Расчёт экстремальных нагрузок, действующих на колонну штанг

Расчёт максимальной нагрузки можно провести по формуле И.М. Муравьёва

P_max = P_ж + Р_шт · (К_apx + S_пл n²/1440). (9)

Расчёт минимальной нагрузки проводим по следующей формуле:

Р_min = P_шт (K_apx – S_пл·n²/2400), (10)

где Р_ж – гидростатическая нагрузка на плунжер насоса от веса столба жидкости (смеси) в НКТ, кН.

Р_ж = (Р_вых – Р_пн) · F_пл, (11)

Р_вых – давление на выходе из насоса (давление на выкиде), Па; Р_пн – давление у приёма насоса, Па; Р_шт – вес колонны штанг в воздухе,

Р_шт = Н_н(Sq_{шт i} ·E_i), (12)

q_{шт i} –вес одного метра штанг с муфтами в воздухе (табл. 3), Н; Е_i – доля штанг данного размера в ступенчатой колонне, доли единицы; К_apx – коэффициент, учитывающий потерю веса штанг, помещенных в жидкость

К_apx = (r_шт – r_ж)/r_шт, (13)

где r_шт и r_ж – соответственно, плотность материала (r_шт = 7850 кг/м³) и жидкости.

Таблица 3 – Весовые характеристики штанг с муфтами

Диаметр штанг, мм
Вес одного метра штанг с муфтами в воздухе, Н	9,1	16,3	23,0	30,8	40,1	51,5

3. 5. РАСЧЁТ НАПРЯЖЕНИЙ В ШТАНГАХ

При нормальной работе насосной установки наибольшие напряжения действуют в точке подвеса штанг. Различают следующие напряжения:

– максимальное напряжение цикла:

s_max = Р_max/f_шт, (14)

где f_шт – площадь поперечного сечения штанг в точке подвеса, м².

– минимальное напряжение цикла:

s_min = P_min/f_шт. (15)

– амплитудное напряжение цикла:

s_а = (s_max – s_min)/2. (16)

– приведённое напряжение цикла:

s_пр = (s_max · s_а)^1/2. (17)

В каждом конкретном случае необходимо рассчитать приведённое напряжение цикла и сравнить его с допускаемым приведённым напряжением [s_пр] для различного материала штанг (приложения А – Ж).

Колонна штанг считается правильно выбранной, если

s_пр ≤ [s_пр]. (18)

3. 6. РАСЧЁТ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА НА ВАЛУ РЕДУКТОРА И УТОЧНЕНИЕ ВЫБОРА ТИПОРАЗМЕРА СТАНКА-КАЧАЛКИ

Максимальный крутящий момент (в Н·м) на кривошипном валу редуктора станка-качалки вычисляем по формуле Р.А. Рамазанова [2]

М_{кр max} = 1,2 [300 · S + 0,236 · S · (Р_max – P_min)], (19)

где S – длина хода полированного штока, м; 1,2 – коэффициент запаса (20%).

По полученным величинам крутящего момента на выходном валу выбираем из табл. 4 редуктора для станков-качалок.

Таблица 4 – Техническая характеристика редукторов

Редуктор	Ц2НШ-315	Ц2НШ-450	Ц2НШ-750Б	Ц2НШ-560
Крутящий момент на ведомом валу редуктора, кН·м	6,3
Межосевое расстояние тихоходной ступени, мм

 

По расчетным характеристикам P_max, М_{кр max}, S и n окончательно выбираем согласно приложению З базовый и модифицированный типы станка-качалки.

3. 7. ВЫБОР ОСТАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ УСШН

Подвески устьевого штока предназначены для соединения устьевого штока с приводом штангового скважинного насоса, они выпускаются трёх типоразмеров (табл. 5).

Таблица 5 – Типоразмеры подвесок устьевого штока

Типоразмер	ПСШ-3	ПСШ-6	ПСШ-15
Наибольшая допустимая нагрузка, кН
Диаметр устьевого штока, мм

Штоки сальниковые устьевые предназначены для соединения колонны насосных штанг с канатной подвеской станка-качалки. Они выпускаются трёх типов (табл. 6).

Таблица 6 – Типоразмеры штоков сальниковых устьевых

Типоразмер	ШСУ 31-2600	ШСУ 31-4600	ШСУ 36-5600
Наибольшая нагрузка на шток, кН
Диаметр штока, мм
Длина штока, мм

 

Сальники устьевые предназначены для уплотнения сальникового штока, они бывают двух типов СУС1А-73-31 и СУС2А-73-31, соответственно обозначающие сальники устьевые с самоустанавливающейся головкой с одинарным и двойным уплотнением (табл. 7).

Таблица 7 – Типоразмеры сальников устьевых

Типоразмер	СУС1А-73-31	СУС2А-73-31
Диаметр штока, мм
Присоединительная резьба НКТ, мм
Рабочее давление, МПа

 

По результатам расчета приводят окончательный перечень выбранного по каждому варианту оборудования и подготавливают спецификацию для его заказа.

После выбора всего комплекта оборудования следует изобразить всю установку скважинного штангового насоса в виде подробного эскиза и спецификации с указанием шифров и типоразмеров всех элементов установки для всех вариантов выбранного оборудования (приложение И).

3. 8. ПРИМЕР ВЫБОРА ШТАНГОВОЙ НАСОСНОЙ УСТАНОВКИ

Выбрать компоновку УСШН для следующих условий:

глубина скважины L_с = 1677 м; забойное давление Р_заб = 13,3 МПа; ожидаемый дебит нефти Q_нд = 10 м³/сут; обводнённость продукции В = 0,75; давление насыщения Р_нас = 9,2 МПа; давление на устье Р_у = 1,5 МПа; объёмный коэффициент нефти b_н = 1,16; динамический уровень Н_д = 570 м; плотность жидкости r_ж = 1016 кг/м³.

Для соответствующих исходных данных рассчитывается распределение давления в скважине (рис. 4, линия 1) и в колонне НКТ (рис. 4, линия 2).

Рассчитаем давление у приёма насоса Р_пн

Р_пн = 0,5 + 0,3 · 9,2 (1 – 0,75) = 1,2 МПа.

Рисунок 4 – Кривые распределения давления

По рассчитанному давлению Р_пн на приёме насоса определяем (рис. 4) глубину спуска насоса Н_н = 640 м.

Прежде чем рассчитать дебит скважины при Р_пн, вычисляем объемный коэффициент нефти при Р_пн по (4):

b_н(Р_пн) = 1 + (1,16 – 1) · ((1,2 – 0,1)/(9,2 – 0,1))^0,25 = 1,094,

По формуле (3) рассчитываем объемный коэффициент жидкости

b_ж(Р_пн) = 1,094(1 – 0,75) + 1 · 0,75 = 1,023,

а затем по формуле (2) – дебит скважины по жидкости в условиях приема

Q_ж (Р_пн) = 10 · 1,023/(1 – 0,75) = 41 м³/сут.

Рассчитываем высоту подъема продукции L по (5):

L = 640 – 102(1,2 – 1,5) = 691 м.

По рис. 4 определяем давление на выходе из насоса Р_вых = 9,1 МПа.

По диаграммам А. Н. Адонина (рис. 2, 3) выбираем диаметр скважинного насоса D_пл и типоразмер станков-качалок.

Для полученных данных Q_ж = 41 м³/сут и L = 691 м выбираем:

– для базовых станков-качалок по рис. 2 D_пл = 55 мм и 5СК6-1,5-1600;

– для модифицированных станков-качалок по рис. 3 D_пл = 43 мм и 5СК4-2,1-1600.

По табл. 2 выбираем насос НН1С: при диаметре насоса 55 мм условный диаметр НКТ 73 мм, при диаметре насоса 43 мм условный диаметр НКТ 60 мм.

Далее расчет ведем для диаметра плунжера насоса D_пл = 55 мм (для D_пл = 43 мм расчет аналогичен).

Рассчитываем подачу насоса по формуле (6)

Q_нас = 41/(86400 · 0,725) = 0,000655 м³/с.

Прежде чем определить требуемую скорость откачки, рассчитаем площадь поперечного сечения плунжера

F_пл = 3,14 · 0,055²/4 = 0,0024 м².

Тогда требуемая скорость откачки составит

S_пл · N_c = 0,000655/0,0024 = 0,276 м/с = 22,5 м/мин.

В соответствии с решением задачи 3.1 для 5СК6-1,5-1600 выбираем максимальную длину хода S = 1,5 м.

Тогда N_c = 0,276/1,5 = 0,184 с^-1 или

n = N_c · 60 = 0,184 · 60 = 11,04 кач/мин.

В соответствии с приложением Б можно использовать одноступенчатую колонну штанг диаметром 19 мм (штанги из углеродистой стали, нормализованные при [s] = 70 МПа).

Коэффициент, учитывающий потерю веса штанг

К_apx = (7850 – 1016)/7850 = 0,87.

Вес колонны штанг в воздухе

Р_шт = 640 · 23 = 14720 (Н) = 14,72 кН.

Гидростатическая нагрузка на плунжер насоса от веса столба жидкости

Р_ж = (9,1 – 1,2) · 10⁶ · 0,0024 = 18960 Н = 18,96 кН.

Максимальная нагрузка

Р_max = 18,96 + 14,72 · (0,87 + 1,5 · (11,04)²/1440) = 33,6 кН,

минимальная нагрузка по (10)

Р_min = 14,72 · (0,87 + 1,5 · (11,04)²/2400) = 13,9 кН.

Максимальное напряжение цикла

s_max = 33600/0,00028 = 118566614 Н/м² = 118,6 МПа.

Минимальное напряжение цикла

s_min = 13900/0,00028 = 49049879 Н/м² = 49,05 МПа.

По формуле (16) вычисляем амплитудное напряжение цикла

s_а = (118,6 – 49,05)/2 = 34,775 МПа.

По формуле (17) вычисляем приведённое напряжение цикла

s_пр = (118,6 · 34,775)^1/2 = 64,2 МПа.

Так как допускаемое приведённое напряжение цикла для принятой колонны штанг из углеродистой стали, нормализованной при [s] = 70 МПа, а расчетное s_пр = 64,2 МПа, то выполняется условие (18)

64,2 МПа < 70 МПа

Колонна штанг по прочности выбрана правильно.

Максимальный крутящий момент на кривошипном валу редуктора станка-качалки

М_{кр max} = 1,2 · (300 · 1,5 + 0,236 · 1,5 · (33600 – 13900)) = 8908,6 Н·м.

По полученной величине крутящего момента на выходном валу выбираем по табл. 4 редуктор для станка-качалки – Ц2НШ-450, имеющий номинальный крутящий момент на ведомом валу редуктора 25 кН·м и 450 мм межосевое расстояние тихоходной ступени.

Как показали результаты расчёта, требуется УСШН со следующими характеристиками:

– максимальная нагрузка Р_max = 33,6 кН;

– максимальный крутящий момент на кривошипном валу редуктора станка-качалки М_{кр max} =8,91 кН·м;

– принятая длина хода плунжера S_пл = 1,5 м;

– число ходов балансира в минуту n = 11,04 кач/мин.

Соответственно паспортные характеристики станка-качалки 5СК6-1,5-1600 по приложению З следующие:

– максимальная нагрузка Р_max = 60 кН;

– номинальная длина хода точки подвеса штанг S_ш = 1,5 м;

– наибольший крутящий момент на валу редуктора М_кр = 16 кН·м;

– число ходов балансира в минуту n = 5 – 15 кач/мин.

Таким образом, все расчётные параметры меньше или равны паспортным и можно утверждать, что станок-качалка выбран правильно.

По максимальной нагрузке Р_max = 33,6 кН из табл. 5 принимаем подвеску устьевого штока типоразмера ПСШ-6.

Для максимальной нагрузки 33,6 кН, диаметра штока 31 мм при длине хода 1,5 м из табл. 6 выбираем шток сальниковый устьевой ШСУ 31-2600. Из табл. 7 выбираем сальник устьевой СУС1А-73-31.

Спецификация для заказа оборудования установки скважинных штанговых насосов.

Базовый станок-качалка 5СК6-1,5-1600

– максимальная нагрузка в точке подвеса штанг Р_max = 60 кН;

– номинальная длина хода точки подвеса штанг S = 1,5 м;

– наибольший крутящий момент на валу редуктора М_кр = 16 кН·м.

Скважинный штанговый невставной насос с захватным штоком и с составным цилиндром НН1С –55 -9-12:

– условный диаметр плунжера D_пл = 55 мм;

– идеальная подача при 10 двойных ходах в минуту Q₁₀ = 33 м³/сут;

– наибольшая длина хода плунжера S_пл = 900 мм;

– напор Н = 1200 м;

– условный диаметр НКТ D_нкт = 73 мм.

Штанги насосные ШН19 с одноступенчатой конструкцией колонны.

Подвеска устьевого штока ПСШ-6.

Шток сальниковый устьевой ШСУ 31-2600.

Сальник устьевой с самоустанавливающейся головкой с одинарным уплотнением СУС1А-73-31.

После составления спецификации установки скважинного штангового насоса делается эскиз с нанесением всех шифров оборудования.

Аналогично делается расчет для модифицированного станка-качалки 5СК4-2,1-1600.

 

 

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ