Усовершенствование методов расчета штангового привода винтовой насосной установки

Усовершенствование методов расчета штангового привода винтовой насосной установки Ишанбаев Б.М

Ишанбаев Бекзат Мамайулы / Ishanbayev Bekzat Mamaiuly - студент, кафедра нефтегазового машиностроения, факультет нефти и газа,

Каспийский государственный университет технологий и инжиниринга имени Ш. Есенова, Казахстан, г. Актау

Аннотация: колонна штанг в винтовых насосных установках с поверхностным приводом часто рвутся из-за перегрузок и заклинивания винта в обойме насоса. Исходя из этого, вопрос надёжности штанговой колонны является основной нерешенной задачей при эксплуатации винтовых насосных установок с поверхностным приводом.

Ключевые слова: винтовой насос, колонна штанг, поверхностный привод, математическая модель.

Эксплуатация винтовых насосных установок с поверхностным приводом разных производителей, показала, что их наиболее уязвимым узлом является колонна штанг, которая рвется от скручивающих нагрузок, возникающих в штангах при потере устойчивости колонны. По своим параметрам и характеристикам штанговая колонна при работе нагружается схожа с условиями работы растянутой части колонны труб при роторном бурении, и при изложении дальнейших вычислений и выводов целесообразно будет исходить из этого условия. При эксплуатации УНВП штанговая колонна нагружается крутящим моментом при вращении и скручивается в спираль. Такое представление о пространственном изгибе штанговой колонны положено в основу при выводе зависимостей для определения сил взаимодействия штанг со стенками НКТ. Если штанговая колонна вращается вокруг собственной оси, то силы взаимодействия штанг со стенками НКТ не будут зависеть от центробежных сил.

В настоящее время в открытой печати отсутствуют расчётные методики выбора и расчёта винтовых насосных установок с поверхностным приводом. Вопросы штанговой колонны освещены не в должном объёме. Существующие зарубежные программы по выбору винтовых насосных установок защищены (WinPetro (Kudu, PCM), WinPump (Imo AB) и др.) и в открытом виде не представлены. Поэтому возникает необходимость рассмотрения вопросов, касающихся штанговой колонны и написание математической модели «винтовой насос - колонна штанг - колонна НКТ» и программ для выбора, расчёта и проверки колонны штанг.

Рассмотрим процесс передачи механической энергии при работе штанговой колонны винтовой насосной установки с поверхностным приводом, которая связана с передачей вращения от поверхностного привода к рабочему органу, представляющему собой винт насоса. Модель представлена на рисунке 1, в которой к штанговой колонне прикладывается вращающий момент электропривода, затрачиваемый на преодоление сил сопротивления, возникающих при взаимодействии штанговой колонны со стенками насосно-компрессорных труб.

и J * fT

( /

\ N

\ \\ Л\ z

\\ ^у^УЧх J.

Рис. 1. Механическая модель системы «винтовой насос - колонна штанг - колонна НКТ» 1-винтовой насос; 2- колонна штанг; 3 - привод; 4 - колонна НКТ

В рассматриваемой модели были сделаны следующие допущения:

1. Штанговая колонна однородный стержень длиной L = I1 + 12 + I з, где Iг - длина вертикального участка; 12 - длина искривленного участка; Iз - длина наклонного участка.

2. Верхнее сечение штанговой колонны вращается приводом с постоянной угловой скоростью ш.

Состояние любого сечения колонны штанг может определяться его пространственным положением с

координатой х, временной переменной t и при данном радиусе трения, скоростью углового перемещения

дер

этого сечения ш = —, где р - угол закручивания колонны штанг.

Поведение колонны штанг подобных механических моделей обычно описывают неоднородным дифференциальным уравнением в частных производных [1]

d2ip 7 d2ip _ dip dt2 дх2 dt'

где v - приведенный коэффициент вязкого трения;

2 GIV

а =

G -модуль сдвига материала штанг; - полярный момент инерции поперечного сечения штанг;

I -момент инерции массы колонны штанг относительно оси симметрии, приведенный к единице длины.

Но вращение спирально изогнутой колонны наиболее правильно будет описать следующей системой уравнений [2].

(Р д2у_(Мп-'£М )дх

, тУ~~дг*~ Ш дх

* д2х Р _(Мп-^М)ду

Чдг2 - ШХ = Ш д.

где P -осевая нагрузка в сечений штанг;

Е - модуль упругости материала штанг;

- момент, передаваемый штанговой колонне поверхностным приводом; - суммарный момент сопротивлений в системе «Винтовой насос - колонна штанг - колонна НКТ».

В системе «Винтовой насос - колонна штанг - колонна НКТ» возникают следующие сопротивления [3]:

^ М = М г + М 2 + М з + М 4 + М 5

где - крутящий момент, затрачиваемый на трение ротора в статоре винтового насоса;

М2 - момент, затрачиваемый на подъём скважинной жидкости;

Мз - гидравлический момент сопротивлению вращению штанг в скважинной жидкости;

М4 - момент сил сопротивления вращению штанг на участке набора зенитного угла;

М5 -момент сил сопротивления вращению штанг на наклонном интервале скважины.

Анализ многочисленных обрывов и осмотр новых штанг показал, что причинами аварий часто являются заводские дефекты изготовления. На заводах-изготовителях отсутствует контроль штанг на заключительных операциях изготовления и на промыслы поступают штанги с дефектами. Дефекты выплавки и проката, волосовины, пористость, продольные трещины, отслаивание металла, ликвация, неправильная геометрическая форма поперечного сечения прутка часто встречаются как в зоне головки, так и на теле штанги.

В материале штанг возникают явления усталости, заключающиеся в том, что в силу анизотропности металла в отдельных сечениях штанг с неблагоприятно расположенными зёрнами возникают местные напряжения, превосходящие предел упругости и даже временное сопротивление металла. Это приводит к образованию местных пластических деформаций, внутренних микротрещин в металле, которые, становясь очагами концентрации напряжений, распространяются дальше, пока не наступит внезапный излом металла от перегрузки оставшегося «целым» живого сечения штанги. Зона усталостного разрушения занимает от 50 до 90 % площади сечения штанги. Это указывает на то, что их изломы происходили при нагрузках в 2-10 раз меньше предельных.

Из анализа работы винтовой насосной установки видно, что вращательная колонна штанг испытывает растягивающие напряжения, обусловленные давлением, создаваемым насосом, веса самой колонны, а так же касательные напряжения, возникающие за счёт крутящего момента.

Для исследования и вывода зависимостей в системе «Винтовой насос-штанговая колонна-колонна НКТ» была разработана программа на языке программирования Delphi.

Зависимости M=f(n) и N=f(n), представленные на рисунке 2 показывают, что зависимость момента и мощности от частоты вращения являются почти прямой. Поскольку условия работы являются тяжелыми,

для оптимального соотношения технических и экономических параметров целесообразно установка электродвигателя, мощность которого превышает требуемую.

200

180

160

140

120

100

12

10

Момент сопративления

вращению колонны

-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-

50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 400

со

6

4

Частота врашения, 1/мин

Рис. 2. Зависимость момента сопротивления и необходимой мощности от частоты вращения колонны штанг

Как видно из рисунка 3, момент сопротивления и необходимая мощность зависят од динамического уровня линейно. Практически динамический уровень влияет только на момент, затрачиваемый на подъем скважинной жидкости и на глубину подвеса винтового насоса.

3,4 3,2 3

190

180

170

% 160

X

150

I

01

% 140

о

1 130

120

110

100

2,8 | 2,6 Ц

о

2'41 2,2 »

2

1,8

50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 400 Частота врашения, 1/мин

Рис. 3. Зависимость момента сопротивления и необходимой мощности от динамического уровня

Заключение

В данной работе рассматривалось разработка программного обеспечения по выбору и расчету штангового привода винтовой насосной установки с поверхностным приводом, основанное на математической модели системы «винтовой насос - колонна штанг - колонна НКТ». Выявлены зависимости системы «винтовой насос - колонна штанг - колонна НКТ» в наклонно направленной скважине от частоты вращения, динамического уровня в скважине, плотности и вязкости скважинной жидкости, давления на устье, диаметра штанг, натяга винта в обойме статора и давления, развиваемого насосом.

Литература

8

2

0

1. АлдонинА.Н. Выбор способа добычи нефти.- М.: Недра, 1971. 105 с.

2. АлександровМ.М. определение сил сопротивления при бурении скважин. - М: Недра, 1965. 74 с.

3. Александров М.М. О формулах для определения затрат мощности на холостое вращение бурильной колонны. - Нефть и газ/Известия высших учебных заведений - 1971. 87 с.