12.2. Подача ГПН и рабочее давление



Предыдущая | Следующая

Содержание

Рассмотрим работу ГПН двойного действия, так как такие агрегаты являются наиболее современными. Обозначим: Рн - площадь поршня насоса, откачивающего пластовую жидкость; f - площадь сечения штока; S - ход поршня; n - число двойных ходов в минуту.

Подача насоса при ходе вниз

,

при ходе вверх

.

Подача за один двойной ход

.

Подача за n ходов будет в n раз больше, а в сутки в 24 x 60 = 1440 раз больше. Таким образом, теоретическая подача насоса в сутки будет равна

, (12.1)

Вводя коэффициент подачи α, учитывающий различные потери (утечки через неплотности, незаполнение цилиндра из-за влияния газа, усадку нефти и др.), можно определить фактическую подачу ГПН двойного действия

. (12.2)

По аналогии с (12.2) можно определить расход рабочей жидкости гидравлического двигателя двойного действия ГПН

. (12.3)

где Fд - площадь поршня двигателя; αз - коэффициент, учитывающий утечки рабочей жидкости в зазоре между цилиндром и поршнем, в клапанах, протечки жидкости в золотниковом устройстве и в муфтовых соединениях НКТ.

Силовой насос на поверхности должен обеспечить подачу Qр. Если силовой насос будет иметь подачу меньшую, то в соответствии с ней изменится и число ходов ГПН.

Поэтому, регулируя подачу силовою насоса на поверхности, можно изменить число ходов ГПН, а следовательно, и подачу всей установки. Изменение подачи силового насоса возможно только заменой плунжеров и втулок насоса, а также путем сбрасывания части рабочей жидкости из нагнетательного трубопровода назад в приемную часть насоса, т. е. дросселированием жидкости. Однако такой метод регулировки снижает к. п. д. установки.

Рабочее давление, развиваемое силовым насосом, обычно велико и составляет 10,0 МПа и более. Это давление определяется соотношением площадей поршней в двигателе ГПН и самом насосе, а также гидравлическими сопротивлениями в колонне НКТ и кольцевом пространстве. Определим рабочее давление силового насоса на устье скважины для ГПН двойного действия (рис. 12.5).

Рис. 12.5. Схема распределения давлений и действия сил в ГПН при ходе вниз

 

Сила Rд, действующая сверху на поршень гидравлического двигателя, при его ходе вниз должна уравновешиваться силой Rн, действующей на поршень насоса снизу, и силами трения r, возникающими в сальниках и на уплотнительных поверхностях при движении всей поршневой системы:

. (12.4)

Но сила Rд - равнодействующая от силы R'д, действующей на поршень сверху, и силы R"д, действующей на поршень снизу в цилиндре двигателя ГПН, так что

. (12.5)

Обозначим: f1 - верхняя площадь поршня двигателя; f2 - нижняя площадь поршня двигателя, равная верхней за вычетом площади сечения штока; P1 - давление рабочей жидкости в полости над поршнем; P2 - давление отработанной жидкости в полости под поршнем.

Тогда

, (12.6)

, (12.7)

Давление рабочей жидкости в цилиндре двигателя P1 (см. рис. 12.5) складывается из давления нагнетания рабочей жидкости на устье Pн, гидростатического давления столба рабочей жидкости в колонне НКТ от устья до глубины подвески ГПН Р'г, потерь давления на трение жидкости в НКТ Рт и потерь давления на трение рабочей жидкости в подводящих каналах и золотниковом устройстве двигателя n. Потери на трение Pт и n, очевидно, надо взять со знаком минус. Итак,

. (12.8)

Давление отработанной жидкости под поршнем двигателя сложится из давления в выкидной линии на устье скважины Pу, гидростатического давления столба жидкости в кольцевом пространстве P"г, которая может иметь плотность, отличную от плотности рабочей жидкости, и поэтому, вообще говоря P'г ≠ P"г , потерь на трение Рк в кольцевом пространстве при движении по нему смеси из пластовой и отработанной жидкости и потерь на трении п в отводных каналах и золотнике двигателя, которые должны быть взяты со знаком плюс. Таким образом,

. (12.9)

Рассмотрим теперь силы и давления, возникающие над и под поршнем насосного цилиндра также при ходе поршня вниз.

Сила R'н равна алгебраической сумме сил, действующих на поршень снизу и сверху, т. е,

, (12.10)

где R'н - сила, действующая на нижнюю поверхность поршня; R"н - сила, действующая на верхнюю поверхность поршня. Но

, (12.11)

где F1 - нижняя площадь поршня насоса со стороны нагнетания жидкости при ходе вниз; Pн1 - давление на выкиде насоса, действующее на нижнюю поверхность поршня при его ходе вниз.

Аналогично определится и сила R"н, действующая на верхнюю поверхность поршня насоса со стороны всасывания. Верхняя площадь поршня меньше нижней на величину сечения штока. Обозначим ее F2. Тогда

, (12.12)

где Pн2 - давление над поршнем насоса при всасывании.

Давление нагнетания

, (12.13)

где PуP"г и Pк - прежние, а m - потеря давления на трение в клапанах и отводных каналах насоса при нагнетании.

Давление на стороне всасывания равно

, (12.14)

где Pпр - давление на приеме насоса, т. е. на глубине погружения.

Подставляя (12.14) в (12.12) и (12.13) в (12.11) и далее все в (12.10), получим

. (12.15)

Подставляя (12.8) в (12.6) и (12.9) в (12.7) и далее все в (12.5), получим

. (12.16)

Далее (12.15) и (12.16) подставим в (12.4) и получим

(12.17)

Решая (12.17) относительно искомого Pн, получим

. (12.18)

Потери давления на трение рабочей жидкости в каналах двигателя n и потери давления на трение пластовой жидкости в каналах насоса m, вообще говоря, малы и можно считать n = m. Тогда из (12I.18) получим давление нагнетания насоса при ходе поршневой группы вниз

. (12.19)

Рассуждая аналогично, можно легко получить формулу для давления нагнетания силового насоса Pн при ходе поршневой группы ГПН вверх. Для этого необходимо учесть, что при ходе вверх давление P1 будет действовать на нижнюю поверхность fпоршня двигателя, а давление на выкиде P2 - на верхнюю поверхность f1.

В цилиндре насоса давление нагнетания Pн1 будет действовать на верхнюю поверхность поршня насоса F2, а давление всасывания Pн2 - на нижнюю поверхность f1.

С учетом сказанного формула для давления нагнетания силового насоса Pн при ходе вверх будет иметь следующий вид:

. (12.20)

Как видим, формула (12.20) аналогична формуле (12.19), но величины площадей F1 и F2, а также f1 и f2 меняются местами.

Гидропоршневые насосы - сложные установки. Они требуют размещения на поверхности у скважины силовых насосов трансформатора, станций управления и защиты. Кроме того, сложны сепарационные и очистные сооружения для подготовки рабочей жидкости. Это является одной из причин, сдерживающих их широкое распространение. Однако с помощью ГПН легко осуществляется эксплуатация наклонных скважин, в которых работа штанговых насосов иногда оказывается совершенно невозможной. В настоящее время на отечественных промыслах эксплуатируется несколько установок ГПН в порядке накопления опыта работы с ними и выяснения возможности их эксплуатации на промыслах Сибири и Севера.

Содержание