Курсач ШГНУ, в-15

Титул
Расчет ШГНУ и выбор режима его эксплуатации
Часть 1
Выбрать станок-качалку, диаметр и тип насоса, штанг и НКТ и установить режимные параметры работы насоса для заданных условий: дебит скважины - 35 м3/сут, плотность нефти ρн = 880 кг/м3, глубина спуска насоса 1100 м, коэффициент подачи насоса η = 0,7.
По диаграмме А. Н. Адонина [24, 27], рис. 4.1 и 4.2, на пересечении
проекций (Q = 35 м3/сут и L = 1100 м находим 5СК-6-1,5-1600 и диаметр
плунжера насоса 38 мм. При глубине < 1200 м Выбираем невставной насос.
Насосы НВ1Б предназначены для откачивания из нефтяных скважин
маловязкой жидкости с содержанием механических примесей до 1,3 г/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 НВ1Б-38 требуется НКТ: 38 + 35 = 73 мм - НКТ 73 x 5,5 мм. Действительно, по табл. 2.12 [17] к этому насосу требуется замковая опора ОМ73, устанавливаемая в НКТ - 73 мм.
По табл. 2.1 - 2.3 выбираем штанги из углеродистой стали (σпр = 70
МПа) диаметр = 22 мм (35%) и диаметр = 19 мм (65%). При общей глубине
спуска 1100м длина секции штанг диаметром 22 мм 385м, диаметром 19 мм 715 м.
Режимные параметры 5СК-6-1,5-1600 таблица 1.1, по ГОСТ 5866-66 Sа
= 0,6; 0,9; 1,2; 1,5 м - длина хода точки подвески штанг. Число качаний, n = 5
- 15 мин-1.
Редуктор - Ц2НШ-450 с передаточным отношением i = 39,924, и диаметром шкива - 1000 мм (http://www.integral-org.ru/articles/reduktor-tip-ts2nsh450/).
Для обеспечения продолжительной работы СК следует принять максимальную длину хода и найти по диаграмме А. Н. Адонина максимальную
производительность насоса диаметром 38 мм, которая может быть получена
2
при работе станка-качалки на максимальных параметрах.
По диаграмме находим Qmах = 40 м3/сут.
При длине хода Smax = 1,5 м, число качаний по формуле (4.1) будет:
n  nmax 
Qф
Qmax
 15 * 35 / 40  13,13 мин -1 .
где nmax - максимальное число качаний по характеристике станкакачалки;
Qф - фактический дебит скважины; Qmax - максимальная
производительность насоса при работе на максимальных параметрах
(находят по диаграмме А. Н. Адонина).
Определим параметры работы насоса аналитическим методом, исходя
из минимума напряжений в штангах.
Зададимся стандартными значениями Sа и n и по формулам (4.2) - (4.4)
определим Fпл и Dпл и составим табл. 4.5.
n  8,9  3
Q
S2  q ср
Fпл  0,25  Q  n  q ср
где qср - средняя масса 1 п. м двухступенчатых штанг, равный 27 Н
=2,7кг [17].
Для выбора оптимального режима сначала задаются рядом возможных
значений S для принятого типа станка-качалки и находят по формуле (4.2)
соответствующие им значения n.
Далее для принятых значений S и полученных значений n определяют
площадь сечения плунжера из формулы производительности насоса, см2:
Fпл 
11  Q
,
S n
(4.4)
где Q - производительность насоса, м3/сут; S - длина хода сальникового
штока, м.
Отсюда
Dпл 
Fпл
;
0, 785
3
Таблица 4.5
Номер режима
1
2
3
4
5
0,9
1,2
1,5
1,8
2,1
23,03
19,1
16,5
14,5
13,2
43,7
40,5
36,9
34,7
31,9
4,43
4,3
3,9
2,9
3,8
Насос «38»
Рис. 4.1. Диаграмма А Н. Адонина для выбора оборудования штанговой насосной установки при использовании базовых моделей СК.
Таким образом, исходя из табл. 4.5 видно, 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 получился
больший.
Для выбора оптимального режима определим максимальные значения
нагрузок в точке подвеса штанг по формуле (4.5):

S  n2 
Рmax 4  Fпл   ж  L  g  qср  L  g   b 

1440 

2,5*13,132
 34, 7 *880*1100*9,81  3, 27 *1100*9,81(0,892 
)  48252
1100
4
где L - глубина спуска насоса, м; b = (ρш - ρж) / ρш - коэффициент облегчения штанг в жидкости; ρш, ρж - плотность материала штанг и
жидкости соответственно; S·n2 / 1440 - фактор инерционных нагрузок; g ускорение свободного падения.
b
7850  880
 0,887 ;
7850
5
Рmax
 8.7 104  880 1100  9,81  27 1100  9,81

2.5 13, 22 
 0,887 
 38207 Н .
1100 

Наиболее выгодным режимом будет 4-й, при котором Рmax = 38,21 кН
наименьшая. Минимальную нагрузку найдем по формуле (4.6):

S n2 

Р min  q ср  L  g   b 
1440



2,5 13, 22 
5
Рmin
 3, 27 1100  9,81 0,887 
 35273 Н .
1100 

Определим максимальное и минимальное напряжения
по формуле
(4.7) и σпр по формуле (4.8):
 max 
Р max
38207
Н
 max 
 115,8 106 2  115,8 МПа ;
4
3,3 10
м
fш
где fш - площадь поперечного сечения штанг.
Для выбора материала штанг определяют σпр
 min 
а 
35273
Н
 106.9 106 2  106.9 МПа ;
4
3,3 10
м
115,8  106.9
 4, 45 МПа ;
2
амплитудное значение напряжения в
асимметричном цикле.
 пр  115,8  4, 45  22, 7 МПа .
По табл. 4.1 - 4.3 выбираем штанги из стали 20Н2М σпр. доп = 90 МПа
для некоррозионных условий.
Коэффициент запаса прочности штанг составит (формула (4.9))
5

т
390

 3.37 МПа .
115,8
 max
σт - предел текучести материала штанг.
Определим необходимое число качаний при использовании стандартного диаметра плунжера (для 5-го режима это будет 38 мм). По формуле
(4.10)
n  nр 
где nр
Dр
Dст
-
; n  13, 2 
39
 13,5 .
38
расчетное число качаний; Dр
-
расчетный
диаметр
плунжера; Dст - стандартный диаметр плунжера.
Если n получается нестандартное, следует выбрать ближайший
стандартный или изготовить шкив для электродвигателя необходимого
диаметра:
Для насоса НВ1Б-38-35-15 допустимы длина хода 3,5 м и глубина
спуска 1500 м. Диаметр НКТ 73 x 5,5 мм.
Определим диаметр шкива электродвигателя для нестандартного числа
качаний по формуле (4.11):
d эд 
n  dр  i
n эл
, Dэл 
13,5 1000  38
 349 мм .
1470
где n - число качаний в мин; dp - диаметр шкива редуктора; i передаточное
число
редуктора;
nэл
-
частота
вращения
вала
электродвигателя, мин-1.
Таким образом, в результате аналитического расчета мы увеличили
диаметр насоса, НКТ, уменьшили число качаний с 15 до 13,2 мин-1 и выбрали
более прочные штанги из стали 20Н2М по сравнению с табличнографическим расчетом.
6
Расчет аварийной нагрузки на колонну гладких НКТ
Часть 2
Рассчитать аварийную нагрузку на гладкие НКТ 89 x 6,5 мм длиной
1100 м при спущенном в них насосе НГН на штангах диаметром 22 мм на
глубину 1100 м. Динамический уровень - 1060 м, ρж = 880 кг/м3.
Определим вес труб по формуле (4.54):
  
Р т  L т1  q т  g  L т 2  q т  g  1  ж  ; (4.54)
 т 
880 

Рт  1100 16,8  9,81  50 16,8  9,81 1 
 188605 Н .
 7850 
где Lт - длина колонны НКТ; qт - масса 1 п.м НКТ с учетом муфт; g
- ускорение свободного падения.
Вес штанг в жидкости определим по формуле (4.55).
Штанги диаметром 22 мм; fш = 3,79 см2; qш = 27 Н; Dм = 38 мм; диаметр муфты меньше внутреннего диаметра НКТ на 35 мм:
  
Р ш. ж  L ш  q ш  g  1  ж 
  шт 
880 

Рш. ж  1100  27  9,81 1 
 258695 Н .
 7850 
где Lш - длина колонны штанг; qш - масса 1 п.м
колонны шганг,
ρшт - плотность материала штанг.
Вес столба жидкости в трубах (формула (4.56))
Р ж  0,785  d 2  L ш   ж  g
Р ж  0, 785  762 106 1100  880  9,81  45057 Н .
где d - внутренний диаметр НКТ.
Сила инерции от оборвавшихся штанг по формуле (4.57)
Р i ш  L ш  f ш  ш  g п
7
Рi ш  1100  3.79 104  7850  9,81  32104 Н .
где fш - площадь поперечного сечения штанг; gп - ускорение падения
штанг (gп = 3 ÷ 6 м/с2).
Аварийная нагрузка на НКТ (формула (4.52))
Р т. ав  Р т  Р ш. ж  Р ж  Р i ш ,
(4.52)
где Рт - вес труб без учета погружения их в жидкость; Рш.ж - вес штанг
с учетом погружения их в жидкость; Рж - вес столба жидкости в трубах; Рi ш
- сила инерция от массы оборвавшейся колонны штанг.
Рт. ав  188605  258695  45057  32104  524461 Н .
Страгивающую нагрузку на гладкие НКТ 73 x 5,5 мм определим по
формуле (1.11).!!
Для НКТ 73 х 5,5 мм q = 9,5 кг/м; Lp = 40,3 мм; h1 = 1,81 мм.
Найдем: b = 5,5 - 1,81 = 3,69 мм; d = 73 - 2·5,5 = 62 мм;
Dср  73  3,69  76,69 м ;
Рстр

3,69
 0,424 ;
5  3,69
ctg 69  0,384 ;
3,14  76,69  3,69  465  104  106

 163334 Н .
76,69
1  0,424 
 0,384
2  40,3
Коэффициент запаса по страгивающей нагрузке из формулы (4.58)
n
Рстр
Рт. ав

163334
 1,22  1,1 .
132801
(4.58)
Трубы выдерживают аварийную нагрузку с запасом 1,4.
8