Расчетная часть-Расчет оборудования штанговой глубинной насосной установки ШГНУ-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

Расчетная часть-Расчет оборудования штанговой глубинной насосной установки ШГНУ: Определение нагрузок на головку балансира станка-качалки, 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-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

3. Расчет оборудования ШГНУ.

Глубина скважины, Н 1500
Глубина подвески насоса, L 1400м
Динамический уровень, Н 1350м
Буферное давление в выкидной линии, Р 0,8МПа
Забойное давление, Р 3 МПа

 3.1  Определение нагрузок на головку балансира станка-качалки

Определим максимальную и минимальную нагрузки на головку балансира по различным теориям и сравним их.
Определим параметр Коши, а = 4600 м/с;


Режим динамический, следовательно, формулы динамической теории дадут наиболее правильную нагрузку.
1) Статическая теория.
Определим Рж, учитывая, что Рб = 0, =1350м:
;
.
Для СК-8 SА = 3,5 м, 12 мин-1. Тогда
.
Вес штанг в воздухе
;
;
.
2) Формулы А. С. Вирновского
;
;
;

Тогда
;
м;
м2;
= = м2;
= 0,507 ;
= 0,735.

Для 7СК8-3,5-4000 при SА = 3,5 м
; ; ; .
Исходя из вычисленных коэффициентов:


По формуле (2.19)


3) Упрощенные формулы А. С. Вирновского:
55394 Н;
Н.
4) Формула И. А. Чарного
рад/с= ;
= 46441 Н;
= 21573 Н
5) Формула А. Н. Адонина
;


Таким образом, принимая за основу нагрузку, рассчитанную по формулам
А. С. Вирновского, можно сказать, что наиболее близкие значения по Рmax дают формулы Адонина А. Н. (-1675) и упрощенная формула А. С. Вирновского (-4969); по Рmin наиболее близкие значения дают упрощенная формула
А. С. Вирновского (+2624 Н) и формула И. М. Муравьева (-5404Н).
Оценивая трудоемкость расчетов, следует отметить, что для оценочных, приближенных расчетов следует пользоваться формулой для Рmax
Муравьева И. М. и уточненной автором для Рmin , а для конструкторских или точных технологических расчетов следует пользоваться формулами А. С. Вир¬новского или А. Н. Адонина.

3.2 Определение длины хода плунжера штангового насоса

1) Определим длину хода плунжера по статической теории.
Исходные данные: сила сопротивления движению плунжера Рс = 5 кН, буферное давление в выкидной линии Рб = 0,8 МПа, кинематическая вязкость нефти ν = 0,1 см2/с при 80°С.
Давление столба жидкости над плунжером



Потери давления за счет сопротивления потоку жидкости в трубах определим по соотношению
,
где средняя скорость в подъемных трубах
= = =0,324 м/с
Число Рейнольдса
.
Коэффициент гидравлического сопротивления
.
Н/м =0,035 МПа.
Давление под плунжером (сопротивлением клапанов пренебрегаем)
.

Тогда вес столба жидкости над плунжером:
Н=
=14 Кн.
Удлинение штанг:
м,

Удлинение труб при ходе штанг вниз:
м ,
= = м2;

Деформация штанг за счет силы сопротивления при ходе штанг вниз:
= 0,178 м
Определим потери хода за счет изгиба штанг, т.к.
Рс < 10 кН. Предварительно определим:
мм = 0,02 м
м
Осевой момент инерции для штанг
м .

Длина хода плунжера при действии статических сил Рпл
м.
2) Определиv длину хода плунжера по динамической теории.

Определим параметр β1, выбирая b = 0,6:
=


Параметр μ в градусах
рад/с = 21,78 ; cos 21,78 =0,93
Длина хода плунжера по формуле:
м.



3.3 Расчет производительности и определение коэффициента
подачи ШГНУ

Определим производительность и коэффициент подачи ШГНУ по различным формулам и сравним их. Забойное давление Рзаб = 3 МПа, содержание воды nв = 0,25, глубина скважины H=1500 м, динамический уровень м.
Плотность жидкости
887,5 кг/м
Вес столба жидкости над плунжером, полагая, что Рбуф = 0,
Н
1) Определим производительность по теории А. М. Юрчука.
Предварительно определим:
м;
;

2) Производительность по формуле А. Н. Адонина
Режим откачки статический, Dпл = 38, m = 1,

= 66,38 м /с.
3) Производительность по формуле А. С. Вирновcкого
м /с.
4) Определим производительность при условии, что h = 0,6 с-1:
= м /с.
5) Определим производительность, полагая, что сила сопротивления движению плунжера Рc = 5 кН.

Найдем λ:
м.


Найдем производительность по формуле:
м /с.
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 > 0,6 с-1.

6) Определим коэффициент подачи:
м /сут
Коэффициент подачи :

c учетом вязкости жидкости

с учетом силы сопротивления



3.4 Расчет прочности колонны штанг

Выберем и рассчитаем на прочность одноступенчатую колонну штанг для 7СК-8-3,5-4000.
Параметр Коши .
Режим динамический.
Определим перепад давления над плунжером из формулы:
Н/м .


Амплитуда напряжения цикла по формуле:

Среднее напряжение в штангах по формуле:
;
по формуле:


Максимальное напряжение
.
Приведенное напряжение
=120 МПа.
Допустимыми являются штанги из стали 20Н2М нормализованные с поверхностным упрочнением нагревом ТВЧ =130 МПа, МПа


Запас прочности по составит:
, что приемлемо, так как

3.5 Расчет НКТ по аварийной нагрузке при эксплуатации ШГНУ

Рассчитаем аварийную нагрузку на гладкие НКТ 73×7 длиной 1500 м при спущенном в них насосе НГВ на штангах диаметром 19 мм на глубину 1400м. Динамический уровень - 1350 м, ρж = 850 кг/м3.
Определим вес труб по формуле:
=165935 Н

Вес штанг в жидкости определим по формуле:
=28780 Н
Штанги диаметром 19 мм; = 2,83 см2; = 2,35 кг/м; Dм = 51 мм; диаметр муфты меньше внутреннего диаметра НКТ на 8 мм:

Вес столба жидкости в трубах :

Сила инерции от оборвавшихся штанг по формуле:
Н.
Аварийная нагрузка на НКТ :

Страгивающую нагрузку на гладкие НКТ 73 × 7 мм определим по формуле Ф.И.Яковлева.
Найдем: b = 7,0 - 1,41 = 5,59 мм; d = 73 - 2·7 = 59 мм;


Коэффициент запаса по страгивающей нагрузке из формулы:

Трубы выдерживают аварийную нагрузку с запасом 1,55.





3.6 Расчет НКТ на циклические нагрузки

Давление столба жидкости в трубах:
кН/м
Площадь поперечного сечения внутреннего канала труб:
м
Площадь плунжера:
м
Подставляя вычисленные значения, найдём и , принимая
:
= 165935+2,73 11674+0,03 28780=198668 Н.
= 165935+(2,73 1,13) 11674 0,03 28780=185477 Н.
Площадь поперечного сечения трубы по резьбе в основной плоскости:
890 м
Вычислим максимальное и минимальное напряжения в верхнем сечении труб по основной плоскости резьбового соединения:
;
.
А затем амплитуду напряжений асимметричного цикла и среднее напряжение асимметричного цикла:


Определим запас прочности по циклическим нагрузкам, принимая 4,5 и :

Следовательно, выбранные НКТ имеют значительный запас прочности по циклическим нагрузкам.

3.7 Определение момента на валу кривошипа и мощности
электродвигателя

Определим момент на валу кривошипа и мощность электродвигателя установки 7СК-8-3,5-4000.
Режим динамический, следовательно, максимальную и минимальную нагрузки на головку балансира следует выбрать из расчёта 3.1., выполненного по упрощенным формулам Вирновского и Адонина: Н.; .
Максимальный крутящий момент на кривошипном валу редуктора, Н м, определяется по эмпирической формуле Р.А. Рамазанова:
Н м.
Для 7СК-8-3,5-4000 допустимый момент на валу кривошипа 40 000 Н м
Определим полезную мощность электродвигателя. Предварительно найдём потерю мощности в станке-качалке и теоретическую мощность установки с учётом гидравлических потерь :
144 =1,73 кВт;
кВт;
.
Полезная мощность электродвигателя:
кВт
По таблице выбираем электродвигатель АОП2-61-4 с КПД 88%,
= 0,84.
Потребляемая мощность установки составит:
15 кВ



3.8 Расчет балансира.
Выбираем швеллер No 40.
Таб. 2
n, мм b , мм S, мм t, мм Толщина накладок, мм
400 115 8 13,5 10


Момент инерции сечения накладок:
Jхн = b*Н/12 - b*h/12 = 23,5*42 / 12 – 23,5*40/12 = 19755.5 cм.
Суммарный момент инерции:
J = 2Jх + Jхн = 2*15220+19755,5 = 50195,5 см .
Момент сопротивления подобного сечения:
W = J/Умах,
где Умах = 210- расстояние от центра тяжести до наиболее удаленного вала.
W = 501955.5/21 = 2390,2 см
Проверим балансир на действие переменных нагрузок.
Рмах = 10173 кг, Рмin = 3072,4 кг.
Ммах = 350*10173 = 3560550 кгс*м
Ммin = 350*3072,4 = 1075340 кГс*м
мах = Ммах / W = 3560550 / 2390,2 = 1489,6 кГс/см
мin = Ммin / W = 1075340/2390,2 = 449,8 кГс/см
а = (мах - мin) / 2 = 1489,6- 449,8 /2 = 519,9 кГс/см.
m = (мах + мin) / 2 =1489,6+449,8 /2 =1939,4 кГс/см.
Определим зоны прочности в случае крупного разрушения:
n = в / мах =4000 / 1489,6 2
в –временное сопротивление материала балансира из Ст.3
[n] = 2
n [n]
Запас прочности в случае пластинчатой деформации
n = nт = Т/мах,
где Т = 2200 кг /см –предел текучести материала Ст.3
n = nт =Т/мах = 2200/1489,6 =1,4
[nт ] = 1,2 – 1,5
Определим коэффициент (К)g:
(К)g = К/* = 1,5/0,9*0,6 = 2,8
(а)э = (К)g * а = 2,8* 519,9 = 1455 ,7 кГс/см .
Зона прочности при изгибе:
n = -1 / (а)э =1700 / 1455,7 = 1,2 ,
где -1 = 17 кг/ мм – предел выносливости на изгиб стали 3.
Полученные запасы прочности при статических и циклических нагрузках обеспечивают надежную работу балансира.