Расчетная часть-Расчёт винтового насоса Установки насосной винтовой со штанговым приводом УНВП-10 для добычи нефти из малодебитных скважин-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

Расчетная часть-Расчёт винтового насоса Установки насосной винтовой со штанговым приводом УНВП-10 для добычи нефти из малодебитных скважин: Определение рабочих параметров насоса, Расчет прочности штанг при добычи высоковязкой нефти, Нахождение суммарного момента сопротивления вращению штанговой колонны, Определение суммарного момента сопротивления вращению штанговой колонны, Определение мощности, необходимой на вращение приводной колонны в вертикальной скважине, Расчет глубины подвески, Расчет изменения притока нефти из скважины при регулировании подачи насоса, Определение напряжения кручений возникающего в приводной колонне, Определение растягивающей нагрузки от веса колонны, Определение прочности расчетного напряжения, Определение коэффициентов запаса прочности-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

5 РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ
5.1 Определение рабочих параметров насоса
Определим подачу насоса Q,
,         (5.1)

Определим напор, развиваемый насосом Н, м
   ,         (5.2) 
где  Hд – динамический уровень в скважине, м;
 Ру – давление на устье скважины, Па.
 Н = 871+ =1248 м.
5.2 Расчет прочности штанг при добычи высоковязкой нефти
Цель расчета – сравнение коэффициентов запаса прочности приводной колонны при воздействии реагента и без него при заданных параметрах. Расчет приводной колонны производится для месторождений битумных нефтей. Данные для расчета приведены в таблице 5.1
Расчет ведется для четырех частот вращения 100, 150, 250 и 320 об/мин

5.2.1 Нахождение суммарного момента сопротивления вращению
штанговой колонны
В системе «Винтовой насос – колонна штанг – колонна НКТ» возникают следующие сопротивления
,      (5.3) 
где   - крутящий момент, затрачиваемый на трение ротора в статоре винтового насоса;
- момент затрачиваемый на подъём скважинной жидкости;
- гидравлический момент сопротивлению вращению штанг в скважинной жидкости;
- момент сил сопротивления вращению штанг на участке набора зенитного угла;
- момент сил сопротивления вращению штанг на наклонном интервале скважины.









Таблица 5.1 – Параметры условий работы штанговой колонны
Параметр Размерность Значение
1 2 3
Число оборотов об/мин 100..320
Динамический уровень м 871
Внутренний диаметр приводной колонны (НКТ) м 0.0264
Наружный диаметр приводной колонны (НКТ) м 0,0334
Наружный диаметр штанг м 0,0222
Внутренний диаметр НКТ м 0.062
Масса одного метра штанг кг 4,3
Масса одного метра приводной колонны (НКТ) кг 2.63
Предел текучести материала штанг МПа 630
Предел текучести материала приводной колонны (НКТ) МПа 552
Глубина спуска насоса м 1056
Радиус сечения винта м 0.02
Эксцентриситет винта м 0.004
Натяг винта в обойме м 0.0001



Продолжение таблицы 5.1
1 2 3
Длина винта м 3.31
Вязкость скважинной жидкости Па с 14500·10-3
Давление на устье МПа 3.5
Плотность скважинной жидкости кг/м3 946
КПД редуктора - 0.932
Шаг винта м 0.065
Плотность материала винта кг/м3 7800
Средняя толщина обоймы м 0.011
Коэффициент резины В - 0.99
Коэффициент резины С - 532
Длина вертикального участка м 500
Длина участка набора кривизны м 100
Длина наклонного участка м 400
Угол наклона наклонного участка градус 55
Коэффициент трения стали по стали - 0.15




5.2.2. Определение суммарного момента сопротивления вращению
штанговой колонны
В системе «Винтовой насос – колонна штанг – колонна НКТ» возникают следующие сопротивления:
,      (5.4)
где   - крутящий момент, затрачиваемый на трение ротора в статоре винтового насоса;
- момент затрачиваемый на подъём скважинной жидкости;
- гидравлический момент сопротивлению вращению штанг в скважинной жидкости;
- момент сил сопротивления вращению штанг на участке набора зенитного угла;
- момент сил сопротивления вращению штанг на наклонном интервале скважины.
Определим крутящий момент, затрачиваемый на трение ротора в статоре винтового насоса:
  ,          (5.5)
где  - общее осевое усилие, развиваемое насосом, Н;
- радиус сечения винта, м.
,         (5.6)
где   – составляющая при перемещении замкнутых объёмов жидкости в обойме насоса;
– составляющая от полусухого трения набегающих криволинейных поверхностей винта по поверхности обоймы, или составляющая от скольжения одной поверхности по другой в осевом направлении и от так называемого «эффекта набегания»;
– составляющая от разности давлений жидкости в нагнетательной и всасывающей частях насоса, или составляющая от давления, развиваемого насосом.
Так как винт в статор посажен с натягом до =0
,         (5.7) 
где  - сила от полусухого трения поверхности винта по поверхности обоймы, когда винт, совершая планетарное движение, нажимает на обойму под действием центробежной силы;
- сила реакции гребней обоймы, действующая по оси винта и появляющаяся от набегания поверхности его гребней по поверхности гребней обоймы.
,       (5.8) 
где  - плотность материала винта кг/м3;
  =0,2 - коэффициент трения ротора о резиновую обойму статора.
Сила реакции гребней обоймы находится из следующей формулы:
  ,       (5.9)
где  - половина ширины прямоугольника поверхности контакта цилиндра и плоскости;
  = м,
  =0,0001 - линейная деформация обоймы, м;
  м - длина спирали из центров сечения винта;
  - шаг винта, м;
  и - постоянные для резины обоймы;
-средняя толщина слоя резины, м.
Н,
  Н
Н
Н

Н,  
где   - давление, развиваемое насосом, Па.
Н,
Н,
Н,
Н,
Крутящий момент, затрачиваемый на трение ротора в статоре винтового насоса:
Н м,
Н м,
Н м,
Н м,
Момент затрачиваемый на подъём скважинной жидкости:
Н м,
Гидравлический момент сопротивлению вращению штанг в скважинной жидкости:

= Н м

= Н м


= Н м

= Н м
Так как рассматриваемая скважина имеет вертикальный профиль то
момент сил сопротивления вращению штанг на участке набора зенитного угла
и момент сил сопротивления вращению штанг на наклонном интервале скважины равны нулю.
Определим суммарный крутящий момент действующий на приводную колонну без воздействия:
Н м
Н м
Н м
Н м
5.2.3 Определение мощ¬ности, необходимой на вращение приводной
колонны в вертикальной скважине:
,         (5.10)
где   - мощность, необходимая для вращения ротора в статоре
винтового насоса;
  - мощность, необходимая для преодоления сопротивлений вращению штанг в скважинной жидкости;
        (5.11)
Без воздействия реагента:




Мощность с учетом механического коэффициента:




где к - коэффициент механический.
С учетом кпд редуктора:


 

5.3 Расчет глубины подвески
=L-Hдин-Lвин; при L=1056 м.
=1056-871-3.31=181,69 м.

Рисунок 5.1 –
5.3.1 Поднимаем насос на расстояние при котором =50 м., при этом L =924м.
Крутящий момент, затрачиваемый на трение ротора в статоре винтового насоса:
Н м,
Момент затрачиваемый на подъём скважинной жидкости:
Н м,
Гидравлический момент сопротивлению вращению штанг в скважинной жидкости:

= Н м
Определим суммарный крутящий момент действующий на приводную колонну:
Н м
Определение мощ¬ности, необходимой на вращение приводной
колонны в вертикальной скважине:

Мощность с учетом механического коэффициента:

С учетом кпд редуктора:


5.3.2 Расчет изменения притока нефти из скважины при регулировании подачи насоса
Определение Q при =50 м. и Ндин=871 м. (Рисунок 5.1)
Qскв=к*(Рпл-Рзаб),   (5.12)
Где Рпл – Забойное давление, МПа;
К- коэффициент продуктивности;
Рпл=12,56 МПа
Рзаб=Р1+РLвин+P+Pзат
Р1=рgh1;
РLвин=pg(h1+hLвин);
P =рg(h1+hвин+ дельта);
рнефти = 946 кг/м3.
Р1= 946*9,81*332=3,08 МПа;
РLвин=946*9,81*(332+3,31)=3,10 МПа;
Р = 946*9,81*(332+3,31+50)+2*106=5,57 МПа;
Р1заб= 5,57 МПа.
Р =Рпл- Р1заб =12,56-5,57=6,99 МПа.
K=Q/P=8,99*10-5/8,99=1,0*10-5
Qскв =1,0*10-5*8,99=8,99*10-5
Q при = 181,69 м.
Р1= 946*9,81*200=1,85 МПа;
РLвин=946*9,81*(200+3,31)=1,88 МПа;
Р = 946*9,81*(200+3,31+181,69)+2*106=5,57 МПа;
Р1заб=5,57 МПа.
Р =Рпл- Р1заб =12,56-5,57=6,99 МПа.

5.3.3 Определение Qпл,Qсбр при падении Ндин .
Таблица 5,1- Подача насоса
Передаточное отношение клиноременной передачи  1:2  1:1,5  1,5:2  2:1,5  1,5:1  2:1
Qскв  2,5  3,33  7,5  6,66  7,5   10

Qскв=к*(Рпл-Рзаб),
1) Qпл=Qн=k*(12,56-5,57)=10м3/cyт.
К=10/6,99=1,43
Q=1,43*(12,56- Р1заб)=10 м3/cyт
Р1заб=5,57 МПа.
5,57 = 946*9,81*(200+3,31+Х)+2*106;
Х=3,57*106/946*9,81-203,31=181м. Ндин = 871м.
2) Q2=1,37*(12,56- Р1заб)=10 м3/cyт
Р1заб=5,26 МПа.
5,26 = 946*9,81*(200+3,31+Х)+2*106;
Х=3,26*106/946*9,81-203,31=149м; Ндин = 903м.
Qпл=1,37*(12,56- 5,57)=9,57 м3/cyт.; Qн=10 м3/cyт.; Qсбр=0,43 м3/cyт.
3) Q3=1,3*(12,56- Р1заб)=10 м3/cyт
Р1заб=4,86 МПа.
4,86 = 946*9,81*(200+3,31+Х)+2*106;
Х=2,26*106/946*9,81-203,31=104м; Ндин = 948м.
Qпл=1,3*(12,56- 5,57)=9,0 м3/cyт.; Qн=10 м3/cyт.; Qсбр=1,0 м3/cyт.
4) Q4=1,2*(12,56- Р1заб)=10 м3/cyт
Р1заб=4,22 МПа.
4,22 = 946*9,81*(200+3,31+Х)+2*106;
Х=2,22*106/946*9,81-203,31=35м; Ндин = 1017м.
Qпл=1,2*(12,56- 5,57)=8,3 м3/cyт.; Qн=10 м3/cyт.; Qсбр=1,6 м3/cyт.
Значение динамического уровня достигло критического, в связи с этим меняем шкив в модульной вставке в котором передаточное отношение клиноременной передачи (1,5:1) и Qн=7,5м3/сут.
5)  Q5=1,07*(12,56- Р1заб)=7,5 м3/cyт
Р1заб=5,55 МПа.
5,55 = 946*9,81*(200+3,31+Х)+2*106;
Х=3,55*106/946*9,81-203,31=180м; Ндин = 872м.
6) Q6=1,0*(12,56- Р1заб)=7,5 м3/cyт.
Р1заб=5,06 МПа.
5,06 = 946*9,81*(200+3,31+Х)+2*106;
Х=3,06*106/946*9,81-203,31=126м; Ндин = 926м.
Qпл=1,0*(12,56- 5,55)=7,01 м3/cyт.; Qн=7,5 м3/cyт.; Qсбр=0,5 м3/cyт.
7) Q7=0,95*(12,56- Р1заб)=7,5 м3/cyт.
Р1заб=4,66 МПа.
4,66 = 946*9,81*(200+3,31+Х)+2*106;
Х=2,66*106/946*9,81-203,31=83м; Ндин = 969м.
Qпл=0,95*(12,56- 5,55)=6,6 м3/cyт.; Qн=7,5 м3/cyт.; Qсбр=0,9 м3/cyт.
Меняем шкив в модульной вставке в котором передаточное отношение клиноременной передачи (2:1,5) и Qн=6,6м3/сут.
8)  Q8=0,95*(12,56- Р1заб)=6,6 м3/cyт.
Р1заб=5,61 МПа.
5,61 = 946*9,81*(200+3,31+Х)+2*106;
Х=3,61*106/946*9,81-203,31=185м; Ндин = 867м.
9)  Q9=0,9*(12,56- Р1заб)=6,6 м3/cyт.
Р1заб=5,22 МПа.
5,22 = 946*9,81*(200+3,31+Х)+2*106;
Х=3,22*106/946*9,81-203,31=143м; Ндин = 909м.
Qпл=0,9*(12,56- 5,61)=6,25 м3/cyт.; Qн=6,6 м3/cyт.; Qсбр=0,34 м3/cyт.
10) Q10=0,85*(12,56- Р1заб)=6,6 м3/cyт.
Р1заб=4,79 МПа.
4,79 = 946*9,81*(200+3,31+Х)+2*106;
Х=2,79*106/946*9,81-203,31=97м; Ндин = 959м.
Qпл=0,85*(12,56- 5,61)=5,9 м3/cyт.; Qн=6,6 м3/cyт.; Qсбр=0,7 м3/cyт.
Меняем шкив в модульной вставке в котором передаточное отношение клиноременной передачи (1:1,5) и Qн=3,3м3/сут.
11)  Q11=0,5*(12,56- Р1заб)=3,3 м3/cyт.
Р1заб=5,96 МПа.
5,96 = 946*9,81*(200+3,31+Х)+2*106;
Х=3,96*106/946*9,81-203,31=223м; Ндин = 829м.
12)  Q12=0,47*(12,56- Р1заб)=3,3 м3/cyт.
Р1заб=5,53 МПа.
5,53 = 946*9,81*(200+3,31+Х)+2*106;
Х=3,53*106/946*9,81-203,31=177м; Ндин = 875м.
13)  Q13=0,45*(12,56- Р1заб)=3,3 м3/cyт.
Р1заб=5,22 МПа.
5,22 = 946*9,81*(200+3,31+Х)+2*106;
Х=3,22*106/946*9,81-203,31=143м; Ндин = 909м.
Qпл=0,45*(12,56- 5,96)=2,97 м3/cyт.; Qн=3,3 м3/cyт.; Qсбр=0,33 м3/cyт.
14)  Q14=0,42*(12,56- Р1заб)=3,3 м3/cyт.
Р1заб=4,7 МПа.
4,7 = 946*9,81*(200+3,31+Х)+2*106;
Х=2,7*106/946*9,81-203,31=87м; Ндин = 965м.
Qпл=0,42*(12,56- 5,96)=2,7 м3/cyт.; Qн=3,3 м3/cyт.; Qсбр=0,6 м3/cyт.
Меняем шкив в модульной вставке в котором передаточное отношение клиноременной передачи (1:2) и Qн=2,5м3/сут.
15)  Q15=0,36*(12,56- Р1заб)=2,5 м3/cyт.
Р1заб=5,61 МПа.
5,61 = 946*9,81*(200+3,31+Х)+2*106;
Х=3,61*106/946*9,81-203,31=185м; Ндин = 867м.

Определение динамического уровня (Ндин) при падении пластового давления (Рпл) на 1 МПа.
Qпл=Qн=k*(12,56-5,57)=10м3/cyт.
К=10/6,99=1,43
Q=1,43*(12,56- Р1заб)=10 м3/cyт
Р1заб=5,57 МПа.
5,57 = 946*9,81*(200+3,31+Х)+2*106;
Х=3,57*106/946*9,81-203,31=181м. Ндин = 871м.
Q1=1,43*(11,56- Р1заб)=10 м3/cyт
Р1заб=4,56 МПа.
4,56 = 946*9,81*(200+3,31+Х)+2*106;
Х=2,56*106/946*9,81-203,31=72м. Ндин = 980м.
Qпл=1,43*(11,56- 5,57)=8,56 м3/cyт.; Qн=10 м3/cyт.; Qсбр=1,44 м3/cyт.


Рисунок 5.2 – График зависимости Ндин от Qcкв
5.3.4 Определение напряжения кручений возникающего в приводной колонне
,       (5.13)
где  - полярный момент сопротивления сечения трубы НКТ.
  - полярный момент сопротивления сечения штанги.
=1,75 - коэффициент динамичности
МПа
МПа
МПа
МПа

5.3.5 Определение растягивающей нагрузки от веса колонны
,        (5.14)
где  L – длина приводной колонны
 q – масса одного метра штанг
 F – площадь сечения штанги
МПа
МПа
5.3.6 Определение прочности расчетного напряжения
Расчет по третьей теории прочности:
МПа,
МПа,
МПа,
МПа,

5.3.7 Определение коэффициентов запаса прочности
Определим коэффициенты запаса прочности для приводной колонны штанг: