нефтегазопромыслового оборудования методичка
.pdfvk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
пр = 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- (1922) 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,
-173-
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
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
_-174-
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
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 и транспортировка. 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
- 175 -
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
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:
Р = Ртр+Рж+Ршт, |
(4.12) |
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 [ ], возникающее в верхнем сечении тела трубы по формуле:
[ ]= |
∙ |
, |
(4.13) |
|
|||
0 |
|
|
|
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-
-176-
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
ка полной нарезки. Помимо этого возможен выход нарезанной части трубы из муфты. Прочность резьбового соединения характеризуется страгивающей нагрузкой и определяется по формуле:
|
|
|
∙ |
∙ ∙ |
|
|
|
|
= |
|
|
|
Т |
, |
(4.14) |
|
|
|
|
||||
|
|
1+ |
∙ g(+) |
|
|
||
|
|
2∙ |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
где - средний диаметр трубы по первой нитке резьбы, м;
b - толщина стенки трубы по впадине первой полной нитки нарезки, м;
Т - предел текучести материала труб, Па;
l - длина нарезки с нитками полного профиля, м;
α- угол подъема трубы;
- 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 значительной величиной. Однако и в этом случае делают допущение, считая, что траектория движения точки В прямолинейна.
-177-
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
При точных расчетах учитывают и кривизну траектории движения точки В, что позволяет уменьшить погрешность расчета.
Найдем закон движения точки подвеса штанг, т. е. определим путь, скорость и ускорение точки В во времени.
Путь S, пройденный точкой В при повороте кривошипа на угол α (точка В займет новое положение B1), равен:
= 1 = − 1 ,
тогда ВD будет равно r+ l, а из треугольника ВСD следует 1 =r∙ cos + ∙ cos , откуда:
= + − ∙ cos − ∙ cos = ∙ ( 1 − cos ) + ∙ (1-cos ),
С учетом допущений, принятых в элементарной теории, что β= 0, будем иметь:
|
= ∙ (1 − cos ) |
(4.15) |
|
|
|
Скорость движения точки В будет равна:
|
= ∙ ∙ sin |
(4.16) |
|
|
|
а ускорение: |
|
|
|
= 2 ∙ ∙ cos |
(4.17) |
|
|
|
Путь, скорость и ускорение точки А определяются соотношением плеч балансира а и b:
|
|
|
= |
|
|
∙ ∙ (1 − cos ) |
|
|||||
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
= |
∙ ∙ ∙ sin |
(4.18) |
|||||||
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
{ |
|
|
= |
|
∙ 2 |
∙ ∙ cos |
|
|||||
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||
здесь ω - угловая скорость вращения кривошипа.
Графики изменения скорости и ускорения точки подвеса колонны штанг - это синусоида и косинусоида соответственно. Графическое изображение см. аналогично рис.
1.2.
Более точно закономерность изменения перемещения, скорости и ускорения точки подвеса штанг может быть определена с помощью приближенной теории (приближенного расчета).
Кинематическое совершенство станка - качалки характеризуется коэффициентом:
= 0
-178-
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
где - максимальное ускорение точки подвеса штанг станка -качалки, определяемое по точной теории,
0 - ускорение при гармоничном движении.
Для определения показателя т удобно пользоваться следующей формулой:
|
1+ |
|
= |
|
(4.19) |
|
√1−( ⁄ )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:
|
= + |
∙ |
+ ∙ |
∙2 |
|
|
(4.20) |
||||
|
|||||
|
ж шт |
|
шт |
1440 |
|
Минимальная нагрузка определится по формуле:
|
= |
∙ |
− |
шт |
∙ |
|
∙ 2 |
∙ (1 − |
|
) (4.21) |
|
|
|
||||||||
|
шт |
|
|
g 2 |
|
|
||||
|
|
|
|
|
||||||
где ж- вес жидкости находящейся над плунжером скважинного насоса в Н;шт- вес колонны штанг в воздухе в Н;
-179-
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
- коэффициент учитывающий погружение штанг в жидкость,= 1 - рж / ршт (здесь рж, ршт - плотность жидкости и материала штанг в кг/м3); S - длина хода головки балансира станка-качалки в м,
n - число качаний в минуту головки балансира.
Вопрос 4.26. Принцип уравновешивания станка-качалки
Работа привода ШСНУ сопровождается возвратно-поступательным перемещением колонны штанг. Определим работу, которую должен совершить двигатель в течение цикла работы скважинного насоса - при ходе штанг вверх и вниз. При этом пренебрежем силами трения и инерционными составляющими усилий.
Полагая уровень пластовой жидкости у приема скважинного насоса, найдем, что при ходе штанг вверх статическая нагрузка в точке подвеса штанг равна:
в = шт + ж
а при ходе вниз:
н = шт
где Ршт - вес колонны штанг в жидкости;ж - вес столба жидкости над полной площадью сечения плунжера.
При ходе штанг вверх работа, которую необходимо затратить, расходуется на подъем столба жидкости (т. е. совершение полезной работы) и на подъем колонны штанг (т. е. на увеличение ее потенциальной энергии):
в = (шт + ж) ∙
При ходе штанг вниз полезная работа по подъему пластовой жидкости не совершается, а выделяется накопленная потенциальная энергия:
н = −шт ∙
В результате за полный цикл работы установки совершенная работа будет равна:
∑ = в + н = ж ∙
Таким образом, полезная работа, совершаемая в течение двойного хода точки подвеса штанг, определяется работой по подъему столба жидкости на длину хода точки подвеса штанг.
В том случае, если привод установки не содержит устройств аккумулирующих потенциальную энергию колонны штанг при их ходе вниз и отдающих ее при ходе штанг вверх, то мощность приводного двигателя должна выбираться исходя из величины работы при ходе точки подвеса штанг вверх.
-180-
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Соотношение мощностей двигателей установок с одними и теми же режимами работы, но отличающимися отсутствием или наличием уравновешивающего устройства, будет равно:
н |
= 2 ∙ |
шт+ ж |
(4.22) |
|
|
|
|||
|
|
|||
|
|
ж |
|
Для наиболее часто используемых сочетаний колонн штанг и скважинных насосов это соотношение изменяется в пределах от 5 до 9 и более, что означает, что мощность двигателя неуравновешенного привода должна быть в 5 ... 9 раз больше, чем мощность двигателя уравновешенного.
Уравновешивающее устройство должно обладать достаточным запасом, энергоемкости и иметь возможность изменять ее величину в зависимости от конструкции внутрискважинного оборудования, используемого в ШСНУ.
Вопрос 4.27. Грузовое уравновешивание станка-качалки
Как уже отмечалось, равномерная нагрузка приводного двигателя штанговой насосной установки возможна только при наличии уравновешивающего устройства. В балансирных станках-качалках наиболее широко применяют уравновешивающие устройства, состоящие из грузов, установленных на балансире и роторе.
Определим вес груза на балансире, при котором установка будет уравновешена. Воспользуемся для этого элементарной теорией. Механическая работа сил инерции на полированном штоке будет равна нулю, так как при его разгоне силы инерции будут иметь положительный знак, а при торможении - отрицательный.
При установке на балансире в точке В уравновешивающего груза С (рис. 4.36) механическая работа при ходе вверх и вниз будет соответственно равна (полагаем, что переднее плечо балансира равно заднему):
в = ( шт + ж) ∙ − ∙ ; |
н = − шт + ∙ |
Если в уравновешенном станке-качалке АB = АH то, приравнивая правые части уравнений, получим:
G= шт + 2ж.
Поскольку в реальных станках-качалках груз устанавливается в точке С, то с учетом различных длин плеч балансира, вес уравновешивающего груза будет равен:
-181-
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
-182-