Эксплуатация скважин штанговыми насосами

      ;       ;       ;

            ;   

         

         

     Площадь плунжера насоса:

       м².

     Гидравлическая  нагрузка:

       Н.

     Коэффициенты  динамичности при ходе вверх m_в и вниз m_н, а также плавучести штанг К_арх и вспомогательный множитель М:

     

     

     

     

     Сила  гидравлического трения, действующая  на единицу длины колонны:

     

       Н/м,

       Н/м.

     Далее определим силы сопротивлений, сосредоточенные у плунжера:

       Н,

       Н.

     Вес “тяжелого низа” принимаем равным сумме сил сопротивления, сосредоточенных  у плунжера:

       Н.

     Далее установим длины нижней l₁ и верхней l₂ ступеней.

     Последовательно отметим, что q_{тр 1} и q_{тр 2} составляют весьма незначительную часть от веса единицы длины штанг q_{шт 1} и q_{шт 2}. Поэтому при расчете можно не учитывать q_{тр 12:}

       м.

     

       м;

     

     Оценим  необходимую длину “тяжелого  низа”, если его выполнить из штанг  диаметром 25 мм:

       м, или 1,6% от общей длины  колонны.

     Таким образом, расчетным путем была получена конструкция колонны диаметром 16 и 19 мм с соотношением длин ступеней 65:35%. Для дальнейших расчетов принимаем конструкцию колонны с соотношением длин для ступеней 65:35%.

     15. Рассчитаем потери хода плунжера и длину хода полированного штока:

      м.

       м.

       м.

     Критерий  динамичности для данного режима:

     

     Поскольку _кр=0,2 (таблица II.3 /6/), то и длину хода полированного штока S можно определить по формулам:

       м;

       м.

     Обе формулы дают одинаковый результат, причем длина хода штока оказалась  несколько меньше, чем рассчитываемая без учета динамических усилий в  штангах.

     Для дальнейших расчетов принимаем ближайшую  стандартную длину хода станка-качалки СК6-2,1-2500 s=2,1, тогда для сохранения прежней скорости откачки определяем уточненное число качаний:

       кач/с=14,7 кач/мин;

       рад/с.

     Длина хода плунжера при s=2,1 м:

       м;

     

     а общий коэффициент подачи штанговой  насосной установки:

     

     16. Перейдем к определению нагрузок, действующих в точке подвеса штанг. Соответственно вес колонны штанг в воздухе и в жидкости с учетом  веса “тяжелого низа”:

       кН.

     Вычислим  предварительно коэффициенты m_ω и φ в формулах А. С. Вирновского:

     

     

     Принимаем a₁=a₂=a₁=a₂=1 (для упрощения расчета).

     Определим вибрационную и инерционную составляющие по формулам:

       кН,

       кН.

     Исследованиями  установлено, что вибрационная составляющая экстремальной нагрузки не может  быть больше, чем гидростатическая. Следовательно, результат расчета  Р_виб получился завышенным. Поэтому примем:

     Р_виб=Р_ж=6,1 кН;

     Р_max=Р’_шт+Р_ж+Р_виб+Р_ин=16,3+6,1+3,9=32,4 кН;

     Р_min=Р^’_шт – (Р_виб+Р_ин)=16,3-(6,1+3,9)=6,3 кН.

     Тогда экстремальные нагрузки по скорректированным  формулам  А. С. Вирновского составят:

     Р_max=Р^’_шт+Р_ж+К_{дин в}(Р_виб+Р_ин)=16,3+6,1+0,97(6,1+3,9)=32,1 кН,

     Р_min=Р^’_шт-К_{дин в}(Р_виб+Р_ин)=16,3-0,93(6,1-3,9)=6,8 кН.

     17. Оценим силы сопротивлений, возникающие при работе насосной установки.

     Будем считать постоянным угол a и равным ≈5º (~0,087 рад), а азимутальным отклонением можно пренебречь.

     Тогда силу механического трения штанг можно определить по формуле:

     Р_{тр мех}=С_штα(Р_ж+Р^’_шт)=0,25∙0,087(6,1+16,3)=0,49 кН,

     где С_шт  по данным В. М. Троицкого для ν_н=3∙10^-6 м²/с можно принять равной 0,25.

     Силу  гидравлического трения рассчитаем по формуле  А. М. Пирвердяна:

       

     18. Рассчитаем напряжение в штангах по формулам:

       МПа,

       МПа,

       МПа,

       МПа.

     Приведенное напряжение в точке подвеса штанг  составляет соответственно:

     по  формуле И. А. Одинга:

       МПа,

     по  формуле М. П. Марковца:

       МПа,

      Для  штанг из стали 40 нормализованных  предельно допускаемое приведенное  напряжение составляет 70 МПа (по Одингу). Следовательно, для этих штанг условие обеспечения усталостной прочности не выполняется, так как [σ_пр]=70 МПа<σ_{пр од} =72 МПа.

     Следовательно, можно либо подобрать штанговую  колонну из штанг той же марки, но большего диаметра, например 19*22 мм, или сохранить конструкцию колонны, но выбрать штанги с более высокой усталостной прочностью, например, из стали 20 НМ, нормализованные с [σ_пр]=90 МПа по И. А. Одингу, [σ_пр]=74 МПа по М. П. Марковцу. В расчетах воспользуемся вторым вариантом.

     19. Крутящий момент на кривошипном валу редуктора определим по формуле:

     M_{кр max}=300S+0.236S(Р_max-Р_min)=300∙2.1+0.236∙2.1(32.1-6.8)10³=13200 Н∙м.

     20. Выберем станок-качалку. Предыдущими расчетами было установлено: Р_max=32.1 кН; (M_кр)_max=13200 Н∙м; S=2.1 м; n=14.7 кач/мин.

     Сравнивая расчетные данные с паспортными характеристиками станков-качалок находим, что этим условиям удовлетворяет станок-качалка СК4-2,1-1600, который и выбираем окончательно.

     21. Рассчитаем энергетические показатели работы штанговой насосной установки.

     Полезная  мощность:

       Вт.

     Коэффициент потери мощности на утечки:

     

     Потери  мощности в клапанных узлах:

       Вт.

     Мощность, расходуемая на преодоление механического  I_{тр мех}  и гидродинамического I_{тр г}  трения штанг, а также трения плунжера в цилиндре I_{тр пл}:

       Вт.

       Вт.

       Вт.

     Затраты мощности в подземной части установки:

       Вт.

     К. п. д. Подземной части установки:

     

     

     Значения  к.п.д. подземной части по этим формулам получились достаточно близкие.

     Принимаем: η_эд=0,77, η_ск=0,80, тогда общий к.п.д. установки:

     

     Полная  мощность, затрачиваемая на подъем жидкости:

       Вт=45 кВт.

     Определим полную потребляемую мощность также  по методике Б. М. Плюща и В. О. Саркисяна:

     К₁=6,0 для станка-качалки с грузоподъемностью 4 т,

     

     

       Вт=6.1 кВт.

     Расхождение результатов расчета полной мощности по разным методикам составило около 15% от их среднеарифметической величины, что приемлемо для практических расчетов. Для расчета принимаем I_полн =6,1 кВт. По таблице IV.16 /6/ выбираем электродвигатель АОП-52-4  с номинальной мощностью 7,0 кВт.

     Удельный  расход энергии на подъем жидкости:

       Дж/кг,

       кВт∙ч/т,

       кВт∙ч/т.

     Суточный  расход энергии:

       кВт∙ч.

     22. Определим эксплуатационные показатели и межремонтный период работы штанговой насосной установки.

     Предварительно  определим вероятную частоту  подземных ремонтов, связанных с  ликвидацией аварий со штанговой  колонной по формуле А. С. Вирновского  при R=0.75 и С^’_n=0.533:

       рем/год, 

     или по формуле:

       рем/год.

     Результаты  расчета по обеим формулам получились близкие, однако абсолютное значение γ  оказывается больше, чем определяемое по фактическим данным для основных нефтяных месторождений.

     Задаваясь числом ПРС, не зависящих от типоразмера оборудования и режима его работы, n_пр  определим вероятное общее число ПРС в течение года.

     Для расчетов принимаем γ=2,5 рем/год, η_пр=1 рем/год:

     N_рем =γ+n_пр=2,5+1=3,5 рем/год /6/. 

7.4. Выводы 

     При  добыче  обводненной  нефти возникает ряд осложнений  связанный с агрессивным воздействием  минерализованной  воды  на  скважинное  оборудование,  вызывающее  коррозию,  образование  солей.  Всё  это  ведёт  к преждевременному  отказу  ШСНУ, снижению   межремонтного  периода  работы  скважин  и  увеличению  себестоимости  добываемой  нефти.

     Месторождение в целом находится на стадии падающей добычи нефти и при его дальнейшей эксплуатации существенное место должны занимать МУН;

     УШГН  на Волковском месторождении работают в обводнившихся скважинах, что создает дополнительную проблему увеличения вязкости, из-за образования водонефтяных эмульсий