10.3 Особливості роботи і розрахунку штанг з гвинтовими насосами

В установках ГШН використовуються насосні штанги, які застосовуються і ШСНУ, але умови роботи штангової колони, яка приводить в обертання ротор гвинтів суттєво відрізняється від умов роботи в складі ШСНУ. На відміну від ШСНУ пружна колона штанг ГШНУ піддається дії не тільки повздовжніх деформацій за рахунок власної ваги і гідравлічного навантаження, але і деформації кручення.

Кут закручування верхнього перерізу штангової колони залежить від крутного моменту, довжини колони штанг, модуля зсуву матеріалу штанг і полярного моменту.

φ = K_φ∙M∙L/G∙І_p,

де K_φ – коефіцієнт, який враховує відхилення осі свердловини від вертикалі і тертя штанг в центраторах (5 – 10), якщо не враховувати тертя і вертикальність свердловини, то K_φ=1;

М – крутний момент насоса (в нижньому перерізі штанг);

L – довжина колони штанг;

G – модуль зсуву матеріалу штанг, G = 0,8 – 105 МПа;

І_p – полярний момент інерції перерізу, І_p = πd⁴/32;

d – діаметр штанг.

Верхній переріз колони штанг на початок роботи ГШНУ зазнає попередньої деформації кручення (10 – 30 обертів на всю довжину колони штанг) і знаходиться в пружно-деформованому стані, що обумовлює необхідність оснащення приводу ГШНУ гальмівним пристроєм та підвищені вимоги безпеки при демонтажі установки чи при підйомі устьового штока.

Деформація розтягу колон штанг і НКТ після виведення насоса на робочий режим враховується при початковому встановленні ротора відносно статора при монтажі установки. Розрахунок деформації колони НКТ та штанг ведеться аналогічно до розрахунку для відповідних елементів ШСНУ.

Розрахунок колони штанг на статичну міцність може вестися з метою:

- визначення необхідного діаметра d чи границі плинності σ_у матеріалу штанг;

- визначення коефіцієнта запасу міцності в заданих умовах експлуатації насоса;

- визначення граничної глибини спуску насоса.

Умова статичної міцності має вигляд:

де σ_екв – еквівалентні напруження в перерізі штанги;

σ – сумарні нормальні напруження.

Допустимий коефіцієнт запасу міцності при розрахунку колони штанг приймається рівним 1,3-1,5.

10.4 Вибір обладнання гвинтових штангових

насосних установок

Вибір обладнання ГШНУ починається із визначення глибини спуску насоса під динамічний рівень рідини у свердловині. Цей етап підбору аналогічний першому етапу підбору інших видів свердловинних насосів, розглянутих раніше. Єдиною відмінністю тут є величина занурення під динамічний рівень, так як гвинтові насоси можуть працювати з високим вмістом вільного газу на прийомі. Ця величина може досягати 50 %.

Після визначення глибини підвіски насоса, тобто довжини колони штанг і НКТ, визначають типорозміри підходящих гвинтових насосів і необхідні частоти обертання колони, виходячи із заданої величини подачі насоса.

Гвинтові насоси, що випускаються, мають різні робочі об’єми, тому вказані в паспортних даних теоретичні подачі насоса відносяться до сталої частоти обертання ротора насоса, рівної 100 хв^-1. Тому для заданого дебіту свердловини можуть бути прийняті різні насоси з різними частотами обертання ротора. Зазвичай вибирається частота обертання в інтервалі від 150 до 350 хв^-1. Менша частота призводить до великих втрат напору насоса, велика – до підвищення втрат тертя як у гвинтовій парі, так і в колоні штанг.

За вибраним типорозміром насоса визначається момент обертання ротора насоса і момент тертя колони штанг, сума яких визначає необхідний момент на устьовому штоці і приводній головці. За моментом і частотою обертання устьового штока проводиться вибір приводної головки і приводного двигуна.

За максимальним крутним моментом на устьовому штоці проводиться розрахунок колони штанг. Так як найчастіше в ГШНУ використовуються штанги діаметром 22 мм, то за величиною крутного моменту підбирається марка сталі, що забезпечує необхідний запас міцності за еквівалентними напруженнями. Вибір приводного електродвигуна здійснюється за потужністю та частотою обертання на устьовому штоці, а також з врахуванням передавального відношення вибраного типорозміру приводної головки.

Контрольні запитання

1 Опишіть призначення, переваги та недоліки гвинтових штангових насосних установок.

2 Перелічіть склад наземного та свердловинного обладнання ГШНУ.

3 Які виконання приводів гвинтових штангових насосів ви знаєте?

4 Як визначається подача гвинтового штангового насоса?

5 В чому полягає особливість роботи і розрахунку насосних штанг з гвинтовими насосами?