2.3 Насосные штанги и условия их работы.

Насосные штанги представляют собой стержень круглого поперечного сечения с высаженными концами, на которых располагается участок квадратного сечения и резьба. Резьба служит для соединения штанг с муфтами, а участок квадратного сечения используется для захвата штанги ключом при свинчивании и развинчивании резьбового соединения. ШН предназначены для передачи возвратно-поступательного движения плунжеру насоса. Изготавливаются в основном из легированных сталей круглого сечения длиной 8000 мм и укороченные — 1000 - 1200, 1500, 2000 и 3000 мм как для нормальных, так и для коррозионных условий эксплуатации.

Рисунок 1 — Насосная штанга

Основными характеристиками насосных штанг являются: диаметр по телу штанги d0 и прочностная характеристика штанги - величина приведенного допускаемого напряжения [σ]. У нас в стране штанги выпускаются диаметром 16, 19, 22, 25 мм, а допускаемое напряжение, для наиболее широко распространенных марок сталей, составляет 70...130 МПа. В небольших количествах выпускаются штанги с допускаемыми напряжениями 150 Мпа.

Насосные штанги применяются в виде колонн, составленных из отдельных штанг, соединенных посредством муфт.

Муфты штанговые выпускаются: соединительные типа МШ — для соединения штанг одинакового размера и переводные типа МШП — для соединения штанг разного диаметра.

Рисунок 2 — Соединительная муфта

а — исполнение I; б — исполнение II

Для соединения штанг применяются муфты — МШ16, МШ19, МШ22, МШ25; цифра означает диаметр соединяемой штанги по телу (мм).

АО «Очерский машиностроительный завод» изготавливает штанги насосные из одноосноориентированного стеклопластика с пределом прочности не менее 80 кгс/мм² 11000 мм.. Концы (ниппели) штанг изготавливаются из сталей. Диаметры штанг 19, 22, 25 мм, длина 8000

20 %, повышение коррозионной стойкости при повышенном содержании сероводорода и др. Применяются непрерывные штанги «Кород».Преимущества: снижение веса штанг в 3 раза, снижение энергопотребления на [18]

2.4 Технико-эксплуатационная характеристика скважины № 15

Скважина № 306 Саврушинского месторождения имеет:

Продуктивный пласт Т1

Глубина скважины 1666 м

Интервалы перфорации 1654 – 1660; 1654 – 1658

Диаметр эксплуатационной колонны 114 мм

Дебит скважины по жидкости 15 м³/сут

Обводненность 79%

Пластовое давление 9 МПа

Забойное давление 7,3 МПа

Давление насыщения 5,7 Мпа

Газовый фактор 24,6 м₃/т

Вязкость жидкости (динамическая) 1,37 сПз

Объемный коэффициент 1,075

Плотность нефти 840 кг/м³

Плотность пластовой воды 1131 кг/м³

Пластовая температура 33 ⁰С

Скважинное оборудование:

Насос НВ-38

Глубина спуска 1145 м

НКТ 73 мм

2.5 Расчет технологического режима работы скважины и выбор необходимого оборудования

1 Основным звеном ШСНУ является станок-качалка, от типа и технической характеристики которого будет зависеть параметры режима работы. Выбор типа станка качалки предварительно производится по диаграмме АаНИИ (А.Н. Адонина) в зависимости от дебита и глубины подвески.

Расчет следует начинать с определения глубины подвески насоса, которая определяется по формуле в (м):

L=H^ур_дин +h,

где H^ур_дин – динамический уровень, соответствующий данной депрессии на пласт,(м)

h –глубина погружения под динамический уровень, (м)

L=970,5+362,08 =1332,58 м

Динамический уровень можно определить в (м):

H^ур_дин =Н_скв – h_дин

где Н_скв - глубина скважины, (м)

h_дин - динамический столб (от забоя), (м)

H^ур_дин =1666-695,5 = 1135 м

h_дин =

h_дин = =695,5 м

где ρ_см – плотность смеси (кг/м³), которая определяется по формуле:

ρ_см =ρ_н( 1- n_в) +ρ_в^. n_в

где ğ - ускорение свободного падения (ğ = 9,81м/с²)

n_в - обводненность продукции в долях

ρ_н , ρ_в - плотность нефти, воды, кг/м³

ρ_см = 801(1-0,79) +1131 ^. 0,79 = 1069,8 кг/м³

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

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

В практике встречаются три наиболее оптимальных случая, когда величина погружения может быть довольно строго обоснованна:

1. Скважина сильно обводнена, так что влиянием на работу глубинного насоса можно пренебречь.

2. Нефть имеет значительный газовый фактор.

3. В скважине при добыче интенсивно отлагается парафин.

В связи с этим глубину погружения насоса под динамический уровень h_погр определяют в зависимости от давления на приеме насоса в (м) как

h_погр =

где Р_пр – давление на приеме насоса

Р_пр – принимают в пределах (1/3 – 2/3)Р_нас

Р_нас - в зависимости от содержания

h_погр = = 362,08 м

Р_пр = Р_нас

где Р_нас – давление насыщения, в Па

ρ_см – плотность смеси, в кг/м³

ğ - ускорение свободного падения, в м/с²

Р_пр = = мПа

2. По дебиту Q (м³/сут) и подвески насоса L (м) по диаграмме АаНИИ (А.Н. Адонина) или по таблице выбирается тип станка качалки и диаметр насоса.

СК6-2,1-2500

Длина хода S-2,1м

Диаметр насоса Д_н-38мм

Двухступенчатая колонна диаметр штанг 19-46%; 16-54%

Вес одной штанги с муфтой 4,1кг; 3,14кг

3. Определение параметров работы насоса: диаметр насоса D, число ходов n и длины ходы S производятся, исходя из условия получения минимальных нагрузок на штанги. Задаваясь стандартными минимальными значениями длины хода S для выбранного станка- качалки, находим, кач/мин.

Число качаний:

где Q- дебит скважины, т/сут

S- длина хода полированного штока, м

n- число качаний, об/мин

ƞ- принятый коэффициент подачи (0,65-0,8)

кач/мин

Площадь плунжера:

где F- площадь плунжера, м²

ρ- плотность жидкости, т/м³

q_ср- средний вес 1 м штанг, кг/м

где %В- процент верхней ступени

%Н- процент нижней ступени

Диаметр насоса в м: D=

Для того, чтобы можно было пользоваться данной формулой, для расчета числа качаний n, необходимо знать q, поэтому принимают предварительно конструкцию колонны штанг по таблице в зависимости от диаметра и глубины подвески насоса. Для этой цели диаметр насоса берется по той же диаграмме Адонина.

4. Для каждого режима определяется параметр, характеризующий выносливость штанг- вероятная частота обрыва в год.

n

где D и d_шт - диаметр соответственно насоса и штанг, м

n – число качаний.

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

где ρ- плотность жидкости, в кг/м³

F- площадь плунжера, в см

L- глубина спуска насоса, м

q- средний вес 1 м штанг в жидкости

где =7850 кг/м³ – плотность материала штанг.

Остальные величины имеют прежние размерности.

При использовании пластичных скребков для борьбы с парафином вес их должен быть учтен при расчёте.

Расчетные показатели обоих режимов сводятся в таблицу и по данным расчета пунктов 3;4;5 выбирается рабочий режим ШСНУ, а по максимальной нагрузке окончательно выбирается тип станка качалки.

6. Для того, чтобы отбор жидкости после округления диаметра насоса не изменился, корректируется число ходов насоса в (кач./мин).

где n_расч , D_расч - расчетные числа ходов и диаметр насоса

D- округленный до стандартного диаметр насоса.

7. 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).

8. После того, как окончательно принимается число качаний, производится проверка режима ШСНУ по параметру , характеризующего режим откачки.

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

где L – подвеска насоса, м;

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

9. Материал штанг подбирается по приведенному напряжению.

В случае одноступенчатой конструкции штанг приведенное напряжение определяется в (Па):

где - максимальное напряжение в опасном сечении колонны, которое равно:

где - среднее напряжение цикла, действующее на верхнее сечение штанг, определяется по формуле:

- предельная амплитуда изменения напряжения

где - плотность жидкости, кг/м³

D_пл и d – соответственно диаметр насоса и штанг, мм

_шт – плотность материала штанг, _шт =7850кг/м³

L – глубина подвески насоса, м

S – длина хода полированного штока, м

е_с = 1,05 средний кинематический коэффициент станка-качалки

= ( )/30 – угловая скорость кривошипов

g = 9,81- ускорение свободного падения, м/с

10. Определяется мощность электродвигателя.

В литературе приводится ряд формул для определения мощности электродвигателя.

Наиболее точными являются формулы Авинмаша, Ефремова и АаНИИ.

По расчетной велечине мощности электродвигателя выбирается тип.

Расчет по формуле Ефремова Д. В.

где D_пл – диаметр плунжера насоса, м²

s и n – длина хода и число качаний

- плотность жидкости, в кг/м³

Н_дин – динамический уровень, м

- к.п.д. насоса, =0,9

- к.п.д. станка-качалки, = 0,82

k – коэффициент степени уравновешенности станка- качалки. Для уравновешенной системы k = 1,2

- коэффициент подачи насосной установки, =0,65-0,85

Номинальная мощность – 4 кВт

Электродвигатель – АОП-42-4

Сталь марки – 20Н2М

Вид термической обработки – нормализация.

Условия эксплуатации по корозионности продукции скважины – некорозионные.

Допускаемое приведенное напряжение в штангах не более – 90 мПа

Устьевой шток – ПСШ-3

Подвеска сальникого штока – ШН19.