ФНГ / РЭНГМ / Реферат по дисциплине: «Современные технологии в РЭНМ» на тему: «Измерение нагрузок на штанги»
(автор - student, добавлено - 28-01-2013, 12:18)
СКАЧАТЬ:
Министерство образования и науки Республики Татарстан Альметьевский государственный нефтяной институт Кафедра автоматизации и информационных технологий Реферат по дисциплине: «Современные технологии в РЭНМ» на тему: «Измерение нагрузок на штанги» Выполнил: Альметьевск 2012 СОДЕРЖАНИЕ Введение……………………………………………………………………3 Штанговые насосные установки………………..………………………...4 Нагрузки действующие на штанги…………………………………….....6 Измерение нагрузок на штанги……………….…………………………..9 Выбор расчетной формулы для колонны, штанг…………...…………..16 Определение допускаемых напряжений…………………..…………….18 Заключение………………………………………………………………...22 Список литературы……………………………………………………….23 ВВЕДЕНИЕ Эксплуатация нефтяных скважин ШСНУ наиболее распространенный способ добычи нефти. Поэтому надежность эксплуатации этих установок в различных геолого-физических условиях скважины во многом будет определять показатели процессов добычи нефти. Основными направлениями работ по повышению эффективности процес-сов добычи нефти с применением ШСНУ в последние годы являются: 1. совершенствование методов подбора оборудования к условиям конкретной скважины и режима его работы, а также поддержание оптимальных условий эксплуатации в течение всего межремонтного периода; 2. разработка новых и совершенствование существующих технических средств для эксплуатации ШСНУ; 3. разработка и применение специальных конструкций насосов для добычи высоковязких нефтей и водонефтяных эмульсий; 4. разработка и внедрение мероприятий по экономии электроэнергии при добыче нефти с помощью ШСНУ. При проектировании эксплуатации скважины ШГН выбирают типоразмеры станка-качалки и электродвигателя, тип и диаметр скважинного насоса, конструкцию колонны подъемных труб и рассчитывают следующие параметры: глубину спуска насоса, режим откачки, т.е. длину хода и число качаний, конструкцию штанговой колонны. ШТАНГОВЫЕ НАСОСНЫЕ УСТАНОВКИ Прекращение или отсутствие фонтанирования обусловило использование других способов подъема нефти на поверхность, например, посредством штанговых скважинных насосов. Этими насосами в настоящее время оборудовано большинство скважин. Дебит скважин — от десятков килограмм в сутки до нескольких тонн. Насосы опускают на глубину от нескольких десятков метров до 3000 м иногда до 3200 — 3400 м. ШСНУ включает: а) наземное оборудование — станок-качалка (СК), оборудование устья, блок управления; б) подземное оборудование — насосно-компрессорные трубы (НКТ), штанги насосные (ШН), штанговый скважинный насос (ШСН) и различные за-щитные устройства, улучшающие работу установки в осложненных условиях. Рис. 1. Схема штанговой насосной установки Штанговая глубинная насосная установка (рисунок 1) состоит из скважинного насоса 2 вставного или невставного типов, насосных штанг 4, насосно-компрессорных труб 3, подвешенных на планшайбе или в трубной подвеске 8 устьевой арматуры, сальникового уплотнения 6, сальникового штока 7, станка качалки 9, фундамента 10 и тройника 5. На приеме скважинного насоса устанавливается защитное приспособление в виде газового или песочного фильтра 1. Для передачи возвратно-поступательного движения от привода к плунжеру скважинного насоса используется колонна насосных штанг. Она собирается из отдельных штанг, соединяемых муфтами. Насосные штанги представляют собой стержень круглого поперечного сечения с высаженными концами, на которых располагается участок квад-ратного 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. Для передачи возвратно-поступательного движения от привода к плунжеру скважинного насоса используется колонна насосных штанг. Она собирается из отдельных штанг, соединяемых муфтами. Насосные штанги представляют собой стержень круглого поперечного сечения с высаженными концами, на которых располагается участок квад-ратного 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. НАГРУЗКИ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА ШТАНГИ Динамика работы установки ШСН очень сложна. Однако в большинстве случаев упрощенная теория ее работы дает вполне приемлемые результаты. При ходе вверх статические нагрузки в точке подвеса штанг складываются из веса штанг Ршт и веса столба жидкости Рж. В н. м. т. в результате изменения направления движения, когда возникает максимальное ускорение, к ним добавляется сила инерции Pi, направленная вниз; кроме того, действует сила трения Ртр, также направленная вниз. Таким образом, максимальная нагрузка, возникающая в точке подвеса штанг при начале хода вверх, будет равна: При ходе вниз нагнетательный клапан открывается и гидростатические давления над и под плунжером выравниваются. Поэтому нагрузка от столба жидкости со штанг снимается и передается на трубы, так как имеющийся в ци-линдре всасывающий клапан при ходе вниз закрыт. Силы инерции, возникающие в в. м. т., направлены вверх. Силы трения также направлены вверх, т. е. в сторону, противоположную направлению движения. Поэтому нагрузка в начале хода вниз будет минимальной: Силы Pi+Ртр составляют малую долю от Рш+Рж. Обычно они не превы-шают 5—10%. Поэтому их влияние на ход плунжера невелико. Влияние статических нагрузок Сила Рж действует попеременно то на штанги (ход вверх), то на трубы (ход вниз). В результате этого при ходе вверх штанги дополнительно растягиваются на величину Fш, которая может быть определена по закону Гука: Одновременно с этим, в результате снятия с труб силы Рж, последние укорачиваются на величину В результате, перемещение плунжера относительно цилиндра насоса, т. е. начало процесса всасывания жидкости, начнется только после того, как точка подвеса скомпенсирует своим перемещением вверх удлинение штанги и сжатие трубе. Поэтому полезный ход плунжера составит: Получим: где Рж—вес столба жидкости, действующий на плунжер; L – длина штанг, или глубина подвески ШСН; Е—модуль Юнга; fm—площадь сечения штанг; fт—площадь сечения металла труб. Верхние штанги испытывают наибольшую нагрузку, так как на них действует вес всей колонны штанг. Нижние штанги нагрузку от собственного веса не испытывают. Поэтому, исходя из принципа равнопрочности колонны штанг, а также для уменьшения нагрузки на головку балансира колонну штанг делают ступенчатой, состоящей из участков штанг с уменьшающимся книзу диаметром. Кроме одноступенчатых колонн применяются двух- и трехступенчатые. Каждая ступень дополнительно удлиняется под действием одной и той же силы Рж. Поэтому суммарное удлинение ступенчатой колонны штанг будет равно сумме удлинений отдельных ступеней с учетом их длины li и площади сечения fi. Тогда для трехступенчатой колонны получим или с учетом деформации труб Учитывая конструкцию сочленения штанг с плунжером с помощью кла-панной клетки, при которой на нижний торец штанги действует гидростатиче-ское давление, необходимо Ршт принимать с учетом выталкивающей силы Ар-химеда, равной произведению площади сечения штанги на гидростатическое давление столба жидкости над плунжером. При современных однотрубных системах сбора нефти и газа давление на устье Pу насосных скважин может достигать больших значений, поэтому при вычислении гидростатического давления, действующего на штанги, необходимо учитывать и это обстоятельство. ИЗМЕРЕНИЕ НАГРУЗОК НА ШТАНГИ Для измерения нагрузок на штанги и определения качественных показателей работы глубинного насоса применяют приборы, назы¬ваемые динамографами. Эти приборы записывают на бумаге значения нагрузок на сальниковый шток за одно двойное качание (вверх и вниз) в виде диаграммы. Записанная диаграмма называется динамограммой. Рис. 2. Схема устройства карманного динамографа ГДМ-3. Нагрузка на сальниковый шток определяется как параметрами насосной установки и режимом ее работы, так и состоянием насосного оборудования и характером работы отдельных его узлов. Например, при плохой работе нагнетательного клапана нагрузка от столба жид¬кости будет восприниматься штангами частично или вообще не будет восприниматься. Таким образом, неисправности насосной установки и другие факторы, влияющие на работу оборудования, будут влиять на форму и размеры динамограммы, т. е. по динамограмме можно определить причину неисправности установки и своевременно при¬нимать меры к ее устранению. Будучи простым и удобным средством контроля за работой глу-биннонасосного оборудования, динамографы нашли широкое при¬менение. Известны динамографы гидравлические, механические, электрические. В НГДУ применяются гидравлические динамо¬графы конструкции Г. М. Ми-нинзона и др. На рис. 2 приведена принципиальная схема гидравлического карманного динамографа ГДМ-3. Прибор состоит из двух основных частей: измерительной и самописца. Измерительная часть состоит из месдозы 11 и рычага 12. Полость 10 месдозы, заполненная жидкостью (спиртом или водой), перекрывается латунной или резиновой мембраной, на которую опи¬рается поршень 9. Измерительную часть прибора вставляют между траверсами канатной подвески штанг, в которой растягивающие усилия штанг преобразуются в усилия, сжимающие месдозу. При этом рычаг 12 нажимает на поршень 9 и в полости месдозы создается давление, которое через капиллярную трубку 8 воспринимается манометрической геликсоидальной пружиной 7. При увеличении давления пружина разворачивается и прикрепленное к ней перо 6 чертит линию нагрузки. Бланк диаграммы прикреплен к столику 5 самописца. При движении динамографа вверх нить 1, прикреплен¬ная одним концом к неподвижной части устьевого оборудования, сматывается со шкива 2, заставляя его вращаться вместе с ходовым винтом 3. При этом ходовая гайка (на рисунке не показана) вместе со столиком движется вверх по направляющим 4. В полости винта расположена спиральная возвратная пружина. При ходе вверх пру¬жина заводится, при ходе вниз — раскручивается и возвращает столик в первоначальное положение. Таким образом, столик с блан¬ком повторяет движение сальникового штока в определенном мас¬штабе. Длина записи хода сальникового штока зависит от диаметра шкива 2. Сменные шкивы позволяют записывать перемещения в мас-штабе 1 : 15, 1 : 30 или 1 : 45. Для определения величины нагрузки по динамограмме динамо¬граф предварительно тарируют при помощи разрывной или тарировочной машины. Динамографы ГДМ-3 выпускают с пределами изме¬рений 4000, 8000 и 10 000 кгс (т. е. от 40 до 100 кН). Максимально допустимая погрешность прибора (по техническим нормам) состав¬ляет +2%. Простейшая теоретическая динамограмма работы глубинного насоса за один ход вверх и вниз имеет форму параллелограмма (рис. 3). По верти-кальной оси отложены (в масштабе) нагрузки, дей¬ствующие на сальниковый шток, а по горизонтальной (в масштабе) — перемещение сальникового штока. Нагрузка на шток по мере его перемещения вверх и вниз изменяется в следующем порядке. Ход вверх. В конце хода вниз сальниковый шток и плунжер находятся в крайнем нижнем положении; при этом нагнетательный клапан насоса от-крыт, всасывающий клапан закрыт. На шток дей¬ствует нагрузка только от штанг. Этому положению соответствует точка А на динамограмме. В момент начала движения сальникового штока вверх плунжер останавливается, нагнетательный клапан закрывается, и шток воспринимает нагрузку от штанг и столба жидкости в подъемных трубах. Под действием этой нагрузки штанги растягиваются, подъемные трубы разгружаются (давление столба жидкости в этот момент воспринимается плунжером) и сокращаются. В продолжение всего процесса растяжения штанг и сокращения труб плунжер остается неподвижным по отношению к цилиндру насоса, в то время как сальниковый шток перемещается на величину, равную сумме растяжения штанг и сокращения труб. Процесс – восприятия штоком нагрузки от давления на плунжер столба жидко¬сти записывается на диаграмме наклонной прямой АБ; линия Бб показывает величину перемещения сальникового штока в про¬цессе действия нагрузки; она равна сумме величин растяжения штанг и сокращения труб. По окончании процесса восприятия нагрузки штангами начинается движение плунжера и открывается приемный клапан насоса; этому моменту на динамограмме соответствует точка Б. Дальнейшее движение сальникового штока и плунжера вверх до крайнего верхнего положения происходит при неизменной на¬грузке; на динамограмме этот процесс изображается прямой БВ. Рис. 3. Теоретическая динамограмма. Нагрузка на сальниковый шток при этом движении равна силе тя¬жести штанг, погруженных в жидкость, плюс нагрузка от давления столба жидкости на плунжер. Ход вниз. В начале хода вниз всасывающий и нагнетатель¬ный клапаны закрыты, сальниковый шток воспринимает нагрузку от штанг, погруженных в жидкость, и столба жидкости. Этому мо¬менту соответствует точка В. По мере движения сальникового штока вниз шток, штанги и плунжер разгружаются, передавая нагрузку на трубы, причем трубы растягиваются, а штанги сокращаются. Плунжер остается непод¬вижным по отношению к цилиндру насоса. Этот процесс на динамограмме изображается наклонной ли-нией ВГ. Линия Гг на динамограмме определяет перемещение сальникового штока в процессе разгрузки; оно равно сумме величин сокращения штанг и растяже¬ния труб. По окончании процесса разгрузки штока нагнетательный клапан открывается и начинается движение плунжера вниз; этому моменту на динамограмме соответствует точка Г. Дальнейшее дви¬жение сальникового штока и плунжера происходит при открытом нагнетательном клапане и неизменной нагрузке и изображается на динамограмме линией ГА. В точке А цикл возобновляется. Теоретическая динамограмма работы глубинного насоса, имею¬щая форму параллелограмма, получается при работе глубинного насоса в скважине в дегазированной жидкости при коэффициенте наполнения, равном единице, и при отсутствии динамических на¬грузок, т. е. при весьма медленном и плавном движении системы «сальниковый шток — штанги — плунжер» вверх и вниз. Если бы при работе глубинного насоса не было упругой деформации (растя¬жения и обратного сокращения) штанг и труб, теоретиче-ская динамограмма имела бы вид прямоугольника, т. е. линии АБ и ВГ были бы перпендикулярны линиям БВ и ГА. При работе насосной установки бывают различные неполадки, приводя-щие к снижению коэффициента подачи глубинного насоса. Причинами этого снижения могут быть утечки жидкости через не¬плотности в насосе и в трубах, вредное влияние газа на работу на¬соса, изменения в состоянии притока жидкости в скважину; вслед¬ствие этого нарушается нормальный процесс изменения нагрузки на сальниковый шток. Каждому нарушению нормальной работы насоса соответствует своя характерная форма динамограммы. Зная, как изменяется форма динамограммы при тех или иных наруше¬ниях, по динамограмме можно определить эти нарушения, не под¬нимая насоса на поверхность. На рис.4 показано несколько наиболее характерных практи¬ческих динамограмм глубинного насоса. Динамограмма а отражает нормальную работу глубинного на¬соса. Динамограмма б указывает на утечки жидкости при ходе плун¬жера вверх. Установить это можно путем следующих рассуждений. На динамограмме видно, что при ходе вверх линия восприятия нагрузки фактической динамограммы лежит правее теоретической, т. е. нагрузка воспринимается штангами медленнее, чем при нор¬мальной работе насоса. Это возможно только при негерметичности нагнетательной части насоса. Линия снятия нагрузки лежит левее соответствующей линии теоретической динамограммы, т. е. в самом начале хода сальникового штока вниз нагрузка от столба жидкости снимается со штанг быстрее, чем при нормальной работе на¬соса. Это также возможно только при утечках в нагнетательной части. Утечки в нагнетательной части возможны как через резьбовые соединения труб, клапан и его седло, так и через зазор между плун¬жером и цилиндром. Установлено, что при утечках жидкости через зазор между ци-линдром и плунжером линия восприятия нагрузки выпуклая (линия 2 на графике г), а в других случаях – вогнутая (линия 7). Аналогичным сравнением фактических динамограмм с теорети¬ческими можно прийти к определенным выводам о причинах ненор¬мальной работы установки. Помимо качественных показателей работы глубинного насоса (утечка через насос, влияние газа на работу насоса, неправильная посадка плунже-ра, заедание плунжера и т. п.), по динамограмме определяют также количественные показатели: нагрузку на саль¬никовый шток в любой момент движения, приближенное значение коэффициента наполнения насоса и т. п. Таким образом, динамо¬граф позволяет определять, правильно ли работает насос, не влияет ли вредно на работу насоса газ, достаточна ли глубина погружения. Рис.4. Практические динамограммы (на динамограммах б и д цифрами обозначен порядок их записи). Частое контролирование работы насосных установок при помощи динамографа дает возможность устанавливать причины неисправ¬ностей и своевременно устранять их. Выбор расчетной формулы для колонны, штанг Расчет штанг на усталость базируется на закономерностях из¬менения предельных напряжений асимметричных циклов и связи этих напряжений с пределом усталости материалов при симметричном цикле нагружения. Необходимость перехода от заданного асимметричного цикла нагружения штанг к пределу усталости материала при симметричном цикле обусловлена невозможностью определения предельных напряжений для всех возможных вариантов асим¬метричного цикла в силу длительности и трудо-емкости усталостных испытаний. По мере приближения рассматриваемого сечения к плунжеру скважинного насоса r уменьшается: Существует большое число зависимостей, связывающих пре¬дельные на-пряжения; асимметричных циклов с пределом уста¬лости материала при симметричном цикле, однако ни одна из них не является универсальной, пригодной для всех материа¬лов, видов деформаций и действующих напряжений. Наилучшее совпадение опытных данных с расчетными для режимов работы штанг дает где а пр — предельная амплитуда напряжения асимметричного цикла. Эта формула положена в основу метода расчета штанг по приведенному напряжению в верхнем сечении штанг. Расчетное уравнение при этом имеет вид: где - действующие приведенные напряжения в верх¬них сечениях i-xступеней; [ пр] — допустимое приведенное на¬пряжение в верхних сечениях ступеней колонны штанг, завися¬щие от качества штанг и условий их эксплуатации. Для верхнего сечения колонны штанг напряжения можно определить по фор-мулам: где ср и а—среднее и амплитудное значения напряжений; рж и рш — плотности жидкости и металла штанг; g— ускорение свободного падения; L—глубина спуска насоса; Dпл и dш— диаметры плунжера и штанг;аo—коэффициент, принимаемый равным 1150 кг/м3; т—средний кинематический коэффициент, равный 1,05—1,5; w—угловая скорость вращения кривошипа; S—длина хода устьевого штока. Определение допускаемых напряжений Обычно под допускаемыми напряжениями подразумеваются предельные напряжения в опасном сечении детали, при кото¬рых она выполняет свои функции в течение заданного времени без разрушения. Для насосных штанг это понятие условно, так как основной причиной разрушения является коррозионная усталость мате¬риала, которая в отличие от усталости может вызвать разруше¬ние детали при отсутствии нагрузки—только лишь из-за действия коррозии. Поэтому создание колонн штанг с абсолютной гарантией их безаварийной работы экономически не оправдано, поскольку требует большого расхода легированных сталей. В нефтепромысловой практике в качестве допускаемых при¬нимаются такие напряжения, при которых число обрывов не превышает один—три в год. Для определения допускаемых напряжений обобщаются данные наблю-дений за работой достаточно большого числа правильно сконструированных колонн в конкретных производ¬ственных условиях. Методика обобщения ре-зультатов, напри¬мер, предложенная Фаерманом, заключается в следую¬щем: по данным наблюдений за работой большого числа сква¬жин после статистической обработки строится график зависимости средней частоты обрывов штанг 1 от напряжения в верхнем сечении колонн (рис. V.11). Напряжение, соответст¬вующее излому графика, при котором резко увеличивается число обрывов в одном и том же комплекте штанг в год, принима¬ется за допустимое напряжение для верхних сечений колонн штанг данной марки. Использование данной методики для определения приведен¬ных напряжений полностью не исключает обрывы штанг. При¬чем практика показывает, что колонна может работать надежно с превышением допустимого напряжения, либо, наоборот, число обрывов может увеличиться при более низких напряжениях. Таким образом, допустимые напряжения нужно рассматри¬вать как условные, ограничивающие область, в пределах ко¬торой эксплуатация скважин не будет усложнена обрывами штанг. Подобная картина разрушений штанг обусловлена характе¬ром приложенной нагрузки и влиянием окружающей колонну штанг среды—пластовой жидкости—на ее прочность. Под коррозионной усталостью металлов и сплавов подразу¬меваются разрушения, происходящие в результате совместного действия переменных нагрузок и химически активной электро¬проводной среды. В соответствии со схемой процесса разрушение колонны штанг происходит в результате одновременно протекающих про¬цессов образования усталостных трещин и, электрохимической коррозии. Электрохимическая коррозия представляет собой анодные процессы, протекающие на электрохимически уязвимых" участках. К ним в первую очередь относятся дефекты металла: как микроповреждения его поверхности, так и дефекты кри-сталлической структуры. При растворении анодных участков поверхности детали в результате появления разности потенциалов между различ¬ными участками поверхности металла, а потом и разности по¬тенциалов между дном углубления и его стенками начинается процесс концентрации напряжений. Под влиянием циклически приложенной нагрузки и процесса растворения действующие напряжения растут, и в конечном счете возникает усталостная трещина. Считается также, что интенсификации образования трещин способствует возникновение водородной хрупкости на катод¬ных участках. Причем в зависимости от величины действующих напряжений процесс образования трещин может превалировать либо на анодных участках, либо на катодных. При коррозионной усталости обычно, трещины образуются по всей по-верхности, причем очаги разрушения распределены относительно равномерно. Характерным признаком коррозионно-усталостного разру¬шения детали является наличие трех зон на поперечном сече¬нии разрушенной штанги: мелкозернистой, крупнозернистой (как при усталостном разрушении металла) и зоны пластиче¬ской деформации. Мелкозернистая зона начинается с периферии детали и представляет собой участок, на котором развивалась усталостная трещина. Обычно эта часть имеет более темную Окраску вследствие длительного контакта с агрессивной сре¬дой. Крупнозернистая зона — это область окончательного раз¬рушения, когда прочности сечения, еще не ослабленного усталостными трещинами, недостаточно для обеспечения прочности детали. Кроме того на периферийной части штанги имеется зона с пластичной деформацией металла обусловленной раз-рушением волокон после разрушения части поперечного сечения с «крупнозернистой» структурой. К характерной особенности коррозионно-усталостного про¬цесса относится более сильное одновременное влияние корро¬зии и циклических напряжений, чем их, например, следующее друг за другом воздействие. Помимо этого характерным для процесса коррозионной ус¬талости является отсутствие предела усталости, представляющей максимальное напряжение, при котором образец выдержи¬вает неограниченное количество циклов. При коррозионной усталости эта величина условна и зависит от числа циклов нагружения (рис. V.12). При оценке процессов коррозионной усталости штанг при¬нято считать, что главную роль в процессе их разрушения играет коррозионный фактор. Это подтверждается, например, соотношением пределов усталости сталей 20ХН, 20НМ на воз¬духе—300 МПа—и в жидкости— 120 МПа. Причем, как пока¬зывают эксперименты, уменьшение влияния коррозии, напри¬мер, за счет покрытий штанг, позволяют повысить величину допустимых напряжений. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Расчет колонны штанг сво¬дится к определению величины и характера изменения нагрузки на них, выбору расчетной фор¬мулы, соответствующей дейст¬вительным условиям работы штанг и определению допускае¬мых напряжений, обусловлива¬ющих достаточно надежную ра¬боту колонн штанг. Характер нагружения ко¬лонны штанг сложен, некоторые составляющие действующих сил могут быть случайными. Уси¬лия в точке подвеса штанг при ходе вверх определяются соб¬ственным весом штанг, весом жидкости, находящейся над плунжером скважинного насоса, силами трения, инерционными и динамическими составляющими. При ходе штанг вниз усилие от веса жидкости отсутствует, а направление сил трения изме¬няется. Кроме того, во время движения колонны штанг могут возникать усилия вследствие заклинивания плунжера в ци¬линдре скважинного насоса и другие силы, появление которых вызвано взаимодействием колонн штанг и труб. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Мищенко И. Т. «Сборник задач по технологии и технике нефтедобычи» Москва 1984 г. 2. Тетельман В. В. , Язев В. А. «Нефтегазовое дело» Москва 2009 г. 3. Коршак А. А. Шаммазов А. М. «Основы нефтегазового дела» СПб 2007 г. 4. Акульшин А. И. Бойко В. С. Зарубин Ю. А. «Эксплуатация нефтяных и газовых скважин» Москва 1989 г. |
|