Штанговых скважинных насосных установок

В качестве основы для подбора скважинных штанговых насосных установок часто используется универсальная методика подбора скважинных насосных установок, разработанная на кафедре машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности Российского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губкина.

Вышеназванная методика была доработана в соответствии с промысловыми данными и полученными величинами допускаемых приведенных напряжений для насосных штанг, в первую очередь - бывших ранее в эксплуатации.

Основные положения уточненной методики подбора скважинных штанговых насосных установок приведены ниже.

1 По исходным данным (пластовые и скважинные условия, заданный дебит) определяем динамический уровень.

При этом учитывается «водяная подушка», остающаяся на участке «забой скважины - прием насоса» после проведения подземного ремонта скважины и переменная плотность смеси «вода - нефть - газ».

Плотность смеси ρ_см определяется по исходным данным (плотности нефти, газа и воды, обводненность, газовый фактор, пластовые температура и давление, геотермический градиент, давление насыщения, кривая разгазирования). Практически этот этап работы полностью повторяет пункты № 1 - 15 методики подбора УЭЦН.

2 Используя коэффициент сепарации и допустимую величину свободного газа на приеме насоса, определяем минимально-возможную глубину спуска насоса.

3 По заданному дебиту определяем типоразмер базового скважинного насоса, (из формулы Q_ид= 1440 η·F_нас· S · п для насосов обычного исполнения и Q_ид= 1440η п (F_нас.l— F_нас.c2)·S· п для насосов типа ННД и ННГ, где F_mc, и F_mc2— площади 1-й и 2-й ступеней насоса), принимая, что среднее число качаний п = 6,0 в мин., средняя длина хода S= 2,5 м, коэффициент подачи нового или отремонтированного насоса η = 0,8. После расчета диаметра и выбора стандартного типоразмера насоса выбираем два-три соседних типоразмера (в большую и меньшую сторону) и определяем для них скорость откачки — произведение п ·S.

4 По типоразмеру насоса и глубине спуска определяем (предварительно) максимальные и минимальные нагрузки в точке подвеса штанг по формулам:

(6.1)

(6.2)

где где q_i- масса 1-го метра штанг; L _i -длина ступени штанг;

i = 1 и 2; — коэффициент Архимеда; К_нас - коэффициент, равный диаметру рассматриваемого насоса в мм, деленный на 100.

Для насосов обычного исполнения

для насосов исполнения ННД и ННГ

где Н_дин - динамический уровень; Р_6уф — буферное давление; F_нас- эффективные площади плунжеров рассматриваемого насоса.

(6.3)

где α и а - кинематические коэффициенты станка-качалки, где п — частота ходов в минуту;

где f ₁- площадь поперечного сечения нижней ступени колонны штанг; f ₂- площадь поперечного сечения верхней ступени колонны штанг; суперход плунжера для современных условий работы ШСНУ практически равен нулю.

f _тр- площадь поперечного сечения материала колонны НКТ.

(6.4)

(6.5)

(6.6)

где L_nom- длина подвески насоса, м; μ_ж - вязкость откачиваемой жидкости; S- длина хода, м; п - частота ходов, ¹/_мин.

(6.7)

где — механическое трение плунжера о цилиндр,

(6.8)

(6.9)

где — телесный угол искривления ствола скважины на i -м участке.

5. По максимальной нагрузке выбираем типоразмер станка- качалки и уточняем параметры работы установки — частоту и длину ходов.

В связи с тем, что на нефтяных промыслах практически никогда не используются режимы работы СК с максимальной длиной хода при максимальной нагрузке на головку балансира, проверка СК по максимальному крутящему моменту на валу кривошипа не производится.

6. По уточненным параметрам работы и кинематическим коэффициентам СК определяем точные значения сил при ходе вверх и вниз с учетом сил трения. Уточненные коэффициент трения и силу трения при этом рассчитываем по формуле, приведенной в работе Сабирова А.А.:

(2.137)

где α - зенитный угол, β - азимутальный угол;

7. По величине силы трения в нижней части колонны штанг и силам сопротивления в скважинном насосе (трение в плунжерной паре и противодавлении клапана) определяем длину «тяжелого» низа из штанг диаметром 19, 22, 25 или 28 мм.

(6.10)

и уточняем этот вес после округления длины «тяжелого» низа.

(6.11)

где q — масса погонного метра выбранных штанг, кг; L₈— длина «тяжелого» низа, округленная до длины, кратной 8 — и метрам; К_Арх = 1 - ρ_ж/ρ_ст — коэффициент Архимеда. Длина «тяжелого низа» округляется в большую сторону до числа, кратного 8.

8. По весу «тяжелого низа» и нагрузкам при ходе вверх и вниз выбираем длину нижней секции штанговой колонны диаметром 19 мм, исходя из условия σ_пр = 0,7 [σ_пр] в верхнем сечении этой секции.

(6.12)

где σ_мах — максимальное напряжение; σ_а — амплитудное напряжение.

Индекс «i» говорит о том, что в расчете используется не вся колонна штанг, а только ее нижняя часть, т.е.:

(6.13)

(6.14)

где f _i— площадь поперечного сечения i -й ступени штанг.

(6.15)

Отсюда выбирается длина нижней ступени колонны штанг (при i = 1) L₁.

9. По длинам и весам «тяжелого низа» и нижней ступени штанговой колонны выбираем длину второй секции колонны диаметром 22 мм, исходя из того же условия прочности.

При этом в формуле 6.15 i = 2, а вес Р_тяж2 = Р_тяж, + Р_шт1. Определяем суммарную длину «тяжелого низа», первой и второй ступени колонны штанг. Если суммарная длина превышает глубину спуска насоса или равна ей (±5 %), расчет штанг закончить, если меньше глубины спуска, то перейти к п. 10 настоящего раздела методики.

10 Определяем длину третьей ступени штанговой колонны (диаметром 25 мм) аналогично предыдущим шагам. Проверяем длину колонны и сравниваем ее с глубиной спуска. Если длина меньше глубины спуска — перейти к 11 пункту.

11 Определяем длину четвертой ступени колонны штанг (диаметр 28 мм). Работа аналогична пунктам 8, 9, 10 настоящей методики.

12. Все расчеты по пп. 8—12 проводятся для штанг с определенным [σ_пр]. Если при принятой прочности необходимы 4 и более ступеней штанг с диаметрами более 25 мм, переходим к расчету штанг из более прочной стали (20Н2М, 15Н3МА или иной) с повышенным значением [σ_пр].

Кроме длин ступеней в компоновке колонны штанг необходимо определять места обязательной и желательной установки центраторов. В качестве критерия места обязательной установки центраторов выбран темп набора кривизны более 1 град./10 м и/или зенитный угол более 12 град.; для желательной установки — темп набора кривизны более 0,4 град./10 м и/или зенитный угол более 6 град.

13. По величине максимальной и минимальной нагрузки и типу выбранного СК определяются параметры уравновешивания (например — радиус уравновешивания и количество контргрузов на кривошипе станка-качалки).

Необходимо отметить, что на промыслах применяется большое число других, часто достаточно упрощенных методик подбора СШНУ, которые обеспечивают предварительный подбор оборудования без учета осложняющих промысловых факторов (сложная инклинометрия, влияние газа, механических примесей и т.д.). Одной из наиболее известных методик такого рода является работа, сведенная в диаграмму Адонина и специальные таблицы или номограммы.

Простой и наглядный способ выбора оборудования и первоначального режима откачки — использование диаграмм и таблиц имеющихся в справочниках по добыче нефти и инструкциях.

Рассмотрим диаграмму, построенную для модернизированного ряда станков-качалок, выпускавшихся по ГОСТ 5866-66.

При построении таких диаграмм по горизонтальной оси откладывают глубину спуска насоса, которая принята равной высоте подъема жидкости (погружение насоса под динамический уровень считается равным нулю). Это нужно иметь в виду, так как если погружение под динамический уровень составляет более 8—10% глубины спуска насоса (для разных диаметров насосов), то необходимо в принимаемую для выбора оборудования глубину спуска насоса вводить поправку.

При построении диаграмм принято, что противодавление на устье скважины также равно нулю. Поэтому, если фактическое противодавление больше 5 кгс/см², необходима поправка.

По вертикальной оси откладывают подачу насоса в м³/сут. Предельные глубины спуска насосов прежде всего определяются двумя параметрами станка-качалки: максимальной допустимой нагрузкой на балансир в точке подвеса штанг и максимальным допустимым крутящим моментом на кривошипном валу станка. При этом сами величины нагрузок и моментов рассчитывают для максимальных длины хода, числа качаний и веса принятой рациональной конструкции штанговой колонны. Но иногда при применении станков-качалок с высокими допускаемыми нагрузками на головку, а также штанг сравнительно малой усталостной прочности предельная глубина спуска насосов ограничивается усталостной прочностью штанг.

При построении диаграмм все расчеты максимальных и минимальных нагрузок в точке подвеса штанг выполнены по формулам А.С. Вирновского, а крутящих моментов по формуле Р.А. Рамазанова. Подача насосов рассчитывалась для плунжерных насосов, причем коэффициент наполнения насосов был принят равным 0,85.

Диаграмма рис. 6.1 разделена на области применения различных станков, входящих в данный стандарт. Области ограничиваются сплошными ломаными линиями и различаются штриховкой. Область каждого станка-качалки состоит из полей стандартных диаметров насосов (указаны в кружочках). Границы поля каждого насоса обозначены пунктиром. Верхняя граница поля каждого насоса представляет собой кривую подачи данного насоса при максимальной длине хода станка-качалки, указанного в его шифре, и максимальном числе качаний, указанном в табличке. Этот параметр не входит в шифр станка-качалки и выбран нами потому, что применяемые обычно числа качаний не бывают почти никогда выше 15. Кроме того, применяемые таблицы для подбора штанговых колонн основаны на промысловых данных о работе скважин с числом качаний 10—15.

Для длин ходов, больших 1,8 м, максимальные числа качаний рассчитаны из условия приближенного сохранения отношения внешних сил инерции (возникающих от неравномерного движения штанг и столба жидкости) к статической нагрузке в точке подвеса штанг. При этом относительные величины усилий, расшатывающих станок-качалку, и амплитуды вибраций могут считаться в первом приближении одинаковыми у всех станков-качалок.

Существует несколько методов конструирования или составления штанговой колонны — при помощи номограмм, таблиц и расчетных формул.

Для оперативного подбора колонны штанг можно пользоваться номограммами Я.А. Грузинова и ТатНИПИнефти.

Номограмма Я.А. Грузинова приведена на рис. 6.2. На оси абсцисс отложены глубины спуска насоса, а на оси ординат — значения приведенных напряжений. Номограмма состоит из трех систем точек. Первая — совокупность сочетаний диаметров насосов и штанг — вместе с нулевой точкой номограммы позволяет определить начальные ординаты σ_пр. Вторая выражает сочетание чисел качаний п и длин ходов плунжера Sи вместе с точкой 2500 позволяет определить углы наклонов графиков к оси абсцисс. Третья — вспомогательная система для расчета ступенчатых колонн.

Пример. Определить значение приведенного напряжения в точке подвеса штанг, пользуясь данными, приведенными ниже.

Решение. Соединяем прямыми линиями начальную точку оси абсцисс О (см. рис. 6.2) с точкой 19 системы 7, находящейся на пунктирной линии D-AA, и точку 2500 с точкой (12; 1,8) системы П. От точки 1000 на оси абсцисс проводим вертикаль вверх до пересечения с линией 0-19 в точке А и из этой точки — прямую, параллельную линии 2500-1,8 до пересечения в точке С с вертикалью, проведенной вверх из точки 300 оси абсцисс σ_пр = 70 МПа.

По вертикали 300 — С опускаем из точки С отрезок CD, равный на высоте точки С отрезку ВБ между осью ординат и вспомогательной переводной линией 0—19—22 системы III. Через точку Dпроводим прямую DB, параллельную линии 2500—12—1,8 до пересечения с осью ординат σ_пр, в точке В. Величина ординаты ОВ и будет выражать собой значение приведенного напряжения σ_пр, равного в рассматриваемом примере 63 МПа для первой ступени штанг.

Значение σ_пр для второй ступени штанг находим в точке С ' на пересечении прямой СС ' с ординатой. Оно составляет 70 МПа.

Следовательно, для заданных условий можно принять штанги из стали марки сталь 40 с допускаемым приведенным напряжением σ_пр = 70 МПа.

Номограмма Я А Грузинова, как и другие номограммы, составлена с использованием весьма приближенных формул элементарной теории работы насосной установки, поэтому значения приведенных напряжений, определяемые по этой номограмме, существенно отличаются от фактических. Эта разница возрастает с увеличением диаметра насоса, глубины его спуска и скорости откачки.

Довольно широкое распространение на нефтяных промыслах страны получили таблицы типовых конструкций колонн насосных штанг, составленные АзНИПИнефть.

Приложение 7

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СКВАЖИННЫХ

ШТАНГОВЫХ насосов (СН)

Приложение 8

СООТВЕТСТВИЕ РАЗМЕРОВ НКТ ТИПОРАЗМЕРАМ ШСН

Приложение 9

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СТАНКОВ-КАЧАЛОК

(по ГОСТ 5866-76)

Примечание: *⁾ типоразмеры станков-качалок расшифровываются следующим образом: первая цифра- номер модели, СК - «станок-качалка», число - максимальная нагрузка на головку балансира, 0,1кн, число после тире - максимальная длина хода точки подвеса штанг, м, число после тире - максимальный крутящий момент на ведомом валу редуктора, 0,01кнм.

Приложение 10

ПРЕДЕЛЬНО ДОПУСТИМЫЕ ПРИВЕДЕННЫЕ

НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ

МАРОК СТАЛИ НАСОСНЫХ ШТАНГ

Примечание: группа насосов I- диаметры 28, 32, 38 и 43 мм;

группа насосов II- диаметры 55, 68 и 95 мм.

Приложение 11

НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ О НАСОСНЫХ ШТАНГАХ (ШН)

Приложение 12

РЕКОМЕНДУЕМЫЕ ГЛУБИНЫ СПУСКА НАСОСОВ (м) НА ШТАНГАХ ИЗ УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ, НОРМАЛИЗОВАННЫХ,ПРИ [σ_пр] = 70 МПа

Приложение 12б

РЕКОМЕНДУЕМЫЕ ГЛУБИНЫ СПУСКА НАСОСОВ (м)

НА ШТАНГАХ ИЗ УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ МАРКИ 20НМ,

НОРМАЛИЗОВАННЫХ, ПРИ [σ_пр] = 90 МПа

Приложение 12в

РЕКОМЕНДУЕМЫЕ ГЛУБИНЫ СПУСКА НАСОСОВ ПЕРВОЙ ГРУППЫ (м) НА ШТАНГАХ ИЗ УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ, ЗАКАЛЁННЫХ ТВЧ, ПРИ [σ_пр] = 120 МПа

Приложение 12г

РЕКОМЕНДУЕМЫЕ ГЛУБИНЫ СПУСКА НАСОСОВ ПЕРВОЙ ГРУППЫ (м) НА ШТАНГАХ ИЗ ЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ 20 НМ, ЗАКАЛЁННЫХ ТВЧ, ПРИ [σ_пр] = 130 МПа

Приложение 12д