Расчетная часть-Расчет станка качалки 6СК6-2.1-2500 и штангового плунжерного насоса марки 102-НН2м -88-21-13-И-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

Расчетная часть-Расчет станка качалки 6СК6-2.1-2500 и штангового плунжерного насоса марки 102-НН2м -88-21-13-И: Расчет колонны штанг, Прочностной расчет цилиндра насоса, Проверка насосно-компрессорных труб-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

Глава 3 Расчетная часть


Исходные данные:

- планируемый дебит;
- глубина скважины ;
- глубина подвески насоса;
- динамический уровень;
- плотность воды;
- плотность нефти;
- плотность газа;
- плотность стали;
- обводнённость продукции скважины;
- буферное давление;
- затрубное давление;
-пластовое давление;
-давление насыщения;
-температура пласта;
- ускорение свободного падения;
-динамическая вязкость нефти;
количество механических примесей -10г/л;
Газовый фактор=0,3 м3 /м3;
=2,3 м3/(Па×сут).

3.1 Основные положения технического задания на разработку невставного штангового насоса повышенной надежности

1.Наименование и область применения.
1.1 Наименование и область применения.
Установка СШНУ с невставным скважинным насосом с цанговым зажимом.
1.2 Назначение и область применения.
Установка СШНУ предназначена для эксплуатации мало и среднедебитных нефтяных скважин для отбора из них больших количеств жидкости (дебит 130 м3/сут., динамический уровень 703 м, плотность нефти 8305 кг/м3).
1.3 Возможность использования изделия для постановки на экспорт.
Установка может поставляться на экспорт самостоятельно при наличии патентной чистоты по стране поставок.

2.Основания для разработки.
2.1 Организация, утвердившая документ.
Кафедра НГМО в лице заведующего кафедрой Сысоева Н.И.
2.2 Тема, этап отраслевого и тематического плана в рамках которого будет выполняться проектирование.
Дипломный проект.

3.Цель и назначение разработки.
3.1 Заменяемое старое или создание нового.
Разработка конструкции невставного штангового насоса повышенной надежности.
3.2 Ориентировочная потребность по годам с начала серийного производства.
По заказу кафедры НГМО.
3.3 Источник финансирования.
Предприятие.
3.4 Количество и сроки изготовления.- отсутствуют.
3.5 Предлагаемые исполнители.
УВП и ИТР кафедры НГМО

4.Источники разработки.
4.1 Протоколы лабораторных испытаний.
Отсутствуют.
4.2 Конструктивные проработки.
Конструкторская и нормативная документация, требования по эксплуатации.
4.3 Перечень других источников - отсутствуют.

5.Технические требования.
5.1 Стандарты и нормативно-техническая документация.
Технические условия на скважинные установки ТУ 26-06-1464-86,
технические требования на штанговые насосы ТУ 16-652.016-85.
5.2 Состав изделия, требования к устройству.
Скважинного невставной насос с цанговым зажимом состоит из двух принципиально разных частей, первая часть это всасывающая линия и цанговый зажим, и вторая это нагнетательная линия и рабочий орган. Первая
часть включает в себя: хвостовик, якорь, всасывающий клапан, ниппель. Вторая: ловитель, нагнетательный клапан, плунжер, переводник. Обе части соединяются по средством зацепления ловителя с ниппелем. Пара цилиндр-плунжер подбирается по посадке с зазором H8/h8. Хвостовик изготавливается в шестигранном сечении.
5.3 Требования к показателям назначения, надёжности и ремонтопригодности.
Насос тина НН должен удовлетворять следующим требованиям:
 Насос используется для скважин с содержанием в откачиваемой жидкости до 10 г/л механических примесей;
 Насос должен обеспечивать подачу 130 м3/сут;
 Глубина спуска насоса должна не превышать 1300 м;
 Насос должен обеспечивать откачку пластовой смеси с плотностью не более 460 кг/м3.
5.4 Требования к унификации.
Основные сборочные единицы: насос состоит из переводника, плунжера, нагнетательного клапана, ловитель, ниппеля, всасывающего клапана, якоря, хвостовика, цилиндра, патрубка.
5.5  Требования к безопасности.
Добыча нефти СШНУ должна производиться в соответствии с правилами безопасности в нефтегазовой отрасли, правилами технической эксплуатации, правилами техники безопасности при эксплуатации электроустановок и требованиями инструкций.
5.6  Эргономические и эстетические требования.
Эргономические показатели должны обеспечивать максимальную
эффективность, безопасность и комфортность труда.
5.7  Требования к патентной чистоте.
Установка скважинного невставного насоса цанговым зажимом должна обладать патентной чистотой по странам СНГ, бывшим СЭВ, а также США, Англии, Франции, Японии, Германии.
5.8Требования к номенклатуре изделия.
Плунжер изготавливается из стали 5ХНМ ГОСТ 5950-73.
5.9 Требования к эксплуатации.
Установки работают от сети переменного тока напряжением 380 В при
частоте тока 50 Гц. Установки СШНУ предназначены для добычи пластовой среды, состоящей из смеси нефти, воды и газа.
Содержание пластовой воды в перекачиваемой среде до 99%. Максимальное массовое содержание твердых частиц 0,2%; максимальное объемное содержание нефтяного газа на приеме насоса не более 25%; водородный показатель пластовой воды рН 4.2-8.0; максимальная концентрация сероводорода 50 мг/л. Рабочий диапазон изменения температур от 5 до 70oС.

6.Экономические показатели.
6.1 Ориентировочный экономический эффект от применения одной установки не рассчитывается.
6.2  Срок окупаемости затрат – один год с начала их серийного производства.
6.3  Цена договорная.
6.4  Предполагаемая годовая потребность не рассчитывается.

7.Стадии и этапы разработки.
7.1 Разработка конструкторской документации для изготовления опытной партии насосов.
7.2  Изготовление и предварительные испытания опытной партии установок.
7.3  Приёмочные испытания опытной партии установок.
7.4  Корректировка конструкторской документации на установочную серию.
7.5  Изготовление установочной серии невставного насоса.


3.2 Подбор поверхностного и скважинного оборудования СШНУ
3.2.1 Определение плотности смеси
;

3.2.2 Определение забойного давления
;

3.2.3 Определяется глубина расположения динамического уровня при заданном дебите жидкости
     

3.2.4 Определяется давление на приеме насоса
        
,
где Рнас — давление насыщения.
3.2.5 Определяется глубина подвески насоса
       

3.2.6 Определение максимальной и минимальной нагрузки в точке подвеса штанг
Определение статических составляющих максимальной нагрузки :
По типоразмеру насоса и глубине спуска определяем (предварительно) максимальные и минимальные нагрузки в точке подвеса штанг по формулам:

, где - давление на плунжер сверху;
- давление на плунжер снизу;
- площадь поперечного сечения плунжера.
;
;

- диаметр полых насосных штанг; 3.5мм- толщина стенки штанги.
- вес насосных штанг; где
;
- максимальная статическая нагрузка.
.
.
Выбор привода:
По требуемой длине хода полированного штока и действующей нагрузке в точке подвеса штанг принимаем станок-качалку 6СК6-2.1-2500 (см. прил.1)
Основные параметры СК (По ГОСТ 5866-66):

• Наибольшая допускаемая нагрузка в точке подвеса штанг........60кН
• Длина хода полированного штока....................0,9;1,2;1,5;1,8;2,1 м
• Число качаний балансира в минуту.......................................6-15
• Максимальный крутящий момент...... .............................25 кН*м
• Длина переднего плеча балансира....................................2100мм
• Длина заднего плеча балансира.......................................2100мм
• Длина шатуна..............................................................2500мм
• Наибольший радиус кривошипа.......................................1000мм
• Габаритные размеры (длина, ширина, высота)....6550, 1650, 4715мм
• Масса комплекта..................................................................9т



Рисунок 8 - Схема станка-качалки 6СК4-3-2500
Определение сил трения подвижных частей:

-ход вверх
-ход вниз
• Сила трения плунжера о цилиндр:

(где коэффициенты m1 и m2 принимают значения 1,84 и 137) ;
- зазор между плунжером и цилиндром [1];
.
• Сила трения штанг о трубы:
- при ходе вверх;
- при ходе вниз;

- коэффициент трения штанг о трубы НКТ;
- средний телесный угол искривления ствола скважины;
;
.
• Сила трения штанг и их муфт о жидкость:
- при ходе вверх;
;
- при ходе вниз;
.
• Суммарная сила сопротивления движению колонны штанг:
;
- при ходе вверх;
;
- при ходе вниз

Выбор колонны НКТ:
Исходя из диаметра насоса и минимальной скорости откачки жидкости выбираем гладкие НКТ 102х5,5-Д ГОСТ 633-80.
- наружный диаметр НКТ;
- внутренний диаметр НКТ;
- площадь поперечного сечения НКТ;
;
Удлинение колонны штанг и колонны НКТ при динамических нагрузках:
;
- площадь поперечного сечения полой штанги;
;
- модуль упругости штанг;
.
- удлинение НКТ;
.
Суммарная потеря длины хода плунжера:
;
;
Необходимая длина хода точки подвеса штанг для обеспечения длины хода плунжера S=2.1м:
- необходимый ход точки подвеса штанг.

Рисунок 9 – Расчетная схема к удлинению колонны штанг и колонны НКТ
Определение вибрационных нагрузок:

; ; ; - кинематические коэффициенты станка-качалки.
;
;
;
;
- ход вверх;
- ход вниз.
Определение инерционных нагрузок:
;
- ход вверх;
- ход вниз.

Рисунок 10 - Схема теоретической и практической динамограмм
Проверка выбранного привода на максимальную нагрузку в точке подвеса штанг:
• Ход вверх
;
.
• Ход вниз
;
.

- допускаемая нагрузка на головку балансира;
- условие выполняется.

Чтобы колонна штанг не «зависала» необходимо выполнение
условия:
;
- условие выполняется.
Все условия выполняются, следовательно, станок-качалка подобран верно.
Рисунок 11-Схема действующих нагрузок на головку балансира



3.2.7 Прочностной расчет шатуна



Рисунок 12 - Схема приложения нагрузок

Необходимо найти растягивающую силу Р1, действующую на шатун. Для этого составляем равенство (моменты относительно т.C равны):


Чтобы найти значение отрезка CE, рассмотрим подобие треугольников.

∆OBA=∆ECB

; ;

Следовательно,

В качестве шатуна применяются трубы НКТ. Примем трубы НКТ диаметром 60мм.

Трубы изготавливают из сталей следующих групп прочности:
Д, К, Е, Л, М, Р.
Применяем группу прочности Д. При условном диаметре 60мм и группы прочности стали Д:
Предел текучести
;
, где коэффициент запаса прочности..
Следовательно, шатун выдержит растягивающую нагрузку, и будет работать в заданном режиме.

3.2.8 Определение крутящего момента на кривошипном валу


-наибольший радиус кривошипа,

Где 2,1 м - длина переднего плеча балансира, 2,1 м – длина заднего плеча балансира
1.Определяем крутящий момент на ведущем валу редуктора

2.Определяем крутящий момент на ведомом валу редуктора.
Принимаем передаточное число редуктора i=63

3.Крутящий момент на шкиве электродвигателя ,где i≤6

4.Мощность двигателя равна


т.к N<200 то принимаем ремень марки Д, принимаем ЭД N=25 кВт 4АН 200М2УЗ , и соотношение шкивов 1.2.
Электородвигатель 4АН 200М2УЗ N=25 кВт частотой вращения = 1500мин, трехфазный коротозамкнутый , асинхронный с повышенным пусковым моментом во влагоморозостойком исполнении .На валу электродвигателя установлена конусная втулка на которую насажен ведущий шкив клиноременной передачи.
В качестве редуктора выбираем Ц2НШ – 560.
3.3 Расчет колонны штанг
3.3.1 Определение приведенных напряжений
Известно, что нагрузка на штанги, а следовательно, и напряжения в них не остаются постоянными на протяжении всего цикла работы насоса.
При ходе штанг вверх возникают напряжения: от собственной силы тяжести штанг, от силы тяжести жидкости, от силы трения, от инерционных нагрузок. При ходе штанг вниз – напряжения от силы тяжести штанг, от сил трения и от инерционных нагрузок.
Следовательно, за время одного полного цикла работы насоса штанги подвергаются действию переменной растягивающей нагрузки, что приводит к усталости металла.
В результате совместного действия переменных нагрузок и коррозионной среды ещё больше уменьшается прочность штанг. Поэтому колонны штанг для глубиннонасосной эксплуатации конструируют с учётом их усталостной прочности.
Исходя из изложенного, А.С. Вирновский предложил при расчёте колонны глубиннонасосных штанг принимать в качестве расчётного напряжения не максимальное напряжение в опасном сечении колонны, а некоторое приведённое напряжение σпр., которое зависит, как от максимального напряжения σmax, так и от амплитуды его изменения σа. [2].
Эта зависимость записывается в виде

где σпр. – приведённое напряжение в опасном сечении колонны штанг;
σmax – максимальное напряжение в опасном сечении; σа – амплитуда напряжения в опасном сечении за цикл; допускаемое напряжение;
Из разнородных сил, действию которых подвержены штанги, очень важное значение имеют силы, сосредоточенные у плунжера и направленные против движения штанг при ходе их вниз, так как эти силы вызывают сжатие нижней части штанговой колонны. Но штанги предназначены для работы только на растяжение, и сжимающие силы вызывают весьма нежелательные явления – изгиб нижней части колонны и резкое повышение напряжений в материале, а также способствуют саморазвинчиванию резьбовых соединений и износу штанг и труб.
Изгиб нижней части колонны вызывается в основном двумя силами: силой трения между плунжером и цилиндром насоса и гидравлическими сопротивлениями в нагнетательном клапане при ходе плунжера вниз.
Для предупреждения продольного изгиба штанговой колонны применяется «тяжёлый низ», т.е. утяжелённые штанги, монтируемые в нижней части колонны над плунжером насоса. Тяжёлый низ должен обладать таким весом, чтобы предотвратить изгиб обычных штанг [1].

- средняя площадь сечения колонны штанг;
.
• ход вверх:
- максимальное напряжение в опасном сечении за цикл;
;
• ход вниз:
- минимальное напряжение в опасном сечении за цикл;
;
- амплитудное напряжение в колонне штанг;
;
- приведенное напряжение;
.
По значению приведенного напряжения выбирали штанги ШН42, условие эксплуатации не коррозионное. Материал штанг - 15НЗМА, закаленная ТВЧ.
Для выбранного материала штанг допускаемое приведенное напряжение равно:
=150 МПа
Согласно условию < ,
21×106< 150×106 => условие выполняется.
Штанги выдержат максимальные значения переменных растягивающих нагрузок.
3.3.2 Уточнение размеров штанговой колонны, используя
диаграмму Н.А. Адонина

- длина секции;
;
В итоге принимаем:
•  - 162 трубы;

3.4 Расчет на прочность и долговечность основных элементов насоса

В скважинных насосах самую большую нагрузку воспринимает плунжер под действием столба жидкости, поэтому в этих насосах подвергаются большим статическим нагрузкам соединения такие как: резьбовое соединение переводника с плунжером насоса, колонны насосных штанг с переводником.
Соединение переводника с плунжером насоса:


Q – нагрузка действующая на соединение (Q=Pж=2817 Н)
d – диаметр резьбы
k – коэффициент полноты резьбы (k = 0,87)
h – длинна резьбы



рекомендуют принять 0,2-0,3 от предела текучести


где 245-предел текучести для Стали 45 ГОСТ 1050-88
Т.к. условие прочности выполняется
Соединение колонны насосных штанг с переводником:
Т.к. в скважине может образовываться большое отложение парафина, то предпочтительно использование полых штанг, они предназначены для передачи возвратно поступательного движения от головки балансира станка-качалки плунжеру скважинного на¬соса при периодической подаче в полость насосных труб ингибиторов коррозии, ингибиторов против от-ложения парафина, растворителей парафина, теплоносителей, деэмульгаторов, жидкости гидрозащиты насоса. Продукция скважины при этом может отбираться как по центральному каналу полых штанг, так и по кольцевому пространству между полыми штангами и НКТ.
Техническая характеристика полых штат:
• Диаметр наружный, мм  42
• Толщина стенки, мм  3,5
• Диаметр наружной муфты, мм  57
• Длина штанги, мм: 1000,1800
• Масса полномерной штанги, кг  25
• Допускаемое поверхностное напряжение, МПа  80




Т.к. условие прочности выполняется.

3.5 Проверка насосно-компрессорных труб

НКТ будем проверять на страгивающую нагрузку по выражению, полученному Ф.И.Яковлевым [2].
- наружный диаметр НКТ;
- внутренний диаметр НКТ;
- толщина стенки НКТ; - длина резьбы НКТ;
- толщина тела НКТ под резьбой в основной плоскости;
-угол профиля резьбы; - угол трения резьбы.
Выбираем группу прочности стали материала НКТ – Д, где
- предел текучести.
• Средний диаметр тела трубы под резьбой в ее основной плоскости
; .
• Коэффициент, учитывающий влияние основного тела трубы
; .
• Далее рассчитываем вес колонны НКТ

- вес погонного метра НКТ;
- коэффициент запаса;
;

3.6 Прочностной расчет цилиндра насоса
Цилиндр насоса подвергается действию внутреннего давления, изменяющегося от нуля до максимального значения, под действием которого в теле насоса возникают тангенциальные и радиальные напряжения.
Материал цилиндра: Сталь 45 ГОСТ 1050-88 (нормализация с последующим поверхностным упрочнением нагревом ТВЧ).
Предел текучести:
;
3.6.1 Определим внутреннее давление в цилиндре насоса
;

3.6.2 Определим поправку на коррозию
;
где β – допускаемая величина;
; где
Dц , – наружный и внутренний диаметры цилиндра;

 Если β > 1 – то цилиндр толстостенный.
;
3.6.3 Определим кольцевое напряжение
;

3.6.4 Определим радиальное напряжение
;

3.6.5 Определим мередиальное (продольное) напряжение
; где S – поправка на коррозию;

3.6.6 Определим эквивалентное напряжение по четвёртой теории прочности
;
;
3.6.7 Определим коэффициент запаса прочности
;

3.6.8 Определим осевое напряжение в опасном сечении цилиндра
;
3.6.9 Определим тангенциальное напряжение в опасном сечении цилиндра
;
где S – толщина цилиндра в опасном сечении; μ – коэффициент Пуансона, для стали 40х μ = 0,28;
;

3.6.10 Определим эквивалентное напряжение по энергетической теории
;

3.6.11 Определим коэффициент запаса прочности

Рекомендуемый коэффициент запаса должен быть не менее 1,5.Расчётный коэффициент запаса прочности равен 9,3, что намного больше рекомендуемого. Однако, с учетом того, что под влиянием коррозионно-активной среды может произойти уменьшение площади поперечного сечения стенки цилиндра при сохранении, а возможно и увеличении действующих нагрузок.










Рисунок 13 - Схема приложения нагрузок на стенки цилиндр



3.7 Результаты подбора оборудования
Станок-качалка:
1. Марка 6СК6-2.1-2500.
2. Максимальная нагрузка в точке подвески штанг .
3. Минимальная нагрузка в точке подвески штанг .
4. Ход точки подвески штанг .
5. Ход плунжера .
6. Частота ходов устьевого штока .
Насос:
1. Марка -102-НН2м -88-21-13-И.
НКТ:
1. Тип НКТ -102х6,5-Д ГОСТ 633-80.
Штанги:
1. ; ; 162 штанг ГОСТ 13877-80;

Расчет показал, что при данных условиях эксплуатации спроектированный станок-качалка будет работать в нормальном режиме без превышения предельных значений нагрузки, длины хода точки подвески штанг. Выбранный насос обеспечивает необходимую подачу без дополнительных нагрузок. Выбранные штанги и НКТ выдержат все максимальные нагрузки и будут работать в заданном режиме. Материалы деталей и их элементов подобраны с учетом заявленных параметров. Изготавливаются они в соответствии с техническими требованиями или стандартом по нормативной и технической документации, утвержденной в установленном порядке.




3.8 Расчёт производительности штангового плунжерного насоса марки 102-НН2м -88-21-13-И

Общее количество жидкости, которое подает насос при непрерывной работе за единицу времени, называется его производительностью. На нефтедобывающих предприятиях производительность глубинных насосов подсчитывают за сутки, и обычно выражают в весовых единицах (т/сут).
За один двойной ход плунжера (двойным ходом считается движение плунжера вниз и вверх) насос подает объем жидкости, равный объему цилиндра, описываемому плунжером:
V = F SПЛ , где
F - площадь сечения плунжера;
SПЛ. - длина хода плунжера.
;
Обозначив число ходов плунжера в минуту через п, минутная производительность насоса в объемных единицах будет равна:
VМИН = F SПЛ п;
;
Чтобы получить производительность насоса за сутки, эту величину надо умножить на число минут в сутках, т.е. 60×24 = 1440:
VСУТ =1440 F SПЛ п;
;
Производительность насоса в весовых единицах может быть определена, если известна p откачиваемой жидкости:
QСУТ. = 1440 F SПЛ п p;
т/сут.