Обоснование и расчёт параметров насос-пульсаторных систем для волнового воздействия на нефтепродуктивный пласт Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622.235 А.В. Савченко

ИГД СО РАН, Новосибирск

ОБОСНОВАНИЕ И РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ НАСОС-ПУЛЬСАТОРНЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ВОЛНОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА НЕФТЕПРОДУКТИВНЫЙ ПЛАСТ

Массовое применение на нефтепромыслах скважинных погружных штанговых насосов создаёт широкую базу для внедрения насос-пульсаторов имеющих технологическую и техническую совместимость.

Повышенные динамические нагрузки, которые испытывают привод и конструкция насос-пульсаторных устройств по сравнению со стандартным насосом, требуют провести оценку дополнительной нагрузки и прочностных характеристик стандартных узлов, для избежания выхода их из строя и разрушения отдельных частей системы.

Расчёт нагрузок на штанги представляет собой определение максимальных и минимальных нагрузок в точке подвеса штанг с учётом всех действующих сил.

При ходе вверх статические нагрузки в точке подвеса штанг складываются из веса штанг Рши веса столба жидкости Рж. В момент возникновения ускорения, к ним добавляется сила инерции Pi, направленная вниз, и сила трения Ртр, также направленная вниз. Таким образом, максимальная нагрузка, возникающая в точке подвеса штанг при ходе вверх, будет равна:

Р = Р + Р + Р + Р

1 max 1 ш 1 ж 1 i 1 mf

Для гидроударной установки добавляется слагаемое Рраз за счёт создания разряжённой зоны в камере и максимальная нагрузка, возникающая в точке подвеса штанг будет выглядеть следующим образом:

Р = Р + Р + Р + Р + Р

1 max 1 ш 1 1 ж 1 1 i 1 1 тр 1 1 раз•

При ходе вниз гидростатическое давление над и под плунжером равны, так как нагнетательный клапан открыт. Силы инерции и трения направлены вверх, т. е. в сторону, противоположную направления движению. Поэтому нагрузка при ходе вниз будет минимальной

Р = Р - Р - Р

1 min 1 ш 1 i 1 тр•

СильР- + Ртр составляют малую долю от Рш+ Рж. Обычно они не превышают 5-10 %[1]. Поэтому их влияние на ход плунжера невелико.

Для расчёта используем следующие данные реальных установок используемых на нефтепромысле. Внутренний диаметр цилиндра насоса гидроударной установки равен44 мм, глубина спуска устройства 1 500 м, высота динамического уровня 500 м,ход плунжера S = 3 м, число ходов

3 3

плунжера n = 5.Плотность воды рв = 1 000 кг/м и нефти рн = 855 кг/м ,

-5

плотность материала штанг рт= 7 850 кг/м ,модуль упругости материала штанг Е = 2,1 х 105 МПа.

Разница веса жидкости для насоса и гидроударной установки состоит в том, что в насосной установки высота столба жидкости берётся равной от динамического уровня до устья (выкидной линии скважины), а в гидроударной установки составляет от плунжера (глубины спуска

устройства) до выкидной линии, это связано с тем, что в гидроударной установки жидкость с не оказывает давление на плунжер с низу. Следовательно, вес жидкости для насоса и для гидроударной установки будет равен.

Рж.отк ~ ^пл У'шт ^ дРё Рб _э

Р іо? + ій'

А ж.гу ^ пл У шт ~± жНЬ 1 А 6

где Рт — площадь плунжера, /шт — средняя площадь штанг, Нд- высота

столба жидкости от динамического уровня до устья скважины для насосных систем, Нж— высота столба жидкости от плунжера до устья скважины для гидроударных систем, Рб— буферное давление (давление в линии). При расчете давление в линии не учитываем.

Для данной глубины спуска устройства применяется двухступенчатая колонна штанг. Штанги для двухступенчатой колонны составлены в процентном соотношении 022—30 %, 019—70 %, соответственно средняя

л

площадь штанг /шт = 0,0003509735 м ,следовательноРш = 34,3 кН. По выше приведённым формулам получим вес жидкости для насоса Рж,отк = 4,8кН, и для гидроударной установки Рж,гу = 9,6 кН.

По исследованиям А.Н. Адонина[2] граница между статическим и динамическим режимами находится в интервале значений динамического коэффициента, характеризующего режим откачки жидкости ¡л = соЬ/а = 0,3 -т-0,4. со = 71 х п/30 - угловая скорость кривошипа, рад/с, где п - число ходов плунжера, кач./мин, Ь - длина ступеней, м, а - скорость звука в штангах, м/с.

В нашем случае со = 0,52 рад/с, ц = 0,106< 0,3 следовательно для наших условий следует применять статическую теорию расчёта.

При статическом режиме работы насосной установки максимальную нагрузку с достаточной для практики точностью можно подсчитать по формуле И.М. Муравьёва[2]:

Ртах =Рж +Рш * $ + Ю>41,9кН,

где Рж — вес столба жидкости над динамическим уровнем (плунжером, высотой Нд,) с учётом буферного давления Рб, Рш — вес штанг в воздухе, Ь — коэффициент облегчения штанг в жидкости, т - фактор динамичности.

ь = 1_^0,89, т - —— =0,052,

Рш 1400

где^ — длина хода точки подвеса штанг, п— число качаний в минуту. Минимальная нагрузка будет при начале хода штанг вниз, когда вес жидкости не действует на штанги, а динамический фактор вычитается: ртіп =Рш*4-тУ 28,7 кН .

При больших глубинах спуска устройства и высокой частоте гидроударов, т.е. когда ц>0,3 необходимо применять динамическую теорию расчёта штанг, учитывающую силы инерции, трения и вибрации по формуле В.П. Грабовича [2]:

р = р + р' + р +р +р = 54 З Ш

А тах А ж ги 1 А тр 1 А раз 1 А и ’ Л'А ^ ?

где Рж - вес жидкости, Р’ш- вес штанг в жидкости, Ртр - сила трения, возникающая в результате взаимодействия колонны штанг и насоснокомпрессорных труб, Рраз - вибрационная нагрузка, Ри - инерционная нагрузка. Силы инерции по данным исследований можно принять Ри =1,5 кН.

Р^=Л*Рш=Ъ0,5Ш.

А = 4>ш - Рж 7рш = °>89 > ртР = о,озр;и = 914,6 н

рвиб = РжМ^/Хсобц-\ = 11,8кН, Я =

Е

1

1

= 0,17 м

V ^ ш )"т J

где А - коэффициент плавучести штанг;Х - деформация штанг и труб/ -площадь поперечного сечения по телу подъёмных труб, м2.

Погрешность расчёта максимальной нагрузки по перечисленным формулам не превышает 10-20 % от фактической.

Минимальную нагрузку определим по формуле К. Миллса:

?л2

= РШ( 1---------;=25,9кН.

1790

Р„

Рис.1

Точки, показывающие максимум, минимум и амплитуду нагрузок, отмечены на рис. 1 Ртах, Ртт, Ра.

Для расчёта прочности колонны штанг суммарная нагрузка в точке подвеса определяется как сумма веса штанг и нагрузки на плунжер от веса скважинной жидкости <тш =РпшхЦш ■ По статической теории расчёта аш = 119 МПа, по динамической теории расчёта ощ= 154 МПа.

Согласно ГОСТ пределы прочности при растяжении штанг, подвергнутых поверхностному упрочнению нагревом ТВЧ, составляют: для сталей марки 40; 30ХМА - 900 МПа; для сталей марки В.К. - 1 500 МПа.Таким образом, выбранные штанги диаметром 22 мм будут работать с запасом прочности 3-5 , что вполне допустимо.

Расчёт аварийной нагрузки для насосно-компрессорных труб для насоса определяется по формуле: р =р +р ■ пг.ае т ж •>

Для гидроударного устройства добавляется ещё одно слагаемое давление гидроудара Ргу, которое также действует на трубы. Аварийная нагрузка на НКТ для гидроударного устройства имеет вид:

р =р +р +р

т.ав т ж гу :

где Рт - вес труб, Рж - вес жидкости, Ргу - давление гидроудара.

Вес трубРт приложен в точке подвеса и обусловлен массой собственно труб и муфт (массой цилиндра насоса пренебрегаем),с учётом облегчения в жидкости равен:

1

Рж

= 88,1 кН,

V Рт ;

где Lmi и Lm2 - длина колонны насосно-компрессорных труб соответственно выше и ниже динамического уровня, qm - масса 1 м насоснокомпрессорных труб с учётом муфт в воздухе, g - ускорение свободного падения.

Вес колонны насосно-компрессорных труб частично погружённых в жидкость равен для насоса 97,7 кН и для гидроударнрго устройства 176,4 кН, и соответственно от.отк. = 57,5 МПа,<7тг>, = 103,76 МПа.

Согласно ГОСТ 633-80 пределы прочности при растяжении насоснокомпрессорных труб, подвергнутых поверхностному упрочнению нагревом ТВЧ составляют для сталей группы прочности Д - 638 МПа.Таким образом, выбранные насосно-компрессорные трубы штанги диаметром 73 мм будут работать с запасом прочности 6 , что вполне допустимо.

Элементарные расчёты силы сопротивления за счёт создания зоны разряженияпоказали, что давление жидкости в скважине p0 = 4,18 МПа, полезная длинна хода плунжера (с учётом деформаций труб и штанг) Sm = 2,84 м, давление в камере, когда плунжер находится в верхней точке с учётом длины полезного хода плунжера. 0,27 МПа, сила сопротивления за счёт создания зоны разряженияF = 217,79 Н, является незначительной по сравнению с весом жидкости и штанг.

Произведённые расчёты показывают отличие нагрузок стандартного насоса и гидроударной установки. Следовательно, имеет смысл стремиться к получению динамограммы работы насос-пульсатора близкой к насосной установки, путём изменения конструкции и использования различных физических процессов.

Автор выражает благодарность Е.Н. Чередникову за консультативную помощь.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Щуров В.И. Технология и техника добычи нефти: учеб. для вузов / В.И. Щуров. - М.: Недра, 1983.

2. Добыча нефти штанговыми насосами / А.К. Мухаметзянов и др. - М.: Недра,

1993.

© А.В. Савченко, 2007