Расчеты машин и оборудования для добычи нефти и газа

А.И.СНАРЕВ

РАСЧЕТЫМАШИН
ИОБОРУДОВАНИЯ
ДЛЯДОБЫЧИ
НЕФТИИГАЗА

Учебно-пратичесоепособие

Инфра-Инженерия
Мосва
2010

БИБЛИОТЕКАНЕФТЕГАЗОДОБЫТЧИКАИЕГОПОДРЯДЧИКОВ(SERVICE)
УДК622.323.002.5
ББК33.131я73
С53

Рецензенты:зав.аф.нефтеазовоообордованияАльметьевсооосд.нефтян.инститта,анд.техн.на,профессор
К.И.Архипов;л.механиОАО"Самаранефтеаз"С.В.Солошено

СнаревА.И.
С53
Расчетымашиниобордованиядлядобычинефтии
аза:чеб.прат.пособ./А.И.Снарев.-изд.3-е,доп.Мосва:Инфра-Инженерия,2010.-232с.:ил.

ISBN978-5-9729-0025-1

Данатеорияирассмотренызадачипорасчетивыбормашин
иобордованиядлядобычинефтииазафонтаннымспособом,
становамиЭЦН,штановымилбинныминасосами,атажепри
заачеводы,орячейводыипаравпласт,приидроразрывепласта,притермоислотнойобработепласта.Приведенрасчетсепараторовнапрочность.
Реомендетсядлястдентов,обчающихсяпосоответствющимспециальностямивыполняющихпратичесиезадачи,рсовыеидипломныепроеты,атажедляинженерно-техничесих
работниовнефтеазодобывающихпредприятий.

©А.И.Снарев,автор,2010
©Издательство«Инфра-Инженерия»,2010

ISBN978-5-9729-0025-1

ВВЕДЕНИЕ 

Использование в нефтегазодобывающей промышленности разнообразного оборудования вызвало необходимость расширения и углубления знаний в области расчета и обоснованного выбора этой техники 
при фонтанном, электроцентробежном, погружном и штанговом скваженном способах добычи.    
Интенсивность притока пластовой жидкости в скважину обуславливается  прежде всего давлением в пласте, которое по мере извлечения пластовой жидкости или газа падает. Следовательно, для 
интенсификации притока жидкости и газа необходимо поддерживать 
пластовое давление. 
Метод поддержания пластового давления (ППД) путем законтурного или внутриконтурного нагнетания воды в пласт и базирующийся 
на нем метод комплексной разработки месторождений, впервые 
предложенный группой советских ученых во главе с А.П. Крыловым, 
позволил интенсифицировать добычу нефти и резко увеличить нефтеотдачу пластов. 
Для этого необходимо, чтобы, с одной стороны, фильтрационная 
характеристика коллектора стала лучше, а с другой – чтобы вязкость 
жидкости в пласте стала меньше. 
Кроме того, для увеличения нефтеотдачи необходимо снизить 
поверхностное натяжение пластовой жидкости в зоне контакта с горной породой. Отсюда и методы воздействия на пласт: 
– поддержание пластового давления путем закачки в пласт жидкости или газа; 
– гидроразрыв, кислотная обработка, взрывы (для увеличения 
проницаемости пласта); 
– нагрев в пласте, поджог пластовой жидкости (для снижения  ее 
вязкости); 
– обработка жидкости в пласте химическими реагентами (для 
снижения ее поверхностного натяжения). 
Автор надеется, что сжатое изложение теории, примеры решения 
задач по выбору оборудования позволят студентам и инженерно

техническим работникам успешно освоить технику и технологию добычи нефти и газа, воздействие на пласт, сбор и подготовку нефти и газа. 

1. РАСЧЕТ ОБОРУДОВАНИЯ 
ПРИ ФОНТАННО-КОМПРЕССОРНОЙ 
ЭКСПЛУАТАЦИИ СКВАЖИН 

1.1. РАСЧЕТ УСИЛИЙ, ДЕЙСТВУЮЩИХ 
НА ФЛАНЦЕВОЕ СОЕДИНЕНИЕ ФОНТАННОЙ АРМАТУРЫ 

При фланцевом соединении деталей арматуры уплотнение осуществляется  в основном металлическим кольцом овального или 
восьмиугольного сечения. 
Усилие, действующее на кольцо, не должно приводить к его остаточным деформациям. 
В одном из вариантов сборки фланца прокладочное кольцо соприкасается с канавками фланцев по их внутреннему и внешнему 
скосам. Уплотнение происходит за счет упругой деформации кольца 
и фланцев в месте соприкосновения (рис. 1.1). 

 

 
 
Рис. 1.1. Схема фланцевого соединения 
 
При расчете фланца определяются усилия обжатия, рабочее усилие при повышении в арматуре давления, усилия от разности температур фланца и стягивающих шпилек при перекачке горячей среды и 
усилие от веса боковых отводящих труб, присоединенных к арматуре. 

Для обеспечения герметичности стыка прокладка должна быть 
предварительно обжата для устранения неплотности прижатия под 
определенным давлением. Необходимое усилие обжатия [6]  
 
                              Pобж =π Dср bэф qобж  ,                                                      (1.1) 
 
где Dср – средний диаметр прокладки; bэф – эффективная, т.е. суммарная, ширина контакта прокладки с канавкой фланца  (для прокладок 
овального и восьмиугольного сечений  bэф = b/4); qобж -давление на 
прокладку для ее обжатия (для мягкой меди qобж = 160 МПа; для мягкой стали – 250 МПа; для стали типа 15Х5М – 350 МПа; для стали 
12Х18Н9Т – 400 МПа [6]. 
Давление обжатия на прокладку должно быть меньше допускаемого [6, табл.4]: 
qобж ≤ [q]. 
 
Усилие Pэксп, действующее при эксплуатации, учитывает действие давления Pдав, разжимающего фланцы; остаточное усилие затяжки ∆Pзат, которое должно быть достаточным для уплотнения соединения; влияние  температуры горячей перекачиваемой среды Pt; влияние веса отводящих манифольдов Pм [22, 25]: 

 
   
 
Pэксп = Pдав +  ∆Pзат + Pt + 3Pм
* ,                            (1.2) 
 
где усилие от действия давления и остаточного усилия затяжки определяется по формуле 

 
                 Pдав +  ∆Pзат =  
4

ср
D
π
Pр + π Dср bэф m Pр .                   (1.3)  

 
Здесь Pр – давление в арматуре; m – прокладочный коэффициент, зависящий от упругих свойств материала прокладки (для резины m = 
1,2; для паронита m = 1,6; для меди m = 2,4; для мягкой стали m = 2,7; 
для хромоникелевой стали m = 3,2 [6, табл.4]). 
В случае  работы арматуры с паром или газом или смесью жидкости и газа в формулу подставляют 2m. 

При перекачке горячей среды металл арматуры нагревается 
больше, а шпильки – меньше, так как у них лучше условия охлаждения. 
Считая фланцы жесткими, а шпильки и прокладку упругими, оп
ределяют дополнительную нагрузку [25]: 

 

   
 
             

пр
пр

р

ш
ш

ш

ш
t

f
E

h

f
E
h
h
t
P

Σ
+
Σ

⋅
∆
=
α

,                                     (1.4) 

 
где  ∆t – разность температур фланца и шпилек, оС; hш – длина растя
гиваемой части шпилек; α – коэффициент теплового расширения ма
териала шпилек (для стали α = 1,11⋅ 10-4  1/оС); hр – рабочая высота 
прокладки; Eш, Eпр – модули упругости материала шпильки и прокладки; fш – площадь поперечного сечения шпильки; fпр– площадь поперечного (горизонтального) сечения прокладки. 
Рабочая высота прокладки  

 
    hр = hп – 0,22R,                                        (1.5) 

 
где R – радиус закругления прокладки. Усилие в шпильках от веса  
отводящих труб манифольда 

     Pм = 

2

шп
ср

изг
D
D
M
+
,                                         (1.6) 

 
где Mизг – суммарный изгибающий момент от веса деталей манифольда; Dшп – диаметр окружности  крепления шпильками 
За расчетное усилие Pрас принимается большее из Pобж и Pэксп. 
Усилие на наиболее нагруженную шпильку определяется по формуле 
 

       Pш = n

Pрас
,                                                (1.7) 

 
 

где Pрас – большее усилие из Pобж и Pэксп.; n – количество шпилек. 
Напряжение в шпильке 

 σ =

ш

ш
f
P

η
σ Т
≤
,                                          (1.8) 

где fш – площадь поперечного сечения шпильки по внутреннему диаметру резьбы; η – коэффициент запаса, η = 1,25-1,6. 
Допускаемый момент затяжки шпильки ключом [6] 

 
                            Mкл = (0,04-0,07) σТ d3 ,                                (1.9) 

 
где  d – наружный диаметр резьбы шпильки; σТ – предел текучести 
материала шпильки. 
Расчетный момент затяжки шпильки 

 
                   Mкл.р = 0,055 σ d3.                                    (1.10) 

 
Задача 1. Рассчитать усилие обжатия и эксплуатационное усилие, 
действующее на фланец фонтанной арматуры с прокладкой овального сечения из стали 12Х18Н9Т. Выбрать диаметр шпилек фланца исходя из рассчитанных усилий, материала ст. 30 (σТ= 300 МПа) и определить момент затяжки шпилек. 

 
Исходные данные 
Диаметр фланца 
175 мм 
Условный диаметр прохода 
50 мм 
Внутренний диаметр прокладки 
85 мм 
Высота прокладки  
12 мм 
Ширина прокладки 
6 мм 
Диаметр окружности крепления шпильками 
135 мм 
Рабочее давление 
35 МПа 
Температура добываемой жидкости 
 30 оС 
Количество шпилек 
 6  
Рабочая высота шпильки 
45 мм 
Высота профиля резьбы шпильки 
1,5 мм 

Решение. Усилие обжатия фланца определим по формуле (1.1). 
Для прокладки из  ст. 12Х18Н9Т  q обж=400 МПа. Средний диаметр 
прокладки 

 
D ср = 85 + b = 91 мм; 
 

b эф = 
=
= 4

6

4
b
 1,5 мм, 

тогда  
Р обж= 3,14 ⋅ 91 ⋅ 1,5 ⋅ 10 –6 ⋅400⋅ 10 6 = 171,4 кH. 
 
Для определения эксплуатационного усилия воспользуемся формулой (1.2), так как температура добываемой жидкости не превышает 
30 °C, а данные по весу отводящих труб манифольда отсутствуют. 
Используем лишь первые два члена формулы (1.2), т.е. определим 
усилие от рабочего давления и остаточного усилия затяжки (m=3,2): 

 
P эксп = Р дав + ∆Р зат = 0,785⋅ 912 ⋅10 –6 ⋅ 35⋅ 10 6 + 
+ 3,14⋅91⋅1,5⋅10 –6 ⋅3,2⋅35⋅10 6 = 227520 + 48004 = 275,5 кН. 
 
За расчетное усилие принимаем большее из рассчитанных Рэксп. 
Усилие на наиболее нагруженную шпильку определим по 
формуле (1.7): 

Рш = 
6

275524  = 45,9 кН. 

 
Диаметр шпильки определим из соотношения (1.8), приняв коэффициент запаса   η = 1,5: 

 

f1
ш =
=
η
⋅
σт

ш
P
 
=
⋅
⋅

6
10
300

5,1
45920
 230⋅10 –6  м2. 

 
Отсюда диаметр шпильки по впадине резьбы 

 
d'=
785
,0
/
230
=17,1 мм. 
 
Выберем диаметр шпильки 

 
d = d' +2 h p= 17,1 + 2⋅1,5 = 20,1  мм = 20 мм. 
 

Напряжение в шпильке 

σш = 
=
⋅
−6
10
227

45920
202,3 10 6  Н/м, 

где площадь поперечного сечения шпильки по впадине резьбы 

 
f1
ш =0,785(20 - 2⋅1,5) 2=227 мм 2. 

 
Допустимый момент затяжки шпильки по формуле (1.9) 
 
М кл = 0,06 ⋅ 300 ⋅10 6⋅20 3 ⋅10 –9 = 144  Н⋅м. 

 
Расчетный момент затяжки по формуле (1.10)  
 
М кл р= 0,055 ⋅ 202⋅ 10 6 ⋅ 20 3 ⋅10 –9 = 89  Н⋅м. 
 
Задача 2. По условиям предыдущей задачи рассчитать усилие 
обжатия и эксплуатационное  усилие,  действующее  на фланец  фонтанной арматуры  с прокладкой из мягкой стали при нагнетании в 
скважину горячей воды и пара. 
Выбрать материал для шпилек исходя из рассчитанных усилий  и 
определить момент затяжки шпилек. 
Исходные данные 
Рабочее давление  
12  МПа  
Температура закачиваемой смеси  
300 °С  
Диаметр шпилек  
18 мм  
Вес части манифольда, приходящейся на фланец 
2000 Н 
Расстояние до центра тяжести части манифольда  
2 м 

 
Решение. Усилие обжатия фланца определим по формуле (1.1). 
Для прокладки из мягкой стали  q обж= 250 МПа. Из предыдущей задачи Dcp= 91 мм,  b эф= 1,5 мм: 

 
P обж = 3,14 ⋅91⋅ 1,5 ⋅ 10 –6 ⋅250 ⋅ 10 6 = 107,2 кН. 

 
Усилие от рабочего давления и остаточного усилия затяжки определим по формуле (1.3) при m=2,7⋅2 = 5,4: 

 
Рдав+ ∆Рзат = 0,785⋅912 ⋅10 -6 ⋅12⋅10 6  + 3,14⋅91⋅ 1,5⋅ 10 –6 ⋅ 5,4 ⋅ 12 ⋅ 
10 6 = 78007 + 27774 = 105,8 кH. 

Нагрузку от разности температур фланца и шпилек определим по 
формуле (1.4),  причем разность температур в начале прогрева при 
300 °С составит 20 o С  [25]. 
По условию длина растягиваемой части шпилек h ш = 45 мм.  
Рабочая высота прокладки  h р = 12 – 2 = 10 мм,  площадь поперечного сечения прокладки 

 
f пр = 0,785⋅ (972 – 852) = 1714 мм 2. 

 
 Площадь поперечного сечения шпильки 
 
f ш = 0,785 ⋅ 18 2 = 254,3 мм2, 
тогда 

 
=

⋅
⋅
⋅
⋅
+
⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
=

−

−

−

−

−
−

6
11

3

6
11

3

4
3

10
1714
10
1,2
10
10
10
3,
254
6
10
1,2
10
45
10
11
,0
10
45
20

tP
 

=
7
69
10
28
0
10
14
1
10
0
99

10
10

7
,
,
,
,
=
⋅
+
⋅
⋅

−
−

−
  кH. 

 
Нагрузку от веса части манифольда определим по формуле (1.6). 
Момент от веса манифольда 

 
M изг = 2000 ⋅ 2= 4000  Н⋅м. 

 
По условию предыдущей задачи   

 
D шп =135 мм; 
 

Pм =
3
10
)
135
91
(
2
4000

−
⋅
+
⋅
 = 35,4 кН. 

 
Эксплуатационное усилие по формуле (1.2)  

 
Р эксп=105,8 + 69,7 +3 ⋅35,4 = 281,7 кH. 

 
За расчетное усилие принимаем большее из рассчитанных  (Рэксп 
и Робж). 
Усилие на наиболее нагруженную шпильку определим по 
формуле (1.7):