использованием погружного центробежного электронасоса

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

(4.6)

При заякоренном насосе расчет реального хода должен вестись с учетом условия iтр = 0.

Вопрос 4.17. Ремонт, хранение и транспортировка скважинных насосов

Ремонт насосов подразделяется на текущий и капитальный. К текущему, выполняемому в промысловых мастерских, относится смена шарика, седла и клетки клапана, замена плунжера, удлинительного

-166-

патрубка, замковой опоры. К капитальному ремонту относятся все работы, связанные с разборкой цилиндра и требующие применения приспособлений и контрольноизмерительных приборов, они могут выполняться только квалифицированными рабочими

Мастерская, где ремонтируются насосы, должна быть оборудована верстаками с тисками и трубными зажимами, ваннами для мытья деталей насосов, местами для их сушки, стеллажами для хранения насосов, пирамидами для плунжеров, приспособлениями для притирки клапанов и приборами для контроля их герметичности.

В отремонтированном насосе плунжер должен перемещаться без заеданий, плавно, клапаны должны быть герметичными, ловильные приспособления действовать исправно.

Хранят насосы на стеллажах. Все детали насосов должны быть смазанными, а отверстия заглушены пробками. Помещение для хранения должно быть сухим и чистым.

Насосы транспортируют в специальных стеллажах, обитых войлоком. При погрузочно-разгрузочных операциях необходимо применять меры по предотвращению ударов и сотрясений.

Вопрос 4.18. Насосные штанги, конструкция, условия работы

Для передачи возвратно-поступательного движения от привода к плунжеру скважинного насоса используется колонна насосных штанг. Она собирается из отдельных штанг, соединяемых муфтами.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Насосные штанги представляют собой стержень круглого поперечного сечения с высаженными концами, на которых располагается участок квадратного сечения и резьба. Резьба служит для соединения штанг с муфтами, а участок квадратного сечения используется для захвата штанги ключом при свинчивании и развинчивании резьбового соединения (рис. 4.31).

Основными характеристиками насосных штанг являются: диаметр по телу штанги d0 и прочностная характеристика штанги - величина приведенного допускаемого

напряжения []. У нас в стране штанги выпускаются диаметром 16,19,22,25 мм, а

допускаемое напряжение, для наиболее широко распространенных марок сталей, составляет

-167-

70...130 МПа. В небольших количествах выпускаются штанги с допускаемыми напряжениями 150 МПа.

Указанные величины по сравнению с аналогичными прочностными показателями сталей, применяемых в машиностроении, ниже и определяются условиями работы колонны штанг - циклическим нагружением в коррозионно-активной среде, ускоряющей процесс усталостного разрушения штанг.

Выпускаются штанговые муфты: соединительные типа МШ для соединения штанг одного размера и переводные типа МПШ для соединения штанг разного размера.

Муфты каждого типа изготавливаются в исполнении I с «лысками» под ключ и в исполнении II без «лысок».

Муфты каждого типа большей частью изготавливаются из углеродистой стали марок 40 и 45. Предусматривается также изготовление муфты из легированной стали марки 20Н2М для применения в тяжелых условиях эксплуатации.

Для увеличения долговечности штанг, уменьшения воздействия на них коррозионной среды (пластовой жидкости) они подвергаются термической обработке и упрочнению поверхностного слоя металла. Наиболее часто используется следующий вид термообработки: нормализация, закалка объемная, закалка ТВЧ. Поверхностное упрочнение обеспечивается за счет дробеструйной обработки, обкатки роликом. Основная цель поверхностного упрочнения - создание снимающих напряжений в поверхностном слое материала. Кроме того, поверхность штанг покрывают лаками или металлами, стойкими к воздействию окружающей среды.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Для регулирования положения плунжера относительно цилиндра скважинного насоса используют короткие штанги - «метровки» длиной 1000...3000 мм. Длина обычной штанги 8000 мм.

Особенностью штанг является накатка резьбы. Для сборки ступенчатой колонны из штанг различных диаметров используют переводные муфты МПШГ, позволяющие соединять штанги диаметрами 16 и 19, 19 и 22, 22 и 25 мм. Соединительные муфты изготавливают с лысками и без лысок.

В зависимости от условий работы применяют штанги, изготовленные из сталей следующих марок:

-для легких условий работы - из стали 40, нормализованные;

-для средних и среднетяжелых условий работы - из стали 20НМ, нормализованные;

-для тяжелых условий работы - из стали марки 40, нормализованные с последующим поверхностным упрочнением тела штанги по всей длине токами высокой частоты (ТВЧ) и из стали ЗОХМА, нормализованные с последующим высоким отпуском и упрочнением тела штанги по всей длине ТВЧ;

-168-

- для особо тяжелых условий работы - из стали 20НМ, нормализованные с последующим упрочнением штанги ТВЧ.

Колонна штанг — один из наиболее ответственных элементов установки, работающей в наиболее напряженных условиях. Прочность и долговечность штанг, как правило, обусловливает подачу, как всей установки, так и максимальную глубину спуска насоса. Обрыв штанг вызывает простои и необходимость подземного ремонта. Разрушение колонны штанг происходит, как правило, либо при разрыве тела штанги, либо при разрушении резьбовых соединений.

Наиболее часто обрывы штанг происходят вследствие усталости металла, в результате переменных нагрузок, концентраций напряжений, коррозионности среды. Усталостное разрушение штанг обычно начинается с поверхности образованием микротрещины. Поверхность излома имеет характерный вид: она состоит из двух зон - мелкозернистой и крупнозернистой. Усталостное разрушение штанг ускоряется переменными нагрузками, концентрацией напряжений и воздействием коррозионной среды, поэтому выбор допускаемых напряжений для штанг представляет собой важную задачу.

На долговечность резьбовых соединений большое влияние оказывает плотность контакта торцов муфты, ниппеля и насосной штанги. При свинчивании резьбовых соединений муфташтанга должен обеспечиваться контакт между торцами при максимальной нагрузке на штанги.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Необходимо отметить, что наиболее приемлемыми для затяжки резьбовых соединений являются механические ключи с гидро- и электроприводом, позволяющие свинчивать штанги со строго определенным моментом.

Важнейшее условие безаварийной работы колонны штанг - их прямолинейность. Так, при стреле прогиба штанги, равной 0,5(1, растягивающие напряжения увеличиваются в 5 раз. Для искривленных и сильно искривленных скважин применяют шарнирные муфты. Благодаря наличию двух шарниров муфта может изгибаться в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Применение подобных муфт позволяет уменьшить напряжения, возникающие в результате изгиба, а также нормальные силы, обусловленные трением штанг о насос-нокомпрессорные, трубы.

Помимо штанг со сплошным сечением применяют полые штанги для привода скважинного насоса с использованием внутрискважинной депарафинизации, деэмульсации, ингибирования - в этих случаях по внутренней полости штанг подается с поверхности к насосу соответствующий химический реагент. Кроме того их используют для отбора продукции при одновременно-раздельной эксплуатации пластов, а также при необходимости подъема пластовой

-169-

жидкости с повышенной скоростью, например для предотвращения образования песчаных пробок.

Наиболее распространена конструкция полых штанг с приваренной головкой, имеющей накатанную резьбу для соединения штанг муфтами.

В настоящее время разработана конструкция полых штанг с наружным диаметром тела - 42 мм, внутренним - 35 мм. Материалы— сталь 45 или 35. Поверхность штанг обрабатывается ТВЧ и имеет твердость НЕ.С 48. ..53. Головка приваривается к телу штанги.

Одним из важнейших требований к резьбовым соединениям колонны является обеспечение их герметичности.

Применение полых штанг требует применения специального устьевого оборудования: гибких шлангов или коленчатых шарнирных соединений, позволяющих отводить пластовую жидкость из перемещающейся колонны к неподвижному трубопроводу нефтепромыслового коллектора.

Вопрос 4.19. Расчет и конструирование колонны

Во время двойного хода (цикла) нагрузка на штанги переменна, поэтому при расчете штанг на прочность исходят не из максимальных напряжений, определяющих

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

статическую прочность, а из «приведенного» напряжения, учитывающего циклический характер приложения нагрузки:

(4.7)

где - максимальное напряжение цикла;

- средняя амплитуда напряжений, равная полуразности между

максимальным и минимальным напряжением цикла.

Для любого сечения колонны штанг на расстоянии х метров от плунжера насоса величины и определяют через среднее напряжение цикла 8ср из следующих соображений:

, (4.8)

(4.9)

(4.10)

где D - диаметр плунжера в м; d - диаметр штанг в м;

-170-

L- длина колонны штанг в м;

- средний кинематический показатель станка-качалки; mcp1,2;

- плотность материала штанг в кг/м3;

ω — угловая скорость кривошипа станка-качалки в с-1;

S - длина хода головки балансира станка-качалки в м; р - плотность жидкости в кг/м3.

При применении ступенчатой колонны штанг длины ступеней колонн подбирают так, чтобы наибольшие значения приведенных напряжений для верхних сечений ступеней были одинаковы, т.е.

(4.11)

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

где -максимальные напряжения ступеней штанг в МПа;

- средние амплитуды напряжений ступеней штанг в МПа.

Для штанг из углеродистых сталей приведенное напряжение равно 100 МПа, для углеродистых штанг с поверхностью, упрочненной дробеструйным наклепом,-110 МПа, для легированных-120 МПа.

Расчет ступенчатой колонны штанг связан с достаточно сложными и громоздкими вычислениями. Эта задача значительно облегчается применением специальной номограммы, составленной Я.А.Грузиновым (рис. 4.32).

-171-

По оси абсцисс отложены глубины спуска насоса, по оси ординатзначение определяемого приведенного напряжения. Номограмма состоит из трех систем шкал и линий.

-система I представляет собой совокупность сочетаний применяемых диаметров насосов - 28; 32; 38; 44; 56; 70; 95 мм и штанг -16; 19; 22; 25 мм. Наименьшему диаметру штанг соответствует верхняя точка на линии каждого насоса.

-система II в левой части выражает сочетания числа качаний в минуту п = 6; 8; 10;

12; 14; 16; 18 и длины хода, обеспечиваемой приводом, S0 = 0,45; 0,6; 0,9; 1,2; 1,5; 1,8;. 2,4; 3,0.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

- система III - вспомогательная и служит для расчета ступенчатых колонн. Расстояния между линиями этой системы и осью ординат выражают величину

уменьшения приведенного напряжения при переходе от ступени меньшего

диаметра к ступени большего диаметра.

Диаграмма позволяет решать прямую и обратную задачу. Прямая -по заданным значениям диаметров штанг и их длинам определяют приведенное напряжение, т.е. выбирают материал, из которого изготовлены штанги. Обратная - по заданному приведенному напряжению определяют диаметр, длину и число ступеней штанг.

Порядок решения прямой задачи покажем на следующем примере. Определить значение приведенного напряжения sпр в точке подвеса штанг при глубине спуска насоса L = 1000 м,. диаметре плунжера насоса D = 44 мм, числе двойных ходов в минуту n = 12, длине хода полированного штока S0 = 1,8 м. Колонна ступенчатая: l1 = 700 м, d1 = 19 мм; l2 = 300 м, d2 = 22 мм.

Для определения величины напряжений соединяем начальную точку номограммы 0 с точкой 19, находящейся на пунктирной линии 44 системы I, а точку 2500 - с точкой, образованной пересечением линий п = 12 и S0 = 1,8 системы II.

Через точку 1000 на оси абсцисс проводим вертикаль до пересечения с прямой 0- 19 в точке А. Через эту точку проведем прямую, параллельную линии 2500- (12-1,8), до пересечения в точке е с перпендикуляром, восстановленным к оси абсцисс через лежащую на ней точку 300.

Из точки е опускаем вертикаль длиной, равной отрезку е'd'- расстоянию между осью ординат и переводной линией 0- (19-22) системы III.

Через точку D проводим прямую DB, параллельную линии 2500-(12-1,8), до пересечения с осью ординат в точке В.

Ордината D В будет выражать собой приведенное напряжение в точке подвеса штанг для данной колонны, равное 6,3 кгс/мм2.

С помощью номограммы можно просто решить и обратную задачу. Рассмотрим такой пример:

- 172-

= 9 кгс/мм2, диаметр насоса D = 38 мм, глубина спуска L - 1920 м, число ходов в минуту п - 12, длина хода S0 = 1,8.

Назначим диаметр нижней, т. е. первой ступени колонны 19 м и определим ее длину. Для этого соединим точку 0 номограммы с точкой 19, находящейся на пунктирной линии, соответствующей насосу 38 мм, а точку 2500 с точкой 12-2,8 системы II (по аналогии с решением предыдущей задачи).

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Через точку а пересечения линий 0—19 с вертикалью 1920-а проводим прямую, параллельную линии 2500- (12-1, 8), до пересечения ее в точке с горизонталью 9, соответствующей максимальному допустимому значению напряжений. Из этой точки опускаем перпендикуляр сd, равный по высоте отрезку bd" между переводной линией 0- (19-22) и осью ординат. Через точку Л отрезка d снова проводим прямую, параллельную линии 2500- (12-1,8), до пересечения в точке с" с горизонталью 9. Продолжая аналогичное построение до пересечения линий fb с осью ординат, получим число ступеней, равное 3, а длины l1= 1920 - 1100 = 820, l2 = 1100 - 530 = 570, l3= 570.

Таким образом, с достаточной для практики точностью можно быстро проверить, удовлетворяет ли имеющаяся колонна условию прочности - пример I, либо по заданным напряжениям подобрать конструкцию колонны.

Вопрос 4.20. Утяжеленный низ колонны штанг

Анализ обрывов колонны штанг при работе с насосами различных диаметров показал, что их разрушение при работе с насосами малых диаметров происходит в основном в верхней части колонны, а при работе с насосами больших диаметров — в нижней части колонны. В средней части колонны обрывы редки.

Обрывы штанг в верхней части колонны обусловлены усталостными растягивающими напряжениями, величина которых в нижней части мала. Причина обрыва штанг в нижней части у насоса - продольный изгиб штанг, приводящий к увеличению амплитуды напряжений апр. При увеличении диаметра плунжера и числа качаний увеличивается как сила трения плунжера о стенки цилиндра, так и сила, обусловленная гидравлическим сопротивлением при прохождении жидкости через канал в плунжере и нагнетательный клапан. Суммарная сила сопротивления при движении вниз плунжера насоса диаметром 70 ... 120 мм составляет 2,5 ... 3 кН.

Для устранения продольного изгиба нижней части колонны штанг применяют утяжеленный низ (рис. 4.33), собираемый из сплошных штанг большого сечения диаметром 40 мм. Он состоит из секций длиной 4 ... 5 м, весом около 60 кг. Чем больше диаметр насоса, тем большее число секций должен иметь утяжеленный низ. Так, например,

-173-

3-4 секции предотвращают заедание плунжера. Вес низа выбирается таким, чтобы обеспечить работу его верхней штанги в режиме растяжения. В противном случае возможен