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

книги из ГПНТБ / Юрчук, А. М. Расчеты в добыче нефти учеб. пособие

.pdf
Скачиваний:
93
Добавлен:
22.10.2023
Размер:
11.22 Mб
Скачать

коэффициенте подачи 0,7 на 7% больше заданного дебита. Если же по режиму работы скважины это недопустимо, необходимо изготовить в промысловой мастерской и установить на электродвигателе шкив соответствующего диаметра. Диаметр этого шкива определится из следующей формулы:

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

23. Определение давления на приеме штанговых глубинных насосов 1

Задача 36

Непосредственный замер давления на приеме штанговых глубин­ ных насосов связан с большими трудностями (с необходимостью спуска под насос глубинного манометра или замера динамического уровня по затрубному пространству). Эта задача может быть решена путем использования динамограммы работы насоса.

Для этого надо получить запись нагрузок при верхней (Рв х) и нижней (Рн нт) точках хода сальникового штока. В верхней точке действует пагрузка от веса столба жидкости в насосных трубах и веса насосных штанг в жидкости, а в нижней точке действует

только вес погруженных в жидкость насосных штанг.

 

 

Давление на

приеме

глубинного

насоса

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Р В . Т

I 3 ш

 

 

 

 

 

 

 

 

F ПЛ

 

 

где Нсп — глубина спуска

насоса

в

м; рш — относительная плот­

ность материала

насосных

штанг;

Рш— вес

колонны насосных

штанг в воздухе в кгс;

Р'ш — то же,

в жидкости в кгс (см. задачи

38

и 39);

Рв т

— нагрузка, действующая иа

головку балансира

в

верхней

точке,

в кгс;

Fnn — площадь сечения плунжера

насоса

в

см2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для решения этой задачи примем следующие исходные данные:

Рш = 2460 кгс;

Р'ш = 2190 кгс;

Рп т = 2900 кгс; диаметр

плун­

жера насоса D„ = 56 мм; Нсп =

9Ö0 м.

 

 

 

Для ускорения расчета можно пользоваться номограммой (рис. 57).

В ней в квадранте I приведена нагрузка в верхней точке Ръ т в кгс, в квадранте II — диаметр плунжера насоса DHв мм, в квадранте III — глубина спуска насоса Нси в м и в квадранте ГѴ — вес насосных штанг в воздухе Рш в кгс. По оси абсцисс квадранта I показан вес

1 И. Т. М и щ е н к о , и С. Б. И ш е м г у ж и и. Экспресс-метод оп­ ределения давления на приеме штанговых глубинных насосов. «Нефтепромыс­ ловое дело», 1971, № 1, с. 18—21.

190

насосных штанг в жидкости Р'ш в кгс и по оси абсцисс квадрантов

IIи III — давление на приеме насоса Рпр в кгс/сма.

Для решения этой задачи надо восстановить перпендикуляр из

точки

а (Р'ш =

2190 кгс) до точки б квадранта I

(Рв т =

2900 кгс).

Затем

из этой

точки

провести влево горизонталь

до

пересечения

с линией D„ = 56 мм

в

квадранте

II (точка в).

Далее

из точки а

опустить перпендикуляр

до

пересечения с

линией

Р ш =

2460 квс

в квадранте IV

(точка г). Из нее провести горизонталь

влево до

 

38

93

SB

68

93 т о

2000 3000

т о

5000

6000

 

Рис. 57. Номограмма для определения давления на приеме штан­ говых глубинных насосов.

пересечения с линией Нсп — 900 м в квадранте III (точка д). Из этой точки восстановить перпендикуляр к оси абсцисс, где и определится в точке е давление на приеме глубинного насоса рпо = 78 кгс/сы2

(7,65 МПа).

Следовательно, глубинный насос имеет очень большое погруже­ ние под динамический уровень.

24. Определение нагрузок на головку балансира

Задача 37

Определить максимальную нагрузку на головку балансира по формулам А. С. Вирновского, И. А. Парного и А. Н. Адонина и сравнить полученные результаты.

191

Дано: глубина подвески

вставного насоса L = 1800 м; диаметр

плунжера насоса Dn„ =

28 мм; внутренний диаметр насосных труб

с/т = 50,3 мм; колонна

насосных

штанг двухступенчатая —

длина

штанг верхней ступени

d'm = 22

м составляет 28%, или Іг =

504 м,

и длина нижней ступени

d'm =

19 мм составляет 72%, или

12 =

= 1296 м; станок-качалка СКН10-2115; длина хода сальникового штока s = 2,1 м; число качаний в минуту п = 12; плотность жидкости рж = 900 кг/м3.

Максимальная нагрузка на головку балансира может быть опре­ делена по различным формулам в зависимости от режима откачки жидкости.

По статической теории расчета учитываются только статические усилия (вес штанг и жидкости) и максимальное значение сил инер­

ции. По исследованиям А. Н. Адоипна,

граница между статическим

и динамическим режимами при откачке

жидкости с больших глубин

находится в зоне значений параметра

р =■

0,35 -ь 0,45 (са —

угловая скорость вращения кривошипов в радианах; а — скорость распространения звука в металле штанг в м/с). В настоящее время применяются в основном режимы при р <; 0,5.

Указанные значения р отграничивают большую область стати­ ческого режима работы штанговых насосов на глубинах до 1000— 1200 м, а также тихоходную работу на больших глубинах. За преде­ лами этой области, т. е. при значительном увеличении глубины и скорости откачки, следует применять динамическую теорию рас­ чета.

В наших условиях параметр р , характеризующий режим от­ качки, будет

w L _

а~

1,26-1800

= 0,445

( ( о = ^ - = 3,1т б12 = і . 26;

5100

 

 

а 5100 м/с^ .

Найденное значение р находится на границе между статическим

идинамическим режимами откачки жидкости.

1.Максимальная нагрузка по элементарной (статической) тео­

рии определяется по формуле [31]

Р макс “ Рж“Ь -Рш (Ь + т),

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

 

FШі£ря

6,15 • 1800 • 900

1000 кгс;

 

 

10*

10«

 

 

 

 

 

 

 

FnJ] = 6,15 см2 —

площадь

сечения

плунжера;

Рт — полный

вес

насосных штанг,

который

равен

+ q2l2 =

3,14-504 -|- 2,35

X

192

X 1296 = 4620 кгс (ql и </., — соответственно вес 1 м насосных

штанг диаметром 22 и 19 мм);

.

Рщ — Рж

~

7850 —900

0,885 -

_

'

Р^

7850

2,1 122

коэффициент потеріГ'веса штанг в жидкости;

т =

sn-

 

 

 

 

 

1440

1440

=0,21 — фактор динамичности. Следовательно,

Ршкс= 1000 4- 4620 (0,885 + 0,21) = 6050 кгс (59,3 кН).

2. Максимальная нагрузка на основе динамической теории по формуле А. С. Вирновского с учетом собственных колебаний ко­ лонны штанг [31 ] будет

Входящие в формулу величины имеют следующие

значения:

Рш= 4620 кгс — полный вес колонны насосных штанг;

Р',к — вес

столба жидкости между плунжером и штангами, который равен

Рж ( F ^ L - f ^ - Ш =

(6,15-1800-3,8- 504-2,83-1296) =

= 495 кгс;

Р'ік — вес столба жидкости от приема насоса до динамического уровня, который равен нулю, так как уровень находится у приема насоса; сІш— средний диаметр насосных штанг, эквивалентный диаметрам двухступенчатой колонны, с учетом их процентного соот-

ношения равный.—----^

-----— = 19,9 мм;

со =

1,26

рад — угло­

вая скорость; X — удлинение штанг от веса столба

жидкости:

Fплрш^-2

6,15 • 900 • 1800“

^ 0-7С

м-

 

Ё й ~

104 - 2,1 • 106 . зд — и’//э

 

(где /ш = 0,785 -1,992 = 3,1 см2 — средневзвешенная площадь попе­ речного сечения штанг диаметром 1,99 см); а и а1 — коэффициенты, зависящие от кинематики станка-качалки; коэффициент а — отно­

шение угла поворота кривошипа -у- к углу его поворота (считая от

начального неподвижного положения), при котором скорость

дости­

гает максимума; для СКН10-2115 при

s = 2,1 м

а =

1,15

[14];

коэффициент

определяется

из равенства

 

 

 

 

 

«с

2 - 0,86 _Q gfj

 

 

 

 

 

S

 

 

 

 

 

где г - 0,86 м — радиус кривошипа при длине хода

s

2,1 м; е —

отношение

площадей просвета

/ пл ■J n' =

?оо~~о'І =

0,18

 

(здесь

 

 

 

 

— /ш

ІУ»Ь— о Л

 

 

 

'18 Заказ

625

 

 

 

 

 

 

193

Ут= 19,8 см2 — площадь проходного сечения 50-мм насосных труб);

і|)— коэффициент, равный -

fT = ■■^|6S — = 0,74 (/^ — 8,68 см2—

/ т “г /ш

bibb *т 3,1

 

площадь сечения 60-мм труб по

металлу).

 

Подставив в формулу для Рмакс

найденные*числовые величины,

получим

 

 

 

 

Рмакс = 4620 + 495 +

У

’(4620+ ° ’3 ■° ’18 • 495) х

 

X |Д ),8 2 .0 ,7 4 - ^ ! р - +

2 • 9,81

4620 (1

^)х

1’153;

 

 

X ( ° ’82- Щ ^

) ~

6440 кгс (63 кН)-

 

На основе экспериментальных

работ,

проведенных в АзІіИИ

А. Н. Адониным, были установлены следующие пределы примени­

мости

формулы А.

С. Вириовского:

 

 

 

 

 

р = — SS 0,785;

 

 

 

 

^

а

 

 

 

3 8 500

0

38 500

2 л * 19

кач/іМин

 

п = —

------ 2

1800

 

 

 

 

 

 

(значение п найдено

из

предыдущей формулы при а = 5100 м/ч).

В нашей задаче р = 0,445

и п — 12, поэтому формула Вирнов-

■ского

применима.

 

 

 

 

 

3.Максимальная нагрузка на основе динамической теории'

формуле И. А. Парного [31]

 

■^макс— РЖ і Рш(Ь-

sit2

 

t g

р

 

1800

*

р

)•

 

 

 

 

 

 

В этой

формуле t g p

— коэффициент,

 

учитывающий эффект

вибрации штанг, а р -

параметр, характеризующий режим откачки,

равный 0,445 рад/с =

0 ,4 4 5 • 180

=

 

25,4 град/с;

 

 

 

3,14

 

 

 

 

 

 

 

t g p

_

t g 25,4

_

0,47 _

л

п 7 с

 

р

' 0 ,4 4 5

 

0 ,445

 

 

Таким

образом,

 

 

 

 

 

 

 

 

Рмакс = 1000 + 4620(0,885 + ^ У

^ 1,075) -

5950 кгс (58,5 кН).

4.Максимальная нагрузка на основе динамической теории

эмпирической формуле А. Н. Адонииа [14]

 

m rn

2 , 2 4 “ 0 , 3 3 L 1 0 * + 250s,

Р макс —

Т Р ж + ( Р ш + Ь Р ж ) 9Ö6T

194

где е = 0,18 — отношение площадей просвета; т — кинематиче­ ский коэффициент, который для станка-качалки СКН10-2115 при

радиусе кривошипа

г = 0,86 м и длине шатуна

Іш = 3,3 м будет

т

Mil

 

1,3.

 

 

Подставив в формулу найденные

величины,

получим

Рнакс = 4620 +1000 +

(4620 + 0,18 • 1000)

1,3 • 0,86 • 12 2 , 2 4 0,3 3 « 1800-1о- *

это

+

+ 250.2,1 = 6150 кгс (60,3 кН).

Как видно из полученных расчетов, наибольшее значение на­ грузки па головку балансира получается при динамическом режиме работы по формуле А. С. Вириовского, которая дает наиболее близ­ кое совпадение с практическими результатами непосредственного замера динамографом действующих на сальниковый шток нагрузок.

 

О

Ход сальникобого штока, мм

 

 

\0Рs-

Ю Z0 30 40 50 ВО

70 во 30 WO IW по

во

 

 

 

 

О70

ъ в ,

 

 

с

е

во

2

о 3

—h

 

*

50

1

 

сд

40

1

L

 

ю ^

 

а5; I3

30

и

/

 

 

о

 

- d

с;

го

в

 

ijо

 

 

 

 

 

10

 

 

 

 

 

Масштаб хода Г.30, Масштаб усилий /%-вОкгс

Рис.

58.

Динамограмма работы

штангового

насоса.

Задача 38

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

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

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

Нагрузки на штанги, возникающие от указанных причин, дей­ ствуют одновременно, и для практических целей необходимо знать их совокупное действие. Но ввиду сложности определения динами­ ческих нагрузок расчетным путем можно пользоваться более точ­ ным и простым способом — непосредственным измерением этих нагрузок при помощи динамографа.

По динамограмме нормальной работы глубинного насоса (рис. 58) требуется определить максимальную и минимальную нагрузки на

13*

195

•сальниковый шток, амплитуду колебаний нагрузки, максимальное напряжение в верхней штанге и коэффициент подачи насосной установки, если масштаб усилий динамографа составляет 80 кгс на одно деление 100%-ной шкалы (1%), а масштаб хода равен 1 : 30.

Максимальное усилие в точке М и минимальное в точке А будут

-Рмакс= 80 кгс • 65 = 5280 кгс (51,7 кН)

Рті„ = 80 кгс ■27 = 2160 кгс (20,2 кН).

Амплитуда колебаний нагрузки за один цикл (ход вверх и вниз)

А = Р„акс - 𠹄 = 5280-2160 = 3120 кгс (30,5 кН).

Рис. 59. Номограмма для определения статических нагрузок на головку балансира.

Максимальное напряжение

в верхней штанге диаметром 22 мм

и площадью сечения /ш =

3,8 см2

< W = - 2 = -

=

1390 „гс/с„* (13,в - f b ) .

Потеря хода плунжера ЪВ вследствие деформации насосных штанг и труб

К = (28 —18)30 = 300 мм.

Коэффициент подачи насосной установки,

учитывающий наполне­

ние насоса и упругие удлинения штанг

и

труб,

ВС

110— 28

а п

Ч = Ä T = 1W =18 ~

0’9-

196

Задача 39

Определить статические нагрузки и удлинение насосных штанг и труб при помощи номограммы Р

Величина нагрузки от веса насосных штанг, погруженных в жид­

кость, Р'ш =

qL,

где

q — вес 1 мштанг в жидкости,

L — глубина

спуска насоса в м.

жидкости Рж= 0,1 FLpж, где

F — площадь

Нагрузка

от

веса

сечения плунжера в см2; рж — относительная плотность жидкости. Удлинение насосных труб и штанг под действием нагрузки от

веса жидкости определяется по формуле

РжЬ

Е

где /ш— площадь сечения насосных штанг в см2; /т — площадь живого сечения тела насосных труб в см2; Е — модуль упругости стали в кгс/см2.

Для облегчения и ускорения вычисления Р'ш, Ржи X предложена номограмма (рис. 59). Устройство ее и применение поясним на сле­ дующем примере. Определим Р'ш, Ржи К при следующих данных:

L =

1000 м,

Dnn =

56 мм,

Dr =

76 мм (внутренний),

сіш =

22 мм,

р ж =

° , 9 .

абсцисс

левой

части

номограммы из точки

L =

1000 м

На оси

проводим вертикаль до пересечения с линией плотности жидкости рж = 0,9. От найденных точек проводим горизонталь вправо до пере­ сечения с линиями диаметра плунжера насоса и насосных штанг в правой верхней части номограммы. Затем проводим вертикаль вниз до пересечения с осью абсцисс Р. Точки пересечения определят

Рж= 2210 кгс (21,6 кН) и Р'ш = 2810 кгс (27,6 кН). Далее для определения X проводим вертикаль вниз из точки Рждо пересечения с линией глубины спуска насоса L. Из найденной точки проводим горизонталь влево до пересечения с линиями диаметра насосных труб и насосных штанг. Из точек пересечения опускаем перпенди­ куляры до пересечения с осью деформации X и находим раздельно

Хт= 0,265 м иА,ш = 0,07 м; поэтому А, = Хтт Аш = 0,265 — 0,07 = - 0,335 м.

25. Расчет п подбор колони насосных штанг

Задача 40

Подобрать двухступенчатую колонну насосных штанг из стали 36Г1 для работы вставного насоса Dnn = 43 мм на глубине L =

= 1200 м при

факторе динамичности тп = 0,2;

плотность добывае­

мой нефти рн

=

900 кг/м3; диаметры штанг 16

и 19 мм.

Расчет ведем

по первому способу путем

определения точки,

в которой напряжение будет равно максимально допустимому [311.

1 С. Г. И б р а г и м о в

и др. Номограмма для обработки дпнамограмм

глубшшопасосных скважин.

АНХ, 1970, № 3, с. 32—33.

197

Длина нижней ступени штанг должна быть (счет индексов сверху)

7 oh РЖ

2 _ ffа (&+"») ’

где а = 1500 кгс/см2 — максимальное допустимое напряжение;

Рж— вес столба

жидкости над плунжером, который равен

=

_

Ььб • 900j_I200

_

 

-[5 ßQ кгс

 

_

 

14,6

с м 2

— площадь

сечения

плунжера);

Ъ =

 

Рш~ Р"- =

 

 

 

=

0,885 — коэффициент по­

тери

веса

штанг

 

в

жидкости;

 

/ 2 =

2

см2 — площадь

сече­

ния

штанг диаметром

16 мм;

д2 =

1,67кг— масса

1м этих штанг.

 

Находим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 5 0 0 - 2 — 1560

=

800 м.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,67 (0,885 +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,2)

 

 

 

 

 

Длина

верхней

ступени

штанг

 

 

 

 

 

 

 

 

,

 

о

( / і - / а )

1500 (2 .83 — 2,0)

_ / о п

 

 

 

 

1

 

<1і ( Ь + т )

2,35 (0,885 +

0,2)

 

 

 

где / х = 2,83 см2

 

площадь сечения

штанг диаметром

19 мм;

(/1

=

2,35 кг — масса

1 м этих

штанг.

L = 490 +

800 =

1290 м)

 

Общая

длина

 

двух ступеней

(Д +

получилась несколько больше заданной глубины подвески насоса; следовательно, третья ступень не требуется. Для подвески насоса на 1200 м следует уменьшить длину верхней ступени на 90 м, и она

будет 490 — 90 =

400 м.

 

Максимальное

напряжение в точке подвески штанг

Р макс

4 0 3 0

1424 кгс/см2 (13,9 кН/см2),

 

Т\

"2Ж

где

 

 

 

 

Рмакс = Рж+ Рщ Ф + т) Рж + ІЯіЬ + Qzk) (b + m) —

= 1560 + (2,35.400ч -1,67 - 800) (0,885 + 0,2) = 4030 кгс (39,6 кН).

Такое напряжение допустимо для штанг из марганцовистой стали

36Г1.

Задача 41

Подобрать равнопрочную трехступеичатую колонну насосных штанг из стали 15НМ диаметром 25, 22 и 19 мм для работы вставного

насоса

DnJl =

32 мм на глубине L =

2500 м; плотность нефти р„ =

= 950

кг/м3;

 

фактор

динамичности

т =

0,3.

Расчет ведем по второму способу,

при

котором максимальные

напряжения

в

каждой

ступени штанг

равны между собой [31].

Исходя из

условий равнопрочное™ опасных сечеиий колонны

198

насосных штанг, определяем длину отдельных ступеней их (счет индексов сверху) по формулам:

, _

т [?жг+(?і (&+ '»)](!/—!) .

 

^

/

і

1 \

 

 

 

^ ( 3~

- т

) <

0+ т >

7

г

<7ж (®+ г/ — 2z)+ 7! (ö +

m) _

Н - ь

 

 

i

р — >

 

 

ft (* + "•> ( з - -

)

где qx = 0,76 кгс — вес 1 м жидкости над плунжером; Ъ _Рш Рп

Рш

7850 —950

0,88 — коэффициент потери веса штаиг в жидкости;

7850

 

/ 1, / 2 и /з — площади поперечного сечения штанг диаметром 25, 22 и 19 мм, соответственно равные 4,9; 3,8 и 2,83 см2; qx, q2и q3 — масса

1 м штанг диаметром

25,

22

и

19 мм,

соответственно

равная

4,1;

3,14 и

2,35 кг;

 

х =

=

у |

=

1,29;

у = ^

= 1,34;

z =

/1

4,9

л

по

 

 

 

 

 

 

 

~

2,S3

 

 

 

 

 

 

 

Подставив числовые значения величин, найдем длину отдельных

ступеней колонны

штанг:

t

_

L

[0,76 • 1,73 + 4,1 (0,88+0,3)] (1,34 —1)

 

 

 

4'‘ - ‘-34( 3- і І 9 — ііт)<.0'88+ад)

 

 

 

= 0.217L = 0,217 - 2500 = 542 м;

г

_

L

0,76 (1,29+1,34 —2 • 1,73) + 4,1 (0,88+0,3) _

 

 

 

4,1 (0,88+0,3) ( з — Щ — Щ - )

= 0,557L = 0,557 • 2500 = 1390 м;

11 = Ь — Іг— 13 — 2500 - 542 —1390 = 568 м.

Найдем максимальное напряжение в точке подвески штанг:

< w =

= y i p

= 2140 кгс/см2

(21’° кН/см°“)’

где

 

 

 

P макс —• Р у к 4“ P ш Ф -|-

7ж ^ 4~ (7]4i 4“

2 4“7 3^3) (fi 4“7?l)

= 0,76 • 2500 + (4,1 • 568 4- 3,14 • 542 + 2,35 • 1390) (0,88 + 0,3) =

= 10 500 кгс (103 кН).

Такое иапряжение может быть допущено только для штаиг из стали 15НМ.

199

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ