1202
.pdfРастягивающие нагрузки, вызывающие напряжения в опасном сечении, равные пределу текучести материала, определяются по формуле
G = |
4 ) о „ к , |
(V. 12) |
где — диаметр трубы по впадине нарезки в корне первого витка, см; d2 — внутренний диаметр трубы, см; отек — предел текучести материала труб группы прочности Д, сттек = 372 МПа.
По формуле (V.12) предельные нагрузки равны: для 60-мм труб
(5,742 - 5,032) - 10-4•372- 10е = 223-103 Н;
для 73-мм труб |
|
|
G2 = |
(7,012 - 6,22)-10"4-372- 10е = |
31 3 -103 Н; |
для 89-мм труб |
|
|
G3 |
(8,62 — 7,592) -10-4 •372 •10° = |
477 103 Н. |
Длину каждой ступени насосно-компрессорных труб по усло виям прочности на разрыв определим по формулам:
W= |
GJaqi, |
(V.13) |
12 = |
{G2 — G1)/aq2\ |
(V. 14) |
13 = |
{G3 — G2)/aq3. |
(V .l 5) |
Здесь a — коэффициент запаса по отношению к пределу теку чести материала, принимаем его равным 1,5; q — вес 1 м длины труб с муфтами, Н/м; qt — 68,7 Н/м, q2 = 94,2 Н/м и q3 = 134 Н/м (см. прил. 3).
Длина 60-мм труб по формуле (V.13)
/1 = 223-1071,5-68,7 = 2170 м.
Длина 70-мм труб по формуле (V.14)
/2 = (313 — 223) 1071,5-94,2 = 637 м.
Длина 89-мм труб по формуле (V.15)
(477 — 313) юз
г
= 816 м.
1,5-134
Общая максимальная глубина спуска трехступенчатой ко лонны труб
I = к + h + /3 = 2 1 7 0 + 6 37 + 8 1 6 = 3 6 2 3 м.
81
Выполним проверочный расчет принятой колонны гладких насосно-компрессорных труб из стали группы прочности Д на расстройство муфтовых соединений по формуле Яковлева
|
Рстр = |
----------------------- . |
Н, |
|
|
|
|
|
|
(V.16) |
|||
|
|
|
|
1 + + |
ctg (а + ф) |
|
|
|
|
|
|
|
|
где |
D — средний диаметр |
трубы |
|
в |
основной |
плоскости |
резьбы |
||||||
(по |
первой полной нитке), |
см; |
б — толщина |
стенки трубы по |
|||||||||
впадине первой полной нитки, см; |
I — полезная |
длина |
нарезки |
||||||||||
(нитки с полным профилем), см; а |
= |
60° — угол |
между |
гранью |
|||||||||
нарезки и осью |
трубы; ф = 18° — угол трения |
металла |
по ме |
||||||||||
таллу. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
По формуле (V.16) вычислим страгивающие усилия: |
|
|||||||||||
|
для 60-мм труб |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
Рстр |
|
3,14 -5,758- 0,368 -IQ-*- 372 -106 |
= |
2 0 5 -103 Н; |
|
|
||||||
|
|
|
|
' + |
й 1 1 с‘8 <60+ 18>° |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
для 73-мм труб |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
Р |
стр |
= |
3,14-7,028-0,415-10-4 •372 •10е |
= |
287 •103 Н; |
|
|
|||||
|
1 |
|
1 |
7,028 ctg (60 + 18)' |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
2-4,03 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
для 89-мм труб |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
Р |
стр |
= |
3,14-8,615-0,52-10-4 ■372 •10е |
= |
4 5 2 -103 Н. |
|
|
|||||
|
х |
|
1 |
8,615 ctg (60 + 18)с |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
2-4,73 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Предельная длина труб каждой ступени из стали группы проч ности Д из расчета допустимого страгивающего усилия по фор мулам (V. 13), (V.14) и (V. 15):
для 60-мм труб
1Х= 205• 103/1,5 •68,7 = 1992 м;
для 73-мм труб
/2 = (287 - 205) 1071,5-94,2 = 583 м;
для 89-мм труб
, _ (452 — 287) 103 |
= 820 м. |
1,5-134 |
|
Общая максимальная длина спуска трехступенчатой колонны труб с учетом страгивающих усилий
L = 1Х+ /2 + 13 = 1992 + 583 + 820 = 3395 м.
Допускаемое внутреннее давление по формуле Барлоу равно
Рд,оп == ^бО-гекД^Я, |
(V. 17) |
8 2
где 6 и dH— соответственно толщина стенки и наружный диаметр трубы, мм (см. прил. 4); а — запас прочности, который прини мается равным 2.
По формуле (V.17) имеем допускаемые внутренние давления: для 60-мм труб
Рдоп = 2 •3,68 -372-10в/60,3 •2 = 22,7• 106 Па;
для 73-мм труб
рлоп = 2 -4,15 -372 -106/73-2 = 21,2-10° Па;
для 89-мм труб
Рдоп = 2 -5 ,2 -3 7 2 -106/89-2 = 21,7- 10е Па.
При рассчитанных предельных глубинах спуска насосно компрессорные трубы из стали группы прочности Д будут испыты вать внутренние давления (при плотности воды рв = 1000 кг/м3):
89-мм трубы
pDg/3 = |
1000-9,81-820 = |
8 ,0 4 -106 |
Па; |
73-мм трубы |
|
|
|
рв$ ( * 2 + |
*з)= ЮОО-9,81 (583 -f- 820) = 13,75-Ю 6 Па; |
||
60-мм трубы |
|
|
|
pBg L = |
1000-9,81 -3395 = |
33,3-10° |
Па. |
ГОСТ 3845—75 для гидравлических испытаний труб предусма тривает следующие давления (табл. V.1).
Как видно из табл. V.1, трубы диаметром 60 мм из стали группы прочности Д не удовлетворяют требованию гидравли ческого испытания (фактическое давление 33,3 МПа, а допу
скаемое |
25,5 МПа). |
|
|
|
|
|
Фактические страгивающие усилия для трехступенчатой ко |
||||||
лонны |
(3395 м) ниже |
разрывных |
усилий |
(3623 м), что |
вполне |
|
нормально. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а V. 1 |
|
|
Давления для гидравлических испытаний труб (в МПа) |
|
||||
Условный диаметр труб, |
|
Группа прочности стали |
|
|||
|
|
|
|
|||
|
мм |
Д |
К |
Е |
л, м |
|
|
|
|
||||
|
До |
73 |
25,5 |
30 |
30 |
30 |
|
89 |
24,5 |
29 |
30 |
30 |
|
|
102, |
114 |
21,0 |
25 |
27 |
30 |
8 3
6. РАСЧЕТ КОМПРЕССОРНОГО ПОДЪЕМНИКА
Задача 43. Рассчитать компрессорный подъемник (т. е. опре делить его диаметр, длину и потребный расход газа) по А. П. Кры лову для скважины, работающей с ограниченным отбором жидкости.
|
Исходные данные: глубина скважины |
Н = |
1320 |
м; |
внутрен |
|||||
ний диаметр эксплуатационной |
колонны D = 0 ,1 5 |
м; |
пластовое |
|||||||
давление |
р,.л = 5 МПа; |
коэффициент |
продуктивности |
К |
= |
|||||
= |
80 т/сут-МПа; максимально |
допустимая |
депрессия |
Др |
= |
|||||
= |
1,2 МПа; плотность нефти рн = 900 кг/м3; средняя |
плотность |
||||||||
смеси нефти и газа между забоем и башмаком труб рс= |
871 кг/м3; |
|||||||||
газовый |
фактор скважины |
G = |
30 м3/т; |
коэффициент |
раствори |
мости газа в нефти а = 5 1/МПа; располагаемое абсолютное рабо
чее давление рр = 2,85 МПа; |
абсолютное давление на устье (вы- |
||||
киде) ру = 0,12 МПа. Приток нефти в скважину |
происходит по |
||||
линейному закону. Воды и песка в нефти нет. |
|
|
|||
Допускаемый отбор нефти (дебит скважины) |
|
||||
<2Д0П= К Др = 80 ■10"6 •1,2 •10е = 96 т/сут. |
|
|
|||
Забойное давление при данном дебите |
|
|
|||
р3 = рпл - |
Др = (5 - |
1,2) 10е = 3,8 •10е Па. |
|
||
Так как забойное давление выше, чем рабочее, |
и поступления |
||||
песка в скважину нет, |
длина подъемника |
будет |
определяться |
||
не глубиной |
скважины, |
а |
располагаемым |
рабочим давлением |
|
по формуле |
|
|
|
|
|
L = t f - |
Р э — Рбаш |
|
|
|
(V.18) |
|
Peg |
|
|
|
|
гДе Рбаш — давление у башмака подъемных труб, Па.
Принимая потери напора при движении газа от компрессора до башмака труб (по опытным данным) равными 0,4 МПа, получим
рбаш = |
(2,85 - |
0,4) |
106 = |
2,45-10° Па. |
|
|
|||||
Длина подъемника по формуле (V.18) |
|
|
|||||||||
7 _ |
10оп ( 3 ,8 - 2 ,4 5 ) |
10» |
= |
1163 м. |
|
|
|||||
L |
- |
|
871-9,81 |
|
|
|
|
|
|||
Диаметр подъемника при работе на режиме |
QonT определится |
||||||||||
по формуле А. П. Крылова |
|
|
|
|
|||||||
dont = |
188 ] / |
|
PhL |
У — г— |
Q g L |
|
(V.19) |
||||
|
|
У |
баш |
D У |
OQL |
|
(Рбаш |
|
|
||
|
|
’ |
. Р |
— |
РMу |
' |
U |
— |
|
Р у ) |
|
dопт |
|
|
|
900-1163 |
|
X |
|
|
|||
|
(2,45 — 0,12) 10е |
|
|
||||||||
|
|
|
96-9,81-1163 |
|
|
|
|
||||
|
V-900-9,81-1163 — (2,45 — 0,12) 10е = 65 ММ. |
|
84
Принимаем ближайшие стандартные трубы с внутренним диаметром 62 мм.
Оптимальный полный удельный расход газа (включая соб ственный газ скважины) определяется по формуле
Rпол |
9- 10~3L (1 — |
£) |
|
|
|
|
(V.20) |
||
^0,5 jg _Рбаш_ |
’ |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
Р у |
|
|
|
|
|
|
где £ — относительное |
погружение подъемных |
труб, определя |
|||||||
емое из выражения |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
Рбаш — Р у |
|
|
|
|
|
(V.21) |
|
|
|
РнgL |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Подставляя в формулу (V.21) входящие значения величин, |
|||||||||
имеем |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2,45 — 0,12) 10е |
0,227. |
|
|
||||
|
|
900-9,81-1163 |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Следовательно, по формуле (V.20) получим |
|
||||||||
^пол |
9-10-3-1163-(1— 0,227) |
146 М3/т. |
|
||||||
620,5-0 227 lg |
|
Ю8 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
’ |
g |
0,12-Юв |
|
|
||
Удельный расход нагнетаемого газа с учетом растворимости |
|||||||||
газа |
составит |
|
|
|
|
|
|
|
|
D |
|
о |
[ г |
^ |
^баш“1" Ру ) |
|
|
||
''наг ‘ 'пол 1^ |
|
2 |
J — |
|
|
||||
= |
146— [ з 0 - 5 - 1 0 - 3 -^ |
-5 + 2° ,12) 10° •] = 123 |
м3/т. |
||||||
Суточный |
расход |
газа |
будет |
|
|
||||
^нагФдоп = |
123-96 = |
11800 |
м3/сут. |
|
|
Для облегчения и ускорения расчетов определим, используя те же исходные данные, диаметр подъемных труб и удельный расход газа по номограмме А. П. Крылова (рис. V.4). Для этого
имеем: дебит скважины |
(2Д0П = |
96 т/сут; относительное погруже |
|
ние подъемных труб £ = |
0,225 (или 22,5% ); абсолютное давление |
||
у башмака |
подъемника |
рбаш = |
2,45 МПа; приведенный динами |
ческий уровень, который определяется по формуле |
|||
h0 = L - |
= 1 1 6 3 - |
(2,45 — 0,12) 10е = 900 м. |
|
|
Рн£ |
|
900-9,81 |
Для определения диаметра подъемника на номограмме от точки 22,5 (процент погружения подъемных труб) на оси ординат первого квадранта восставим перпендикуляр вправо, а из точки Q = 96 т/сут на оси абсцисс этого же квадранта — вверх. Пере сечение этих линий определит диаметр подъемника d == 62 мм в условиях оптимального режима.
8 5
Для определения удельного расхода газа из точки 22,5% на оси ординат первого квадранта восставим перпендикуляр влево
до пересечения с линией |
рбаш = 2,45 МПа |
во втором квадранте, |
|
после чего восставим перпендикуляр до |
пересечения |
с линией |
|
h0 = 906 м в третьем квадранте. От точки |
пересечения восставим |
||
перпендикуляр вправо |
до линии, соответствующей |
условному |
Рис. V.4. Номограмма А. П. Крылова для расчета компрессорного
подъемника (принято ру = |
20 |
кПа, р = 900 |
кг/м3). |
1 ~ ^опт’ 2 ~ ^шах |
|
|
|
диаметру труб d = 73 мм |
в |
четвертом |
квадранте и, наконец, |
восставим перпендикуляр вверх до пересечения с осью абсцисс, на которой находим удельный расход газа R0 = 146 м3/т.
Задача 44. Рассчитать и подобрать подъемник для компрессор ной скважины, допускающей практически неограниченный отбор жидкости.
Исходные данные: глубина скважины Н = 920 м; длина филь
тра |
h = |
20 м; внутренний диаметр эксплуатационной колонны |
D = |
0,15 м; пластовое давление р11Л= 2,8 МПа; плотность нефти |
|
р = |
850 |
кг/м3; газовый фактор G = 75 м3/т; коэффициент продук |
8 6
тивности К = 50 т/сут-МПа. Индикаторная линия притока вы ражается прямой; допустимый удельный расход нагнетаемого газа R Har = 400 м3/т; абсолютное давление на устье ру — 0,2 МПа.
Искомыми параметрами в данном случае будут размеры подъем ника (L и d), дебит скважины и расход газа.
Так как отбор жидкости не ограничен, то для получения наи меньшего давления на забое скважины длину подъемника берем
равной глубине’"скважины до верхних отверстий |
фильтра, т. е. |
||
L = Н — 20 = 900 м. |
|
|
|
|
РЬш •Ш а |
|
|
|
8 |
|
|
|
0 |
|
|
|
4 |
|
|
Рис. V.5. График зависи- |
8 |
|
|
мости давления у башма- |
^ |
|
|
ка подъемных труб от уде |
|
|
|
льного расхода газа |
|
|
|
|
0,8 |
|
|
|
0,0 |
|
|
|
0/, |
|
4 00 1000 R , n 3/ r |
|
10 80 |
7/0 00 100 200 |
|
Полный удельный расход газа, допускаемый по условиям |
|||
задачи, |
|
|
|
Ялол = ^наг Н~ G = |
400 + 75 = |
475 м3/т. |
|
Для определения давления у башмака, а следовательно, и
узабоя скважины воспользуемся графиком (рис. V.5), выража ющим зависимость между давлением у башмака и удельным рас ходом газа. Для этого от точки R = 475 м3/т на оси абсцисс восста вим перпендикуляр до линии L = 900 м и повернем влево. На оси ординат получаем приближенное значение избыточного давления
убашмака р6аш = 1 МПа (абсолютное давление рбаш = 1 , 1 МПа).
Дебит скважины определяем по уравнению притока, принимая
Р з = Р баш*
Q = /С (рпл — Рз) = 50- Ю-6 (2,8 — !)• 10G= 90 т/сут.
Диаметр подъемника определим по формуле А. П. Крылова
(V.8) |
|
|
_____________ |
I f |
___________________________ |
|
j |
100 |
l / |
850-900 |
90-9,81-900 |
_ |
|
d — 1 »» |
у |
(11,1 —_ о0,2), ) 1066 |
УV |
850-9,81-900 — (1,1 — 0,2) 10е |
|
= 8 6 мм.
Принимаем стандартный внутренний диаметр трубы d = 76 мм. Часовой расход нагнетаемого газа с учетом поправочного
коэффициента k составит
Qk |
400-90-0,912 |
= 1368 М3/Ч . |
R4 = Rнаг 24 |
24 |
87
Поправочный коэффициент k = 0,912 введен потому, что гра фики зависимости между давлением у башмака и удельным рас ходом газа (см. рис. V.5), которыми пользовались, составлены для труб диаметром 62 мм, а мы приняли диаметр подъемных труб равным 76 мм. Для подъемных труб диаметром 50,3 мм по правочный коэффициент составляет 1,12, а для труб диаметром 100,3 мм — 0,8.
7. РАСЧЕТ ПУСКОВЫХ ДАВЛЕНИЙ КОМПРЕССОРНОГО ПОДЪЕМНИКА
Задача 45. Пусковое давление компрессорного подъемника зависит от конструкции и системы подъемника, от высоты стати ческого уровня жидкости в скважине, а также от проницаемости пласта и темпа продавливания жидкости в скважину в пусковой период.
Определим пусковое давление для подъемника двух- и одно рядной конструкции кольцевой системы и для подъемника цен тральной системы в условиях отсутствия и наличия поглощения жидкости пластом и различной ^высоты статического уровня в скважине.
Исходные данные: внутренний диаметр эксплуатационной ко
лонны D = |
150 мм; внутренний диаметр наружного ряда подъем |
|||||
ных |
труб dn = 100,3 мм; |
внутренний |
диаметр |
внутреннего |
ряда |
|
da = |
62 мм; |
статический |
уровень (от |
устья) |
hCT = 600 м; |
длина |
подъемника |
L = 1000 м; |
плотность нефти р = |
900 кг/м3. |
|
Для подъемника двухили полуторарядной конструкции коль цевой системы при отсутствии поглощения жидкости пластом (что возможно при быстром продавливании жидкости и очень плохой проницаемости пласта) необходимое пусковое давление находим по формуле
' |
D2 |
(V .22) |
Рпуск = ^стР£ “ ^ 2 |
^2 _| ^2 » ^3, |
где глубина погружения подъемных труб под статический уровень
hCT = L — hCT= 1000 — 600 = 400 м.
По формуле (V.22) имеем
Рпуск = 400-900 *9,81 0)152_ о>12_|_ 0|об2а =
= 4 ,8 - 10е Па = 4,8 МПа.
В случае однорядной конструкции подъемника при диаметре подъемных труб d = 62 мм и отсутствии поглощения жидкости пластом
Рпуск = A CTpg-^- = 400-900-9,81 |
= 20,7 -10е Па. |
8 8
В случае работы подъемника d = |
62 мм при |
центральной |
|
системе |
П2 |
П152 |
|
/ |
= |
||
РПуСК = ЛстР^ |
£)2_^2 = 400 ‘900 •9,8 1 |
Q I ga__Q Q022 |
= 4,27-10° Па.
При полном поглощении пластом всей жидкости, вытесняемой из кольцевого пространства между эксплуатационной колонной и подъемными трубами (случай редкий, возможный при медлен ном продавливании жидкости в скважину и хорошей проница емости пласта), пусковое давление зависит только от глубины погружения подъемных труб под статический уровень
Рпуск = hCTpg = 400-900-9,81 = 3,53-10° Па.
При частичном поглощении жидкости пластом (наиболее ре альный на практике случай) в правую часть формулы следует вводить коэффициент &сн, учитывающий снижение столба жидко сти, вытесняемой в подъемные трубы вследствие поглощения ее пластом. Значения этого коэффициента могут колебаться в широ ких пределах (от нуля до единицы), и их можно определить в каж дом случае только опытным путем. Поэтому пусковые давления рассчитывают обычно без учета поглощения, что приводит к за вышению расчетного пускового давления и увеличению запаса мощности компрессорных агрегатов.
При пуске в работу компрессорных скважин, оборудованных однорядным ^подъемником кольцевой системы, и при высоких статических^уровнях жидкости возможны случаи, когда не по требуется высокое пусковое давление, определенное расчетом. Тогда вытесняемая из кольцевого пространства жидкость подни мается в подъемных трубах до устья скважины раньше, чем столб жидкости целиком оттеснится от башмака подъемника. Макси мально возможное пусковое давление при этом равно гидростати ческому давлению столба жидкости в подъемных трубах, т. е. в заданных условиях
Ртах = LpHg = 1000-900-9,81 = 8,82-10° Па.
Из полученных результатов видно, что пусковое давление имеет наименьшее значение при полном поглощении жидкости пластом, затем в случае применения подъемника центральной системы
и двухрядного подъемника кольцевой системы.
8.РАСЧЕТ МЕСТА УСТАНОВКИ ПУСКОВЫХ КЛАПАНОВ ПРИ ГАЗЛИФТНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ СКВАЖИН
Задача 46. Рассчитать для компрессорного подъемника одно рядной конструкции кольцевой системы установку пусковых клапанов У-1-М конструкции Г. В. Исакова и А. П. Крылова.
89
Исходные данные: глубина скважины Н = 1800 м; диаметр эксплуатационной колонны D — 0,15 м; диаметр подъемных труб d = 62 мм; длина подъемных труб L = 1500 м; статический уро вень от устья hcr = 800 м; плотность жидкости р = 900 кг/м3; давление в пусковой линии у устья скважины рпуск = 4,6 МПа; давление у башмака подъемника во время его нормальной работы
0 |
0,8 |
1,6 |
2,4 |
3,2 |
4,0 |
Ар, МПа |
Рис. V.6. |
Номограмма для |
расчета |
размещения |
пусковых |
клапанов |
Рбаш = 2,8 МПа; расход газа при нормальной работе скважины V = 500 м3/ч.
Для пуска в работу данной скважины путем продавливания жидкости из затрубного пространства через башмак потребова лось бы следующее максимальное пусковое давление:
РпуСк = pgL = 900-9,81 •1500 = 13,3 -106 Па.
Давление газа 4,6 МПа недостаточно для пуска скважины в работу, а поэтому необходимо снабдить колонну подъемных труб пусковыми клапанами.
90