Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ України
Івано-Франківський національний технічний університет
нафти і газу
Кафедра нафтогазового обладнання
ПРАКТИЧНА РОБОТА №4
Тема: «Вибір обладнання штангової свердловинної насосної установки для видобутку нафти»
Виконав:
студент групи НО-09-2
Циріль Тарас Ігорович
Перевірив:
Гойсан Ігор Мирославович
Івано-Франківськ
2013 р.
ПРАКТИЧНА РОБОТА №4
Тема: «Вибір обладнання штангової свердловинної насосної установки для видобутку нафти»
1. Мета заняття
Набуття навиків вибору обладнання штангових свердловинних насосних установок для заданих умов експлуатації.
2.1оВибір свердловинного насоса і підбір режимів відкачування.
2.2аПідбір та розрахунок колони насосних штанг.
2.3оРозрахунок колони насосно-компресорних труб.
2.4оПідбір приводу штангового свердловинного насоса.
Заняття розраховано на 4 години.
4. оОсновні теоретичні відомості
Близько 80% нафтових свердловин експлуатується штанговими свердловинними насосними установками (ШСНУ). В основному це пояснюється економічністю, гнучкістю і широкими можливостями застосування даної системи. До основних переваг ШСНУ слід віднести: технічно нескладний і швидкий монтаж; наявність великої гами типорозмірів свердловинних насосів, що дає можливість експлуатувати свердловини в широкому діапазоні дебітів і агресивності пластових флюїдів; можливість адаптації до змінних умов притоку рідини в свердловину за рахунок зміни частоти ходів плунжера, довжини ходу плунжера і ефективної поверхні плунжера свердловинного насоса; невимогливість до технічного обслуговування та інші.
ШСНУ для експлуатації одного пласта складається з приводу (верстата–качалки), устьового сальника, колони насосних штанг і насосно-компресорних труб, а також вставного або невставного свердловинного насоса. Для закріплення в колоні насосно-компресорних труб вставного свердловинного насоса, який опускається на колоні насосних штанг, застосовують замкову опору. Циліндр невставного насоса опускається в свердловину на колоні насосно-компресорних труб, а плунжер – на колоні насосних штанг.
Призначення приводу штангового насоса – перетворення обертового руху вала електродвигуна у зворотно-поступальний рух точки підвісу штанг. Привід може бути механічним, гідравлічним і пневматичним. На даний час найбільшого поширення набули саме балансирні індивідуальні механічні приводи штангових свердловинних насосів – верстати-качалки (рис. 4.1). Основні вузли верстата-качалки: рама, стійка, балансир з поворотною головкою, траверса з шатунами, шарнірно підвішена до балансира, редуктор з кривошипами і противагами. Верстат-качалка комплектують набором змінних шківів для зміни числа коливань балансира. Для швидкої зміни шківів і натягу пасів електродвигун встановлюють на поворотних салазках.
Верстати – качалки виготовляють у двох виконаннях: СК (аксіальні) – випускаються семи типорозмірів, СКД (дезаксіальні) – шести типорозмірів.
Свердловинні штангові насоси призначені для відкачування із нафтових свердловин рідини обводненістю до 99%, температурою не більше 130оС, вмістом сірководню до 0,1 % (в об’ємі), твердих механічних домішок до 0,5 %, Їх поділяють на дві основні групи: вставні і невставні (трубні).
Вставні насоси характерні тим, що їх основні вузли (циліндр і плунжер) опускають в свердловину в зібраному стані на колоні насосних штанг і піднімають на поверхню також в зібраному стані шляхом підйому цих штанг.
Невставні насоси характерні тим, що їх основні вузли опускають в свердловину окремо: циліндр – на насосних трубах, а плунжер в зборі зі всмоктувальним і нагнітальним клапанами – на штангах. Підйом їх також здійснюють за два прийоми: спочатку піднімають штанги з плунжером і клапанами, а потім труби з циліндром.
Свердловинні насоси виготовляють таких типів:
НВ1 – вставний, одноступінчастий,із замком вверху;
НВ2 – вставний, одноступінчастий, із замком внизу;
НН1–невставний, одноступінчастий, із захоплювальним штоком;
НН2 – невставний, одноступінчастий, із уловлювачем.
1 – привід ШСН (верстат-качалка), 2 – фундамент, 3 – підвіска устьового штока,
4 – устьовий шток, 5 – обладнання устя, 6 – планшайба, 7 – муфта штангова, 8 – колона штанг,
9 – колона НКТ, 10 – колона експлуатаційна, 11 – опора замкова, 12 – ШСН
Рисунок 4.1 – Схема штангової свердловинної насосної установки
Випускають насоси таких конструктивних виконань:
-аза конструкцією циліндра: Б – із товстостінним суцільним (безвтулковим) циліндром; С – зі складеним (втулковим) циліндром;
- за конструктивними особливостями, що визначають функціональне призначення (область застосування): Т – із сідлами клапанів із твердих сплавів і порожнинним (трубчастим) штоком, який забезпечує підняття рідини по каналу колони трубчастих штанг тільки для насосів НН2); А – із щіпним пристроєм (тільки для насосів типу НН), який забезпечує з’єднання колони насосних штанг з плунжером насоса; Д1 – одноступінчастий, двоплунжерний, який забезпечує створення гідравлічного важкого низу; Д2 – двоступінчастий, двоплунжерний, який забезпечує стиснення відкачуваної рідини;
-аза стійкістю до середовища: без позначення – стійкі до середовища з вмістом механічних домішок до 1,3 г/л; З – стійкі до середовища з вмістом механічних домішок більше 1,3 г/л.
Відповідні типи насосів випускаються і за стандартами АНІ. Система позначення свердловинних штангових насосів наведена в таблиці 4.15.
Свердловинний штанговий насос – гідравлічна машина об’ємного типу, де ущільнення між плунжером і циліндром досягається за рахунок високої точності їх робочих поверхонь і регламентованих зазорів. Залежно від розміру зазору в парі „циліндр – плунжер” випускають насоси п’яти груп посадок.
Залежно від призначення і області застосування свердловинних насосів плунжери і пари „сідло – кулька” клапанів випускають різних конструкцій, виконань із різними видами зміцнення їх робочих поверхонь.
Плунжери насосів випускають в чотирьох виконаннях:
П1Х – з кільцевими канавками, циліндричною розточкою на верхньому кінці і з хромовим покриттям зовнішньої поверхні;
П2Х – теж саме без циліндричної розточки на верхньому кінці;
П1И – з кільцевими канавками, циліндричною розточкою на верхньому кінці і зміцненням зовнішньої поверхні напиленням зносостійкого порошку;
П2И – теж саме без циліндричної розточки на верхньому кінці.
Пари „сідло – кулька” клапанів насосів мають три виконання:
К – з циліндричним сідлом і кулькою із нержавіючої сталі;
КБ – теж саме з сідлом із буртиком;
КИ – з циліндричним сідлом із твердого сплаву і кулькою із нержавіючої сталі.
Тривала і безвідмовна робота насоса можлива тільки при умові правильного вибору його типу і конструктивного виконання у відповідності до умов видобутку на кожній конкретній свердловині.
Вибір насоса включає визначення:
-атипу насоса (вставний чи невставний), залежно від умов експлуатації (об’єм відкачуваної рідини, глибина спуску, діаметр НКТ);
-азазору між циліндром і плунжером (залежно від в’язкості і вмісту механічних домішок у відкачуваній рідині);
-адіаметра насоса, довжини циліндра, плунжера, подовжувачів (залежно від в’язкості відкачуваної рідини, зазору і глибини відбору);
-аматеріалів циліндра, плунжера, клапанів (залежно від корозійності і абразивності відкачуваної рідини).
При виборі типу свердловинного насоса для заданих умов експлуатації необхідно враховувати наступні рекомен-дації.
Вставні насоси рекомендовано застосовувати при експлуатації свердловин великої та середньої глибини (висота підйому рідини не більше 2500 м), а також при експлуатації свердловин, в яких для заміни насоса доводиться часто проводити спуско - підйомні операції. Для заміни вставного насоса не потрібно піднімати із свердловини колону НКТ. Цим самим збільшується термін експлуатації НКТ, скорочується тривалість підземного ремонту свердловини.
Насоси з верхнім розміщенням замкової опори рекомендовано використовувати в свердловинах з:
-асереднім і високим вмістом піску;
-асереднім вмістом газу з глибиною, що не перевищує 1500 м;
-анаявністю сірководню з глибиною, що не перевищує 1500 м;
-анаявністю двоокису вуглецю з глибиною до 2000 м.
Використання насосів у свердловинах з глибиною спуску більше 2100 м не рекомендується.
Насоси з нижнім розміщенням замкової опори рекомендовано використовувати в свердловинах з:
-ависоким дебітом з глибиною, що не перевищує 900 м;
-анизьким рівнем відкачуваної рідини з глибиною свердловини 900-2000 м;
-анаявністю соленої води при глибині свердловини до 1500 м;
-асереднім вмістом газу при глибині до 1500 м;
-ау викривлених свердловинах.
Невставні насоси доцільно використовувати переважно для значних дебітів на свердловинах з невеликою глибиною, коли вставні насоси не забезпечують необхідного відбору рідини.
Перевагою невставних насосів є їх використання із НКТ меншого діаметра, і при цьому забезпечення підйому великих об’ємів пластової рідини завдяки великому умовному діаметру. Застосування труб меншого діаметра сприяє кращому виносу піску завдяки великій швидкості висхідного потоку .
Невставні насоси можуть застосовуватися також при експлуатації свердловин в яких часто забруднюється вибій.
Обмеженість глибини спуску насоса зумовлена гранично максимальним навантаженням на колону НКТ.
Діаметр НКТ, опущених у свердловину, також накладає певні обмеження при виборі типу і розміру насоса. Рекомендації по вибору типу і розміру насоса в залежності від умовного діаметру НКТ наведені в таблиці 4.3.
Рекомендації по вибору групи посадки в залежності від глибини спуску насоса і в’язкості пластової рідини наведені в таблиці 4.4.
Основним фактором при виборі довжини плунжера насоса є створюваний ним напір. Рекомендації для виконання даного вибору приведені в таблиці 4.5.
Насосні штанги виконують роль проміжної ланки між наземним індивідуальним приводом і свердловинним насосом. Призначені для передачі зворотно-поступального руху плунжеру насоса.
Насосна штанга - це стальний стержень круглого перерізу діаметром 13-28 мм і середньою довжиною 8000 імм з висадженими кінцями. На кінцях штанги мають висаджені потовщення для з’єднувальної різьби та ділянки з квадратним перерізом для для захоплення штанговими ключами, також відповідні бурти у перехідній зоні для установки штанги в елеватор при спуско-підйомних роботах. З’єднувальна різьба – метрична спеціальна, яка накатується.
штанги виготовляються в основному із наступних марок сталей: 40, 20Н2М, 15Н3МА, 15Х2НМФ, 30ХМА, 15Х2ГМФ. Випускають штанги довжиною 8000 або 9000 мм та укорочені – 1000, 1200, 1500, 2000, 3000 мм як для легких , так і для важких умов експлуатації. Укорочені штанги застосовують для регулювання довжини колони штанг з метою нормальної посадки плунжера свердловинного насоса. Вони виготовляються із стали тієї ж марки і піддаються такій же термообробці, що і штанги нормальної довжини.
При виборі матеріалу штанг і виду термообробки, у залежності від умов експлуатації, можна скористатися інформацією приведеною у таблиці 4.12.
Насосні штанги з’єднують в колону за допомогою муфт, діаметр яких залежить від діаметра штанги . Випускають штангові муфти типу МШ для з’єднання штанги одного діаметра і перевідні типу МШП для з’єднання штанг різного діаметра.
Залежно від глибини свердловини та режимів експлуатації насосної установки колона насосних штанг може бути одно-або багатоступеневою, кожна ступінь якої складається виключно із штанг одного типорозміру, виготовлених із однієї марки сталі ідентичної термічної обробки. Довжину ступені підбирають з таким розрахунком, щоб всі ступені колони були рівно навантажені за величиною приведеного напруження.
5. Порядок виконання роботи
5.1оЗгідно таблиці 4.1 і варіанту, отриманого у викладача, вибираємо вихідні дані.
|
Варіанти |
Глибина експлуатаційної свердловини, м |
Умовний діаметр експлуатаційної колони, мм |
Дебіт рідини, м3добу |
Густина продукції свердловини, кгм3 |
Пластовий тиск, МПа |
Тиск на усті, МПа |
Коефіцієнт продуктивності, м3(добу.МПа) |
Рекомендований тиск на прийомі насоса, МПа |
Наявність Н2S i СО2, % |
|
3 |
2928 |
146 |
34,0 |
909 |
19,3 |
1,6 |
14,5 |
1,5 |
0,15 |
5.2оВизначаємо вибійний тиск, при якому забезпечується даний дебіт свердловини:
, МПа (4.1)
де - пластовий тиск, МПа;
- дебіт свердловини, м3/добу;
- коефіцієнт продуктивності свердловини, м3/(добуі.іМПа).
МПа
5.3 Визначаємо глибину розташування динамічного рівня при заданому дебіті свердловини:
, м (4.2)
де - глибина свердловини, м;
- вибійний тиск, Па;
- густину продукції свердловини, кг/м3;
- прискорення вільного падіння, м/с2.
м
5.4 Визначаємо напір, який повинен розвивати насос для підйому продукції на поверхню і забезпечення при цьому необхідного тиску на усті свердловини:
, м (4.3)
де - напір на усті свердловини;
, м (4.4)
- буферний тиск (тиск на усті свердловини), Па.
м
м
5.5 Визначаємо глибину спуску насоса:
, м (4.5)
де - глибина спуску насоса під динамічний рівень, визначена з умови дотримання рекомендованого тиску на прийомі насоса
, м (4.6)
- рекомендований тиск на прийомі насоса, Па.
м
м
На основі значень дебіту свердловини та глибини спуску насоса, користуючись діаграмами області застосування верстатів-качалок, вибираємо діаметр насоса, довжину ходу, кількість ходів та попередньо типорозмір верстата-качалки.
Підбираємо верстат-качалку для свердловини з середнім дебітом 34 м3/добу при глибині спуску насоса 1194,81 м і визначаємо режим відкачування для отримання вказаної подачі.
На горизонтальній осі з точки, що відповідає глибині спуску насоса 1194,81 м, проводимо перпендикуляр до перетину з горизонтальною прямою, яка відповідає подачі насоса = 34 м3/добу. Отримана точка а попадає в область застосування верстата-качалки СК6-2,1-2500, а саме, в рекомендовану область застосування насоса діаметром 44 мм при довжині ходу 2,1 м.
Рисунок 4.2 – Діаграма області застосування верстата–качалки СК6-2,1-2500
Проводимо вгору перпендикуляр, проведений від горизонтальної осі до перетину з верхньою межею даної рекомендованої області (точка б з координатою) і визначаємо відношення /.
(4.7)
Необхідна кількість ходів рівна
(4.8)
де - розрахункова кількість ходів головки балансира (вказана на діаграмі), хв-1
Підбір режиму експлуатації за допомогою діаграми носить попередній характер. В подальшому режим експлуатації уточнюється за даними замірів подачі та динамометрування свердловини.
5.6 Визначаємо діаметр шківа, який необхідно встановити на електродвигуні, для забезпечення необхідної кількості ходів.
Для частоти ходів головки балансира можна записати:
, хв-1 (4.9)
де - частота обертання вала електродвигуна, хв-1, = 750, 1000, 1500 хв-1;
- передавальне відношення редуктора, = 39,924;
- передавальне відношення клинопасової передачі;
- діаметр шківа на редукторі, м, = 0,71 м;
- діаметр шківа на електродвигуні, м.
З вищенаведеного виразу (4.9) визначаємо діаметр шківа, який необхідно встановити на електродвигуні:
, м (4.10)
м
м
м
Обчислене значення діаметра прирівнюємо до ближчого стандартного значення для попередньо вибраного верстата-качалки і визначаємо частоту ходів головки балансира при даному діаметрі шківа.
Приймаємо 0,224 м (при = 1500 хв-1)
хв-1
Дальше проводимо вибір свердловинного насоса.
Вибираємо вставний свердловинний насос НВ1Б 44-25-15, його технічна характеристика представлена в таблиці 4.2.
Таблиця 4.2 – Технічна характеристика вставного насоса
|
Шифр насоса |
Умовний розмір насоса |
Хід плунжера, мм |
Напір, м |
Приєднувальний розмір до штанг різьби за ГОСТ-13877 |
Шифр замкової опори |
Габарити, мм |
Маса, кг |
|
|
Діаметр |
Довжина |
|||||||
|
НВ1Б 44-25-15 |
44 |
2500 |
1500 |
Ш-19 |
ОМ-73 або НМ-73 |
59,7 |
5000 |
61,5 |
Для свердловинного насоса, діаметр якого визначено за діаграмою області застосування, встановлюємо інші його параметри.
Виходячи з умов експлуатації та властивостей продукції свердловини, вибираємо матеріал для виготовлення:
Також встановлюємо тип плунжера, необхідну довжину плунжера та групу посадки:
5.7оПідбираємо колону насосних штанг і перевіряємо її на втомну міцність.
За попередньо визначеною глибиною спуску насоса вибираємо конструкцію рівноміцної колони штанг, яка застосовується в компоновці з насосом, вибраним попередньо.
Таблиця 4.3 – Рекомендації щодо вибору конструкції колон насосних штанг
|
Область застосування верстатів качалок СК6-2,1-2500 при хв-1 |
||||||
|
Параметри |
Діаметр насоса мм |
|||||
|
29 |
32 |
38 |
44 |
57 |
70 |
|
|
Глибина спуску насоса Н, м |
Довжина ходу =2,1 м |
|||||
|
1600 |
1500 |
1360 |
1200 |
910 |
670 |
|
|
Конструкція колони штанг |
19-0,74 22-0,26 |
19-0,72 22-0,28 |
19-0,70 22-0,30 |
19-0,67 22-0,33 |
19-0,57 22-0,43 |
19-0,44 22-0,56 |
Для перевірки колони насосних штанг на втомну міцність визначаємо максимальні та мінімальні навантаження на колону штанг.
Спрощена формула Дж. С. Слонеджера для визначення максимального навантаження на колону штанг:
, Н (4.11)
де - вага колони штанг на повітрі, Н;
, Н (4.12)
де - маса погонного метра штанг, = 2,286 кг/м;
- довжина штанг
Н
, Н (4.13)
де - маса погонного метра штанг, = 3,063 кг/м;
- довжина штанг
Н
- довжина ходу, = 2,1 м;
- частоти ходів головки балансира, = 11,85 хв-1;
- гідростатичне навантаження на колону штанг, Н.
, Н (4.14)
де - густина продукції свердловини, = 909 кг/м3
Н
, Н
Н
, Н
Н
Спрощена формула Д.О. Джонсона для визначення мінімального навантаження на колону штанг
, Н (4.15)
де - коефіцієнт плавучості штанг:
, (4.16)
де - густина матеріалу штанг (= 7850 кг/м3),
, Н
Н
, Н
Н
Максимальні та мінімальні напруження в штангах
, (4.17)
де - відповідно максимальне і мінімальне навантаження у точці підвішування колони штанг, Н;
- площа перерізу штанг, м2.
Приведені напруження в колоні насосних штанг
, МПа (4.18)
де - амплітудні напруження циклу, Па
, МПа (4.19)
МПа
МПа
За визначеними приведеними напруженнями та властивостями продукції свердловини підбираємо матеріал штанг та термічну обробку.
Вибираємо:
5.8 Проводимо розрахунок колони НКТ.
Згідно технічної характеристики попередньо вибраного насоса вибираємо розмір насосно-компресорних труб і їх параметри.
Вибираємо = 73 мм.
Максимальне навантаження, що діє на колону НКТ в екстремальних умовах ( у випадку обриву устьового штока) визначається за формулою:
, Н (4.20)
де - вага колони НКТ в повітрі, Н
- вага рідини в колоні НКТ, Н
- вага штанг в рідині, Н
Вагу колони НКТ у повітрі визначаємо за формулою:
, Н (4.21)
де - маса одного метра насосно-компресорних труб, кг/м;
- прискорення вільного падіння, м/с2;
- глибина спуску колони насосно-компресорних труб, м.
Н
Вагу рідини в колоні НКТ визначити за формулою:
, Н (4.22)
де - довжина штангової колони, м;
- прискорення вільного падіння, м/с2;
- глибина опускання насоса під динамічний рівень, м;
- буферний тиск, Па;
- площа внутрішнього перерізу НКТ, м2.
Н
Вагу штанг у рідині визначити за формулою:
, Н (4.23)
де - маса одного метра штанг і-ї секції, кг/м;
- довжина і-ї секції, м;
- кількість ступеней колони штанг.
Н
Н
Для перевірки колони труб на міцність скористатись основними залежностями:
- для рівноміцних (з висадженими назовні кінцями) труб:
(4.24)
де - площа перерізу тіла НКТ, м2;
, м2 (4.25)
м2
- границя плинності матеріала труби, = 380 МПа.
Умова міцності виконується.
5.9оПідбираємо привід ШСНУ.
Верстат-качалку підбирають за найбільшим навантаженням, що діє в точці підвішування штанг. Це навантаження можна визначити за формулою:
, Н (4.26)
де - динамічна складова навантаження.
, Н (4.27)
де - діаметри відповідно насоса і штанги;
- кутова швидкість обертання кривошипа;
- вага колони штанг в повітрі;
- видовження штанг від дії ваги стовпа рідини.
, (4.28)
де - площа перерізу тіла труб і штанг.
, м2 (4.29)
м2
де - доля ступені, з якої складається колона штанг.
, (4.30)
де - модуль пружності ( для сталі ).
, с-1 (4.31)
с-1
, мм (4.32)
мм
Вагу колони штанг в повітрі визначаємо за формулою
, Н (4.32)
де - маса 1 м штанг в повітрі, для відповідної ступені.
Н
Н
Н
Висновок: на даному практичному занятті я ознайомився з методикою проведення вибору обладнання ШСНУ, зокрема мною був вибраний аксіальний верстат-качалка СК6-2,1-2500 і вставний свердловинний насос НВ1Б-44-25-15.