Динамический синтез и анализ преобразующего механизма штанговых насосных установок (ШНУ)
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
Казахский национальный технический университет имени К.И. Сатпаева
Институт машиностроения
Кафедра Теоретическая и прикладная механика
ДОПУЩЕН К ЗАЩИТЕ
Зав.кафедрой, д.т.н
____________С.М. Ибраев
_________________2006г.
ДИПЛОМНАЯ РАБОТА
Тема Динамический синтез и анализ преобразующего механизма штанговых
насосных установок (ШНУ)
Консультант по стандартизации
Руководитель
___________________________ д.т.н.,
профессор
уч.степень, звание
уч.степень, звание
____________ Е.Т. Бекенов ____________
С.М.Ибраев
____________________2006г. ___________________2006г.
Рецензент Студент____ _____ Жакасов М.Д.
к.т.н., доцент КБТУ Специальность
250240 уч.степень, звание
M.Б.Измамбетов
Группа ДиПМ 01-2
___________________________2006г.
Алматы 2006
СОДЕРЖАНИЕ
Стр
Введение
1 Основные положения силового и динамического расчета привода
штанговых насосных установок 6
6
Задачи конструирования нефтепромыслового оборудования
7
Основные задачи проектирования штанговой насосной установки и ее 11
элементов 16
Расчет усилия в верхней точке колонны насосных штанг 19
Силовой расчет механизма балансирного станка-качалки 31
Простейший теоретический и реальный циклы работы глубинного 34
насоса и его динамограмма 34
34
Расчет максимальной и минимальной нагрузок в точке подвеса 38
колонны штанг 47
2 Исследование кинематики и кинетостатики привода штанговых 66
насосных установок
66
2.1. Кинематика привода штанговых насосных установок
70
2.1.1 Анализ положений
2.1.2 Анализ перемещений
2.2 Кинетостатика привода штанговых насосных установок 74
3 Исследование режимов оптимального уравновешивания привода 82
штанговых насосных установок 83
3.1 Аналитическое решение задачи оптимального динамического
уравновешивания 85
85
3.2 Оптимальное уравновешивание привода штанговых насосных 86
установок с роторным способом уравновешивания 95
3.3 Оптимальное уравновешивание привода штанговых насосных
установок с комбинированным способом уравновешивания
Заключение
Список литературы
Приложение Описание программы SK_R2_02 для кинематического и
кинетостатического расчета и оптимального уравновешивания ШНУ
П.1. Исходные данные
П.2. Описание файла исходных данных
П.3. Выходной поток данных
АННОТАЦИЯ
Целью работы является исследование режимов динамического
уравновешивания преобразующего механизма привода штанговых насосных
установок и силовой расчет механизма при различных режимах нагружения и
уравновешивания.
Выполнены кинематический и кинетостатический расчёт механизмов ШНУ с
двухплечим балансиром и роторным уравновешиванием и определены оптимальные
режимы уравновешивания. Методика и программы использовались для расчёта
станков-качалок с максимальными нагрузками в устьевом сальнике 6т.
Проведен расчёт кинематических параметров ПШНУ при различных входных
данных и получены зависимости для перемещений, скоростей и ускорений
звеньев и характерных точек. Получены таблицы и графики сил реакций в
шарнирных соединениях, момента на выходном валу редуктора, исследованы
режимы уравновешивания. Решена задача динамического уравновешивания и
проведен сравнительный анализ режимов роторного и комбинированного
уравновешивания.
АНДАТПА
Жұмыстың мақсаты – штангалы насос қондырғының түрлендіруші механизмнің
динамикалық теңгерілу режимдерін зерттеу және осы механизмнің күштік
анализын жасау.
Екі иінді теңгергішті және ротормен теңестірілетін штангалы насосты
құрылғының түрлендіргіш механизмдердін тиімді теңестіру және кинематикалық,
кинетостатикалық есептеулер үшін қолданбалы программалар жиынтығы,
алгоритмдері және әдістемесі құрылған. Бұл әдістемелер мен программалар
сағалы сальнигінде максималды жүктемесі бар тербелткіш құрылғыны есептеуге
қолданылды.
Әр түрлі кіріс параметрлеріндегі штангалы насосты құрылғының
приводының кинематикалық параметрлерін есептеу жүргізілді және және
нәтижесінде буындардың орын ауыстыруларының жылдамдықтарының және
үдеулерінің тәуелдіктері алынды. Сонымен қатар шарнирлі байланыстардағы
реакция күштерінің редуктордың шығыс білегіндегі моменттің графиктерімен
таблицалары алынды және теңестіру режимдері зерттелді. Динамикалық теңгеру
есебі қарастырылып, роторлық теңгеру және күрделі теңгеру режимдері
салыстырылды.
ВВЕДЕНИЕ
Развитие машиностроения в нефтегазовой промышленности является одним
из приоритетных направлений для нашей Республики. Особенно остро стоит
проблема снижения себестоимости добываемой нефти. Ещё в недавнем прошлом в
условиях падения мировых цен на нефть нефтедобывающая отрасль Казахстана
перестала быть рентабельной.
Из существующих механизированных способов добычи нефти самым
распространённым (как у нас в стране, так и за рубежом) является штанговый
глубиннонасосный с балансирными индивидуальными приводами механического
действия (около 10 000 из действующего фонда скважин). Приводы
предназначены для приведения плунжера глубинного насоса, находящегося в
скважине, в возвратное - поступательное движение при помощи штанг.
Балансирные станки – качалки имеют простую, хорошо изученную схему и, по
сравнению с другими приводами, экономичную, ремонтно-пригодную конструкцию.
Конструкции существующих типоразмеров станков-качалок были
окончательно разработаны в 60-80 годы. При этом для моделирования их работы
на стадии проектирования использовались приближенные формулы, что
обуславливалось ограниченностью существовавших тогда ЭВМ. Отсутствие
надёжного и эффективного инструмента для их моделирования и оптимального
проектирования является одной из основных причин того, что сущесьвующие
установки плохо уравновешаны [6]. В работающих на промыслах станках
применяется только роторное уравновешивание, а возможности комбинированного
уравновешивания не использовались. Возможности современных ПЭВМ, а также
современный математический аппарат теории квадратического приближения
позволяют решить задачу оптимального динамического уравновешивания
преобразующих механизмов привода штанговых насосных установок (ШНУ) на
основе как роторного так и комбинированного уравновешивания.
Глава 1.Основные положения силового и динамического расчета привода
штанговых насосных установок
1.1 Задачи конструирования нефтепромыслового оборудования
Конструирование, создание нового или модернизированного оборудования
являются основой развития машиностроения. В то же время от машиностроения в
решающей мере зависят темпы экономического роста страны. Для достижения
основной цели нефтяной и газовой промышленности — добычи нефти и газа
-необходимо решить ряд задач, среди которых создание эксплуатационного
оборудования — одна из главнейших [1,2].
Таким образом, конструирование новых, совершенных
машин для нефте- и газодобывающей отраслей промышленности является основой
развития этих отраслей.
Отсюда и задачи, стоящие перед конструктором, весьма
ответственны, сложны и многообразны.
Эксплуатационное оборудование обеспечивает выполнение технологических
процессов при разработке нефтяных, газовых и газоконденсатных
месторождений[2]. Это, в частности, подъем жидкости из скважин,
восстановление или интенсификация притока продукции пласта к ним
(гидроразрыв пласта, кислотная или термическая обработка призабойной зоны
пласта или пласта в целом и т. д.), различные ремонтные работы на
скважинах, сбор продукции и подготовка ее к использованию или
транспортировке потребителю.
Эффективность оборудования определяют рядом
показателей. Среди них высокая производительность машин при достаточной
надежности, малых массе и габаритах; объем и стоимость эксплуатационных и
ремонтных работ, степень автоматизации работы оборудования, расход
дефицитных материалов и затраты на его изготовление, Оборудование должно
также удовлетворять требованиям технической эстетики и многим другим
показателям технического уровня, большая часть которых отражается в
экономических критериях оценки оборудования. [5,8].
Для каждого из видов оборудования можно выделить
главные показатели, имеющие определяющее значение по сравнению с другими.
Так, например, агрегаты для подземного ремонта скважин должны иметь малую
массу при достаточной грузоподъемности, хорошую проходимость, большую
скорость передвижения высокую надежность. Скважинному оборудованию при
всех; других условиях необходимо иметь весьма малые диаметры, высокую
надежность. Последний показатель наиболее важен, так как отсутствует
возможность частого профилактического осмотра и ремонта.
1. 2 Основные задачи проектирования штанговой насосной установки и ее
элементов
Из механизированных способов добычи нефти наибольшее
распространение получили штанговые скважинные насосные установки (ШСНУ).
Этому способствовали конструктивная простота, недефицитность и дешевизна
применяемых при их изготовлении материалов, высокая надежность и
неприхотливость в обслуживании [20].
Различие нефтяных скважин по объему продукции и требуемой
высоте ее подъема определяет необходимость иметь размерный ряд по мощности
штанговых насосных установок.
Разнообразие профилей скважин, состава продукции обусловливает
необходимость иметь несколько конструктивных вариантов внутрискважин-ных
элементов оборудования, наиболее приспособленных к условиям эксплуатации, и
варианты исполнения этих элементов оборудования, соприкасающихся с
продукцией, так же и по применяемым материалам, с тем чтобы обеспечить их
наибольшую износостойкость, коррозионную стойкость и коррозионно-
усталостную прочность в условиях воздействия различных сред.
Все виды ШСНУ включают три главные взаимосвязанные части:
привод, устанавливаемый у устья скважины; плунжерный насос, располагаемый в
глубине скважины, и колонну насосных штанг, присоединяемую к приводу,
сообщающему подвижной части насоса возвратно-поступательное движение, и
этим приводящую его в действие.
В качестве привода ШСНУ в нашей стране и за рубежом наиболее
широко применяются балансирные станки-качалки, состоящие из редуктора и
сдвоенного четырехзвенного шарнирного механизма, преобразующего
вращательное движение кривошипов в поступательное движение балансира, к
дуге головки которого с помощью гибкого звена - канатной подвески -
подсоединен устьевой шток с прикрепленной к нему колонной насосных штанг
[16].
Широкому распространению станков-качалок способствовала их
высокая надежность.
Станок-качалка представляет собой механизм с одной степенью свободы.
Поэтому при использовании в нем наиболее простого вида двигателя -
асинхронного короткозамкнутого электродвигателя - закон движения балансира
и связанной с ним верхней части колонны насосных штанг всегда определяется
кинематическими параметрами станка-качалки: длиной хода полированного
штока, числом двойных ходов в минуту, длинами и взаимным расположением
подвижных и неподвижных звеньев [11,14].
В станке-качалке предусмотрено уравновешивание усилий с помощью
противовесов, что обеспечивает относительно равномерную загрузку
электродвигателя в течение всего цикла работы установки -электродвигатель
потребляет энергию из сети не только во время подъема штанг с жидкостью, но
и при движении штанг вниз. Это позволяет использовать в СК электродвигатель
существенно меньшей мощности, чем при отсутствии уравновешивания.
Закон перемещения точки подвеса колонны насосных штанг
обусловливает величину усилия, действующего на насосные штанги и станок-
качалку. От расположения противовесов, их массы зависит степень
совершенства уравновешивания СК, на которую так же непосредственно влияют
кинематические данные его механизма.
Задача создания оптимального СК, таким образом, сводится к определению
путем расчета и конструирования вариантов станка-качалки, массы его
редуктора и остальных частей, количества и стоимости быстроизнашивающихся
деталей, в среднем расходуемых за год при различных вариантах (с оценкой
стоимости их замены), среднегодового количества потребляемой электроэнергии
(исходя из к.п.д. станков-качалок различных вариантов), ожидаемого
среднегодового числа обрывов штанг исходя из величины приведенного
напряжения в них при различных вариантах станков-качалок [10,12].
Глобальной задачей проектирования оптимальных ШСНУ является создание
не только отдельных типоразмеров, но и размерных рядов элементов
оборудования ШСНУ, обеспечивающих минимизацию затрат при совокупном их
применении.
При этом необходимо располагать всесторонней информацией, определяющей
использование оборудования, а именно: характеристикой вновь вводимых в
эксплуатацию нефтяных скважин по факторам, определяющим мощность
оборудования, глубину подъема и отбор жидкости, характеристикой фонда
скважин, в которых предстоит замена оборудования из-за физического или
морального износа. При этом следует отметить, что понятие моральный износ,
определяющее выгодность замены оборудования до достижения его физического
износа, малоприменимо к штанговому насосному оборудованию, чему есть две
причины:
Длительная отработка (усовершенствование) элементов оборудования за
время существования штангового насосного способа нефтедобычи оставила мало
возможностей для существенного улучшения их технико-экономических
показателей; трудоемкость операций в неблагоприятных условиях при замене
элементов оборудования ШСНУ, а значит, и значительные затраты на такую
замену.
Таким образом, при разработке оптимальных размерных рядов штангового
насосного оборудования наряду с планированием оснащения оборудованием вновь
вводимых скважин требуется учитывать подлежащее замене физически изношенное
оборудование, практически без учета фактора морального его износа, что
облегчает задачу.
Задача разработки размерных рядов отдельных элементов штангового
насосного оборудования, например станков-качалок и скважинных насосов,
облегчается также малой взаимозависимостью этих рядов друг от друга, что
позволяет проектировать указанные ряды порознь, стыкуя их лишь в области
весьма ограниченного набора параметров, например длины ходов скважинных
насосов и станков-качалок.
Центральной и наиболее трудной задачей, безусловно, является
проектирование размерного ряда станков-качалок. Основной путь ее решения —
разработка на основе общих соображений нескольких вариантов размерного ряда
и последующее расчетное их сопоставление по затратам па эксплуатацию
оборудования и его изготовление, сравнение выполняется, с одной стороны, по
материалоемкости станков-качалок, а с другой стороны, по наличию
дополнительных затрат на освоение производства новых типоразмеров станков-
качалок.
В решении этих задач одной из основных сложностей является плохая
уравновешенность существующих станков-качалок, нее исследованность режимов
комбинированного уравновешивания, а также отсутствие математического
аппарата для аналитического решения задач оптимального динамического
уравновешивания станков-качалок.
1. 3 Расчет усилия в верхней точке колонны насосных штанг
Правильно сконструированная штанговая скважинная насосная установка
должна обеспечивать подъем необходимого количества жидкости с заданной
глубины. Первой задачей расчета ШСНУ является определение усилия в верхней
точке колонны насосных штанг и подачи установки по заданным ее параметрам:
диаметру и глубине спуска насоса, скорости откачки, конструкции колонн
насосных штанг и труб и др [4].
Определение усилия в верхней точке колонны насосных штанг необходимо
для расчета на прочность колонны штанг и механизма станка-качалки.
В процессе возвратно-поступательного движения колонны насосных штанг
на ее различные точки действуют статические, динамические силы и силы
сопротивления. К статическим силам относятся постоянно действующая сила
тяжести колонны насосных штанг и периодически прикладываемое к нижнему
концу колонны усилие от гидростатического давления откачиваемой жидкости в
насосных трубах, определяемое действием скважинного насоса. К динамическим
силам — силы инерции движущихся масс и силы, возникающие от
появления в системе упругих колебаний. Силы сопротивления — силы трения
насосных штанг о трубы, \ плунжера в цилиндре насоса, силы гидравлического
сопротивления, возникающие при движении насосных штанг и деталей насоса в
жидкости [7].
Колонна насосных штанг представляет линейную механическую
систему с распределенными вдоль нее массой и упругостью, а также силами
гидравлического сопротивления от движения штанг в жидкости, которые, если
не считать наклонно-направленных скважин с большой кривизной ствола,
являются количественно преобладающими по сравнению с другими
сосредоточенными силами сопротивления. Усилия в верхней точке колонны штанг
и подачу установки определяют в результате решения задачи механики насосной
установки - нахождения перемещений различных сечений колонны штанг (вдоль
нее) в функции времени с учетом граничных условий на верхнем и нижнем конце
колонны (сверху - привода, а снизу - скважинного насоса).
В более общей постановке задача заключается в определении перемещений
сечений трех связанных линейных механических систем с распределенными
параметрами: колонн насосных штанг, труб и столба жидкости в трубах.
Математическая модель этой задачи представляет совокупность трех
неполных телеграфных уравнений, связанных граничными условиями, которые
отражают влияние работы насоса, представляют собой совокупность различных
кусочных функций. Их область действия заранее не определена, а находится в
процессе решения (заранее неизвестны моменты открытия и закрытия клапанов
насоса). Это делает невозможным нахождение ее в квадратурах, т. е. в виде
совокупности формул, и заставляет использовать либо аналоговые физические
модели, либо конечно-разностные методы.
Между тем анализ обычно устанавливаемых режимов работы: ШСНУ, особенно
в нашей стране, показывает, что подавляющее большинство их таково, что
резонансные явления в колоннах насосных штанг, труб и столбе жидкости слабо
выражены, что позволяет существенно упростить математическую модель, в
конечном счете до такого вида, который допускает решение в квадратурах, и
при этом учесть главные особенности происходящих механических процессов, в
том числе продольные колебания насосных штанг и силы сопротивлений.
Прежде всего, указанное выше позволяет пренебречь распределением массы
и упругости колонны насосных труб, учитывать влияние последней только в
виде сосредоточенной упругости. Далее, проведенными А. С. Вирновским
[5,12].экспериментами на аналоговой модели установлено, что силы
инерционного давления столба жидкости в трубах сколь-нибудь существенны
только при применении скважинных штанговых насосов с диаметром плунжерной
пары 93 мм и более. Такие насосы в настоящее время из-за повсеместного
распространения установок скважинных электронасосов , с высокой подачей
применяются в очень небольших количествах.
Указанное позволяет рассматривать столб жидкости в трубах как тело,
обладающее лишь свойством создавать гидростатическое давление.
Изложенное делает возможным построить математическую модель ШСНУ со
станком-качалкой в качестве привода в виде совокупности решений отдельных
частных задач, а именно:
задачи движения колонны насосных штанг как упругой линейной
инерционной системы на участках начальных деформаций штанг и труб,
обусловленных приложением (ход вверх) и снятием (ход вниз) нагрузки на
скважинный насос от гидростатического давления столба жидкости;
задачи движения в жидкости колонны насосных штанг как
неупругого стержня, обладающего сосредоточенной массой;
задачи движения в жидкости колонны насосных штанг (отдельно
на участках ходов вверх и вниз) как системы с распределенными параметрами
при известных начальных условиях, определяемых состоянием колонны штанг в
моменты окончания периодов начальных деформаций.
Подобная упрощенная математическая модель предполагает затухание
продольных колебаний штанг в концу каждого полухода; решение на ее основе
задачи вычисления нагрузки в точке подвеса штанг в виде совокупности формул
и определение, путем сопоставления с экспериментальными данными [5].
Сопоставление с экспериментальными данными, проведенное на достаточно
широком материале, показало вполне приемлемую точность этого метода.
Колонна насосных штанг принята в виде круглого стержня ' постоянного
по всей длине поперечного сечения. При двух- и трех- ступенчатой колоннах,
составленных из штанг разных диаметров, средний диаметр колонны определяют
по формуле
(1.1)
При этом масса комбинированной колонны насосных штанг
(1.2)
В (1) и (2) d1, d2, d3— диаметры штанг верхней, средней и нижней
ступеней колонны; l1, l2, l3 - относительные длины ступеней колонны штанг
(l1 +l2+l3 = 100 %; при двухступенчатой колонне l3 = 0); q1 ,q2 ,q3 -
средние массы одного метра длины штанг диаметрами d1, d2, d3 ;,L — глубина
подвески насоса.
Колонна насосных труб, внутри которой размещена колонна насосных
штанг, представляет цилиндрическое тело с постоянными по всей длине колонны
проходным отверстием и площадью поперечного сечения тела. При
ступенчатых колоннах (суживающихся книзу) среднюю площадь тела трубы
определяют по формуле
(1.3)
а средняя площадь сечения между НКТ и штангами
(1.4)
где - площади поперечного сечения тела труб у ступеней колонны, см2;
F1, F2, F3 - площади проходного сечения между НКТ и штангами верхней,
средней и нижней ступеней.
Усреднение диаметра и площади поперечного сечения комбинированных
колонн штанг и труб по (1.1) - (1.3) обеспечивает равенство упругих
удлинений под нагрузкой усредненных и фактических колонн штанг и труб.
К нижней трубе прикреплен цилиндр скважинного насоса, а к нижней
штанге — его плунжер. Диаметр плунжерной пары насоса не больше dH = 70 мм.
Верхний конец колонны насосных штанг (точка подвеса) присоединен к
станку-качалке, который сообщает этой точке вертикальное прямолинейно-
возвратное движение по закону S = f(tц), где tц - время, отсчитываемое от
начала цикла S — дважды дифференцируемая по tц функция; соответственно
скорость перемещения точки подвеса штанг v = dSdtn, а ускорение w =
d2Sdtц2.
Функции s, v, w — периодические с периодом Тц = 2πω, где ω -
постоянная угловая скорость вращения кривошипа в механизме привода,
(1.5)
Суммы статических сил, действующих на колонну насосных штанг при ходах
(вверх индекс н ) и вверх (индекс в), после окончания периодов начальных
деформаций соответственно равны
(1.6)
(1.7)
где -площади поперечного сечения плунжера насоса и устьевого штока;
рж, рш- плотности продукции скважины и материала штанг (сталь); рб -
буферное давление (в выкидной линии скважины); QTP H, QTP „ - заданные силы
сухого трения, действующие в совокупности на колонну насосных штанг при
ходах вверх и вниз; ΔН - глубина погружения насоса под динамический уровень
жидкости в эксплуатационной колонне скважины.
1.4 Силовой расчет механизма балансирного станка-качалки
Силовой расчет заключается в определении действующих на части станка-
качалки нагрузок. Это необходимо для последующего расчета на прочность этих
частей (детали, подшипники, сборочные единицы).
Для определения этих нагрузок необходимо знать законы движения звеньев
механизма станка-качалки и действующее на него усилие со стороны скважины.
Так как станок-качалка представляет собой плоский механизм с одной степенью
свободы, законы движения всех его частей определяются законом движения
точки подвески штанг. Действующее на станок-качалку со стороны скважины
усилие отличается от определенного в
1. 3 на величину усилия в устьевом сальнике ±QC (положительное значение
применяют при ходе вверх, а отрицательное - при ходе вниз), а также на
величину веса устьевого штока и канатной подвески и сил инерции от их масс
[9,11].
При откачке жидкости из скважины в подземной части насосной установки
действуют следующие силы [18].
1. Статические силы веса штанг, труб и столба
жидкости.
Вес штанг и столба жидкости в подъемных трубах составляет основную
нагрузку на штанги. Но, кроме того, гидростатическое давление столба
жидкости в боковом направлении создает в штанге и трубах дополнительные
растягивающие усилия. Штанга равномерно по окружности подвергается обжиму,
а это вызывает растягивающие напряжения, но в точке подвеса штанг они не
ощущаются. Давление столба жидкости на внутреннюю поверхность труб создает
растягивающие усилия в радиальном направлении. Наконец, действие давления
жидкостного столба приводит к возникновению эффекта Лубинского,
выражающегося в том, что при ходе плунжера вверх низ колонны труб
изгибается.
2. Архимедова сила, действующая на штанги, погруженные в жидкость, и
уменьшающая вес штанг.
3. Силы инерции движущихся масс штанг, столба жидкости
и труб.
4. Силы упругости материала штанг, труб и столба жидкости.
5. Силы трения:
а) полужидкое трение штанговых муфт и головок штанг трубы и плунжера
в цилиндре насоса (величина сил трения
мало зависит от скорости взаимного перемещения трущихся де
талей и поэтому обычно принимается независящей от скорости) ;
б) гидродинамическое (жидкостное) трение штанг в потоке
жидкости, а также местные сопротивления при обтекании
жидкостью муфтовых соединений штанг (нередко существенную роль играют силы
трения при прохождении жидкости через насосные клапаны, особенно через
нагнетательный клапан; гидродинамическое трение имеет место также в зазоре
пары плунжер—цилиндр, но в обычных условиях оно очень мало);
в) сухое или чаще полусухое трение насосных труб (или
муфтовых соединений) об эксплуатационную колонну;
г) внутреннее трение в материале штанг и труб при их деформациях во время
работы установки (этот вид трения имеет небольшое значение по сравнению с
другими видами).
Значимость тех или иных сил различна в зависимости от условий
эксплуатации, режима откачки и других показателей. Например, силы
полужидкого трения штанг о трубы в обычных условиях (в вертикальных
скважинах при средних глубинах и режимах работы оборудования) невелики, а в
скважинах со значительной кривизной приобретают нередко решающее значение.
Силы инерции при небольших числе качаний, длине хода и глубине спуска
насоса малы, а в других условиях они составляют значительную часть нагрузки
на штанги и т. д.
В связи с этим представляет интерес расчетный баланс работ сил трения
в вертикальной скважине при глубине спуска насоса 1000 м, диаметре насоса
32 мм, длине хода 1,5 м и кинематической вязкости жидкости 0,3 см2с При
малых скоростях откачки (первая строка таблицы) в балансе сил трения 70%
занимает полужидкое трение штанговых муфт о стенки труб и только
10%—гидродинамическое трение в потоке, движущемся в трубах. Но при
увеличении скорости откачки гидродинамическое трение быстро растет и уже
при скорости 27 ммин {нижняя строка) доля его возрастает до 72%, а доля
полужидкого трения составляет всего 19%. Интересно, что к. п. д. подземной
части установки при режиме, соответствующем первой строке таблицы,
составляет (при новом насосе) 0,75, а последней строке — 0,55. Таково
воздействие на работу установки гидродинамического трения.
Число качаний, 1мин
6 12 18
Скорость откачивания жидкости, ммин. 9
18 27
Работа, кгс∙м (%):
гидродинамических сил трения 20(10)
140(40,5) 555(72)
сил местных сопротивлений
1,5(1) 7(2) 14(2)
сил сопротивлений в
паре плунжер-цилиндр
39(18) 39(11,5) 39(5)
сил сопротивления в
клапанах 2(1)
9(2,5) 15(2)
сил полужидкого трения
150(70) 150(43,5) 150(19)
всех сил трения
212,5(100) 345(100) 773(100)
В каждом конкретном случае одни силы не учитываются, так как имеют
незначительное влияние на процесс, а другие существенно влияют на процесс
откачивания жидкости. Но некоторые силы (силы веса штанг и жидкостного
столба, архимедова сила и силы упругости штанг и труб) учитываются всегда
при решении любых вопросов насосной добычи нефти.
1.5 Простейший теоретический и реальный циклы работы глубинного насоса
и его динамограмма.
Рассмотрим работу глубинного насоса при следующих
условиях.
1. В подземной части установки действуют только статические силы веса штанг
и столба жидкости, архимедова сила и силы упругости материала штанг и
труб. Отсутствие сил инерции означает, что штанги и плунжер движутся
очень медленно(строго говоря, бесконечно медленно).
2. Утечки жидкости в зазоре плунжерной пары, в клапанах и трубах
отсутствуют.
3. Откачивается однофазная полностью дегазированная
жидкость.
Как следует из принятых условий, рассматривают полностью
идеализированную схему работы глубинного насоса. Однако эта схема имеет
важнейшее значение для решения практических задач.
На схемах (рис. 1.1) представлены основные положения плунжера при
установившейся работе глубинного насоса.
В крайнем нижнем положении колонны штанг (рис.1.1,а) вес столба
жидкости высотой Н и сечением, равным сечению плунжера, действует на
приемный клапан и поэтому трубы растянуты не только от действия
собственного веса, но и от веса указанного столба жидкости; оба клапана
(приемный и нагнетательный) закрыты.
В следующий момент начинается движение точки подвеса штанг вверх, что
вследствие герметичности насоса обусловливает передачу нагрузки на штанги,
создаваемой весом столба жидкости. Это вызовет одновременно уменьшение
длины труб и растяжение штанг, длящееся до тех пор, пока вес столба
жидкости полностью не перейдет с труб па штанги. В течение всего этого
процесса плунжер остается неподвижным по отношению к цилиндру и оба клапана
насоса закрыты, но весь насос вследствие сокращения длины труб переместится
вверх на величину этого сокращения λт (рис. 1.1,б).
Описанный процесс называется процессом восприятия штангами нагрузки от
веса столба жидкости. Как только он заканчивается, начинается движение
плунжера вверх вместе со штангами и жидкостью, при этом одновременно
открывается приемный клапан. Это рабочий ход плунжера -процесс хода
плунжера вверх, при котором жидкость подается в нагнетательную трубу и
затем из скважины в цилиндр насоса. Рабочий ход плунжера продолжается до
крайнего верхнего положения точки подвеса (и всей колонны) штанг, где вся
Движущаяся система останавливается и приемный клапан закрывается (рис.
1.1,в).
Затем начинается движение точки подвеса штанг вниз, вследствие чего
штанги разгружаются от веса столба жидкости и этот вес передается на трубы.
Этот процесс разгрузки штанг от веса жидкости обусловливает сокращение
длины штанг и растяжение труб до первоначальных значений этих длин. Как и
при восприятии нагрузки штангами, в процессе разгрузки штанг плунжер
остается неподвижным по отношению к цилиндру, а оба клапана закрытыми. Но
растяжение труб вызовет перемещение всего насоса вниз на величину этого
растяжения λт .
Рисунок 1.1 Схема простейшего теоретического цикла глубинного насоса.
а- конец движения плунжера вниз (крайнее положение точки подвеса штанг и
плунжера); б- конец процесса восприятия штангами нагрузки от столба
жидкости; в- конец процесса движения плунжера вверх ( крайнее верхнее
положение точки подвеса штанг и плунжера); г- процесс движения плунжера
вниз.
Как только вес жидкости полностью передастся на трубы, откроется
нагнетательный клапан и начнется процесс хода плунжера вниз (рис. 1.1,г). В
этом движении участвуют только штанги как твердое тело; процесс
продолжается до крайнего нижнего положения точки подвеса штанг, где система
остановится и нагнетательный клапан закроется.
При последующем движении точки подвеса штанг вверх все процессы
повторяются в описанном порядке. Таким образом, простейший цикл работы
глубинного насоса состоит из четырех процессов, всегда рассматриваемых в
указанном порядке.
Представим теперь этот цикл аналитически и графически в координатах: s
- перемещение точки подвеса штанг; Р - нагрузка на штанги в точке их
подвеса (рис. 1.2).
Точка а соответствует крайнему нижнему положению точки подвеса штанг.
В этой точке цикла будет действовать только вес штанг, погруженных в
жидкость:
(1.8)
где q' - вес 1 м штанг в откачиваемой жидкости, кгсм; L - длина спущенных
штанг, м; Рш'— вес колонны штанг, погруженной в жидкость, кгс.
Рисунок 1.2 Теоретическая динамограмма простейшего цикла работы насоса.
а-б- процесс восприятия штангами нагрузками от столба жидкости; б-в
–процесс движения плунжера вверх; в-г- процесс разгрузки штанг; г-а-
процесс движения плунжера вниз
Ход вверх начинается с растяжения штанг от нагрузки весом жидкости и
сокращения длины труб
P'=Fv (L - h) = F у Н,
(1.9)
где FH - площадь поперечного сечения плунжера, м2; уж - объемный вес
откачиваемой жидкости, кгсм3; L - глубина спуска насоса, м; h — погружение
насоса под динамический уровень, м; Я -высота подъема жидкости, м; Рж'-вес
столба жидкости, кгс.
Общая потеря хода точки подвеса штанг на упругие удлинения штанг и
труб:
(1.10)
где Е - модуль упругости стали, кгссм2; fш и fт - площади поперечных
сечений штанг и труб соответственно, см2; λ- суммарное удлинение штанг и
труб, м.
где λш – удлинение ; λт - удлинение труб.
Величину λ откладывают на оси абсцисс (см. рис. 2). Далее из (1.9) и
(1.10) определяют нагрузку в конце процесса восприятия веса жидкости
штангами:
Рmax =Р'ж +Р'ш (1.11)
и откладывают ее на оси ординат. Полученную точку б конца процесса
восприятия штангами веса жидкости (и открытия приемного клапана)
соединяем с а прямой, так как растяжение колонны штанг и сокращение длины
труб прямо пропорционально перемещению точки подвеса штанг. Затем наносим
на график линию процесса хода плунжера вверх б-в, длина которой:
SПЛ =S0- λ, (1.12)
где So - длина хода точки подвеса штанг, м; SПЛ длина хода плунжера в
цилиндре, м.
Линии динамограммы в-г (процесс разгрузки штанг) и г-а (процесс
хода плунжера вниз) симметричны по отношению к рассмотренным выше.
Полученная расчетным путем динамограмма простейшего цикла работы
насоса называется простейшей теоретической динамограммой и вследствие
принятых при ее построении условий представляет собой параллелограмм.
Производительность установки при рассматриваемом цикле
определяется по формуле
Qcyт = 1440FНn SПЛ = 1440 FНn (S0+λ)
(1.13)
где Qсут- производительность, м3сут; п - число циклов насоса, мин.
Коэффициент подачи насоса
где ηп - коэффициент подачи; QT - теоретическая производительность насоса.
QT= 1440FНnS0
Расчетные формулы (1.8), (1.11) и (1.12) позволяют точно определять
характерные параметры простейшего цикла: наибольшую и наименьшую нагрузки
на штанги за цикл действия насоса и производительность установки. При этом
следует учитывать характеристику подачи жидкости (выброса жидкости) при
простейшем цикле: при ходе вверх полированный шток освобождает некоторый
объем в трубах и поэтому объем переливающейся жидкости на устье скважины
будет на соответствующую величину меньше объема, описанного плунжером:
.
Затем в процессе хода вниз полированный шток, погружаясь в жидкость,
вытеснит из труб объем . При этом подача насоса за весь цикл
.
Следовательно, в рассматриваемом цикле работа глубинного насоса
аналогична работе дифференциального насоса. Несмотря на то, что рабочим
ходом его является только ход вверх, подача имеет место и при ходе вниз. В
зависимости от вели- к чины отношения FНfшт подача при ходе вниз может
быть и меньше, и больше, чем при ходе вверх. В частности, при FНfшт ≈ 1
подача будет только при ходе вниз (при медленной откачке жидкости насосом
диаметром 28 мм с полированным штоком такого же диаметра).
К.п.д. простейшего цикла при отсутствии в этом цикле потерь равен 1,0
(100%).
Простейший теоретический цикл глубинного насоса и его динамограмма
позволяют представить работу насоса и его клапанов, что совершенно
необходимо для контроля хода эксплуатации и выявления различных неполадок.
Динамограмма простейшего теоретического цикла является основой для
обработки и расшифровки практических динамограмм и получения качественной и
количественной информации о состоянии насоса.
Теоретический цикл глубинного насоса (близкий к реальному циклу) может
быть при очень медленном движении штанг, так как только при этом условии
силы инерции и жидкого трения практически неощутимы.
Рассмотрим теоретическую динамограмму с учетом сил веса штанг и
жидкости, архимедовой и полужидкостного трения штанг о трубы (рис. 1.3,а).
Последняя - постоянна по величине на каждом полуцикле насоса. Пунктиром
намечен контур простейшей теоретической динамограммы, причем процессы
восприятия и снятия нагрузки штангами совпадают у обеих динамограмм.
На рис. 1.3,б представлена действительная динамограмма работы насоса в
глубокой стендовой скважине при очень медленном движении штанг: числе
качаний в минуту п = 1,6 и длине хода точки подвеса Sо=1,2 м. Здесь также
помечен пунктиром контур простейшей теоретический динамограммы.
Теоретическая и действительная динамограммы на рис. 3,а и 3,б
рассматриваемого типа близки по форме.
Рассмотрим влияние сил инерции на усилия в штангах и на форму
динамограммы.
В насосной установке инерционные нагрузки на штанги возникают от
неравномерного движения точки подвеса штанг и работы клапанов насоса.
Исключим работу клапанов насоса и рассмотрим только движение так
называемой свободной штанги. При неравномерном движении точки подвеса
штанги возникают силы инерции. Представим, что масса штанг сосредоточена
вблизи точки подвеса. Тогда для поступательно-возвратного движения график
ускорения точки подвеса будет иметь вид, представленный на рис. 1.4, а
теоретическая динамограмма - на рис.1.5. Здесь линии ходов вверх и вниз
совпадают, поскольку исключены действия всех видов сил трения. Наибольшие
положительные и отрицательные силы инерции имеют место в конечных
положениях точки подвеса (см. рис. 1.5). В серединах ходов вверх и вниз
сила инерции равна нулю.
В практических условиях масса штанг рассредоточена по всей длине
колонны. Поэтому при колебательном движении в штанговой колонне возникают
вынужденные упругие колебания.
Рисунок 1.3. Динамограммы циклов с полужидкостным трением.
а - теоретический цикл: а'-б'-в'-г' - циклы с учетом полужидкого
трения штанг о трубы, а-б-в-г- простейший теоретический цикл; б-
динамограмма реального цикла, полученная экспериментально.
Кроме того, штанговая колонна движется в трубах, заполненных
жидкостью, и при ее движении возникают значительные силы трения. При
средних и форсированных режимах откачки основной вид трения -это
гидродинамическое трение в насосном подъемнике, зависящее от скорости
перемещения штанги (см. табл. 1.1).
Рисунок 1.4. График ускорения точки подвеса штанг.
о - истинное ускорение; ω- угловая скорость кривошипа; г - радиус
кривошипа (r=So2)
При исследовании нагрузок, действующих на свободные штанги в глубоких
стендовых скважинах (рис. 1.6), получена характерная динамограмма свободной
штанги [7]. Площадь внутри замкнутого контура, описанного по движению
часовой стрелки, представляет собой работу сил трения главным образом
жидкостного. Характерной особенностью рассматриваемых динамограмм является
инерционный поворот всего контура динамограммы по часовой стрелке (см.
рис. 5).
Положим, что при работе насоса в штанговой колонне и жидкостном столбе
колебательные процессы не возникают. Тогда инерционный цикл насоса по И. Г.
Белову [14] будет представлен в виде, показанном на рис. 1.7, а (пунктиром
для сравнения показан также контур простейшего теоретического цикла).
Рисунок 1.5. Теоретическая динамограмма усилий в точке подвеса штанг при
условии, что масса штанг сосредоточена в этой точке.
Рисунок 1.6 Динамограмма свободной штанги, снятая на стендовой
скважине
Этот цикл уже довольно близок к обычному, реальному циклу насоса (при
средних и малых глубинах и числах качаний), если не принимать во внимание
отсутствие в нем колебательного процесса, вызванного работой насоса.
Рисунок 1.7 Инерционный цикл насоса.
а - теоретическая инерционная динамограмма нормальной работы насоса без
учета собственных колебаний штанг и столба Жидкости (а-б-в-г-д-е -
инерционная динамо-грамма); б- схематическое изображение собственных
колебаний штанговой колонны.
Характерные особенности рассматриваемого теоретического инерционного
цикла следующие. В конце хода штанг вниз возникает инерционная нагрузка на
штанги (от сил инерции массы только штанг), измеряемая отрезком аха.
Очевидно, что следствием этого является соответственное увеличение длины
хода плунжера. Аналогичная картина наблюдается и в конце хода вверх, но
здесь силы инерции суммируются: от массы штанг и массы столба
жидкости. Поэтому приращение хода плунжера здесь несколько больше, чем в
конце хода вниз. Впрочем практически ощутимыми эти приращения становятся
лишь при больших глубинах спуска насоса. В конце процесса восприятия
штангами нагрузки и разгрузки условно показаны импульсы силы инерции,
обусловленные скачком скорости при внезапном начале движения плунжера
вверх.
Общий характерный признак динамограммы рассматриваемого цикла -
инерционный поворот ее по часовой стрелке.
Рассмотрим инерционные нагрузки на штанги, вызываемые непосредственно
работой глубинного насоса.
Представим себе колонну насосных штанг, закрепленную неподвижно на
верхнем конце. Нагрузим сразу нижний конец колонны или просто оттянем его
книзу и отпустим. Очевидно, что при этом в колонне возникнут собственные
упругие колебания и колонна будет периодически удлиняться и укорачиваться
(сжиматься) по сравнению с ее длиной в статическом состоянии. При этом в
точке подвеса штанг усилие будет то больше веса колонны (при удлинении ее),
то меньше. В результате получим волнообразную линию нагрузки (см. рис. 1.7,
б) с постепенным затуханием амплитуды колебаний из-за сил трения. Описанные
явления можно продемонстрировать на модели, состоящей из мягкой
металлической пружины с грузиком на нижнем конце.
В натуральном (действительном) цикле насоса при наиболее распро-
страненных условиях эксплуатации определяющее значение имеют статические
силы веса штанг и жидкости, а также инерционные нагрузки от вынужденных и
собственных упругих колебаний столба жидкости. Силы трения -
гидродинамическое трение в потоке жидкости, движущемся в кольце в I-вом
пространстве между трубами и штангами (включая и местные сопротивления у
головок штанг), и полужидкое трение штанг о трубы.
Схема формирования инерционных усилий в цикле насоса заключается в
следующем. В процессах нагрузки и разгрузки штанг инерционные силы в
Основном возникают вследствие вынужденных колебаний штанговой колонны, у
которой нижний конец неподвижен или же движется с малым ускорением. Здесь
на величину инерционной нагрузки могут влиять и колебательные процессы в
конце ходов плунжера вверх и вниз, поскольку колебания затухают не
полностью.
В процессе хода плунжера вверх инерционные усилия формируются в
результате одновременного действия вынужденных и собственных упругих
колебаний ... продолжение
Вы можете абсолютно на бесплатной основе полностью просмотреть эту работу через наше приложение.
Казахский национальный технический университет имени К.И. Сатпаева
Институт машиностроения
Кафедра Теоретическая и прикладная механика
ДОПУЩЕН К ЗАЩИТЕ
Зав.кафедрой, д.т.н
____________С.М. Ибраев
_________________2006г.
ДИПЛОМНАЯ РАБОТА
Тема Динамический синтез и анализ преобразующего механизма штанговых
насосных установок (ШНУ)
Консультант по стандартизации
Руководитель
___________________________ д.т.н.,
профессор
уч.степень, звание
уч.степень, звание
____________ Е.Т. Бекенов ____________
С.М.Ибраев
____________________2006г. ___________________2006г.
Рецензент Студент____ _____ Жакасов М.Д.
к.т.н., доцент КБТУ Специальность
250240 уч.степень, звание
M.Б.Измамбетов
Группа ДиПМ 01-2
___________________________2006г.
Алматы 2006
СОДЕРЖАНИЕ
Стр
Введение
1 Основные положения силового и динамического расчета привода
штанговых насосных установок 6
6
Задачи конструирования нефтепромыслового оборудования
7
Основные задачи проектирования штанговой насосной установки и ее 11
элементов 16
Расчет усилия в верхней точке колонны насосных штанг 19
Силовой расчет механизма балансирного станка-качалки 31
Простейший теоретический и реальный циклы работы глубинного 34
насоса и его динамограмма 34
34
Расчет максимальной и минимальной нагрузок в точке подвеса 38
колонны штанг 47
2 Исследование кинематики и кинетостатики привода штанговых 66
насосных установок
66
2.1. Кинематика привода штанговых насосных установок
70
2.1.1 Анализ положений
2.1.2 Анализ перемещений
2.2 Кинетостатика привода штанговых насосных установок 74
3 Исследование режимов оптимального уравновешивания привода 82
штанговых насосных установок 83
3.1 Аналитическое решение задачи оптимального динамического
уравновешивания 85
85
3.2 Оптимальное уравновешивание привода штанговых насосных 86
установок с роторным способом уравновешивания 95
3.3 Оптимальное уравновешивание привода штанговых насосных
установок с комбинированным способом уравновешивания
Заключение
Список литературы
Приложение Описание программы SK_R2_02 для кинематического и
кинетостатического расчета и оптимального уравновешивания ШНУ
П.1. Исходные данные
П.2. Описание файла исходных данных
П.3. Выходной поток данных
АННОТАЦИЯ
Целью работы является исследование режимов динамического
уравновешивания преобразующего механизма привода штанговых насосных
установок и силовой расчет механизма при различных режимах нагружения и
уравновешивания.
Выполнены кинематический и кинетостатический расчёт механизмов ШНУ с
двухплечим балансиром и роторным уравновешиванием и определены оптимальные
режимы уравновешивания. Методика и программы использовались для расчёта
станков-качалок с максимальными нагрузками в устьевом сальнике 6т.
Проведен расчёт кинематических параметров ПШНУ при различных входных
данных и получены зависимости для перемещений, скоростей и ускорений
звеньев и характерных точек. Получены таблицы и графики сил реакций в
шарнирных соединениях, момента на выходном валу редуктора, исследованы
режимы уравновешивания. Решена задача динамического уравновешивания и
проведен сравнительный анализ режимов роторного и комбинированного
уравновешивания.
АНДАТПА
Жұмыстың мақсаты – штангалы насос қондырғының түрлендіруші механизмнің
динамикалық теңгерілу режимдерін зерттеу және осы механизмнің күштік
анализын жасау.
Екі иінді теңгергішті және ротормен теңестірілетін штангалы насосты
құрылғының түрлендіргіш механизмдердін тиімді теңестіру және кинематикалық,
кинетостатикалық есептеулер үшін қолданбалы программалар жиынтығы,
алгоритмдері және әдістемесі құрылған. Бұл әдістемелер мен программалар
сағалы сальнигінде максималды жүктемесі бар тербелткіш құрылғыны есептеуге
қолданылды.
Әр түрлі кіріс параметрлеріндегі штангалы насосты құрылғының
приводының кинематикалық параметрлерін есептеу жүргізілді және және
нәтижесінде буындардың орын ауыстыруларының жылдамдықтарының және
үдеулерінің тәуелдіктері алынды. Сонымен қатар шарнирлі байланыстардағы
реакция күштерінің редуктордың шығыс білегіндегі моменттің графиктерімен
таблицалары алынды және теңестіру режимдері зерттелді. Динамикалық теңгеру
есебі қарастырылып, роторлық теңгеру және күрделі теңгеру режимдері
салыстырылды.
ВВЕДЕНИЕ
Развитие машиностроения в нефтегазовой промышленности является одним
из приоритетных направлений для нашей Республики. Особенно остро стоит
проблема снижения себестоимости добываемой нефти. Ещё в недавнем прошлом в
условиях падения мировых цен на нефть нефтедобывающая отрасль Казахстана
перестала быть рентабельной.
Из существующих механизированных способов добычи нефти самым
распространённым (как у нас в стране, так и за рубежом) является штанговый
глубиннонасосный с балансирными индивидуальными приводами механического
действия (около 10 000 из действующего фонда скважин). Приводы
предназначены для приведения плунжера глубинного насоса, находящегося в
скважине, в возвратное - поступательное движение при помощи штанг.
Балансирные станки – качалки имеют простую, хорошо изученную схему и, по
сравнению с другими приводами, экономичную, ремонтно-пригодную конструкцию.
Конструкции существующих типоразмеров станков-качалок были
окончательно разработаны в 60-80 годы. При этом для моделирования их работы
на стадии проектирования использовались приближенные формулы, что
обуславливалось ограниченностью существовавших тогда ЭВМ. Отсутствие
надёжного и эффективного инструмента для их моделирования и оптимального
проектирования является одной из основных причин того, что сущесьвующие
установки плохо уравновешаны [6]. В работающих на промыслах станках
применяется только роторное уравновешивание, а возможности комбинированного
уравновешивания не использовались. Возможности современных ПЭВМ, а также
современный математический аппарат теории квадратического приближения
позволяют решить задачу оптимального динамического уравновешивания
преобразующих механизмов привода штанговых насосных установок (ШНУ) на
основе как роторного так и комбинированного уравновешивания.
Глава 1.Основные положения силового и динамического расчета привода
штанговых насосных установок
1.1 Задачи конструирования нефтепромыслового оборудования
Конструирование, создание нового или модернизированного оборудования
являются основой развития машиностроения. В то же время от машиностроения в
решающей мере зависят темпы экономического роста страны. Для достижения
основной цели нефтяной и газовой промышленности — добычи нефти и газа
-необходимо решить ряд задач, среди которых создание эксплуатационного
оборудования — одна из главнейших [1,2].
Таким образом, конструирование новых, совершенных
машин для нефте- и газодобывающей отраслей промышленности является основой
развития этих отраслей.
Отсюда и задачи, стоящие перед конструктором, весьма
ответственны, сложны и многообразны.
Эксплуатационное оборудование обеспечивает выполнение технологических
процессов при разработке нефтяных, газовых и газоконденсатных
месторождений[2]. Это, в частности, подъем жидкости из скважин,
восстановление или интенсификация притока продукции пласта к ним
(гидроразрыв пласта, кислотная или термическая обработка призабойной зоны
пласта или пласта в целом и т. д.), различные ремонтные работы на
скважинах, сбор продукции и подготовка ее к использованию или
транспортировке потребителю.
Эффективность оборудования определяют рядом
показателей. Среди них высокая производительность машин при достаточной
надежности, малых массе и габаритах; объем и стоимость эксплуатационных и
ремонтных работ, степень автоматизации работы оборудования, расход
дефицитных материалов и затраты на его изготовление, Оборудование должно
также удовлетворять требованиям технической эстетики и многим другим
показателям технического уровня, большая часть которых отражается в
экономических критериях оценки оборудования. [5,8].
Для каждого из видов оборудования можно выделить
главные показатели, имеющие определяющее значение по сравнению с другими.
Так, например, агрегаты для подземного ремонта скважин должны иметь малую
массу при достаточной грузоподъемности, хорошую проходимость, большую
скорость передвижения высокую надежность. Скважинному оборудованию при
всех; других условиях необходимо иметь весьма малые диаметры, высокую
надежность. Последний показатель наиболее важен, так как отсутствует
возможность частого профилактического осмотра и ремонта.
1. 2 Основные задачи проектирования штанговой насосной установки и ее
элементов
Из механизированных способов добычи нефти наибольшее
распространение получили штанговые скважинные насосные установки (ШСНУ).
Этому способствовали конструктивная простота, недефицитность и дешевизна
применяемых при их изготовлении материалов, высокая надежность и
неприхотливость в обслуживании [20].
Различие нефтяных скважин по объему продукции и требуемой
высоте ее подъема определяет необходимость иметь размерный ряд по мощности
штанговых насосных установок.
Разнообразие профилей скважин, состава продукции обусловливает
необходимость иметь несколько конструктивных вариантов внутрискважин-ных
элементов оборудования, наиболее приспособленных к условиям эксплуатации, и
варианты исполнения этих элементов оборудования, соприкасающихся с
продукцией, так же и по применяемым материалам, с тем чтобы обеспечить их
наибольшую износостойкость, коррозионную стойкость и коррозионно-
усталостную прочность в условиях воздействия различных сред.
Все виды ШСНУ включают три главные взаимосвязанные части:
привод, устанавливаемый у устья скважины; плунжерный насос, располагаемый в
глубине скважины, и колонну насосных штанг, присоединяемую к приводу,
сообщающему подвижной части насоса возвратно-поступательное движение, и
этим приводящую его в действие.
В качестве привода ШСНУ в нашей стране и за рубежом наиболее
широко применяются балансирные станки-качалки, состоящие из редуктора и
сдвоенного четырехзвенного шарнирного механизма, преобразующего
вращательное движение кривошипов в поступательное движение балансира, к
дуге головки которого с помощью гибкого звена - канатной подвески -
подсоединен устьевой шток с прикрепленной к нему колонной насосных штанг
[16].
Широкому распространению станков-качалок способствовала их
высокая надежность.
Станок-качалка представляет собой механизм с одной степенью свободы.
Поэтому при использовании в нем наиболее простого вида двигателя -
асинхронного короткозамкнутого электродвигателя - закон движения балансира
и связанной с ним верхней части колонны насосных штанг всегда определяется
кинематическими параметрами станка-качалки: длиной хода полированного
штока, числом двойных ходов в минуту, длинами и взаимным расположением
подвижных и неподвижных звеньев [11,14].
В станке-качалке предусмотрено уравновешивание усилий с помощью
противовесов, что обеспечивает относительно равномерную загрузку
электродвигателя в течение всего цикла работы установки -электродвигатель
потребляет энергию из сети не только во время подъема штанг с жидкостью, но
и при движении штанг вниз. Это позволяет использовать в СК электродвигатель
существенно меньшей мощности, чем при отсутствии уравновешивания.
Закон перемещения точки подвеса колонны насосных штанг
обусловливает величину усилия, действующего на насосные штанги и станок-
качалку. От расположения противовесов, их массы зависит степень
совершенства уравновешивания СК, на которую так же непосредственно влияют
кинематические данные его механизма.
Задача создания оптимального СК, таким образом, сводится к определению
путем расчета и конструирования вариантов станка-качалки, массы его
редуктора и остальных частей, количества и стоимости быстроизнашивающихся
деталей, в среднем расходуемых за год при различных вариантах (с оценкой
стоимости их замены), среднегодового количества потребляемой электроэнергии
(исходя из к.п.д. станков-качалок различных вариантов), ожидаемого
среднегодового числа обрывов штанг исходя из величины приведенного
напряжения в них при различных вариантах станков-качалок [10,12].
Глобальной задачей проектирования оптимальных ШСНУ является создание
не только отдельных типоразмеров, но и размерных рядов элементов
оборудования ШСНУ, обеспечивающих минимизацию затрат при совокупном их
применении.
При этом необходимо располагать всесторонней информацией, определяющей
использование оборудования, а именно: характеристикой вновь вводимых в
эксплуатацию нефтяных скважин по факторам, определяющим мощность
оборудования, глубину подъема и отбор жидкости, характеристикой фонда
скважин, в которых предстоит замена оборудования из-за физического или
морального износа. При этом следует отметить, что понятие моральный износ,
определяющее выгодность замены оборудования до достижения его физического
износа, малоприменимо к штанговому насосному оборудованию, чему есть две
причины:
Длительная отработка (усовершенствование) элементов оборудования за
время существования штангового насосного способа нефтедобычи оставила мало
возможностей для существенного улучшения их технико-экономических
показателей; трудоемкость операций в неблагоприятных условиях при замене
элементов оборудования ШСНУ, а значит, и значительные затраты на такую
замену.
Таким образом, при разработке оптимальных размерных рядов штангового
насосного оборудования наряду с планированием оснащения оборудованием вновь
вводимых скважин требуется учитывать подлежащее замене физически изношенное
оборудование, практически без учета фактора морального его износа, что
облегчает задачу.
Задача разработки размерных рядов отдельных элементов штангового
насосного оборудования, например станков-качалок и скважинных насосов,
облегчается также малой взаимозависимостью этих рядов друг от друга, что
позволяет проектировать указанные ряды порознь, стыкуя их лишь в области
весьма ограниченного набора параметров, например длины ходов скважинных
насосов и станков-качалок.
Центральной и наиболее трудной задачей, безусловно, является
проектирование размерного ряда станков-качалок. Основной путь ее решения —
разработка на основе общих соображений нескольких вариантов размерного ряда
и последующее расчетное их сопоставление по затратам па эксплуатацию
оборудования и его изготовление, сравнение выполняется, с одной стороны, по
материалоемкости станков-качалок, а с другой стороны, по наличию
дополнительных затрат на освоение производства новых типоразмеров станков-
качалок.
В решении этих задач одной из основных сложностей является плохая
уравновешенность существующих станков-качалок, нее исследованность режимов
комбинированного уравновешивания, а также отсутствие математического
аппарата для аналитического решения задач оптимального динамического
уравновешивания станков-качалок.
1. 3 Расчет усилия в верхней точке колонны насосных штанг
Правильно сконструированная штанговая скважинная насосная установка
должна обеспечивать подъем необходимого количества жидкости с заданной
глубины. Первой задачей расчета ШСНУ является определение усилия в верхней
точке колонны насосных штанг и подачи установки по заданным ее параметрам:
диаметру и глубине спуска насоса, скорости откачки, конструкции колонн
насосных штанг и труб и др [4].
Определение усилия в верхней точке колонны насосных штанг необходимо
для расчета на прочность колонны штанг и механизма станка-качалки.
В процессе возвратно-поступательного движения колонны насосных штанг
на ее различные точки действуют статические, динамические силы и силы
сопротивления. К статическим силам относятся постоянно действующая сила
тяжести колонны насосных штанг и периодически прикладываемое к нижнему
концу колонны усилие от гидростатического давления откачиваемой жидкости в
насосных трубах, определяемое действием скважинного насоса. К динамическим
силам — силы инерции движущихся масс и силы, возникающие от
появления в системе упругих колебаний. Силы сопротивления — силы трения
насосных штанг о трубы, \ плунжера в цилиндре насоса, силы гидравлического
сопротивления, возникающие при движении насосных штанг и деталей насоса в
жидкости [7].
Колонна насосных штанг представляет линейную механическую
систему с распределенными вдоль нее массой и упругостью, а также силами
гидравлического сопротивления от движения штанг в жидкости, которые, если
не считать наклонно-направленных скважин с большой кривизной ствола,
являются количественно преобладающими по сравнению с другими
сосредоточенными силами сопротивления. Усилия в верхней точке колонны штанг
и подачу установки определяют в результате решения задачи механики насосной
установки - нахождения перемещений различных сечений колонны штанг (вдоль
нее) в функции времени с учетом граничных условий на верхнем и нижнем конце
колонны (сверху - привода, а снизу - скважинного насоса).
В более общей постановке задача заключается в определении перемещений
сечений трех связанных линейных механических систем с распределенными
параметрами: колонн насосных штанг, труб и столба жидкости в трубах.
Математическая модель этой задачи представляет совокупность трех
неполных телеграфных уравнений, связанных граничными условиями, которые
отражают влияние работы насоса, представляют собой совокупность различных
кусочных функций. Их область действия заранее не определена, а находится в
процессе решения (заранее неизвестны моменты открытия и закрытия клапанов
насоса). Это делает невозможным нахождение ее в квадратурах, т. е. в виде
совокупности формул, и заставляет использовать либо аналоговые физические
модели, либо конечно-разностные методы.
Между тем анализ обычно устанавливаемых режимов работы: ШСНУ, особенно
в нашей стране, показывает, что подавляющее большинство их таково, что
резонансные явления в колоннах насосных штанг, труб и столбе жидкости слабо
выражены, что позволяет существенно упростить математическую модель, в
конечном счете до такого вида, который допускает решение в квадратурах, и
при этом учесть главные особенности происходящих механических процессов, в
том числе продольные колебания насосных штанг и силы сопротивлений.
Прежде всего, указанное выше позволяет пренебречь распределением массы
и упругости колонны насосных труб, учитывать влияние последней только в
виде сосредоточенной упругости. Далее, проведенными А. С. Вирновским
[5,12].экспериментами на аналоговой модели установлено, что силы
инерционного давления столба жидкости в трубах сколь-нибудь существенны
только при применении скважинных штанговых насосов с диаметром плунжерной
пары 93 мм и более. Такие насосы в настоящее время из-за повсеместного
распространения установок скважинных электронасосов , с высокой подачей
применяются в очень небольших количествах.
Указанное позволяет рассматривать столб жидкости в трубах как тело,
обладающее лишь свойством создавать гидростатическое давление.
Изложенное делает возможным построить математическую модель ШСНУ со
станком-качалкой в качестве привода в виде совокупности решений отдельных
частных задач, а именно:
задачи движения колонны насосных штанг как упругой линейной
инерционной системы на участках начальных деформаций штанг и труб,
обусловленных приложением (ход вверх) и снятием (ход вниз) нагрузки на
скважинный насос от гидростатического давления столба жидкости;
задачи движения в жидкости колонны насосных штанг как
неупругого стержня, обладающего сосредоточенной массой;
задачи движения в жидкости колонны насосных штанг (отдельно
на участках ходов вверх и вниз) как системы с распределенными параметрами
при известных начальных условиях, определяемых состоянием колонны штанг в
моменты окончания периодов начальных деформаций.
Подобная упрощенная математическая модель предполагает затухание
продольных колебаний штанг в концу каждого полухода; решение на ее основе
задачи вычисления нагрузки в точке подвеса штанг в виде совокупности формул
и определение, путем сопоставления с экспериментальными данными [5].
Сопоставление с экспериментальными данными, проведенное на достаточно
широком материале, показало вполне приемлемую точность этого метода.
Колонна насосных штанг принята в виде круглого стержня ' постоянного
по всей длине поперечного сечения. При двух- и трех- ступенчатой колоннах,
составленных из штанг разных диаметров, средний диаметр колонны определяют
по формуле
(1.1)
При этом масса комбинированной колонны насосных штанг
(1.2)
В (1) и (2) d1, d2, d3— диаметры штанг верхней, средней и нижней
ступеней колонны; l1, l2, l3 - относительные длины ступеней колонны штанг
(l1 +l2+l3 = 100 %; при двухступенчатой колонне l3 = 0); q1 ,q2 ,q3 -
средние массы одного метра длины штанг диаметрами d1, d2, d3 ;,L — глубина
подвески насоса.
Колонна насосных труб, внутри которой размещена колонна насосных
штанг, представляет цилиндрическое тело с постоянными по всей длине колонны
проходным отверстием и площадью поперечного сечения тела. При
ступенчатых колоннах (суживающихся книзу) среднюю площадь тела трубы
определяют по формуле
(1.3)
а средняя площадь сечения между НКТ и штангами
(1.4)
где - площади поперечного сечения тела труб у ступеней колонны, см2;
F1, F2, F3 - площади проходного сечения между НКТ и штангами верхней,
средней и нижней ступеней.
Усреднение диаметра и площади поперечного сечения комбинированных
колонн штанг и труб по (1.1) - (1.3) обеспечивает равенство упругих
удлинений под нагрузкой усредненных и фактических колонн штанг и труб.
К нижней трубе прикреплен цилиндр скважинного насоса, а к нижней
штанге — его плунжер. Диаметр плунжерной пары насоса не больше dH = 70 мм.
Верхний конец колонны насосных штанг (точка подвеса) присоединен к
станку-качалке, который сообщает этой точке вертикальное прямолинейно-
возвратное движение по закону S = f(tц), где tц - время, отсчитываемое от
начала цикла S — дважды дифференцируемая по tц функция; соответственно
скорость перемещения точки подвеса штанг v = dSdtn, а ускорение w =
d2Sdtц2.
Функции s, v, w — периодические с периодом Тц = 2πω, где ω -
постоянная угловая скорость вращения кривошипа в механизме привода,
(1.5)
Суммы статических сил, действующих на колонну насосных штанг при ходах
(вверх индекс н ) и вверх (индекс в), после окончания периодов начальных
деформаций соответственно равны
(1.6)
(1.7)
где -площади поперечного сечения плунжера насоса и устьевого штока;
рж, рш- плотности продукции скважины и материала штанг (сталь); рб -
буферное давление (в выкидной линии скважины); QTP H, QTP „ - заданные силы
сухого трения, действующие в совокупности на колонну насосных штанг при
ходах вверх и вниз; ΔН - глубина погружения насоса под динамический уровень
жидкости в эксплуатационной колонне скважины.
1.4 Силовой расчет механизма балансирного станка-качалки
Силовой расчет заключается в определении действующих на части станка-
качалки нагрузок. Это необходимо для последующего расчета на прочность этих
частей (детали, подшипники, сборочные единицы).
Для определения этих нагрузок необходимо знать законы движения звеньев
механизма станка-качалки и действующее на него усилие со стороны скважины.
Так как станок-качалка представляет собой плоский механизм с одной степенью
свободы, законы движения всех его частей определяются законом движения
точки подвески штанг. Действующее на станок-качалку со стороны скважины
усилие отличается от определенного в
1. 3 на величину усилия в устьевом сальнике ±QC (положительное значение
применяют при ходе вверх, а отрицательное - при ходе вниз), а также на
величину веса устьевого штока и канатной подвески и сил инерции от их масс
[9,11].
При откачке жидкости из скважины в подземной части насосной установки
действуют следующие силы [18].
1. Статические силы веса штанг, труб и столба
жидкости.
Вес штанг и столба жидкости в подъемных трубах составляет основную
нагрузку на штанги. Но, кроме того, гидростатическое давление столба
жидкости в боковом направлении создает в штанге и трубах дополнительные
растягивающие усилия. Штанга равномерно по окружности подвергается обжиму,
а это вызывает растягивающие напряжения, но в точке подвеса штанг они не
ощущаются. Давление столба жидкости на внутреннюю поверхность труб создает
растягивающие усилия в радиальном направлении. Наконец, действие давления
жидкостного столба приводит к возникновению эффекта Лубинского,
выражающегося в том, что при ходе плунжера вверх низ колонны труб
изгибается.
2. Архимедова сила, действующая на штанги, погруженные в жидкость, и
уменьшающая вес штанг.
3. Силы инерции движущихся масс штанг, столба жидкости
и труб.
4. Силы упругости материала штанг, труб и столба жидкости.
5. Силы трения:
а) полужидкое трение штанговых муфт и головок штанг трубы и плунжера
в цилиндре насоса (величина сил трения
мало зависит от скорости взаимного перемещения трущихся де
талей и поэтому обычно принимается независящей от скорости) ;
б) гидродинамическое (жидкостное) трение штанг в потоке
жидкости, а также местные сопротивления при обтекании
жидкостью муфтовых соединений штанг (нередко существенную роль играют силы
трения при прохождении жидкости через насосные клапаны, особенно через
нагнетательный клапан; гидродинамическое трение имеет место также в зазоре
пары плунжер—цилиндр, но в обычных условиях оно очень мало);
в) сухое или чаще полусухое трение насосных труб (или
муфтовых соединений) об эксплуатационную колонну;
г) внутреннее трение в материале штанг и труб при их деформациях во время
работы установки (этот вид трения имеет небольшое значение по сравнению с
другими видами).
Значимость тех или иных сил различна в зависимости от условий
эксплуатации, режима откачки и других показателей. Например, силы
полужидкого трения штанг о трубы в обычных условиях (в вертикальных
скважинах при средних глубинах и режимах работы оборудования) невелики, а в
скважинах со значительной кривизной приобретают нередко решающее значение.
Силы инерции при небольших числе качаний, длине хода и глубине спуска
насоса малы, а в других условиях они составляют значительную часть нагрузки
на штанги и т. д.
В связи с этим представляет интерес расчетный баланс работ сил трения
в вертикальной скважине при глубине спуска насоса 1000 м, диаметре насоса
32 мм, длине хода 1,5 м и кинематической вязкости жидкости 0,3 см2с При
малых скоростях откачки (первая строка таблицы) в балансе сил трения 70%
занимает полужидкое трение штанговых муфт о стенки труб и только
10%—гидродинамическое трение в потоке, движущемся в трубах. Но при
увеличении скорости откачки гидродинамическое трение быстро растет и уже
при скорости 27 ммин {нижняя строка) доля его возрастает до 72%, а доля
полужидкого трения составляет всего 19%. Интересно, что к. п. д. подземной
части установки при режиме, соответствующем первой строке таблицы,
составляет (при новом насосе) 0,75, а последней строке — 0,55. Таково
воздействие на работу установки гидродинамического трения.
Число качаний, 1мин
6 12 18
Скорость откачивания жидкости, ммин. 9
18 27
Работа, кгс∙м (%):
гидродинамических сил трения 20(10)
140(40,5) 555(72)
сил местных сопротивлений
1,5(1) 7(2) 14(2)
сил сопротивлений в
паре плунжер-цилиндр
39(18) 39(11,5) 39(5)
сил сопротивления в
клапанах 2(1)
9(2,5) 15(2)
сил полужидкого трения
150(70) 150(43,5) 150(19)
всех сил трения
212,5(100) 345(100) 773(100)
В каждом конкретном случае одни силы не учитываются, так как имеют
незначительное влияние на процесс, а другие существенно влияют на процесс
откачивания жидкости. Но некоторые силы (силы веса штанг и жидкостного
столба, архимедова сила и силы упругости штанг и труб) учитываются всегда
при решении любых вопросов насосной добычи нефти.
1.5 Простейший теоретический и реальный циклы работы глубинного насоса
и его динамограмма.
Рассмотрим работу глубинного насоса при следующих
условиях.
1. В подземной части установки действуют только статические силы веса штанг
и столба жидкости, архимедова сила и силы упругости материала штанг и
труб. Отсутствие сил инерции означает, что штанги и плунжер движутся
очень медленно(строго говоря, бесконечно медленно).
2. Утечки жидкости в зазоре плунжерной пары, в клапанах и трубах
отсутствуют.
3. Откачивается однофазная полностью дегазированная
жидкость.
Как следует из принятых условий, рассматривают полностью
идеализированную схему работы глубинного насоса. Однако эта схема имеет
важнейшее значение для решения практических задач.
На схемах (рис. 1.1) представлены основные положения плунжера при
установившейся работе глубинного насоса.
В крайнем нижнем положении колонны штанг (рис.1.1,а) вес столба
жидкости высотой Н и сечением, равным сечению плунжера, действует на
приемный клапан и поэтому трубы растянуты не только от действия
собственного веса, но и от веса указанного столба жидкости; оба клапана
(приемный и нагнетательный) закрыты.
В следующий момент начинается движение точки подвеса штанг вверх, что
вследствие герметичности насоса обусловливает передачу нагрузки на штанги,
создаваемой весом столба жидкости. Это вызовет одновременно уменьшение
длины труб и растяжение штанг, длящееся до тех пор, пока вес столба
жидкости полностью не перейдет с труб па штанги. В течение всего этого
процесса плунжер остается неподвижным по отношению к цилиндру и оба клапана
насоса закрыты, но весь насос вследствие сокращения длины труб переместится
вверх на величину этого сокращения λт (рис. 1.1,б).
Описанный процесс называется процессом восприятия штангами нагрузки от
веса столба жидкости. Как только он заканчивается, начинается движение
плунжера вверх вместе со штангами и жидкостью, при этом одновременно
открывается приемный клапан. Это рабочий ход плунжера -процесс хода
плунжера вверх, при котором жидкость подается в нагнетательную трубу и
затем из скважины в цилиндр насоса. Рабочий ход плунжера продолжается до
крайнего верхнего положения точки подвеса (и всей колонны) штанг, где вся
Движущаяся система останавливается и приемный клапан закрывается (рис.
1.1,в).
Затем начинается движение точки подвеса штанг вниз, вследствие чего
штанги разгружаются от веса столба жидкости и этот вес передается на трубы.
Этот процесс разгрузки штанг от веса жидкости обусловливает сокращение
длины штанг и растяжение труб до первоначальных значений этих длин. Как и
при восприятии нагрузки штангами, в процессе разгрузки штанг плунжер
остается неподвижным по отношению к цилиндру, а оба клапана закрытыми. Но
растяжение труб вызовет перемещение всего насоса вниз на величину этого
растяжения λт .
Рисунок 1.1 Схема простейшего теоретического цикла глубинного насоса.
а- конец движения плунжера вниз (крайнее положение точки подвеса штанг и
плунжера); б- конец процесса восприятия штангами нагрузки от столба
жидкости; в- конец процесса движения плунжера вверх ( крайнее верхнее
положение точки подвеса штанг и плунжера); г- процесс движения плунжера
вниз.
Как только вес жидкости полностью передастся на трубы, откроется
нагнетательный клапан и начнется процесс хода плунжера вниз (рис. 1.1,г). В
этом движении участвуют только штанги как твердое тело; процесс
продолжается до крайнего нижнего положения точки подвеса штанг, где система
остановится и нагнетательный клапан закроется.
При последующем движении точки подвеса штанг вверх все процессы
повторяются в описанном порядке. Таким образом, простейший цикл работы
глубинного насоса состоит из четырех процессов, всегда рассматриваемых в
указанном порядке.
Представим теперь этот цикл аналитически и графически в координатах: s
- перемещение точки подвеса штанг; Р - нагрузка на штанги в точке их
подвеса (рис. 1.2).
Точка а соответствует крайнему нижнему положению точки подвеса штанг.
В этой точке цикла будет действовать только вес штанг, погруженных в
жидкость:
(1.8)
где q' - вес 1 м штанг в откачиваемой жидкости, кгсм; L - длина спущенных
штанг, м; Рш'— вес колонны штанг, погруженной в жидкость, кгс.
Рисунок 1.2 Теоретическая динамограмма простейшего цикла работы насоса.
а-б- процесс восприятия штангами нагрузками от столба жидкости; б-в
–процесс движения плунжера вверх; в-г- процесс разгрузки штанг; г-а-
процесс движения плунжера вниз
Ход вверх начинается с растяжения штанг от нагрузки весом жидкости и
сокращения длины труб
P'=Fv (L - h) = F у Н,
(1.9)
где FH - площадь поперечного сечения плунжера, м2; уж - объемный вес
откачиваемой жидкости, кгсм3; L - глубина спуска насоса, м; h — погружение
насоса под динамический уровень, м; Я -высота подъема жидкости, м; Рж'-вес
столба жидкости, кгс.
Общая потеря хода точки подвеса штанг на упругие удлинения штанг и
труб:
(1.10)
где Е - модуль упругости стали, кгссм2; fш и fт - площади поперечных
сечений штанг и труб соответственно, см2; λ- суммарное удлинение штанг и
труб, м.
где λш – удлинение ; λт - удлинение труб.
Величину λ откладывают на оси абсцисс (см. рис. 2). Далее из (1.9) и
(1.10) определяют нагрузку в конце процесса восприятия веса жидкости
штангами:
Рmax =Р'ж +Р'ш (1.11)
и откладывают ее на оси ординат. Полученную точку б конца процесса
восприятия штангами веса жидкости (и открытия приемного клапана)
соединяем с а прямой, так как растяжение колонны штанг и сокращение длины
труб прямо пропорционально перемещению точки подвеса штанг. Затем наносим
на график линию процесса хода плунжера вверх б-в, длина которой:
SПЛ =S0- λ, (1.12)
где So - длина хода точки подвеса штанг, м; SПЛ длина хода плунжера в
цилиндре, м.
Линии динамограммы в-г (процесс разгрузки штанг) и г-а (процесс
хода плунжера вниз) симметричны по отношению к рассмотренным выше.
Полученная расчетным путем динамограмма простейшего цикла работы
насоса называется простейшей теоретической динамограммой и вследствие
принятых при ее построении условий представляет собой параллелограмм.
Производительность установки при рассматриваемом цикле
определяется по формуле
Qcyт = 1440FНn SПЛ = 1440 FНn (S0+λ)
(1.13)
где Qсут- производительность, м3сут; п - число циклов насоса, мин.
Коэффициент подачи насоса
где ηп - коэффициент подачи; QT - теоретическая производительность насоса.
QT= 1440FНnS0
Расчетные формулы (1.8), (1.11) и (1.12) позволяют точно определять
характерные параметры простейшего цикла: наибольшую и наименьшую нагрузки
на штанги за цикл действия насоса и производительность установки. При этом
следует учитывать характеристику подачи жидкости (выброса жидкости) при
простейшем цикле: при ходе вверх полированный шток освобождает некоторый
объем в трубах и поэтому объем переливающейся жидкости на устье скважины
будет на соответствующую величину меньше объема, описанного плунжером:
.
Затем в процессе хода вниз полированный шток, погружаясь в жидкость,
вытеснит из труб объем . При этом подача насоса за весь цикл
.
Следовательно, в рассматриваемом цикле работа глубинного насоса
аналогична работе дифференциального насоса. Несмотря на то, что рабочим
ходом его является только ход вверх, подача имеет место и при ходе вниз. В
зависимости от вели- к чины отношения FНfшт подача при ходе вниз может
быть и меньше, и больше, чем при ходе вверх. В частности, при FНfшт ≈ 1
подача будет только при ходе вниз (при медленной откачке жидкости насосом
диаметром 28 мм с полированным штоком такого же диаметра).
К.п.д. простейшего цикла при отсутствии в этом цикле потерь равен 1,0
(100%).
Простейший теоретический цикл глубинного насоса и его динамограмма
позволяют представить работу насоса и его клапанов, что совершенно
необходимо для контроля хода эксплуатации и выявления различных неполадок.
Динамограмма простейшего теоретического цикла является основой для
обработки и расшифровки практических динамограмм и получения качественной и
количественной информации о состоянии насоса.
Теоретический цикл глубинного насоса (близкий к реальному циклу) может
быть при очень медленном движении штанг, так как только при этом условии
силы инерции и жидкого трения практически неощутимы.
Рассмотрим теоретическую динамограмму с учетом сил веса штанг и
жидкости, архимедовой и полужидкостного трения штанг о трубы (рис. 1.3,а).
Последняя - постоянна по величине на каждом полуцикле насоса. Пунктиром
намечен контур простейшей теоретической динамограммы, причем процессы
восприятия и снятия нагрузки штангами совпадают у обеих динамограмм.
На рис. 1.3,б представлена действительная динамограмма работы насоса в
глубокой стендовой скважине при очень медленном движении штанг: числе
качаний в минуту п = 1,6 и длине хода точки подвеса Sо=1,2 м. Здесь также
помечен пунктиром контур простейшей теоретический динамограммы.
Теоретическая и действительная динамограммы на рис. 3,а и 3,б
рассматриваемого типа близки по форме.
Рассмотрим влияние сил инерции на усилия в штангах и на форму
динамограммы.
В насосной установке инерционные нагрузки на штанги возникают от
неравномерного движения точки подвеса штанг и работы клапанов насоса.
Исключим работу клапанов насоса и рассмотрим только движение так
называемой свободной штанги. При неравномерном движении точки подвеса
штанги возникают силы инерции. Представим, что масса штанг сосредоточена
вблизи точки подвеса. Тогда для поступательно-возвратного движения график
ускорения точки подвеса будет иметь вид, представленный на рис. 1.4, а
теоретическая динамограмма - на рис.1.5. Здесь линии ходов вверх и вниз
совпадают, поскольку исключены действия всех видов сил трения. Наибольшие
положительные и отрицательные силы инерции имеют место в конечных
положениях точки подвеса (см. рис. 1.5). В серединах ходов вверх и вниз
сила инерции равна нулю.
В практических условиях масса штанг рассредоточена по всей длине
колонны. Поэтому при колебательном движении в штанговой колонне возникают
вынужденные упругие колебания.
Рисунок 1.3. Динамограммы циклов с полужидкостным трением.
а - теоретический цикл: а'-б'-в'-г' - циклы с учетом полужидкого
трения штанг о трубы, а-б-в-г- простейший теоретический цикл; б-
динамограмма реального цикла, полученная экспериментально.
Кроме того, штанговая колонна движется в трубах, заполненных
жидкостью, и при ее движении возникают значительные силы трения. При
средних и форсированных режимах откачки основной вид трения -это
гидродинамическое трение в насосном подъемнике, зависящее от скорости
перемещения штанги (см. табл. 1.1).
Рисунок 1.4. График ускорения точки подвеса штанг.
о - истинное ускорение; ω- угловая скорость кривошипа; г - радиус
кривошипа (r=So2)
При исследовании нагрузок, действующих на свободные штанги в глубоких
стендовых скважинах (рис. 1.6), получена характерная динамограмма свободной
штанги [7]. Площадь внутри замкнутого контура, описанного по движению
часовой стрелки, представляет собой работу сил трения главным образом
жидкостного. Характерной особенностью рассматриваемых динамограмм является
инерционный поворот всего контура динамограммы по часовой стрелке (см.
рис. 5).
Положим, что при работе насоса в штанговой колонне и жидкостном столбе
колебательные процессы не возникают. Тогда инерционный цикл насоса по И. Г.
Белову [14] будет представлен в виде, показанном на рис. 1.7, а (пунктиром
для сравнения показан также контур простейшего теоретического цикла).
Рисунок 1.5. Теоретическая динамограмма усилий в точке подвеса штанг при
условии, что масса штанг сосредоточена в этой точке.
Рисунок 1.6 Динамограмма свободной штанги, снятая на стендовой
скважине
Этот цикл уже довольно близок к обычному, реальному циклу насоса (при
средних и малых глубинах и числах качаний), если не принимать во внимание
отсутствие в нем колебательного процесса, вызванного работой насоса.
Рисунок 1.7 Инерционный цикл насоса.
а - теоретическая инерционная динамограмма нормальной работы насоса без
учета собственных колебаний штанг и столба Жидкости (а-б-в-г-д-е -
инерционная динамо-грамма); б- схематическое изображение собственных
колебаний штанговой колонны.
Характерные особенности рассматриваемого теоретического инерционного
цикла следующие. В конце хода штанг вниз возникает инерционная нагрузка на
штанги (от сил инерции массы только штанг), измеряемая отрезком аха.
Очевидно, что следствием этого является соответственное увеличение длины
хода плунжера. Аналогичная картина наблюдается и в конце хода вверх, но
здесь силы инерции суммируются: от массы штанг и массы столба
жидкости. Поэтому приращение хода плунжера здесь несколько больше, чем в
конце хода вниз. Впрочем практически ощутимыми эти приращения становятся
лишь при больших глубинах спуска насоса. В конце процесса восприятия
штангами нагрузки и разгрузки условно показаны импульсы силы инерции,
обусловленные скачком скорости при внезапном начале движения плунжера
вверх.
Общий характерный признак динамограммы рассматриваемого цикла -
инерционный поворот ее по часовой стрелке.
Рассмотрим инерционные нагрузки на штанги, вызываемые непосредственно
работой глубинного насоса.
Представим себе колонну насосных штанг, закрепленную неподвижно на
верхнем конце. Нагрузим сразу нижний конец колонны или просто оттянем его
книзу и отпустим. Очевидно, что при этом в колонне возникнут собственные
упругие колебания и колонна будет периодически удлиняться и укорачиваться
(сжиматься) по сравнению с ее длиной в статическом состоянии. При этом в
точке подвеса штанг усилие будет то больше веса колонны (при удлинении ее),
то меньше. В результате получим волнообразную линию нагрузки (см. рис. 1.7,
б) с постепенным затуханием амплитуды колебаний из-за сил трения. Описанные
явления можно продемонстрировать на модели, состоящей из мягкой
металлической пружины с грузиком на нижнем конце.
В натуральном (действительном) цикле насоса при наиболее распро-
страненных условиях эксплуатации определяющее значение имеют статические
силы веса штанг и жидкости, а также инерционные нагрузки от вынужденных и
собственных упругих колебаний столба жидкости. Силы трения -
гидродинамическое трение в потоке жидкости, движущемся в кольце в I-вом
пространстве между трубами и штангами (включая и местные сопротивления у
головок штанг), и полужидкое трение штанг о трубы.
Схема формирования инерционных усилий в цикле насоса заключается в
следующем. В процессах нагрузки и разгрузки штанг инерционные силы в
Основном возникают вследствие вынужденных колебаний штанговой колонны, у
которой нижний конец неподвижен или же движется с малым ускорением. Здесь
на величину инерционной нагрузки могут влиять и колебательные процессы в
конце ходов плунжера вверх и вниз, поскольку колебания затухают не
полностью.
В процессе хода плунжера вверх инерционные усилия формируются в
результате одновременного действия вынужденных и собственных упругих
колебаний ... продолжение
Вы можете абсолютно на бесплатной основе полностью просмотреть эту работу через наше приложение.
Похожие работы
Дисциплины
- Информатика
- Банковское дело
- Оценка бизнеса
- Бухгалтерское дело
- Валеология
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Религия
- Общая история
- Журналистика
- Таможенное дело
- История Казахстана
- Финансы
- Законодательство и Право, Криминалистика
- Маркетинг
- Культурология
- Медицина
- Менеджмент
- Нефть, Газ
- Искуство, музыка
- Педагогика
- Психология
- Страхование
- Налоги
- Политология
- Сертификация, стандартизация
- Социология, Демография
- Статистика
- Туризм
- Физика
- Философия
- Химия
- Делопроизводсто
- Экология, Охрана природы, Природопользование
- Экономика
- Литература
- Биология
- Мясо, молочно, вино-водочные продукты
- Земельный кадастр, Недвижимость
- Математика, Геометрия
- Государственное управление
- Архивное дело
- Полиграфия
- Горное дело
- Языковедение, Филология
- Исторические личности
- Автоматизация, Техника
- Экономическая география
- Международные отношения
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности), Защита труда
