Введение к работе
Актуальность работы. Добыча нефти на месторождениях Западной Сибири требует широкого применения механизированных способов, в том числе и скважин-ных штанговых насосных установок (СШНУ).
Специфические условия Западной Сибири, к основным из которых следует отнести наклонно направленный профиль скважин, выдвигают ряд требований к оборудованию СШНУ, в настоящее время не полностью учтённые при его проектировании, изготовлении и эксплуатации.
При работе установок в наклонно направленных скважинах отмечается, что одним из основных элементов, лимитирующих надёжность и производительность СШНУ, являются штанговые колонны. Анализ статистических данных показывает.что число отказов штанговых колонн, работающих в наклонно направленных скважинах, примерно в1,5 раза больше, чем в вертикальных или незначительно искривлённых скважинах. Увеличение числа отказов колонн объясняется сложно-напряжённым состоянием штанг и их износом, износом штанговых муфт, причём сложно-напряжённое состояние штанг, их износ и износ штанговых муфт предопределены профилем скважин. Особенно резкое возрастание числа отказов штанговых колонн отмечается при уве-гшченин режимов работы станков-качалок, при этом увеличение режимов не превышает заданных технических характеристик оборудования.
Известным фактом является влияние продольного изгиба низа штанговых ко-юнн на увеличение числа их отказов. Однако сейчас отсутствуют систематизированные гсследования продольного изгиба, включающие теоретические исследования и провер-<у их экспериментальными данными.
Появление продольного изгиба приводит к увеличению нормальных нагрузок, ірижимающих штанговую колонну к насосно-компрессорным трубам (НКТ), что не /чтено в работах по оценке изнашивания пары муфта-труба. Также продольный изгиб ;ущественно влияет на значение минимальной нагрузки на штанги при их ходе вниз.
Использование для подбора колонн допускаемого приведённого напряжения иск-іючает возможность оценки конкретного влияния конструкционных, технологических і эксплуатационных факторов на конечную надёжность штанг разных диаметров. Трименение допускаемых приведённых напряжений не позволяет оценить вероятность Зезотказнон работы штанг на стадии их проектирования и изготовления, т.е. нельзя іредварительно просчитать технико-экономические показатели применения штанг >азных диаметров в конкретных скважинах, изготовленных из конкретной марки стали, : конкретной технологической обработкой.
Цель работы. Совершенствование расчётных методов подбора штанговых :олонн путём определения предела выносливости штанг разных диаметров для задан-[ой вероятности безотказной работы, оценка влияния конструкционных, технологи-іеских и эксплуатационных факторов на надёжность штанг и применение при подбо->е колонн предельной амплитуды асимметричного цикла.
Основные задачи исследований:
-
Выбор и определение показателей надёжности штанг и муфт.
-
Оценка нагрузок в штанговых колоннах, работающих в наклонно направлення скважинах, теоретическими и экспериментальными методами.
-
Теоретические и экспериментальные исследования продольного изгиба низа атанговых колонн.
-
Экспериментальные исследования износа штанговых муфт при нагрузках, характерных для наклонно направленных скважин.
-
Определение предела выносливости штанг разных диаметров для заданной вероятности безотказной работы.
-
Оценка влияния конструкционных, технологических и эксплуатационных факторов на надёжность насосных штанг и введение в расчёты по подбору штанговых колонн предельной амплитуды асимметричного цикла.
-
Разработка единой методики расчёта штанг на стадии их проектирования, изготовления и эксплуатации.
Научная новизна.
-
Выбраны и определены показатели надёжности штанговых муфт, определены показатели надёжности насосных штанг, работающих в наклонно направленных скважинах.
-
Разработана методика расчёта сил трення части колонн, подвергнутых продольному изгибу.
-
Создан экспериментальный стенд для оценки износа штанговых муфт, что позволило оценить износ пары муфта-труба при нагрузках, характерных для работы штанговых колонн в наклонно направленных скважинах.
-
Предложена формула для оценки минимальной нагрузки на штанговую колонну, учитывающая продольный изгиб низа колонн.
-
Определены пределы выносливости штанг разных диаметров для заданной вероятности их безотказной работы с учётом конструкционных, технологических и эксплуатационных факторов.
-
Расчитаны значения предельных амплитуд для штанг диаметром 19, 22 и 25 мм, изготовленных из сталей 20Н2М и 15НЗМА в состоянии нормализации и с закалкой токами высокой частоты (ТВЧ) для коррозионных и некоррозионных условий.
Практическая ценность.
Введение и определение показателей надёжности штанг и муфт позволило оценить их работу в наклонно направленных скважинах.
Результаты исследований максимальных и минимальных нагрузок с учётом найденного коэффициента трения позволят точнее подбирать компоновки колонн, включая их утяжелённый низ.
Единая методика расчёта колонн на стадии их проектирования, изготовления и эксплуатации даёт возможность проектировщикам, изготовителям и эксплуатационникам точнее подбирать конструкцию и металл для штанг, способы его обработки оценивать влияние условий эксплуатации на надёжность штанг.
Реализация работы.
На основе теоретических и экспериментальных исследований, изложенных в в диссертации, разработан руководящий документ "Инструкция по подбору и эксплуатации насосных штанг, работающих в наклонно направленных скважинах" ( РД - 39 - 1 - 1163- 84), разработана " Методика оценки работоспособности насосных штанг при их проектировании, изготовлении и эксплуатации", используемая Очёрским машиностроительным заводом.
Апробация работы.
Основные положения работы доложены на Всесоюзном научно - техническом совещании "Создание бурового, нефтепромыслового оборудования для условий Сибири и Крайнего Севера" (г.Тюмень, 1982 г.); на третьей Всесоюзной конференции по динамике, прочности и надёжности нефтепромыслового оборудования (г.Баку, 1983 г.); на первой и второй Всесоюзных конференциях "Нефть и газ Западной Сибири" (г.Тюмень, 1985, 1989г.г.), на Научно-техническом совете Западно-Сибирского филиала ВНПИ-нефтемаша, (г. Тюмень, 1989г.), на семинарах кафедры "Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов" ГАНГ им. И.М.Губкина (г.Москва, 1989,1997 г.г.), на второй научно-технической конференции "Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса "России" (г.Москва, 1997г.).
Публикации.
Основное содержание работы изложено в 11 публикациях.
Структура и объём работы.
Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, рекомендаций и приложений. Диссертационный материал изложен на 143 страницах машинописного текста и содержит26 рисунков, Ъ4 таблицы и список литературы из (OS наименований. Приложения на 30 страницах содержат копии документов, связанных с внедрением результатов исследований.
