Введение к работе
Актуальность темы
Установки скважинного штангового насоса имеют по-прежнему лидирующую популярность. Такими установками оборудовано до 60% фонда скважин в России и до 90% в США. В таких установках колонна насосных штанг является одним из ключевых элементов, определяющих продолжительность межремонтного периода. Большая глубина спуска насоса, искривление скважин, повышенная вязкость и высокая коррозионная агрессивность добываемой жидкости повышают нагрузку на штанговую колонну и снижают её усталостную прочность. Сочетание указанных факторов с ограниченной несущей способностью штанг приводит к их преждевременным обрывам. Причинами низкого качества штанг являются особенность конфигурации головки и существующая технология её производства.
Нынешняя форма головки насосной штанги известна со времен начала промышленной скважинной эксплуатации и имеет недостатки, обусловленные значительными перепадами диаметров и переходов квадратно-круглых сечений, что приводит к повышенным концентрациям напряжений и гидравлическому сопротивлению. Изготовление насосной штанги производится высадкой головки штанги при высокотемпературном нагреве в 5 переходов, приводя к снижению технической характеристики штанг в связи с нарушением исходной микроструктуры металла и повышению стоимости производства.
В связи с этим разработка насосной штанги принципиально новой конструкции и совершенствование метода расчета приведенных напряжений с использованием механической характеристики материала штанг являются актуальной задачей.
Цель работы
Увеличение межремонтного периода штанговых установок путем разработки оптимальной конфигурации насосных штанг и совершенствования метода расчета их усталостной характеристики.
Основные задачи исследований
-
Анализ тенденций модернизации конструкции насосных штанг и опыта их эксплуатации.
-
Исследование напряженно-деформированного состояния растяжения насосных штанг при высоких нагрузках.
-
Разработка сборной насосной штанги принципиально новой формы повышенной работоспособности.
-
Разработка метода расчета технологических параметров, регламентирующих характер напряженно-деформированного состояния в областях сопряжения деталей штанги новой конструкции.
-
Разработка метода оперативного вычисления усталостной характеристики насосных штанг в виде приведенного напряжения.
Научная новизна
-
-
Исследованием напряженно-деформированного состояния в головке стандартной насосной штанги, в областях перехода квадратно-круглого сечения и скруглений зарезьбовой канавки выявлены наиболее нагруженные зоны, напряжения в которых превышают напряжения в теле штанги на 7075%.
-
Установлено, что выполнение насосной штанги сборной конструкции увеличивает допустимые нагрузки на 25% по сравнению со стандартной штангой.
-
Впервые для сборной насосной штанги выведены условия обеспечения фиксации упорного кольца на теле штанги, получена зависимость растягивающего усилия в зарезьбовой канавке от внешнего прикладываемого усилия с применением конечно-элементного анализа, выведено условие предотвращения отворотов при заданных эксплуатационных раскручивающих моментах. На основе теории И.А. Одинга показано, что начальное прижатие резьбовой головки к упорному кольцу должно быть минимальным, при условии выдерживания требуемых режимов нагрузок. Дополнительное увеличение силы прижатия снижает усталостную прочность штанги.
-
Разработан новый метод расчета максимально допустимых приведенных напряжений по И.А. Одингу для насосных штанг на основе приближения областей допустимых циклических напряжений по И.А. Одингу и модифицированной диаграмме Гудмана.
Практическая ценность
Результаты, полученные в диссертационной работе, используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» при подготовке инженеров по специальностям 130503 - Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений, 130602 - Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов, а также магистров по направлению 130500 - Нефтегазовое дело.
Сборная насосная штанга новой конструкции принята к внедрению в ООО «Башнефть-Добыча».
Методы исследований
Для исследования возникающих напряжений и оптимизации формы насосной штанги использовалось компьютерное конечно-элементное моделирование напряженно-деформированного состояния штанги. Для обеспечения достоверности расчетных результатов, полученных при моделировании, и конструктивных решений были проведены экспериментальные испытания опытных образцов. Для определения требуемого момента завинчивания для штанги сборной конструкции использовались аналитические расчеты и моделирование методом конечных элементов. Метод вычисления максимально допустимого приведенного напряжения реализован на основе оптимизационного метода минимизации целевой функции, с использованием численного метода Ньютона-Рафсона для одномерной и многомерной оптимизации с применением матрицы Гесса.
На защиту выносится конструктивное решение по увеличению межремонтного периода установок скважинного штангового насоса, метод расчета допустимых моментов завинчивания сборной штанги, метод оперативного определения допустимого приведенного напряжения для штанг.
Апробация результатов исследований
Основное содержание диссертации докладывалось и обсуждалось на международной научной конференции «Нефть-Газ, нефтепереработка и нефтехимия», посвященной 90-летнему юбилею Азербайджанской государственной нефтяной академии (Баку, 2010 г.); научно-технической конференции молодых специалистов ООО «РН-УфаНИПИНефть» (Уфа, 2010, 2011, 2012 гг.); научно-практической конференции «Математическое моделирование и компьютерные технологии в процессах разработки месторождений, добычи и переработки нефти» (Уфа, 2011 г.); всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Инновационные решения в строительстве скважин» (Уфа, 2011 г.); II международной научно-практической конференции «Новые технологии в нефтегазодобыче» (Баку, 2012 г.).
Публикации
Основное содержание диссертации опубликовано в 11 печатных трудах, в том числе в 1 монографии и 4 статьях, три из которых в ведущих рецензируемых научных журналах из перечня ВАК Минобрнауки РФ.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованных источников из 121 наименования, 2 приложений и изложена на 109 листах машинописного текста, включая 67 рисунков и 6 таблиц.
Похожие диссертации на Совершенствование насосной штанги и метода расчета её усталостной характеристики
-
