Расчет оборудования при штанговой глубинно-насосной эксплуатации скважин

«РАСЧЕТ ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ ШТАНГОВОЙ ГЛУБИННО-НАСОСНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ СКВАЖИН»

Содержание

Введение

1. Описание установки ШГНУ

2. Расчеты

2.1 Определение нагрузок на головку балансира станка-качалки

2.2 Определение длины хода плунжера штангового насоса

2.3 Расчет прочности колонны штанг

2.4 Расчет производительности и определение коэффициента подачи ШГНУ

Список используемой литературы

1. Исходные данные

Варианты заданий параметров оборудования скважин

Номер варианта	Dт, мм	Dпл, мм	dшт, мм	L, м	S, м	hд, м	n, мин-1	сж, кг/м3	Рс, кН	pб, МПа	н, см2/с
1	60	32	16/19	1500	1,8	1420	12	810	1	0,5	0,09
2	73	38	19/22	1600	2,1	1550	9	820	2	0,6	0,08
3	89	43	22	1400	2,5	1370	10	830	3	0,7	0,1
4	102	56	25/19	1100	2,1	1050	15	840	4	0,8	0,11
5	114	68	25	900	3,0	880	12	850	5	1,0	0,12
6	60	38	16	1300	2,1	1260	9	860	2	1,1	0,1
7	73	43	19/22	1350	2,5	1300	5	870	3	1,2	0,09
8	89	56	22/19	1000	3,0	960	9	880	4	1,3	0,02
9	102	68	25	700	3,5	670	12	890	5	1,4	0,03
10	114	93	25	800	3,5	750	12	900	6	1,5	0,01
11	60	28	16	1700	1,8	1600	15	850	1	0,4	0,02
12	73	32	16	1600	2,1	1550	15	830	3	0,5	0,03
13	89	38	19/16	1500	2,5	1440	12	840	2	0,6	0,04
14	102	43	22/19	1300	3,0	1280	15	850	5	0,7	0,05
15	114	56	22	1100	2,5	1060	9	880	4	0,8	0,06
16	60	32	16	1400	2,1	1340	6	820	4	1,7	0,07
17	73	56	19	1020	2,5	1000	12	840	5	0,9	0,08
18	89	32	16/19	1550	2,5	1500	9	860	6	0,8	0,10
19	102	38	19/22	1450	3,0	1400	15	880	7	0,7	0,11
20	114	43	22	1350	3,5	1300	12	900	6	1,1	0,12
21	60	38	19	1400	1,8	1350	15	850	5	0,8	0,1
22	73	43	19	1300	2,1	1260	12	860	7	0,9	0,11
23	89	56	22	1050	2,5	1000	12	870	3	1,1	0,13
24	102	68	22/25	850	3,5	800	9	880	4	1,2	0,12
25	114	93	25	700	3,5	650	12	890	7	1,3	0,13

2. Расчёты

2.1 Определение нагрузок на головку балансира станка-качалки

Определение нагрузок производится по различным теориям, которые, в основном, делятся на две группы: статические и динамические. Согласно исследованиям А. Н. Адонина граница между статическим и динамическим режимами откачки находится в интервале (переходная зона) параметра Коши:

, (2.1)

где а - скорость звука в штангах, - угловая скорость, 1/с.

Для одноразмерной колонны а = 4600 м/с, для двухступенчатой а = 4900 м/с; для трехступенчатой а = 5300 м/с. В настоящее время применяют в основном режимы при м ? 0,5. При м > 0,7 многие формулы просто неприемлемы из-за больших резонансных усилий.

Максимальная нагрузка по статической теории (формула Муравьева И. М.):

, (2.2)

где Р_ж - вес столба жидкости над плунжером, высотой, равной h_д, с учетом буферного давления р_б,

, (2.3)

b - коэффициент облегчения штанг в жидкости,

 , (2.4)

с_ш = 7850 кг/м³ - плотность штанги (стали),

m - фактор динамичности,

, (2.5)

где S_A - длина хода точки подвеса штанг; n - число качаний в минуту.

Вес штанг в воздухе

,

где q- масса 1п.м штанги. Минимальная нагрузка будет, очевидно, при начале хода штанг вниз, когда вес жидкости не действует на штанги, а динамический фактор вычитается:

. (2.6)

2.2 Определение длины хода плунжера штангового насоса

Длина хода плунжера с учетом действия статических сил определяется:

, (2.7)

где S_А - длина хода точки подвеса штанг (полированного штока); л - сумма статических деформаций; л_ш - деформация штанг под действием перепада давления над и под плунжером при ходе вверх,

, (2.8)

Здесь ДР_ж - вес столба жидкости над плунжером,

, (2.9)

где F - площадь проходного сечения цилиндра; р_ст - давление столба жидкости над плунжером; р_б - буферное давление в выкидной линии; р_г - потери давления, обусловленного сопротивлением потоку жидкости в трубах; р_с - давление под плунжером, определяемое глубиной погружения насоса под динамический уровень и сопротивлением потоку жидкости в клапанах насоса и в фильтре,

р_с = р_д - р_кл; Е_ш

- модуль упругости материала штанг; L - глубина подвески насоса; f_ш - площадь поперечного сечения штанг.

Деформация труб при ходе штанг вниз

, (2.10)

где ДР_ж - вес столба жидкости над плунжером; Е_т - модуль упругости материала труб; f_т - площадь поперечного сечения труб (по металлу).

При ходе штанг вниз на них действует осевая сила, направленная вверх Р_с. Эта сила вызвана сопротивлением потоку жидкости в нагнетательном клапане и трением плунжера о цилиндр. Сила Р_с вызывает сжатие и продольный изгиб нижней части колонны штанг.

Если эти силы не уравновешиваются утяжеленным низом штанг, то соответствующая деформация, уменьшающая длину хода плунжера, будет

, (2.11)

, (2.12)

где L_сж = Р_с /q_ш - длина сжатой части колонны; R_с - радиус спирали, по которой изогнута сжатая часть колонны,

, (2.13)

d _т - внутренний диаметр труб; d_ш - диаметр штанг; - момент инерции поперечного сечения штанг; q_ш - вес 1 м длины штанг в жидкости.

Если осевая сила Р_с < 10 кН, то можно использовать более простую формулу А. Лубинского для определения л_из:

, (2.14)

2.3 Расчет прочности колонны штанг

Для определения напряжений, возникающих в штангах, необходимо найти наибольшие нагрузки за цикл хода вверх и вниз. При динамическом или переходном режиме работы эти нагрузки определяются по формулам (2.7) и (2.8). Затем находят наибольшее напряжение цикла (у_max), амплитуду напряжений цикла (у_a) и приведенное напряжение

у_пр = (у_max у_a)^0,5 .

При статическом режиме работы установки применяют упрощенные формулы [24]. При их выводе радиальными и окружными напряжениями в штангах, пренебрегают:

, (2.15)

где а₀ - опытный коэффициент, имеющий размерность удельного веса и учитывающий плотность жидкости, силы трения и другие факторы, не поддающиеся аналитическому расчету. Его принимают равным 11500 Н/м³; х - расстояние от рассчитываемого сечения штанг до плунжера; D_пл - диаметр плунжера; d_шт - диаметр штанг; Др - перепад давления над плунжером; с_ж - плотность жидкости; щ = р·n / 30 - угловая скорость вращения кривошипа; m_ср - средний кинематический показатель совершенства СК,

.

Кинематический показатель при ходе вверх (m_хв) или вниз (m_хн) равен отношению максимального ускорения точки подвеса штанг к его значению при гармоничном движений этой точки, т. е. по элементарной теории

,

где в₁⁰ - угол между балансиром и шатуном при крайнем верхнем положении заднего плеча балансира; r - радиус кривошипа; L_ш - длина шатуна. По формуле А. С. Аливердизаде

, (2.16)

где k - заднее плечо балансира. Среднее напряжение в штангах

, (2.17)

где с_ш - плотность материала штанг.

Зависимость для среднего напряжения цикла, окружное и радиальное напряжения в штангах, динамические силы, обусловленные движением жидкости, были уточнены [24]. Последние учитывают коэффициентом а'₀, равным 1.15. В результате зависимость принимает следующий вид:

для одноступенчатой колонны

, (2.18)

для ступенчатой колонны штанг можно получить

; (2.19)

, (2.20)

где УР_шi - вес i-той секции колонны штанг с учетом ниже расположенных секций, f_xi - площадь поперечного сечения i-той секции штанг.

При применении ступенчатой колонны штанг длины ступеней подбирают так, чтобы наибольшие значения у_пр для верхних секций ступеней были одинаковы, т. е.

.

2.4 Расчет производительности и определение коэффициента подачи ШГНУ

Формула производительности по элементарной теории

, (2.21)

где F - площадь поперечного сечения плунжера; n - число двойных ходов в мин; S_А - длина хода точки подвеса штанг; л_шт, л_тр - удлинение насосных штанг и труб от веса столба жидкости,

, (2.22)

где - вес столба жидкости над плунжером; L - глубина подвески насоса; E = 2,1·10¹¹ Н/м² - модуль упругости стали.

Последний член формулы (2.15) учитывает увеличение длины хода плунжера за счет инерционных сил - д_и:

Учитывая массу муфт штанг,

Коэффициент подачи ШГНУ

, (2.23)

Практический расчет

Задача №1

Определить максимальную и минимальную нагрузку на головку балансира по следующим данным: глубина подвески насоса L=1400м, динамический уровень h_д=1350м, D_пл=38мм, D_тр=60мм, диаметры штанг: d_ш=19мм, плотность жидкости с_ж=850кг/м³, станок-качалка СК-12-2,5-4000.

Решение:

По формуле (2.1) определим параметр Коши, а = 4600м/с; щ=1.6

1. Статическая теория, формулы (2.2), (2.6).

По формуле (2.3) определим Р_ж, учитывая, что Р_б =0:

(Н);

Коэффициент облегчения штанг в жидкости,

.

Фактор динамичности,

.

Вес штанг в воздухе,

(Н);

(Н);

(Н);

Задача №2

Определить длину хода плунжера по статической теории.

Дано: диаметр плунжера D_пл=38мм, диаметр насосных штанг d_ш=19мм, диаметр НКТ D_т=60х5мм, глубина спуска насоса L=1400м, длина хода сальникового штока S=1,8м, динамический уровень h_д=1350м, число качаний в минуту n=15, плотность жидкости с_ж=850кг/м³, сила сопротивления движению плунжера P_с=5кН, буферное давление в выкидной линии - 0,8МПа, кинематическая вязкость нефти v=0,1см²/с при 80^оС.

Решение:

Давление столба жидкости над плунжером

Потери давления за счет сопротивления потоку жидкости в трубах определим по соотношению

где средняя скорость в подъемных трубах

Число Рейнольдса

, следовательно, режим ламинарный.

Коэффициент гидравлического сопротивления

;

При турбулентном режиме течения жидкости в трубах число Рейнольдса

Re ?2300

Тогда

Давление под плунжером

Вес столба жидкости над плунжером по формуле (2.9)

Удлинение штанг по формуле (2.8)

Где площадь поперечного сечения штанг

(м²).

Удлинение труб при ходе штанг вниз по формуле (2.10)

где .

Деформация штанг за счет силы сопротивления при ходе штанг вниз по формуле (2.14)

Предварительно определим:

Осевой момент инерции для штанг

Тогда

Длина хода плунжера при действии статических сил

Задача №3

Выбрать и рассчитать на прочность одноступенчатую колонну штанг для СК-6-2,1-2500.

Дано: D_пл=38мм; глубина спуска насоса -1400м; динамический уровень - 1350м; плотность жидкости с_ж=850кг/м³; буферное давление р_б=0,8МПа.

Решение. Выберем предварительно штанги диаметром 19 мм и определим параметр Коши:

.

Режим статический.

Определим перепад давления над плунжером из формулы :

.

Полагая, что гидравлическое сопротивление движению жидкости в трубах мало, .

Найдем статическое давление над плунжером:

Давление под плунжером

Перепад давления над плунжером

Кинематический показатель совершенства

;

Амплитуда напряжения цикла по формуле(2.35)

Среднее напряжение в штангах по формуле (2.17)

по формуле (2.18)

Максимальное напряжение

Приведенное напряжение

Допустимы штанги из ст.40 =120 МПа.

Нормализация с поверхностным упрочнением ТВЧ =320 МПа.

Задача № 4

Определить производительность и коэффициент подачи ШГНУ по следующим данным: глубина спуска насоса L=1400м; диаметр насоса D_пл=38мм; диаметр штанг - d_шт=19мм; D_тр=60мм; плотность жидкости с_ж=850кг/м³; длина хода точки подвеса штанг S_А=1,8м; число качаний n=15 мин^-1.

Решение:

1. Определим производительность по теории А. М. Юрчука (формула(2.21))

Предварительно определим:

2. Определим коэффициент подачи:

Коэффициент подачи по формуле (2.23)

;

с учетом вязкости жидкости

с учетом силы сопротивления

Список рекомендуемой литературы

1. Антонова Е.О., Крылов Г.В., Прохоров А.Д., Основы нефтегазового дела: -М.: 2003.-307с.

2. Ивановский В.Н. и др. Оборудование для добычи нефти и газа. -- М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2002.

3. Коршак А.А., Шаммазов А.М. Основы нефтегазового дела: Учебник.-2-е изд., доп, и испр. -Уфа: Дизайн ПолиграфСервис, 2002.-544с.

4. Мищенко И.Т. Скважинная добыча нефти. Учебное пособие для вузов. -- М.: ФГУП Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, 2003.

5. Молчанов Г.В., Молчанов А.Г. Машины. Буровое оборудование. Справочник в 2-х томах. /Абубакиров В.Ф., Архангельский В.Л. и др./ -- М.: Недра, 2000.

6. Снарев А.И. Расчеты машин и оборудования для добычи нефти и газа: Учебное пособие . -2-е изд., доп. - Самара: СГТУ, 2001 г. -127с.