WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 |

Таким образом, применение метода Байеса при оценке технического состояния погружных электроцентробежных установок дает возможность с достаточной точностью судить о надежности оборудования. Диагностическая матрица позволяет выявить влияние различных факторов и определить направления работ по повышению работоспособности УЭЦН. Статистические данные, на которых базируется матрица, необходимо постоянно уточнять, а для определенных регионов следует составлять свои таблицы, опираясь на промысловые данные.

В третьей главе рассмотрены статические и динамические нагрузки, возникающие в системе УЭЦН.

Согласно исследованиям, представленным в литературе, в основном расчленение происходит по телу НКТ и по фланцевому соединению секций в результате разрушения шпильки. Механизм усталостного разрушения шпильки при действии продольного колебания установки наиболее полно представлен в работах В.В. Петрухина, Ю.В. Пахарукова и др. Поэтому далее рассмотрим только нагруженность колонны НКТ.

Действие статических нагрузок в НКТ определяются искривлением профиля скважины (изгибающие усилия и нагрузки кручения), весом УЭЦН и колонны труб (растягивающие усилия). Результаты исследований в работах М.М. Александрова, А.Е. Сарояна, Е.Ф. Эпштейна, Б.З. Султанова и др., посвященных эксплуатации бурильной колонны в скважине, также можно применить к изучению статических изгибающих и растягивающих усилий в колонне НКТ.

В основном разрушение труб происходит в непосредственной близости от насосного агрегата и поэтому наибольший интерес представляет действие динамических нагрузок.

Переменные касательные напряжения, возникающие в НКТ, обусловлены действием реактивного крутящего момента насосного агрегата, который, применительно к роторным машинам, более полно рассматривался при эксплуатации турбобуров в работах Б.З. Султанова, Е.И. Ишемгужина и др. Реактивный момент выражается через крутящий момент на валу насоса и суммарный момент трения.

В трудах В.Л. Александрова, Д.Г. Антониади, Г.Г. Гилаева и других различают два режима работы насоса: установившийся и режим импульсных перегрузок, возникающий при пуске и засорении рабочей жидкости частицами горной породы.

Ввиду наличия механических примесей в перекачиваемой жидкости, солеотложения на рабочих органах насоса и других факторов, влияющих на эксплуатацию УЭЦН в скважине, и являются максимальным и минимальным усилиями, действующими на корпус насоса и колонну НКТ, и определяют амплитуду и среднее напряжение цикла нагружения (а, с).

Рассмотрены факторы, влияющие на величину реактивного момента погружного электроцентробежного насоса, и выделены конструкционные и эксплуатационные параметры. Согласно проведенным расчетам величина реактивного момента при импульсном и установившемся режимах с увеличением числа ступеней возрастает, что приводит к ускорению образования усталостной трещины, и предел выносливости металла на кручение снижается (рисунок 1). В качестве эксплуатационного параметра была взята плотность жидкости (рисунок 2), которая на значение практически не влияет. С повышением концентрации мелкодисперсных частиц увеличивается значение.

Причиной возникновения изгибных напряжений может послужить потеря устойчивости колонны НКТ под действием растягивающих, скручивающих нагрузок и вынужденные поперечные колебания.

Рисунок 1 – Зависимость реактивного крутящего момента от числа ступеней

Рисунок 2 – Зависимость реактивного крутящего момента от изменения плотности жидкости, проходящей через рабочее колесо центробежного насоса

Вопросы продольной устойчивости колонны труб в скважине изучались преимущественно в постановке, которая диктовалась условиями работы обсадных труб и бурильных колонн и НКТ при эксплуатации скважин штанговыми глубинными насосами.

Была рассмотрена возможность изгиба вертикального низа колонны НКТ при эксплуатации скважины УЭЦН в результате потери устойчивости, при этом длина колонны определяется от точки подвески насосного агрегата до точки касания колонны об обсадные трубы при искривлении ствола скважины.

С целью упрощения расчетной схемы представим НКТ как длинный тонкий весомый стержень, на который действуют реактивный крутящий момент, растягивающая нагрузка от веса погружной установки и колонны НКТ (рисунок 3). Стержень, воспринимающий крутящий момент, является неконсервативной системой. Данная задача требует динамического подхода, основанного на рассмотрении колебаний системы, нагруженной усилиями, и определении той нагрузки, при которой внешнее возбуждение приводит к неограниченному росту амплитуды колебаний во времени. Однако обычно рассматривается статический метод исследования устойчивости скручиваемых стержней, который в виде исключения приводит к правильным результатам. В работе И. Барского исследуется влияние крутящего момента на поведение бурильной колонны и показано, что воздействие момента определяется не его величиной, а возможным изменением характера выхода системы из состояния статического равновесия. Подводимая к ней энергия преобразуется в энергию поперечных колебаний с растущей по времени амплитудой.

Система дифференциальных уравнений, описывающая процесс потери статической устойчивости скручиваемой одноступенчатой колонны, имеет вид

(4)

где EI – жесткость стержня на изгиб; u и – прогибы.

Используя принцип Даламбера, введем в статическое уравнение силу инерции и получим динамическое уравнение потери устойчивости. С учетом комплексного прогиба w = u + i

(5)

где – плотность материала стержня; F – площадь его поперечного сечения.

Решение дифференциального уравнения (5) в частных производных ищем в виде

(6)

где – неизвестная комплексная постоянная.

Рисунок 3 – Расчетная схема колонны НКТ и значения безразмерных параметров а, k, b, определяющих условие потери устойчивости при s = 25

Введя безразмерные коэффициенты:

(7)

и учитывая (6), получим уравнение

(8)

Решение будем искать в виде степенного ряда:

(9)

где Сm – комплексные постоянные.

Коэффициенты Сm можно выразить через постоянные С0, С1, С2 и С3, тогда решение принимает вид

(10)

где,,, - многочлены.

Принимая во внимание граничные условия закрепления стержня (рисунок 3), получим систему уравнений, которая будет иметь решение, если определитель этой системы будет равен нулю:

(11)

где,,,,,,,,,,, - функции, получаемые дифференцированием многочленов из выражения (10), (= 0) и (= L).

У Я.Г. Пановко отмечается, что характер возмущенного движения стержня зависит от значения. Если окажется, что – действительное число, то совершаются гармонические колебания с частотой, и систему следует признать устойчивой. Однако если окажется комплексным или чисто мнимым числом, то движение представляет собой колебания с возрастающими размахами, т.е. исследуемая система неустойчива. Следовательно, задача сводится к тому, чтобы выяснить, при каком значении Мкр частота и соответственно параметр b перестают быть действительными числами. Пример решение определителя (11) представлен в графической форме на рисунке 3 при s = 25.

В случае потери устойчивости колонна НКТ выводится из состояния равновесия и совершает поперечные колебания, ограниченные стенками скважины, при этом на движение также действует вибрация УЭЦН. На рисунке 4 представлены нагрузки, возникающие в изогнутой колонне.

f (x,t) – интенсивность внешней нагрузки; T (x,t) и T(x+x,t) – растягивающие усилия от веса колонны и УЭЦН; PНА – вибрация УЭЦН.

Рисунок 4 – Нагрузки, действующие на колонну при изгибе

Изгибающий момент выражается следующим образом:

, (12)

где i – функция времени; Xi – собственная функция перемещения для консольного стержня; определяемая из граничных условий.

Поперечное перемещение колонны НКТ:

(13)

где Xi1 – нормальная функция Xi в точке приложения возмущающей нагрузки (вибрация агрегата); МНА – масса УЭЦН; yНА и - поперечное виброперемещение и виброскорость УЭЦН; Ai – постоянная, определяющая начальное перемещение колонны в результате потери устойчивости; pi – частота собственных колебаний.

Для вычисления значений изгибающего момента были измерены виброперемещение и виброскорость нескольких насосных агрегатов на испытательном стенде ПРЦЭПУ НЗПО (г. Октябрьский) с помощью виброметра «Диана 2М» на различных режимах эксплуатации.

Подставив значение вибросигнала насосного агрегата в выражение (13) и учитывая (12), определим изменение изгибающего момента в колонне НКТ в 5 м от УЭЦН (рисунок 5). Были произведены расчеты для нескольких насосных агрегатов. Согласно показателю Херста, применяемого для анализа полученных временных зависимостей, следует, что изменение изгибающей нагрузки соответствует трендоустойчивому ряду, хотя при этом наблюдается случайные колебания УЭЦН. При увеличении значения l (длина колонны) частота второй моды уменьшается, в свою очередь значения изгибающего момента увеличиваются.

Для предотвращения возникновения изгибных напряжений и исключения появления случайных колебаний системы достаточно ограничить рабочую длину колонны. Согласно решению динамического уравнения потери прямолинейности

Рисунок 5 – Изменение изгибающего момента в колонне НКТ

формы НКТ, увеличение растягивающей нагрузки (свыше 800 кг), приложенной к концу колонны, и ограничение крутящего момента приводят к повышению устойчивости системы.

Растягивающие динамические усилия в насосно-компрессорной трубе обусловлены продольной вибрацией УЭЦН.

В качестве расчетной схемы колебательной системы УЭЦН – НКТ рассмотрим вынужденные продольные колебания стержня с сосредоточенной массой на конце, к которой приложено возмущающее усилие (вибрация УЭЦН) (рисунок 6).

Дифференциальное уравнение вынужденных продольных колебаний стержня имеет вид

(14)

где ; r – жесткость; m – масса трубы к единице длины; – плотность материала НКТ; P(t) – возмущающее усилие, приложенное к массе М (вибрация УЭЦН), которое можно выразить как силу инерции насосного агрегата

Решая уравнение (14), получим выражение для определения продольного перемещения колонны НКТ при эксплуатации скважины УЭЦН:

(15)

Рисунок 6 – Расчетная схема вынужденного продольного колебания колонны НКТ

где pi – частота собственных колебаний системы; Di – постоянная, определяемая из условия нормируемости собственной функции колебания; l – рабочая длина колонны; MНА – масса УЭЦН;, – виброперемещение и виброскорость от вибрации УЭЦН, соответственно.

Динамические продольные нагрузки в теле трубы

(16)

Отсюда

(17)

Приравнивая нулю выражение (17), определили условия снижения динамических продольных усилий в колонне НКТ:

  1. увеличение массы на нижнем конце колонны

(– частота собственных колебаний закрепленного с обоих концов стержня);

  1. использование компенсатора продольных колебаний ();
  2. соответствие частотной характеристики колонны НКТ следующему выражению:.

Изменение динамической нагрузки рассчитывали в 5 м от УЭЦН, подставив значения вибросигнала в выражение (17). Решение представлено на рисунке 7. Расчеты были выполнены в математическом пакете «Mathematica 5». Также были осуществлены расчеты для различных значений длины колонны l (определяется от свободного конца до точки касания со стенкой скважины), с увеличением которой значение Рд уменьшалось.

Рисунок 7 – Динамическая осевая нагрузка в колонне НКТ

Согласно расчетам, временные зависимости продольной динамической нагрузки трендоустойчивые. Ряды динамической нагруженности характеризуются скачками амплитуды, также наблюдается «зашумленность» сигнала.

Используя полученные расчетные значения изгибающей и продольной нагрузки, определили напряжения в колонне труб и вероятность безотказной работы системы УЭЦН по критерию усталостной прочности.

По результатам расчетов составлена диагностическая матрица (таблица 2), использование которой упростит пересчет вероятности безотказной работы системы УЭЦН с учетом динамического нагружения. Среднеквадратическое значение виброскорости в таблице 2 характеризует вибрационное воздействие на колонну труб; масса УЭЦН и рабочая длина колонны – устойчивость НКТ; напор и подача ЭЦН – реактивный крутящий момент; диаметр и толщина стенки НКТ – прочностную характеристику труб. Матрица может уточняться при наличии статистической информации.

В четвертой главе дается обзор методов и средств защиты погружного оборудования от вибрации и представлен компенсатор крутильных колебаний.

Одним из способов повышения надежности системы УЭЦН – НКТ является снижение уровня вибрации. В большинстве случаев виброгасящие устройства предназначены для гашения отдельных видов колебаний (например, продольных).

Согласно приведенным выше исследованиям, с целью повышения работоспособности оборудования необходимо учесть все виды возникающих динамических нагрузок. Для этого предлагается использовать в компоновке погружной электроцентробежной установки компенсатор крутильных колебаний НКТ при эксплуатации скважины УЭЦН, включающий корпус 1, в котором расположены упругий элемент 2 и переводник 4, соединенный с погружной электроцентробежной установкой, снабжен втулкой 3, размещенной в корпусе и закрепленной от проворота, при этом поверхности торцов втулки и переводника, расположенные друг против друга, имеют волнистую форму для преобразования крутильных колебаний в осевое перемещение втулки; кроме того, корпус и переводник соединены с помощью соединительной муфты 5. В качестве упругого элемента использована прорезная пружина. На рисунке 8 представлен общий вид компенсатора.

Устройство устанавливается на колонне насосно-компрессорных труб над УЭЦН. При эксплуатации скважины электроцентробежной насосной установкой возникает переменный крутящий момент, скручивающий переводник 4.

Таблица 2 – Значения P(Kj/Di) с учетом динамического нагружения (D1 – безотказная работа УЭЦН; D2 – «полет» насосного агрегата на забой)

Диагноз

Признак Кi

СКЗ K1, мм/c

Масса УЭЦН K2, кг

Напор ЭЦН K3, м

Подача ЭЦН K4, м3/сут

Pages:     | 1 | 2 || 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»