Расчетная часть-Расчет оборудования штанговой глубинной насосной установки ШГНУ и определение параметров работы насоса Станка качалки-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

Расчетная часть-Расчет оборудования штанговой глубинной насосной установки ШГНУ и определение параметров работы насоса Станка качалки: Определение нагрузок на головку балансира СК, Определение длины хода плунжера штангового насоса, Расчет производительности и определение коэффициента подачи ШГНУ, Расчет прочности колонны штанг, Расчет НКТ по аварийной нагрузке при эксплуатации ШГНУ, Расчет НКТ на циклические нагрузки, Определение момента на валу кривошипа и мощности электродвигателя, Расчет балансира на прочность, 4 Выбор оборудования и методы борьбы с высокой вязкостью в добываемой продукции скважины-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

3.Расчет оборудования ШГНУ.


3.1Выбор оборудования ШГНУ и определение параметров работы насоса

Графический метод основан на применении диаграмм А. Н. Адонина. При его применении необходимо знать дебит скважины Q в м3/сут и глубину спуска насоса L в м. Типоразмер станка – качалки и диаметр плунжера насоса определяют непосредственно по диаграмме Адонина в точке пересечения проекций дебита и глубины спуска насоса.
Тип насоса определяют в зависимости от глубины спуска и параметров добываемой жидкости. При глубинах спуска более 1200 м и наличии в жидкости значительного количества абразивных частиц (более 1,5 г/л) следует применять вставные насосы (типа НВ) с диаметром плунжера 29, 32, 38, 44 и 57 мм.
При меньших глубинах спуска и больших дебитах жидкости отдают предпочтение не вставным насосам (типа НН) с диаметром плунжера 29, 32, 44, 57, 70, 95 и 102 мм.
При выборе диаметра насосных труб следует учитывать тип и размер насоса. При использовании вставных насосов превышение диаметра НКТ над диаметром плунжера составляет 28 – 32 мм. При применении же не вставных насосов такое превышение не должно составлять более 14 – 18 мм.
Диаметр насосных штанг и группу прочности стали выбирают по таблице с последующей проверкой расчетом на приведение напряжение. При глубинах подвески более 1200 м следует применять ступенчатые колонны штанг. При двухступенчатой колонне углеродистых штанг (сталь 40У) ориентировочно можно принять процентную длину штанг верхней ступени равной диаметру плунжера.
Для приближенного определения режимных параметров работы насоса следует принять максимальную длину хода точки подвеса штанг для выбранного СК и найти необходимое число качаний по зависимости:
где nmax – максимальное число качаний по характеристике СК; Qф – фактический дебит скважины; Qmax – максимальная производительность насоса при работе на максимальных параметрах (по диаграмме Адонина).
Для более точного определения режимных параметров работы насоса применяют аналитические методы: метод Муравьева, Крылова и Оркина, позволяющий на основе простых формул получить основные параметры работы оборудования; далее следует формулы Адонина, Вирновского, Чичерова и другие, которые рекомендуются для уточненных расчетов оборудования и параметров с учетом деформации колонны штанг и труб, сил трения вязкости жидкости.
По диаграмме А. Н. Адонина на пересечении проекций Q=40 м3/сут и Нсп=1650 м находим СК12–2,5–4000 и диаметр насоса 43 мм.
При глубине > 1200 м следует выбрать вставной насос.
Выбираем НВ2Б–43–25–40.
Для НВ–2Б–43 требуется НКТ: 43+28=71 мм. НКТ 73х5,5 мм. Замковая опора ОМ–73 устанавливается в НКТ к этому насосу.
Выбираем двухступенчатую колонну с диаметром штанг равным 22 и 19мм.
σпр=110 МПа, сталь 15ХН.
Режимные параметры СК12–2,5–4000 по ГОСТ 5866:
длина хода точки подвески штанг
SА=1,2; 1,5; 1,8; 2,1; 2,5.
Число качаний n=5-12 мин-1
Редуктор Ц2НШ-750Б с передаточным отношением i=37,18 диаметром шкива мм.
Для обеспечения продолжительной работы СК следует принять максимальную длину хода и найти по диаграмме А. Н. Адонина максимальную производительность насоса диаметром 43 мм, которая может быть получена при работе СК на максимальных параметрах.
По диаграмме находим
При длине хода м число качаний:
мин-1.
Определим параметры работы насоса аналитическим методом, исходя из минимума напряжений в штангах. Зададимся стандартными значениями SA и n и по формулам определим и .
No S, м n Fпл, см2 Dпл, см
1 1,2 14,35 18,4 4,84
2 1,5 12,4 17,1 4,66
3 1,8 10,9 16,1 4,52
4 2,1 9,9 15,3 4,41
5 2,5 8,8 14,4 4,28
6 5,82 5 10,86 3,72
7 2,41 9 14,57 4,31
8 1,56 12 16,83 4,63


кг/м, где q1, q2 – масса 1-го п.м. верхней и нижней секций штанг.
; .
Таким образом, наиболее приемлемыми режимами работы насоса являются 5-й и 4-й, однако диаметр плунжера при этих режимах получится маленький.
Для выбора оптимального режима определим максимальное значение нагрузок в точке подвеса штанг:


Н
Н
Наиболее выгодным режимом будет 5-й, при котором Н наименьшее.
Минимальную нагрузку найдем:
Н.
Определим максимальные и минимальные напряжения:
МПа
МПа
МПа
Амплитудное значение напряжения в ассиметричном цикле:
МПа
По таблице выбираем штанги из ст. 20Н2М для не коррозионных условий коэффициент запаса прочности штанг:

Определим необходимое число качаний при использовании стандартного диаметра плунжера:
мин-1.
Для насоса НВ2Б–43–25–40допустимы длина хода 2,5 м и глубина спуска 4000 м.
Диаметр НКТ 73х5,5 мм.
Определим диаметр шкива электродвигателя для нестандартного числа качаний:
мм.







3.2 Определение нагрузок на головку балансира СК

Определим параметр Коши
где а=4900 м/с – скорость звука в штангах
с-1

Максимальная нагрузка по статической теории:
где - вес столба жидкости над плунжером.
Н
- коэффициент облегчения штанг в жидкости

Для СК12 м, мин-1, тогда
- фактор динамичности.
Вес штанг в воздухе:
Н.
Н.
Н.
Определение нагрузок по формуле А.С. Вирновского. Согласно исследованиям А.Н. Адонина они дают наилучшее совпадение с опытными результатами замеров нагрузки.



Вес колонны штанг в жидкости:
Н
- вес столба жидкости в кольцевом пространстве.
м2 – площадь поперечного сечения штанг
м - средний диаметр штанг
Н
Удлинение штанг от веса столба жидкости:
м

м2 – площадь внутреннего канала труб;
- коэффициент изменения сечения потока жидкости при переходе от насоса в трубы
м
- коэффициент отношения площадей
Для СК12–2,5–4000 при SA=2,5 м:
, , , - кинематические коэффициенты А.С. Варнавского.
Исходя из вычисленных коэффициентов:

Упрощенные Адониным формулы Вирновского можно использовать для широкого диапазона м, мин-1, мм.

Формула И.А. Чарного:
;
Н
Н
Формула А.Н. Адонина
- коэффициент

Таким образом, принимая за основу нагрузку, рассчитанную по формулам Вирновского, можно сказать, что наиболее близкие значения по Рmax дают формула Адонина (+6003 Н), а по Рmin упрощенная формула Вирновского (-565Н).



3.3 Определение длины хода плунжера штангового насоса

Давление столба жидкости над плунжером
МПа
Потери давления за счет сопротивления потоку жидкости в трубах:
, где средняя скорость в подъемных трубах:
м/с
Число Рейнольдса:
Коэффициент гидравлического сопротивления:

Тогда: МПа
Давление под плунжером (сопротивлением клапанов пренебрегаем):
МПа
Тогда вес столба жидкости над плунжером:
кН
Удлинение штанг:


Удлинение труб:
м
м2 – площадь поперечного сечения труб;
Деформация штанг за счет силы сопротивления при ходе штанг вниз:
м
Потери хода за счет изгиба штанг определим, так как Рс<10 кН, то:
м – радиус спирали
м – длина сжатой части колонны.
Осевой момент инерции для штанг:
м4
Тогда: м
Длина хода плунжера при действии статических сил:
м
Определим длину хода плунжера с учетом динамических сил, без учета сопротивления движению штанг в вязкой жидкости.





3.4 Расчет производительности и определение коэффициента подачи ШГНУ.

1) Определим производительность по теории А.М. Юрчука:
- удлинение насосных штанг и труб от веса столба жидкости

2) Производительность по формуле Адонина: т.к. Dпл=43, то m=1 – коэффициент, учитывающий влияние инерции столба жидкости.

3) Производительность по формуле А.С. Вирновского

, где член , вырастающий перемещение плунжера при отсутствии статических удлинений и , получен для вынужденных колебаний «свободной» штанги, т.е. штанги без плунжера, при г гармоническом законе движения балансира.

4) Определим производительность при условии, что h=0,6 с-1 – константа трения

- гиперболический синус
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 такое в клапанных насосах. Для этих условий соответствующую формулу получил А.С. Вирновский:

5) Определим производительность, пологая, что Рс=9 Кн
м


6) Теоретическая производительность глубинно – насосной установки:

- коэффициент подачи
С учетом вязкой жидкости:

С учетом силы сопротивления:



3.5 Расчет прочности колонны штанг

При статическом режиме работы установки применяют упрощенные формулы. При их выводе радиальными и округаными напряжениями в штангах пренебрегают.
Амплитуда напряжения цикла (для диаметра 19 мм):

МПа – перепад давления над плунжером
МПа
Среднее напряжение в штангах:
Максимальное напряжение:
МПа
Приведенное напряжение:
МПа
Подсчитаем теперь для другой секции диаметром штанг 22 мм:

Н
Н
Н
МПа
Приведенное напряжение:

МПа
Подбором длин можно добиться выравнивания .
Увеличим длину 1-й секции, соответственно уменьшив длину 2-й:
м
м
Заново произведем расчет:
МПа
Н
МПа
МПа
МПа
Приведенное напряжение:
МПа
Для 2-й секции (диаметр 22 мм):
МПа
МПа
МПа

При применении ступенчатой колонны штанг длины ступеней подбирают так, чтобы наибольшие значения для верхних секций ступеней были одинаковы, т.е.:


Выбираем сталь 20Н2М с


3.6 Расчет НКТ по аварийной нагрузке при эксплуатации ШГНУ

Определим вес труб:
Н
Вес штанг в жидкости:
Н
Вес столба жидкости в трубах:
Н
Сила инерции от оборвавшихся штанг:
Н
Аварийная нагрузка на НКТ:
Н
Определим страгивающую нагрузку на гладкие НКТ :
Для НКТ 73-5,5мм :q=9,5кг/м
Lp=40,3мм
H1=1,41мм
Найдем :b=δ-h1=5,5-1,41=4,09мм-толщина тела трубы под резьбой в основной плоскости;
d=D-2δ=73-2*5,5==62мм-внутренний диаметр трубы;
Dср=d+b=62+4,09=66,09мм;
η= = =0,426-поправка Шумилова;
ctg( )=ctg69=0,384,где - угол трения в резьбе;
Р = = =298542 Н;
Длина НКТ : L= = =2464м, где n=1,3-коэффициент запаса;
Коэффициент запаса по страгивающей нагрузке:
n= = =1,2 1,1
Трубы выдерживают аварийную нагрузку с запасом 1,2.


3.7 Расчет НКТ на циклические нагрузки

При работе ШГНУ на НКТ действуют циклические нагрузки. При этом трубы проверяются на страгивающую нагрузку и на выносливость. Циклические нагрузки на трубы возникают в связи с тем, что часть столба жидкости при ходе штанг вверх воспринимается плунжером, а при ходе вниз- полностью трубами.
Из предыдущих расчетов:
Н
Н
Давление столба жидкости в трубах:
кН/м2
Площадь поперечного сечения внутреннего канала труб:
м2
Площадь плунжера: м2
Принимая, что , найдем:
кН
кН
Площадь поперечного сечения трубы по резьбе в основной плоскости:
м2
Вычислим максимальные и минимальные напряжения в верхнем сечении труб по основной плоскости резьбового соединения:
= = МПа;
= = МПа.
Среднее напряжение асимметричного цикла:
МПа
Амплитуда напряжений асимметричного цикла:
МПа
Определим запас прочности по циклическим нагрузкам, принимая ,что:
(К )d=4,5; 0,1
n= , где =160 МПа-для материала труб категории прочности «Д».
n= 1,81 >1,3
Следовательно, выбранные НКТ имеют запас прочности по циклическим нагрузкам.


3.8 Определение момента на валу кривошипа и мощности электродвигателя

Для СК12 – 2,5 – 4000:
nmax=12мин-1; Smax=2,5м; =0,91 с-1; =0,301
Из предыдущих расчетов: Рж=48843 Н
Вес штанг в жидкости:
Р =Ршт[1- ]=37599 Н;
Коэффициент отношения площадей: =0,71
Удлинение штанг от веса столба жидкости: =0,584м
По формуле Вирновского: Рmax=71943 H, Pmin=26497H.
Момент на кривошипном валу редуктора:
Для СК12 – 2,5 – 4000 допустимый момент на валу кривошипа 40000 Нм.
Потеря мощности в СК:
кВт
Гидродинамическое давление на плунжер:
Н/м2
Длина хода плунжера была рассчитана раньше: Sпл=2,32м
Теоретическая мощность установки:
кВт
Полезная мощность электродвигателя:
Nэ.д= , где =0,87-механический КПД подземной части установки;
Nэ.д= =12,4 кВт
Выбираем электродвигатель АОП – 63 – 4 с КПД 87,5%, cos =0,87, N=14кВт
Потребляемая мощность установки:
Nуст= 14,5 кВт, где -КПД электродвигателя.


3.9 Расчет балансира на прочность

При расчете балансира на несущую способность необходимо определить величину максимальной кратковременно действующей нагрузки. Эта нагрузка может превысить максимальную нагрузку в точке подвеса штанг при установившемся движении вследствие мгновенного заклинивания плунжера в результате попадания между цилиндром и плунжером крупинок песка, находящегося в откачиваемой жидкости. Предполагается, что в результате такого мгновенного заклинивания станок не остановится и лишь увеличится нагрузка в точке подвеса штанг против допускаемой проектной.
Поперечное сечение балансира СК12 – 2,5 – 4000 в расчетном сечении представляет два сваренных двутавра No60 с двумя приваренными накладками толщиной 10мм.

Момент сопротивления опасного сечения балансира:
W=2Wт+ 7300 см3
Увеличение максимальной нагрузки при мгновенном заклинивании можно учесть коэффициентом =1,5-2 :
Р Рmax= Н.
Максимальный изгибающий момент:
М кНм,
где К1 – длина хода переднего плеча балансира.

Максимальное напряжение от изгиба с учетом вероятности мгновенного заклинивания плунжера насоса в цилиндре:
36,9МПа
Запас прочности в случае хрупкого разрушения:
nв= 10,84, где =400 МПа – для ст3

nт= 5,96, где =220 МПа – для ст3;


Проверим балансир на действие циклических нагрузок:
7,8МПа;
16,8 МПа.
Зная коэффициенты К =1,5; =0,9 ; =0,6; (К )d=2,8; =0,05, найдем коэффициент запаса на циклические нагрузки:
5,05 > 1,3, где 170 МПа
Полученные запасы прочности при статических и циклических нагрузках обеспечивают надежную работу балансира.








4 Выбор оборудования и методы борьбы с высокой вязкостью в добываемой продукции скважины
Одним из методов борьбы с высокой вязкостью жидкости является скважинный насос исполнения НВ1БД1 (рисунок 24) предназначенный для откачивания из нефтяных скважин жидкостей с повышенной вязкостью до 0,3 Па ·с содержанием механических примесей до 1,3 г/л.
Работа насоса заключается в следующем. При ходе плунжера вниз в зоне цилиндра, заключенной между плунжером, создается разряжение, за счет чего открывается нижний клапан клапанного блока и в упомянутую зону поступает пластовая жидкость. Закрытый при этом верхний клапан клапанного блока воспринимает давление столба жидкости и создает дополнительную направленную вниз нагрузку, способствующую преодолению гидравлических сопротивлений в насосе и усилий трения колонны штанг об откачиваемую высоковязкую жидкость. Последнее весьма существенно, так как основное препятствие применения насосной эксплуатации для откачивания высоковязкой жидкости – зависание штанг из – за чрезмерных усилий трения.

1 - шток; 2 - замок; 3 - упор; 4 - переводник плунжера; 5 - цилиндр разделителя; 6 - плунжер разделителя; 7 - полый шток; 8 - цилиндр насоса; 9 - клапанный блок; 10 - плунжер насоса; 11 - переводник насоса
Рисунок 24 — Схема насоса типа НВ1БД1

Так же я рассмотрел патентные проработки No 2211374 и No 2305764 (Смотреть пункт 2)
Из выше перечисленного я выбрал штанговый насос с управляемыми клапанами, так как расположение всасывающего клапана в кожухе позволяет выполнить его с проходным каналом, площадь сечения которого не меньше площади сечения цилиндра насоса, что способствует увеличению коэффициента наполнения насоса, а принудительное управление всасывающим клапаном позволяет применять штанговый насос для откачки из скважины жидкости с вязкостью, при которой клапаны других конструкций, в которых запорные элементы клапанов перемещаются под действием силы тяжести, неработоспособны, что повышает надежность работы штангового насоса и расширяет область применения за счет возможности использования его в наклонно направленных скважинах.



Рассчитаем основные параметры, относящиеся к выбранному насосу.
Диаметр насоса для СК12-2,5-4000 равен 43мм
Производительность Q=40 м3/сут
Глубина спуска Нсп=1650 м
Определим параметры работы насоса :
;


Где кг/м, где q1, q2 – масса 1-го п.м. верхней и нижней секций штанг.
Для данного насоса допустимы длина хода 2,5 м и глубина спуска 3000 м.
Диаметр НКТ 73х5,5 мм.
Вес штанг в воздухе:
Н
Определим толщину стенки кожуха :

где
А вес столба жидкости равен :
Рж = 0,785D2 Lρжġ =23494Н
тогда
Давление под плунжером (сопротивлением клапанов пренебрегаем):
МПа
Тогда вес столба жидкости над плунжером:
кН
Удлинение штанг:


Удлинение труб:
м
м2 – площадь поперечного сечения труб;
Деформация штанг за счет силы сопротивления при ходе штанг вниз:
м