Расчетная часть-Расчет насоса вставного НГВ-1 для добычи нефти-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

Расчетная часть-Расчет насоса вставного НГВ-1: Расчёт на прочность и выносливость, Расчёт на прочность цилиндра насоса, Расчет плунжера на прочность-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

6 РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ


6.1 Расчёт рабочих параметров насоса

Исходные данные для скважины No19 куст 71 НГДУ «Нижнесартымскнефть»
Глубина скважины H, м 2562
Диаметр эксплуатационной колонны D, м 0,15
Дебит скважины QСКВ, м3/сут 26,2
Объемная обводненность продукции B, % 72
Плотность дегазированной нефти нд, кг/м3 877
Плотность газа г, кг/м3 1,4
Газовый фактор G, м3/м3 42
Вязкость нефти , м2/сек 310-6
Давление насыщения Рн, МПа 8
Пластовое давление Рпл, МПа 17
Устьевое давление Ру, МПа 1,6
Средняя температура в стволе скважины Т, К 303
Коэффициент продуктивности К 1,0410-10


Определение гидравлических параметров

Коэффициент усадки воды в нефтяной эмульсии Кус

, (6.1)

где 1 – температурный коэффициент (1= 0,7610-3);
с – коэффициент, зависящий от вязкости дегазированной нефти (с=1000 при н 1010-6);
T- средняя температура в стволе скважины, K.



Плотность воды Н2О, кг/м3

 (6.2)

кг/м3;


Объемный коэффициент нефти

, (6.3)

где G – газовый фактор, м3/м3.



Плотность пластовой жидкости ж, кг/м3

, (6.4)

где - плотность дегазированной нефти, кг/м3;
  - плотность газа, кг/м3;
  - объемная обводненность продукции, %.

кг/м3;

Дебит нефти Qн, м3/с

, (6.5)

где - дебит скважины, м3/сут.

м3/с;

Забойное давление Рзаб, МПа
 (6.6)

МПа;

Давление жидкости на приеме скважинного насоса Рпр, МПа

, (6.7)

где Pн - давление насыщения, МПа.

МПа;


Коэффициент термического расширения дегазированной нефти αн

 (6.8)



Эмпирический коэффициент 0

 (6.9)

 =2,710-3

Объемный коэффициент нефти при давлении насыщения bн
  , (6.10)

где t – температура на забое скважины (t = 70С);
н - коэффициент сжимаемости дегазированной нефти (н = 5,610-4 1/МПа).



Объемный коэффициент нефти при давлении на приеме насоса b(Рпр)

 (6.11)




Объем растворенного газа Vгр, м3/ м3

 (6.12)

м3/ м3;

Расход свободного газа Qг, м3/с

, (6.13)

где Z – коэффициент сжимаемости газа (Z=1);
  Р0 – атмосферное давление (Р0=0,1 МПа);
  Т0 – стандартное значение температуры (Т0=293 К).

м3/с;

Дебит воды Qв, м3/с

 (6.14)

м3/с;

Подача жидкости , м3/с

 (6.15)

м3/с;

Коэффициент сепарации с

 (6.16)
где d – диаметр колонны НКТ, м



Газовый фактор в НКТ Gтр, м3/м3

 (6.17)

м3/м3;

Давление насыщения в трубах Рнтр, МПа

 (6.18)

МПа;

Средняя плотность смеси в колонне НКТ , кг/м3

 (6.19)

кг/м3;

Подача газа , м3/с

 (6.20)

м3/с;




Расход смеси через всасывающий клапан Qклв, м3/с

 (6.21)

м3/с;

Максимальная скорость движения смеси в седле всасывающего клапана maxв, м/с

 (6.22)

м/с;

Вязкость жидкости ж, м2/с

 (6.23)

м2/с;

Число Рейнольдса Reкл

 (6.24)



Перепад давления на всасывающем клапане , МПа

,  (6.25)

где Мкл коэффициент расхода клапана (для Reкл = 50847 Мкл=0,885).

МПа;

Поскольку Рвык  Рнтр, то = 0 и Qклн = Qж(Рнтр)
Объемный коэффициент нефти при давлении насыщения в НКТ b(Рнтр)

 (6.26)



Подача жидкости при давлении насыщения в НКТ Qж(Рнтр), м3/с

 (6.27)

м3/с;

Максимальная скорость движения смеси в седле нагнетательного клапана , м/с

 (6.28)

    м/с;

Число Рейнольдса Reкл

 (6.29)

   




 Перепад давления на нагнетательном клапане , МПа

 (6.30)
    МПа;

Давления в цилиндре насоса при всасывании Рвсу и нагнетании Рнгу и перепад давления, создаваемый насосом МПа

   МПа;
   МПа;
   МПа;

Утечки в зазоре плунжерной пары qут, м3/с

, (6.31)

 где dпл – условный диаметр плунжера насоса, м;
lпл – длина плунжера, м.

  м3/с;

Расход смеси при давлении Рвсу Qж(Рвсу), м3/с

   м3/с;

Объем растворенного газа при давлении Рвсу Vгр(Рвсу), м3/м3

  (6.32)

   м3/м3;


 Расход свободного газа при давлении Рвсу Qг(Рвсу), м3/с

 (6.33)
   м3/с;
Расход смеси при давлении Рвсу Qсм(Рвсу) м3/с

 (6.34)

    м3/с;

Коэффициент утечек lут

 (6.35)

    
 
Коэффициент, учитывающий отношение расхода свободного газа к расходу жидкости при давлении Рвсу R

 (6.36)

    

Коэффициент наполнения н

, (6.37)

 где mвр – относительный объем вредного пространства (mвр = 0,15).

   

 
6.2 Расчёт на прочность и выносливость

6.2.1 Расчёт на прочность 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. Максимальные напряжения можно определить в зависимости от соотношения внутреннего и наружного радиусов цилиндра [4, c.118]:
при
МПа
МПа,
где – внутреннее давление;
r – текущее значение радиуса .

Рисунок 6.1 – Сечение цилиндра
Величину определяют по третьей теории прочности
МПа
МПа, следовательно прочность обеспечивается.

6.2.2 Расчет плунжера на прочность

Определим осевую нагрузку на плунжер

Вес колонны НКТ 73 мм
     
где  вес одного метра НКТ
  длина колонны НКТ
    
Вес жидкости в колонне НКТ
          
где  плотность пластовой жидкости
  объём колонны НКТ;
  объём штанг.
Объём колонны НКТ
     
где  диаметр колонны НКТ.
  
Поскольку колонна штанг состоит из двух ступеней, то объём штанг равен
   
Объём штанг определяем
    
   
   
   
  
Осевая сила
          
   

Площадь опасного сечения
   
  
Напряжение растяжения
     
    
Условие прочности плунжера на растяжение выполняется.














6.3 Расчеты на ЭВМ

6.3.1 Схема рассчитываемого узла

При проектировании некоторых деталей нефтепромыслового оборудования возникает проблема нахождения напряжений возникающих в них из-за сложной формы. Автоматизированные средства проектирования позволяют быстро определить напряжения в различных точках рассматриваемого узла и предложить новые варианты для технических решений. В нашем университете широкое распространение приобрела программа ANSYS, которая позволяет решить все вопросы, возникающие при проектировании нового и модернизации уже существующего оборудования. Схема стакана дополнительного нагнетательного клапана представлена на рисунке 6.1.

 Рисунок 6.1 – Схема стакана дополнительного нагнетательного клапана.

 6.3.2 Обоснование выбора конечных элементов и их описание

Конечный элемент SOLID 186
Рассчитываемый узел подвергается воздействию больших осевых нагрузок. Первичными переменными, которые вычисляются в ходе конструкционного анализа, является переменными смещения. В дальнейшем, исходя из вычисленных смещений в узлах сетки, определяются напряжения, пластическая деформация и упругость. В нашем случае смещение происходит вдоль одной из осей, с одной степенью свободы. Степени свободы не определяются явно, а подразумеваются типами конечных элементов, приложенными к ним.
Конечный элемент SOLID186 удовлетворяет заданным параметрам. Представляет собой элемент для трехмерного моделирования с 20 узлами и хорошо подходит для моделирования импортированных твердотельных моделей.
Элемент имеет три степени свободы и может использоваться при моделировании пластичности, гиперупругости, ползучести, больших деформаций, а также имитации почти несжимаемых материалов и полностью несжимаемых гиперупругих материалов.


Рисунок 6.2 - Геометрическая форма конечного элемента SOLID186


Как видно из рисунка 6.2 элемент может формироваться и трансформироваться, определяя местоположение вершин K,L,S и O,P,W и др. Принимая тетраэдальную, пирамидаэдальную или призматическую форму(в виде треугольной призмы).
Характеристики элемента SOLID186.
1) Количество узлов – 20 (I, J, K, L, M, N, O, P, Q, R, S, T, U, V, W, X, Y, Z, A, B).
Реальные константы – нет.
2) Степени свободы - 3(OX,OY,OZ).
Предназначен для моделирования: пластичности, гиперупругости, вязкоупругости, вязкопластичности, ползучести, придания жесткости, больших смещений, большой деформации, ввода начального напряжения, автоматический отбор технологии элемента, рождения и смерти.
3) Свойства материала.
EX – модуль упругости в направлении OX;
EY - модуль упругости в направлении OY;
EZ - модуль упругости в направлении OZ;
ALPX – коэффициент теплового расширения в направлении OX;
ALPY - коэффициент теплового расширения в направлении OY;
ALPZ - коэффициент теплового расширения в направлении OZ;
PRXY – коэффициент поперечного сжатия в плоскости X-Y;
PRYZ - коэффициент поперечного сжатия в плоскости Y-Z;
PRXZ - коэффициент поперечного сжатия в плоскости X-Z;
DENS – плотность материала;
GXY – модуль сдвига в плоскости X-Y;
GYZ - модуль сдвига в плоскости Y-Z;
GXZ - модуль сдвига в плоскости X-Z;
DAMP – демпфирование.
Из рисунка видно, что направления выходных напряжений параллельны системе координат элемента. При работе с SOLID186 необходимо учитывать следующие допущения.
1) Элемент не должен иметь нулевого объема, а также искривлен так, чтобы образовывалось два отдельных объема.
2) Смещение края с удаленной средней вершиной происходит линейно, а не параболически.
3) Следует использовать, по крайней мере, два элемента в каждом из направлений.
4) Трансформирование элемента в четырехгранник, клин или пирамиду должно использоваться предупреждением. Размеры элемента должны быть относительно малы, чтобы минимизировать градиенты напряжений.

6.3.3 Алгоритм решения задачи в программе «ANSYS»

1) Решение задачи начинаем с задания типа конечного элемента Solid186:
Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete.
2) Задаем свойства материала, из которого состоит ловильная головка (плотность 7850, модуль Юнга Е=2.1е11, коэффициент Пуассона 0.3):
Preprocessor Material Props Material Models Favorites Linear Static Density: DENS=7850;
Linear Isotropic : EX=2.1e11;
PRXY=0.3.
3) В программе ANSYS существуют три разных способа построение геометрической модели: импорт модели, предварительно построенной другой программой, твердотельное моделирование и непосредственное создание модели в интерактивном режиме работы программой. Можно выбрать любой из этих методов или использовать их комбинации для построений расчетной модели. Используем непосредственное создание модели в интерактивном режиме работы. В этом случае применяется так называемое «восходящее моделирование». При восходящем моделировании пользователь строит модель, начиная с объектов самого низкого порядка. Сначала задаются ключевые точки, затем связанные с ними линии, поверхности и объемы — именно а таком порядке. Для создания моей модели необходимо построить продольное сечение стакана дополнительного клапана, с последующим вращением его вокруг оси.
а) Ввод координат точек делаем согласно таблице 6.1 с помощью команд:
Preprocessor Modeling Create Keypoints In Active CS. В окне Create Keypoints In Active Coordinate Sistem последовательно вводим координаты, нажимая кнопку Apply (рисунок 6.3)

Таблица 6.1 – Координаты точек
No X Y Z
1 0 0.0075 0
2 0 0.0095 0
3 0.077 0.0075 0
4 0.077 0.012 0
5 0.072 0.012 0
6 0.072 0.0095 0











Рисунок 6.3- Окно Create Keypoints In Active Coordinate Sistem

б) Далее соединяем точки линиями (рисунок 6.4):
Preprocessor Modeling Create Lines Straight Line.

 Рисунок 6.4- Построение линий

в) Создание площади:
Preprocessor Modeling Create Areas Arbitrary By Lines

г) Объем (рисунок 6.5) получим вращением площади относительно оси, проходящей через точки с координатами (0;0;0) и (0.08;0;0) (их необходимо ввести так же как в пункте a):
Preprocessor Modeling Operate Extrude Areas About Axis


 Рисунок 6.5 – Стакан дополнительного клапана

д) Склеивание полученных объемов:
Preprocessor Modeling Operate Booleans Glue Volumes

 Далее необходимо сделать отверстия в корпусе:
г) Preprocessor Modeling Create Keypoints In Active CS. Задаем координаты точки, из которой будем строить цилиндр малого радиуса и длины -(0;0.04;0.054). Эту точку делаем активной и создаем цилиндр с радиусом r=0.0025 и длиной 0.04
е) Preprocessor Modeling Create VolumesCilinderSolid Cilinder указываем радиус цилиндра r=0.0025 и длину 0.047 и нажимаем ОК. Получаем цилиндр.
ж) Теперь необходимо из объема стакана вычесть объем цилиндра, таким образом получим отверстия в стакане
Preprocessor Modeling Operate Booleans subtrackareas.
з) Повторим операции: г) с координатой точки (0.04; 0; 0.054) и е), ж) и получим стакан с отверстиями ( рисунок 6.6)

Рисунок 6.6 – Стакан с отверстиями

е) Разбиение на конечные элементы. Линии, из которых состоит полученный объем, принадлежащие одной площади и лежащие друг против друга, необходимо разбивать на равное количество частей:
Preprocessor Meshing Mesh Tool. В пункте Lines нажимаем на Set и разбиваем на элементы.
Далее в панели Mesh Tool в строке Mesh выставляем Volumes, устанавливаем переключатель в положение Hex/Wedge и Sweep (упорядоченная разбивка), и нажимаем Sweep (рисунок 6.7).

Рисунок 6.7 – Разбиение объема на конечные элементы.

6.3.4 Расчет и анализ напряженно-деформированного состояния стакана дополнительного клапана

а) Закрепляем модель:
Preprocessor Loads Define Loads Apply Structural Displacement on lines, далее отмечаем нужные линии для закрепления модели.
б) Задаем осевую нагрузку.
Preprocessor Loads Define Loads Apply Pressure on lines 234 Па.

в) Задаем внешнее давление.
Preprocessor Loads Define Loads Apply Pressure on Areas 10 МПа.
г) Далее отправляем модель на решение:
Solution Solve Current LS.
д) После решения смотрим полученные результаты:
General Plot Results Nodal Solu. В появившемся окне выбираем Nodal Solution Stress von Mises stress и нажимаем OK (рисунок 6.8)

 Рисунок 6.8 - Напряжено-деформированное состояние стакана

Определим коэффициент запаса прочности по формуле
      ,
.

Следовательно, стакан выдерживает большие перепады давления с запасом прочности n=8,4.