Выбор оборудования ШГНУ и определение параметров работы насоса

Графический метод основан на применении диаграмм А. Н. Адонина [24]. При его применении необходимо знать дебит скважины Q в м³/сут и глубину спуска насоса L в м. Типоразмер станка-качалки и диаметр плунжера насоса определяют непосредственно по диаграмме А. Н. Адонина в точке пересечения проекций дебита и глубины спуска насоса. Тип насоса определяют в зависимости от глубины спуска и параметров добываемой жидкости. При глубинах спуска более 1200 м и наличии в жидкости значительного количества абразивных частиц (более 1,5 г/л) следует применять вставные насосы.

При выборе диаметра насосных труб следует учитывать тип и размер насоса. При использовании вставных насосов превышение диаметра НКТ над диаметром плунжера сортавляет 28 - 32 мм (табл. 2.12 [17]). При применении же невставных (трубных) насосов такое превышение не должно составлять более 14 - 18 мм (табл. 2.17 [17]).

Диаметр насосных штанг и группу прочности стали выбирают по табл. 2.1, 2.2, 2,3 с последующей проверкой расчетом на приведенное напряжение. При глубинах подвески более 1200 м следует применять ступенчатые колонны штанг. При двухступенчатой колонне углеродистых штанг (сталь 40У) ориентировочно можно принять, что процентная длина штанг верхней ступени равна диаметру плунжера в мм [27].

Для приближенного определения режимных параметров работы насоса следует принять максимальную длину хода точки подвеса штанг для выбранного станка-качалки и найти необходимое число качаний по зависимости [19]:

, (4.1)

где nmax - максимальное число качаний по характеристике станка-качалки; Qф - фактический дебит скважины; Qmax - максимальная производительность насоса при работе на максимальных параметрах (находят по диаграмме А. Н. Адонина).

Для более точного определения режимных параметров работы насоса применяют аналитические методы.

Первый метод был разработан Муравьевым И. М. и Крыловым А. П. и развит Оркиным К. Г. [19]. Он состоит в определении для принятого станка-качалки диаметра плунжера D, длины хода полированного штока S и числа качений n. (В дальнейшем тип станка-качалки может быть скорректирован после определения D, S, n и величины нагрузки на головку балансира.)

Таблица. 4.1

Рекомендуемые глубины спуска на углеродистых штангах

(σкр = 70 МПа)

*Длины штанг, отмеченные звездочками, можно применять только в виде опыта с последующими расчетами.

Таблица 4.2

Рекомендуемые глубины спуска насосов на штангах

из нормализованной стали 20 х Н (σпр = 90 МПа)

*Длины штанг можно применять только в виде опыта с последующими расчетами.

Таблица 4.3

Рекомендуемые глубины спуска насосов на штангах

из сорбитизированной стали 15НМ (σпр = 110 МПа)

При выборе оптимального режима работы насоса исходят из условия получения минимальных напряжений в штангах, а, следовательно, и минимальной нагрузки на головку балансира с последующей проверкой прочности штанг на разрыв и выносливость.

Для получения минимума напряжений в штангах основные параметры работы насоса (при коэффициенте подачи η = 0,7 и плотности нефти ρ = 900 кг/м³) находятся между собой в следующей зависимости:

; (4.2)

, (4.3)

где qср - средняя масса 1 п. м двухступенчатых штанг.

Для выбора оптимального режима сначала задаются рядом возможных значений S для принятого типа станка-качалки и находят по формуле (4.2) соответствующие им значения n.

Далее для принятых значений S и полученных значений n определяют площадь сечения плунжера из формулы производительности насоса, см²:

, (4.4)

где Q - производительность насоса, м³/сут; S - длина хода сальникового штока, м.

Отсюда

.

Затем задаются стандартными значениями n, определяют по формуле (4.3) соответствующие им значения Fпл, а из формулы (4.4) определяют S.

Для всех режимов, при которых S и n входят в приемлемую область работы станка-качалки, определяют нагрузку на головку балансира.

Максимальная нагрузка по статической теории [27]:

, (4.5)

где L - глубина спуска насоса, м; b = (ρш - ρж) / ρш - коэффициент облегчения штанг в жидкости; ρш, ρж - плотность материала штанг и жидкости соответственно; S·n² / 1440 - фактор инерционных нагрузок; g - ускорение свободного падения. Минимальная нагрузка при начале хода штанг вниз

. (4.6)

Затем выбирают режим, при котором нагрузка на головку балансира Рmax будет наименьшая, и определяют максимальное и минимальное напряжения в штангах:

; (4.7)

где fш - площадь поперечного сечения штанг.

Для выбора материала штанг определяют σпр [24]:

, (4.8)

где - амплитудное значение напряжения в

асимметричном цикле.

По табл. 4.4 выбирают соответствующий материал для штанг, так чтобы

.

Таблица 4.4

Механические характеристики материала штанг

Затем определяют коэффициент запаса прочности штанг:

, (4.9)

σт - предел текучести материала штанг.

Полученные расчетным путем параметры D и n могут оказаться нестандартными. Поэтому при заданном дебите определяют число качаний, которое надо иметь при использовании стандартного диаметра плунжера [27]:

, (4.10)

где nр - расчетное число качаний; Dр - расчетный диаметр плунжера; Dст - стандартный диаметр плунжера.

Если n получается нестандартное, следует выбрать ближайший стандартный или изготовить шкив для электродвигателя необходимого диаметра:

, (4.11)

где n - число качаний в мин; dp - диаметр шкива редуктора; i - передаточное число редуктора; nэл - частота вращения вала электродвигателя, мин^-1.