2.3.5. Особенности работы и расчета штанг с винтовыми насосами

В установках винтовых штанговых насосов используются на­сосные штанги, которые применяются и в СШНУ. Однако ус­ловия работы штанговой колонны, приводящей во вращение ротор винтового насоса существенно отличаются от условий ра­боты штанг в составе СШНУ. В отличие от СШНУ упругая ко­лонна штанг ВШНУ подвержена действию не только продоль­ных деформаций за счет собственного веса и гидравлической нагрузки, но и деформации кручения.

Угол закручивания верхнего сечения штанговой колонны за­висит от крутящего момента, длины колонны штанг, модуля сдви­га материала штанг и полярного момента инерции колонны штанг:

φ = kφML/ GI_p, (2.173)

где kφ — коэффициент, учитывающий отклонение оси сква­жины от вертикали и трение штанг в центраторах; М — крутя­щий момент насоса (в нижнем сечении колонны штанг); L — длина колонны штанг; G — модуль сдвига материала штанг, для стали G = 0,8—105 МПа; I_p— полярный момент инерции сече­ния, I_p = πd⁴/32; d — диаметр штанг.

Коэффициент трения колонны штанг может достигать зна­чительных величин (до 5—10), однако, если пренебречь влияни­ем сил трения и принять, что скважина вертикальная, то коэф­фициент можно считать равным 1.

Верхнее сечение колонны штанг при начале работы ВШНУ претерпевает предварительную деформацию кручения, состав­ляющую 10—30 оборотов (на всю длину колонны штанг) и нахо­дится в упругодеформированном состоянии, что обусловливает необходимость оснащения привода ВШНУ тормозным устройством и повышенные требования безопасности при демонтаже установки или при подъеме полированного штока.

Деформация растяжения колонн штанг и НКТ после вывода насоса на рабочий режим учитывается при начальной установке ротора относительно статора при монтаже установки. Расчет деформации колонны НКТ и штанг ведется аналогично расчету для соответствующих элементов СШНУ.

Как уже было сказано, при эксплуатации ВШНУ колонна штанг одновременно испытывает нагрузки от растяжения, кру­чения и изгиба.

Растягивающие нагрузки складываются от распределенной на­грузки от силы тяжести колонны G_шт и сосредоточенной (в сече­нии х = L) нагрузки от осевых сил в рабочих органах насоса F_po, которые в свою очередь складываются из гидравлической силы от перепада давления в насосе F_p и осевой составляющей силы в зацеплении рабочих органов F_z:

G_шт (x) = q^. g^. l ^* ≈ ƒgρ_шт *l, (2.175)

F_po = F_p - F_z , (2.176)

F_p=ρg(HS_k – lf) + ( ∆p_тр + p_у)(S_k – f), (2.177)

F_z = PSZ₂ / η_{гм ,} (2.178)

где q — масса 1 погонного метра штанг; g — ускорение свобод­ного падения; l* — расстояние от точки подвески насоса (х = L) до рассматриваемого сечения х (по вертикали); l— глубина подвески насоса по вертикали; f— площадь сечения штанг; р_шт — плотность материала штанг; S_k — площадь проекции контактных линий ра­бочих органов {S_k = (0,25d² + 2е²)} — для насосов с однозаходным ротором; S_k = 0,25(D_k — Зе)² — для МВН); ∆p_тр —потери давления на трение при движении жидкости в кольцевом пространстве; Р — давление насоса, Р = pgH + ∆р_тр + р_у; р_у — устьевое давление.

При H = 1 F_p = P (S_k – ƒ)

Крутящий момент, передаваемый штангами М_шт, складывает­ся из крутящего момента насоса М, момента трения вращения колонны штанг в центраторах М_тр и момента внутренних потерь в штангах на искривленных участках скважины М :

М_шт (х) = М + М_тр + М_н = k_м • М,

где k_м — коэффициент сопротивления вращению колонны в скважине, зависящий от координаты рассматриваемого сечения и профиля скважины. При расчетах можно принять k_м (0) = 1,1; η_гм = 0,5

Изгибающие нагрузки действуют на искривленных участках профиля скважины, а также в нижней штанге, компенсирую­щей эксцентриситет рабочих органов.

В зависимости от профиля скважины опасным может являть­ся одно из двух сечений колонны штанг:

— верхнее сечение колонны (х = 0), где действуют макси­мальные растягивающие σ_р и касательные t напряжения

(2.179)

— сечение, расположенное на искривленных участках про­филя, где возникают изгибающие напряжения

σ_н=Е_штd/2R (2.180)

где W_p — полярный момент сопротивления сечения штанг, W_p = πd 3/16; Е_шт — модуль упругости материала штанг; R — радиус искривления.

Расчет колонны штанг на статическую прочность может вес­тись с целью: 1) определения требуемого диаметра d или предела текучести (σ_т материала штанг; 2) коэффициента запаса прочно­сти в заданных условиях эксплуатации насоса; 3) предельной глу­бины спуска насоса. Условие статической прочности имеет вид:

(2.181)

где σ_экв — эквивалентные напряжения в сечении штанги; σ — суммарные нормальные напряжения, σ = σ_{p +} σ_н

Допускаемый коэффициент запаса прочности при расчете колонны штанг принимается равным 1,3—1,5.