Схемы поршневых насосов

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

-170-

L- длина колонны штанг в м;

mcp - средний кинематический показатель станка-качалки; mcp≈1,2; ρм- плотность материала штанг в кг/м3; ω — угловая скорость кривошипа станка-качалки в с-1;

S - длина хода головки балансира станка-качалки в м; р - плотность жидкости в кг/м3.

При применении ступенчатой колонны штанг длины ступеней колонн подбирают так, чтобы наибольшие значения приведенных напряжений для верхних сечений ступеней были одинаковы, т.е.

где σ max1 ,σmax2 , …σmaxn-максимальные напряжения ступеней штанг в МПа;

σ a1 ,σ a2 , ... σan- средние амплитуды напряжений ступеней штанг в МПа.

Для штанг из углеродистых сталей приведенное напряжение равно 100 МПа, для углеродистых штанг с поверхностью, упрочненной дробеструйным наклепом,-110 МПа, для легированных-120 МПа.

Расчет ступенчатой колонны штанг связан с достаточно сложными и громоздкими вычислениями. Эта задача значительно облегчается применением специальной номограммы, составленной Я.А.Грузиновым (рис. 4.32).

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943 -171-

По оси абсцисс отложены глубины спуска насоса, по оси ординатзначение определяемого приведенного напряжения. Номограмма состоит из трех систем шкал и линий.

-система I представляет собой совокупность сочетаний применяемых диаметров насосов - 28; 32; 38; 44; 56; 70; 95 мм и штанг -16; 19; 22; 25 мм. Наименьшему диаметру штанг соответствует верхняя точка на линии каждого насоса.

-система II в левой части выражает сочетания числа качаний в минуту п = 6; 8; 10;

12; 14; 16; 18 и длины хода, обеспечиваемой приводом, S0 = 0,45; 0,6; 0,9; 1,2; 1,5; 1,8;. 2,4; 3,0.

-система III - вспомогательная и служит для расчета ступенчатых колонн. Расстояния между линиями этой системы и осью ординат выражают величину уменьшения приведенного напряжения σ пр при переходе от ступени меньшего диаметра

кступени большего диаметра.

Диаграмма позволяет решать прямую и обратную задачу. Прямая -по заданным значениям диаметров штанг и их длинам определяют приведенное напряжение, т.е. выбирают материал, из которого изготовлены штанги. Обратная - по заданному приведенному напряжению определяют диаметр, длину и число ступеней штанг.

Порядок решения прямой задачи покажем на следующем примере. Определить значение приведенного напряжения sпр в точке подвеса штанг при глубине спуска насоса L = 1000 м,. диаметре плунжера насоса D = 44 мм, числе двойных ходов в минуту n = 12, длине хода полированного штока S0 = 1,8 м. Колонна ступенчатая: l1 = 700 м, d1 = 19 мм; l2 = 300 м, d2 = 22 мм.

Для определения величины напряжений соединяем начальную точку номограммы 0 с точкой 19, находящейся на пунктирной линии 44 системы I, а точку 2500 - с точкой, образованной пересечением линий п = 12 и S0 = 1,8 системы II.

Через точку 1000 на оси абсцисс проводим вертикаль до пересечения с прямой 0- 19 в точке А. Через эту точку проведем прямую, параллельную линии 2500- (12-1,8), до пересечения в точке е с перпендикуляром, восстановленным к оси абсцисс через лежащую на ней точку 300.

Из точки е опускаем вертикаль длиной, равной отрезку е'd'- расстоянию между осью ординат и переводной линией 0- (19-22) системы III.

Через точку D проводим прямую DB, параллельную линии 2500-(12-1,8), до пересечения с осью ординат в точке В.

Ордината D В будет выражать собой приведенное напряжение в точке подвеса штанг для данной колонны, равное 6,3 кгс/мм2.

С помощью номограммы можно просто решить и обратную задачу. Рассмотрим такой пример:

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943- 172-

σ прmax= 9 кгс/мм2, диаметр насоса D = 38 мм, глубина спуска L - 1920 м, число ходов в минуту п - 12, длина хода S0 = 1,8.

Назначим диаметр нижней, т. е. первой ступени колонны 19 м и определим ее длину. Для этого соединим точку 0 номограммы с точкой 19, находящейся на пунктирной линии, соответствующей насосу 38 мм, а точку 2500 с точкой 12-2,8 системы II (по аналогии с решением предыдущей задачи).

Через точку а пересечения линий 0—19 с вертикалью 1920-а проводим прямую, параллельную линии 2500- (12-1, 8), до пересечения ее в точке с горизонталью 9, соответствующей максимальному допустимому значению напряжений. Из этой точки опускаем перпендикуляр сd, равный по высоте отрезку bd" между переводной линией 0- (19-22) и осью ординат. Через точку Л отрезка d снова проводим прямую, параллельную линии 2500- (12-1,8), до пересечения в точке с" с горизонталью 9. Продолжая аналогичное построение до пересечения линий fb с осью ординат, получим число ступеней, равное 3, а длины l1= 1920 - 1100 = 820, l2 = 1100 - 530 = 570, l3= 570.

Таким образом, с достаточной для практики точностью можно быстро проверить, удовлетворяет ли имеющаяся колонна условию прочности - пример I, либо по заданным напряжениям подобрать конструкцию колонны.

Вопрос 4.20. Утяжеленный низ колонны штанг

Анализ обрывов колонны штанг при работе с насосами различных диаметров показал, что их разрушение при работе с насосами малых диаметров происходит в основном в верхней части колонны, а при работе с насосами больших диаметров — в нижней части колонны. В средней части колонны обрывы редки.

Обрывы штанг в верхней части колонны обусловлены усталостными растягивающими напряжениями, величина которых в нижней части мала. Причина обрыва штанг в нижней части у насоса - продольный изгиб штанг, приводящий к увеличению амплитуды напряжений апр. При увеличении диаметра плунжера и числа качаний увеличивается как сила трения плунжера о стенки цилиндра, так и сила, обусловленная гидравлическим сопротивлением при прохождении жидкости через канал в плунжере и нагнетательный клапан. Суммарная сила сопротивления при движении вниз плунжера насоса диаметром 70 ... 120 мм составляет 2,5 ... 3 кН.

Для устранения продольного изгиба нижней части колонны штанг применяют утяжеленный низ (рис. 4.33), собираемый из сплошных штанг большого сечения диаметром 40 мм. Он состоит из секций длиной 4 ... 5 м, весом около 60 кг. Чем больше диаметр насоса, тем большее число секций должен иметь утяжеленный низ. Так, например,

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943-173-

3-4 секции предотвращают заедание плунжера. Вес низа выбирается таким, чтобы обеспечить работу его верхней штанги в режиме растяжения. В противном случае возможен быстрый выход из строя штанги, соединенной с низом, в результате дополнительных напряжений от изгиба.

Для предупреждения аварий (обрыва штанг) и выяснения их причин необходимо ведение документации, в которой должно быть отражено:

-дата спуска штанг;

-марка стали и вид поверхностной обработки и термообработки;

-число и размер штанг колонны;

-номер оборвавшейся штанги (ее место в колонне);

-место обрыва в штанге (по резьбе, по телу штанги, по муфте);

-режим работы скважинного насоса и его изменения.

Вопрос 4.21. Эксплуатация, транспортировка и хранение штанг

Работоспособность насосных штанг в большей степени зависит от соблюдения правил их эксплуатации, транспортировки и хранения. Для максимального увеличения срока службы штанг и межремонтного периода необходимо соблюдать следующие правила.

1. Нельзя допускать составление колонны или отдельных ее ступеней из штанг, изготовленных из разных марок сталей. На случай обрыва следует иметь на мостах 3 ... 4 запасные штанги с надетыми на резьбу предохранительными колпачками,

2. Надежная работа резьбовых соединений обеспечивается правильным свинчиванием штанг. Исправное резьбовое соединение должно свободно свинчиваться «от руки» до соприкосновения торца муфты с буртом штанги.

При свинчивании должны соблюдаться следующие оптимальные соотношения диаметра штанг и крутящего момента: 16 мм-300 Н·м, 19

мм - 470 Н·м, 22 мм - 700 Н·м, 25 мм - 1070 Н·м

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943 _-174-

При разборке колонны запрещается обстукивание муфты ключом. .. С трудом развинчиваемое соединение необходимо разбирать, используя ключ с рукояткой длиной 1 м. Штанги и муфты с поврежденными торцами и не дающие плотного стыка следует браковать.

3.При спуске или подъеме колонны штанг необходимо следить за правильностью зарядки элеватора. В противном случае возможен изгиб штанги. Изогнутые штанги нельзя выпрямлять, их бракуют. Лучший способ хранения штанг при подземном ремонте - их подвешивание на люстре.

4.Наиболее часто встречающаяся причина изгиба штанг - неправильное их хранение

итранспортировка. Штанги поставляются в пакетах с плотно навинченными на один конец муфтами. Для предохранения резьбы от повреждения на концы штанг навинчиваются предохранительные колпачки, а муфты закрываются деревянными пробками.

При погрузке и выгрузке пакетов со штангами необходимо использовать автокран со специальной траверсой, имеющей не менее трех подвесок. Подъем более одного пакета не разрешается.

5.Хранить штанги необходимо в пакетах, уложенных на стеллажах.

6.При транспортировке штанг нельзя допускать их провисания, для чего используют специальные приспособления. Не допускается совместная перевозка штанг

идругих предметов. Штанги перевозятся на специальных агрегатах АПШ, смонтированных на базе ЗИЛ-53113. Эти агрегаты обеспечивают механизированную погрузку и разгрузку насосных штанг.

Вопрос 4.22. Насосно-компрессорные трубы

При штанговой эксплуатации каналом для подъема жидкости от насоса на поверхность служат насосно-компрессорные трубы. В ряде случаев, например в установках беструбной эксплуатации, колонна НКТ отсутствует. Ее функции выполняют либо полые штанги, либо эксплуатационная колонна. Насоснокомпрессорные трубы применяют не только при всех способах эксплуатации нефтяных скважин, но и при подземном ремонте - промывке песчаных пробок, гидроразрыве пласта, солянокислой обработке и т. д.

Условия работы труб при штанговой эксплуатации наиболее тяжелые: нагрузка на трубы определяется не только собственным весом колонны, но и циклической нагрузкой, обусловленной весом откачиваемой жидкости, а также силами трения. Кроме того колонна труб должна выдержать дополнительную нагрузку - вес штанг в случае их обрыва. Помимо этого они подвергаются изгибу при искривленном стволе скважины и воздействию коррозионной среды.

Тяжелые условия работы труб предопределяют их материал и технологию производства: их изготавливают методом горячей прокатки

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943- 175 -

Рис. 4.34. Муфта (б) и насосно-компрессорные трубы: а - неравнопрочная; в – равнопрочная

из углеродистых или легированных сталей двух типов - гладкие и с высаженными концами. На обоих концах труб имеется резьба для соединения их друг с другом при помощи муфт (рис. 4.34). Насосно-компрессорные трубы выпускаются из сталей группы прочности Д,К,Е,Л,М.

Вопрос 4.23. Расчет колонны насосно-компрессорных труб

В процессе работы скважинного насоса при ходе штанг вверх вес поднимаемого ствола жидкости воздействует на штанги, а при ходе вниз переносится на трубы. Наиболее, нагруженной трубой в подвешенной колонне является верхняя. Максимальная нагрузка, действующая на нее, при обрыве колонны штанг определяется из выражения:

где Ртр –вес труб; Рж - вес жидкости в трубах;

Ршт - вес колонны штанг.

Зная коэффициент запаса прочности п ≥ 1,5 и площадь поперечного сечения тела трубы по первой нитке полной нарезки – F0, можно определить допустимое напряжение [σ], возникающее в верхнем сечении тела трубы по формуле:

пользуясь которым, по пределу текучести, можно выбрать группу прочности насосно-компрессорной трубы.

Эти формулы позволяют рассчитывать трубы на прочность при растяжении. Трубы при этом разрываются по основанию первого вит-

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

-176- ка полной нарезки. Помимо этого возможен выход нарезанной части трубы из муфты.

Прочность резьбового соединения характеризуется страгивающей нагрузкой и определяется по формуле:

где Dcp - средний диаметр трубы по первой нитке резьбы, м;

b - толщина стенки трубы по впадине первой полной нитки нарезки, м; σ Т - предел текучести материала труб, Па;

l - длина нарезки с нитками полного профиля, м;

α- угол подъема трубы;

β- угол трения металла по металлу

Вопрос 4.24. Кинематика станка-качалки

Кинематическая схема преобразующего механизма балансирного станка-качалки представляет четырехзвенник ОВCD (рис. 4.35.). Неподвижное звено - ОD (расстояние от О до D), подвижные звенья - кривошип r, шатун l и заднее плечо балансира b.

При вращении кривошипа точка С описывает окружность радиуса r, а точка В движется по дуге радиуса b.

Для упрощения определения закона движения точки В в расчетах делают некоторые допущения, а именно:

-точка В движется не по дуге, а по прямой;

-принимают r/l = 0; r/b = 0, т. е. считают, что радиус кривошипа намного меньше длины балансира;

-угол β образованный шатуном и линией, соединяющей центр кривошипа, с точкой В, принимают равным нулю.

В этом случае закон движения точки В соответствует закону движения поршня насоса с кривошипно-шатунным механизмом.

При уточненных расчетах учитывают конечную длину шатуна, так как при значительной длине хода (4,5 ... 6 м) отношение радиуса кривошипа к длине шатуна r/l становится

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

где wmax - максимальное ускорение точки подвеса штанг станка -качалки, определяемое по точной теории,

w0 - ускорение при гармоничном движении.

Для определения показателя т удобно пользоваться следующей формулой:

1+r

m= l (4.19)

√1−(rb )2

В зависимости от глубины подвески насоса допустимый коэффициент кинематического совершенства изменяется и для глубоких скважин должен быть т ≤ 1,3.

Вопрос 4.25. Силы, действующие в точке подвеса штанг

Нагрузка в точке подвеса штанг балансирного станка-качалки обусловлена:

-статическими нагрузками от силы тяжести жидкости и штанг, сил трения плунжера в цилиндре и штанг о трубы;

-силами инерции движущихся масс, возникающими при движении с ускорением колонны штанг, и столба жидкости;

-динамическими нагрузками, возникающими в результате вибрации штанг. Практическое значение имеют суммарные минимальные и максимальные нагрузки

на штанги, величина которых может быть определена либо непосредственно изменениями - динамометрировани-ем, либо рассчитана.

Как уже было показано, максимальная величина статической нагрузки будет при ходе штанг вверх

С учетом сил инерции максимальная нагрузка в точке подвеса штанг будет:

Минимальная нагрузка определится по формуле:

где Pж- вес жидкости находящейся над плунжером скважинного насоса в Н; Pшт- вес колонны штанг в воздухе в Н;