Расчетная часть-Расчет Капиллярной системы подачи ингибитора солеотложении в зону перфорации, которая предназначена для защиты УЭЦН-5-125 от солеотложений-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

Расчетная часть-Расчет Капиллярной системы подачи ингибитора солеотложении в зону перфорации, которая предназначена для защиты УЭЦН-5-125 от солеотложений: Проверочные расчеты узлов капиллярной системы, Проверочный расчет устройства подвески, Расчет группы болтов (обычные) на прочность, Расчет трубопровода на прочность, Расчет клапана - распылителя, Расчет и анализ напряженно-деформированного состояния устройства подвески УП-3 в программе «ANSYS»-Курсовая работа-Дипломная работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

7 Проверочные расчеты узлов капиллярной системы

Исходные данные скважины самотлорского месторождения № 10664: глубина скважины =2190 м, динамический уровень при работе УЭЦН 5 =307 м, зона перфорации =1700 м, плотность добываемой жидкости , температура пласта , затрубное давление ; забойное давление , динамическая вязкость добываемой жидкости , максимальная доза подачи химического реагента в зону перфорации , плотность химического реагента , кинематическая вязкость химического реагента , наружный и внутренний диаметры капиллярного трубопровода dнаружнии= 0,015 м, dвнутрении= 0,005 м, плотность жидкости глушения , высота до столба жидкости после глушения =100 м, рисунок 22.







Рисунок 22 –Схема УЭЦН и капиллярной системы в скважине
7.1 Проверочный расчет устройства подвески

В капиллярной системе подачи ингибитора солеотложения в зону перфорации были разработаны и внедрены 2 варианта устройства подвески (УП). Первый вариант устройства подвески УП-1 изображен на рисунке 23. Проверочный расчет будет проводиться по второму варианту УП-2 рисунок 24. УП предназначена для удержания груза, который подвешивается в нижней части капиллярного трубопровода, а также направляет трубопровод в центр скважины и защищает его от механических повреждении. Верхняя часть УП имеет резьбу НКТ – 60–Д ГОСТ 633-80, которая приворачивается к центратору. Так как резьба НКТ – 60 стандартная и рассчитана на большие нагрузки, расчет на прочность по резьбе исключается, потому что максимальная нагрузка на УП в пределах 2кН – 3кН. Допускаем, что верхняя часть УП жестко закреплена. В УП-2 капиллярный трубопровод удерживается за счет врезающихся плашек, которые затягиваются винтами М8х33. Так как нефтепромысловая жидкость коррозионо агрессивная среда, УП изготавливается из стали 40Х. УП-3 является универсальным, он сделан таким образом, что он может быть грузом на который можно подвешивать центратор, грузовые кольца и т.д.






Рисунок 23 –Устройства подвески УП-1

Рисунок 24 –Устройства подвески УП-3
Рассмотрим силы действующие на устройства подвески (рисунок 25).

   
Рисунок 25 – Силы действующие на УП-3

Определим растягивающую силу:
   (51)
 где - вес груза, Н
- вес трубки, Н
- вес химического реагента, Н
- сила архимедова действующая на трубку, груз в нефтепромысловой жидкости, Н.
Определим вес груза, допустим, что груз выполнен виде цилиндрической формы:
,  (52)
 где - объем груза;   (53)
d= 0,1 м – диаметр груза;
  h=1,1 м – высота груза;
  - ускорение свободного падения;
  - плотность груза, груз изготовлен из Сталь 3.
 Определим вес трубки:
  ,        (54)
известно, что 1000 м трубки в жидкости имеет массу 230 кг, так как от УП-2 до груза Lгр=300 м, то массу можно определить по следующей формуле
.      (55)
 Объем трубки будет равен:
, (56)
где dнаружнии= 0,015 м – наружный диаметр трубки;
dвнутрении= 0,005 м – внутреный диаметр трубки.
 
Определим вес химреагента:
,(57)
где - объем хим.реагента;(58)
dвнутр= 0,005 м – внутренний диаметр трубки ;
  h=300 м – высота столба жидкости;
- ускорение свободного падения;
  - плотность хим.реагента.
 Определим архимедову силу действующую на груз и трубку с жидкостью:
, (59)
где - плотность добываемой жидкости;
  - ускорение свободного падения.
Основная деталь УП-3 испытывает деформацию внецентренное растяжение. Так как точка приложения силы F расположена на главной центральной оси Х, сечение Б-Б, то возникает продольная сила и изгибающий момент (рисунок 26)


Рисунок 26 –Внецентренное растяжение корпуса УП-3
Nz=F=1009,8 H;          (60)
,      (61)
где - смещение силы F относительно оси Х.
- средний радиус площади сечения;
 Нейтральная линия в сечении будет параллельна главной оси У и смещена от центра тяжести сечения на величину:
   ,       (62)
где - главный радиус инерции сечения относительно оси У. Главный радиус можно определить по формуле:
   ,      (63)
где - момент инерции относительно оси У[5];      (64)
- средний радиус площади сечения;
- толщина данной детали;
- площадь сечения (65)
Проверим условие прочности по второму циклу нагружения в точках Аи B:
-условие прочности в точки А выполняется;        (66)
-условие прочности в точки В выполняется,        (67)
где - осевой момент сопротив-ления относительно оси У.        (68)

7.1.1 Расчет группы болтов (обычные) на прочность



Рисунок 27 –Распределение сил на болт

Для противостояния силе F определяем необходимое усилие затяжки из условия (рисунок 27):

  ,        (69)
где - коэффициент запаса затяжки;
  - сила трения между поверхностями.
Определим затяжку одного винта М8х40 по формуле:
   ,      (70)
где =0,2 - коэффициент трения между плашками и устройством подвески;
z – количество винтов.
Проверим болт М8х33 по условию прочности по второму циклу нагружения:
  ;       (71)
-условие прочности выполняется,        (72)
где ;     (73)
=0,00665 м - внутренний диаметр резьбы винта;
1,3 – коэффициент, учитывающий напряжение кручения в стержне болта от действия момента трения в резьбе при затяжке.






















7.2 Расчет трубопровода на прочность

Определим необходимое давление дозирующего насоса и потери давления по длине капиллярного трубопровода рисунок 28

Рисунок 28 – Схема расположения УЭЦН
 
Потери давления по длине трубопровода определяется по формуле:
  ,   (74)
где - ускорение свободного падения;
  - плотность хим.реагента;
- суммарные потери по длине трубопровода.
 Для того чтобы определить суммарные потери по длине трубопровода, необходимо найти режим течения.
Найдем среднюю скорость течение жидкости в капиллярном трубопроводе:
.     (75) 
Определим число Рейнольдса:
  <2300 ламинарный режим течения. (76)
 Определим коэффициент трения по длине трубопровода:
  .          (77)
 Определим потери напора по длине трубопровода:
.    (78)
 Потери напора на местные сопротивления, можно рассчитать как 3% от общей длины трубопровода:
          (79)
Суммарные потери по длине трубопровода:
  .       (80)
Определим необходимое давление дозирующего насоса. Для этого необходимо определить внешнее давление на трубопровод. При монтаже капиллярной системы необходимо произвести глушение скважины, вследствие этого возникают высокие внешние давление на трубопровод. Устье скважины разгермитизирован (рисунок 28).
. (81)
По рисунку 28 составим уравнение Бернулли для реальной жидкости:
,      (82)
так как средняя скорость потока мала, можно пренебречь ее и уравнение примет вид:
,         (83)
Отсюда найдем давление насоса (84)
но так как в конце трубопровода расположен обратный клапан, давление дозиривочного насоса примем ,

 













Прочностной расчет трубопровода

Рисунок 29-Эпюры давлений

Давление внутри трубопровода будет рассчитываться как (рисунок 29):
  (85)
Проверим условие прочности по второму циклу нагружения в сечении I-I, (рисунок 30):
- максимальный перепад давления в трубопроводе (рисунок 29),     (86)
Построим эпюру напряжений в сечении I-I в капиллярном трубопро-воде:
  ;  (87)
;   (88)
Проверочный расчет ведется по 3 теории прочности:
,         (89)
    (90)
- условие прочности выполняется.

Рисунок 30 - Эпюра напряжений в капиллярном трубопроводе от перепада давления
Проверим условие прочности при растяжении трубопровода. Растяжение трубопровода будет происходить не по всей длине скважины, так как трубопровод к колонне НКТ и УЭЦН прикрепляется с помощью клямс. Растяжение трубопровода будет на 2 участке, от устройства подвески до груза. Рассмотрим силы действующие на капиллярный трубопровод (рисунок 31). Будем считать, что трубопровод жестко закреплен в устройсве подвески.

Рисунок 31 - Эпюра напряжений в капиллярном трубопроводе от растяжения

Определим растягивающую силу:
     (91)
 где - вес груза, Н
- вес химического реагента, Н
- сила архимедова на трубку, груз в нефтепромысловой жидкости, Н.
 Определим распределенную нагрузку от веса трубопровода:
          (92)
 Составим уравнения равновесия для нижней части трубопровода, учитывая, что переменная z изменяется в пределах
  ,        (93)
 при z=0, ;        (94)
 при , (95)
Проверим трубопровод по условию прочности на растяжение, по второму циклу нагружения:
   ;        (96)
Определим нормальные напряжения в точках А и B по формулам:
(97)
- условие прочности в точке А выполняется,    
где - площадь поперечного сечения трубопровода;      (98)
-условие
прочности в точке B выполняется.       (99)

Определим изменение длины при растяжении в пределах по закону Гука:
(100)
где - модуль упругости 2 рода для капиллярного трубопровода.
 
 7.3 Расчет клапана - распылителя

Расчет обратного клапана (рисунок 32) сводится к определению площади открытия расходного окна (щели) клапана для прохода через него требуемого количества жидкости при заданном перепаде давления. Клапан располагается в конце капиллярного трубопровода и предназначен для удержания жидкости в трубопроводе при спуско – подъемных операции.


Рисунок 32 – Клапан распылитель

Перепад давления в месте установки клапана:
.    (101)
 Высоту подъема клапана над седлом выбираем практически [1]:
,      (102)
где - диаметр отверстия клапана.
 Вычислим площадь проходной щели при подъеме клапана [1]:
  ,  (103)
 где - угол конуса клапана.
 Определим расход жидкости через щель конусного клапана [1]:
  ,  (104)
где - коэффициент расхода для клапана.
  Расчеты на потери давления в кольцевой щели (между корпусом клапана и поршнем, а также иглой клапана и седлом) были очень малы и в данных расчетах не учитываются.

Рисунок 33 – Силы действующие на клапан

Вычислим сумму проекции сил действующих на клапан со стороны
нефтепромысловой жидкости (рисунок 33 ):
  ,        (105)
где - сила действующая на поршень от нефтепромысловой жидкости со стороны пружины;  (106)
- диаметр поршня.
Определим силу действующую на поршень и на усеченный конус клапан помогающая открыть его:
(107)
;    (108)
, (109)
где - верхние и нижнее основание усеченного конуса;
- образующая усеченного конуса;
- диаметр штока;
- угол наклона образующей к высоте конуса.
Вычислим предварительное усилие и длину сжатия пружины из следующего уравнения, для этого необходимо определить распределение сил на клапан рисунок 33:
,      (110)
тогда длина сжатия будет равна
  ,         (112)
где - расчетное давление в начале открытия клапана, это давление при котором клапан оторвется от своего седла;
- проекция поверхности клапана, омываемой жидкостью под давлением на плоскость, перпендикулярной к его оси; 
- модуль упругости пружины. 
 Важной характеристикой клапана является стабильность поддерживаемого им давления. Характеристика клапана по расходу и давлению представлена на рисунке 34. Но в данных расчетах допускается, что давление открытие равно давлению закрытия клапана ( ).
Вычислим давление при максимальном расходе жидкости:
,  (113)
где - это усилие пружины при полном открытий клапана.
 Степень неравномерности давления, поддерживаемого клапаном, в зависимости от расхода оценивают отношением:
        (114)
- клапан не превысил допускаемого значения.

Рисунок 34 –Характеристика клапана

Определим величину удельного контактного давления на опорную площадь:
(115)
- величина удельного контактного давления на опорную площадь не превышает допускаемого значения.
где - большой и малый диаметр кон