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

где (?стр — страгивающая нагрузка для выбранных типа и размера труб в кгс; К — коэффициент запаса прочности, обычно принима­ емый равным 1,3—1,5; дтр — вес 1 м труб в кгс.

Для двухразмерной колонны длины секций будут

навливаются трубы меньшего размера, а по направлению к устью размер труб увеличивается.

Для труб с высаженными наружу концами прочность по телу соответствует прочности по нарезанной части трубы (равнопрочная

где (Д — растягивающее усилие, соответствующее пределу теку­ чести материала трубы, в кгс; Qx = F-^щ; <7і — вес 1 м трубы в кгс; F ± — площадь живого сечения труб в см2; щ — предел текучести в кгс/см2.

Для двухразмериой колонны длины нижней и верхней секций

где Qз = F3o'r" — усилие, соответствующее пределу текучести для труб третьей секции.

Предельные глубины спуска колони при фонтанно-компрессорной эксплуатации можно определить по таблицам приложений 7, 8 и 9.

Допустимое внутреннее давление для труб определяется по фор­ муле Барлоу:

50

где б — толщина стенки трубы в мм; стт — предел текучести в кгс/см2; dH — наружный диаметр трубы в мм; К = 2 — коэффициент запаса прочности.

Прочностная характеристика насосно-компрессорных труб дана в приложении 5.

V.ЭКСПЛУАТАЦИЯ СКВАЖИН ШТАНГОВЫМИ НАСОСАМИ

1.Определение производительности и параметров работы насосной установки

Теоретическая производительность глубиннонасосной установки определяется по формуле

гДе (?Ф — фактическая производительность насосной установки. Для ускорения и облегчания расчетов по определению теорети­

ческой производительности штанговых насосов можно пользоваться специальной таблицей (приложение 11) или номограммой Иванова, перестроенной нами для стандартных диаметров насосов и длин хода сальникового штока в соответствии с последним ГОСТ на станки-качалки 5866—66 (рис. 23). По этой номограмме можно найти любой из пяти параметров работы насосной установки (Q, D , s, п, ц) при четырех других известных. На практике чаще всего приходится определять D, Q и ц. Для определения диаметра плунжера D (при известных п, s, QT и ц ) необходимо из точки на левой ветви оси абс­ цисс, соответствующей значению числа качаний п, провести вер­ тикаль вверх до пересечения с лучом длины хода головки балан­

граммы надо взять точку на оси ординат, соответствующую факти­ ческой производительности насосной установки Q в м3/сут, провести из этой точки горизонталь вправо до пересечения с лучомц и из полу­ ченной точки провести вертикаль вверх до пересечения с горизон­ талью, проведенной ранее к лучам D. Найденная точка и определит диаметр плунжера насоса D. В случае, если эта точка попадет в про­ межуток между двумя лучами D, диаметр плунжера находят интер­ полированием, и он получается нестандартным. Тогда пользуются ближайшим стандартным значением диаметра, а для получения

заданной производительности соответственно изменяют значения: параметров s и п. Если принять больший диаметр, то следует в пер­ вую очередь уменьшить п и только при невозможности это сделать

Рис. 23. Номограмма для определения параметров работы штангового насоса

надо уменьшить s; если же принят меньший диаметр, то следуетувеличить s и только при отсутствии такой возможности увеличить п.

Для определения фактической производительности насосной уста­ новки Q (при известных п, s, D п ц ) необходимо на левой ветви оси абсцисс найти точку, соответствующую заданному значению и, затем провести вертикаль вверх до значения s, а из полученной точки провести горизонталь вправо до пересечения с лучом D, после чегп опустить вертикаль до луча ц и, наконец, провести горизонталь

52

влево до оси ординат, где и будет найдена фактическая производи­ тельность Q.

Для определения коэффициента подачи насосной установки р (при известных значениях п, s, D и Q) ведут из точки п (левая ветвь оси абсцисс) вертикаль вверх до пересечения с лучом s, откуда про­ водят горизонталь вправо до пересечения с лучом D, затем опускают вертикаль до пересечения с горизонталью, проведенной вправо из точки дебита Q, взятой на оси ординат. Если найденная точка попадет в промежуток между двумя соседними лучами, значение ц находят интерполированием.

2. Определение длины хода плунжера [31]

а. По статической (элементарной) теории длина хода плунжера

5пл = ^ ( і + ^ | ^ ) - ^ М , (Ѵ.З)

где s — длина хода сальникового штока в м; п —число качаний в минуту;

площадь сечения насосных штанг в см2; /т — площадь сечения тела

со = — угловая скорость; а = 5100 м/с — скорость [звука в ме­

талле штанг.® В случае применения двухступенчатой колонны насосных штанг

общее удлинение всей колонны определяют по формуле

о

сечения штанг верхней ступени; / 2 — площадь сечения штанг нижней ступени;

(Ѵ.7)

53

4. Подбор основного глубиннонасосного оборудования и установление режима работы насоса

Эта задача может решаться графическим и аналитическим методами.

Графический метод основан на применении диаграмм АзНИИ (эти диаграммы приведены на рис. 55 и 56). Для его использования надо знать дебит скважины Q в т/сут и глубину спуска на­ соса L в м.

Тип станка-качалки и диаметр плунжера насоса находят непо­ средственно нз диаграмм (пересечением проекций точек дебита и глу­ бины спуска насоса). Тип насоса определяют в зависимости от глу­ бины его спуска (при глубине более 1000—1200 м следует применять вставные насосы).

Диаметр насосных труб зависит от типа и диаметра насоса. Группу прочности (марку) стали для труб выбирают с учетом глу­ бины подвески насоса. Диаметр насосных штанг и группу прочности стали подбирают также с учетом глубины подвески насоса. При глубине подвески более 1000—1200 м для облегчения собственного веса насосных штанг следует применять ступенчатые колонны. При двухступенчатой колонне углеродистых штанг (из стали 40У) про­ центное количество штанг верхней ступени равно диаметру плунжера в мм. Для штанг из стали других групп прочности (марок) длину ступеней находят по соответствующим таблицам [1].

Для установления режимных параметров работы насоса следует принять максимально возможную длину хода сальникового штока применительно к выбранному типу станка-качалки и найти необхо­

где дмакс — максимальное число качаний по характеристике станкакачалки; @ф — фактический дебит скважины в т/сут; @макс — максимальная производительность насоса при работе на максимальных параметрах (находят по диаграмме АзНИИ).

Аналитический метод решения этой задачи состоит в определении диаметра плунжера Dnn для принятого типа станка-качалки, длины хода сальникового штока s и числа качаний п. Тип станка-качалки может быть выбран и позже, после определения указанных пара­ метров и величины нагрузки на головку балансира.

Для выбора оптимального режима работы насоса надо исходить из условия получения минимальной нагрузки на головку балансира, минимальных напряжений в штангах с последующей проверкой прочности штанг на разрыв и частоту обрыва.

Для получения минимального напряжения в штангах значе­ ния DnJl, s и п должны находиться между собой в следующей

55

зависимости (при коэффициенте подачи и = 0,7 и плотности нефти р = 900 кг/м3) [37]:

где qCp — средний вес 1 м насосных штанг в кгс.

Для выбора наивыгоднейшего режима, соответствующего мини­ мальному напряжению в штангах, необходимо сначала задаться рядом возможных значений s для принятого типа стапка-качалки и найти по формуле (Ѵ.13) соответствующие им значения п. Далее для принятых значений s и вычисленных значений п надо найти из формулы производительности насоса площадь сечения и диаметр плунжера:

где Q — производительность насоса в м3/сут; s — длина хода саль­ никового штока в м;

Затем надо задаться стандартными значениями п, найдя по фор­ муле (Ѵ.14) соответствующие им значения Fnn и из формулы производительности найти

Для наглядности результаты вычислений следует свести в таблицу.

Для всех режимов, при которых s и п не превышают максимально возможных значений, надо определить нагрузку на головку балансира.

Максимальная нагрузка по статической теории будет

Для режима, при котором нагрузка на головку балансира Р макс получится наименьшая, определяют максимальное напряжение в штангах:

где /ш— площадь сечения штанг в см2.

56

Принятые штанги проверяют на выносливость путем определения параметра к, входящего в формулу А. С. Вирновского:

Из всех возможных режимов самым выгодным будет тот, при котором получаются минимальные значения стнакс и к.

Полученные расчетным путем режимные параметры Dn„и п могут оказаться нестандартными. При нестандартном диаметре плунжера определяют число качаний, которое надо иметь для получения заданного дебита при ближайшем значении стандартного диаметра:

Если при этом п получится нестандартное, следует изготовить шкив для электродвигателя необходимого диаметра, который опре­

где п — число качаний в минуту; dp — диаметр редукторного шкива в мм (табл. 9); і — передаточное чиело редуктора; пэл — частота вращения вала электродвигателя в минуту.

5. Расчет и подбор ступенчатых колонн насосных штанг [31]

Подбор ступенчатой колонны штанг ведется двумя способами: а) путем определения точки, в которой напряжение равно макси­ мально допустимому; б) путем определения такой длины ступеней, при которой максимальные напряжения в каждой ступени штанг

57

где а — максимально допустимое напряжение па растяжение в зави­ симости от группы прочности (марки) стали в кгс/см2; / 2 — площадь

гДе Яж— вес 1 м жидкости над плунжером в кгс; Ъ— коэффициент потери веса штанг в жидкости; f lt / 2 и / 3 — площади поперечного сечения штанг разного диаметра в см2; qx, q2 и q3 — вес 1 м штанг разного диаметра в кгс.

По величине

^макс= Рж+ (яА + ЯА + Язк) Ф + т)

р

определяют амакс = —у 55- и подбирают группу прочности (марку» стали.

58

6. Определение приведенных напряжений в насосных штангах [1]

Как показали исследования И. Л. Фаермаиа, разрушение насос­ ных штанг обычно носит усталостный характер. Поэтому правильнее вести расчет колонны штанг не по максимальному напряжению в опасном сечении, а по «приведенному напряжению», которое зави­ сит от максимального напряжения сгмакс и от амплитуды изменения напряжения ста.

А. С. Вирновский на основе элементарной теории дает следующее

где схмакс = °ср + ста — максимальное напряжение в кгс/мм2; сгср — среднее напряжение цикла, действующее на верхнее сечение штанг, которое определяется по формуле

°ср = Рж (-у- — 1) L + РшL кгс/мм2, (V.30)

где Dnn — диаметр плунжера насоса; dm — диаметр насосных штанг (в одинаковой размерности с В пл); L — глубина спуска насоса в м; Рж и Рш — плотность жидкости и насосных штанг в кг/м3;

хода сальникового штока в м.

При применении ступенчатой колонны штанг длины ступеней

59