |
г |
Рис. 3.18. Окончание
Одновременно установлено уменьшение величины разрушающего напряжения с ростом глубины обезуглероженного слоя hос. Влияние обезуглероживания поверхности иллюстрируется (см. рис. 3.18) также зависимостью разрушающего напряжения от минимальной твердости (min HV0,2), которая характеризует степень обезуглероживания поверхности. Зависимость между твердостью сердцевины (HV0,2серд) и сопротивлением усталости не обнаружена.
Следовательно, эффективность применения технических средств неразрушающего и разрушающего контроля и измерения, использованных для обеспечения долговечности насосных штанг нефтегазодобывающими предприятиями РФ и ближнего зарубежья, подтверждена результатами их практического использования [52, 19, 53,
54, 55].
206
ГЛАВА 4. МЕХАНИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ВНУТРИСКВАЖИННОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ОСЛОЖНЕНИЙ ПРИ ДОБЫЧЕ НЕФТИ
Впроцессе добычи нефти, исходя из соотношения содержания
вней парафинов (П) к сумме содержания асфальтенов и смол (А-С), различают тритипа асфальто-смолопарафинистых отложений (АСПО):
– асфальтеновый: П/(А + С) < 1;
– парафиновый: П/(А + С) > 1;
– смешанный: П/(А + С) = 1.
Таким образом, при наличии на внутренней поверхности насос- но-компрессорных труб (НКТ) АСПО парафинового и/или смешанно-
го типа с учетом Н2О в его составе, очистка труб достигается эффективно за счет использования центраторов, скребков, роликовых муфт,
скребков-завихрителей [106, 107, 108, 109, 110, 111, 41, 112, 113], ус-
тановленных жестко и/или подвижно на теле насосной штанги, являющейся составной частью колонны штанг насосных.
4.1.Гидродинамические усилия от взаимодействия среды
иколонны штанг, снабженной устройствами для очистки рабочих поверхностей нефтепромыслового оборудования
от АСПО
Колонна штанг насосных, представленная на рис. 4.1, состоит из гладких участков и муфтовых соединений. Дополнительно на ней монтируются центраторы и скребки-центраторы (в дальнейшем по тексту – скребок). Скребки-центраторы имеют возможность вращения либо одновременного вращения и перемещения вдоль штанги [111]. Центраторы устанавливаются жестко либо с возможностью вращения.
207
Рис. 4.1. Общий вид внутрискважинного оборудования при глубинно-насосной добыче: 1 – скребок с возможностью поступательного и вращательного перемещения; 2 – центратор; 3 – соединительная муфта насосной штанги; 4 – шток плунжера глубинного насоса; 5 – сквозные окна в цилиндре глубинного насоса; 6 – внутренняя полость глубинного насоса; 7 – плунжер глубинного насоса; 8 – нагнетательный клапан глубинного насоса; 9 – всасывающий клапан глубинного насоса
Расчет гидродинамических усилий от жидкостного трения с поверхностью тела штанги и муфты рассмотрен в [114, 115, 116, 117, 118]. Расчет усилий от совокупного взаимодействия центраторов искребков, а также соединительных муфт с добываемой жидкостью во внутренней полости насосно-компрессорной трубы (НКТ) не рассмотрен. Притом, как показывают расчеты, эти усилия при отсутствии АСПО на внутренней поверхности НКТ одного порядка с усилиями от жидкостного трения с поверхностью тела штанги, а в случае наличия АСПО на внутреннейповерхности НКТ значительно превосходят их.
Далее рассмотрим взаимодействие центраторов, скребков-цен- траторов с жидкостью в колонне НКТ при отборе жидкости глубин-
208
ным насосом, например, плунжерного типа (см. рис. 4.1). Сделаем это первоначально применительно к соединительной муфте. Поскольку диаметры упорных буртов штанг и наружный диаметр муфты Dм отличаются незначительно, а длина квадратного участка под ключ на штанге мала по сравнению с длиной муфты, за расчетную
длину муфтового соединения принимаем Aмр, т.е. включая и прилегающие участки штанг с упорными буртами (рис. 4.2).
Рис. 4.2. К расчету поршневого эффекта муфтового соединения: Dтв – внутренний диаметр НКТ; Dм – наружный диаметр муфты;
dшт – условный диаметр штанги; Aмр – расчетная щели
При движении штанги вниз со скоростью ν поток в обращенном движении будет натекать на торцевую поверхность муфтового соединения 3 между диаметром Dм и dшт с той же скоростью, но направленной вверх (см. рис. 4.1, 4.2). Одновременно шток 4 входит в полость насоса 6 на длину хода плунжера 7 и вытесняет из штоковой полости жидкость через окна 5 насоса, создавая восходящее движение между НКТ и штангой со скоростью uн. Благодаря сложению потоков, торможение об упомянутую торцевую поверхность происходит при суммарной скорости жидкости ν + uн. При этом создается усилие, действующее на муфтовое соединение и направленное вверх. Оно равно произведению гидродинамического давления на площадь торцевой поверхности муфтового соединения:
F ′ |
= |
ρж (ν + uн )2 |
|
π |
(D2 |
− d 2 |
), |
(4.1) |
|
|
|||||||
мн |
2 |
4 |
м |
шт |
|
|
||
|
|
|
|
|
||||
209
где ρж – плотность жидкости; ν – скорость движения штанги при ее ходе вниз в составе колонны; uн – скорость потока жидкости в зазоре между НКТ и штангой.
Муфтовое соединение, перемещаясь со скоростью ν, вытесняет перед собой жидкость и инициирует движение с расходом Qм (см. рис. 4.1, 4.2). Так как всасывающий клапан 9 закрыт, то жидкость с этим расходом будет перетекать через кольцевой зазор между Dтв иDм изамещатьобъем замуфтовым соединением, освобождающийся по мере его смещения вниз. Перетеканию жидкости через указанный за-
зор препятствует гидравлическое сопротивление щели на длине Aмр,
вследствие чего давление перед муфтовым соединением повышается на величину ∆Рм, равную потерям давления на это сопротивление, и возникает усилие Fмн′ , также направленное вверхиравное
F ′′ |
= ∆Р |
π |
(D2 |
− d 2 |
). |
(4.2) |
|
||||||
мн |
м 4 м |
шт |
|
|
||
В результате на муфтовое соединение при ходе штанги вниз будет действовать усилие
Fмн = |
ρж (ν+ uн )2 |
+ ∆Рм |
π |
(Dм2 − dшт2 ). |
(4.3) |
|
2 |
4 |
|||||
|
|
|
|
При движении штанги вверх нагнетательный клапан 8 закрыт и плунжер 7 вытесняет жидкость в НКТ, создавая движение со скоростью uв, направленное вверх (см. рис. 4.1). На верхнюю же торцевую поверхность муфтового соединения поток натекает со скоростью ν и направлен вниз. Таким образом, тормозящее усилие на муфте будут определяться разностью скоростей ν – uв. Подобно уже рассмотренному механизму взаимодействия, при перемещении муфты вверх возникает переток жидкости с таким же расходом Qм сверху вниз через зазор между Dтв и Dм. Движению муфты вверх препятствует повысившееся перед ней давление. В итоге, усилие, действующее на муфту при движении штанги вверх, окажется равным
Fмв = |
ρж (ν− uнв )2 |
+ ∆Рм |
π |
(Dм2 − dшт2 ). |
(4.4) |
|
2 |
4 |
|||||
|
|
|
|
210