4. Технологические расчеты при штанговой глубиннонасосной эксплуатации скважин

В этом разделе при выборе оборудования ШГНУ применен принцип «от простого к более сложному». В начале приводится графический метод выбора оборудования по диаграмме А. Н. Адонина, далее приводятся аналитические методы определения режимных параметров работы ШГНУ: метод Муравьева И. М., Крылова А. П. и Оркина К. Г., позволяющий на основе простых формул получить основные параметры работы оборудования; далее следуют формулы А. Н. Адонина, А. С. Вирновского, Л. Г. Чичерова и другие, которые рекомендуются для уточненных расчетов оборудования и режимных параметров с учетом деформации колонны штанг и труб, сил трения и вязкости жидкости.

4.1. 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)

Диаметры насосов, мм	28	32	38	43	56	68	93
Диаметры штанг, мм	Длина одноступенчатой колонны, м
16	1150	1020	860	720	-	-	-
19	1300	1170	1000	860	650	-	-
22	-	-	-	-	790	590	380*
25	-	-	-	-	-	-	470
Диаметр штанг, мм	Длина ступеней в % двухступенчатой колонны
19	34	38	45	55	-	-	-
16	66	62	55	45	-	-	-
Глубина спуска L, м	1480	1310	1100	920*	-	-	-
Диаметр штанг, мм
22	28	31	36	42	55	-	-
19	72 .	69	64	58	45	-	-
Глубина спуска L, м	1620	1460	1260	1060	320	-	-
Диаметр штанг,
25	-	-	-	-	42	56	-
22	-	-	-	-	58	44	-
Глубина спуска L, м	-	-	-	-	960*	720	-
Диаметр штанг, мм	Длина ступеней в % трехступенчатой колонны
22	26	29	-	-	-	-	-
19	28	32	-	-	-	-	-
16	46	39	-	-	-	-	-
Глубина спуска L, м	1760	1570	-	-	-	-	-
Диаметр штанг,мм
25	-	-	27	33	-	-	-
22	-	-	30	35	-	-	-
19	-	-	43	32	-	-	-
Глубина спуска L, м	-	-	1490	1270	-	-	-

*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)

Диаметры насосов, мм		28		32		38		43		56		68		93
Диаметры штанг, мм	Длина одноступенчатой колонны, м
16	-		-		-		-		-		-		-
19	-		-		-		-		-		-		-
22	-		-		-		-		1000*		760		490
25	-		-		-		-		-		-		610
Диаметр штанг, мм	Длина ступеней в % двухступенчатой коленны
19	35		39		46		55		-		-		-
16	65		61		54		45		-		-		-
Глубина спуска L, м	1890*		1680*		1410*		1180*		-		-		-
Диаметр штанг, мм
22	28		30		35		41		54		-		-
19	72		70		65		59		46		-		-
Глубина спуска L, м	2080		1870		1610		1370		1050		-		-
Диаметр штанг, мм
25	-		-		28		32		40		55		-
22	-		-		72		68		60		45		-
Глубина спуска L, м	-		-		1810*		1570*		1230*		910		-
Диаметр штанг, мм	Длина ступеней в % трехступенчатой колонны
22	25		28		-		-		-		-		-
19	28		32		-		-		-		-		-
16	47		40		-		-		-		-		-
Глубину спуска L, м	2270*		2010"		-		-		-		-		-
Диаметр штанг, мм
25	20		23		26		31		-		-		-
22	• 23		26		30		35		-		-		-
19	57		51		44		34		-		-		-
Глубина спуска L, м	2450*		2200*		1900		1620*		-		-		-

*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)

Диаметры насосов, мм	28	32	38	43	56	68	93
Диаметры штанг, мм	Длина одноступенчатой колонны, м
16	1790	1600	1340	1120	-	-	-
19	2050	1830	1580	1350	1020	750	470
22	-	-	-	-	-	-	600
Диаметр штанг, мм	длина ступеней в °/о двухступенчатой колонны
19	35	39	46	55	-	-	-
16	65	61	54	45	-	-	-
Глубина спуска L, м	2300	2060	1730	1450	-	-	-
Дииметр штанг, мм
22	27	30	35	41	54	74	-
19	73	70	65	59	46	26	-
Глубина спуска L, м	2550	2280	1970	1690	1280	935	-
Диаметр штанг, мм	Длина ступеней в % трехступенчатой колонны
22	25	28	33	40	-	-	-
19	29	32	39	46	-	-	-
16	46	40	28	14	-	-	-
Глубина спуска L, м	2750	2460	2070	1740	-	-	-

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

Марка стали	Предел текучести, МПа	Твердость по Бринелю, НВ	Допуск σпр, МПа	Диаметр насосов, мм	Вид обработки штанг	Условия эксплуатации
111	320	217	70	28-95	Нормализация	Некорро-зионные
			120	28 - 43	Нормализация с поверхностным упрочнением ТВЧ	»
			100	55-95		Некорро-зионные
	390	200	90	28 - 95	Нормализация	Некоррозионные
			60	»	»	Коррозионные с Н2S
			130 110	28 - 43 55 - 95	Нормализация с поверхностным упрочнением нагревом ТВЧ	Некоррозионные
			100	28 - 95		Коррозионные
	520	260	100	28 - 95	Объемная закалка и высокий отпуск	Некоррозионые
			70	»		Коррозионные
	630	255	100	28 - 95	Закалка и высокий отпуск или нормализация и высокий отпуск	Некоррозионные
			90	»		Коррозионные

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.