Технология работы на экспериментальной установке

 

Этапы работы на установке:

• подготовка установки к проведению эксперимента;

• проведение эксперимента;

• завершение эксперимента.

Передпроведениемэкспериментанеобходимоучестьследующее.ОбязательнопередэкспериментомпроверитьуровеньводывовторомотсекерезервуараН2.Уровеньдолженбытьвышеотводаводына30-35см,чтобывпроцессепроведенияэкспериментавцентробежныйнасосР1непопалвоздух.

Необходимо подготовить таблицу для регистрации лабораторных экспериментов и проведения необходимых расчетов (таблица 3.1).

 

Таблица 3.1 – Таблица результатов лабораторной работы и их обработки

Результатыэксперимента	Результатыобработкиэксперимента
Номер режима	Длинна хода плунжера, мм	Число ходов	Подача сжатого воздуха л/мин	Нижнее положение уровня воды в резервуаре, мм	Верхнее положение уровня воды в резервуаре, мм	Время заполнения резервуара водой, с	Объем воды в резервуаре, м3	Количество ходов в секунду, 1/с	Фактическая производительность м3/с	Теоретическая производительность м3/с	Коэффициент подачи насоса

 

Лабораторная установка подготавливается к запуску, Подготовка установки к проведению эксперимента, включение блоковпитанияи линейногопневматическогопривода.

Перед началом лабораторной работы необходимо включить компрессор, для чего поворачивается ручка в положение ВКЛ рисунок 3.5), затем включается компьютер.

Также, прежде чем проводить лабораторную работу, необходимо усвоить порядок ее проведения, подготовить таблицу для внесения в нее результатов лабораторных экспериментов, распределить обязанности между членами бригады.

Для обработки результатов экспериментов, управления работой стенда, снятия характеристик, визуализации и протоколирования лабораторных работ стенд оснащается персональным компьютером.

Для запуска программы необходимо кликнуть мышью на ярлык Штанговый насос, В программе выбирается необходимая величину хода плунжера и скорость.

Рисунок 3.5 – Включение компрессора

 

В главном окне программы располагаются:

- осциллограммы датчиков, показывающих ход каретки насоса и деформации штанги;

- осциллограмма расчётного значения хода плунжера (с учётом деформации штанги);

- числовые значения датчиков деформации штанги и расхода

воздуха, подаваемого в скважину;

- числовое значение расчётного значения нагрузки;

- кнопки выбора величины хода скоростей насосной установки;

- кнопка перехода к окну с дополнительными графиками;

- кнопка включения протоколирования.

 

Лабораторная работа №5

«Определение коэффициента подачи штангового скважинного насоса в идеальных условиях его работы»

Цель работы – научиться определять коэффициент подачи штангового скважинного насоса по экспериментальным замерам дебита.

Для каждого режима работы штангового скважинного насоса (режим – это сочетание длины хода с числом качаний установки) необходимо рассчитать коэффициент подачи.

Порядокпроведенияработы

1) Согласовать с преподавателем режимы работы штангового скважинного насоса, на которых будет проводиться эксперимент.

2) Подготовить форму таблицы 3.1. для режимов.

3) Приступить к первому этапу – подготовке лабораторной установки.

4) Затем приступить ко второму этапу – выполнению лабораторной работы.

5) Записывать все данные в таблицу 3.1. по каждому режиму работы штангового скважинного насоса.

6) Проверяйте уровень воды в мерной емкости. Избыток воды от предыдущего эксперимента обязательно сливайте в резервуар.

7) Закончить эксперимент.

Обработкаэкспериментальныхданных.

1). Заполнить табл. 3.1 для четырех-пяти режимов работы ШСН.

2). Выполнить расчеты для определения фактической и теоретической производительности штангового скважинного насоса.

3). Для каждого режима определить коэффициент подачи штангового скважинного насоса.

4) Сравнить полученные результаты и сделать выводы.

Для выполнения расчетов по результатам лабораторной работы руководствоваться методическими указаниями, приведенными дальше по тексту.

Принимаем следующие значения:

- длина мерной ёмкости a, 0,191 м;

- ширина мерной ёмкости b, 0,175 м;

- площадь мерной ёмкости S = a⋅b м²;

Объем добытой жидкости (м³) определяется по формуле:

где: – верхнее положение уровня воды в резервуаре;

– нижнее положение уровня воды в резервуаре.

Теоретическая производительность насоса () определяется по формуле:

; (3.8)

где: S_пл – длина хода плунжера, м;

n – число качаний, мин^-1.

Коэффициент подачи насоса определяется по формуле:

. (3.9)

Выполним замеры уровня жидкости при разных режимах работы насоса, и запишем результаты в (таблица 3.1).

Фактическая подача , как правило, меньше теоретической в силу целого ряда причин:

• влияние свободного газа в откачиваемой смеси;

• уменьшение полезного хода плунжера по сравнению с ходом точки подвеса штанг за счет упругих деформаций насосных штанг и труб.

К переменным факторам, изменяющимся во времени, можно отнести:

• утечки между цилиндром и плунжером, которые зависят от степени износа насоса и наличия абразивных примесей в откачиваемой жидкости;

• утечки в клапанах насоса из-за их немгновенного закрытия и открытия и, главным образом, из-за их износа и коррозии;

• утечки через неплотности в муфтовых соединениях установки, которые все время подвергаются переменным нагрузкам.

Для каждой конкретного режима работы насоса величина η служит в известной мере показателем правильности выбора оборудования и режима откачки установки. Нормальным считается, если η >0.6 – 0.65.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6

«Влияние растворенного газа в нефти на коэффициент подачи штангового скважинного насоса»

 

Предыдущий опыт по определению коэффициента подачи был проведен в идеальных условиях работы штангового скважинного насоса, т.е. в стволе скважины не присутствовал газ. Этот же опыт покажет нам, как влияет растворенный сжатый газ на коэффициент подачи штангового скважинного насоса.

До проведения опыта нам необходимо будет подготовить форму таблицы 3.1., затем приступаем к проведению эксперимента.

С помощью дросселя с обратным клапаном (рисунок 3.6) начнем подачу сжатого воздуха на прием насоса путем открытия дросселя против часовой стрелки. Количество подаваемого сжатого воздуха необходимо контролировать по графику в окне программы.

Рисунок 3.6 – Дроссель с обратным клапаном для регулирования подачи воздуха на приём насоса

 

Установим значения подачи сжатого воздуха примерно равным 0,2 л/мин. И рассчитаем фактическую, теоретическую, а также коэффициент подачи насоса, аналогично расчетам, проведенным в предыдущей лабораторной работе. Результаты по каждому режиму работы насоса запишем в таблицу

Проведем еще 2 эксперимента с подачей воздуха примерно равными 0,5 л/мин. и 1 л/мин. Необходимо не забывать проверять уровень воды в мерной емкости. Избыток воды от предыдущего эксперимента обязательно сливать в резервуар с помощью крана V1.

Построим графики (рисунок 3.7) зависимости коэффициента подачи от расхода воздуха при разных S, в первом столбце мы запишем расход воздуха Qв, а во втором столбце введем значения коэффициента подачи на одном и том же режиме работы ШСН.

В результате проведения этой лабораторной работы мы четко видим, что при увеличении подачи сжатого газа в НКТ, значительно уменьшается коэффициент подачи штангового скважинного насоса.

Рисунок 3.7 –Пример графика зависимости коэффициента подачи от расхода воздуха (S=600 мм)

Лабораторная работа № 7

«Определение величины упругих деформаций от параметров откачки»

 

Обработка любого полученного в ходе экспериментов текстового файла происходит по одной схеме. Далее показан пример обработки такого файла с названием Штанговый_Протокол.txt

Все показания датчиков в ходе эксперимента записываются в файл Штанговый_Протокол.txt. Это обычный текстовый файл, который имеет формат, представленный на рисунке 3.8

Рисунок 3.8 – Формат записи показаний датчиков (файл Штанго-вый_Протокол.txt)

 

Данные записываются с интервалом в одну десятую секунды. В результате образуется большой массив чисел. Его обработку удобнее провести в Excel, предварительно импортировав туда замеры, для чего выполним следующую последовательность действий:

- запустим Excel;

- в главном меню выберем Файл → Открыть;

в окне выбора файлов укажем тип файлов – Текстовые файлы (*.prn; *.txt; *.csv) и выбираем файл протокола (рисунок 3.9).

Рисунок 3.9 – Окно выбора файла для импорта

 

В появившемся окне Мастера текстов укажем: формат данных – с разделителями; начать импорт со строки – 6. Нажимаем кнопку Далее (рисунок 3.10).

Рисунок 3.10 – Шаг 1 импорта данных

 

На следующем шаге импорта указываем, что разделителем чисел выступает запятая.

На завершающем шаге определяем Формат данных столбца – Общий. Нажимаем кнопку Подробнее и в появившемся окне (рисунок 3.11) указываем в качестве Разделителя целой и дробной части – точку. Нажимаем на кнопку Готово. Данные будут импортированы в рабочий лист.

Теперь сохраним наш импортированный массив данных в формате Excel. Для этого выбираем опцию главного меню Сохранить как… Указываем тип файлов Книга MicrosoftOfficeExcel и нажимаем на кнопку Сохранить. Итак, наши данные импортированы и сохранены.

Теперь добавим подписи столбцов. Вставим для них строку передпервыми замерами.

И сформируем шапку таблицы, переместив для дальнейшего удобства столбец времени в начало. В итоге мы получаем таблицу, показанную на рисунке 3.12.

Рисунок 3.11 – Шаг 3 импорта данных

 

Рисунок 3.12 – Вид таблицы после импорта и подписи данных

 

Теперь построим график изменения длинны растяжения штанг во времени. Для этого выделяем первый и второй столбцы. Нажимаем на кнопку Мастер диаграмм. Выбираем тип диаграммы – Точечная, со значениями, соединенными отрезками без маркеров.

На следующем шаге указываем Ряды в столбцах.

На третьем шаге устанавливаем параметры графика и подписываем оси (рисунок 3.13).

Рисунок 3.13 – Выбор типа диаграммы

 

На завершающем шаге определяем место расположения графика.

После этого на экране должна быть показана диаграмма процесса подобно той, что изображена на рисунок 3.14.

Рисунок 3.14 – Диаграмма изменения показателей датчика (протокол эксперимента)

 

По графику можно проследить моменты, когда шток движется вверх, а когда вниз. Искомое растяжение штанг – это максимальное значение растяжения на этом графике.

На этом обработка файла Штанговый_Протокол.txt закончена.

Для определения величин упругих деформаций следует обработать, выше описанным методом, файлы 200_6_1.txt, 400_6_1.txt, 600_6_1.txt.

Для каждого режима работы насоса необходимо получить значения растяжения штанг, которые выбираются визуально по графикам растяжения штанг от времени (рисунок 3.14).

Создадим таблицу, в которую запишем величину растяжения штанг при числе качаний равным n = 6 и длине хода равным S = 200 мм, S = 400 мм, S = 600 мм:

Рассчитаем коэффициент растяжения штанг, используя данные из таблицы по формуле:

;

где η - коэффициент растяжения штанг;

S - длина хода, м;

dL - растяжение штанг, м.

Лабораторная работа №8

«Динамометрирование установки штангового скважинного насоса»

 

Цель работы – научиться определять нагрузки, действующие на колонну штанг, и интерпретировать динамограмму ШСНУ.

В течение цикла работы ШСН на колонну насосных штанг действуют нагрузки, как постоянные по величине и направлению на протяжении всего цикла или значительной его части, так и переменные.

К постоянным или статическим нагрузкам принято относить собственный вес колонны штанг в жидкости и в воздухе и гидростатическую нагрузку, обусловленную разницей давлений жидкости над и под плунжером при ходе его вверх.

К переменным нагрузкам относятся следующие:

• инерционные, вызванные переменной по величине и направлению скоростью движения системы «штанга – плунжер»;

• вибрационная, обусловленная колебательными процессами в колонне штанг, вследствие приложения и снятия гидростатической нагрузки на плунжер;

• все силы сопротивления, возникающие при работе ШСНУ.

При работе ШСНУ возникают различные силы сопротивления. Наиболее существенное влияние на силовые и энергетические показатели оказывают следующие силы:

• механического трения колонны штанг о стенки НКТ;

• гидродинамического трения штанг;

• трения плунжера о стенки цилиндра;

• гидравлического сопротивления от перепада давления в нагнетательном клапане насоса.

Динамограмма представляет собой замкнутую фигуру, размеры которой зависят от действующих усилий и длины хода полированного штока (при выбранных масштабах измерения G и S). Форма динамограммы связывается с работой всей глубиннонасосной установки (ее подземной части) и отражает нарушения в различных элементах подземного оборудования. Динамометрирование позволяет оперативно устанавливать нарушения в работе установки и принимать соответствующие меры.

Теоретическая динамограмма показана на рисунке 3.3. На нее наложена (показана пунктиром) типичная фактическая динамограмма исправного насоса, спущенного на небольшую глубину и работающего в условиях отсутствия газа:

А – начало движения головки балансира (устьевого штока) вверх, закрывается нагнетательный клапан, плунжер стоит на месте.

АБ – движение головки балансира вверх, плунжер стоит на месте, колонна насосных штанг растягивается, НКТ сжимаются, так как вес столба жидкости переходит на штанги (нагнетательный клапан закрывается).

Б – после выбора всех деформаций начинается движение плунжера, открывается всасывающий клапан.

БВ – совместное движение головки балансира и плунжера вверх.

В – головка балансира начинает двигаться вниз, плунжер стоит на месте, закрывается всасывающий клапан.

ВГ – головка балансира двигается вниз, плунжер стоит на месте, колонна штанг сжимается (разгужается), НКТ растягиваются, так как вес столба жидкости переходит на них, нагрузка уменьшается.

Г – после выбора всех деформаций начинается движение плунжера вниз, открывается нагнетательный клапан.

ГА – совместное движение головки балансира и плунжера вниз.

Рисунок 3.15 – Теоретическая динамограмма (сплошная линия), совмещенная с фактической (пунктирная линия)

 

Реальная динамограмма всегда отличается от теоретической.

Динамометрирование ШСНУ дает важную информацию о работе установки в целом. Рассмотрим некоторые практические динамограммы, которые дешифруются при использовании простейшего анализа.

Влияние свободного газа, попадающего в цилиндр насоса при такте всасывания. Эти динамограммы отличаются характером процесса разгрузки колонны штанг при ходе вниз. Если под плунжером насоса имеется свободный газ, то при ходе плунжера (штанг) вниз замедляется процесс разгрузки штанг вследствие сжимаемости газожидкостной смеси в цилиндре насоса (рисунок 3.16).

По мере роста объема свободного газа в цилиндре насоса площадь динамограммы уменьшается (рис. 3.16, линии 1, 2 и 3), а при срыве подачи вследствие свободного газа динамограмма приобретает следующий вид (рис. 3.16, линия 4).

Превышение подачи установки над притоком. Очень часто по форме динамограммы при влиянии свободного газа похожи на динамограммы, когда подача насоса превышает приток продукции в скважину и давление на приеме резко снижается. В этом случае необходимо проследить за формой динамограмм, фиксируемых последовательно одна за другой после кратковременной остановки скважины. В случае превышения подачи насоса над притоком продукции в скважину первая после остановки скважины динамограмма покажет полное заполнение цилиндра при такте всасывания (рис. 3.17, динамограмма 1). Последовательно фиксируемые динамограммы 2, 3 и 4 будут принимать форму, характерную для влияния свободного газа.

Рисунок 3.16 – Динамограммы для случая влияния свободного газа:

1 – при Рпр1; 2 – при Рпр2; 3 – при Рпр3 (Рпр1>Рпр2>Рпр3); 4 – срыв подачи насосом

Рисунок 3.17 – Типичные динамограммы для случая, когда подача насоса превышает приток продукции в скважину

 

Нарушение герметичности насоса, связанное с утечками в нагнетательной части насоса (нарушение герметичности нагнетательных клапанов или пары «цилиндр – плунжер»), характеризуется выполаживанием линии восприятия нагрузки штангами при ходе вверх, большей крутизной линии разгрузки штанг и скруглением линии нагрузки в точках С и D (рисунок 3.18, а).

а б

Рисунок 3.18 – Динамограммы при нарушении герметичности насоса:

а – утечка в нагнетательной части насоса; б – утечка в приемной части насоса

 

Утечки в приемной части насоса (нарушение герметичности всасывающего клапана или посадочного конуса вставного насоса – при нижней посадке) характеризуются выполаживанием линии разгрузки штанг при ходе вниз, большей крутизной линии восприятия нагрузки штангами и скруглением линии нагрузки в точках А и В при ходе вверх (см. рис. 3.18, б).

Неправильная посадка плунжера насоса отражается на динамограммах по-разному. Удар плунжера о нижний (всасывающий) клапан или низкая посадка плунжера вследствие неправильной подгонки длины штанг при монтаже проявляется на динамограмме петлей в нижнем левом углу ее (рисунок 3.19, а). Срыв нижнего конуса захватным штоком при высокой посадке плунжера проявляется на динамограмме в виде петли в правом верхнем углу и характерными изменениями нагрузки при ходе вниз, определяемыми колебаниями колонны штанг вследствие удара в момент посадки конуса (рисунок 3.19, б).

 

а б

Рисунок 3.19 – Характерные динамограммы при неправильной посадке плунжера в цилиндре насоса:

а – при ударе плунжера о всасывающий клапан; б – высокая посадка плунжера и срыв нижнего конуса захватным штоком

 

Обрыв штанг (отворот плунжера) характеризуется на динамограмме незначительной разницей в нагрузках при ходе вверх и вниз, т.е. динамограмма имеет форму узкой горизонтально расположенной петли, которая располагается на уровне нагрузки от веса штанг в продукции скважины, если произошел отворот плунжера или обрыв штанг у плунжера (рисунок 3.20, а). Местоположение такой динамограммы связано с местом обрыва: петля располагается между нулевой нагрузкой и нагрузкой от веса штанг в продукции (рисунок 3.20, б).

а б

Рисунок 3.20 – Характерные динамограммы при обрыве штанг (отвороте плунжера):

а – обрыв штанг у плунжера (отворот плунжера); б – обрыв штанг в середине штанговой колонны (верхняя динамограмма) и обрыв в верхней части колонны (нижняя динамограмма)

 

Заедание плунжера характеризуется на динамограмме значительным местным увеличением или снижением нагрузки в сравнении с нагрузками при нормальной работе установки. На рисунке 3.21 (а) показана динамограмма с заеданием плунжера в конце хода вверх, а на рисунке 3.21 (б) – когда заедание плунжера происходит в конце хода вниз.

а б

Рисунок 3.21 – Типичные динамограммы при заедании плунжера в цилиндре:

а – в конце хода вверх; б – в конце хода вниз

 

Следует отметить, что динамометрирование ШГНУ является эффективным средством контроля состояния системы и позволяет своевременно принимать необходимые меры в случае нарушения работы отдельных элементов. Кроме того, динамограмма позволяет рассчитывать с определенной точностью некоторые технологические характеристики, хотя для этого необходимо обычную методологию снятия динамограмм дополнить регистрацией нагрузок, действующих в верхнем и нижнем мертвых положениях полированного штока, для чего в этих положениях необходима остановка станка-качалки.

Порядок выполнения работы:

1) Подготовить форму таблицы 3.2.

2) Согласовать с преподавателем режимы работы ШСН, на которых будет проводиться эксперимент, значение записать в таблицу 3.2.

3) Произвести подготовительные работы (первый этап).

4) Установить первый режим работы, запустить установку и включить протоколирование (нажать кнопку «Экспорт в Excel»).

5) После того, как насос произведет 3-4 качания остановить установку и отключить протоколирование (нажать кнопку «Экспорт в Excel»).

6) Пересохранить файл с протоколом работы стенда под другим именем (например, «Иванов_600_4.txt»).

7) Проделать пп. 4-6 еще для двух режимов.

8) Открыть через «Excel» сохраненные файлы с протоколом. Для этого необходимо:

• запустить «Excel»;

• в главном меню выбрать «Файл» → «Открыть»;

• в окне выбора файлов указать тип файлов – «Текстовые файлы» (*.prn; *.txt; *.csv) и выбрать файл протокола;

• в появившемся окне «Мастера текстов» указать: «формат данных» – с «разделителями» и нажать кнопку «Далее»;

• на следующем шаге импорта указать, что символом-разделителем чисел выступает «запятая»;

• на завершающем шаге определить «Формат данных столбца» – «Общий». Нажимаем кнопку «Подробнее» и в появившемся окне указываем в качестве «Разделителя» целой и дробной части – «точку». Нажимаем на кнопку «Готово». Данные будут импортированы в рабочий лист.

9) По полученным данным (графикам растяжения штанг от времени) для каждого режима работы насоса построить динамограмму, определить максимальную и минимальную нагрузку, максимальное растяжение штанг, рассчитать коэффициент растяжения штанг. Заполнить таблицу 3.2.

Коэффициент растяжения штанг определить по формуле:

,

где η – коэффициент растяжения штанг; Sпл – длина хода, м; dL – растяжение штанг, м.

10) Сравнить полученные результаты и сделать выводы.

 

Таблица 3.2 – Таблица результатов лабораторной работы №8

Номер режима	Результаты эксперимента	Обработка результатов эксперимента
Длина хода поршня, мм	Число ходов в минуту	Максимальное растяжение штанг, мм	Коэффициент растяжения штанг	Максимальная нагрузка, Н	Минимальная нагрузка, Н
…