Методика расчета и подбора 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 [7, 18, 19, 20].

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, шданный 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 р 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_нac S· п для насо­сов обычного исполнения и Q_ид = 1440 η {F_нас.1 — F_нас.2) • S· n для насосов типа ННД и ННГ,где F_нас.1 и F_нас.2 — 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:

 

 

 

где Р _шт = Σ (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 – ρ _ж/ ρ _ст — коэффициент Архимеда; L ₂ = L _подв(1 – K _нас); L ₁ = L _подв(K _нас); K _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 _буф — буферное давление; F _нас— эффек­тив­ные площади плунжеров рассматриваемого насоса.

(7.83)

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.

(7.85)

(7.86)

(7.87)

где L _подв — длина подвески насоса, м; μ _ж — вязкость откачиваемой жидкости; S — длина хода, м; п — частота ходов, мин^-1.

(7.88)

где Р _тр.пл — механическое трение плунжера о цилиндр,

(7.89)

(7.90)

где γ_{мах i} — 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. [21]:

(7.91)

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.

(7.92)

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

(7.93)

где q — масса погонного метра выбранных штанг, кг; L₈ — длина «тяжелого» низа, округленная до длины, кратной 8-и метрам; K _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.

(7.94)

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.:

(7.95)

(7.96)

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

(7.97)

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 7,143 i = 2, а вес Р_тяж2 = Р_тяж1 + 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, 15НЗМА 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 при месей 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 [7, 13, 18].

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 по форму­лам, приведенным в главе I, причем коэффициент наполнения насосов был принят равным 0,85.

Диаграмма рис. 7.72 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 выб ран 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.

Рис. 7.72. Диаграмма для выбора насосного оборудования и режима откачки (станки-качалки по ГОСТ 5866-66)

Шифр станка-качалки и максимальное число качаний соответственно: I — lCK-1-0,6-100 и 15; П — 2СК-1,25-0,9-260и 15; III — ЗСК-2-1,05-400 и 15; IV — 4СК-2-1,08-700; V — 5СК-4-2,1-1600 и 14; VI — 6СК-4-3-2500 и 12; VII — 7СК-8-3,5-4000 и 11; VIII — 7СК-8-3,5-6000 и 13; IX — 7СК-12-2,5-6000 и 13; X — 9СК-15-6-12000 и 8.

 

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 [13] и ТатНИПИнефти [17].

Номограмма Я.А. Грузинова приведена на рис. 7.73. На оси абсцисс отложены глубины спуска насоса, а на оси ординат — значения приведенных напряжений. Номограмма состоит из трех систем точек.

 

Рис. 7.73. Номограмма Я.А. Грузинова

 

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 S и 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 точкеподвеса штанг, пользуясь данными, приведенными ниже.

Глубина спуска насоса, м........................1000

Диаметр насоса, мм......................................44

Число ходов плунжера в минуту.................12

Длина хода устьевого штока, м................. 1,8

Диаметр ступеней колонны, мм:

нижней.....................................................19

верхней.....................................................22

Длина ступеней колонны, м:

нижней...................................................700

верхней...................................................300

Решение. Соединяем прямыми линиями начальную точку оси абсцисс О (см. рис. 7.73) с точкой 19 системы 7, находящейся на пунктирной линии D-44, и точку 2500 с точкой (12; 1,8) системы П. От точки 1000 на оси абсцисс проводим вертикаль вверх до пере­сечения с линией О-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 D проводим 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.