5.1 Пример расчета глубины спуска НКТ при фонтанной эксплуатации скважин

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Предельную нагрузку определим по формуле 5.1

(5.1)

Выбрав страгивающую нагрузку за расчетную как наименьшую, определим допустимую глубину спуска секции НКТ по формуле:

Поскольку 2030 м < 2900 м, для верхней секции берем больший размер:

НКТ 60 х 5 мм; q12 = 6,96 кг/м; L = 29,3; h1 = 1,41 мм.

Находим:

Предельная нагрузка

29

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

так как и в этом случае Рпр2 > Рстр 2, за расчетную нагрузку принимаем Рстр. Длина 2-й секции

Таким образом, суммарная длина колонны составит 2030 + 965 + 2995 м < 2900 м.

Минимальный зазор с обсадной колонной составит S = 114 - 2·7,4 - Dм нкт

= 99,2 - 73 = 26,2 мм.

Допустимое внутреннее давление для нижней трубы НКТ 48 х 4 мм

(формула (2.4))

Определяем фактическое внутреннее давление трубы, при плотности добываемой жидкости ρж = 850 кг/м3; Рбуф = 0,5 МПа:

Следовательно, выбранная нами ступенчатая колонна НКТ проходит как по

условию прочности, так и по внутреннему давлению для заданных условий

скважины.

5.2 Пример расчета глубины спуска ступенчатой НКТ при фонтанной

эксплуатации скважин

30

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Определить глубину спуска ступенчатой колонны типа НКБ с трапецеидальной резьбой из стали групп прочности «Д» для фонтанирующей скважины глубиной 4500 м, имеющей эксплуатационную колонну диаметром 127 x 10,7 мм. При расчете пренебрегаем потерей веса колонны труб в жидкости, так как уровень жидкости в межтрубном пространстве во время работы может быть оттеснен до башмака колонны труб.

Решение

Предположим, что из условия пропускной способности нижняя секция определена как НКБ 60 x 5 мм. Принимаем группу прочности «Д» (σт = 380 МПа)

для нижней секции. Определим страгивающую нагрузку по формуле (2.1).

Внутренний диаметр d = D - 2·δ = 60,3 - 2·5 = 50,3 мм.

Толщина стенки под резьбой ниппеля

Угол α для трапецеидальной резьбы (ГОСТ 633-80)

Угол трения φ » 3°, так как при больших значениях φ сtg (α + φ) будет отрицательный и страгивающая нагрузка будет неоправданно возрастать.

Следовательно, ctg (α + φ) = 0 и формула преобразуется для трапецеидальной резьбы:

(5.2)

31

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Тогда

Для проверки определим страгивающую нагрузку относительно муфтовой части трубы. Толщина стенки над резьбой муфтовой части

В расчетной плоскости муфты (b - 3,06)/(44 - 13) = 1 : 12. Отсюда

По формуле страгивающая нагрузка для муфтовой части

что превышает Рстр для трубы.

Предельную нагрузку определим по основному телу трубы как имеющую наименьшую толщину стенки по формуле (5.3):

(5.3)

Следовательно, за расчетную нагрузку следует принимать предельную как наименьшую. Длина 1-й секции

Для второй секции используем НКБ 73 х 5,5 мм; гр. прочности «Д»; q = 9,5

кг/м.

32

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Определим Рстр по формуле (5.3). Находим внутренний диаметр d = 73 -

2·5,5 = 62 мм.

Толщина стенки под резьбой ниппеля

(5.3)

Предельная нагрузка по основному телу трубы по формуле

Следовательно, и для этих труб расчетной будет предельная нагрузка.

Длина 2-й секции

Таким образом, суммарная длина колонны составят

Минимальный зазор с обсадной колонной составит

Допустимое внутреннее давление для нижней трубы НКБ 60 х 5 мм по формуле (5.4)

(5.4)

33

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Определяем фактическое внутреннее давление трубы по формуле (5.5) при плотности добываемой жидкости ρж = 900 кг/м3, Рбуф= 0;

(5.5)

где Lтр1 - длины секций НКТ; ρж - плотность жидкости; g = 9,81 м/с2.

Условием надежной работы НКТ является Рвн > Рф.

Рф < Рвн, следовательно, выбранная нами ступенчатая колонна проходит как по условию прочности, так и по внутреннему давлению для заданных условий скважины.

5.3 Пример расчета глубины спуска остеклованных НКТ при фонтанной

эксплуатации скважин

Рассчитать максимальную глубину спуска гладких остеклованных НКТ 89 x 6,5 мм «Д» при фонтанно-компрессорной эксплуатации скважин, если предел прочности стекла составляет 60 МПа.

Решение

Допустимую нагрузку на остеклованные трубы определим по формуле (2.6),

полагая, что по технологии изготовления средняя толщина слоя стекла составляет

1 мм. Тогда

34

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

(5.6)

где Р - допустимая нагрузка на трубы, определенная по условию сохранения прочности стекла; σвст - предел прочности стекла; n - запас прочности (n = 1,3 - 1,5); Fст - площадь поперечного сечения слоя стекла; Fтр -

площадь поперечного сечения трубы; Ест, Етр - модули упругости стекла и труб со-ответственно.

Допустимая нагрузка

Допустимая глубина спуска без учета облегчения в жидкости при n = 1

составит

(5.7)

Для сравнения страгивающая нагрузка для НКТ 89 х 6,5 «Д» составит:

(5.8)

35

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Где

Допустимая глубина спуска по страгивающей нагрузке

Таким образом, покрытие из стекла уменьшает допустимую глубину спуска НКТ 89 мм на 252 м или приблизительно на 10%.

5.4 Определение диаметра штуцера фонтанной арматуры для

установления режима работы скважины

диаметр отверстия устьевого штуцера для фонтанных скважин с большим

газовым фактором, определяется по эмпирической формуле Г. Н. Газиева:

(5.9)

36

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

где φ - опытный коэффициент, зависящий от величины газового фактора

(принимается φ = 1,0 - 1,2); Qг - дебит газа, м3/сут; ρг - плотность газа, кг/м3;

Ру - давление на устье скважины перед штуцером, кгс/см2 (МПа); Рш - давление за штуцером, кгс/см2 (МПа).

Диаметр штуцера можно определить по формуле расхода жидкости через насадку, если газовый фактор невелик или отсутствует:

(5.10)

Откуда

(5.11)

где Q - расход жидкости, м3/с; μ = 0,7 - 0,9 - коэффициент расхода,

зависящий от плотности жидкости; f - площадь насадки, м2; g - ускорение свободного падения; Н - напор, м вод. ст.

5.5 Пример расчета диаметра штуцера для фонтанирующей скважины

Задача 5.5.1

Определить диаметр штуцера для фонтанирующей скважины с газовым фактором 90 м3/т и дебитом 100 т/сут, если ρг = 1,16 кг/м3, давление на устье 10

МПа, а давление в выкидной линии должно быть 2 МПа.

Решение

Определим Qг = 90 ·100 = 9000 м3/сут. По формуле (5.9) найдем d:

37

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Задача 5.5.2

Найти диаметр штуцера для скважины с дебитом жидкости 200 м3/сут, если давление на устье - 3,5 МПа, давление в боковом выкиде 1,5 МПа.

Решение

Определим секундный расход жидкости:

Определим потери напора в штуцере

Тогда диаметр отверстия штуцера определим по формуле:

для следующих условий: глубина скважины 2050 м; внутренний диаметр НКТ 62

мм; противодавление на устье 0,7 МПа; давление насыщения 9,64 МПа; газовый фактор 84,4 м3/т; плотность пластовой нефти ρн пл = 780 кг/м3; плотность

38

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

дегазированной нефти ρнд = 848 кг/м3; обводненность продукции nв = 32%;

плотность пластовой воды ρв = 1140 кг/м3; азот в попутном газе отсутствует.

Примечание. При решении задачи использовать условие фонтанирования.

(5.12)

1.Определим коэффициент растворимости

2.Трудно ожидать, что минимальное забойное давление для заданных условий будет меньше давления насыщения, поэтому при расчетах используем неравенство (5.13). Определим эффективный газовый фактор

(5.13)

3. Длина газожидкостиого подъемника определяется выражением (5.14).

Оценим среднюю плотность нефти по соотношению

39

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

(5.14)

4. Далее рассчитаем среднюю плотность жидкости на длине газожидкостного подъемника, используя массовую обводненность продукции по формуле (2.18)

5. Определяем вспомогательную величину h,

(5.15)

6. По формуле (5.15) находим максимальную длину газожидкостного подъемника

40

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

7. Далее рассчитаем плотность жидкости по формуле:

8. Минимальное забойной давление фонтанирования найдем по (2.17)

Итак, в данных условиях скважины, оборудованные НКТ с внутренним диаметром 62 мм и обводненные на 32 %, прекратят фонтанирование при с нижении забойного давления до 15 Мпа и менее.

41

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Практическое занятие № 6 – расчет основных технологических параметров работы ШСНУ

Задача 6.1

Выбрать станок-качалку, диаметр и тип насоса, штанг и НКТ и установить режимные параметры работы насоса для заданных условий: дебит скважины –

35м3 /сут., плотность нефти ρн = 850кг/м3, глубина спуска насоса – 1400м,

коэффициент подачи насоса η = 0,7.

Решение:

По диаграмме А.Н. Адонина на пересечении проекций (Q=35 м3/сут. L=1400

м находим СК8-3,5 – 4000 и диаметр плунжера насоса 35мм. При глубине >1200 м

следует выбрать вставной насос (выбираем НВ1Б-32-30-15).

Насосы НВ1Б предназначены для откачивания из нефтяных скважин маловязкой жидкости с содержанием механических примесей до 1,3г/л и свободного газа на приеме не более 10%. В качестве цилиндра в нем использован цельный безвтулочный цилиндр, характеризующийся повышенной прочностью,

износостойкостью и транспортабельностью.

Для НВ-1Б-32 требуется НКТ: 32+28=60 мм – НКТ 60 x 5,0 мм. К этому насосу требуется замковая опора ОМ – 60, устанавливаемая в НКТ – 60 мм.

Выбираем штанги из углеродистой стали (δпр=70 Мпа) диаметр = 22 мм

(31%) и диаметр = 19 мм (69%). При общей глубине спуска 1400 м длина секции штанг диаметром 22 мм – 434 м, диаметром 19 - 966м.

Режимные параметры 7СК8-3,5 – 1400 по ГОСТ 5866 Sa = 1,7; 2,1; 3,0; 3,5 м

– длина хода точки подвески штанг. Число качаний, n = 5-12 мин.-1.

Редуктор – Ц2П-750 с передаточным отношением i=38, и диаметром шкива

- 1000 мм.

Для обеспечения продолжительной работы СК следует принять максимальную длину хода и найти по диаграмме А.Н. Адонина максимальную производительность насоса диаметром 12мм, которая может быть получена при работе станка-качалки на максимальных параметрах.

42

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

По диаграмме находим Pmax = 38 м3/сут.

При длине хода Smax = 3,5 м, число качаний по формуле (6.1) будет:

где:

nmax - максимальное число качаний по характеристике станка-качалки;

Qф – фактический дебит скважины;

Qmax – максимальная производительность насоса при работе на максимальных параметрах (находят по диаграмме А.Н. Адонина).

= 12·3538 = 11 мин.-1.

Определим параметры работы насоса аналитическим методом, исходя из минимума напряжений в штангах.

Зададимся стандартными значениями Sa и n и по формулам (6.2) – (6.4) определим Fпл и Dпл

где qср – средняя масса 1 п. м двухступенчатых штанг.

Для принятия значений S и полученных значений n определяют площадь сечения плунжера из формулы производительности насоса, см2 :

43

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

где Q – производительность насоса, м3/сут.; S – длина хода сальников штока, м. Отсюда:

D √ пл

пл 0,785 .

Средняя масса двухступенчатой колонны штанг:

qcp = q1 · 0,31+q2 · 0,69=3,14 · 0,31+2,35 · 0,69=2,60 кг/м,

где q1 и q2 – масса 1 п.м. верхней и нижней секций штанг соответственно.

Таким образом, что наиболее приемлемыми режимами работы насоса при среднем коэффициенте подачи насоса η = 0,7 являются 5-й и 4-й, однако диаметр плунжера при этих режимах получится больший.

Для выбора оптимального режима определим максимальные значения нагрузок в точке подвеса штанг по формуле (6.5):

где L – глубина спуска насоса, м; b = (pш – pж) / pш – коэффициент облегчения штанг в жидкости; pш, pж – плотность материала штанга и жидкости соответственно; S ∙ 2 / 1400 – фактор инерционных нагрузок; g – ускорение свободного падения.

Р5max = 11,96 · 10-4 · 850 · 1400 ·9,81 + 2,6 · 1400 · 9,81 x

44

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

X [0,892 + 3,5·14009,22] = 13962+39198=53160 H,

где,

b = 7850−8507850 = 0,892;

Р4max = 12,58 10-4 · 850 · 1400 · 9,81 + 2,6 · 1400 · 9,81 ×

× [0,892 + 3,0·140010,22] == 14686+39592=54278 Н.

Наиболее выгодным режимом будет 5-й, при котором Рmax = 53,2 кН наименьшая. Минимальную нагрузку найдем по формуле (6.6):

Р5min = 2,6 · 1400 ·9,81 x [0,892 − 3,5·14009,22] = 24506 H.

Определим максимальное и минимальное напряжения по формуле (6.7) и δпр

по формуле (6.8):

δmin = ,

ш

где ш – площадь поперечного сечения штанг.

45

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

δa = 139,9−64,5 = 37,7 Мпа . 2

Для выбора материала штанг определяют δпр:

δпр = √139,9 · 37,7 = 72,6 МПа.

выбираем штанги из стали 20Н2М δпр · доп = 90 Мпа для некоррозионных условий.

Коэффициент запаса прочности штанги составит (формула (6.9)):

где – предел текучести материала штанг.

η=140,0390 = 2,8 Мпа.

Определим необходимое число качаний при использовании стандартного диаметра плунжера (для 5-го режима это будет 38мм). По формуле (6.10):

46

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

глубина спуска насоса L = 1400 м; диаметр насоса Dпл = 38 мм;

диаметр штанг dшт = 19 мм; dтр = 60 мм; плотность нефти pн = 850 кг/м3;

длина хода точки подвеса штанг SА = 2,1 м;

число качаний n = 10мин.-1; забойное давление Рзаб = 30 кгс/см2; содержание воды nв = 0,25.

Решение:

Плотность жидкости:

pж = pн · (1- nв )+рв · nв = 850 · 0,75+1000 · 0,25=887,5 кг/м2.

Расстояние до динамического уровня:

Вес столба жидкости над плунжером, полагая, что Рбуф = 0,

Рж = hд · pж · F · g = 1155 · 887,5 · 0,0382 · 9,81 = 11399 Н = 11400 Н.

1.Определим производительность по теории А.М. Юрчука

(формула (6.12)).

48

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

где F – площадь поперечного сечения плунжера, n – число двойных ходов в мин;

– длина хода точки подвеса штанг; шт, тр – удлинение насосных штанг и труб от веса столба жидкости.

Предварительно определим:

fшт = 0,785 · 0,0192 = 2,83 · 10-4 м2;

F = 0,785 · 0,0382 = 11,34 · 10 -4 м2;

Fтр = 0,785 · (0,062 – 0,0512) = 7,84 · 10-4 м2;

Qф = 1440 · 11,34 · 10-4 ∙ 10 x [2,1 − 0,365 + 225 · 14002 · 102 · 2,1] = 29,85 м3/сут.

1012

2.Производительность по формуле (6.13) А.Н. Адонина:

Режим откачки статический, Dпл< 43, m=1,

49

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Qф = 1440 · 11,34 · 10-4 ∙ 10 ∙ [2,1 ∙ (1 + 0,2392 2) − 0,365] = 29,80 м3/сут.

3.Производительность по формуле (6.14) А.С. Вирновского:

«свободной» штанги, т.е. штанги без плунжера, при гармоническом законе движения балансира.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Изгиб штанг под действием Рс по формуле (6.17):

где,

I = 4∙ 4 = 0,785 ∙ 0,00954 = 6,39 ∙ 10−9 .

По формуле (6.18) найдем λ:

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

λ = 0,365 + 0,094 + 0,019 = 0,478 .

Найдем производительность по формуле:

Qф = 1440 ∙ 11,34 ∙ 10−4 ∙ 10 ∙ [0,9572,1 − 0,478] = 28,3 м3/сут.

Таким образом, производительность по первым трем формулам не отличается. Существенные отличия наблюдаем при наличии силы сопротивления и с учетом гидродинамического сопротивления при высоких константах трения h

>с-1.

6.Определим коэффициент подачи:

Qт = 1440 ∙ ∙ ∙ = 16,33 ∙ 2,1 = 34,29 м3/сут.

Коэффициент подачи по формуле (6.19):

с учетом вязкости жидкости:

η = 29,3334,29 = 0,855

с учетом силы сопротивления:

η = 29,0334,29 = 0,817.

52

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Задача 6.3 – Расчет производительности и определение коэффициента подачи

ШГНУ

Формула производительности по элементарной теории:

где F – площадь поперечного сечения плунжера, n – число двойных ходов в мин;

– длина хода точки подвеса штанг; шт, тр – удлинение насосных штанг и труб от веса столба жидкости:

Последний член формулы (6.20) учитывает увеличение длины хода плунжера за счет инерционных сил - и:

Учитывая массу муфт штанг:

и = 225 ∙ 212∙ 2 ∙ 10

Производительность по элементарной теории (А.Н. Адонина):

53

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

«свободной» штанги, т.е. штанги без плунжера, при гармоническом законе движения балансира. Отсюда следует, что формула применима лишь для насосов малого диаметра (D < 43 мм и < 0,785).

Формула приемлема для всех диаметров плунжера при < 0,55. При больших значениях , она дает погрешность около 9%.

При откачке высоковязкой жидкости или при больших скоростях откачки жидкости обычной вязкости большое значение приобретают силы гидродинамического трения. Они возникают при движении штанг в жидкости,

жидкости в трубах, а также в клапанах насоса. Для этих условий соответствующую формулу получил А.С. Вирновский:

54

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

где

= ∙ ;

h – константа трения, с-1 (h=0,2 - 1,0 c-1); sh – гиперболический синус:

sh = − −

2

В случае наличия силы сопротивления, вызванной сопротивлением потоку жидклсти в нагнетательном клапане и трением плунжера о цилиндр, в формулах необходимо тр + шт заменить на

λ = тр + шт + сж + из

При двухступенчатой колонне штанг с учетом сопротивления движению штанг в

Теоретическая производительность глубинно-насосной установки определяется по формуле:

55

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Определяя Qф по формуле получим:

= 1 − 1 + 2.

Для облегчения расчетов можно пользоваться номограммой Иванова. По этой номограмме можно ориентировочно найти любой из пяти параметров работы ШГНУ (Q, D, S, n, η) при четырех известных других.

56

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

где Рс – избыточное давление в сепараторе.

hc = 0,2 ∙ 106 = 25,48 м.

800 ∙9,81

Величина необходимого напора:

где hст – статический уровень жидкости в скважине, м; ∆h – депрессия, м; hтр – потери напора на трение в трубах; hг – разность отметок сепаратора и устья скважины; hс – потери напора в сепараторе.

Hс =850+611+55,3+15+25,48=1556,8 м.

hтр – потери напора на трение в трубах определены нами по таблице.

Для получения дебита Q=120 м3/сут. и напора Hс =1556,8 м выбираем ЭЦНМК5А-160-1600 с числом ступеней 320, учитывая, что эксплуатационная колонна у нас диаметром 168 мм КПД 61% мощностью 56,2 кВТ

Найдем напор насоса на пластовой жидкости, если по условию рж = 800

кг/м3

где Нв – табличное значение напора ЭЦН; в – плотность пресной воды; ж -

плотность пластовой жидкости.

Нж = 1600 ∙ 1000800 = 2000 м.

60

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Так как вязкость жидкости не превышает 3 мПа∙с , то пересчет по вязкости жидкости не требуется.

Для совмещения характеристик насоса и скважины определим по формуле число ступеней, которое нужно снять с насоса:

где H – напор насоса по его характеристике, соответствующий дебиту скважины; – необходимый напор скважины; z – число ступеней насоса.

∆z = [1 − 20001557] ∙ 320 = 91,0.

Следовательно, насос должен иметь 229 (320-91) ступеней, вместо снятых устанавливаются проставки. Напор одной ступени составит 6,7 м (H/229).

Полезная мощность электродвигателя:

плотность откачиваемой жидкости.

Nn = 120 ∙800 ∙1557 = 27,8 кВт, 86400 ∙102 ∙0,61

7.2. Расчет потерь мощности по электрическому кабелю УЭЦН

Кабель служит для подвода электроэнергии к электродвигателю установки скважинного насоса. Кабельная линия состоит из основного питающего кабеля и сращенного с ним удлинителя с муфтой кабельного ввода, который обеспечивает

61

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

герметическое присоединение кабельной линии к электродвигателю. Кабель по основной части имеет круглое сечение.

Характеристика применяемых для ЭЦН круглых и плоских кабелей приведена в справочниках. Выбираем трехжильный круглый кабель КПБК3х16 с

площадью сечения 16 мм2. По длине насоса и протектора берем плоский кабель КПБП3х10 с площадью сечения 10 мм2 и длиной 15 м. т. к. от сечения и длины кабеля зависят потери электроэнергии в нем и к.п.д. установки, то необходимо расчитать потери электроэнергии.

Потери электроэнергии в кабеле КПБК3х16 длинной 100 м определяется по формуле

сопротивление в кабеле,Ом.

где t - удельное сопротивление кабеля при температуре Тк, Ом·мм2/м, q –

площадь сечения жилы кабеля, q = 16 мм2.

где = 0,175 Ом·мм2/м – удельное сопротивление меди при Т = 293 К;

= 0,004 – температурный коэффициент для меди.

t = 0,0175·[1+0,004·(353 – 293)]= 0,021 Ом·мм2/м

62