Лекция Условия работы и расчет штанг.

Исследования частоты обрывов штанг показало, что при малых диаметрах плунжеров насоса (32-43мм) обрывы более часты у устья скважины, а при больших диаметрах плунжера (68-93) чаще происходят обрывы в нижней части колонны. Характер излома штанг свидетельствует, что причиной излома являются усталостные явления. Непрерывная продолжительная работы насосов приводит к большому числу циклов переменных, а в нижней части колонны и знакопеременных нагрузок. При 15 ходах в минуту установка ШСН достигает 10млн. циклов за 460сут., при этом цикл асимметричный. Академиком И.А. Одингом была получена зависимость предела выносливости при симметричном цикле от параметров асимметричного цикла:

А.С. Вирновский применил этот метод к штангам, обозначив предельные напряжения, как приведенное. .

А.И. Фаерман установил величину приведенных напряжений для различных материалов штанг

Определение допускаемых напряжений.

Под допускаемыми напряжениями понимают предельные напряжения в опасном сечении детали, при которых она выполняет свои функции в течение заданного периода без разрушения. Для насосных штанг это понятие условно, т.к. основной причиной разрушения является коррозионная усталость материала, которая в отличие от усталости может вызвать разрушение детали при отсутствии нагрузки – только лишь из-за действия коррозии. Поэтому создание колонн штанг с абсолютной гарантией их безаварийной работы экономически не оправдано, поскольку требует большого расхода легированной сталей. В нефтепромысловой практике в качестве допускаемых применяются такие напряжения, при которых число обрывов не превышает 1-3 в год. Для определения допускаемых напряжений обобщаются данные наблюдений за работой достаточно большого числа правильно сконструированных колонн в производственных условиях. Методика И.Л. Фаермана заключается в следующем: по данным наблюдений за работой большого числа скважин после статистической обработки строится график зависимости средней частоты обрывов штанг Yот напряжения в верхнем сечении колонн.

Напряжение, соответствующее излому графика, при котором резко увеличивается число обрывов штанг в год, принимается за допускаемое напряжение для верхних сечений колонн штанг данной марки Использование данной методики полностью не исключает обрывы штанг. Практика показывает, что колонна может работать надёжно с превышением допустимого напряжения или наоборот, число обрывов может увеличиться при более низких напряжениях (Например при возд. ).

Под коррозионной усталостью металлов и сплавов понимаются разрушения, происходящие в результате совместного действия переменных действий нагрузок и химически активной электропроводной среды.

Зависимость среднего числа обрывов колонн штанг для одного комплекта штанг мв год от в верхнем сечении колонны.

Электрохимическая коррозия представляет собой анодные процессы, протекающие на электрохимически уязвимых участках (микроповреждения поверхности металла и дефекты кристаллической решетки).Характерным признаком коррозионного усталостного разрушения детали является наличие трех зон на поперечном сечении разрушения штанги: мелкозернистой, крупнозернистой (как при усталостном разрушении) и зоны пластической деформации. Мелкозернистая зона начинается с периферии детали и представляет участок, на котором развивалась усталостная трещина (имеет более темную окраску из-за длительного контакта с коррозионной средой). Крупнозернистая зона – область окончательного разрушения вначале быстро развивающейся трещины а затем – разрыв металла ( пластическая деформация). Характерным для процесса коррозионной усталости является отсутствие предела выносливости , представляющего максимальное напряжение, при котором образец выдерживает неограниченное количество циклов. При коррозионной усталости эта величина условно и зависит от числа циклов нагружения. Для стали 20ХН на воздухе, а в жидкости – 120МПа. Как показывают эксперименты, покрытия штанг позволяют повысить величину допустимых напряжений.

а) Аналитический расчет колонн штанг.

Для определения напряжений, возникающих в штангах, необходимо найти maxиminнагрузки за цикл хода вверх и вниз. При динамическом режиме работы установки эти нагрузки определяют по формулам(1) –maxи(2) –min, а с учетом вибрационных нагрузок:

,

Наименьшая .

Затем находят , амплитуду напряжений циклаи:

Можно воспользоваться формулами для определения этих напряжений влюбом сечении колонны штанг -х. Амплитуда напряжений равна:

где - опытный коэффициент, имеющий размерность плотности жидкости и учитывающий плотность жидкости, силы трения и другие факторы (,а_о= 11500

- длина колонны штанг;D,- диаметры плунжера и штанг соответственно; ΔP[] – перепад. давл.;

- расстояние от рассматриваемого сечения штанг до плунжера;- средний кинематический показатель совершенства скважины;; ω=– угловая скорость.

Кинематический показатель при ходе вверх или вниз () равен отношениюmaxускорения точки подвеса штанг к его значению при гармоничном движении этой точки, т.е. по элементарной теории.

m=,

где - по формуле (5) (стр. 85), апо формуле (6) (стр. 83) илиm– определяется графически.

Среднее напряжение в штангах .

По вычисленному находяти.

Л.Г. Чичеров уточнил выражение .- для одноступенчатой колонны, где.

Для ступенчатой i колонны:

.

где -вес колонны штанг с нижними секциями

б) Расчет штанг по номограммам.

Для расчета штанг применялась известная номограмма А.Я. Грузинова. Однако анализ расчетов по номограмме и опытные данные показали, что сечения штанговых колонн в некоторых случаях существенно занижены. В.М. Касьянов и В.П. Грабович предложили новый метод расчета штанг, в котором расчеты несколько упрощены. Этот метод использует выражение М.П. Марковца.

Выразив через наибольшую и наименьшую нагрузки они получили.

(1)

При этом учтена сила трения и принята равной 0,03. А вибрационная нагрузка определена по зависимости:

(2)

где - коэффициент распределения деформации между штангами и трубами.– сила давления над плунжером. Для определенияслужит номограмма, по которой определяютK1 иK2

(3)

Величины 1,03 и 0,97 отражают увеличение и уменьшение нагрузки в точке подвеса штанг в зависимости от сил трения. Статическая сила давления жидкости на плунжер при определении (ход плунжера вниз) не учитывается, т.к. выкидной клапан в плунжере открыт. Это учтено тем, чтоуменьшен на единицу. Для расчетов по номограмме необходимы следующие исходные данные., предварительный расчет, коэффициенты,,,, характеризуют поправку на частоту и несовершенство кинематики скважины. Величинунаходят с учетом динамического уровня жидкости в скважине, характеристики откачиваемой смеси и т.д. Движение точки подвеса штанг принимают близким к гармоничному, т.е.. Подсчитывают параметры при ходе вверх:По графику дляи, находят точку С, ордината которой даетпри ψ=0,7. Используя найденные коэффициентыипо формуле (3) определяют. Затем подставляя в формулу (1) находят, а по Приложению 4 выбирают соответствующий материал штанги. Практически: А.М. Юрчук «Расчеты в добыче нефти» стр. 59-60.