УТОЧНЕННЫЙ РАСЧЕТ КОНСТРУКЦИИ ШТАНГОВОЙ КОЛОННЫ

 

Уточненный    расчет    колонны    штанг    производится     по аналитическим зависимостям. Для этой цели в условиях ОАО «Оренбургнефть»  используется методика б.  ГАНГ,  в которой учтено     влияние     на     прочность     колонны     статических     и динамических нагрузок, сил сопротивления, сосредоточенных у плунжера, и силы гидродинамического трения. Расчет ведется исходя из условий обеспечения: усталостной прочности во всех поперечных сечениях колонны

°прг ^ Ьпр];                                     <2-87>

равнопрочности ступеней, т.е. равенства приведенных напряжений в наиболее нагруженных сечениях каждой ступени

 (2.88)

где I, II, III - индексы, относящиеся к верхним сечениям соответствующих ступеней колонны штанг.

Расчет по методике б. ГАНГ выполняют в следующем порядке.

Для заданного диаметра НКТ и предварительно выбранной конструкции колонны штанг вычисляют по формулам:

нагрузку на плунжер от веса жидкости

Gx = (рвн - Рвс)-РпЛ;                                              (2.89)

коэффициент плавучести штанг

^арх = (Ршт - Рсм)/РшТ;                                           (2.90)

а также следующие вспомогательные коэффициенты:

 = 0,032/[lnm(mM2 + l)(mM2 - 1) - 1];     (2.91)
щ, = Smn2/iU0;                                                    (2.92)

тп = 5шп2/1790;                                            (2.93)

МШТ = i/[(m2 + 1) ln(m/m2 - 1) - 1];                                     (2.94)

М = 0,2Карх + 0,6тгав + 0,4тган;                            (2.95)

тм = б/тв/б/м-                                           (2.96)

Здесь Ммуфт, тв, тя, Мшт, М, тм - вспомогательные коэффициенты, используемые при расчете нагрузок на головку балансира станка-качалки; (/та, dM - соответственно внутренний диаметр НКТ и наружный диаметр штанговой муфты.

Условия использования одноступенчатой колонны следующие.

1.   Обеспечение движения штанг вниз без зависания:

Gm > G^ г + G^ H + G^ пл,                                      (2.97)

причем Gm, G^p г, Gjyj н и G^ пл предварительно рассчитывают по соответствующим формулам.

2.   Обеспечение усталостной прочности

°прг й ^пр],                                                 (2-98)

причем апр определяют по формуле М.П. Марковца, а [<тпр] выбирают из табл. 2.7.

Если вследствие больших сил трения оказывается невозможным обеспечить нормальный ход вниз, то следует проверить условие (2.97) для штанг большего диаметра. Если же не выполняется условие обеспечения прочности, то рассчитывают равнопрочную

двухступенчатую колонну штанг,  задаваясь диаметрами штанг каждой из ступеней.

Затем длину  первой  от  плунжера  ступени  определяют  по следующей зависимости

г      f*Mj   +gMP)A -0,6(g. +G0)Af0           (

здесь fmi, qmi, G^ rj - характеристики штанг г-й ступени соответственно: площадь поперечного сечения штанг, вес 1 м штанг, сила гидродинамического трения штанги на длине 1 м; А/ш

=   /ш(г+1)   ~   fmi,    Стр   Ti   =    2n2VxpxSn(Mmi   +   MMj)|    Vm,    рж   -

соответственно кинематическая вязкость и плотность жидкости.

Длина утяжеленных штанг /тш, используемых для предотвращения предельного изгиба нижней части штанговой колонны,

/тш = GTm/qTm,                                  (2.100)

где GT ш = Gkjj н + Gtp пл; q'T ш - вес 1 м утяжеленных штанг в жидкости, в качестве которых можно применять штанги диаметром 25 мм.

Длина второй ступени

/2 = £н-/1-^ш.                             (2.101)

Полученную конструкцию проверяют по условиям (2.87) и (2.88). Если они не выполняются, то рассчитывают двухступенчатую колонну из штанг большего диаметра.

Из штанг серийно выпускаемых типоразмеров могут быть скомпонованы две конструкции трехступенчатой колонны 16x19x22 и 19x22x25 мм.

Длины ступеней трехступенчатой колонны рассчитывают по следующим формулам без учета гидродинамического трения штанг:

<?0з

;

 102)

/02 9 01  <102   +/01 <102    +^02 А/0 9 01

12 = (А/ш <7ш1 /i + ^1)/(/ш2 <7ш2>;                     (2.103)

/3 = LH - (/i + /2),                               (2.104)

где

 (2.105)

Ах = 0,6(Gm + ртш)Л/ш/М;                     (2.106)

А2 = 0,6(Gm + ртш)(/ш3 - /mi)/M.                 (2.107)

Если достаточная усталостная прочность не обеспечивается ни одной из конструкций колонны из штанг данной марки, то необходимо расчеты повторить для штанг с более высоким пределом усталостной прочности.

Описанную методику целесообразно использовать для условий эксплуатации нормальных скважин, а также скважин с продукцией повышенной вязкости.

После   выбора   конструкции   штанговой   колонны  уточняют потери хода плунжера от упругих деформаций штанг Х^ и труб ?Цр, длину хода полированного штока S и число качаний п, а также   экстремальные   нагрузки   в   точке   подвеса   штанг   по соответствующим формулам.

В заключение рассчитывают коэффициент подачи насосной установки по формуле

а = Он ОрГ ах.                           (2.108)

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ОБРЫВОВ ПО ДЛИНЕ КОЛОННЫ ШТАНГ

 

Исследованиями,          выполненными          в            НГДУ

«Бугурусланнефть», установлено, что распределение обрывов по длине колонны штанг не подчиняется закономерностям, по которым наибольшая аварийность приходится на верхнюю часть колонны для насосов с диаметрами 32 и 43 мм. Для насосов среднего диаметра распределение обрывов по колонне распределяется равномерно.

Установлено, что в ЦДНГ-1 93 % обрывов штанг диаметром 19 мм и 48 % - диаметром 22 мм происходит в нижней третьей части колонны. На установках ШСНУ ЦДНГ-4 НГДУ «Бугу­русланнефть» эти данные выглядят так: в нижней третьей части происходит 63 % обрывов штанг диаметром 19 мм. Расчеты показывают, что на колонну штанг в ЦДНГ-1 действует среднее приведенное напряжение, равное 45 МПа, а в ЦДНГ-4 - 35 МПа, что значительно ниже допустимых значений для сталей, из которых изготовлены штанги.

Следовательно, в условиях НГДУ «Бугурусланнефть» в нижней части колонны действуют разрушающие силы, которыми являются силы, сосредоточенные у плунжера, направленные против движения штанг при ходе их вниз и вызывающие сжатие нижней части штанговой колонны.

Известно, что штанги переносят растягивающие нагрузки лучше, чем сжимающие. При движении вниз колонна встречает сопротивление жидкости в цилиндре, трение плунжера о цилиндр и штанг о жидкость. Возможно возникновение ударных нагрузок при различных скоростях движения колонны и жидкости.

Перечисленные факторы ведут к интенсивному сжатию и возникновению продольного изгиба штанг, которые вызывают резкое повышение напряжений, вызывающих обрыв.

Суммарная сила, вызывающая продольный изгиб штанг, Gj,3r определяется по формуле [43, 45 и др.]

 

G» =oazp./,6+»>I.-/jH^L)^iLJ,    (2.15)

где L - глубина спуска колонны штанг, м; рж - плотность жидкости, кг/м3; f^ - площадь поперечного сечения штанг, см2; пк - число нагнетательных клапанов; FnjI - площадь сечения плунжера, см2; /о - площадь сечения седла клапана, см2; (д, - кинематическая вязкость жидкости, м2/с; d - диаметр плунжера, см; do - диаметр отверстия в седле клапана, см.

Выполненные по ряду скважин НГДУ «Бугурусланнефть» расчеты показали, что сила, вызывающая продольный изгиб, достигает значений, превышающих допустимую. Это обстоятельство подтверждает полученные данные о распределении обрывов штанг по длине колонны.

Приведенный анализ позволил установить:

1) на некоторых скважинах наземное и подземное оборудование по своим характеристикам не соответствует его добывным возможностям;

2) не    всегда    режим    работы    оборудования    является

 

оптимальным для системы пласт - насос;

 

3)        продольный    изгиб    колонны    следует   устранять   или
уменьшать  с  помощью  тяжелого  низа  или  других  известных
технических средств.

Промысловые исследования и теоретические расчеты, выполненные на объектах НГДУ «Бугурусланнефть», позволили наметить план конкретных мероприятий, реализация которого в последующем позволила улучшить технико-экономические показатели работы фонда скважин, эксплуатируемых ШСНУ.