Штанговые глубинные насосы (ШГН) остаются основным способом механизированной добычи нефти на множестве месторождений. Несмотря на кажущуюся простоту конструкции, их работа сопряжена с целым рядом сложных инженерных задач. Одной из таких задач является управление кинематикой плунжера и штанговой колонны. В контексте оптимизации работы насоса особое внимание уделяется такому явлению, как дезаксиал, а также критически важному сопряженному риску — отвороту штанг.
Что такое дезаксиал в штанговом насосе?
В общем смысле, дезаксиал (или дезаксиаж) — это смещение оси вращения или возвратно-поступательного движения относительно геометрической оси цилиндра. В контексте штанговых глубинных насосов дезаксиал может возникать по нескольким причинам:
- Конструктивный (искусственный) дезаксиал: целенаправленное смещение оси движения плунжера (толкателя) относительно оси цилиндра кулачкового или кривошипно-шатунного механизма для снижения нагруженности.
- Эксплуатационный (случайный) дезаксиал: возникает из-за изгиба насосных штанг, искривления ствола скважины, износа централизаторов или температурных деформаций.
Как показывает практика и научные исследования (в частности, в области кулачковых механизмов топливных насосов дизелей), применение дезаксиала позволяет изменить характер передачи нагрузки. Однако в скважинных условиях неконтролируемый дезаксиал приводит к появлению значительных боковых (радиальных) сил, действующих на плунжер внутри цилиндра.
Влияние дезаксиала на работу плунжерной пары
Принцип работы ШГН основан на создании разрежения и давления внутри цилиндра. При перемещении плунжера вверх в нижней части камеры насоса создается разрежение давления, что способствует всасыванию перекачиваемой жидкой среды через входной (всасывающий) клапан. При движении плунжера вниз давление жидкости закрывает всасывающий клапан, и жидкость из цилиндра направляется в подъемные трубы через нагнетательный клапан.
Для нормальной работы этого процесса критически важна герметичность пары «цилиндр-плунжер». Стандарт API предусматривает 5 ступеней допуска по посадке для этого зазора. Когда возникает дезаксиал, плунжер начинает перекашиваться внутри цилиндра. Это приводит к следующим последствиям:
- Нарушение герметичности: перекос плунжера создает неравномерный зазор. С одной стороны зазор увеличивается, вызывая утечки жидкости (нарушение герметичности нагнетательной части), а с другой — происходит чрезмерное трение.
- Искажение динамограммы: утечки из-за перекоса характеризуются достижением пологости линией восприятия нагрузки штангами при ходе вверх, большей крутизной линии разгрузки штанг и скруглением линии нагрузки в характерных точках.
- Ускоренный износ: отсутствие гидравлической защиты в зоне увеличенного зазора приводит к тому, что абразивные частицы, содержащиеся в скважинной жидкости, разрушают поверхность плунжера и цилиндра.
Риск отворота штанг: прямое следствие дезаксиала
Штанговая колонна — это цепь из соединенных между собой штанг, которая передает движение от поверхности до глубины скважины. Риск отворота (самопроизвольного раскручивания резьбовых соединений насосных штанг) является одной из самых частых причин аварий на скважинах, оборудованных ШГН.
Механизм возникновения отворота при дезаксиале:
- Возникновение изгибающих моментов: из-за смещения осей (дезаксиала) на колонну штанг действует изгибающая сила. Штанга начинает работать не только на растяжение-сжатие, но и на изгиб.
- Знакопеременные нагрузки: при возвратно-поступательном движении направление изгиба штанги постоянно меняется. Это создает крутильные колебания в резьбовых соединениях (муфтах).
- Ослабление натяга резьбы: циклическое изгибание штанги приводит к микроподвижкам в резьбовом соединении. Сила трения в резьбе снижается, и шаговый угол резьбы начинает работать на «откручивание» под действием вибрации и сил инерции.
- Полный отворот: при совпадении частот колебаний (резонанс) или при превышении крутящего момента над силой трения в резьбе, происходит внезапный отворот штанги.
Дополнительные факторы, усугубляющие риск
- Несоответствие притока размеру насоса: превышение подачи установки над притоком приводит к гидродинамическим ударам при ходе плунжера вниз, что многократно увеличивает вибрацию и риск отворота.
- Агрессивная среда: поступающая в зазор между плунжером и цилиндром нефть может предотвращать контакт трущихся поверхностей с агрессивной водой, однако при перекосе (дезаксиале) этот защитный слой разрушается, начинается коррозия, которая также ослабляет резьбовые соединения.
Пути снижения нагруженности и предотвращения отворотов
Для минимизации негативного влияния дезаксиала и предотвращения отворотов штанг применяется комплексный подход:
Конструктивные решения
Как отмечается в исследованиях по снижению нагруженности механизмов, применение дезаксиала в кулачковых механизмах (если он рассчитан математически) может снижать пиковые нагрузки. Однако для ШГН это требует точного расчета. Отсутствие математической модели для кинематического анализа движения плунжера дезаксиального кулачкового механизма (ДКМ) ранее приводило к ошибкам. Сегодня важно использовать теоретические и экспериментальные данные по выбору размеров ДКМ, чтобы боковые силы не превышали допустимых значений.
Улучшение характеристик плунжера
Эффективным методом является нанесение регулярного микрорельефа на поверхность плунжера. Это позволяет:
- Удерживать смазку (нефть) на поверхности, снижая силу трения при перекосе плунжера.
- Компенсировать небольшие перекосы за счет более равномерного распределения давления в зазоре.
- Снижать износ, что предотвращает увеличение эксплуатационного дезаксиала.
Защита резьбовых соединений
Для предотвращения отворота штанг применяют:
- Применение резьбовых замков и герметиков: специальные составы фиксируют резьбу, предотвращая ее самооткручивание под действием знакопеременных изгибающих нагрузок.
- Центрирование колонны: установка центраторов (скребков) на штанги снижает изгибающие напряжения, выравнивая колонну относительно оси скважины и насоса.
- Оптимизация режима откачки: подбор длины хода и числа качаний так, чтобы избежать превышения подачи над притоком, устраняя гидроудары.
Дезаксиал в штанговом глубинном насосе, это сложное кинематическое явление, которое может быть как специально заложенным конструктивным параметром для снижения нагруженности, так и вредным эксплуатационным фактором. В любом случае, смещение осей неизбежно генерирует боковые силы, которые приводят к перекосу плунжера, нарушению герметичности насоса и, что наиболее критично, к риску отворота штанг.
Современные методы борьбы с этими явлениями включают в себя создание точных математических моделей кинематики ДКМ, применение передовых технологий упрочнения поверхностей (например, нанесение регулярного микрорельефа) и строгий контроль за соосностью штанговой колонны в скважине. Только комплексный подход позволяет обеспечить бесперебойную работу ШГН и снизить аварийность из-за отворотов.