Выбор привода и насосных штанг

Приводное оборудование, поверхностный привод и колонна насосных штанг, выбираются исходя из условия обеспечения требуемой подачи и напора винтового насоса с заданной частотой вращения ротора.

Основными расчетными характеристиками поверхностного привода являются максимальные осевая нагрузка, момент, частота вращения и потребляемая мощность электродвигателя.

Частота вращения электродвигателя определяется частотой вращения ротора насоса с учетом передаточного отношения ременного привода и понижающего редуктора (при наличии).

Осевая нагрузка на привод F складывается из веса штанговой колонны в жидкости F _ж и силы от действия дифференциального перепада давления F _p в насосе:

.

Осевая нагрузка от веса штанговой колонны в жидкости (Н) вычисляется по формуле:

 

где m – масса погонного метра штанговой колонны, кг;

– плотность жидкости, кг/м³;

– длина штанговой колонны, м;

– средний угол наклона НКТ к вертикали.

Вес погонного метра штанговой колонный в зависимости от типоразмера штанг приведен в таблице Таблица 3.

Таблица 3

Вес погонного метра штанговой колонны

Типоразмер штанги	Вес погонного метра штанговой колонны в воздухе, кг/м
Ш16	1,75
Ш19	2,31
Ш22	3,08
Ш25	4,02

Пример. Глубина подвески 980 метров, диаметр штанги 22 мм, плотность жидкости 850 кг/м³, угол наклона скважины к вертикали 5^о. Тогда вес колонны в жидкости:

Осевая нагрузка от действия перепада давления, развиваемого насосом, в общем случае вычисляется по следующей формуле:

 

где D – внешний диаметр статора насоса, мм;

– давление, развиваемое насосом, атм;

0,015 – безразмерный коэффициент, учитывающий эффективную площадь ротора в насосе.

Пример. Давление, развиваемое насосом 66 атм, внешний диаметр статора 95 мм. Тогда сила давления в насосе равна:

Крутящий момент на роторе создается при работе насоса и может быть вычислен по следующей формуле:

 

где – объем насоса (подача за один оборот ротора), см3;

– давление, развиваемое насосом, атм;

– КПД насоса (для расчета можно принять 0,7);

– эмпирический коэффициент, учитывающий геометрию насоса.

Пример. Давление, развиваемое насосом 50 атм, подача за один оборот ротора 570 см³. Тогда крутящий момент на роторе равен:

Помимо момента, создаваемого насосом (M), необходимо учитывать крутящий момент от сил вязкого трения штанг в вязкой жидкости (Mтр), который тем больше, чем выше вязкость жидкости и больше частота вращения штанговой колонны. Момент от сил трения () рассчитывается по следующей формуле:

 

где – крутящий момент от сил вязкого трения, Нžм;

– диаметр штанг, мм;

– внутренний диаметр трубы НКТ, мм;

– частота вращения ротора насоса, об/мин;

– вязкость на поверхности, сПз;

– вязкость на приеме насоса, сПз.

Пример. Оценим момент от сил вязкого трения в НКТ диаметром 73 мм (внутренний диаметр 62 мм) и штанг с d = 22 мм со следующими параметрами:, L = 980 м, n = 314 об/мин, . Получаем:

Для выбора привода винтового насоса рекомендуется расчетные значения осевой нагрузки и момента использовать с коэффициентами запаса порядка 1,1-1,2.

Тогда суммарный крутящий момент на штанговой колонне составит:

Требуемая потребляемая мощность электродвигателя (Вт) рассчитывается по формуле:

 

где – КПД электродвигателя (для расчета можно принять 0,9).

Пример. Для предыдущего примера и частоты вращения ротора 314 об/мин, тогда потребляемая мощность электродвигателя равна:

Основными расчетными параметрами колонны насосных штанг являются диаметр штанг, длина колонны и максимальное эквивалентное напряжение.

Для поверхностного привода используются насосные штанги по ГОСТ Р 51161 класса прочности не ниже «Д» или штанги по стандарту американского института нефти API 11B диаметрами 19, 22, 25 и 29 мм. Штанги испытывают осевые растягивающее напряжение и напряжение от скручивания штанги.

Эквивалентное напряжение в штангах (МПа) определяется по следующей формуле:

 

где d – диаметр насосных штанг, мм²;

– крутящий момент, Н·м;

– осевая нагрузка, Н.

Пример. Рассчитаем суммарное напряжение для рассмотренного выше примера:

Далее сравниваем полученное напряжение с допустимым напряжением для соответствующего класса штанг:

§ Д: 550 МПа;

§ Дспец: 630 МПа.

Для выбора насосных штанг рекомендуется использовать полученное значение суммарного напряжение с коэффициентом запаса 1,3.

Таким образом, в рассмотренном примере рекомендуется использовать штанги диаметром 22 мм класса прочности «Дспец».

Выбор диаметра НКТ

Поскольку область применения УШВН связана с высоковязкими нефтями и эмульсиями, то при подборе установки может потребоваться уточнение диаметра колонны НКТ, обеспечивающего минимальные потери давления в скважине.

Для расчета потерь давления на трение в НКТ может быть использована следующая формула:

 

где – потери давления на трение, атм;

D – внутренний диаметр НКТ, мм;

d – диаметр штанг, мм;

Q – подача насоса, м3/сут;

L – длина НКТ, м;

– вязкость на поверхности, сПз;

– вязкость на приеме насоса, сПз.

Величина D может быть оценена из условия, что потери давление на трение не должны превышать 15% от давления гидростатического давления на уровне установки насоса, при этом скорость движения жидкости в НКТ должна была не менее 0,08 м/с, иначе скорость потока будет сопоставима со скоростью оседания песка и он не будет выноситься на поверхность.

Гидростатическое давление (атм) вычисляется следующим образом:

 

где – плотность жидкости, г/см3;

φ – угол наклона скважины к вертикали, град.

Скорость потока в НКТ рассчитывается по формуле:

 

где – скорость восходящего потока в трубе НКТ, м/с.

Пример. Оценим потери давления на трения в НКТ диаметром 73 мм (внутренний диаметр 62 мм) для следующих параметров: d = 22 мм, Q = 80 м³/сут, L = 980 м, φ = 5^о, г/см³, . Имеем:

Таким образом, потери на трение в НКТ от гидростатических потерь составляют примерно 22% и требуется увеличить типоразмер НКТ на большее значение. Для НКТ диаметром 89 мм (внутренний диаметр 76 мм) аналогичные расчеты дают 8%. В последнем случае скорость потока в НКТ равна

что обеспечивает вынос механический примесей на устье скважины.