Нагрузки, действующие на штанги и их влияние на ход плунжера. Определение максимальных и минимальных нагрузок.

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 23Следующая ⇒

При ходе вверх стат-ие нагрузки в точке подвеса штанг складываются из веса штанг Ршт и веса столба ж-ти Рж. В н.м.т. в результате изменения направления движ-я, когда возникает макс-ое ускорение, к ним добавляется сила инерции Рi, направленная вниз; кроме того, действует сила трения Ртр, т.ж. направленная вниз. Т.о. макс-ая нагрузка, возникающая в точке подвеса штанг при начале хода вверх: Рmax=Рш+Рж+Рi+Ртр. (1)

При ходе вниз нагнетат-ый клапан откр-ся и гидростат-ое давление над и под плунжером выравниваются. Поэтому нагрузка от столба ж-ти со штанг снимается и передается трубам, т.к. всасывающий клапан при ходе вниз закрыт. Силы инерции, возникающие в в.м.т. направлены вверх. Силы трения т.ж. направлены вверх, т.е. в сторону противоположную движению., поэтому в начале хода вниз нагрузка б. минимальной: Рmin=Рш-Рi-Ртр. (2)

Влияние статических нагрузок. Сила Рж действует переменно то на штанги(ход вверх), то на трубы (ход вниз). В результате этого при ходе вверх штанги доп.растягиваются на величину λ_ш, которая м.б. определена по закону Гука: (3).

где Рж -вес столба ж-ти; L-длина штанг; fшт -площадь сечения штанги; Е-модуль Юнга. Одновременно с этим, в результате снятия с труб силы Рж, последние укорачиваются на величину: (4).

В рез-те, перемещ-е плунжера относительно цилиндра насоса, т. е. начало процесса всас-я жидкости, начнется только после того, как точка подвеса скомпенсирует своим перемещ-ем вверх удлинение штанг λш и сжатие труб λт. Поэтому полезный ход плунжера составит: Sпл=S-λ=S-(λшт+λт) (5). Общая деформация состоит: . (6)

Верхние штанги испытывают наибольшую нагрузку, так как на них действует вес всей колонны штанг. Нижние штанги нагрузку от собственного веса не испытывают. Поэтому, исходя из принципа равнопрочности колонны штанг, а также для уменьшения нагрузки на головку балансира колонну штанг делают ступенчатой, состоящей из участков штанг с уменьшающимся книзу диаметром. Кроме одноступенчатых колонн применяются двух- и трехступенчатые. Каждая ступень дополнительно удлиняется под действием одной и той же силы Рж. Поэтому суммарное удлинение ступенчатой колонны штанг будет равно сумме удлинений отдельных ступеней с учетом их длины l_i и площади сечения f_i.. Тогда для трехступенчатой колонны получим

.(7)

Или с учетом деформации труб

(8)

Учит-ая конструкцию сочленения штанг с плунжером с помощью клапанной клетки, при кот-ой на ниж-й торец штанги действует гидростат-ое давление, необходимо Ршт принимать с учетом выталкивающей силы Архимеда, равной произведению площади сечения штанги на гидростат-ое давление столба жидкости над плунжером. При современных однотрубных системах сбора нефти и газа давление на устье р_у насосных скважин может достигать больших знач-й, поэтому при вычислении гидростат-ого давления, действующего на штанги, необходимо учитывать и это обстоятельство.

Таким образом, действительная нагрузка от веса штанг будет равна

(9)

где P_ш - вес колонны штанг в воздухе;f_ш — площадь сечения штанг; р — гидростат-ое давл-е, действующее на ниж. сечение штанг.

Давление р сост-т из 2-х слагаемых: p₁ и р_у, где p₁ — гидрост-ое давл-е столба жид-ти в НКТ и р_у — давл-е на устье.

Р = P₁+ Ру = ρgh + р_у (10)

Подставляя (10) в (9) и вынося величину Р_ш за скобки, получим

(11)

Учитывая, что Р_ш =ρ_сgLf_ш, где ρ_с — плотность материала штанг, и подставляя это значение в знаменатель квадратной скобки (11), после преобразований получим

(12)

— коэф-нт, учит-ий потерю веса штанг в жидкости с учетом давл-я на устье. При р_у = 0 коэффициент b превращается в обычный, ранее известный из литературы.

Нагрузка от веса столба жидкости опред-ся как произведение площади сечения плунжера f_п на разность давлений Δр = р_н-р_пр, действующих снизу р_пр и сверху р_н на поверхность плунжера.

Конструкция сочленения штанг с плунжером с помощью клапанной клетки такова, что давление Δр действует на всю поверхность плунжера без вычета площади сечения штанг. Таким образом,

Рж = fг(р_н-р_пр). (13)

Величина рн — давление над плунжером, складывается из четырех слагаемых

p_н=р₁+р_у+р₂-р₃ (14)

где р₁ — гидрост-ое давление столба жидкости; р_у — давление на устье скважины, обычно задается или известно; р₂ — потери давления на трение жид-ти в трубах при движ-и плунжера вверх; р_з — давление разгрузки в результате газ-лифтного эффекта выделяющегося из нефти газа в НКТ.

Если скважина имеет кривизну и средний угол отклонения от вертикали равен β, то

р₁ = ρgL cos β. (15)

Величина р₃ отриц-ая, так как учит-ет работу выделяющегося из жид-ти газа и снижающего нагрузку на плунжер в рез-те газирования жид-и

р₂ опред-ся по обычной формуле трубной гидравлики

(16)

Скорость жид-ти в трубе v может быть опред-на как ср-яя скорость движ-я плунжера при ходе вверх Sn/30, умноженная на отношение площадей сечения плунжера и труб с учетом площади штанг

(17)

Подставляя (17) в (16), найдем

(18)

Здесь d - внутр. диаметр труб, d_n- диаметр плунжера, d_ш - диаметр штанг, S - длина хода плунжера, n - число качаний в минуту

Обычно р₂ невелико и составляет несколько долей МПа, однако при откачке высоковязких жидк-ей м. б. значительной

р₃ опред-ть труднее Для достаточно точного ее опред-я д. б. исполь-ны методы расчета процесса движения газожидкостных смесей в трубах.

Влияние динамических нагрузок. Максимальные динамические нагрузки возникают в в.м.т. и в н.м.т.. В в.м.т. они направлены вверх и умень-ют вес штанг, кот-ые сжимаются и сообщ-ют плунжеру доп. ход е₁. В н.м.т. направлены вниз и поэтому увел-ют вес штанг, удлиняются и сообщ-ют плунжеру доп.ход е₂. Полезный ход плунжера: Sпл=S-λ+е₁+е₂

Деформации е₁ и е₂ м.б. подсчитаны по той же формуле Гука. Но, в отличие от ее исполь-ия для определения λ от действия силы Р_ж, как сосредоточенной нагрузки, прикладываемой к нижнему концу штанги, в этом случае деформации е₁ и е₂ возникают от действия силы инерции Р_i_г являющейся, как и сила тяжести, силой массовой, распределенной во всем объеме штанг Обычно равномерно распределенную силу заменяют сосредоточенной и приложенной к центру тяжести тела, который для одноступенчатой колонны штанг лежит в середине их длины. По этим причинам в ф-ле Гука вместо длины L необходимо подставить l/2. Т.о.:

где Р_i_в – макс. инерц-ая сила в в.м.т.; Р_i_н – макс. инерц-ая сила в н.м.т.

Влияние сил трения. Суммарная сила трения состоит из силы трения плунжера в цилиндре Т₁, силы трения полированного штока в сальнике устьевого оборудования Т₂, силы трения штанг о стенки НКТ – Т₃, силы трения штанг о ж-ть в НКТ – Т₄. Т=Т₁+Т₂+Т₃+Т₄. Силы трения в в.м.т. и н.м.т. равны 0. При прохождении головки балансира своего среднего положения, скорость ее движения, а след-но и штанг имеет максимальное значение и зависит от скорости движения штанг относительно ж-ти в трубе, от соотношения площадей сечения плунжера и труб, от вязкости ж-ти, от размера труб колонны. Силы трения о ж-ть действует тогда, когда силы инерции исчезают.

Суммарная сила трения в УШГН опред-ся по эмпирич. ф-ле: Р_т=2500 S.

Сила трения в плунжерной паре и сальнике штока находится в пределах: Т₁+Т₂=200-500Н

При ходе плунжера вверх трение штанг о НКТ: Т₃=(Ршт+Рж)η_тSinβ, при ходе плунжера вниз: Т₃=Р_штη_тSinβ, β-угол кривизны скв. При откачке обводненной ж-ти ηт=0,1-0,13, при откачке чистой нефти ηт=0,08-0,1. при ходе вверх:

Т₄=

при ходе вниз: Т₄=.

Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 1209; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 7 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!