Введение
Большинство проблем с добычей в скважинах с штанговым насосом проявляются не сразу. Добыча постепенно снижается. Эксплуатационные расходы растут. Наземное оборудование работает без очевидных механических неисправностей, в то время как скважинный насос работает ниже расчетной эффективности, незаметно теряя баррели с каждым ходом. К тому времени, когда проблема становится видимой на поверхности — обрыв штанги, заклинивание плунжера, заклинивание клапана — ущерб уже накапливался в течение недель или месяцев.
Динамометрическая карта — это диагностический инструмент, который заполняет этот информационный пробел. Это графическая запись того, что испытывает полированная штанга на каждом ходе цикла откачки: нагрузки, которые она несет, ее положение и переходы между ними. При правильном прочтении эта запись представляет собой точное изображение того, что происходит в скважинном насосе, полученное на поверхности без подъема штанговой колонны, без скважинных датчиков и без остановки добычи для сбора данных.
В отличие от других методов диагностики, используемых в оборудовании для подъема штоков, система Dynacard позволяет инженеру-технологу принимать меры на основе измеренного состояния насоса, а не на основе запланированных временных интервалов или предположений. Она позволяет отличить газовые помехи от износа клапанов. Она количественно оценивает заполнение насоса без расчетов на основе объемов добычи. Она обнаруживает ранние признаки гидроудара до того, как он приведет к разрыву штока.
В этом руководстве объясняется, что именно отображает динакарта — физическое значение осей, формы, определяющие конкретные условия в скважине, параметры нагрузки, количественно оценивающие производительность системы, и диагностическая логика, связывающая форму карты с корректирующими действиями. Это руководство предназначено для всех, кто занимается эксплуатацией, техническим обслуживанием или спецификацией динакарты.насос с вакуумным насосомПонимание работы системы Dynacard – это не просто желательный навык, а основа грамотного управления производством.
Что такое Dynacard — и зачем она существует?
Динамометрическая карта представляет собой график зависимости нагрузки на полированный шток от его положения, регистрируемый в течение одного полного цикла хода поршневого насоса. Она создается динамометром — диагностическим прибором, который сочетает в себе датчик нагрузки (измеряющий мгновенную силу на полированном штоке) и датчик положения (измеряющий вертикальное положение полированного штока относительно его конечных точек хода) — и одновременно регистрирует оба измерения по мере того, как насосный агрегат проходит свой восходящий и нисходящий ходы.
В результате получается замкнутая кривая: по мере перемещения полированного стержня от нижней точки хода до верхней и обратно нагрузка и положение изменяются одновременно, и кривая описывает в пространстве нагрузка-положение форму, характерную для конкретного сочетания условий в скважине, существовавших во время измерения.
Эта концепция была впервые формализована математически С.Г. Гиббсом в 1967 году, который запатентовал метод расчета параметров скважинного насоса на основе измерений с помощью поверхностного динамометра, заложив таким образом теоретическую основу для того, что спустя более пяти десятилетий остается основным неинвазивным диагностическим инструментом для скважин с штанговым насосом.
Причина, по которой карта Dynacard содержит так много диагностической информации, заключается в том, что полированный шток соединен через колонну штоков со всеми процессами, происходящими в насосе. Нагрузка на полированный шток в любой момент времени представляет собой сумму выталкивающей силы колонны штоков, нагрузки жидкости на плунжер, сил ускорения, создаваемых движением насосного агрегата, трения между штоками и трубами, а также сил, создаваемых работой клапанов в скважинном насосе. Каждое изменение любого из этих компонентов оставляет характерный след в виде карты.
Именно эта подпись указана на карте Dynacard.
Две карты: поверхностная и скважинная.
Анализ с помощью Dynacard позволяет получить два взаимосвязанных, но различных представления о поведении насоса. Понимание различий между ними имеет важное значение для точной диагностики.
Карта поверхностного динамометра
Поверхностная карта представляет собой прямой результат полевых измерений — фактический график зависимости нагрузки на полированный стержень от его положения, зарегистрированный динамометром на устье скважины. Это исходные данные.
Наземная карта содержит полную диагностическую информацию о состоянии скважины, но она не является прямым отражением того, что происходит в насосе. Штанга между поверхностью и насосом не является жесткой — она растягивается под нагрузкой, слегка сжимается и передает механические волновые напряжения со скоростью звука в стали (приблизительно 16 800 футов в секунду). Эти динамические эффекты штанги искажают данные наземной карты по сравнению с тем, что было бы измерено, если бы датчик нагрузки можно было разместить непосредственно у поршня.
В неглубоких скважинах с короткими штангами динамические эффекты на штангах незначительны, и форма поверхностной карты является достаточно точным приближением к поведению насоса в скважине. В глубоких скважинах, где длина штанговой колонны может достигать тысяч футов, динамические эффекты вносят значительные искажения в поверхностную карту, и форма, видимая на поверхности, может существенно отличаться от того, что фактически происходит в насосе. Квалифицированный аналитик может качественно интерпретировать поверхностную карту, выявляя основные проблемы, такие как газовые помехи, сильное давление жидкости или утечка через запорный клапан, исходя из формы карты. Но для точного количественного анализа — точного заполнения насоса, точной нагрузки жидкости или детального описания поведения клапана — одной поверхностной карты недостаточно.
Карточка скважинного насоса
Карта скважинного насоса представляет собой математически выведенное описание зависимости нагрузки от положения плунжера насоса, рассчитанное на основе измерений на поверхности с использованием волнового уравнения. Волновое уравнение моделирует упругое динамическое поведение колонны штанг — ее массу, жесткость и характеристики демпфирования — и использует известные данные о движении поверхности и записи нагрузки для вычисления того, что происходит на конце колонны, обращенном к насосу.
Математический процесс преобразования поверхностной карты в карту для скважинного насоса иногда называют «опусканием карты в скважину». В вычислениях учитывается упругое растяжение колонны штанг под воздействием изменяющейся нагрузки, характеристики распространения волновых напряжений в материале штанг, а также инерционные эффекты ускорения и замедления массы колонны штанг на протяжении каждого цикла хода.
В результате получается карта, которая показывает, что фактически испытывает плунжер — истинную длину хода поршня насоса, нагрузку жидкости, приложенную к плунжеру, события открытия и закрытия клапана, а также уровень заполнения насоса. Эта карта используется для точного количественного анализа производительности насоса.
Современное программное обеспечение для оптимизации добычи автоматически генерирует карты работы скважинных насосов на основе измерений с помощью наземного динамометра, что делает расчет волнового уравнения рутинной частью каждого сеанса анализа динамометрических карт, а не специализированным инженерным вычислением.
Чтение карты: что означают оси.
Прежде чем интерпретировать формы карт, необходимо четко понимать физический смысл каждой оси.
Горизонтальная ось (ось X) представляет положение полированного стержня — вертикальное положение полированного стержня относительно конечных точек его хода. Левый конец оси соответствует нижней точке хода (нижняя точка хода, BOS), где полированный стержень находится в самой нижней точке. Правый конец соответствует верхней точке хода (верхняя точка хода, TOS), где полированный стержень находится в самой верхней точке. Общая горизонтальная длина карты — это длина хода поверхности — общее вертикальное расстояние, которое полированный стержень проходит за один полный цикл.
Вертикальная ось (ось Y) представляет собой нагрузку на полированный шток — мгновенную силу, действующую на полированный шток, измеряемую в фунтах или килоньютонах. Большие значения по оси Y соответствуют большей нагрузке. Во время подъема полированный шток несет вес колонны штоков плюс нагрузку жидкости на плунжер. Во время опускания полированный шток несет только выталкивающий вес колонны штоков (нагрузка жидкости передается на трубу через подвижный клапан). Разница между нагрузкой при подъеме и нагрузкой при опускании в любой точке представляет собой нагрузку жидкости — силу, которую плунжер оказывает на столб жидкости.
Площадь рабочей поверхности печатной платы — площадь, заключенная внутри замкнутого контура платы — пропорциональна работе, совершаемой насосом за один ход поршня. Плата с большой площадью означает большую работу за один ход поршня; плата с малой площадью означает меньшую работу. Сравнение площади рабочей поверхности печатной платы с теоретически максимальной площадью отверстия и хода поршня насоса дает прямую оценку того, насколько эффективно насос использует свою механическую мощность для перекачки жидкости.
Форма карты — контур замкнутого контура — является основным носителем качественной диагностической информации. Различные условия в скважине приводят к характерным искажениям формы идеализированного параллелограмма, которые возникли бы при работе идеального насоса в идеальных условиях.
Основные параметры загрузки отображаются на карте Surface.
Максимальная нагрузка на полированный шток (PPRL): максимальное значение нагрузки на поверхности штока, возникающее в верхней точке подъема или вблизи нее. Это максимальная сила, которую должны выдерживать полированные шток и соединения штоковой колонны. Она определяет, работает ли штоковая колонна в пределах расчетных пределов усталости и соблюдаются ли конструктивные и редукторные характеристики насосной установки.
Минимальная нагрузка на полированную штангу (MPRL): минимальное значение нагрузки на поверхности штанги, возникающее в нижней точке или вблизи нее во время хода штанги вниз. Это минимальная сила в штанговой колонне за цикл хода. Значение MPRL, приближающееся к нулю, указывает на то, что штанговая колонна приближается к состоянию чистого сжатия — состоянию, которое может вызвать деформацию штанг, контакт штанг с трубами и ускоренный износ нижней части штанговой колонны.
Нагрузка на жидкость: разница между нагрузкой при подъеме и нагрузкой при опускании поршня в соответствующих точках хода. Нагрузка на жидкость — это сила, которую плунжер должен приложить для поддержания столба жидкости в трубопроводе над насосом. Она пропорциональна площади плунжера, умноженной на результирующий подъем — разницу давлений на насосе.
Мощность полированного штока (PRHP): общая мощность, потребляемая полированным штоком в единицу времени. Она рассчитывается исходя из площади поверхности штока, частоты ходов и соответствующих коэффициентов пересчета единиц. PRHP представляет собой фактическую механическую мощность, подаваемую в систему шток-насос, на основе которой можно рассчитать КПД системы, сравнивая его с гидравлической мощностью, передаваемой добываемой жидкости.
Идеальная карта: как выглядит здоровый памп
Идеализированная форма испытательной пластины для измерения параметров поверхности насоса, работающего в оптимальных условиях — полное заполнение резервуара, исправные клапаны, отсутствие газовых помех, отсутствие трения — представляет собой параллелограмм. Понимание физических процессов, приводящих к образованию каждой стороны параллелограмма, является основой для интерпретации отклонений от него.
Левая сторона — быстрое нарастание нагрузки (от нижней точки хода до нижнего левого угла): В начале подъема, когда полированный шток начинает двигаться вверх, стержневая колонна должна сначала растянуться, чтобы поднять нагрузку от жидкости, прежде чем плунжер фактически начнет подниматься. Ходовой клапан закрывается (удерживается в закрытом положении за счет возрастающей разницы давлений), и нагрузка на полированный шток резко возрастает, поскольку шток принимает на себя вес жидкости. Это быстрое нарастание нагрузки отображается в виде почти вертикальной линии на левой стороне карты.
Верхняя часть карточки — приблизительно постоянная высокая нагрузка (по всей длине хода поршня): После того, как шток насоса набрал полную нагрузку жидкости и поршень начал поднимать жидкость по всей длине хода, нагрузка на полированный шток остается приблизительно постоянной — суммой веса плавучего штока и нагрузки жидкости. В исправном насосе без значительного трения штока или динамических воздействий это выглядит как почти горизонтальная линия в верхней части карточки по всей длине хода поршня.
Правая сторона — быстрое падение нагрузки (от верхней точки хода до верхнего правого угла): В верхней точке хода, когда полированный шток начинает движение вниз, штоковая колонна начинает передавать нагрузку жидкости на трубу (через подвижный клапан, который открывается по мере опускания плунжера). Нагрузка на полированный шток резко падает обратно к плавающему грузу штоковой колонны. Это отображается в виде почти вертикальной линии на правой стороне карточки.
В нижней части карточки — приблизительно постоянная нижняя нагрузка (на протяжении всего хода вниз): Во время хода вниз полированный стержень несет только плавучий вес стержневой колонны. Клапан открыт; нагрузка от жидкости перешла на трубку. Нагрузка приблизительно постоянна и значительно ниже, чем нагрузка при ходе вверх. Это отображается в виде почти горизонтальной линии в нижней части карточки на протяжении всего хода вниз.
Четыре угла этого параллелограмма соответствуют переходам между фазами хода клапана: закрытие подвижного клапана в начале подъема (нижний левый угол), верхняя точка подъема (верхний правый угол), начало нисходящего хода, когда подвижный клапан начинает открываться (верхний правый угол, вправо), и закрытие неподвижного клапана в начале нисходящего хода (нижний левый угол, завершающий цикл).
Отклонения от формы параллелограмма — по любой из четырех сторон, углов или внутри замкнутой области — указывают на конкретные отклонения от идеальных условий эксплуатации.
Диагностика формы карты: как интерпретировать информацию, которую вам сообщает насос.
Помехи от газа и газовая пробка: Закругленная карта
Загрязнение газами является одним из наиболее распространенных факторов, влияющих на...насос с вакуумным насосомЭффективность в пластах с повышенным газонефтяным соотношением. Когда свободный газ поступает в ствол насоса вместе с добываемой жидкостью, при ходе вверх в ствол затягивается смесь газа и жидкости, а не только жидкость. При ходе вниз газ должен быть сжат, прежде чем давление в стволе поднимется достаточно высоко, чтобы открыть подвижный клапан.
Сжатие газа перед открытием подвижного клапана приводит к характерному изменению формы печатной платы: вместо резкого подъема нагрузки с левой стороны платы (мгновенного подъема нагрузки жидкости при закрытии подвижного клапана), нагрузка возрастает более плавно, и форма платы приобретает закругленный, дугообразный верхний левый угол. Чем сильнее воздействие газа, тем заметнее становится это закругление.
В тяжелых случаях — когда приближается газовая пробка, и объем газа в стволе настолько велик, что давление в стволе никогда не поднимается достаточно для открытия подвижного клапана — печатная плата деформируется, приобретая почти эллиптическую форму без четких углов. Насос не вытесняет жидкость; он просто сжимает и снова расширяет газ при каждом ходе поршня, не выполняя никакой продуктивной работы.
Правильная реакция на попадание газа в цилиндр насоса заключается не просто в уменьшении частоты ходов поршня. Необходимо устранить первопричину — попадание газа в цилиндр насоса. Варианты решения проблемы включают установку газового якоря под впускным отверстием насоса для отделения газа от жидкости до того, как он достигнет запорного клапана, выбор конфигурации насоса с нижним якорем для снижения давления на впуске (улучшение разделения газа и жидкости) или использование специальной конструкции насоса с противогазовой защитой и механическим клапаном открытия и закрытия на входе масла, который выталкивает газ из цилиндра при каждом ходе поршня, а не полагается на перепад давления для управления газовой фазой.
Антигазнасос с вакуумным насосомКонструкция точно определяет причину образования закругленной формы карты — механически предотвращая газовую пробку, а не устраняя ее последствия. Доступная в вариантах с внутренним диаметром Φ44 мм и Φ57 мм, совместимых со стандартными трубами диаметром 2 3/8 дюйма, 2 7/8 дюйма и 3 1/2 дюйма, эта конструкция устраняет влияние газовых помех, возникающих при работе Dynacard, решая проблему управления газом на насосе, а не на поверхности.
Жидкостный фунт и откачка: Зазубренная и сложенная карта
Жидкостный удар возникает, когда ствол насоса не полностью заполняется жидкостью в конце хода поршня вверх. Если уровень жидкости в скважине находится на уровне или ниже всасывающего патрубка насоса — состояние, называемое «откачкой», — ствол заполняется жидкостью лишь частично во время хода поршня вверх. Оставшийся объем в стволе содержит газ или пар под низким давлением.
При движении вниз поршень опускается в частично заполненный цилиндр. Достигнув поверхности жидкости, он резко ударяется о столб жидкости — переходя от сжимаемого пара с почти нулевым сопротивлением к встрече с несжимаемым столбом жидкости. Этот гидравлический удар, называемый гидроударом, создает резкий скачок нагрузки в колонне стержней, который отображается как характерная особенность на карте.
Небольшое колебание жидкости проявляется в виде маленькой выемки или углубления в левом нижнем углу нижней части карты, где происходит движение поршня вниз — кратковременное, резкое изменение нагрузки в момент удара поршня о поверхность жидкости. Карта сохраняет большую часть своих параллелограммных характеристик, но с этим характерным изменением в месте перехода.
Сильное воздействие жидкости вызывает выраженный резкий скачок вниз на печатной плате, отчетливо видимый как внезапный переход нагрузки. Печатная плата существенно отклоняется от формы параллелограмма в области нисходящего хода, а амплитуда скачка коррелирует с силой удара, которая, в свою очередь, коррелирует со степенью недозаполнения и высотой парового пространства, через которое проходит поршень, прежде чем удариться о жидкость.
Откачка — полное недополнение — приводит к образованию карточки, площадь которой практически уменьшилась. Эффективный ход поршня насоса близок к нулю; поршень почти мгновенно достигает поверхности жидкости при движении вниз, и карточка сжимается до небольшой, часто хаотичной формы, которая представляет собой в основном ударные силы жидкости, возникающие при столкновении, без эффективного вытеснения жидкости.
Повторяющиеся удары жидкости создают высокоцикловые усталостные нагрузки на соединения штока, повреждают внутренние детали насоса и могут вызывать обрыв штока в местах соединения, где существуют концентрации напряжений. Немедленным оперативным решением является внедрение контроллера отключения насоса — устройства, которое в режиме реального времени отслеживает форму штока или нагрузку на полированный шток и снижает частоту ходов или вводит периоды отдыха при обнаружении отключения насоса, позволяя стволу насоса наполниться между ходами. Долгосрочным решением является изменение размеров насоса: если отключение насоса происходит постоянно, производительность насоса за ход превышает допустимый приток в скважину, и насос необходимо уменьшить в размерах, чтобы он соответствовал фактическим скоростям притока.
Выход из строя подвижного клапана: карта с высокой плоской верхней частью
Обратный клапан (ОК) установлен внутри корпуса плунжера. При движении вверх он удерживается в закрытом положении под действием веса столба жидкости над ним. При движении вниз он открывается, позволяя сжатой в цилиндре жидкости проходить через плунжер. Если обратный клапан изнашивается в месте соприкосновения шарика и седла, уплотнение становится неполным — жидкость просачивается обратно через обратный клапан при движении вверх, уменьшая чистый объем вытесняемой жидкости за один ход.
Неисправный подвижный клапан создает характерную картину: во время хода вниз нагрузка не резко падает с уровня подъема по мере открытия клапана и передачи жидкости в трубку, а остается повышенной — она падает медленно, а не резко. Верхняя часть картины простирается в область хода вниз в виде высокого плато, а не плавно переходит к более низкому уровню нагрузки при ходе вниз.
Физически, высокая плоская вершина кривой отражает тот факт, что протекающий клапан не полностью передает нагрузку жидкости на трубу — часть жидкости возвращается обратно через изношенный клапан, а не поднимается вверх потоком жидкости. Шток продолжает переносить часть нагрузки жидкости в нижнем ходе, вместо того чтобы полностью сбрасывать ее в верхней точке верхнего хода.
Большой зазор между плунжером и стволом, вызванный износом, который ухудшил посадку между наружным диаметром плунжера и каналом ствола, создает аналогичную картину по другому механизму: жидкость обходит сам плунжер (проскальзывание), а не вакуумный насос. Диагностическое различие между утечкой вакуумного насоса и проскальзыванием плунжера едва заметно на наземной карте, но более очевидно на карте работы насоса в скважине, рассчитанной на основе анализа волнового уравнения.
Реакция на признаки неисправности подвижного клапана зависит от серьезности проблемы и общего состояния насоса. Если на карте видны явные признаки ухудшения состояния подвижного клапана наряду со снижением производительности насоса, насос следует демонтировать, а узел подвижного клапана (шар, седло и сепаратор) заменить. Если в скважине используется сертифицированный по стандарту API насос со стандартными компонентами клапана, запасные части взаимозаменяемы по размерам у разных поставщиков, соответствующих спецификации API 11AX. Переход на шар и седло из карбида вольфрама в абразивных или коррозионных средах добываемой жидкости значительно увеличивает срок службы клапана по сравнению со стандартными компонентами из углеродистой стали.
Остановка клапана: восходящий поток вниз
Обратный клапан (SV) расположен в основании насосного узла. При движении вверх он открывается, чтобы впустить добываемую жидкость из затрубного пространства скважины. При движении вниз он закрывается, предотвращая возврат жидкости из ствола в затрубное пространство по мере повышения давления в стволе.
Если в стоячем клапане появляется утечка — из-за износа, мусора на седле или повреждения шарового седла — жидкость во время хода вниз течет обратно из цилиндра в кольцевое пространство, вместо того чтобы сжиматься и вытесняться через движущийся клапан. Этот обратный поток оказывает специфическое воздействие на нагрузку на полированный шток: по мере того, как жидкость выходит через протекающий стоячий клапан, вес жидкости, который должен оставаться на плунжере, постепенно уменьшается, и нагрузка на полированный шток фактически увеличивается во время хода вниз (поскольку шток принимает на себя нагрузку, которая в противном случае поддерживалась бы захваченным столбом жидкости).
Это создает характерную особенность карты: нагрузка возрастает во время движения вниз, а не остается приблизительно постоянной. Нижняя часть карты наклоняется вверх слева направо по мере движения вниз, вместо того чтобы сохранять почти горизонтальную нижнюю линию, как у обычного параллелограмма. Степень наклона вверх коррелирует с тяжестью утечки SV.
Вторичным следствием утечки через клапан является снижение объемной эффективности насоса — жидкость, поступающая при ходе вверх, частично возвращается в кольцевое пространство при ходе вниз, и чистое продвижение жидкости за один ход уменьшается. Снижение производительности в сочетании с восходящим наклоном кривой хода поршня вниз является диагностическим признаком, явно указывающим на неисправность клапана.
Стоячий клапан работает на входе насоса — в том месте насосного узла, которое наиболее подвержено воздействию песка, отложений и обломков скважины. Отложения на седле клапана, препятствующие полному закрытию, являются значительной частью проблем с работой стоячего клапана в скважинах с пескообразованием или образованием отложений. Специальные конструкции насосов для контроля пескообразования с боковой геометрией входа масла снижают вероятность накопления обломков на седле стоячего клапана за счет перемещения точки всасывания жидкости подальше от зоны осаждения в нижней части насосного узла.
Трение: Наклонная или искаженная карта
Трение между колонной штанг и стенкой обсадной трубы, вызванное отклонением скважины, искривлением отверстий, отложением парафина или контактом штанги и обсадной трубы при наклонных конструкциях, добавляет к полированной штанге компонент нагрузки, зависящий от направления: он противодействует направлению движения (сопротивляется подъему и опусканию).
Характерной чертой трения на карте является сдвиговое искажение формы параллелограмма: верхняя (восходящая) часть карты смещается в сторону большей нагрузки, чем обычно, а нижняя (нисходящая) часть — в сторону меньшей нагрузки, поскольку трение увеличивает нагрузку на восходящей части (противодействует движению вверх) и уменьшает нагрузку на нисходящей части (противодействует движению вниз). Карта выглядит как высокий, узкий параллелограмм, искаженный дополнительной асимметрией нагрузки.
Сильное трение — в скважинах со значительными отклонениями или обильными отложениями парафина — может привести к искажению формы карты до такой степени, что нормальные диагностические паттерны будут скрыты. Установление скорректированных по трению базовых линий для скважины с известными отклонениями или проблемами с парафином важно для точной интерпретации.
Механическая реакция на деформацию каретки, вызванную трением, заключается в установке централизаторов через соответствующие интервалы в колонне штанг для снижения контактного давления между штангой и трубой, или в программах обработки парафином для поддержания чистоты поверхностей штанг и труб от отложений. В наклонных скважинах расстояние между централизаторами и их конструкция — особенно геометрия с тремя криволинейными поверхностями, распределяющая контактную нагрузку по большей площади контакта — напрямую влияют на величину сил трения, возникающих в каретке.
Заправка насосом: показатель эффективности на карточке.
Коэффициент заполнения насоса — это отношение объема жидкости, фактически поступающей в цилиндр насоса при каждом ходе поршня, к теоретическому максимальному объему (полному объему, выдвинутому плунжером за весь ход поршня). Он выражается в процентах и является одним из наиболее полезных показателей, получаемых в результате анализа Dynacard.
На основе данных, полученных с помощью волнового уравнения для расчета параметров насоса в скважине, определяется степень заполнения насоса путем сравнения эффективной длины хода поршня (части общего хода, в течение которой фактически вытесняется жидкость) с теоретическим максимальным ходом поршня. Насос со 100% заполнением использует свою полную производительность; насос с 60% заполнением работает на 60% от своей номинальной производительности из-за неполного заполнения ствола скважины.
На процесс наполнения насоса влияют несколько факторов, действующих одновременно:
Скорость притока в скважину относительно производительности насоса: если насос за один ход перекачивает больше жидкости, чем может подать скважина, уровень заполнения снижается.
Газ в стволе насоса: Газ занимает объем ствола при каждом ходе поршня, уменьшая долю хода поршня, которая используется для перекачки жидкости.
Погружение на входе: Уровень жидкости над впускным отверстием насоса определяет давление, необходимое для проталкивания жидкости через запорный клапан. Меньшее погружение снижает движущую силу для заполнения бочки.
Состояние запорного клапана: Медленно открывающийся или частично засоренный запорный клапан уменьшает объем жидкости, поступающей в ствол при каждом ходе поршня.
Постоянное заполнение насоса ниже 70–75% без явной причины требует расследования. Конкретная форма карты, сопровождающая низкое заполнение — будь то помехи от газа, давление жидкости или аномалии клапанов — определяет необходимые корректирующие действия.
Мониторинг динамики заполнения одной и той же скважины с течением времени позволяет заблаговременно предупреждать об изменении условий в скважине. Постепенное снижение заполнения в течение нескольких недель без изменения частоты хода поршня или параметров работы скважины указывает на изменение притока в пласт, снижение уровня жидкости или прогрессирующий износ насоса — проблемы, которые лучше всего устранять на ранней стадии, а не когда они приводят к поломке.
От диагностики к действию: сопоставление карточных паттернов с решениями о выборе помпы.
Ценность динамической карты заключается не в диагностической метке, которую она выдает, а в конкретном действии, которое позволяет эта метка осуществить. Ниже приведена связь между каждой основной карточной моделью и решением, которое она должна принимать.
Загрязнение газом (закругленный верхний левый угол): Сравните данные по газонефтяному сопротивлению с текущими объемами добычи. Если уровень газа действительно повышен, устраните проблему на уровне насоса, применив противогазовую конструкцию, прежде чем считать снижение эффективности необратимым. В качестве первоочередной меры установите газовый анкер под впускным патрубком насоса. Если загрязнение газом сильное и постоянное, при следующей выемке штанги следует выбрать специализированный противогазовый насос.
Уровень жидкости при отключении насоса (с зазубренной или смятой картой): Немедленно внедрите контроллер отключения насоса, чтобы защитить колонну штанг от многократных ударных нагрузок. Оцените размер насоса в зависимости от текущего притока в скважину — если отключение насоса происходит постоянно, а не эпизодически, измените размер насоса в соответствии с устойчивым притоком. Снижение рабочего объема насоса для достижения постоянного полного заполнения ствола скважины более эффективно, чем периодическая работа большого насоса в циклах отключения.
Утечка через подвижный клапан (большой ход поршня вниз): Снимите насос при следующем запланированном извлечении штока. Замените шар, седло и сепаратор подвижного клапана. Если скважина добывает абразивную жидкость, замените компоненты клапана на компоненты из карбида вольфрама. Если на карте насоса указаны как износ клапана, так и увеличение зазора плунжера, замените плунжерный узел одновременно, а не выполняйте второе извлечение штока позже.
Утечка через стоячий клапан (восходящий/нисходящий ход): Снимите насос и осмотрите узел стоячего клапана. Проверьте наличие песка или мусора на седле, препятствующего полному закрытию — это часто устранимо, если обнаружить проблему до того, как будет повреждено само седло клапана. Если седло повреждено, замените узел стоячего клапана. Проверьте, не создает ли геометрия впускного отверстия насоса условия для накопления мусора, и подумайте, позволит ли конструкция с системой контроля песка снизить частоту повторения проблемы.
Трение (наклонная карта узкой формы): Проверьте размещение и состояние центратора в колонне штанг. Если в скважине наблюдается значительное отклонение, разработайте программу центрирования, соответствующую степени искривления и условиям эксплуатации. Пересмотрите программу обработки парафином, если скважина добывает воскообразную нефть.
Как качество насоса влияет на то, что вы видите на карточке, и на то, чего вы не видите.
Динамическая карта отражает не только условия эксплуатации, но и качество и точность изготовления самих компонентов насоса. Два насоса одинакового номинального диаметра и типа, установленные в одной и той же скважине, будут давать разные значения на динамической карте, если допуски при их изготовлении различаются.
Насос с точным зазором между плунжером и цилиндром, соответствующим спецификации API 11AX, формирует карту, на которой четко определена фаза подъема под действием нагрузки, а переходы нагрузки в момент срабатывания клапана резкие. Параллелограммная форма карты четкая, а диагностические признаки однозначны.
Насос с изношенной или неточно изготовленной посадкой плунжера и цилиндра образует полосу, где различие между фазами размывается из-за проскальзывания — жидкости, которая обходит плунжер при каждом ходе. Площадь полосы уменьшается не из-за проблем с состоянием скважины, а из-за работы самого насоса с отклонениями от допустимых параметров. Диагностические признаки изношенного или вышедшего из строя насоса могут имитировать признаки протекающего клапана, что затрудняет точную диагностику.
Именно поэтому качество изготовления насосов — сертификация API 11AX, проверка размеров и соответствие техническим характеристикам материалов — это не просто формальность при закупке. Оно напрямую влияет на диагностическую ясность динамической карты и достоверность выводов, сделанных на её основе. Насос, изготовленный в соответствии с проверенными допусками API 11AX, обеспечивает предсказуемую форму базовой карты, что позволяет отнести отклонения от базовой формы к условиям эксплуатации, а не к производственным отклонениям.
Для скважин, где условия залегания требуют специальных конструкций насосов — противогазовые клапаны, увеличенный контакт плунжера для контроля пескообразования, толстостенная конструкция ствола для обеспечения устойчивости в глубокой скважине — качество специальных компонентов оказывает такое же прямое влияние на четкость диагностики по карте. Толстостенный вставной насос RXB с проверенными компонентами из нержавеющей стали и износостойким покрытием обеспечивает более стабильную и понятную базовую карту на протяжении всего срока службы, чем стандартный насос, у которого проскальзывание, связанное с износом, начинает проявляться раньше в процессе работы.
В этом смысле динакарта также отражает качество изготовления насоса, а мониторинг изменения базового уровня карты в течение срока службы насоса дает прямую информацию об износе компонентов насоса в конкретных условиях скважины.
Распространенные ошибки в интерпретации данных Dynacard
Использование исключительно данных с поверхностной карты для количественного анализа в глубоких скважинах является распространенной практикой. В глубокой скважине поверхностная карта значительно искажается динамическими эффектами, воздействующими на штанги. Качественная диагностика — выявление основных проблем, таких как газовая пробка или сильное давление жидкости, — возможна с помощью поверхностной карты, но для количественного анализа заполнения насоса, точной оценки нагрузки жидкости и точного поведения клапанов необходима карта, содержащая волновое уравнение. Прямое использование размеров поверхностной карты для расчета заполнения насоса в глубокой скважине приводит к значительно неточным результатам.
Интерпретация одной карточки без базового уровня. Форма карточки имеет диагностическое значение только в контексте. Слегка закругленный верхний левый угол может быть нормой для скважины с повышенным газонефтяным отношением, если это был ее установленный базовый уровень. Та же форма карточки в скважине, которая ранее демонстрировала чистый параллелограмм, указывает на изменение условий эксплуатации, требующее исследования. Всегда сравнивайте с установленным базовым уровнем скважины, а не с идеализированной типовой карточкой.
Приписывать все уменьшение площади карты износу насоса. Уменьшение площади карты может быть вызвано газовыми помехами, условиями отключения насоса (снижением заполнения), неисправностью стоячего клапана, позволяющей жидкости возвращаться при движении вниз, неисправностью подвижного клапана, позволяющей жидкости обходить плунжер при движении вверх, а также фактическим увеличением зазора плунжера, связанным с износом. Эти условия требуют различных корректирующих действий. Различение этих условий по форме карты — вместо предположения, что все уменьшение площади карты означает износ насоса — является ключевым навыком интерпретации данных dynacard.
Нерегулярное ведение карточек на проблемных скважинах. Ежемесячный график ведения карточек на скважине, где известно о наличии газовых помех или выноса песка, недостаточен. Условия в таких скважинах меняются быстрее, чем позволяют отслеживать их с помощью ежемесячных интервалов. Для скважин с известными сложными условиями еженедельный или двухнедельный сбор карточек обеспечивает необходимую частоту данных для выявления ухудшающихся тенденций до того, как они приведут к аварии.
Игнорирование параметров нагрузки (PPRL, MPRL) и сосредоточение внимания только на форме карты. Диагностика формы карты позволяет определить состояние. Параметры нагрузки определяют, находится ли состояние в пределах безопасных эксплуатационных параметров. Карта, содержащая информацию о газовых помехах, с PPRL, приближающимся к номинальному значению для насосной установки, или MPRL, приближающимся к нулю (риск деформации штока), требует немедленного внимания, независимо от того, кажется ли сама газовая помеха умеренной. Оба параметра карты содержат важную информацию.
Часто задаваемые вопросы
В: Как часто следует запускать Dynacard на действующей скважине?
А: Для стабильных скважин, работающих в пределах нормальных параметров, разумным интервалом мониторинга является ежеквартальный мониторинг с помощью динамографической карты. Для скважин с известными сложными условиями — газовыми помехами, выносом песка, коррозионными жидкостями или историей отказов насосов — ежемесячные карты обеспечивают лучшую возможность раннего предупреждения. Сразу после любого изменения условий эксплуатации (замена насоса, регулировка частоты хода, капитальный ремонт) следует запустить мониторинговую карту для установления нового базового уровня. Некоторые автоматизированные контроллеры штанговых насосов генерируют непрерывные данные для мониторинга в режиме реального времени, что обеспечивает высочайший уровень мониторинга для критически важных скважин.
В: Может ли карта Dynacard точно подсказать, когда нужно отключить мой инсулиновый насос?
А: Да — при наличии соответствующего анализа. Анализ данных динамической карты во времени показывает прогресс состояния насоса: постепенное уменьшение площади карты указывает на снижение объемной эффективности; появление и увеличение признаков утечки клапана указывает на прогресс износа клапана; изменения резкости перехода нагрузки указывают на увеличение зазора плунжера. Решение о снятии насоса с эксплуатации должно приниматься на основании достижения трендом карты порогового значения — как правило, снижения уровня заполнения ниже 65–70% или появления признаков утечки клапана, приводящих к измеримым потерям производительности, — а не на основании фиксированного графика. Решения о снятии насоса с эксплуатации, основанные на данных карты, более точны и экономически эффективны, чем решения, принимаемые на основе календарных графиков.
В: Какой процент заполнения насоса считается нормальным, и что должно инициировать действие?
A: Заполнение насоса выше 80% обычно считается хорошей производительностью в большинстве случаев при различных условиях работы скважины. Заполнение в диапазоне 65–80% указывает на некоторую потерю эффективности, которую следует отслеживать, но не обязательно немедленно вмешиваться. Заполнение ниже 65% указывает на проблему, требующую расследования — будь то помехи от газа, снижение притока, износ насоса или проблемы с клапанами. Длительное заполнение ниже 50% представляет собой значительную потерю добычи и должно стать поводом для активного расследования и принятия корректирующих мер. Соответствующий пороговый уровень также зависит от тенденций: насос, уровень заполнения которого неуклонно снижается с 80% до 60% в течение двух месяцев, требует иного подхода, чем насос, который постоянно поддерживает уровень заполнения на уровне 70%.
В: Нужно ли специальное оборудование для создания карты Dynacard?
А: Современные портативные динамометры — это компактные, развертываемые в полевых условиях приборы, которые подключаются к полированному штоку и устью скважины с помощью стандартных механических интерфейсов. Сбор данных для одной карты занимает от одной до нескольких минут работы. Вычисление волнового уравнения выполняется программным обеспечением на ноутбуке или планшете, подключенном к прибору — для большинства скважин вычисление занимает секунды. Полный комплект — прибор, кабели и программное обеспечение для анализа — является стандартным полевым оборудованием для групп по оптимизации добычи. Некоторые автоматизированные контроллеры насосов включают в себя стационарно установленные датчики нагрузки и положения, которые генерируют непрерывные данные на карте без вмешательства полевой бригады.
В: Если моя карта выглядит нормально, но производительность снижается, что мне следует проверить?
А: Нормально выглядящая карта с падающей добычей — это диагностическая комбинация, указывающая не на сам насос, а на скважину или пласт. Снижение притока в скважину — уменьшение количества жидкости, доступной для насоса, — приводит к отключению откачки (в конечном итоге это проявляется в виде сплющенной карты или карты с избыточным давлением жидкости), если насос имеет избыточную мощность для сниженного притока. Однако если насос был уменьшен в размерах, чтобы соответствовать сниженному притоку, карта может выглядеть нормально, но при этом добывать меньше баррелей. Проверьте заполнение насоса (даже карта с нормальным видом может показать снижение заполнения при анализе волнового уравнения), убедитесь, что труба не пропускает жидкость обратно в скважину, подтвердите, что состояние скважины не изменилось, и сравните текущий приток с кривыми снижения производительности пласта. Нормально выглядящая карта с падающей добычей — это проблема пласта или скважины, а не проблема насоса.
Заключение
Карта динамометра представляет собой наиболее информативный диагностический выходной сигнал из всех доступных для данного устройства.насос с вакуумным насосомУстановка осуществляется на поверхности с помощью стандартного полевого оборудования без прерывания добычи. Каждый цикл хода оставляет свой след в форме карты, параметрах нагрузки и замкнутой площади — непрерывная запись того, что делает скважинный насос и насколько хорошо он это делает.
Понимание того, что показывает карта — четыре угла исправного параллелограмма, закругленный верхний левый угол газовых помех, резкий скачок уровня жидкости, высокая плоская вершина утечки подвижного клапана, восходящая нижняя часть отказа стоящего клапана — дает инженеру-технологу конкретную информацию, необходимую для диагностики неисправностей до того, как они перерастут в отказы, выбора корректирующих действий, точно соответствующих первопричине, и принятия решений о снятии штоков на основе измеренного состояния насоса, а не запланированных временных интервалов.
Диагностическая ценность динамической карты напрямую зависит от качества насоса, который её формирует. Насос, изготовленный в соответствии с проверенными размерными и материальными спецификациями API 11AX, формирует базовую карту, которая является предсказуемой и поддающейся интерпретации. Изменения по сравнению с этой базовой картой обусловлены условиями эксплуатации, а не производственными отклонениями. Специальные конструкции — противогазовые клапаны, конфигурации управления песком с длинным плунжером, толстостенные глубоководные стволы, компоненты потока из нержавеющей стали — решают конкретные проблемы, которые проявляются на карте как хронические явления, устраняя повторяющиеся симптомы, а не управляя ими цикл за циклом.
Прозрачность диагностики системы штангового насоса — возможность понимать, что происходит в насосе, на основе измерений, проводимых на поверхности, — является одним из ее наиболее значительных эксплуатационных преимуществ по сравнению с другими методами искусственного подъема нефти. Динамическая карта — это инструмент, который делает эту прозрачность доступной. Систематическое использование карты, отслеживание динамики во времени и принятие мер на основе полученных данных являются основой эффективного и проактивного управления добычей с помощью штанговых насосов.