МАТЕРИКОВАЯ ДОБЫЧА НЕФТИ

Расчёты штанговой колонны

Для продолжительной эксплуатации штанговой колонны требуется уметь корректно её рассчитать и выполнить подбор элементов. За рубежом распространены различные методы для расчёта штанговых колонн. За критерии при подборе штанговой колонны приняты следующие показатели:

• штанговой колонне надлежит быть прочной, легкой и способной выдерживать переменное нагружение;
• растяжение штанговой колонны при нагружении должно быть незначительным, потому что её удлинение влияет на увеличение потерь хода плунжера, а также на
• увеличение динамических нагрузок, которые на неё воздействуют;
• вероятность безаварийной работы штанговой колонны в течение заданного срока эксплуатации дожна быть максимально высокой.

Разрушение штанговой колонны происходит по причине усталости, поэтому более широко распространены методы расчета, которые основаны на расчете на усталость.

Расчет на усталость с использованием диаграммы Смита

Диаграмма Смита формируется при испытаниях штанг, которые необходимо рассчитать, в средах схожих по характеристикам со скважинными. Диаграмма (на рисунке справа) представляет собой многоугольник с замкнутым контуром и состоит из 2-ух ломаных линий:

• А₁, В₁, С, которая соответствует зависимости σ_max от σ_ср;
• А₂, В₂, С, которая соответствует зависимости σ_min от σ_ср.

Алгоритм расчета штанговой колонны с использованием диаграммы Смита следующий:

1. Для определенной скважины и заданного режима эксплуатации штанговой насосной установки вычисляется наибольшая P_max и наименьшая P_min нагрузки в точке подвеса штанг по эмпирическим зависимостям или находятся по динамограммам.
2. Задаются диаметр штанги и ее тип в диапазоне расчета.
3. Определяются:
   • σ_max = P_max/f_шт (где f_шт - площадь поперечного сечения штанги);
   • σ_min = P_min/f_шт;
   • σ_ср = (σ_max + σ_min)/2.
4. Имеющиеся значения σ_max, σ_min, σ_ср отмечаются на диаграмме Смита и получают две точки:
   • x с координатами (σ_max, σ_ср);
   • y с координатами (σ_min, σ_ср).
5. Если эти точки x и y размещаются внутри замкнутого периметра многоугольника, то штанговая колонна подобрана верно. Если 2 или 1 точка находятся за периметром многоугольника, то штанга подобрана неверно, т.е. требуется или прнять больший диаметр штанги, или, не меняя диаметр, изменить тип (материальное исполнение, методы закалки и т.д.).

При расчетах также применяется диаграмма Фишера, которая представляет собой упрощенный вариант диаграммы Смита.

Расчет штанговой колонны с использованием диаграммы MKJ (Мура - Коспера - Яспера)

Многие производители штанг, для расчета штанговых колонн представляют функцию допускаемых напряжений σ_доп для штанг определенных типов в зависимости от коэффициента асимметричности цикла.

Алгоритм использования диаграммы следующий:

1. Для конкретных условий в скважине находятся P_max и P_min аналогично процедуре для диаграммы Смита.
2. Расчитыается коэффициент r.
3. По диаграмме для принятого типа штанг находится допускаемое напряжение σ_доп.
4. Выполняется расчёт σ_max для принятого диаметра штанг.
5. Сравниваются σ_max и σ_доп.
6. Если σ_max < σ_доп, то штанги подобраны правильно.
7. Если σ_max > σ_доп, то расчет должен быть выполнен повторно для другого значения диаметра или типа штанг.

Таким образом, при эксплуатации штанг импортного производства и расчете колонн иностранными методиками требуются вышеприведенные функции или другие похожего типа, которые содержат информацию о максимальных значениях допускаемой нагрузки σ_доп в зависимости от σ_max, σ_min, значения амплитуды напряжений, а также о материальном исполнении штанг, видах упрочняющих процедур и условий в скважине.