Коэффициент наполнения штангового скважинного насоса

Введение

В России до 70% действующего фонда скважин эксплуатируются  ШСНУ.

Однако добыча нефти  с помощью ШСНУ производится на базе относительно старой технологии и техники  добычи нефти, особенно это относится  к скважинному и внутрискважинному  оборудованию и технологическим операциям, проводимым с помощью этого оборудования. Это привело к известному противоречию между интенсивными системами разработки и устаревшей техникой и технологией добычи нефти.

Особенно актуальной становится разработка, изготовление и испытание нового оборудования в свете увеличения обводнённости и механических примесей добываемой нефти.

Целью моего курсового  проекта является увеличение коэффициента наполнения штангового скважинного насоса, а также увеличение надёжности его работы после проведения ремонтов. Увеличение коэффициента наполнения ШСН достигается модернизацией клапанного узла, а увеличение надёжности - специальными методами ремонта, речь о которых пойдёт ниже [4].   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Основные положения  технического задания

1. Наименование и область применения.

1.1.Наименование изделия  и его шифр.

     Клапан  СШН

2. Назначение и область применения.

        Клапан предназначен для увеличения  коэффициента наполнения насоса  без увеличения его погружения  под динамический уровень. Предназначен для предотвращения подъёма насосных труб с жидкостью в результате невозможности срыва узла всасывающего клапана из посадочного конуса.

3. Возможность использования изделия для постановки на экспорт.

Изделие может поставляться на экспорт самостоятельно при наличии патентной чистоты установки по стране поставок.

2.Основания для разработки.

2.1. Организация, утвердившая  документ.

Кафедра НГМО в лице заведующего  кафедрой Сысоева Н.И.

2.2. Тема, этап отраслевого  и тематического плана в рамках  которого будет выполняться задание.

                  Курсовой  проект.

3. Цель и назначение разработки.
1. Заменяемое старое или создание нового.

  Клапан СШН создается  для замены и модернизации  старых.

2. Ориентировочная потребность по годам с начала серийного производства. По заказу предприятия «СНГ».
3. Источник финансирования. Нет.
4. Предлагаемые исполнители.

       Сокол  В.Г.

4. Источники разработки.
1. Протоколы лабораторных испытаний.

        Отсутствуют.

2. Конструктивные проработки.

Отсутствуют.

4.3 Перечень других  источников.

Ивановский В.Н., Дардищев В.И., Каштанов И.С. и др. Оборудование для добычи нефти и газа. Москва, 2002.; Патентная литература.

5.Технические требования.

5.1. Стандарты и нормативно-техническая  документация. Технические условия  на скважинные установки ТУ 26-06-1464-86, технические требования на погружные насосы ТУ 16-652.016-85. Руководства по эксплуатации; заводские паспорта.

2. Состав изделия, требования к изделию.

Всасывающий клапан состоит  из корпуса  и седла  с осевым цилиндрическим отверстием для прохода жидкости. В полости корпуса  установлена с возможностью осевого перемещения и контакта с упорной поверхностью корпуса  и седлом  тарелька с центратором. На наружной цилиндрической поверхности центратора выполнены выступы в виде лопастей, расположенные под углом к образующей цилиндрической поверхности. Тарелка  при закрытом положении клапана сопряжена с цилиндрической поверхностью отверстия седла  и снабжена в зоне сопряжения кольцом  и втулкой.

5.3.Требования к показателям  назначения, надежности, ремонтопригодности.

Основные технические  параметры установки, определяющие его целевое использование и  применение изложены в 1.2 и 5.2 данного  технического задания. СШН должен удовлетворять  следующим требованиям:

- Насос должен обеспечивать подачу 50 м³/сут;

- Глубина спуска насоса должна не превышать 1125 м;

- Насос должен обеспечивать откачку вязкой нефти до 200 сП

5.4 Требования к унификации.

Основные сборочные  единицы клапана должны быть максимально  унифицированы с клапанами более  ранних конструкций.

5.5 Требования к безопасности.

Эксплуатацию клапана  СШН необходимо выполнять в соответствии с Правилами безопасности в нефтегазовой отрасли, правилами технической  эксплуатации электроустановок, правилами  техники безопасности при эксплуатации электроустановок и требованиями инструкций.

Эргономические и эстетические требования

5.6. Эргономические показатели  должны обеспечивать максимальную  эффективность, безопасность и  комфортность труда.

5.7. Требования к патентной  чистоте.

Клапан должен обладать патентной чистотой по странам СНГ, бывшим СЭВ, США, Англии, Франции, Японии, Германии.

5.8.Требования к эксплуатации.

Установка работает от сети переменного тока напряжением 380 В  при частоте тока 50 Гц.

Жидкость должна поступать  через сетку в нижнюю часть  насоса,

Электроэнергия к приводу подается по плоскому кабелю

Над насосом должны устанавливаться  обратный и сливной клапаны,

6. Экономические показатели.

6.1 Ориентировочный экономический  эффект от применения одной  установки.

6.2. Срок окупаемости  затрат - один год с начала их серийного производства.

6.3. Цена договорная.

6.4. Предполагаемая годовая  потребность не рассчитывается.

7. Стадии и этапы  разработки.

7. Разработка конструкторской  документации для изготовления  опытной партии клапанов.

7.2 Изготовление и предварительные испытания опытной партии клапанов.

Приёмочные испытания  опытной партии клапанов.

Корректировка конструкторской  документации на установочную серию.

Изготовление установочной серии клапанов.

 

 

1. Анализ и обзор конструкции клапанов штанговых скважинных

насосов

 

       Нефтедобывающее оборудование в течение многих лет эксплуатируется без существенной модернизации. Например, скважинные штанговые насосы (СШН) работают без конструктивных изменений с начала механизированной эксплуатации скважин. Основными узлами этих насосов являются всасывающий и нагнетательный клапаны. От их состояния во многом зависит эффективность работы насосной установки.

       Клапаны предназначены для периодической изоляции нижней части глубинного насоса, занятой уже поступившей в неё жидкостью, от насосно-компрессорных труб, откуда эта жидкость поступает. Клапан в гораздо большей степени подвержен износу, чем пара рабочая втулка – плунжер.

        Нагнетательный клапан устанавливается в зависимости от особенностей конструкции насоса, в верхней, нижней частях плунжера или же и тут и там. Клапан должен иметь, возможно, меньшее гидравлическое сопротивление, обусловливающее появление дополнительного усилия при ходе штанг вниз. Конструкции нагнетательных клапанов приведены на рисунке 1.1.

        Всасывающий клапан устанавливается в нижней части цилиндра. Способ его крепления определяется конструкцией насоса: у вставных насосов посредством резьбового соединения, у трубных с помощью специального фиксатора для возможности извлечения клапана. В последнем случае клапан должен иметь устройство для его надёжного захвата и извлечения на поверхность, а также проведения обратных операций. Как и нагнетательный, всасывающий клапан должен иметь, возможно, меньшее гидравлическое сопротивление.

        Процесс закрытия клапана очень сложен. Так, клапан закрывается с некоторым запаздыванием относительно цикла работы глубиннонасосной установки. Это отрицательно сказывается на коэффициенте наполнения глубинного насоса [3, c.296].

 

1.1 Клапаны шариковой конструкции

        Наибольшее распространение в серийных насосах получили клапаны шариковой конструкции из-за их кажущихся надёжной работы и простоты, хотя обе эти позиции не выдерживают критики.

         Основой конструкции таких клапанов являются седло клапана и шарик    (рисунок 1.2). Сёдла клапанов изготавливаются из стали марок 30Х13, 35Х18 или из твёрдого сплава ВК6В [4, c.117].

         В зависимости от формы седла шариковые клапаны различаются на клапаны с буртом (рисунок 1.2, а) и клапаны с гладкой наружной поверхностью   (рисунок 1.2, б) [3, c.292].

         Пропускная способность клапана с гладкой наружной поверхностью на 40% выше клапана с буртом.

         Оба типа клапанов изготавливают так, чтобы после износа одной из кромок поверхности седла оно могло быть повёрнуто на 180⁰ для использования другой поверхности.

           Как показали исследования, произведённые в Гипронефтемаше, форма активных поверхностей седла имеет решающее значение для уплотнения клапана и продолжительности его работы.

          Испытания показали, что все типы лицевых поверхностей приобретают в процессе работы сферическую форму с радиусом, равным радиусу шарика.

Большой срок службы шариковых  клапанов объясняется притиранием  шарика в седле в процессе работы, а также относительно большой активной поверхностью шарика [3, c.293].   

        Клапан должен удовлетворять следующим условиям:

1) для снижения сопротивления  потоку жидкости проходное сечение  клапана должно быть как можно  больше;

2) седло должно иметь  возможно большую массу, а шарик меньшую. Это условие может быть выполнено путём уменьшения диаметра шарика или путём снижения его веса.

3) прочность седла  должна быть выше, чем прочность  шарика, во избежание смятия седла  под действием повторяющихся  ударов шарика (активная поверхность седла намного меньше активной поверхности шарика);

4) твёрдость шарика  должна быть выше, чем твёрдость  седла, так как шарик в процессе  работы должен сохранять свою  форму и первоначальное состояние  поверхности [3, c.294].

Основные причины износа клапана следующие:

1) коррозионность среды,  эффект которой особенно силён  для клапанов, изготовленных из  углеродистой стали;

2) абразивность, связанная  с присутствием в добываемой  жидкости песка;

3) деформация активной  поверхности седла, которая вызывается  ударами, происходящими в момент посадки клапана в седло;

4) механический износ,  который объясняется трением  между седлом и шариком, зависит  от относительной твёрдости этих  двух деталей.

           На рисунке 1.3 изображён шариковый клапан глубинного насоса, изобретённый АзНИПИнефть в 1981 году, на рисунке 2.4 – направляющее устройство.

           Шариковый клапан содержит корпус 1, в цилиндрической расточке 2 которого установлено направляющее устройство 3 с упругими вертикальными рёбрами 4, жёстко связанными между собой в нижней части упругим цилиндрическим кольцом-основанием 5 с прорезью 6, а также шарик 7 и седло 8 клапана, прижатое к корпусу наконечником 9. В клапане имеются подклапанная 10 и надклапанная 11 полости. Направляющее устройство 3 установлено в цилиндрической расточке 2 корпуса свободно с образованием верхнего торцового 12 и радиального 13 зазоров, а упругие вертикальные рёбра 4 имеют выступы 14 для ограничения подъёма шарика. В свою очередь направляющее устройство 3 снабжено фиксатором 15, выполненным в виде дополнительно установленного в его верхней части цилиндрического кольца 16 с прорезью 17, жёстко связанного с рёбрами 4.

Шариковый клапан работает следующим образом.

 

    

 

 

Рис. 1.3 – Клапан конструкции           Рис. 1.4 – Направляющее устройство АзНИПИнефть

 

          При соответствующем ходе плунжера глубинного насоса клапан открывается, и жидкость перетекает из подклапанной полости 10 в надклапанную полость 11. При обратном ходе плунжера клапан закрывается.

В момент открытия клапана  шарик 7 ударяется о внутренние выступы 14 упругих вертикальных рёбер 4 направляющего устройства 3, а затем под действием потока жидкости начинает совершать вращательно-колебательное движение в горизонтальном и вертикальном направлениях.

             Наличие фиксатора 15, выполненного в виде дополнительно установленного в верхней части направляющего устройства 3 цилиндрического кольца 16, жёстко связанного с рёбрами 4, позволяет надёжно фиксировать верхние концы рёбер 4 направляющего устройства 3 в условиях работы при высоких давлениях жидкости и с жидкостью, содержащей песок.