4. Работа штанг в скважине, нагрузки на них. Упругие деформации штанг и труб под действием статических нагрузок.

Для выяснения нагрузок, действующих на колонну штанг (в ТПШ) в течение насосного цикла, рассмотрим схему, представленную на рис. 9.7. В общем случае на колонну штанг действуют следующие нагрузки (при ходе вверх):

1. От собственной силы тяжести штанг в смеси (жидкости) — Gшт.см .

2. От силы тяжести смеси (жидкости) в колонне НКТ — Gcм т.

3. От давления на устье в колонне НКТ — Gрy.

4. От трения колонны штанг о НКТ, плунжера в цилиндре, а также от гидродинамического трения продукции скважины в трубах — Gтр (при ходе вверх), Gтр’ (при ходе вниз).

5. Направление указанных сил совпадает с направлением ускорения свободного падения. Кроме этих сил, на колонну штанг (плунжер) действуют следующие силы с противоположным знаком:

6. От давления в затрубном пространстве скважины — G рз.

7. От силы тяжести жидкости (смеси) в затрубном пространстве—Gсм.з.

Силы, рассмотренные выше, являются преобладающими при статическом режиме работы установки. При динамическом режиме, кроме рассмотренных, существенными являются следующие силы:

1. Инерционные — Gm.

2. Вибрационные — GBH6.

Таким образом, при ходе вверх максимальная нагрузка, действующая в ТПШ, такова:

При ходе вверх максимальная нагрузка, действующая в ТПШ, такова:

(9.76)

При ходе вниз нагрузка, действующая в ТПШ, минимальна и такова:

.

УПРУГИЕ ДЕФОРМАЦИИ ШТАНГ И ТРУБ

Таким образом, деформация колонн штанг и труб является значительной только под действием нагрузки (G_T - G₃). При ходе штанг вверх колонна штанг увеличивает под действием нагрузки (G_T - G₃) свою длину на величину i_шт:

При ходе вниз нагрузка (G_T - G₃) снимается с колонны штанг, вследствие чего длина колонны штанг сокращается на величину i_шт, и передается на колонну НКТ, под действием которой длина колонны НКТ увеличивается на величину i_т:

где f_тр — площадь поперечного сечения труб по металлу, м2.

В результате этих деформаций перемещение плунжера в цилиндре насоса начнется только тогда, когда ТПШ скомпенсирует за счет перемещения полированного штока вверх удлинение штанг на величину i_шт и сжатие труб на величину i_т, т.е. полированный

шток переместится вверх на величину (i_шт + i_т) прежде, чем начнется движение плунжера вверх. Обозначим:

(9-99) и назовем величину λ потерями хода плунжера S_пл в сравнении с ходом полированного штока S

(9.100)

Подставляя (9.97), (9.98) в (9.99), получим :

(9.101)

Нагрузка от веса штанг является максимальной в ТПШ и нулевой — в месте крепления штанг к плунжеру. При больших глубинах спуска насоса и использовании одноразмерной колонны штанг (f_шт = c o n s t ) нагрузка в ТПШ может оказаться чрезвычайно большой. Для снижения этой нагрузки проектируют ступенчатую колонну штанг, уменьшая поперечное сечение (диаметр) штанг сверху вниз. Потери хода плунжера для ступенчатой колонны штанг с количеством ступеней «n» таковы:

(9.102)

С целью исключения деформации НКТ (i _т= 0) при работе СШНУ колонна НКТ заякоривается специальным якорем, исключающим ее перемещение. В этом случае потери хода плунжера при работе установки таковы:

Как следует из приведенных зависимостей, потери хода плунжера при статическом режиме работы СШНУ зависят не только от конструкции колонны штанг и труб и диаметра насоса, но и от ряда технологических параметров, в том числе и задаваемых промысловым инженером (Р_у, Н_дин, Н_сп).