книги / Сборник задач по технологии и технике нефтедобычи

Ртр г не рассчитывали ввиду ее очевидной малости; Ртр пл = = 0,65 кН (при смазке водой); Аклн = 0,04 кН.

Экстремальные нагрузки с учетом сил сопротивлений рассчи­

динамические нагрузки:

по скорректированным формулам А. С. Вирновского

Рдин в — 2,9 кН, Рдин н — 2,8 кН .

Поскольку откачивают жидкость высокой вязкости, целесооб­ разно рассчитать нагрузки от гидродинамического трения по фор­ муле А. М. Пирвердяна и формуле (9.76).

По формуле А. М. Пирвердяна (9.20):

Ртр г = 2,6 кН;

по формулам (9.76): (предварительно рассчитаем величины A lt В х и U по формулам (9.77))

m = 62/19 = 3,26;

А(3,262 — 1) -f- 4 - 1п 3,26/(3,262 — 1) — 2

Сила гидродинамического трения по (9.76): при ходе вверх

Ртр гв = 2-3,14 5 10-4-920-600(3,14-0,083-2,53-2 — о ,2 Ы ,8 ) =

= 1,6кН;

при ходе вниз:

Ртр гн = 2-3,14-5-10~4-920-600 ( — 3,14-0,083-2,53-2 — 0,21-1,8) = = — 2,9 кН.

Сила механического трения (при Сшг = 0,16, атах = 0,087 рад)

Ртрмех =0,16-0,087(9,9 + 12,3) = 0,3 кН.

Сила трения плунжера в цилиндре (при смазке маслом)

Ртр пл = 0,82-0,043/(0,75-10~4) — 127 = 0,34 кН.

Сила гидравлического сопротивления в клапане

Ркл н = 0,02510е- 14,5-10-4 = 0,04 кН.

Перед окончательным расчетом экстремальных нагрузок срав­ ним динамические нагрузки и силы гидродинамического трения штанг:

211

следовательно по (10.81) ЛшП* = 12.3—2,9—0,04—0,34 = 9,0^кН.

РАСЧЕТ НАПРЯЖЕНИЙ В ШТАНГАХ

Усилия и напряжения, действующие в произвольном попереч­ ном сечении штанговой колонны, циклически изменяются. Для характеристики цикла изменения напряжения используются сле­ дующие величины:

максимальное напряжение цикла

минимальное напряжение цикла

Здесь индекс i означает, что напряжения рассчитывают для произвольного поперечного сечения колонны.

При работе штанговых колонн цикл изменения напряжения в произвольном поперечном сечении, как правило, несимметричен, т. е. оа ф 0. В этом случае надежность работы колонны опреде­ ляют не только максимальным напряжением, но и амплитудой его изменения.

В качестве единой характеристики цикла изменения напряже­ ния используют условную величину, приведенное напряжение цикла апр, для расчета которого в штангах насосных установок

формулу, полученную на основе модифицированной диаграммы Д. Гудмена

Следует отметить, что использование последних двух формул позволяет разработать достаточно простые методики расчета кон­ струкции штанговой колонны.

При расчете конструкций штанговых колонн используются предельно допускаемые значения приведенного напряжения для различных марок штанг (табл. 9.7).

З а д а ч а 9. 10. Рассчитать приведенные напряжения в точке подвеса штанг.

212

II— диаметры 55, 68, 93 мм.

Ре ш е н и е . Рассчитаем приведенные напряжения в точке подвеса штанг.

1- й вариант

0тах = 59,8-103/(4,91 • Ю-4) = 12,2-107 Н/м2 = 122 МПа;

использовать в качестве материала для штанг углеродистую сталь,

ной прочности может оказаться недостаточным. В подобных случаях окончательный выбор материала штанг делают после оценки по­ казателей надежности штанговой колонны.

Для остальных расчетных вариантов получены следующие ре­ зультаты.

2- й вариант

Расчет приведенного напряжения подтвердил правильность вы­ бора в качестве материала штанг легированной стали 20НМ с [®пР 0 1 = 90 МПа, так как нормализованная углеродистая|сталь имеет (опр 0 ] = 70 МПа и не обеспечивает практически никакого запаса усталостной прочности.

3-й вариант

что свидетельствует о правильности выбора материала штанговой колонны.

213

УТОЧНЕННЫЙ РАСЧЕТ ко н струкц и и ШТАНГОВОЙ к о л о н н ы

Конструкцию штанговой колонны можно выбирать с использо­ ванием таблиц АзНИПИнефть. Однако при расчете упомянутых

Более точно рассчитать конструкцию равнопрочной штанговой колонны можно, используя аналитические зависимости. В качестве примера ниже описана методика МИНХиГП, в которой учтено влияние на прочность колонны статических и динамических нагру­ зок, сил сопротивления, сосредоточенных у плунжера, и силы

равнопрочности ступеней, т. е. равенства приведенных напря­ жений в наиболее нагруженных сечениях каждой из ступеней

причем [<тпр определяют по формуле М. П. Марковца (9.87), а [опр] выбирают из табл. 9.7.

214

Если вследствие больших сил трения оказывается невозмож­ ным обеспечить нормальный ход вниз, то следует проверить ус­ ловие (9.94) для штанг большего диаметра. Если же не выполняется условие обеспечения усталостной прочности, то рассчитывают рав­ нопрочную двухступенчатую колонну штанг, задаваясь диамет­ рами штанг каждой из ступеней, после чего длину первой от плун­ жера ступени определяют по следующей зависимости:

венно: площадь поперечного сечения, вес 1 м штанг, сила гидро­ динамического трения штанги на длине 1 м; Р тШт — вес утяже­ ленных штанг в нижней части колонны, который принят равным сумме сил сопротивлений, сосредоточенных у плунжера

(9.98)

Длина утяжеленных штанг, предотвращающая продольный из­ гиб нижней части штанговой колонны, находится по формуле

(9.99)

где q'i шт — вес в жидкости 1 м утяжеленных штанг, в качестве которого можно применить штанги диаметром 25 мм или, в случае необходимости, утяжеленные штанги конструкции АзНИПИнефть.

Длина второй ступени

Полученную конструкцию проверяют по условиям (9.89) и (9.90), и если они оказываются невыполненными, то рассчитывают двухступенчатую колонну из штанг большего диаметра.

Из штанг серийно выпускаемых типоразмеров могут быть ском­ понованы две конструкции трехсгупенчатой колонны 16 X 19 X X 22 и 19 X 22 X 25 мм.

Длины ступеней трехступенчатой колонны рассчитывают по следующим формулам (без учета гидродинамического трения штанг):

215

Если достаточная усталостная прочность не обеспечивается ни одной из конструкций колонны из штанг данной марки, то необхо­ димо расчеты повторить для штанг с более высоким пределом уста­ лостной прочности.

Описанную методику целесообразно использовать для условий эксплуатации нормальных скважин, а также скважин с продук­ цией повышенной вязкости.

После выбора конструкции штанговой колонны уточняют по­ терн хода плунжера от упругих деформаций штанг и труб, Яшт и Ятр, длину хода полированного штока S и число качаний N, а также экстремальные нагрузки в точке подвеса штанг по соответст­ вующим формулам.

В заключение рассчитывают коэффициент подачи насосной уста­ новки

З а д а ч а 9.11. Рассчитать конструкцию равнопрочной штан­ говой колонны.

Р е ш е н и е . Проверочный расчет конструкции штанговой ко­ лонны проводят в такой последовательности (на примере 1-го рас­

Следовательно, расчетные и табличные соотношения длин сту­ пеней штанговой колонны оказались разными. Это свидетельст­ вует о том, что табличная конструкция колонны неравнопрочна. Однако поскольку различия в соотношениях длин ступеней оказа­ лись относительно небольшими, то ранее выбранную конструкцию колонны оставляем без изменения.

В заключение определяют коэффициент подачи ШСНУ

Лпод =- 2,1-0,59-0,89/2,28 = 0,48.

216

2- й вариант. Принимаем по аналогии с предыдущим вариантом, что нагрузки от сил трения qrp t = qTp п = 0. В этом случае Ршт = 0,69 кН, М = 0,25, /j = 320 м.

Вкачестве утяжеленных штанг можно использовать штанги диаметром 19 мм.

Вэтом случае

/т шт = 700/(23,5 0,884) = 34 м; /п = 546 м; ei = 0,36; ец = 0,60; б-р шт 0,04*

Различие в расчетном и табличном соотношениях длин ступеней штанговой колонны относительно невелико, поэтому ранее выбран­ ную по таблице конструкцию оставляем без изменения. Наконец,

его паспортные характеристики по максимальным нагрузкам в точке подвеса штанг, крутящему моменту на кривошипном валу редуктора и скорости откачки превышали расчетные значения со­ ответствующих показателей для планируемого режима или воз­ можного диапазона режимов эксплуатации скважины.

Станок-качалку подбирают по диаграммам А. Н. Адонина, на­

неизменном коэффициенте подачи, равном 0,85; кроме того, при­ няты еще некоторые допущения. По этой причине диаграммы А. Н. Адонина пригодны в основном для приближенных оценочных расчетов, а полученные с их помощью результаты должны прове­ ряться по табл. 9.8 после расчета величин Ртах и /Икр.

Для 1-го из рассматриваемых вариантов по табл. 9.8 выбирают станок-качалку СК-8-3,5-4000, с превышающими паспортными гру­ зоподъемностью и крутящим моментом над расчетными показате­ лями.

217

станков-качалок лежат в пределах 5 — 15 мин— 1.

Уточняют длину хода и число качаний. Принимают стандарт­ ное значение S = 2,5 м, тогда п = 2,28-6,9/2,5 = 6,3 мин-1.

Аналогично для 2-го варианта выбирают станок-качалку СК5-3,0-2500, чтобы иметь запас по грузоподъемности и крутя­

Первый из них заключается в последовательном расчете всех составляющих баланса потребляемой мощности по формулам или номограммам; при этом создается возможность учесть реальные условия работы ШСНУ (например, повышенную вязкость откачи­ ваемой жидкости, кривизну ствола скважины и т. д.).

Второй способ — это оценка потребляемой мощности по эмпи­ рическим формулам.

При применении первого из названных способов для расчета составляющих баланса потребляемой мощности используют сле­

218

потери мощности от утечек жидкости

Мощности, расходуемые на преодоление механического и гид­ равлического трения штанг в трубах и трения плунжера в цилиндре, соответственно равны:

П

/ тр м е х = 2C U IT - S £ A i « ( W s i n «£

i = 1

Затраты мощности в подземной части установки / пч и к. п. д. подземной части т]пч с учетом приведенных выше составляющих баланса мощности определяют по следующим формулам:

А. Н. Адонин рекомендует оценивать к. п. д. подземной части установки следующей эмпирической формулой:

полученной при обработке результатов исследований стендовой скважины.

Потери в наземном оборудовании, т. е. в станке-качалке и в электродвигателе, учитываются приближенно. Так, к. п. д. элек­

штанг, близкой к номинальной грузоподъемности, лежит в пре­ делах 0,70—0,90 для всех типоразмеров.

Общий к. п. д. ШСНУ и полную мощность, затрачиваемую на подъем жидкости, определяют по следующим формулам:

219

где rin — к. п. д. передачи от вала двигателя к валу кривошипа, который учитывает потери в редукторе и клиноременной передаче (принимается равным 0,96—0,98).

типоразмер электродвигателя станка-качалки с номинальной мощ­ ностью несколько большей, чем ^ П О Л Н *

В качестве приводов станков-качалок используются короткозамкнутые асинхронные двигатели в закрытом обдуваемом испол­ нении единой серии АО модификации с повышенным пусковым моментом АОП, а также закрытые обдуваемые электродвигатели новой серии типа А02 и модификации АОП2.

Основные технические данные электродвигателей, применяемых в качестве привода станков-качалок, приведены, например, в [21 ].

В заключение определяют удельный расход энергии на подъем

3 а'д а ч а 9.14. Рассчитать энергетические показатели работы

ШСНУ.

Р е ш е н и е . Рассчитаем энергетические показатели для рас­ сматриваемых вариантов.

1-й*вариант

220