контрольная эксплуатация зо

штанг.

НИ

∙ приведенное напряжение σ пр =

σ max ·σ a

.

(4)

Расчетное приведенное напряжение сравнивают с предельно допустимым

АГ

и по результатам сравнения уточняют конструкцию и выбирают материал

Наиболее существенное влияние на

силовые и энергетические

ека

гидродинамического трения штанг и силы гидравлич ского сопротивления от

перепада давления в нагнетательном клапане насоса.

т

При эксплуатации штанговыми насосами

о

выс кодебитных скважин

и

б

этом случае получается трехступенчатой. Вес утяжеленных штанг в нижней

и

части колонны принимается равнымл

сумме сил

сопротивлений,

сосредоточенных у плунжера, что для условий ОАО «Татнефть» составляет

б

предотвращающая

порядка 2000 — 3000 Н. Длина утяжеленных штанг,

продольный изгиб нижней части штанговой колонны, находится по формуле:

L

=

Pт.шт

,

ая

( 5 )

т.шт

qт.шт

нн

где Pт.шт — общий вес утяжеленных штанг в жидкости, Н;

qт.шт — вес в жидкости 1 м утяжеленных штанг (в качестве

о

которых допускается применение штанг диаметром

25 мм).

В скважинах, осложненных АСПО, рекомендуется применение штанг с

к

пластинча ымир

скребками (в вертикальных

скважинах и

вертикальных

е

тнаклонно-направленных скважин), а

в интервалах

искривления —

участ ах

НИ

штанг с упомянутыми устройствами следует учитывать их добавочный вес и

поршневой эффект, которые влияют на продолжительность безотказной работы

штанг. В подвеске обязательно применение штанговращателя.

АГ

В обводненных скважинах по мере образования в стволе скважины

эмульсии и роста ее вязкости происходит значительное увеличение амплитуды

нагрузок на

штанги

и снижение коэффициента асимметрии

цикла. Опыт

ека

эксплуатации таких скважин показал, что конструирование колонны штанг

только по критерию приведенного напряжения связано с существенной

погрешностью,

которая приводит к обрывам колонны. Аналогичное явление

т

имеет место при увеличении диаметра насоса, когда наблюдается повышение

о

аварийности штанг при неизменных приведенных напряжениях в металле.

Большие

силы

гидродинамического

трения

колонны

о

жидкость

уменьшают

коэффициент асимметрии

л

увеличивают

амплитуду

б

напряжения в теле штанг. Уменьшение коэффициентаи

асимметрии цикла при

сохранении значений приведенных напряжений постоянными приводит к росту

и

является причиной роста количества

фактических напряжений в металле, что

обрывов.

б

При конструировании штанговой колонны, для обеспечения ее прочности

ая

в условиях образования стойких эмульсий необходимо выполнение критерия

постоянства амплитуды напр жения.

нн

Для существующих ди п зонов изменения среднего напряжения цикла в

штангах значение предель ой

амплитуды σа.пред примерно в 2 раза меньше

приведенного

апряжения,

рассчитанного

по

И.А. Одингу. Поэтому

обязательным условием прочности штанг должно быть:

р

о

[σ пр

]доп

σ a ≤ [σ a ]доп =

,

( 6 )

2

к

е

где т[σпр]доп — допустимое приведенное напряжение. При выборе ее

Эл

величины можно пользоваться таблицей ГОСТ 13877-80 и

ГОСТ 13877-96 с корректировкой на новые марки сталей

3. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

НИ

По

фактическим

данным

выполнить

проверочный

расчёт

конструкции колонны штанг.

АГ

При работе ШСНУ колонны штанг и труб периодически подвергаются

упругим деформациям от веса жидкости, действующей на плунжер. Кроме

того, на

колонну штанг

действуют

динамические нагрузки

и силы

трения,

ека

вследствие чего длина хода плунжера может существенно отлич ться от длины

хода полированного штока.

Режим работы ШСНУ принято делить на статич ский и динамический по

критерию динамического подобия (критерий Коши)

т

μд = ω× Lн

/ а ,

и

о

(7)

л

где а – скорость звука в штанговой колонне, м/с;

б

а = 4600 м/с – для одноразмерной колонны штанг;

и

а = 4900 м/с – для двух ступенчатой колонны штанг;

б

а = 5300 м/с – для трехступенчатой колонны штанг.

w=2πN – частота вращения вала кривошипа, с-1;

ая

N – число двойных ходов, с-1;

Lн - длина колонны штанг, м.

нн

Определим частоту вращения вала кривошипа w и параметр динамического

подобия μд:

о

(8)

w=2πN=2·3,14·0,0824=0,517 с-1

μд=wLн/а

т

р

к

μд=0,517·750/4900=0,08

Эл

е

где а=4900м/с – скорость звука в двухступенчатой штанговой колонне.

23

оказывают практического влияния на длину хода плунжера.

В течение цикла работы скважинного насоса на колонну насосных штангНИ

действуют нагрузки как постоянные по величине и направлению на

протяжении всего цикла или значительной части его, так и переменные.

АГ

К постоянным или статическим нагрузкам принято относить собственный

вес колонны штанг в жидкости

′

и в воздухе, Pшт и

гидростатическую

Pшт

нагрузку, обусловленную разницей давлений жидкости над и под плунжером

при ходе его вверх Рж.

ека

К переменным нагрузкам относятся следующие:т

инерционная,

вызванная

переменной по величине

и направлению

о

скоростью движения системы штанга—п унжер Рин;

вибрационная,

обусловленная

и

ко ебате ьными процессами в колонне

л

штанг вследствие приложения и снятия гидростатической нагрузки на плунжер

Рвиб;

и

б

При статическом режиме работы насосной установки, т. е. при μд ≤

(0,30— 0,40), расчёт проводится поб следующим зависимостям

формула И. М. Муравьева

Рmах = Ршт (А + m) + РЖ,

( 9 )

где п=N × 60 — число ходов плунжера, мин -1;

ая

А-коэффициент плавучести штанг;

А=(ρшт- ρж)\ ρшт

нн

ρшт-плотность материала штанг;

о

ρж-пло нос ь жидкости в НКТ;

р

m-динамический фактор;

т

m=Sn2/1440

к

формула Д. С. Слоннеджера

е

( 10 ), где

Рmах

= (Ршт+ РЖ)(1+ Sn/137).

Эл

24

НИ

m0 = (1 + r \ lшт ) /

1 − (r \ lшт)2

(17)

r-радиус кривошипа;

АГ

lшт-длина шатуна.

Формула В.П.Грабовича:

ека

Рmax=Рж+Р/шт+Ртрм+Рвиб+Ри,

(18)

где

Ртрм=0.003 Р/шт

т

(19)

Рвиб = Ржm

S \ l cosm - 1

о

(20)

λ-деформация штанг и труб

и

РжL

(

1

1

)

л

l =

2.1×10

5

fшт

+

f

т

б

(21)

Силы инерции по рекомендациям многочисленных исследователей можно

принять равными 1,5 кН.

б

и

Упрощенные формулы для определения минимальной нагрузки:

формула А.С. Вирновского

Рmin =Р´шт-Рдн

нн

ая

(22)

формула К. Милса

Рmin = Ршт (1 – Sn2/1790);

(23)

о

формула Д. Джонс на

р

– Sn2/1790).

(24)

Рmin = Ршт (Ка х

к

е

При работе штанговой насосной установки возникают различные

силы

сопротивленият

. Наиболее

существенное влияние на cиловые и

эн ргетические показатели и надежность установки оказывают следующие

Эл

си ы:

26

механического трения колонны штанг о стенки НКТ Ртр мех,

НИ

гидродинамического трения штанг Pтр г,

трения плунжера о стенки цилиндра Ртр пл,

АГ

гидравлического сопротивления от перепада давления в

нагнетательном клапане насоса Ркл н.

Абсолютная величина каждой из этих сил, а также энергия, которую

ека

необходимо затратить на их преодоление, и степень относительного их

влияния на показатели эксплуатации ШСНУ сильно зависят от физических

свойств добываемой продукции,

конструкции скважины,

компоновки и

режима работы оборудования.

о

т

Ниже приведены зависимости, используемые для расчета сил

сопротивления.

л

Механическое трение штанг

тем, что вследствие

обусловлено

б

отклонения ствола скважины от вертика и, ко оннаи

штанг с определенной

силой прижимается к стенкам колонны НКТ.

В большинстве

случаев

и

скважины

может

быть

схематизирован

плоской

б

меющей

несколько

интервалов с

кривой,

различными

(но

постоянными в

пределах данного интервала)

углами

/

ая

наклона. В этом случае для расчета силы механического трения штанг

может быть использована зависимость, предложенная А. А. Песляком и

нн

упрощенная А. X. Шариповым

Pтр мех = Сштαmax (Рж + Р шт ) ,

(25)

о

где Сшт — коэффицие т трения штанг о трубы;

αmax — максимальный угол отклонения ствола скважины от вертикали, рад;

т

Коэффициент трения Сшт, по данным ряда авторов, колеблется в широких

пределах: от

р0,1 до 0,7 и зависит от свойств жидкости, заполняющей подъемные

е

трубы, в первую очередь от ее вязкости и содержания воды.

Вк. М. Троицкий рекомендует принимать при расчетах следующие

Эл

средние значения коэффициента трения Сшт:

27

для легкой нефти с вязкостью более 3´10-5 м2/с

Сшт =0,16.

Для расчета силы сопротивления движению штанговой колонны в потокеНИ

вязкой жидкости, т. е. силы гидродинамического трения Ртр г предложено

большое число приближенных формул, отличающихся друг от друга

АГ

упрощающими допущениями и степенью учета различных ф кторов.

подъемных трубах, т. е. когда трубы заглушены на нижнем конце

Ртр г=2p2Lн×nж×rж×SNMшт,

о

(26)т

ека

где Mшт=1 /[(m2+1) ×ln m/(m2 – 1) – 1], m=Dт/dшт.

(27)

Рассчитать Ртр г с учетом движения ж дкости в насосно-компрессорных

трубах можно по следующей формуле:

л

и

Ртр г = 2pnжrжLн ( ± pNS×A1 – UB1),

(28)

где знак + соответствует ходу штанг вверхб, а знак – ходу вниз;

А1, В1 — числовые коэффициенты, зависящие от размеров кольцевого сечения

и

между штангами и подъемными трубами;

(m2

-1) + 4ln m /(m2

-1) - 2

б

A =

;

1

(m2

+1) ln m - (m2

-1)

ая

A1

=

(m2

-1) - 2ln m

;

(29)

(m2

+1) ln m - (m2 -1)

U = 8Q /[π (1- β

в

)(D2

- d

2 )].

нд

тв

шт

Общую

силу гидродинамического трения для ступенчатой колонны

нн

определяют суммир ванием величин, полученных для каждой из ступеней.

о

Сила т ения плунжера о стенки цилиндра согласно рекомендациям

А.

р

быть приближенно оценена по эмпирическим

Н. Адонина может

т

формулам В. И. Сердюка.

Прик

смазке водой

(30)

Pтр пл = 0,92 × Dпл / δ -137.

Эл

е

Pтр пл = 0,82 × Dпл / δ -127.

(31)

Однако в реальных условиях эксплуатации сила трения в насосе,

работающем в скважине, может оказаться больше рассчитанной вследствие

наличия

песка

в откачиваемой жидкости,

отложения парафино-смолистых

веществ в зазоре плунжерной пары и др.

НИ

Сила

гидравлического

сопротивления

Ркл н

обусловлена

перепадом

АГ

давления ркл н, возникающем при движении добываемой жидкости через

нагнетательные клапаны насоса и может быть определена по формуле

Pкл н

= Dpкл н × Fпл .