СКАЧАТЬ:  laboratornyy-praktikum.zip [678,8 Kb] (cкачиваний: 298)

Лабораторная работа №2 

Обработка динамограммы

Цель работы: научиться правильно читать практические динамограммы, изучить законы  их образования при различных условиях работы глубинного насоса.

Изменение нагрузки на полированном штоке за время одного полного хода станка-качалки является результатом сложного взаимодействия большого числа различных факторов. Чтобы правильно читать практические динамограммы, необходимо изучить законы их образования при различных условиях работы глубинного насоса.

К наиболее простым случаям относятся следующие:

1.  Глубинный насос исправен и герметичен.

2.  Погружение насоса под динамический уровень равно нулю.

3. Цилиндр насоса целиком заполняется дегазированной и несжимаемой жидкостью из скважины.

4.  Движение полированного штока происходит настолько медленно, что обусловливает полное отсутствие инерционных и динамических нагрузок.

5.   Силы   трения  в подземной части насосной установки равны нулю.

Полученная при этих условиях динамограмма называется простейшей теоретической динамограммой нормальной работы насоса.

2.1. Образование простейшей теоретической динамограммы нормальной работы насоса 

Процесс образования простейшей теоретической динамограммы начнем прослеживать с хода плунжера вниз, когда он с открытым нагнетательным клапаном приближается к своему крайнему нижнему положению (рис. 2.1).

Рис 2.1. Простейшая теоретическая динамограмма нормальной работы насоса

В это время приемный клапан закрыт, и вес жидкости принят насосными трубами, которые получили от этого соответствующее удлинение. На полированный шток действует только нагрузка от веса штанг, погруженных в жидкость. В крайнем нижнем положении плунжер останавливается и нагнетательный клапан закрывается. Этот момент на динамограмме отмечается точкой А. При этом давление жидкости в цилиндре насоса практически равно давлению в насосных трубах над плунжером.

В следующий момент полированный шток начинает двигаться вверх. Плунжер остается неподвижным по отношению к цилиндру насоса, потому что упругие штанги не могут передать ему движение до тех пор, пока они не получат полного растяжения от веса столба жидкости в насосных трубах, приходящегося на площадь плунжера. Величина растяжения штанг прямо пропорциональна величине воспринятой части веса жидкости. Поэтому по мере увеличения растяжения штат нагрузка на полированном штоке растет. Та часть жидкости, которую приняли на себя штанги, снимается с труб.

Вследствие этого трубы сокращают свою длину и их нижний конец, закрытый приемным клапаном, движется вверх. Так как между приемным и нагнетательным клапанами в цилиндре насоса находится практически несжимаемая жидкость, то движение нижнего конца труб вверх вызывает также движение вверх плунжера вместе с насосом.

В любой момент времени текущая величина растяжения штанг равна разности перемещений полированного штока и плунжера. Поэтому, чтобы штанги получили полное растяжение, необходимое для передачи движения плунжеру, полированный шток должен пройти путь, равный сумме растяжения штанг и сокращения труб.

Нагрузка на полированном штоке возрастает при одновременном перемещении его вверх. Поэтому процесс восприятия штангами нагрузки от веса жидкости изображается на динамограмме наклонной линией АБ. Линию АБ называют линией восприятия нагрузки.

Точка Б соответствует:

a) окончанию процесса растяжения штанг  и одновременного сокращения труб;

b) началу движения плунжера в цилиндре насоса;

c)  моменту открытия приемного клапана и началу поступления жидкости из скважины в цилиндр насоса.

Во время последующего движения плунжера вверх па полированный шток действует неизменная нагрузка, равная нагрузке в точке Б. Поэтому динамограф прочерчивает прямую горизонтальную линию БВ, параллельную нулевой линии динамограммы.

Точка В соответствует:

a)  крайнему верхнему положению полированного штока и плунжера;

b) прекращению поступления жидкости из скважины в цилиндр насоса;

c) моменту закрытия приемного клапана;

Длина линии БВ в масштабе перемещений соответствует длине хода плунжера в цилиндре насоса.

Из крайнего верхнего положения полированный шток начинает движение вниз. Однако плунжер не может двигаться вниз, так как под ним в цилиндре насоса находится практически несжимаемая жидкость. Нагнетательный клапан не может открыться, потому что давление в цилиндре насоса равно нулю, а над плунжером оно равно давлению всего столба жидкости в насосных трубах. Поэтому плунжер остается неподвижным по отношению к цилиндру насоса. Вследствие того, что плунжер стоит на месте, а полированный шток движется вниз, длина штанг сокращается, и нагрузка от веса жидкости постепенно передается на трубы. Давление в цилиндре насоса увеличивается пропорционально сокращению штанг.

Воспринимая нагрузку от веса жидкости, трубы соответственно удлиняются, и их нижний конец движется вниз. Так как плунжер опирается на несжимаемый столб жидкости в цилиндре насоса, то он движется вниз, оставаясь неподвижным по отношению к цилиндру насоса. Это вынужденное продвижение плунжера замедляет сокращение штанг и снятие нагрузки от веса жидкости. Поэтому штанга получают полное сокращение и полностью снимают с себя нагрузку от веса жидкости только тогда, когда полированный шток проходит расстояние, равное сумме сокращения штат и растяжения труб от веса жидкости (отрезок ГГ₁).

Вследствие уменьшения нагрузки при одновременном перемещении полированного штока вниз, процесс снятия со штанг нагрузки от веса жидкости изображается на динамограмме наклонной линией ВГ. Линию ВГ называют линией снятия нагрузки.

По уже изложенным причинам линия ВГ может быть принята за практически прямую, параллельную линии АБ.

Точка  Г соответствует:

a) окончанию процесса  сокращения штанг и одновременного растяжения труб;

b) моменту открытия нагнетательного клапана;

c) началу движения плунжера вниз.

За время движения плунжера вниз на полированный шток действует неизменная нагрузка, равная весу штанг, погруженных в жидкость. Поэтому динамограф прочерчивает прямую горизонтальную линию АГ, параллельную нулевой линии динамограммы.

Таким образом, простейшая теоретическая динамограмма нормальной работы насоса при упругих штангах и трубах имеет форму параллелограмма.

На основании изложенного можно сформулировать следующие характерные признаки практической динамограммы, дающие право па заключение о нормальной работе насоса:

a) линии восприятия и снятия нагрузки практически могут быть приняты за прямые;

b) линии   восприятия   и   снятия   нагрузки   у практической         динамограммы параллельны соответствующим линиям теоретической динамограммы и, следовательно, параллельны друг другу;

c)  левый    нижний    и    правый    верхний   углы динамограммы — острые.

2.2. Расчет и построение теоретической динамограммы

Действующая динамограмма работы глубинного насоса отличается от теоретической из-за влияния множества факторов, основными из которых являются силы инерции и трения. Для полного и правильного чтения динамограммы необходимо выявить вес факторы влияния па работу насоса. Для этой цели на основе практической динамограммы производят расчет элементов теоретической динамограммы и их совмещение. Этот процесс называют обработкой динамограммы.

2.2.1. Измерение усилий в точке подвеса штанг 

Измерение нагрузки производят по вертикали, проведенной перпендикулярно к нулевой линии динамограммы, которая прочерчивается перед монтажом динамографа на канатной подвеске (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Иллюстрация к процессу обработки динамограммы

1 – расчетная; 2 – фактическая  динамограмма.

Величина нагрузки определяется по формуле:

Р = L × р 

где: Р - величина нагрузки, кгс; L - расстояние по вертикали oт нулевой линии до точки, где измеряется нагрузка, мм; р - масштаб усилий, кгс/мм.

Масштаб усилий прибора определяется при тарировке динамографа и представляет собой нагрузку, вызывающую отклонение пера самописца прибора по вертикали на 1 мм.

2.2.2. Измерение перемещения полированного штока

По динамограмме перемещение измеряют по горизонтали между перпендикулярами, проведенными к нулевой линии через заданные точки динамограммы. Для измерения фактического перемещения необходимо знать масштаб перемещений т, представляющий собой отношение длины хода полированного штока S_шт к длине динамограммы l (линия АГ₁ или Б₁В;        рис. 2.1, 2.2);                                   

Для обработки полученной динамограммы необходимо построить на ней теоретическую, для чего определяется величина статической нагрузки Р_ст по формуле:

Р_ст  = Р_ж  + Р ^/_ш  

где: Р_ж  -  вес жидкости над плунжером насоса, кгс.

Р_ж = 0,1 × F_пл × Н_н × g_ж

F_пл - площадь сечения плунжера, см²; Н_н - глубина спуска насоса, м; g_ж - плотность жидкости в подъемных трубах, г/см³;  Р ^/_ш - вес колонны штанг в жидкости, кгс;

Р ^/_ш = Р _ш× j;      Р _ш = q₁ × l₁ + q₂ × l₂ 

q₁ и q₂ – вес 1 м ступеней штат" в воздухе, кг;  l₁ и l₂- длина ступеней колонны штанг, м; g_ст - плотность материала штанг, равная 7,85 г/см³; g_ж - плотность жидкости.

Для нанесения линии веса штанг на динамограмму (см. рис. 2.2) определяют ее расстояние от нулевой линии OS из выражения

Отложив величину L на перпендикулярах, прочерчивают линию АГ₁. Расстояние линии статической нагрузки от нулевой линии находят по формуле:

откладывают его на вертикальной оси динамограммы и прочерчивают линию Б₁В. Линию восприятия нагрузки АБ находят, откладывая на линии Б₁В величину деформации штанг и труб в масштабе. Деформацию штанг λ_ш  и труб λ_т определяют по формуле:

где: f_ш  - площадь сечения штанг, см²;

f_ш = 0,785 ×  d² _ш ;  d_ш - средний диаметр штанг в ступенчатой колонне, см;

d₁ и d₂ диаметры штанг в ступенчатой колонне, см; f_т – площадь поперечного сечения трубы по телу, см².

Величина отрезка, соответствующая величине деформации штанг и труб

Откладывая на линии веса штанг отрезок Г₁Г = Б₁Б и соединяя точки А, Б, Г и В, находим линию восприятия нагрузки АБ и линию снятия нагрузки ВГ.

На динамограмме линия Б₁В представляет собой длину хода полированного штока S_шт, линия БВ - длину хода плунжера S_пл, а линия АГ - эффективный ход плунжера S_эф. Из-за неполного наполнения цилиндра линии БВ и АГ могут быть неравными.

2.3. Пример обработки практической динамограммы 

Обработку практической динамограммы проведем на примере (рис. 2.2).

Исходные данные:

глубина спуска насоса Н_н, м                                                               1528

диаметр насоса  d_н, мм                                                                            43 количество штанг в комбинированной колонне,                               191

в том числе: с d₁ = 7/8" (22 мм)                                                              88

                      с d₂ = 3/4" (19 мм)                                                            103

диаметр НКТ, мм                                                                                     73

дебит жидкости, м³/сут                                                                           25

плотность жидкости g_ж, г/см³                                                                0,9

длина хода полированного штока S_шт, м                                              2,1

число качаний в минуту, n                                                                        8

масштаб усилий динамографа р, кг/мм                                               125

длина динамограммы   l, мм                                                                   68

Масштаб перемещений               

Длина ступеней колонны штанг  

l₂ = 1528 – 704 =824 м

Вес в воздухе 1 м ступеней штанг:            q₁ = 3,14 кгс, q₂ = 2,35 кгс

Вес колонны штанг в жидкости

Расстояние линии веса штанг от нулевой линии

Для насоса диаметром 43 мм площадь плунжера равна 14,5 см².

Нагрузка от веса жидкости

Р_ж = 0,1 × 14.5 × 1528 × 0,9 = 1994кгс.

Расстояние линии статической нагрузки от нулевой линии                                                                                                                     

Определяем средний диаметр штанг

Средневзвешенная площадь сечения штанг

f_ш = 0,785 × 2,04² = 3,27см²

Деформация штанг и труб

Потеря хода полированного штока в масштабе перемещений динамограммы (отрезок ГГ₁)

2.4. Практические динамограммы работы глубинного насоса

В зависимости от параметров глубиннонасосной установки практические динамограммы нормальной работы насоса получают весьма разнообразные очертания.

2.4.1. Влияние числа качаний 

На динамограмме появляются затухающие волнообразные изменения нагрузки при ходе плунжера вверх и вниз. Причем, с увеличением числа качаний увеличивается их амплитуда, а число полуволн уменьшается (рис. 2.3).

                         n – 7                                 n – 11                              n – 13  

Рис 2.3. Изменение конфигурации динамограммы в зависимости от числа качаний

2.4.2. Влияние глубины спуска насоса 

С увеличением глубины спуска насоса (рис. 2.4):

 а) увеличивается высота положения линии нагрузки при ходе вниз по отношению к нулевой линии;

b)  увеличивается нагрузка от веса жидкости при сохранении отношения веса штанг к весу жидкости;

c)   на динамограмме укладывается меньшее число полуволн колебаний нагрузки.

Рис. 2.4. Изменение очертаний динамограмм в зависимости от глубины спуска

2.4.3. Утечки жидкости в нагнетательной части насоса 

Динамограмма при этом имеет следующие очертания (рис. 2.5):

a) процесс восприятия нагрузки изображается линией, имеющей меньший угол наклона к горизонтали, чем линия восприятия нагрузки при нормальной работе насоса;

b) правый верхний угол закруглен;

c)  линия снятия нагрузки идет более круто, и угол, образуемый ею и нулевой линией, имеет больший наклон.

Рис. 2.5. Очертания теоретической и практической динамограмм при утечках в нагнетательной части насоса

2.4.4. Утечки жидкости в приемной части насоса 

Характерные особенности динамограммы насоса, имеющего утечки в приемной части, следующие (рис. 2.6):

a)процесс снятия нагрузки изображается наклонной линией, угол наклона которой к нулевой меньше, чем у линии снятия нагрузки при нормальной работе насоса, и меньше, чем угол наклона линии восприятия нагрузки;

b) левый нижний угол динамограммы закруглен;

c)  линия восприятия нагрузки идет более круто и угол между нею и нулевой имеет больший наклон, чем у линии восприятия нагрузки при нормальной работе насоса;

При остановленном СКН повторно прочерченная линия веса штанг перемещается к линии веса штанг и жидкости.

Рис 2.6. Очертания теоретической и практической динамограмм при утечках в приемной части насоса

2.4.5. Одновременные утечки в приемной и нагнетательной частях насоса. 

Если глубиннонасосная установка имеет одновременные утечки в нагнетательной и приемной частях насоса, то в зависимости от того, какая из утечек преобладает, динамограмма приобретает очертание, более схожее с очертаниями динамограммы при наличии только одной утечки — в нагнетательной или в приемной части насоса. Характерной особенностью одновременных утечек является закругление левого нижнего и правого верхнего углов.

2.4.6.  Утечка жидкости из насосно-компрессорных труб 

Утечка жидкости из НКТ не придает динамограмме каких-либо специфических очертаний. Однако с помощью динамографирования можно установить ее наличие, если место утечки находится настолько ниже устья скважины, что изменение высоты столба жидкости в трубах способно вызвать заметные изменения нагрузки на полированном штоке. Для этого при остановленном СКН несколько раз прочерчивают линию максимальной нагрузки в течение 10-15 мин. Если эта линия при повторной записи не совпадает с первой, то имеют место утечки через НКТ.

2.4.7.  Динамограммы работы насоса при откачке жидкости с газом 

Динамограммы работы глубинного насоса при откачке жидкости с газом имеют следующие характерные очертания: (рис. 2.7)

a) линия снятия нагрузки представляет собой кривую с той или иной кривизной, выпуклость которой обращена влево вверх;

b) процесс снятия нагрузки протекает медленно, вследствие чего открытие нагнетательного клапана происходит позже, чем при нормальной работе насоса;

c)     левый   нижний   и   правый   верхний   углы динамограммы острые;

d)    в случае значительных величин вредного пространства и газосодержания смеси процесс восприятия изображается линией, несколько отклоняющейся вправо от теоретической.

e)     линии снятия и восприятия нагрузки параллельны.

Рис. 2.7. Очертание практических динамограмм при откачке жидкости с газом

2.4.8. Низкая посадка плунжера 

При ударах плунжера или штанг при ходе вниз, в зависимости от скорости посадки плунжера на преграду, жесткости ее и расстояния от преграды до истинного крайнего положения, снижение нагрузки и последующий набор этой нагрузки на динамограмме записываются несколько по-разному. Если удар не резкий, нагрузка снижается плавно, посадка плунжера записывается в виде петли в нижнем левом углу динамограммы (рис. 2.8 а). Линия восприятия нагрузки отодвигается вправо от своего нормального положения. При резких снятиях нагрузки (рис. 2.8 б, в) петля может иметь несколько перехлестов. Петля удара всегда располагается ниже линии статического веса штанг. При ударах плунжера полезная длина его хода уменьшается на длину горизонтальной проекции петли.

                         а                                     б                                    в

Рис. 2.8. Очертания практических динамограмм при низкой посадке плунжера

2.4 9. Прихват плунжера 

Очертание динамограммы в данном случае (рис. 2.9) зависит от конструкции насоса и от места прихвата в цилиндре. Она записывается в виде узкой замкнутой кривой, имеющей значительный наклон к нулевой линии. Максимальная нагрузка значительно превосходит суммарный вес штанг и жидкости. Наклон динамограммы не равен наклону теоретической линии восприятия нагрузки, потому что штанги работают за пределом упругости. В силу неподвижности плунжера, при его прихвате, по отношению к цилиндру насоса, линия перемещения практически отсутствует.

Рис. 2.9. Очертания практических динамограмм при прихвате плунжера

а — в нижнем, б — в верхнем положении его хода.

2.4.10. Обрыв или отворот плунжера 

Обрыв (отворот) штанг записывается на динамограмме в виде узкой горизонтальной замкнутой кривой (рис. 2.10). Динамограмма совпадает с линией веса штанг, если обрыв произошел у самого плунжера. При более высоких обрывах (отворотах), чем выше глубина обрыва (отворота), тем меньше вес оставшейся части колонны штанг и тем ниже располагается динамограмма.

Рис. 2.10. Очертания практических динамограмм при обрыве (отвороте) штанг

Контрольные вопросы:

1.Влияние числа качаний.

2.Влияние глубины спуска насоса.

3.Утечки жидкости в нагнетательной части насоса.

4.Низкая посадка плунжера.

5.Обрыв или отворот штанг.