2.3 Расчёт технологического режима работы скважины и выбор

оборудования

Основной задачей при выборе оборудования штанговой скважинной установки и установления его работы является отбор заданного дебита жидкости с наилучшими техническими показателями.

К последним относится:

1. Наиболее полное использование установленной мощности ШСНУ.

2. Безаварийность работы установки, обеспечивающая ограничение межремонтного периода только планово-предупредительным ремонтом. Таким образом, выбранное оборудование и установленный режим его работы должны исключить аварийные случая, в первую очередь обрыв штанг, как наиболее слабого звена установки.

3. Обеспечение оптимальной величины коэффициента подачи ШСНУ.

4. Минимально возможная величина подвески глубинного насоса и, следовательно, минимально установленная мощность установки.

5. Работа ШСНУ должна быть увязана с работой пласта, т.е. с продуктивной характеристикой скважины.

Основным звеном ШСНУ является станок-качалка, от типа и технологической характеристики которого будут завесить параметры режима работы. Выбор типа станка-качалки производится АаНИИ (А.Н. Адонина) в зависимости от дебита и глубины подвески.

1 Расчет следует начинать с глубины подвески насоса:

Определяем глубину подвестки насоса, которая находится по формуле:

где: L – глубина подвески насоса, м;

– динамический уровень, м;

h – глубина погружения под динамический уровень м.

Динамический уровень можно определить по формуле:

где: – динамический уровень, м;

– глубина скважины, м;

– динамический столб жидкости (от забоя), м.

Динамический столб жидкости (от забоя) определяется по формуле:

где: – динамический столб жидкости (от забоя), м;

– забойное давление, Па;

– плотность смеси, кг/м³;

– ускорение свободного падения, м/с².

Плотность смеси определяется по формуле:

где: – плотность смеси, кг/м³;

– плотность нефти, кг/м³;

– обводненность;

– плотность воды, кг/м³.

Подставив численные значения в формулу определяем:

Из величин, слагающих глубину подвески насоса, трудно представить выбор глубины погружения под динамический уровень h, которая будет зависеть от конкретных местных условий данной скважины.

Основным принципом (условием) выбора является обеспечение оптимального коэффициента подачи ШСНУ. Под оптимальным коэффициентом подачи понимается его значение, которое получается при наименьшем погружении насоса под динамический уровень.

На практике встречаются три наиболее оптимальных случая, когда величина погружения может быть довольно строго обоснована:

1) скважина сильно обводнена, так что влиянием на работу насоса можно пренебречь;

2) нефть имеем значительный газовый фактор;

3) в скважине при добыче интенсивно отлагается парафин.

В связи с этим глубину погружения насоса под динамический уровень h определяют от зависимости от давления на приеме насоса, определяется по формуле:

где: – глубина погружения под динамический уровень, м;

– плотность смеси, кг/м³;

– ускорение свободного падения, м/с²;

– давление на приеме насоса, Па.

– давление насыщения, равное 2,16 МПа, следовательно:

Подставив численные значения в формулу определяем:

Подставив все численные значения в формулу (1), находим:

2 По дебиту = 25 (м³/сут) и подвеске насоса L =991 (м) выбираем станок-качалку СК5-3-2500 с длиной хода (м) и = 3 (м), и диаметр насоса (мм).

Выбираем двухступенчатую колонну штанг ( ) с верхней ступенью d = 19 мм, %В = 45 %, q₁ = 2,35 кг/м и нижней ступенью d = 16 мм, %Н = 55 %, q₂ = 1,67 кг/м.

3 Определение параметров работы насоса: диаметр насоса D; числа качаний n и длины хода S производится, исходя из получения минимальных нагрузок на штанги. Задаваясь стандартными минимальными значениями длины хода S для выбранного станка-качалки находим число качаний n, по формуле:

где: n – число качаний станка качалки, об/мин;

Q – дебит скважины, т/сут;

S – длина хода полированного штока, м;

– принятый коэффициент подачи, (0,65 ÷ 0,8);

q – вес 1 метра штанг, кг/м.

где: q – вес 1 метра штанг, кг/м;

%В – процентное соотношение верхней ступени штанг;

q₁ – вес 1 метра (с учетом муфт) верхней ступени штанг, кг/м;

%Н – процентное соотношение нижней ступени штанг;

q₂ – вес 1 метра (с учетом муфт) нижней ступени штанг, кг/м.

Подставив числовые данные в формулу получим:

Подставив числовые данный в формулу определяем:

Площадь плунжера определяем по формуле:

где: F – площадь плунжера, м²;

Q – дебит скважины, т/сут;

S – длина хода полированного штока, м;

n – число качаний станка-качалки, об/мин;

– принятый коэффициент подачи, (0,65 ÷ 0,8);

– плотность смеси, т/м³.

Подставив численные значения в формулу определяем:

Диаметр насоса для соответствующим длинам хода полированного штока определяем по формуле:

где: D – диаметр насоса, м;

F – площадь плунжера, м²;

Подставив численные значения в формулу вычисляем:

4 Для каждого режима определяется параметр, характеризующий выносливость штанг – вероятная частота обрывов в год, определяется по формуле:

где: – частота обрывов штанг;

В – коэффициент, зависящий от качества стали;

n – число качаний, об/мин;

D и d_шт – диаметр соответственно насоса и штанг, м;

К – константа, характеризующая физические свойства материала штанг, обычно К = 0,75 – 1;

L – подвеска насоса.

Параметры В и L постоянны для данной скважины, а параметр «к» можно принять, равным единице. Тогда формула запишется:

где: – частота обрывов штанг;

n – число качаний, об/мин;

D и d_шт – диаметр соответственно насоса и верхней ступени штанг, м.

Подставив численные значения в формулу, определяем:

5 Определяется максимальная нагрузка на штанги для режимов, соответствующих максимальной и минимальной длине хода полированного штока:

где: P_max – максимальная нагрузка на штанги, Н;

F_пл – площадь плунжера, см²;

– плотность смеси, кг/м²;

L – подвеска насоса, м;

q_ср – вес 1 метра штанг, кг/м;

b – коэффициент равный 0,9;

S – длина хода, м;

n – число качаний, об/мин.

где: - плотность материала штанг.

=0,887

Подставив численные значения получаем:

6 Вычисленные параметры записываем в таблицу 1

Таблица 1 – Параметры соответствующие разным длинам хода

№	S	N	D		Pmax
1	1,3	17	0,0366	158	31103
2	3	9,8	0,0316	55	27638

По минимальному числу обрывов и минимальной нагрузке выбираем второй режим.

По нагрузке выбираем станок-качалку СК5-3-2500;

7 Диаметр насоса округляем до ближайшего стандартного и выбираем невставной насос НН2С-38-30-12 с диаметром 38 мм.

По комплектации станка-качалки выбираем двигатель АОП-72-4 с номинальной мощностью 20 кВт.

Диаметр НКТ 60 мм с толщиной стенки 5 мм.

8 Для того, чтобы отбор жидкости после округления диаметра насоса не изменился, корректируется число ходов насоса в (об/мин), рассчитывается по формуле:

где: n – cкорректированное число качаний, об/мин;

n_расч – расчетное число качаний, об/мин;

D_расч – расчетный диаметр насоса, м;

D – ближайший стандартный диаметр насоса, м.

Подставив численные значения в формулу получаем:

9 Производится проверка на синхронность свободных и вынужденных колебаний штанг, т.е. на кратность их отношений.

Обычно резкое увеличение усилий в штангах происходит при резонансе на 2 гармонике, т.е. когда собственные колебания колонны штанг имеют двойную частоту по сравнению с вынужденными колебаниями. Поэтому ограничиваются проверкой только этого случая. Полученное число качаний сравнивается с предельным числом качаний в (кач/мин).

где: L – глубина подвески насоса, м.

Подставив численные значения получаем:

10 После того, как окончательно принимается число качании, производится проверка режима ШСНУ по параметру µ (17), характеризующего режим откачки.

где: L – глубина подвески насоса, м;

a – скорость распространения звука в металле штанг, а = 5100 м/с

– угловая скорость вращения кривошипов, (рад), определяется по формуле:

где: n – скорректированное число качаний, об/мин.

Подставив численные значения в формулу (16) получаем:

Возникающие при работе ШСНУ в штангах собственные колебания и вызываемые ими деформации могут зависеть от µ и λ/S (λ – суммарное удлинение штанг и труб от веса столба жидкости) уменьшить или увеличить пробег плунжера и тем самым уменьшить или увеличить производительность насоса.

В таблице 2 приводится интервалы значений µ; при различных λ/S, при которых работа штанговой насосной установки не желательна.

Таблица 2 – Нежелательные интервалы значения µ

λ/S	0,2	0,3	0,4
µ	0,380,55	0,330,51	0,320,48

Параметр режима откачки µ для данной скважины не находится в нежелательных интервалах.

Общее удлинение штанг будет слагаться из удлинений отдельных ступеней, и рассчитываться по формуле:

где: F_пл – площадь сечения плунжера, см²;

ρ – плотность жидкости, кг/м³;

L – подвеска насоса, м;

Е – модуль упругости стали, равный 0,21 · 10¹² Па;

f₁ и f₂ – соответственно площади поперечного сечения верхней и нижней ступеней штанг, см²;

a и b – доли длины штанг верхней и нижней ступени;

где: d – диаметр штанг, cм.

Подставив численные значения получаем:

11 Определяем соответствие мощности электродвигателя условиям откачки, для чего определяем необходимую мощность и сравниваем с мощностью выбранного двигателя согласно комплектности (кВт).

В литературе приводится ряд формул для определения мощности электродвигателе.

Наиболее точными являются формулы Авинмаша, Ефремова, и АаНИИ.

Необходимая мощность рассчитывается по формуле Ефремова Д.В.:

где: D_пл – диаметр плунжера насоса, м;

S и n – длина хода и число качаний;

ρ – плотность жидкости, в кг/м³;

H_дин – динамический уровень, м;

– К.П.Д. насоса, = 0,9;

– К.П.Д. станка-квчалки, 0,82;

к - коэффициент степени уравновешенности станка-качалки. Для уравновешенной системы к = 1,2;

- коэффициент подачи насосной установки, (0,65÷0,85).

Подставив численные значения в формулу получим:

Установленный электродвигатель АОП-72-4 подходит, т.к. номинальная мощность электродвигателя 20 кВт больше расчетного

5,83 кВт.

12 Подбираем прочее оборудование.

12.1 Выбираем устьевой шток ШСУ31-4600

12.2 Выбираем подвеску сальникового штока ПСШ-6.

12.3 Клиновидный ремень В-4000.