- •Практика по нефтепромысловому оборудованию содержание:
- •Введение
- •1. Расчёт оборудования при фонтанно-компрессорной эксплуатации скважин
- •1.1. Расчет усилий, действующих на фланцевое соединение фонтанной арматуры
- •1.2. Расчет нкт при фонтанно-компрессорной эксплуатации скважин
- •Трубы гладкие с треугольной резьбой
- •Трубы с высаженными наружу концами с треугольной резьбой
- •Трубы нкм с трапецеидальной резьбой
- •Трубы нкб с трапецеидальной резьбой
- •1.3. Насосно-компрессорные трубы с защитными покрытиями
- •1.4. Определение диаметра штуцера фонтанной арматуры
- •2. Расчет оборудования при штанговой глубиннонасосной эксплуатации скважин
- •2.1. Выбор оборудования шгну и определение параметров работы насоса
- •Рекомендуемые глубины спуска на углеродистых штангах
- •Рекомендуемые глубины спуска насосов на штангах
- •Рекомендуемые глубины спуска насосов на штангах
- •Механические характеристики материала штанг
- •2.2. Определение нагрузок на головку балансира станка-качалки
- •2.3. Определение длины хода плунжера штангового насоса
- •Варианты заданий к главе 2
- •2.4. Расчет производительности и определение коэффициента подачи шгну
- •2.5. Расчет прочности колонны штанг
- •2.6. Расчет нкт по аварийной нагрузке при эксплуатации шгну
- •2.7. Расчет нкт на циклические нагрузки
- •3. Выбор машин и оборудования при эксплуатации скважин электроцентробежными насосами (эцн)
- •3.1. Установки погружных электроцентробежных насосов
- •Характеристики погружных центробежных насосов
- •Параметры эцн в модульном исполнении
- •Характеристики погружных электродвигателей
- •Характеристики погружных электродвигателей
- •Основные характеристики кабелей
- •3.2.Определение глубины погружения насоса под динамический уровень
- •3.3. Выбор кабеля, трансформатора и определение эксплуатационных параметров уэцн
- •Литература
2.5. Расчет прочности колонны штанг
Для определения напряжений, возникающих в штангах, необходимо найти наибольшие нагрузки за цикл хода вверх и вниз. При динамическом или переходном режиме работы эти нагрузки определяются по формулам (2.18) и (2.19). Затем находят наибольшее напряжение цикла (σmax), амплитуду напряжений цикла (σа) и приведенное напряжение σпр = (σтахσа)0,5 .
При статическом режиме работы установки применяют упрощенные формулы [24]. При их выводе радиальными и окружными напряжениями в штангах, пренебрегают:
(2.46)
где а0 - опытный коэффициент, имеющий размерность удельного веса и учитывающий плотность жидкости, силы трения и другие факторы, не поддающиеся аналитическому расчету. Его принимают равным 11500 Н/м3; х - расстояние от рассчитываемого сечения штанг до плунжера; D - диаметр плунжера; dш - диаметр штанг; ΔР - перепад давления над плунжером; ρж - плотность жидкости; ω = π·n / 30 - угловая скорость вращения кривошипа; mср - средний кинематический показатель совершенства СК,
.
Кинематический показатель при ходе вверх (mхв) или вниз (mхн) равен отношению максимального ускорения точки подвеса штанг к его значению при гармоничном движений этой точки, т. е. по элементарной теории
,
где β10 - уголь между балансиром и шатуном при крайнем верхнем положении заднего плеча балансира; r - радиус кривошипа; Lш - длина шатуна.
По формуле А. С. Аливердизаде
, (2.47)
где k - заднее плечо балансира. Среднее напряжение в штангах
, (2.48)
где ρш - плотность материала штанг.
Зависимость для среднего напряжения цикла, окружное и радиальное напряжения в штангах, динамические силы, обусловленные движением жидкости, были уточнены [24]. Последние учитывают коэффициентом а'0, равным 1.15. В результате зависимость принимает следующий вид:
для одноступенчатой колонны
; (2.49)
для ступенчатой колонны штанг можно получить
; (2.50)
, (2.51)
где ΣРшi - вес i-той секции колонны штанг с учетом ниже расположенных секций, fxi - площадь поперечного сечения i-той секции штанг.
При применении ступенчатой колонны штанг длины ступеней подбирают так, чтобы наибольшие значения σпр для верхних секций ступеней были одинаковы, т. е.
.
Задача 13. Выбрать и рассчитать на прочность одноступенчатую колонну штанг для СК-6-2,1-2500. Дано: Dпл = 38 мм;
глубина спуска насоса - 600 м;
динамический уровень - 520 м;
плотность жидкости ρж = 850 кг/м3;
буферное давление Рб = 0,3 МПа.
Решение. Выберем предварительно штанги диаметром 19 мм и определим параметр Коши:
.
Режим статический.
Определим перепад давления над плунжером из формулы (2.27):
.
Полагаем, что гидравлическое сопротивление движению жидкости в трубах мало, Рг = 0 (см. задачу 11). Найдем статическое давление над плунжером:
.
Давление под плунжером
.
Перепад давления над плунжером
.
Для СК-6-2,1-2500 максимальное число качаний n = 15, длина хода SА = 2,1 м. Кинематический показатель совершенства СК6
;
.
Амплитуда напряжения цикла по формуле (2.46)
Среднее напряжение в штангах по формуле (2.48)
;
по формуле (2.49)
Максимальное напряжение
.
Приведенное напряжение
.
Допустимы штанги из ст. 40 нормализованные σпр = 70МПа, σт = 320МПа.
Задача 14. Выбрать и рассчитать на прочность двухступенчатую колонну штанг для СК-6-2,1-2500.
Дано: Dпл = 38 мм;
глубина спуска насоса - 910 м;
динамический уровень - 880 м;
плотность жидкости ρж = 850 кг/м3;
буферное давление Рб = 0,4 МПа.
Решение. Определим параметр Кощи.
Для СК6 nmax = 15 мин-1, ω =1,57 с-1,
Режим статический.
Определим перепад давлений над плунжером из формулы (2.27):
Полагаем, что гидравлическое сопротивление движению жидкости в трубах мало, Рг = 0 (см. задачу 11). Найдем статическое давление над плунжером:
.
Давление под плунжером
,
.
Перепад давления над плунжером
.
Выбираем штанги 16 мм и 19 мм в равных долях.
Для нижней секции (диаметр 16 мм) (формула (2.46))
По формуле (2.51) найдем
;
Максимальное напряжение
Приведенное напряжение
Для верхней секции (диаметром 19 мм) по формуле (2.50)
;
.
По формуле (2.51) определим
;
.
Приведенное напряжение
.
Подбором длин штанг можно добиться выравнивания σпр. Уменьшим длину верхней секции на 10%, соответственно увеличив нижнюю: L1 = 455 + 45 = 500 м; L2 = 410 м.
Произведем расчет по формулам (2.46) - (2.51).
Нижняя секция (диаметром 16 мм):
;
.
Приведенное напряжение
.
Для верхней секции (диаметром 19 мм) по формуле (2.50)
По формуле (2.51)
;
Приведенное напряжение
.
По табл. 2.4 выбираем для штанг диаметром 16 и 19 мм сталь 40, имеющую σпр т = 70 МПа, σт = 320 МПа. Запас прочности по σт
.
Задача 15. Выбрать режим работы исходя из расчетов на прочность двухступенчатой колонны штанг из стали 40 для СК-6-2,1-2500.
Дано: Dпл = 38 мм;
глубина спуска насоса - 1100 м;
динамический уровень - 1050 м;
плотность жидкости ρж = 850 кг/м3;
буферное давление Рб = 0,5 МПа;
штанги из стали 40, σпр = 70 МПа.
Решение. Определим параметр Коши. Для СК6 nmax = 15 мин-1, ω = 1,57 с-1 .
Режим статический.
Определим перепад давления над плунжером из формулы (2.27):
.
Полагаем, что гидравлическое сопротивление движениию жидкости в трубах мало, Рг = 0.
Найдем статическое давление над плунжером:
.
Давление под плунжером
.
Перепад давления над плунжером
.
Выбираем штанги 16 мм длиной 600 м и 19 мм длиной 500 м.:
Для нижней секции (диаметр 16 мм) (формула (2.46)):
.
По формуле (2.51) найдем σср:
Максимальное напряжение
.
Приведенное напряжение
.
Для верхней секции (диаметром 19 мм) по формуле (2.50)
По формуле (2.51)
.
Приведенное напряжение
.
Следовательно, штанги должны быть из стали класса 20ХH σпр = 90МПа.
Уменьшим число качаний до n = 9 мин-1:
;
( Режим статический)
Вновь рассчитаем нижнюю секцию штанг (диаметр 16 мм, L1= 600 м):
.
.
.
Верхняя секция (диаметр 19 мм, 500 м):
;
.
Следовательно, если ограничить число качаний n < 9 мин-1, то можно использовать штанги из стали 40, σпр = 70 МПа.
Задача 16. Выбрать материал для верхней секции колонны штанг по условиям задачи 9, исходя из рассчитанных нагрузок на головку балансира.
Решение. По условиям задачи 9 длина штанг 1870 м, из них dш2 = 22 мм, Lш2 = 560 м, dш1 = 19 мм, Lш1 = 1310 м.
Максимальная и минимальная нагрузки по теории Вирновского Рmax = 70930 Н; Pmin = 26927 Н.
Определим максимальное и минимальное напряжения по формулам (2.7) и (2.8):
;
.
Амплитудное напряжение
.
Приведенное напряжение
.
По табл. 2.4 выбираем материал верхней секции штанг. Это может быть сталь 20Н2М нормализованная с поверхностным упрочнением ТВЧ ( σпр =110 МПа) для некоррозионных условий или ст. 40 с такой же обработкой ( σпр = 120 МПа).
Запас по пределу текучести составит:
для стали 20Н2М ;
для стали 40 .