Расчёты в добыче нефти

j

Для указанного условия (минимума напряжений в штангах) основные параметры работы насоса связаны между собой следую­ щей зависимостью:

Для определения наивыгоднейшего режима, соответствующего минимальному напряжению в штангах, возьмем ряд возможных режимов. Вначале задаемся для принятого типа станка-качалки СКН10-2115 возможными значениями S и находим по формуле (VI. 16) соответствующие им значения п.

Площадь сечения плунжера FnJl (в см2) находим для принятых значений 5 и вычисленных значений п по формуле для подачи насоса:

вычисленных значений Fn„ и принятых значений п находим по

Ш

JJ

Из таблицы видно, что заданным условиям удовлетворяют третий и четвертый, так как только при этих режимах S u n нахо­

Для выбора самого выгодного режима определим для третьего и четвертого режимов максимальные значения нагрузок в точке

где b — коэффициент потери веса штанг в жидкости, который равен (рш— р)/рш, гДе Рш — плотность материала насосных штанг (стали), рш = 7850 кг/м3.

Ь = (7850 - 900)/7850 = 0,885:

Sn2/1440 — фактор динамичности.

= 63,6-103н.

112

Частоту обрыва штанг на скважино-год можно определить по формуле А. С. Вирновского

где В — коэффициент, зависящий от качества стали.

Так как качество стали и длина насосных штанг L для каждой скважины постоянные величины, то частота обрыва штанг про­ порциональна параметру К , определяемому только переменными величинами п, DnJl и йш.

Ввиду того, что наибольшее число обрывов (в среднем до 50%) наблюдается, как правило, в верхней части колонны штанг, расчет ведем для верхней ступени штанг с с1ш — 22 мм.

Для третьего режима

Для четвертого режима

K iv = 1 3 ,2 ( - i i L ) 3 = 1 1 2 .

Следовательно, и с точки зрения частоты обрывов штанг четвер­ тый режим будет самым выгодным.

Полученные расчетным путем режимные параметры (ОпЛ и п) получились нестандартными. Принимая для четвертого режима стандартный диаметр плунжера 43 мм, найдем необходимое число качаний в минуту:

4 48

И = 1 3 '2 Т Ж = 14' Но так как принятый станок-качалка СК.Н 10-2115 рассчитан на

стандартные числа качаний 9, 12 и 15, надо взять ближайшее большее число качаний 15, при этом насос при коэффициенте подачи 0,7 будет развивать дебит на 7% больше заданного. Если же по режиму работы скважины это недопустимо, то необходимо изготовить шкив соответствующего диаметра и установить его на электродвигателе. Диаметр этого шкива определится по формуле

где п = 14 — число качаний в минуту; dp = 990 мм — диаметр шкива редуктора; i = 29,75 — передаточное число редуктора; пэл = 1470 — число оборотов вала электродвигателя в минуту.

7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗОК НА ГОЛОВКУ БАЛАНСИРА СТАНКА-КАЧАЛКИ

Нагрузки, действующие при работе глубинного насоса в точке подвески насосных штанг, состоят из:

1) статических нагрузок от веса насосных штанг и жидкости, а также сил трения плунжера в цилиндре насоса и сил трения насосных штанг о трубы;

113

2) динамических нагрузок, вызываемых силами инерции движущихся масс насосных штанг в жидкости, а также вибрацией штанг.

Нагрузки на штанги, вызванные этими причинами, действуют одновременно, и для практических целей необходимо знать их совокупное действие. Эти нагрузки можно определить расчетным путем по формулам разных авторов. Но ввиду сложности расчет­ ных методов можно пользоваться более простым и точным спосо­ бом — непосредственным измерением этих нагрузок при помощи динамографа.

модуль упругости для стали Е = 0,21 ТПа.

Максимальную нагрузку на головку балансира можно опре­ делить по различным формулам в зависимости от режима откачки жидкости.

По статической теории расчета учитываются только стати­ ческие усилия (вес штанг и жидкости) и максимальное значение сил инерции. По исследованиям А. Н. Адонина, граница между

В настоящее время применяются в основном режимы с р- < 0,5. Указанные значения р, ограничивают большую область стати­ ческого режима работы штанговых насосов на глубинах до 1000— 1200 м, а также тихоходную работу на больших глубинах. За пределами этой области, т. е. при значительном увеличении глу­ бины и скорости откачки, следует применять динамическую теорию расчета.

Определим угловую скорость кривошипов о) = шг/30 = 3,14-12/30 = 1,26.

Скорость распространения звука а = 5100 м/с. Параметр р,, характеризующий режим откачки, будет

р. = аЬ/а = 1,26-1800/5100 == 0,445,

114

Найденное значение [д. находится на границе между статиче­ ским и динамическим режимами откачки жидкости.

1. Максимальная нагрузка по элементарной (статической) теории определяется по формуле

где Рж — вес столба жидкости над плунжером высотой, равной глубине установки насоса L (предусматривается наиболее слож­ ный случай, когда динамический уровень находится у приема насоса):

А. С. Вирновского с учетом собственных колебаний колонны штанг определяется по формуле

жидкости между плунжером и штангами, определяемый из выра­ жения

115

Р ж — вес столба жидкости от приема насоса до динамического уровня, который равен нулю, так как уровень находится у приема насоса; dm— средний диаметр колонны насосных штанг, экви­ валентный диаметрам двухступенчатой колонны с учетом их процентного соотношения, следовательно,

шение угла поворота кривошипа я/2 к углу его поворота ср (считая от начального неподвижного положения), при котором скорость

(где /т = 19,8 см2 — площадь проходного сечения 50-мм насосных труб); ф — коэффициент, равный

Ф = Ш т + W = 8,68/(8,68 + 3,1) = 0,74.

Здесь Д = 8,68 см3 — площадь сечения 60-мм труб по металлу. Подставив в формулу А. С. Вирновского (V I.23) найденные

числовые величины, получим

На основе экспериментальных работ, проведенных в АзНИИ А. Н. Адониным, были установлены пределы применимости фор­ мулы А. С. Вирновского:

р = coL/a = 0,785.

116

Подставив вместо угловой скорости кривошипов со ее значение л/г/30, найдем предельное число качаний

В этой формуле tg р/р — коэффициент, учитывающий вибра­ цию штанг, а р — параметр, характеризующий режим откачки, равный 0,455 рад./с = 0,445 -180/3,14 = 25,4 градус/с

tg р/р = tg 25,4/0,445 = 0,470/0,445 - 1,055.

Таким образом, по формуле (V I.24)

Ли* = 9,81 •НУ+ 45,5-10» (0,885 + 2 ^ 1 2 1 1 ,0 5 5) =

=58,1 10s Н.

4.Максимальная нагрузка на основе динамической теории по эмпирической формуле А. Н. Адонина

(VI.25)

где т — кинематический коэффициент, который для станкакачалки СКН10-2115 при радиусе кривошипа г = 0,86 и длине шатуна 1Ш= 3,3 м равен

Подставив в формулу (V I.25) найденные величины, получим

Как видно из расчетных данных, наибольшие нагрузки на головку балансира получаются при использовании формул дина­ мической теории А. С. Вирновского и А. Н. Адонина. По этим же

117

формулам получено наибольшее совпадение с результатами непо­ средственного замера динамографом нагрузок, действующих на сальниковый шток.

Задача 59. Определить по динамограмме~работы глубинного штангового насоса (рис. V I.7) максимальную и минимальную нагрузки на сальниковый шток, амплитуду колебаний нагрузки, максимальное напряжение в верхней штанге и коэффициент подачи насосной установки, если масштаб усилий динамографа составляет 800 Н на одно деление 100%-ной шкалы (1%), а масштаб хода

Максимальное напряжение в верхней штанге диаметром 22 мм и площадью сечения /ш = 3,8 см3

<W = Лпах/L = 5 2 -103- 10V3.8 = 137-106 Па.

Потеря хода плунжера (см. рис. V I.7 отрезок В — b) вследствие деформации насосных штанг и труб

\ = (28 — 18) 30 = 300 мм.

Коэффициент подачи насосной установки, учитывающий напол­ нение насоса и упругие удлинения штанг и труб, равен отношению отрезков

Ч = ВС!Ad = ( 1 1 0 - 28)/(110 — 18) ^ 0,9.

Задача 60. Определить статические нагрузки и удлинение насосных штанг и труб при помощи номограммы 1.

Нагрузка от веса насосных штанг, погруженных в жидкость,

118

от веса жидкости определяется по формуле

(V I.26)

где /ш — площадь сечения насосных штанг, м2; /т — площадь живого сечения тела насосных труб, м2; Е — модуль упругости стали, Па.

Рис. V I.8. Номограмма для определения статических нагрузок на головку балансира станка-качалки

Для облегчения и ускорения вычисления Р'ш, Р ж и X предло­ жена номограмма (рис. V I.8). Применение ее поясним следующим

проводим вертикаль до пересечения ее с линиями плотности жидко­ сти рж = 900 кг/м3. От найденных точек проводим горизонталь вправо до пересечения с линиями диаметра плунжера насоса и насосных штанг в правой верхней части номограммы. Затем прово­ дим вертикаль вниз до пересечения с осью абсцисс Р . Точки пере­ сечения определят Р ж = 21,8 кН и Р'т = 28 кН. Далее, для определения X проводим вертикаль вниз из точки Р ж до пересече­

119

ния с линией глубины спуска насоса L. Из найденной точки проводим горизонталь влево до пересечения с линиями диаметра насосных труб и штанг. Из точек пересечения восставим перпен­ дикуляры до пересечения с осью деформации X и находим раз­

8. РАСЧЕТ И ПОДБОР КОЛОНН НАСОСНЫХ ШТАНГ

Для подбора ступенчатых колонн насосных штанг можно при­ менять два способа. При первом способе отыскивают точку, в которой напряжение будет равно максимально допустимому. При втором способе подбирают равнопрочную колонну ступенчатых штанг, для которой максимальные напряжения в каждой ступени штанг равны.

Задача 61. Подобрать двухступенчатую колонну насосных штанг из углеродистой стали 40 (прил. 7) для работы вставного

получилась несколько больше заданной глубины подвески насоса, следовательно, третья ступень не требуется. Для подвески насоса на 1200 м следует уменьшить длину верхней ступени на 111 м, и она будет равна 497 — 111 = 386 м.

120