Домашнее задание № 1.

Подбор штанговых насосных установок для добычи нефти

В качестве основы для подбора скважинных штанговых насосных установок использована 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.

Основные положения этой 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 _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 *F_нас * S * n для насосов обычного исполнения и

Q_ид = 1440 *(F_нас.1 - F_нас.2 ) * S * n для насосов типа ННД и ННГ, где F_нас.1 и F_нас.2 – площади 1-ой и 2-ой ступеней насоса), принимая, что среднее число качаний n= 6,0 в мин., средняя длина хода S = 2,5 м, коэффициент подачи нового или отремонтированного насоса  = 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 n * S.

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

Р_мах = Р_шт + Р_ж + Р_виб + Р_ин + Р_ж.тр. + Р_мех.тр. (1.1)

Р_мин = Р_шт - (Р_виб + Р_ин ) - Р_мех.тр. -Р_ж.тр. , (1.2)

где: - Р_шт =  (q_i L_i g K_арх ); где q_i - масса 1-го метра штанг; L_i - длина ступени штанг; i = 1 и 2; - K_арх = 1 - _ж/_ст - коэффициент Архимеда; L₂ = L_подв(1-K_нас) ;

L₁ = L_подв (K_нас); K_нас - коэффициент, равный диаметру рассматриваемого насоса в мм, деленный на 100.

Р_ж = (_ж * H_дин g + P_буф ) F_нас (для насосов обычного исполнения)

Р_ж = (_ж * H_дин g + P_буф ) (F_нас1 - F_нас2) – для насосов исполнения ННД и ННГ.

Где: H_дин - динамический уровень; P_буф - буферное давление; F_нас – эффективные площади плунжеров рассматриваемого насоса.

Р_виб =  m_  ( a  - /S) P_шт P_ж (1.3)

где -  и а – кинематические коэффициенты станка-качалки,

m_ = S/g; =2n/60, где n-частота ходов в минуту;

 =  _шт/ ( _шт +  _тр);

 _шт = Р_ж L _подв / E (K_нас / f₁ + (1-K_нас) / f₂ );

где:

f₁ - площадь поперечного сечения нижней ступени колонны штанг; f₂ - площадь поперечного сечения верхней ступени колонны штанг; суперход плунжера для современных условий работы ШСНУ практически равен нулю.

 _тр = Р_ж L _подв / E f_тр ;

f_тр - площадь поперечного сечения материала колонны НКТ.

Р_ин = 0,5 m² _ ( a_ - 2/S) P_шт (1.4)

Р_ж.тр. = 0.685 ² L_подв. _ж S n; (1.5)

Р_ж.тр. = 5,472* [1.2* L_подв. + 10.3*(L_подв. / 8)] _ж S n; (1.6)

где L_подв. - длина подвески насоса, м; _ж - вязкость откачиваемой жидкости; S - длина хода, м; n - частота ходов, 1/мин.

Р_мех.тр. = Р_тр.пл. + Р_тр.шт. (1.7)

где: Р_тр.пл. - механическое трение плунжера о цилиндр,

Р_{тр.шт.} =  {0.25 sin( _{мах i} )* (Р_{шт i} + Р_ж )}; (1.8)

Р_{тр.шт.} =  {0.25 sin( _{мах i} )* (Р_{шт i} )}; (1.9)

где: _{мах i} - телесный угол искривления ствола скважины на i-том 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.

(Р_тр.шт.=f _тр* N_i * sin _i ; _i = ² +4*² ); (1.10)

где - зенитный угол, - азимутальный угол;

_i =_i+1 - _i ; _i =_i+1 -_i

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.

L = (Р_кл + Р_тр.пл. + Р_ж.тр. + Р_{тр.шт.} ) / К_Арх. q g; (1.11)

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

Р_тяж1 = L₈ К_Арх. q g; (1.12)

где: q - масса погонного метра выбранных штанг, кг;

L₈ - длина «тяжелого» низа, округленная до длины, кратной «8»-и метрам.

K_арх = 1 - _ж/_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 пр = 0,7 [пр] в верхнем сечении этой секции.

_пр = _мах _а (1.13)

где _мах - максимальное напряжение; _а - амплитудное напряжение.

_мах = Р_{мах i} / f_i

_а = (Р_{мах i} - Р_{мin i} ) / f_i

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

Р_{мах i} = Р_{тяж 1} +Р_{шт i} +Р_ж + Р_{виб i} + Р_{ин i} + Р_{ж.тр. i} + Р_тр.пл. + Р_{тр.шт. i} (1.14)

Р_{мин i} = Р_{т яж1} +Р_{шт i} - (Р_{виб i} + Р_{ин i} ) - Р_тр.пл. + Р_{тр.шт. i} -Р_{ж.тр. i} , (1.15)

f_i - площадь поперечного сечения “i-ой” cтупени штанг.

0,7 [_пр ] = (Р_{мах i} / f_i ) [(Р_{мах i} - Р_{мin i} ) / f_i]; (1.16)

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 (2.16 ) i = 2, а вес

Р_{тяж 2} = Р_{тяж 1} + Р_{шт 1}.

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 п.п.8-12 проводятся для штанг с определенным [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, например – по рекомендациям Американского нефтяного института) с повышенным значением [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 1град./10 м и/или зенитный угол более 12град.; 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) – см. работу № 3 настоящего методического пособия.