Министерство образования и науки Российской Федерации 9 страница

 

Задача № 2.2.6 Подбор одноступенчатую колонну насосных штанг к указанному типоразмеру штангового погружного насоса

 

Подобрать одноступенчатую колонну насосных штанг к указанному типоразмеру штангового погружного насоса.

При расчетах среднюю плотность пластовой жидкости принять равной 850 , число двойных ходов в минуту станка качалки от 8 до 12. Необходимые справочные данные смотри в таблицах 11П, 12П и 13П приложений.

Указания к выполнению:

Производят предварительный выбор конструкции одноступенчатой штанговой колонны, её проверяют на «зависание» и усталостную прочность.

 

Таблица 33 – Исходные данные к задаче 2.2.6

Параметр	Вариант
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Типоразмер скважинного насоса	НВ1С-38-25-15	НВ1С-38-25-15	НВ1С-44-18-15	НВ1С-44-18-15	НВ1С-57-18-12	НВ1С-57-18-12	НВ1С-44-18-15	НВ1С-44-18-15	НВ1С-44-12-15	НВ1С-44-12-15
Глубина подвески насоса, м	600	400	500	700	650	550	450	650	850	770
Типоразмер подъемных труб, НКТ	73	73	89	89	114	114	89	89	89	73
Кинематическая вязкость пластовой жидкости,	0,5	0,8	0,5	0,55	0,88	0,5	0,6	0,6	0,6	0,7

 

Условие движения штанг вниз без «зависания» при спуске записывается в виде:

 

(2.6.1)

 

где  – коэффициент, учитывающий потерю веса штанг в жидкости.

Для определения этих параметров используются следующие зависимости

Вес колонны штанг в воздухе, Н:

 

(2.6.2)

 

где  – вес одного метра штанг данного диаметра в воздухе, Н;  – длина ступени колонны штанг.

Потери на гидродинамическое трение по А.М. Пирвердяну, Н:

 

(2.6.3)

 

где  – кинематическая вязкость перекачиваемой жидкости, ;  – количество двойных ходов штанг в минуту,  – длина хода штанг, м.

Если вследствие большой величины сил трения оказывается невозможным обеспечить нормальный ход вниз без зависания, то переходят к штангам большего диаметра.

Второе условие – проверка колонны штанг на усталостную прочность:

 

(2.6.4)

где  – приведенное напряжение, возникающее в штангах, МПа;  – допускаемое приведенное напряжение, МПа;  – расчетный коэффициент запаса, принимается равным 1.3.

Возникающее напряжение в штангах при подъеме равно, Па:

 

(2.6.5)

 

где  – площадь сечения самой нагруженной штанги (устьевой), ;  – масса столба пластовой жидкости в трубах НКТ, поднимаемой насосом при ходе штанг вверх, кг;  – сила трения штанг о НКТ при ходе штанг вверх, Н:

 

(2.6.6)

 

где  – коэффициент трения штанг о трубы НКТ ();  – угол искривления скважины от вертикали, рад (для вертикальной скважины ).

После определения максимального приведенного напряжения производим подбор материала штанг по данным табл. 12П и 13П, в которой приведены данные для допускаемого приведенного напряжения  выбираемого материала.

 

Задача № 2.2.7 Подбор станка-качалки (СК) для привода насоса из задачи № 2.2.6

 

Подобрать СК для привода насоса из задачи 2.2.6.

В начале для каждого типоразмера СК последовательно проверяется условие по максимальным нагрузкам:

 

(2.7.1)

 

где  – допустимая нагрузка СК,  – максимальная нагрузка на СК. Допустимая нагрузка  – не должна превышать более, чем на 20% максимальную нагрузку на СК .

Максимальная нагрузка на СК  была рассчитана в задаче 2.2.6, см. зависимость 2.6.5.

Затем СК проверяется на минимальную и максимальную скорости откачки:

 

(2.7.2)

 

Необходимые справочные данные для выбора станка- качалки смотри в таблице 10П в приложениях.

 

Задача № 2.2.8 Подбор электродвигателя для СК

 

Подобрать электродвигатель требуемой мощности для СК, по данным расчетов задач 2.2.6 и 2.2.7.

Указания к выполнению:

1. Мощность, используемая на выполнение полезной работы ШСНУ, определяется по формуле, кВт:

 

(2.8.1)

 

где  – подача скважинного насоса при 10 двойных ходов в минуту, ;  – необходимое давление насоса, Па. Необходимое давление рассчитывается по формуле:

 

(2.8.2)

 

где  – плотность пластовой жидкости, ;  – потери давления на гидравлические сопротивления при движении в подъемных трубах, Па;  – буферное противодавление на устье, необходимое для продвижения продукции скважины к насосной станции, Па.

2. Потери мощности, обусловленные утечками жидкости, учитываются с помощью специального коэффициента:

 

(2.8.3)

 

где  – утечки в зазоре плунжер-цилиндр (примем равным 0,1 ).

3. Мощность, затрачиваемая на преодоление механического трения штанг о трубы, определяется по формуле, Вт:

 

(2.8.4)

 

где  – коэффициент трения штанг о трубы ();  – длина хода плунжера (находим из таблицы 11П приложения для соответствующего типоразмера насоса);  – частота двойных ходов колонны штанг в единицу времени ();  – максимальный угол отклонения оси скважины от вертикали, рад (  для вертикальных скважин).

4. Мощность, затрачиваемая на преодоление гидродинамического трения штанг о жидкость, рассчитывается по формуле А. М. Пирвердяна, Вт:

 

(2.8.5)

 

5. Таким образом, суммарные потери мощности в подземной части ШСНУ и КПД подземной части определяются так:

(2.8.6)

 

(2.8.7)

 

6. Потери в наземном оборудовании ШСНУ учитываются приближенно. По рекомендации ВНИИнефть принимается, что к.п.д. СК , а к.п.д. электродвигателя .

7. Тогда общий КПД ШСНУ определится так:

(2.8.8)

 

8. Общая мощность установки определяется по формуле, Вт:

(2.8.9)

 

После окончания расчетов выбирается ближайший более мощный электродвигатель по таблице 14П приложений, обеспечивающий требуемую (с коэффициентом запаса 1.3) мощность.

9. И, наконец, суточный расход электроэнергии будет равен, :

 

(2.8.10)

 

Задача № 2.2.9 Расчет усилия предварительной затяжки фланцевого соединения

 

Рассчитать усилие предварительной затяжки фланцевого соединения фонтанной арматуры, а также подобрать диаметр и материал шпилек фланцевого соединения.

 

Таблица 34 – Исходные данные к задаче 2.2.9

Параметр	Вариант
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Средний диаметр уплотнительного кольца, мм	120	130	140	150	180	160	170	125	155	135
Эффективная ширина прокладки, мм	8	10	10	10	12	8	10	10	8	12
Рабочее давление, МПа	12	12	10	8	6	16	14	6	21	35
Масса незакрепленной части манифольда, кг	560	600	650	700	280	350	300	200	550	600
Длина незакрепленной части манифольда, м	2,5	2,5	2,5	2,5	2,5	3,0	3,0	1,8	1,5	3,2
Диаметр окружности, проведенной через оси болтов, мм	140	150	160	180	220	200	220	160	220	220

 

Примечание: для всех вариантов число шпилек может быть 6, 8, 12 или 16 штук.

 

Указания к выполнению:

Усилие предварительной затяжки равно , Н:

 

(2.9.1)

 

где  – средний диаметр уплотнительного кольца,  – эффективная ширина уплотнительного кольца,  – допустимое давление на материал прокладки (для мягких сталей 127 МПа).

Для силового расчета шпилек фонтанной арматуры необходимо рассчитать нагрузку  на самую загруженную шпильку:

 

(2.9.2)

 

где  – усилие от давления в арматуре, Н;  – остаточное усилие затяжки, Н;  – усилие от неравномерности расширения материала фланца и шпилек (примем равным 0, т.к. при перекачке нефти разница температур меньше ),  – усилие от незакрепленной части манифольда на шпильки, Н;  – число шпилек в соединении.

Усилие от давления в арматуре равно, Н:

 

(2.9.3)

 

где  – давление в арматуре, Па.

Остаточное усилие затяжки, Н:

 

(2.9.4)

 

где  – прокладочный коэффициент, зависящий от материала прокладки (для мягких сталей равен 5,5).

Усилие от незакрепленной части манифольда:

 

(2.9.5)

 

где  – диаметр окружности, проведенной через оси шпилек,  – изгибающий момент от незакрепленной части манифольда (центр масс условно проходит через середину манифольда).

По известной нагрузке на шпильку рассчитать диаметр шпильки и материал, пользуясь таблицей 29 (задача 2.1.2). Коэффициент запаса прочности n принять равным 2.

Диаметр резьбы шпилек проверяется по формуле

 

(2.9.6)

 

где  – коэффициент запаса прочности шпилек;  – предел текучести выбранного материала шпилек.

 

Задача № 2.2.10 Расчет механического пакера

 

Механический пакер устанавливается в скважину глубиной  с обсадной колонной наружным диаметром  и толщиной стенки  и ожидаемым перепадом давления . Варианты указанных показателей скважины, группа прочности материала обсадных труб, а также конструктивные параметры пакера даны в таблице, расчетная схема приведена на рисунок 27.

 

Таблица 35 – Исходные данные к задаче 2.2.10

Наименование параметра	Номера по журналу
	1-5	6-10	11-15	16-20	21-25
Номер скважины	индивидуальный
Глубина скважины Н, м	индивидуально
Типоразмер обсадной колонны,	146х9	168х8	168х8	168х9	168х10
Группа прочности обсадной колонны	К	К	К	Е	Д
Диаметр хвостовика, , мм	60	73	73	73	73
Модуль сдвига резины, , МПа	10	8	8	9	7
Перепад давления на пакере, , МПа	45	35	35	55	40
Угол конуса плашки, градус	15	21	21	13	18
Число плашек по радиусу, , шт	3	5	5	3	4
Внутренний радиус резины, , мм	30	36,5	36,5	36,5	36,5
Наружный радиус резины после деформации (равен внутреннему радиусу обсад. колонны), , мм	63,5	76	76	75	74
Высота плашек (длина по вертикали),  мм	140	150	150	140	145
Длина хорды плашки, , мм	35	35	35	40	30
Стрела дуги поверхности плашки, , мм	7	7	7	8	6

Рисунок 27 – Расчетная схема пакера

 

Определить условия обеспечения герметичности колонны после установки пакера и по наименьшей величине осевой силы  наибольшую высоту уплотнительного элемента и оптимальную длину хода штока пакера. Определить соответствие прочности обсадной колонны усилию, передаваемому от плашечного захвата и предложить техническое решение по конструкции пакера, удовлетворяющего условию его соответствия прочности материала обсадных труб. При расчетах дополнительно учесть, что резина, применяемая в пакерах имеет коэффициент Пуассона , а надежное уплотнение может быть создано при разности диаметров уплотнения пакера до его деформации и обсадной колонной  [10, c. 45-53].

Указания по расчету:

1. Ввод данных в программу с присвоением численных значений из таблицы, значений , и радиуса резинового уплотнения .

2. Определяем площадь поперечного сечения уплотнительного элемента в деформированном состоянии:

 

(2.10.1)

 

3. Вводится формулы минимального усилия для герметичного разобщения ствола скважины пакером:

(2.10.2)

 

контактное давление между обсадной колонной и уплотнением:

 

(2.10.3)

 

4. Определяется наибольшая высота уплотнительного элемента по условию самозакрепления пакера при действии осевого усилия, приняв коэффициент трения :

 

(2.10.4)

 

5. Наименьшая высота одного уплотнительного. элемента в свободном состоянии:

(2.10.5)

 

6. Находим оптимальную длину хода штока пакера, исходя из рекомендуемого коэффициента соотношения наружных радиусов резины до деформации и после нее  при диаметрах обсадных колонн 146 и 168 мм;  при их диаметрах 178 и 299 мм:

 

(2.10.6)

 

Предельная осевая нагрузка, не нарушающая обсадную колонну:

 

(2.10.7)

7. Находим запас прочности обсадных труб при воздействии плашек для заданных размеров, который должен удовлетворять условию:

 

(2.10.8)

 

При несоблюдении условия вносятся изменения в конструкцию пакера.

 

2.3 Расчет агрегатов для подземного ремонта скважин

 

Задача № 2.3.11 Расчет коэффициента запаса выносливости вала лебедки и максимального прогиба подъемного вала

 

Установка для освоения и капитального ремонта скважин УПА-60 (высота мачты от земли до кронблока 22 м) выполняет цикл подъема и спуска колонны НКТ в скважину. Необходимо найти а) коэффициент запаса выносливости подъемного вала лебедки и сравнить с допускаемым 1,25; б) максимальный прогиб подъемного вала в мм.

Исходные данные: длина одной трубы НКТ 10 м; диаметр барабана установки 0,7 м; диаметр опасного сечения подъемного вала установки 90 мм; расстояние между подшипниковыми опорами подъемного вала установки 1,1 м; масса подвижных элементов талевой системы 2 т.

 

Таблица 36 – Исходные данные к задаче 2.3.11

Параметр	Вариант
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Длина колонны НКТ, м	950	850	720	1200	1150	1050	880	540	680	750
Типоразмер колонны НКТ	89	89	73	73	114	114	60	60	89	73
Используемая оснастка талевой системы установки	3х4	3х4	3х4	3х4	3х4	3х4	2х3	2х3	3х4	3х4
Материал подъемного вала установки, тип термообработки (З – закалка до НВ 270, Н - нормализация)	35ХМ, (З)	35ХМ, (З)	35ХМ, (З)	35ХМ, (З)	40ХН, (Н)	40ХН, (Н)	40ХН, (Н)	40ХН, (Н)	35ХМ, (З)	40ХН, (Н)