Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

1202

.pdf
Скачиваний:
17
Добавлен:
15.11.2022
Размер:
11.7 Mб
Скачать

Максимальное напряжение в точке подвески штанг

®max ~

-^max/fl»

~ ] г Р ш Ф ~

\ ~ гп )

:==Рж~\~+ Ф

(Ч^1+ т

) =

Р т а х

— Р ж

= 15,5-103 +

(2 3 ,1 -3 8 8 +

16,4-814) (0 ,8 8 5 +

0,2) =

39,7 103 Н.

Следовательно,

 

 

 

 

атах =

3 9 ,7 -103/2,83-10“4 =

14010е

Па.

 

 

Такое напряжение допустимо для штанг из стали 40.

Задача 62. Подобрать равнопрочную трехступенчатую колонну насосных штанг из стали 20 НМ диаметром 25, 22 и 19 мм для ра­ боты вставного насоса с Dnn = 32 мм на глубине L = 2500 м; плотность нефти р = 950 кг/м3; фактор динамичности т = 0,3; плотность стали рш = 7850 кг/м3.

Расчет ведем вторым способом, при котором максимальные напряжения в каждой ступени штанг равны между собой.

Исходя из условий равнопрочности опасных сечений колонны насосных штанг, определяем длину отдельных ступеней (счет

индексов

сверху)

по формулам:

 

1

Т

[<7ж2 + Яг Ф+ т)1 — 1) .

(VI.28)

12 — ^

/

1

 

 

 

Я\у(3 — ------ — )

Ф + т)

 

1

тЯж + У 2z)

+ qx (b + m) .

(V I.29)

3 —

 

/

1

1

\ ’

 

 

„(» + „) ( 3

- _

- T

)

 

/1

L {h +

^з)>

 

 

 

(V I.30)

где qiK— вес столба жидкости

высотой

1 м над плунжером; b

коэффициент потери веса штанг в жидкости; /х, /2 и /3 — площади

поперечного сечения

штанг; qlt q~

и q3 — вес 1 м штанг; х =

= h h

у = Ш

* =

h/fs-

 

В нашей задаче эти величины равны:

<7Ж=

7,46 Н;

b =

(рш- р)/рш=

(7850 - 950)/7850 = 0,88;

Штанги диаметром 25, 22 и 19 мм имеют сечение соответственно:

fx =

4,9

см2,

/2 = 3,8 см2 и /3 =

2,83

см2.

Вес 1

м

этих

штанг

равен: qx = 40,2 Н; q2 = 30,8 Н и q3 =

23,1

Н; х =

4,9/3,8 =

1,29;

у =

3,8/2,83

= 1,34; 2 = 4,9/2,83

=

1,73.

 

 

 

 

 

Подставив

числовые значения

величин в формулы (V I.28),

(V I.29) и (V I.30), найдем длину отдельных ступеней колонны штанг:

 

U=

2500

[7.46-1.73 + 40.2 (0.88 +

0.3)] (1 .34 -1)

=

^

м;

 

 

 

 

40,2-1,34 ( 3 - -j-jg- -

-j- g j) (0,88 + 0,3)

 

 

 

 

 

/„ =

2500

7’46<|,29+ 1.34_2, 1,73)+ 40,2 (0,88+ 0,3)

=

14?()

 

 

 

40,2 (0,88 + 0,3)

 

 

 

Г^34~)

 

 

 

 

 

=

2500 - (455 + 1470) = 575

м.

 

 

 

 

 

 

121

Найдем максимальное напряжение в точке подвески штанг:

^шах =

-^тах//1> ГДе

 

 

 

Рта\ =

“f" РшФ Н- ^l)= ЧжФ“Ь {.9x^1Н- 9^2 “f" 9з^з) Ф “Ь

=

= 7,46 •2500 +

(40,2 •575 +

30,8 •455 +

23,1-1470) X

 

х (0 ,8 8 + 0,3) =

102,3-103

Н.

 

 

Следовательно,

 

 

 

 

ошах =

102,3-103/4,9-10-4 =

2 0 9 -106 Па.

 

 

Такое

напряжение допустимо только

для штанг из

стали

20НМ.

Задача 63. Подобрать по приведенному напряжению односту­

пенчатую колонну насосных штанг для работы насоса с Dnn = 93 мм на глубине L = 500 м. Плотность добываемой нефти р = 850 кг/м3; плотность материала штанг рш = 7850 кг/м3; длина хода сальни­ кового штока 5 = 2,1 м; число качаний в минуту п = 12.

Как показали исследования И. Л. Фаермана, насосные штанги обычно разрушаются не вследствие статического перенапряжения, а в результате усталости металла. Поэтому правильнее рассчиты­ вать колонну штанг не по максимальному напряжению в опасном сечении, а по «приведенному напряжению», зависящему как от максимального напряжения ашах, так и от предельной амплитуды изменения напряжения аа.

А. С. Вирновский, пользуясь зависимостью И. А.Одинга, пред­ ложил на основе элементарной теории расчетное уравнение для определения приведенных напряжений в любом сечении колонны

насосных

штанг:

 

^пр

V^max^imax'-*а»

(VI.31)

где агаах — максимальное напряжение в опасном сечении колонны, которое равно оср + аа. Здесь аср — среднее напряжение цикла, действующее на верхнее сечение штанг, определяемое по формуле

(VI.32)

Приняв предварительно диаметр штанг d — 22 мм, получим по формуле (VI.32)

500-9,81 [850 (0 ,5

93а

l ) + 7850] =71,8-10® Па;

22а

оа = 500-9,81 (575-|§^- + 1,05• 7850 1

1) = 57,9• 10е Па,

122

где /с = 1,05 — средний кинематический коэффициент станкакачалки; а) = пп/30 = 3,14-12/30 = 1,255 — угловая скорость кривошипов.

Следовательно,

а шах = 71,8 -f- 57,9 = 139,7 •106 Па.

По формуле (V I.31)

опр = / 139,7 - 57,9 = 89,9- 10е Па.

Проверим напряжение в точке подвески штанг, для чего опре­ делим максимальную нагрузку на штанги, пользуясь статическим методом по формуле (V I.22)

Лпах = Рж+ Ли (b н-- 1440~) = FnnPgL +

+

+

- т г ) ~

67,9- Ю-4-850-9.81 -500 +

+

3,14-9,81 -500 (

785°87 0850

-I-

= 45.35-10» Н,

где b — коэффициент, учитывающий потерю веса штанг в жидко­ сти; FnJl = 67,9 см2 — площадь сечения плунжера диаметром 93 мм; <7Ш= 3,14 кг — масса 1 м штанг диаметром 22 мм с муфтами.

Максимальное напряжение в точке подвески штанг

<Тшах =

P m Jfm = 4 5 ,3 5 -103/3,8- Ю"1 =

120-106 Па,

где /ш =

3 ,8 -10"4 м2 — площадь сечения

штанг.

Подберем сталь для штанг, исходя из установленных норм

допускаемых

приведенных напряжений сгпр.

В данном

случае по приведенному напряжению подходят нор­

мализованные никельмолибденовые (НМ) штанги с с1ш = 22 мм. Они же удовлетворяют требованию о максимально допустимом напряжении (150 МПа). Следовательно, эти штанги соответствуют условиям работы.

Задача 64. Подобрать марку стали для насосных штанг на основе допускаемого приведенного напряжения в точке подвески штанг,

пользуясь номограммой Я. А. Грузинова (рис.

V I.9).

 

Исходные данные: глубина спуска насоса L =

1000 м; диаметр

плунжера

насоса

Dnn = 43

мм; длина хода сальникового штока

5 = 1,8

м;

число

качаний

в минуту п = 12; диаметры

ступеней

колонны

dj = 19

мм и ^

= 22 мм; длина ступеней

колонны

1Х= 580 м (58%) и /2 = 420 м (42%).

 

 

Начальную точку номограммы (см. рис. V I.9) на оси

абсцисс

соединим с точкой 19-мм штанг, находящейся

на

пунктирной

линии 43 (системы I), а конечную точку на той

же

оси, 2,5 км

соединим с точкой пересечения линий п = 12 и S =

1,8 м (системы

II). Через точку 1,0 км на оси абсцисс восставим перпендикуляр

123

(пунктирная линия) до пересечения с прямой 0 — 19 мм (пунктирная линия) в точке А. Затем через полученную точку А проведем пря­ мую, параллельную линии 2,5 км, — В. Из точки 0,42 км на оси абсцисс (длина верхней ступени колонны штанг) восставим перпен­ дикуляр до пересечения его с указанной параллельной линией в точке С. Точка С находится на горизонтали, соответствующей приведенному напряжению опр = 66 МПа. Следовательно, нижняя ступень штанг имеет это напряжение в точке подвески, что допу­ стимо для штанг из углеродистой стали 40.

Рис. V I.9. Номограмма Я- А. Грузинова для подбора колонн на­ сосных штанг

Для определения напряжения в точке подвески верхней сту­ пени штанг из точки С опускаемся вниз до точки Д на расстояние, равное отрезку c'd' между осью ординат и линией 0— 19—22 мм (системы III).

Через точку Д проводим прямую ДВ, параллельную линии 2,5—Е , до ее пересечения с осью ординат. Точка В соответствует приведенному напряжению = 65 МПа.

Таким образом, для верхней ступени также вполне пригодны штанги из углеродистой стали 40. При этом вся колонна штанг будет равнопрочная, так как приведенное напряжение для обеих ступеней практически одинаково.

9.РАСЧЕТ УТЯЖЕЛЕННОГО НИЗА КОЛОННЫ НАСОСНЫХ ШТАНГ

Задача 65. Определить вес утяжеленного низа и необходимое число утяжеленных штанг, если: диаметр трубного насоса DH= = 56 мм; глубину подвески насоса L = 940 м; условный диаметр

124

насосно-компрессорных труб dr = 89 мм; диаметр нижней ступени насосных штанг dm = 22,2 мм; длина хода полированного штока 5 = 1,8 м; число двойных ходов в минуту л = 11; относительная

Си,г, кН

\\ф- \4S>*

П

t

' 1ч\

4 8 12 16 20 2Ъ N

Рис. VI.10. Номограмма для подбора утяжеленного низа колрнны насосных штанг.

dm, мм / — 22,2; 2 — 19

плотность добываемой жидкости рж = 0,92; динамическая вяз­ кость жидкости 11 = 18,8 мПа-с.

Для решения задачи можно использовать номограмму, состаленную по методике Н. В. Зубкова (рис. V I. 10) г. В первом квад-

1 Т о н к о н о г В . М. Номограммы для подбора утяжеленного низа ко­ лонны штанг. — «Нефтепромысловое дело», 1975, № 7, 49 с.

125

ранте этой номограммы на оси абсцисс нанесены значения глубины спуска насоса и ряд прямых наклонных линий, выражающих величины S •п для нефти соответствующей вязкости (18,8 мПа-с) и заданного диаметра нижней ступени насосных штанг. На оси орди­ нат первого квадранта нанесены значения изгибающих усилий GH3r. Во втором квадранте нанесены линии диаметров насосно­ компрессорных труб для соответствующих диаметров насосных штанг, а на оси абсцисс приведены значения необходимого веса утяжеленного низа Gyx. В третьем квадранте нанесена линия диаметра штанг, применяемого в качестве тяжелого низа, а на оси ординат — необходимая их длина L. В четвертом квадранте на оси абсцисс приведено потребное число тяжелых штанг. Номо­ грамма построена для относительной плотности жидкости рж = 1. Чтобы определить потребное число тяжелых штанг при другой плотности жидкости, достаточно найденное по номограмме число штанг умножить на соответствующую плотность жидкости.

Для условий задачи согласно номограмме (ход решения пока­ зан стрелками) мы найдем вес утяжеленного низа GyT = 4,2 кН,

 

 

 

 

 

число4'"утяжеленных штанг с йш =

 

 

 

 

 

=

25,4 мм — 14; с поправкой на

 

 

 

 

 

плотность

жидкости N = 1 4 -0 ,9 2 =

 

 

 

 

 

= 12,9. Принимаем 13 штанг.

 

 

 

 

 

10.

РАСЧЕТ

ПОДЛИВА

ЖИДКОСТИ

 

 

 

 

 

В

ЗАТРУБНОЕ

ПРОСТРАНСТВО

 

 

 

 

 

НАСОСНЫХ

СКВАЖИН,

 

 

 

 

 

 

 

ОСЛОЖНЕННЫХ

ПЕСКОМ [18]

0,1

0,2

0,0

 

 

Задача

66.

Для

определения

0,4 <?_

количества жидкости, необходимой

 

 

 

 

 

для выноса на поверхность раз­

Рис. V I.11. График для определения

личных

фракций песка,

рекомен­

количества

жидкости

различной

дуется

пользоваться

 

графиком,

вязкости,

подливаемой

в насосные

составленным

АзНИИ

по добыче

скважины.

 

 

 

нефти (рис. V I. 11). На

этом гра­

V, Ма/с: / — Ы 0 - '

(вода); 2 — 10-10-®

(легкая

нефть); 3 — 50-10- * (тяжелая

фике по оси абсцисс отложены

нефть)

 

 

 

 

диаметры

песчинок

б,

а по оси

 

 

 

 

 

ординат — скорости

взвешивания

песка в восходящем потоке жидкости (скорости свободного паде­ ния песчинок в неподвижной жидкости) w. Кривые соответствуют жидкостям с различной вязкостью.

Для определения по этому графику скорости взвешивания песка в восходящем потоке жидкости надо взять на оси абсцисс точку, соответствующую расчетному диаметру наиболее крупных песчинок, восставить из нее перпендикуляр до пересечения с соот­ ветствующей линией вязкости и через найденную точку восставить перпендикуляр к оси ординат, на которой и находят искомую скорость w.

126

 

Необходимое

количество жидкости

при

v =

1

10 6

м2/с и

б =

0,3

мм

 

 

 

 

 

 

 

 

Q =

n ( D l - d l ) v - 86400/4 =

 

 

 

 

 

 

 

= 3,14(0,062 - 0 ,0 1 9 2)2 *0 ,045*86400/4 =

19,8

м3/сут,

 

где

D,, = 0,06

м — внутренний

диаметр

насосных

труб;

dn =

= 0,019

м — наружный диаметр

насосных

штанг;

v — скорость

восходящего потока жидкости, которая должна быть не менее, чем в два раза выше скорости свободного падения песчинок в неподвиж­ ной жидкости (v = 2w = 2-0,045 м/с).

И. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УТЕЧЕК ЖИДКОСТИ ИЗ НАСОСНЫХ ТРУБ

Задана 67. Определить утечку жидкости из насосных труб путем динамометрирования глубиннонасосной установки.

Для этого снимают две динамограммы: одну после установив­ шегося режима работы насоса при полностью заполненных насос­ ных трубах и другую после остановки насоса на известный про­ межуток времени, т. е. при понижении уровня жидкости в насос­ ных трубах.

По динамограммам с учетом масштаба определяем нагрузки на сальниковый шток при ходе плунжера вверх. Пусть эти нагрузки составляют: до остановки насоса при полностью заполненных

трубах Р 3 =

50 кН;

после

остановки

насоса

при неполностью

заполненных

трубах

Р 1из =

4,8

кН.

Время

остановки

насоса

t = 2 ч. Внутренний диаметр насосных труб dr =

62 мм; диаметр

насосных

штанг dm =

22 мм; диаметр

плунжера

насоса

Dnli =

= 56

мм;

 

плотность жидкости р = 900 кг/м3; глубина

скажины

Н =

1600

м.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Утечка жидкости из насосных труб составит

 

 

 

Qy, = (P3- P m) ,/T~ f"

"/j,'.

м»/сут,

 

 

 

(VI.34)

 

 

 

^пл — /ш

 

 

 

 

 

 

 

где /т — площадь проходного сечения

насосных труб;

/ш, FnJl

площади поперечного сечения соответственно насосных штанг и

плунжера. В нашем примере /т =

30,2 см2; /ш =

3,8 см2; Fnn =

= 24,6 см2.

 

 

 

 

 

Подставляя значения величин

в формулу

(V I.34),

получим

Qyr = (50 — 4,8) 103

24 6 _ 3)8

900*9,81-2

=

м3/сУт*

Найдем глубину,

до которой

опустится

уровень

жидкости

в насосных трубах (считая от устья скважины) за время остановки насоса (2 ч):

Ly = QyA h ~ L ) = 3,45/(0,00302 - 0,00038) = 1305 м.

127

Этот способ определения утечки жидкости можно применять лишь в тех случаях, когда трубы негерметичны ниже найденной глубины (1305 м). Расчет даст неточные результаты, если насосные трубы негерметичны выше указанной глубины.

12. РАСЧЕТ И ПОДБОР ГАЗОВЫХ И ГАЗОПЕСОЧНЫХ ЯКОРЕЙ

Задача 68. Подобрать газовый якорь, определить его размеры и коэффициент сепарации, если диаметр эксплуатационной ко­ лонны D = 168 мм; диаметр плунжера насоса ПпЛ = 43 мм; длина

хода сальникового штока S =

180 см; число качаний в минуту

п =

12;

глубина погружения насоса под динамический уровень

h =

50

м; содержание воды в

нефти 20% ; плотность нефти р =

=

850

кг/м3; нефть

легкая

с

кинематической

вязкостью v =

=

15-10-6 м2/с;

общий газовый

фактор G =

520 м3/м3;

трубный

газовый

фактор

GT =

25 м3/м3;

коэффициент

растворимости газа

а

=

5 10-6 м3/м3 -Па;

коэффициент использования объема якоря

а = 0,6; диаметр отделяющихся пузырьков газа 6 = 0,2 см.

 

Находим площадь сепарационного сечения якоря по формуле

Аллена

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F a =

65-10-6

уО 0Ч,

 

 

 

 

(VI.35)

где

F nJ1 = 14,6

см2 — площадь

поперечного

сечения

плунжера

насоса

диаметром 43

мм.

 

 

 

 

 

 

 

 

Подставляя

значения величин в формулу

(V I.35),

получим

 

 

Fя

6 5 -10“6-14,6-180-12

у' Ю4- 1 5 -10_6 = 91

см2.

 

 

 

 

0,6-0,2

 

 

Принимаем всасывающую трубу диаметром dn = 4,8 см. Диаметр корпуса газового якоря

D, = Y + 4 = /4 -91/3,14 + 4,82 = 11,8 см.

Такой якорь установить в скважине, имеющей диаметр колонны 168 мм, невозможно, поэтому необходимо применить многокорпус­ ный якорь. Принимая диаметр корпуса якоря Dn = 10,2 см, определим число корпусов

пк =

FjF'x = 91/64 = 1,42,

где F я — площадь сепарационного сечения газового якоря,

которая

равна

Р’я =

0,785 [(D ;)2 - d2] = 0,785 (10,22 - 4,82) = 64 см2.

Принимаем двухкорпусный газовый якорь (пк = 2). Минималь­ ная длина рабочей части каждого корпуса якоря

/mm = F unSl2aFn = 14,6-180/2■ 0,6• 64 = 34 см.

128

Практически длина каждого корпуса якоря для его удовлетво­ рительной работы должна быть не менее

/ = 20£я/2 = 20 •10,2/2 = 102 см.

Принимаем длину каждого корпуса якоря равной 100 см. Коэффициент сепарации газового якоря определяется по

формуле

 

 

 

 

 

 

 

Кс = (G,— GH)G„,

 

 

 

 

(VI.36)

где GH—■количество газа, проходящего через

насос, м3/м3:

О н -Ю 6 (° т+1оГ1 :

 

 

 

 

(VI.37)

Ся — количество газа,

приходящееся на газовый якорь, м3/м3:

Gn =

5-10*

(G — ар)

 

 

 

 

(VI.38)

р + 105

 

Fji,

 

 

где р =

рgh =

850 -9,81 -50 = 0,42

106 Па — избыточное давление

на приеме насоса; F CKB =

177 см2 — площадь сечения эксплуата­

ционной

колонны.

 

 

 

 

 

По формулам (V I.37)

и

(V I.38)

имеем

 

^

ins (25 — 5-10-°-0,42-10°)

. .

3. о.

 

^и—

Ю

(0,42 + 0,1) 10е

— 4,4

м/М ,

 

^

с 1П4

(520-5- 10-е. 0,4210е)

 

14,6

14,8 М /м .

 

5-10

(0,42 + 0,1)10°

' 177 — 64,2

Коэффициент сепарации

определим

по формуле (V I.36)

К с =

(G„ -

Gv)!Gn = (14,8 - 4 ,4)/14,8 = 0,7.

 

13.РАСЧЕТ УРАВНОВЕШИВАНИЯ СТАН КОВ-КАЧАЛО К

Задача 69. Расчет уравновешивания новых станков-качалок ведется по формулам АзИНМаша или по специальным номограм­ мам, а уравновешивание действующих установок обычно про­ веряется при помощи амперклещей.

Требуется подсчитать число плит, которые надо установить на хвосте балансира станка-качалки СКН2-615, если диаметр плун­ жера насоса d = 28 мм; площадь сечения плунжера F nn = 6,15 см2 (см. прил. 3); глубина спуска насоса Тд= 500 м; расстояние от

устья до динамического уровня hR = 450 м;

диаметр насосных

штанг duj = 16 мм; плотность жидкости,рж =

900 кг/м3.

Вес колонны насосных штанг составит

 

Pm = qmLb,

(VI.39)

где <7Ш— вес 1 м штанг с муфтами, qm — 16,4 Н; b — коэффициент, учитывающий потери веса штанг в жидкости, b = 0,875.

5 А. М. Юрчук

129

Т а б л и ц а V I.4

Вес и число противовесов для станков-качалок

Тип

Вес

одного

Вес

одной

Максимальное

Максимальное

противовеса

плиты

на ба­

число противо­

станка-

на

кривошипе

лансире qp.

весов на криво­

число плит на

качалки

 

V

Н

 

Н 0

шипах лк

балан'сире пg

 

 

 

 

CKH-G15

 

2 750

353

4

22

СКНЗ-915

 

358

16

СКН5-1812

 

2 060

353

4

15

11

5 700

324

4

18

СКН10-2115

100, 7 360,

 

 

4

 

5 890

Подставляя эти

величины в формулу (V I.39), имеем

Р ш= 16,4-500-0,875 = 7 ,2 -103 Н.

Вес жидкости

 

Рж = /1д/\1Лрж£ =

450 •6,15 •10"4•900 •9,81 = 2,44 •103 Н.

Общий вес балансирных грузов определяется по формуле

хб = (Рш+ P J2 ) - 1650 = (7 ,2 -103 + 2 ,4 4 -103/2) - 1650 =

= 6,77 •103 Я .

Число уравновешивающих плит

пб = *б/Яб,

где q6 — вес одной плиты, равен 353 Н (табл. V I.4);

яб = 6,77 •10°/353 = 19,2.

Проверку и окончательное уравновешивание станка-качалки проводим при помощи амперклещей.

Задача 70. Рассчитать роторное уравновешивание станкакачалки СКН10-3315, если диаметр плунжера насоса DnJl = 56 мм; глубина установки насоса L = 1200 м; глубина погружения насоса под динамический уровень h — 50 м; колонна насосных штанг двухступенчатая (22-мм штанги — 56% и 19-мм — 44% ); плот­ ность жидкости рж = 900 кг/м3; длина хода сальникового штока

5= 3,3 м; коэффициент потери веса штанг в жидкости b = 0,875. Вес двухступенчатой колонны штанг

Рш Lgb (0,56<7! -J- 0,44<72) =

 

=

1200- 9,81 •0,875 (0,56 -3,14 + 0,44 •2,35) =

28,9 •103 Я .

(здесь

qx и q2 — масса 1 м соответственно 22- и

19-мм штанг, кг).

Вес жидкости

 

Л к -^ п л

(£ — h) pyKg = 2 4 ,6 -10-4 (1200 — 50) 900-9,81 =

=

25 •103

Я .

 

130

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]