Эксплуатация скважин штанговыми скважинными насосами (ШСН) широко распространена на большой части нефтедобывающих месторождений мира.
Оборудование для эксплуатации скважин штанговыми насосами, включает:
- глубинный плунжерный насос;
- систему насосных труб и штанг, на которых насос подвешивается в скважине;
- приводную часть индивидуальной штанговой установки балансирного типа, состоящую из станка – качалки и двигателя;
- устьевое оборудование скважин, предназначенное для подвески насосных труб и герметизации устья;
- приспособления для подвески насосных штанг к головке балансира станка-качалки.
В скважину на колонке насосно-компрессорных труб (НКТ) под уровень жидкости спускают цилиндр насоса, в нижней части которого установлен приемный клапан 1, открывающейся только вверх. Затем на насосных штангах 3 внутрь НКТ спускают поршень, называемый плунжером, который устанавливают в цилиндр насоса (рис. 74).
Рисунок 74. Общая схема штанговой глубинно-насосной установки
Плунжер имеет один или два клапана 2, открывающихся только вверх, называемых выкидными или нагнетательными.
Верхний конец штанг прикрепляют к головке переднего плеча балансира 6 станка-качалки.
Для направления жидкости из насосно-компрессорных труб в нефтепровод и предотвращения ее разлива на устье скважины, устанавливают тройник 4 и выше него сальник 5 через которых пропускают сальниковых (полированных) шток.
Скважинный насос приводится в действие от станка-качалки, в котором вращательное движение, получаемое от двигателя 9, при помощи редуктора кривошипно-шатунного механизма 7,8 и балансира 6 преобразуется в возвратно-поступательное движение. Это движение передается плунжеру скважинного насоса.
При ходе плунжера вверх под ним падает давление и всасывающий клапан под давлением столба жидкости в затрубном пространстве открывается, после этого жидкость из скважины поступает в цилиндр насоса. В это время нагнетательный клапан 2 плунжера закрыт под давлением столба находящейся над ним жидкости.
При ходе плунжера вниз приемный клапан 1 под давлением столба жидкости в насосных трубах закрывается, а клапан 2, расположенный на плунжере, открывается, и жидкость наступает в насосно-компрессорные трубы.
При непрерывной работе плунжера всасывание и нагнетание чередуются, в результате чего при каждом ходе некоторое количество жидкости поступает в насосные трубы. Уровень жидкости в НКТ повышается и достигает устья скважины, жидкость начинает переливаться в выкидную линию через тройник 4 с сальниковым устройством.
Условия, влияющие на работу штанговой установки.
При ходе плунжера вверх объем жидкости, поступающей в цилиндр насоса, равен геометрическому объему, описанному плунжером, т.е.
(1)
где 
- площадь сечения плунжера (
)
- длина хода плунжера (м)
D - диаметр плунжера (м)
Одновременно из труб в выкидную линию вытиснится количество жидкости, равное объему кольцевого пространства между трубами и штангами по длине хода плунжера, т.е.
(2)
где 
- площадь поперечного сечения штанг в ;
d - диаметр штанг в м
При движении плунжера вниз объем жидкости, поступающей из скважин под плунжер, перемещается в насосные трубы, а так как в последних освободился маленький объем, то избыток поступит из насосных труб в выкидную линию, который равен:
(3)
Таким образом, теоретическая производительность глубинного насоса за один двойной ход плунжера в объемных единицах будет
(4)
Если обозначить число ходов плунжера насоса в минуту через n, то минутная производительность глубинного насоса составит
(5)
Это выражение производительности насоса справедливо только в том случае, когда объем, освобождается плунжером, при его движении вверх целиком заполняется поступающей из скважины жидкостью, которая полностью поднимается на поверхность при каждом ходе плунжера.
В действительности объем жидкости, поступающий в цилиндр насоса, практически всегда меньше геометрического объема, описываемого плунжером, вследствие следующих причин:
- при всасывании вместе с жидкостью, в цилиндр насоса поступает растворенный ранее в нефти газ;
- вследствие большого давления гидростатического столба жидкости, поднимаемой по насосным трубам, происходят утечки некоторого количества жидкости из труб в зазоры между плунжером и цилиндром и при неплотном закрытии выкидного клапана под плунжер; эти утечки заполняют часть освобождаемого плунжером пространства;
- при несоответствии, скорости пробега плунжера и скорости притекания жидкости через приемный клапан последняя (жидкость) может не успеть заполнить все пространство, освобождаемое плунжером.
Все эти факторы, уменьшая частичный объем поступающего в цилиндр насоса жидкости, определяют величину так называемого коэффициента наполнения насоса, т.е. отношение фактически поступающего под плунжер объема жидкости к геометрическому объему, описываемому плунжером при его ходе вверх.
В практике для удобства обычно пользуются выражением условной теоретической производительности, исчисляемой по длине хода сальникового штока, замеряемой на поверхности. Тогда формула для определения условной теоретической производительности (в 
/ сутки) примет вид
(6)
где 1440=24 · 60 мин в сутки
- площадь сечения плунжера в 
;
S - длина хода, сальникового штока в м;
n- число качаний в минуту, сообщаемое штангам на поверхности.
Действительная производительность глубинного насоса, т.е. фактическое количество добытой жидкости (нефти), в промысловой практике всегда меньше теоретической.
Отношение действительной производительности глубинного насоса к его условной теоретической называется коэффициентом подачи глубинного насоса 
, т.е.
(7)
Коэффициент подачи глубинного насоса может изменяться в пределах 0,1 до 1,0.
Считается, что глубинный насос работает в скважине хорошо, если коэффициент подачи его 
При правильном подборе насоса и при нормальных условиях его работы в скважине фактическая производительность приближается к теоретической.
На коэффициент подачи глубинного насоса влияют следующие факторы:
1. степень наполнения цилиндра насоса;
2. возможные утечки жидкости из труб в скважину;
3. возможное не соответствие истинного хода плунжера с замеренной на поверхности величиной, принятой для расчета, за счет удлиненных штанг и труб.
Истинная производительность насоса составляет:
(8)
Таким образом, производительность глубинного насоса зависит от длины хода и числа ходов в минуту приводного механизма, а также от диаметра насоса и коэффициента подачи.
В зависимости от величины отношения длины хода сальникового штока к длине плунжера штанговые насосы могут быть:
1. короткоходовые при 
2. среднеходовые при 
3. длиноходовые при 
Факторы, снижающие, подачу ШСН, подразделяются на постоянные и переменные.
К постоянным факторам относятся:
- влияние свободного газа в откачиваемой жидкости;
- уменьшение полезного хода плунжера по сравнению с ходом точки подвеса штанг за счет упругих деформаций насосных штанг и труб;
- уменьшение объема откачиваемой жидкости (усадка) в результате ее охлаждения на поверхности и дегазации в сепарационных устройствах.
К переменным факторам, изменяющимся во времени относят:
- утечки между цилиндром и плунжером, которые зависят от степени износа и наличия абразивных примесей в откачиваемой жидкости;
- утечки в клапанах насоса из-за их (инертности) не мгновенного закрытия и открытия и, главным образом из-за износа и коррозии;
- утечки через не плотности в муфтовых соединениях НКТ, которые (все время) постоянно подвергаются переменным нагрузкам.
Переменные факторы, сводящиеся и различного рода утечкам, меняются во времени и поэтому их трудно определить расчетным путем, за исключением утечек через зазор между плунжером и цилиндром. Это приводит к тому, что коэффициент подачи 
вновь спущенного в скважину насоса, после незначительного его снижения в начальный период в результате приработки плунжера, затем стабилизируется и длительное время остается практически постоянным. Затем он заметно начинает снижаться в результате износа клапанов, их седел и увеличения зазора между плунжером и цилиндром.
Наряду с этим может произойти и резкое уменьшение коэффициента подачи в результате смещения втулок насосов, отворотов и не плотностей в муфтах.
Таким образом, результирующий коэффициент подачи насоса можно представить как произведение нескольких коэффициентов, учитывающих влияние на него подачу различных факторов:
(9)
-(
)- коэффициент наполнения цилиндра насоса жидкостью, учитывающий влияние свободного газа;
- коэффициент, учитывающий влияние уменьшения хода плунжера;
- коэффициент утечек, учитывающий наличие неизбежных утечек жидкостей при работе насоса;
- коэффициент усадки, учитывающий уменьшение объема жидкости при достижении его поверхностных емкостей.
Влияние газа в откачиваемой жидкости учитывается коэффициентом наполнения цилиндр насоса. Он равен отношению объема жидкости Vж, поступивший в насос, ко всему объему смеси Vсмсостоящему из объема жидкости Vж и объема свободного газа Vг:
(10)
где R- газовый фактор при температуре Тпр и давление Рпр на приеме насоса.
Формула (10) не учитывает наличие в ШСН вредного пространства и его влияние на коэффициент наполнения при откачке газированной жидкости. Формула (10) дает завышенной 
- коэффициент наполнения.
Вредным пространством ШСН называют объем, заключенной между всасывающим и нагнетательным клапанами насоса при крайнем нижнем положении плунжера. При ходе плунжера вниз газожидкостная смесь (ГЖС) под ним сжимается до давления, равного давлению над плунжером, которое достаточно велико. Газ растворяется в жидкости и в частности, в той, которая находится во вредном пространстве. При последующем ходе вверх давление под плунжером падает до давления на приеме насоса. Растворенный газ выделяется и задерживается открытие всасывающего клапана, пока давление не упадет до давления приема. В результате под плунжер поступает меньшее количество смеси.
Коэффициент наполнения цилиндра насоса, учитывающий вредное пространство насоса, предложенный А.С. Вирновским, имеет вид:
(11)
где 
- доля вредного пространства от VS,
-объем, описанной плунжером за ход вверх;
- объем вредного пространства;
- общий объем под плунжером при его крайнем верхнем положении.
но 
следовательно
отсюда 
(12)
Объем жидкости, поступившей в насос за очередной ход плунжера вверх, будет меньше первоначального объема 
на величину объема жидкости во вреднем пространстве
Следовательно
Тогда коэффициент наполнения равен
отсюда с учетом, что 
получим
(11’)
Это формула (11’) дает заниженные значения коэффициента наполнения, так как исходит из предложения мгновенного выделения и растворения газа во вредном пространстве.
Известные несколько формул для определения коэффициента наполнения насоса, которые дают указания 
в пределах 
.
Поэтому наиболее достоверное определение коэффициента как среднего между его максимальным и минимальным значениями т.е.
(13)
Величина R может быть определена через газовый фактор на поверхности 
измеренный при стандартных условиях, т.е. при температуре 
и атмосферном давлении 
после полной дегазации нефти.
Влияние потери хода плунжера на коэффициент подачи насоса учитывается коэффициентом 
, который равен:
(14)
где S - длина хода точки подвеса штанг;
действующий ход плунжера относительно цилиндра насоса;
- потеря хода плунжера за счет упругих деформаций штанг и труб.
Эта потеря обусловлена тем, что при ходе вверх штанги дополнительно растягиваются от действия силы, равной произведению площади сечения плунжера на разность давления над и под плунжером, так как нагнетательный клапан при ходе вверх закрыт. Одновременно касание трубы отличаются, так как действовавшая на них при ходе вниз та же сила теперь при ходе вверх с труб снимается и воспринимается штангами. Величина этих деформаций может быть определена по формуле Гука.
Кроме этого в штангах, которые двигаются приблизительно по синусоидальному закону, возникают инерционные силы.
Эти силы в верхней мертвой точке (в.м.т.) направлены вверх в сторону, противоположную направлению силы тяжести, и поэтому уменьшает силу тяжести штанг. В нижней мертвой точке (н.м.т.) инерционные силы направлены вниз и увеличивают силу тяжести штанг. Это приводит к дополнительному сжатию (в в.м.т.) и удлинению (в н.м.т.) штанг, и в результате чего полезный ход плунжера в цилиндре несколько увеличивается. Это учитывается коэффициентом выигрыша хода К. С учетом поправки, коэффициент потери хода запишется следующим образом:
(15)
К и определятся с учетом статических и динамических нагрузок (ниже)
Поможем написать любую работу на аналогичную тему