Методика розрахунку насосних штанг

 

У більшості випадків колону насосних штанг розраховують на розрив. При цьому головним завданням є необхідність визначення величини максимального зусилля розриву у верхній точці колони, де й спостерігаються його максимальні значення.

Характер навантаження колони штанг складний. Деякі складові діючих сил можуть бути випадковими. Зусилля в точці підвісу штанг при ході нагору визначаються власною вагою штанг, вагою рідини, що знаходиться над плунжером свердловинного насоса, силами тертя, інерційними і динамічними складовими. При ході штанг униз зусилля від ваги рідини відсутнє, а напрямок сил тертя змінюється. Крім того, під час руху колони штанг можуть виникати додаткові зусилля внаслідок заклинювання плунжера в циліндрі свердловинного насоса, а також інші сили, поява яких викликана взаємодією колон штанг і труб.

Характер навантаження в нижній частині колони інший – в міру збільшення відстані від точки підвісу частка власної ваги колони в загальному балансі діючого зусилля зменшується й у плунжера стає рівною нулю. При ході плунжера вниз зусилля тертя плунжера об циліндр та зусилля, що зумовлені гідравлічними опорами клапанів, приводять до появи сил, що стискають колону штанг. Таким чином, у нижній частині колони діють знакозмінні напруги.

Розрахунок колони штанг зводиться до визначення величини і характеру зміни навантаження на них, вибору розрахункової формули, що відповідає дійсним умовам роботи штанг і визначенню припустимих напруг, що забезпечують досить надійну роботу колони штанг.

Для визначення максимального і мінімального навантажень, що діють на колону насосних штанг, найбільш часто застосовуються формули А.С. Вириновського для розрахунку колони штанг при використанні балансирного привода, що мають вид

(1.8.2), (1.8.3).

де , – вага колони штанг у рідині й у повітрі, – вага стовпа рідини висотою від динамічного рівня до устя і площею, рівною площі поперечного перерізу плунжера; – кутова швидкість обертання кривошипа; – довжина ходу гирлового штока; – частота хитань балансира за хвилину; – прискорення сили вільного падіння; – подовження колони штанг від ваги стовпа рідини, ; – довжина колони штанг; – коефіцієнт, що залежить від співвідношення поперечних перерізів колон штанг і труб; , – кінематичні коефіцієнти верстата-качалки, , – поправкові коефіцієнти до динамічного навантаження відповідно для ходу нагору і вниз.

Існує також спрощений варіант визначення величини максимального розривного зусилля в колоні насосних штанг за формулою

, (1.8.4)

де – площа плунжера; – густина флюїду; – середня вага насосних штанг; – коефіцієнт втрати ваги штанг у рідині, який зазвичай приймається в межах = ; – фактор динамічності

Після визначення максимального зусилля визначають максимальну напругу в колоні насосних штанг, попередньо прийнявши той чи інший типорозмір штанг та перевіряють колону на міцність

, МПа, (1.8.5)

де – площа поперечного перерізу тіла насосних штанг, м².

 

Обтяжений низ колони штанг

 

При експлуатації свердловини СШНУ в низці випадків виникає необхідність встановлення обтяженого низу колони насосних штанг і визначення його ваги. Це пояснюється тим, що при опусканні колони вниз їй протидіють наступні сили: різниця гідравлічних сил, що діють на плунжері знизу й зверху; гідравлічні опори при русі рідини через нагнітальні клапани; сили тертя штанг об труби та рідину; інерційні сили. Така ситуація призводить до того, що при русі колони вниз плунжер не встигає повністю пройти шлях до нижньої мертвої точки, а самі штанги хвилеподібно складаються, що негативно впливає на гідравлічний ККД штангової свердловинної установки.

Сумарна сила, , Н, що викликає поздовжній вигин штанг при ході вниз, визначається з виразу

, (1.8.5)

де – різниця гідравлічних сил, що діють на плунжер знизу і згори;

– гідравлічні опори в нагнітальних клапанах, що визначаються з виразу:

; (1.8.6)

де – число нагнітальних клапанів на плунжері;

– площа перерізу плунжера в см ²;

– площа отвору в сідлі клапана в см ²;

– втрата напору в одному клапані, Па, яка обчислюється за формулою

; (1.8.7)

де – діаметр отвору в сідлі клапана в однаковій з розмірності;

– коефіцієнт витрати, що знаходять за графіком на рисунку 1.8.3.

Зусилля вигину, Па, визначається за формулою

, (1.8.8)

де і – діаметри насосних труб і насосних штанг;

– момент опору штанг.

Рисунок 1.8.3 – Графік для визначення коефіцієнта витрати для різних клапанів штангових насосів:

1 – клапани заводу ім. Дзержинського, 2 – клапани нормального виконання відкритого типу, 3 – те ж, закриті типи

 

Якщо вийде більшою за припустиму (40 МПа), то варто застосувати обтяжений низ.

Необхідна вага обтяженого низу, Н, буде визначатись

, (1.8.9)

 

де , Н, визначається з формули для :

. (1.8.10)

Довжина обтяженого низу, м, буде

. (1.8.11)

де – вага 1 м насосних штанг, прийнятих у якості обтяженого низу, в Н.

Обтяжений низ колони насосних штанг варто застосовувати також при незначних заклинюваннях плунжера насоса піском. Необхідна вага обтяженого низу в цих випадках визначається опитним шляхом і не перевищує 3600 Н.

Після підбору обтяженого низу колони насосних штанг треба перевірити його на можливість спуску в насосні труби прийнятого діаметра. В зв'язку з цим іноді доводиться збільшувати діаметр насосних труб.