ШГН в простейшем виде состоит из плунжера, движущегося вверх - вниз по хорошо подогнанному цилиндру. Плунжер снабжен обратным клапаном, который позволяет жидкости течь вверх, но не вниз. Обратный клапан, называемый также нагнетательным, в современных насосах обычно представляет собой клапан типа шар-седло. Второй клапан, всасывающий, - это шаровой клапан, расположенный внизу цилиндра, и, подобно обратному клапану, позволяет жидкости течь вверх, но не вниз. Вначале плунжер находится в стационарном состоянии в нижней точке хода. В этот момент и всасывающий, и нагнетательный клапаны закрыты. Столб жидкости в НКТ создает гидростатическое давление над всасывающим клапаном. Нагрузкой на сальниковый шток (верхний шток из колонны насосных штанг) является только вес колонны насосных штанг. При движении плунжера вверх обратный клапан остается закрытым и колонна насосных штанг принимает на себя вес жидкости в НКТ - вес колонны насосных штанг и вес столба жидкости. При минимальной утечке между плунжером и насосным цилиндром давление между нагнетательным и всасывающим клапанами уменьшается, так что всасывающий клапан открывается, и жидкость из ствола скважины поступает в цилиндр насоса [6].

В верхней точке рабочего хода плунжер останавливается, и оба клапана снова закрываются, при этом вес жидкости снова приходится на плунжер и нагнетательный клапан. Предположим, что теперь цилиндр насоса заполнился жидкостью и жидкость несжимаема. При начале движения плунжер вниз выкидной клапан откроется. Вес столба жидкости в насосно-компрессорной колонне перенесется на всасывающий клапан и рабочую колонну, а нагрузка на сальниковый шток и насосный узел опять будет состоять только из веса штанг.

Дальнейшее движение плунжера вниз заставит жидкость перетечь из цилиндра в плунжер через обратный клапан. Возвращение плунжера в нижнюю точку рабочего хода закончит цикл (рисунок 1.8).

При автоматизации работы скважинных штанговых глубинных насосов применяются методы ваттметрирования, барографирования и динамометрирования. Первый метод позволяет контролировать, главным образом, работу наземного оборудования, второй и третий - глубинного.

Барографирование позволяет определить давление во всасывающем клапане и на выкиде насоса, перепад давления в клапанах, характер утечек и т.д. Давление регистрируется глубинным манометром, спускаемым на проволоке через затрубное пространство. Метод барографирования достаточно сложен и трудоемок и не может быть применен для оперативного контроля за работой насосных установок.

1 - нагнетательный клапан; 2 - всасывающий клапан

Рисунок 1.8 - Принцип работы штангового глубинного насоса

К достоинствам ваттметрирования необходимо отнести такие факторы, как простота измерения (требуется установка только измерительных трансформаторов тока и напряжения на фазах двигателя) и возможность вести учет потребляемой приводом электроэнергии (станции управления могут быть интегрированы в системы коммерческого и технического учета электроэнергии - АСКУЭ и АСТУЭ) [7, 8].

Ваттметрограмма представляет собой кривую потребляемой мощности электродвигателя станка-качалки. По ваттметрограмме прежде всего выявляется такой важный показатель, как несбалансированность СКН (рисунок 1.9).

Ваттметрирование позволяет получить информацию о работе наземного оборудования, в то время как наиболее важно иметь представление о состоянии и режиме работы глубинного насоса и колонны штанг и труб. Решить данную задачу помогает метод динамометрирования, результатом которого является график зависимости усилия в точке подвеса штанг от перемещения этой точки, называемый устьевая динамограмма.

а) сбалансированный станок-качалка

б) несбалансированный станок-качалка

Рисунок 1.9 - Ваттметрограммы СК

На практике применяются следующие понятия: теоретическая, практическая (замеренная, реальная) динамограмма (рисунок 1.10). Простейшая теоретическая динамограмма нормальной работы насоса имеет форму параллелограмма (рисунок 1.10, линия 1). Она строится для условия, когда насос исправен и герметичен, цилиндр заполнен несжимаемой жидкостью, погружение насоса под динамический уровень равно нулю, в насосной установке не возникают динамические нагрузки, коэффициент заполнения насоса равен единице.

Практическая устьевая динамограмма отражает реальное изменение нагрузки на полированный шток за полный цикл качания.

Реальный график отличается от теоретического, в основном, из-за влияния сил инерции и колебательных процессов в колонне штанг (рисунок 1.10, линия 2). Вследствие влияния силы инерции динамограмма оказывается повернутой на некоторый угол по часовой стрелке, а продольные колебания в колонне штанг вызывают волнообразные изменения нагрузки на устьевой шток.

1 - теоретическая; 2 - практическая

Рисунок 0. 10 - Графики устьевых динамограмм

Размеры и форма реальной динамограммы определяются длиной хода полированного штока и действующих на него усилий, которые, в свою очередь, зависят от глубины спуска и диаметра насоса, частоты качаний и от характера нарушений в подземном оборудовании или гидростатической нагрузки на плунжер.

Можно сформулировать следующие характерные признаки практической динамограммы, которые в сумме дают право на заключение о нормальной работе насоса:

- линии восприятия (рисунок 1.10, линия АB) и снятия (рисунок 1.10, линия CD) нагрузки практически могут быть приняты за прямые;

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

- левый нижний и правый верхний углы динамограммы острые.

Вывод: с помощью динамометрирования, которое является самым простым, доступным, а, следовательно, и самым распространенным методом промыслового исследования и оперативного контроля за работой СШНУ, решаются следующие задачи:

1) определяются отдельные параметры пласта и скважин, и проверяется режим работы насосной установки: подача насоса, коэффициент продуктивности, коэффициенты наполнения и подачи насоса, давление на приеме насоса, величина деформации труб и штанг;

2) проверяется исправность работы ШГН и выявляются механические неисправности отдельных узлов подземного оборудования: негерметичность всасывающего и нагнетательного клапанов насоса, прихват плунжера, обрыв штанг, неправильность монтажа насоса, негерметичность труб и т.д.

Снятие динамограммы нагрузки на полированный шток в зависимости от хода называется динамометрией СШНУ. Она осуществляется силоизмерительным регистрирующим прибором - динамографом [9].

Сопоставление замеренной с помощью динамографа динамограммы с теоретической позволяет выяснить отклонения от нормальной работы установки в целом и дефекты в работе самого ШГН. Регулярное обследование СШНУ является обязательным, так как позволяет своевременно предотвратить более серьезные осложнения. Динамограмма, кроме того, позволяет уточнить режим откачки и по возможности его улучшить.

Известны динамографы механические, гидравлические, электрические, электромагнитные, тензометрические и др.

В гидравлических динамографах нагрузка на полированный шток передается через рычажную систему на упругую диафрагму камеры, заполненной жидкостью.

Принцип действия гидравлического динамографа состоит в следующем. Давление жидкости в камере, пропорциональное усилию в штоке, по капилляру передается геликсной пружине. При увеличении давления геликсная пружина разворачивается и поворачивает перо, которое чертит линию на бумажном бланке, закрепленном на подвижном столике или барабане.

Перемещение столика пропорционально ходу полированного штока. Таким образом, смещение пера, пропорциональное усилиям в штоке, соответствует оси ординат, а смещение столика, пропорциональное ходу штока, - оси абсцисс.

Месдоза, геликсная пружина с пером, столик и его приводной червячный механизм смонтированы вместе в виде компактного прибора. Стандартное оборудование СШНУ предусматривает возможность установки динамографа в разъеме между траверсами канатной подвески. Приводной механизм столика или барабана с помощью шнура соединяется с неподвижной точкой - сальником устьевого оборудования.

При движении штока вверх шнур разматывается со специального шкива, который при этом поворачивается на несколько оборотов, вращая червячный ходовой винт, и перемещает столик. Одновременно при этом заводится спиральная возвратная пружина. При обратном ходе столик возвращается в исходное положение с помощью возвратной пружины, вращающей червяк и шкив в обратном направлении. Шнур при этом наматывается на шкив, оставаясь в натянутом состоянии. К прибору придается три сменных шкива различного диаметра. Это позволяет получить три различных масштаба хода, обычно 1: 15, 1: 30 и 1: 45.

На рисунке 2.1 показан динамограф "ГДМ-3" (гидравлический динамограф с месдозой, тип 3), установленный в разъем траверс контактной подвески (показана в разрезе).

В этом динамографе жидкостная камера встроена в верхнем рычаге силоизмерительной части (пластине) 11 силоизмерительного устройства. Правая опора пластин силоизмерительного устройства допускает перестановку опоры, при которой соотношение плеч рычажной системы изменяется. Это позволяет 3 раза изменить масштаб усилий: 1; 0,75; 0,53, что, в свою очередь, обеспечивает пределы измерения усилий в полированном штоке в 40; 80; 100 кН.

Динамограмма и её интерпретация

Теоретическая динамограмма нормальной работы глубинно-насосного оборудования показана на рисунке 2.2 На нее наложена (пунктирная линия) типичная фактическая динамограмма исправного насоса, спущенного на небольшую глубину и работающего в условиях отсутствия газа.

Линия "АВ" означает деформацию штанг и труб и отражает процесс воспринятия штангами нагрузки от веса жидкости. Это происходит при перемещении штока на величину л, начиная от НМТ.

1 - шнур, 2 - шкив ходового вита, 3 - ходовой винт столика, 4 - направляющие салазки столика, 5 - бумажный бланк, прикрепляемый к столику, 6 - перо геликсной пружины, 7 - геликсная пружина, 8 - капиллярная трубка, соединяющая геликсную пружину с полостью силоизмерительной камеры - 9, 10 - нажимной диск, 11 - верхний рычаг силоизмерителыюй части, 12 - нижний рычаг силоизмерительной части

Рисунок 2.1 - Принципиальная схема гидравлического динамографа и его установки между траверсами канатной подвески

Линия "ВС" - полезный ход плунжера, во время которого статическая нагрузка на шток равна весу штанг и жидкости.

Точка "В" соответствует ВМТ. Линия "ВCD" - ходу вниз, при котором также штанги и трубы деформируются, но в обратном порядке, так как нагнетательный клапан открывается, штанги теряют при этом нагрузку и сокращаются, а трубы (всасывающий клапан закрывается) приобретают ее и удлиняются.

Рисунок 2.2 - Устьевая динамограмма нормально работающей СШНУ

Реальная динамограмма всегда отличается от теоретической. Превышение пунктира над линией "ВС" означает появление дополнительных нагрузок, связанных с инерцией системы и трением, этим же объясняется снижение пунктирной линии по отношению к линии "DA" при ходе вниз. Изучение снятой динамограммы и ее сопоставление с теоретической позволяет выяснить ряд дефектов и неполадок в работе СШНУ. Так, смещение точек б и г вправо означает пропуски в нагнетательной части насоса в результате растягивания во времени процесса перехода нагрузки Р_ж с труб на штанги. Пропуск в нагнетательной части приводит к заполнению объема цилиндра, высвобождаемого плунжером, перетекающей жидкостью и, таким образом, создает на плунжер подпор снизу. Чем больше утечки в нагнетательной части, тем сильнее смещение точек "В" и "D" вправо.

При пропуске в приемной части (всасывающий клапан) происходит обратное явление. Точки "В" и "D" смещаются влево. Утечки жидкости в приемной части раньше времени снимают подпор плунжера снизу и штанги воспринимают вес жидкости быстрее.

На динамограмме отражается вредное влияние газа, попадающего в ШГН. В этом случае переход от точки "В" к линии AD происходит плавно, что означает сжатие газа в цилиндре под плунжером. Динамограммы позволяют выявить правильность посадки плунжера в цилиндре. Появление короткого спада нагрузки вблизи НМТ, ниже Р_шт, свидетельствует об ударе плунжера о всасывающий клапан. Резкое снижение нагрузки ниже Р_ш + Р_ж вблизи ВМТ означает выход плунжера из цилиндра насоса (если насос невставной), а появление пика у ВМТ - удары плунжера об ограничительную гайку цилиндра в случае вставного насоса (рисунок 2.3).

Подобная расшифровка динамограмм, однако, возможна в ограниченных случаях (малые глубины, жесткие штанги, малые диаметры плунжера). При возникновении колебательных нагрузок, т.е. при динамическом режиме откачки, динамограмма искажается и в некоторых случаях при нормально работающем скважинном насосе может приобрести очень сложный вид. Это является результатом наложения на нормальную динамограмму нагрузок, вызванных колебательными процессами в штангах, которые в свою очередь есть результат интерференции собственных упругих колебаний штанг и вынужденных колебаний, вызванных работой станка-качалки.

Анализ и расшифровка сложных динамограмм связаны с необходимостью перехода от устьевой динамограммы, снятой на верхнем конце колонны штанг (полированный шток), к глубинной плунжерной динамограмме, соответствующий нижнему концу колонны штанг. Это равносильно установке динамографа непосредственно над плунжером. Вообще такие динамографы были созданы, однако их использование связано с двукратным спуском и извлечением штанг и поэтому они не нашли практического применения.

а) утечки в ВМТ в б) утечки в НМТ в нагнетательном клапане всасывающем клапане

в) утечки во всасывающем г) низкая посадка клапане, влияние пластового газа либо заедание плунжера в НМТ и недостаточный приток

д) выход плунжера из насоса е) высокая посадка либо заедание плунжера в ВМТ

Рисунок 2.3 - Отражение дефектов работы штангового насоса на динамограмме

Для подобной диагностики работы СШНУ и получения глубинной динамограммы используют довольно сложную аналитическую обработку поверхностной динамограммы. При этом составляющие нагрузок, вызванные колебаниями колонны штанг и их упругими деформациями, рассчитывают и исключают при построении глубинной динамограммы. Поверхностная динамограмма Р (S) по точкам перестраивается в зависимость нагрузки от времени Р (t). Затем ординаты каждой точки зависимости Р (t) пересчитываются на соответствующие значения глубинной динамограммы. Если координаты всех точек (обычно 36; через каждые 10° угла поворота кривошипа), т.е. значения Р (t) в виде таблицы ввести в ЭВМ, то получение такой глубинной динамограммы упрощается.

На поверхностной динамограмме находят отражения все дефекты работы СК, главным образом удары и люфты в сочленениях шатунно-кривошипного механизма, в шпонках и зубьях редуктора.

Динамометрирование СШНУ дает важную информацию о работе установки в целом. На автоматизированных промыслах оно осуществляется дистанционно из центрального диспетчерского пункта. С этой целью СК оборудуются специальными тензометрическими датчиками усилий и датчиками хода полированного штока.