Выбор рациональной конструкции штанговой колонны

Производят предварительный выбор конструкции одноступенчатой штанговой колонны, её проверяют на ''зависание'' и усталостную прочность.

Условие движения штанг вниз без ''зависания'' записывается в виде

Р_шт×b₁³Р_тр, (5.6.1)

где b₁ – коэффициент, учитывающий потерю веса штанг в жидкости.

Для определения этих параметров используются следующие зависимости:

, (5.6.2)

где q_шт – вес одного метра штанг данного диаметра в воздухе; l_i – длина ступени колонны штанг; i – номер ступени колонны штанг.

Потери на трение по А.М. Пирвердяну:

, Н/м. (5.6.3)

Второе условие проверки колонны штанг на усталостную прочность:

, (5.6.4)

где s_пр – приведенное напряжение; [s_доп] – допускаемое приведенное напряжение; К'_зап – расчетный коэффициент запаса.

Если вследствие большой величины сил гидродинамического трения оказывается невозможным обеспечить нормальный ход вниз без зависания, то переходят к штангам большего диаметра.

В случае невыполнения предыдущего условия преступают к расчету двухступенчатой или трехступенчатой колонны насосных штанг. Данные расчеты относительно трудоемки, поэтому ниже приведены табличные данные по определению рациональной конструкции штанговой колонны.

5.7. Теоретическая производительность насосов при работе станков качалок Таблица 5.7.1

Теоретическая подача штанговых насосов (в м³/сут) при десяти двойных ходах в минуту и коэффициенте подачи h = 1 (насосы отечественного производства)

Длина хода полированного штока, мм	Диаметр плунжера, мм
	2,7	3,5	4,8	6,2	-	-	-	-
	4,0	5,2	7,5	9,4	-	-	-	-
	5,5	7,0	10,0	12,5	20,5	-	-	-
	8,0	10,5	15,0	19,0	31,0	47,0	-	-
	11,0	14,0	20,0	25,0	41,0	63,0	90,4	-
	13,5	17,5	24,5	31,5	51,5	78,5	113,2	-
	16,0	21,0	29,5	38,0	62,0	94,5	137,0	176,0
	19,0	24,5	34,5	44,0	72,0	110,0	160,0	205,5
	21,5	28,0	39,5	50,5	82,5	125,5	182,5	235,0
	24,0	31,5	44,0	56,7	93,0	141,0	205,0	265,0
	27,0	35,0	49,0	63,0	103,0	157,0	228,5	293,5
	32,0	42,0	59,0	75,5	123,5	188,5	274,0	352,5
	-	49,0	69,0	88,0	144,0	220,0	319,5	411,0
	-	-	83,5	107,0	174,5	267,0	388,0	499,0
	-	-	98,0	125,5	205,5	314,0	456,5	587,0

Таблица 5.7.2

Теоретическая подача штанговых насосов (в м³/сут) при десяти двойных ходах в минуту и коэффициенте подачи h = 1 (насосы по стандарту API)

Длина хода полированного штока, мм	Диаметр плунжера, мм
27,0	31,8	38,1	44,5	57,2	69,9	95,25
	2,5	3,4	4,9	6,7	-	-	-
	3,7	5,1	7,3	9,9	-	-	-
	5,0	6,9	9,9	13,6	22,2	-	-
	7,4	10,3	14,8	20,1	33,2	49,6	-
	9,9	13,7	19,7	26,8	44,3	66,2	-
	12,3	17,1	24,6	33,5	55,4	82,7	-
	14,8	20,5	29,5	40,2	66,4	99,3	184,6
	17,3	23,9	34,4	46,9	77,5	115,8	215,4
	19,7	27,3	39,4	53,6	88,6	132,4	246,1
	22,2	30,8	44,3	60,3	99,7	148,9	276,9
	24,7	34,2	49,2	67,0	110,8	165,4	307,7
	29,6	41,0	59,1	80,4	132,9	198,5	369,2
	-	47,8	68,9	93,8	155,1	231,6	430,7
	-	-	83,7	113,9	188,3	281,3	523,0
	-	-	98,4	134,0	221,5	330,9	615,3

5.8. Выбор типа станка – качалки (СК)

Выбор СК ведется путем сравнения расчетных величин максимальной нагрузки, крутящего момента на валу редуктора и скорости откачки рассматриваемого варианта компоновки оборудования с паспортными данными СК нормального ряда.

В начале для каждого типоразмера СК последовательно проверяется условие по максимальным нагрузкам:

, (5.8.1)

где - допустимая нагрузка СК.

При соблюдении условий неравенства (5.8.1) для некоторых типоразмеров СК аналогичным образом проверяется условие:

£ , (5.8.2)

где - наибольший крутящий момент на кривошипном валу редуктора.

Затем СК проверяется на минимальную и максимальную скорости откачки:

£ < . (5.8.3)

Для облегчения выбора СК можно использовать и диаграмму А.Н.Адонина. Однако следует помнить, что эта диаграмма построена с рядом допущений: колонна штанг имеет ; и т.д. Поэтому данную диаграмму целесообразно использовать только для оценочных расчетов.

5.9. Расчет мощностей двигателя к станкам – качалкам

Потребляемая электродвигателем СК мощность затрачивается на выполнение полезной работы по подъему жидкости на поверхность и на покрытие потерь мощности и оборудовании.

Мощность, используемая на совершение полезной работы ШСНУ, определяется по формуле:

, Вт (5.9.1)

Потери в подземной части ШСНУ обусловлены наличием утечек в насосе, потерей напора в узлах клапанов, наличием трения штанг о трубы и жидкость, а в наземной части ШСНУ потери мощности вызваны отклонениями от норм работы СК и электродвигателя.

Потери мощности, обусловленные утечками жидкости, учитываются с помощью специального коэффициента:

, (5.9.2)

где - утечки в зазоре плунжер - цилиндр.

Мощность, затрачиваемая на преодоление сил механического трения штанг о трубы, определяется по формуле:

, Вт (5.9.3)

, рад., (5.9.4)

где - максимальный (средний) угол отклонения ствола скважины от вертикальной оси, рад.,град.; - коэффициент трения штанг о трубы.

Если скважина считается вертикальной, то в расчетах по формуле (5.9.3) принимается .

Затраты мощности на преодоление потерь в узлах клапанов насоса:

, (5.9.5)

Мощность, затрачиваемая на преодоление гидродинамического трения штанг о жидкость, рассчитывается по формуле А. М. Пирвердяна:

, (5.9.6)

а мощность, затрачиваемая на трение плунжера в цилиндре:

, (5.9.7)

где - сила трения плунжера о цилиндр; приближенно оценивается для безводных скважин:

, (5.9.8)

а для скважин, продукция которых содержит воду:

, (5.9.9)

Таким образом, потери мощности в подземной части ШСНУ и к.п.д. подземной части определяется как:

, (5.9.10)

(5.9.11)

Потери в наземном оборудовании ШСНУ учитываются приближенно. По рекомендации ВНИИнефть принимается, что к.п.д. СК , а к.п.д. электродвигателя . Тогда общий к.п.д. ШСНУ определится как:

, (5.9.12)

а полная мощность, затрачиваемая на подъем жидкости:

, Вт (5.9.13)

И, наконец, суточный расход электроэнергии будет равен:

, кВт×ч (5.9.14)

Таблица 5.9.1

Технические характеристики электродвигателей станков-качалок

Тип двигателя	Номинальная мощность, кВт	Для условий номинальной нагрузки
КПД,%	, доли ед.
АОП-41-4 АО2-22-4 АОП-42-4 АО2-31-4 АОП-51-4 АОП2-41-4 АОП2-42-4 АОП-52-4 АОП2-51-4 АОП-62-4 АОП2-52-4 АОП-63-4 АОП2-61-4 АОП-72-4 АОП-71-4 АОП-73-4 АОП2-72-4 АОП-84-4 АОП2-81-4 АОП2-82-4	1,7 2,2 2,8 3,0 4,5 4,0 5,5 7,0 7,5 10,0 10,0 14,0 13,0 20,0 22,0 28,0 30,0 40,0 46,0 55,0	81,0 82,5 83,0 83,5 84,5 85,0 87,0 86,0 88,0 86,5 88,0 87,5 88,0 88,0 89,5 89,0 90,0 90,0 91,0 92,0	0,82 0,83 0,84 0,84 0,85 0,81 0,82 0,86 0,83 0,87 0,83 0,87 0,84 0,87 0,85 0,87 0,85 0,88 0,89 0,89

После окончания расчетов выбирается ближайший более мощный электродвигатель, обеспечивающий требуемую (с коэффициентом запаса 1,3) мощность.