Расчет нефтепромыслового оборудования


МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФГБОУ ВО «КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»


А. А. Ладенко П. С. Кунина







РАСЧЕТ НЕФТЕПРОМЫСЛОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ




Учебное пособие











Инфра-Инженерия Москва — Вологда 2019

УДК 620.193.8:622.24.05
ББК 33.36
   Л 15

ФЗ № 436-ФЗ

Издание не подлежит маркировке в соответствии сп. 1ч.4ст. 11





    Ладенко А. А.
Л 15 Расчет нефтепромыслового оборудования: учебное пособие / А. А. Ладенко, П. С. Кунина. — М.: Инфра-Инженерия, 2019. — 188 с.



    ISBN 978-5-9729-0281-1



    В учебном пособии рассмотрены вопросы расчета оборудования для сбора и подготовки нефти и газа, классификация, технические и технологические характеристики нефтепромыслового оборудования, установок для добычи, хранения и подготовки нефти и газа. Представлен расчет сосудов, емкостей для сбора и подготовки нефти и газа, расчет штанговых установок, расчет установки электроцентробежного насоса для скважинной добычи. Расчеты основных технологических и технических параметров установок на основе существующих методик позволят студентам приобрести навыки инженерных расчетов, необходимых при работе с промысловым оборудованием.
    Пособие поможет студенту самостоятельно поставить задачу и выработать методику ее решения, пользуясь представленными примерами расчета. Примеры даны в нескольких вариантах.
    Предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки магистров 21.03.01 «Нефтегазовое дело».



© Ладенко А. А., Кунина П. С., авторы, 2019
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2019



    ISBN 978-5-9729-0281-1



2

            ОГЛАВЛЕНИЕ



ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ................................7
ВВЕДЕНИЕ.............................................9
1. НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ НЕФТЕПРОМЫСЛОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ......................11
2. ВЫБОР МАТЕРИАЛА ДЕТАЛЕЙ ДЛЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ..................14
   2.1. Влияние условий эксплуатации оборудования...14
   2.2. Ориентировочные рекомендации по выбору марок сталей и припусков на коррозию для сосудов, применяемых на промыслах.........................14
3. РАСЧЕТ ЕМКОСТЕЙ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ПРИ ПОДГОТОВКЕ ГАЗА И НЕФТИ НА ПРОМЫСЛАХ...........................18
   3.1. Расчет вертикальных емкостей-сосудов .......18
            Расчет вертикальных цилиндрических резервуаров.............................18
   3.2. Расчет толщины стенки сосуда и патрубков ...24
       3.2.1. Определение основных геометрических параметров аппарата..........................24
       3.2.2. Определение значения коэффициента сварного шва..................................25
       3.2.3. Расчет толщины стенки цилиндрической обечайки, люка и патрубков (штуцеров)...................25
       3.2.4.    Проверка прочности корпуса при гидроиспытании ....27 3.3. Расчет днищ сосудов с внутренним давлением .28
       3.3.1. Полушаровые днища.....................28
       3.3.2. Днище коробовой формы.................30
       3.3.3. Эллиптические днища...................31
       3.3.4. Конические днища и переходы...........32
   3.4. Расчет корпуса сосуда на прочность и устойчивость... 34 3.4.1. Общие зависимости..........................34
       3.4.2. Расчет оболочек сосудов под давлением на прочность от температурных напряжений......35

3

        3.4.3. Расчет оболочек сосудов под давлением на прочность...................................37
        3.4.4. Условие устойчивости сосуда при действии сжимающего напряжения и внутреннего давления....39
    3.5. Упрощенный расчет фланцевых соединений .......40
        3.5.1. Типы фланцевых соединений...............40
        3.5.2. Упрощенный расчет фланца................42
3.6. Расчет укрепления вырезов в стенках сосудов и аппаратов упрочнению штуцера ....................46
        3.6.1. Расчет укрепления вырезов в стенках сосудов и аппаратов............................46
        3.6.2. Расчет упрочнения штуцера...............50
    3.7. Расчет опоры сосуда...........................52
        3.7.1. Общий вид опорного элемента цилиндрического вертикального сосуда под давлением.............52
        3.7.2. Определение толщины стенки опорного элемента.54
    3.8. Учет ветровых нагрузок........................55
    3.9. Сейсмические нагрузки.........................58
    3.10. Расчет опорного кольца аппарата..............59
4.  РАСЧЕТ ШТАНГОВОЙ ГЛУБИНОНАСОСНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ СКВАЖИН...................................61
4.1. Выбор оборудования ШГНУ и определеие параметров работы насоса.......................................67
4.2. Пример расчета ШГНУ и выбора режима его эксплуатации....................................75
4.3. Определение нагрузок на головку балансира станка-качалки......................................80
    4.4. Пример расчета нагрузок на головку балансира станка-качалки......................................84
4.5. Определение длины хода плунжера штангового насоса ..................................89
        4.5.1. Длина хода плунжера с учетом действия статических сил.................................89
        4.5.2. Определение длины хода плунжера с учетом статических и динамических сил..................91
        4.5.3. Пример расчета длины хода плунжера по статической теории...........................92

4

        4.5.4. Пример расчета длины хода плунжера по статической и динамической теориям...............95
    4.6. Расчет производительности и определение коэффициента подачи ШГНУ..............................98
        4.6.1. Формула производительности по элементарной теории...........................................98
        4.6.2. Производительность по элементарной теории А. Н. Адонина.............................99
        4.6.3. Формула производительности А. С. Вирновского.99
        4.6.4. Учет гидродинамического трения по формуле А. С. Вирновского...............................100
        4.6.5. Учет потерь на сопротивление жидкости в нагнетательном клапане и на трение плунжера о стенки цилиндра...............................100
        4.6.6. Производительность ШГНУ в случае двухступенчатой колонны штанг...................101
        4.6.7. Пример расчета производительности и коэффициента подачи ШГНУ......................102
    4.7. Расчет прочности колонны штанг................106
        4.7.1. Пример выбора и расчета на прочность одноступенчатой колонны штанг...................108
        4.7.2. Примеры выбора и расчета на прочность двухступенчатой колонны штанг...................110
        4.7.3. Пример выбора технологического режима эксплуатации двухступенчатой колонны штанг.......115
4.8. Расчет НКТ по аварийной нагрузке при эксплуатации ШГНУ...............................119
    4.9. Пример расчета аварийной нагрузки на колонну гладких НКТ ........................................121
    4.10. Расчет НКТ на циклические нагрузки ..........122
    4.11. Расчет уравновешивания станка-качалки........123
    4.12. Расчет мощности электродвигателя.............130
5.  РАСЧЕТ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ СКВАЖИН ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНЫМИ НАСОСАМИ (ЭЦН)....................131
    5.1. Установки погружных электроцентробежных насосов ............................................131
        5.1.1. Погружные электроцентробежные насосы....131

5

        5.1.2. Погружные электродвигатели...............138
        5.1.3. Кабельная линия..........................142
        5.1.4. Выбор насосно-компрессорных труб.........147
        5.1.5. Определение необходимого напора ЭЦН......148
        5.1.6. Выбор центробежного насоса...............150
        5.1.7. Выбор электродвигателя...................151
        5.1.8. Пример подбора ЭЦН в скважину............152
5.2. Определение глубины погружения насоса под динамический уровень.............................155
        5.2.1. Расчет оптимального, допускаемого
             и предельного давлении на приеме ЭЦН........158
        5.2.2. Пример оценки оптимального, допускаемого
             и предельного давлении на примере ЭЦН......159
        5.2.3. Работа газа по подъему жидности..........160
        5.2.4. Пример расчета погружения насоса
             под динамический уровень...................161
    5.3. Выбор кабеля, трансформатора и определение эксплуатационных параметров УЭЦН ...................165
       5.3.1. Выбор кабеля..............................165
       5.3.2. Выбор трансформатора......................166
       5.3.3. Определение габаритного диаметра УЭЦН и скорости движения охлаждающей жидкости..........167
       5.3.4. Определение удельного расхода электроэнергии установкой ЭЦН....................168
       5.3.5. Пример расчета габаритов УЭЦН, скорости охлаждающей жидкости и удельного расхода электроэнергии...................................169
Контрольные вопросы для самопроверки ...................172
Список использованных источников........................174
Приложение А. Фланцы литые стальные ....................176
Приложение Б. Фланцы арматуры, соединительных частей и трубопроводов.........................................179

6

            ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ


     В настоящем методическом учебном пособии (УП) применены термины с соответствующими определениями и сокращениями, установленные как нормативными документами, так и данным УП.
     Надежность — свойство технического устройства или изделия выполнять свои функции в пределах допустимых отклонений в течение определенного промежутка времени.
     Работоспособность — состояние изделия, при котором оно способно выполнять свои функции в пределах установленных требований.
     Отказ — событие, при котором нарушается работоспособность изделия.
     Неисправность — состояние изделия, при котором оно не соответствует хотя бы одному требованию технической документации.
     Наработка — продолжительность работы изделия в часах или других единицах времени.
     Наработка на отказ, или среднее время безотказной работы — среднее значение наработки ремонтируемого изделия между отказами.
     Вероятность безотказной работы — вероятность того, что в данный промежуток времени не возникнет отказа изделия.
     Интенсивность отказов — вероятность отказа неремонтируемого изделия в единицу времени после данного момента времени.
     Безотказность — свойство изделия сохранять работоспособность в течение некоторой наработки.
     Долговечность — свойство изделия сохранять работоспособность до предельного состояния с перерывами на обслуживание и ремонт.
     Ресурс — наработка изделия до предельного состояния, оговоренная в технической документации.
     Срок службы — календарная продолжительность работы изделия до предельного состояния, оговоренная в технической документации.
     Ремонтопригодность — доступность изделия для его обслуживания и ремонта.

7

     Техническое обслуживание (ТО) — комплекс технических мероприятий, направленных на поддержание заданного уровня технической готовности.
     НКТ — насосно-компрессорные трубы.
     СШНУ — скважинная штанговая насосная установка.
     ШГНУ — штанговая насосная установка.
     ЭЦН — электроцентробежный насос.
     УЭЦН — установка электрического насоса центробежного.

8

            ВВЕДЕНИЕ



      С повышением объемов бурения скважин и добычи нефти и газа особо острой становится проблема обеспечения эффективности функционирования парка, применяемого оборудования. Последнее в свою очередь требует изменения подхода к вопросам проектирования и эксплуатации оборудования, а главное, к обеспечению необходимого уровня эксплуатационной надежности.
      Отказы изделия могут означать не только различные механические повреждения, но и уход его параметров за допустимые пределы. В связи с этим отказы могут быть внезапными и постепенными.
      Возникновения внезапных отказов в оборудовании являются случайными событиями. Эти отказы могут быть независимыми, когда отказ одного элемента в изделии происходит независимо от других элементов, и зависимыми, когда отказ одного элемента вызван отказом других. Разделение отказов на внезапные и постепенные является условным, так как внезапные отказы могут быть вызваны развитием постепенных отказов.
      Количественной характеристикой для математического определения надежности является интенсивность отказов устройства в единицу времени, которая обычно измеряется числом отказов в час.
      Величина, обратная интенсивности отказов, называется средней наработкой до первого отказа и измеряется в часах.
      В течение срока службы технического изделия можно выделить три периода, интенсивность отказов в которых меняется по-разному.
      В первый период, называемый периодом приработки, происходит выявление конструктивных, технологических, монтажных и других дефектов, поэтому интенсивность отказов может повышаться в начале периода, понижаясь при подходе к периоду нормальной работы.
      Период нормальной работы характеризуется внезапными отказами постоянной интенсивности, которая увеличивается к периоду износа.
      В период износа интенсивность отказов увеличивается с течением времени по мере износа изделия.
      Очевидно, основным должен быть период нормальной работы, а другие периоды являются периодами входа и выхода из этого периода.
      Надежность изделия закладывается на стадии проектирования. Если принятые при этом конструкторские решения соответствуют мировому уровню,

9

то это будет способствовать большей надежности при работе изделия. Так же влияют технология производства и грамотность кадров на всех уровнях.
      На надежности изделия сказываются также условия транспортировки и хранения, монтаж, наладка и обкатка, соблюдение правил эксплуатации оборудования.
      Для многих видов нефтепромыслового оборудования эффективность его функционирования наряду с техническим обслуживанием и ремонтом в условиях эксплуатации характеризуется также необходимостью устранения неисправностей при периодической переброске установок и агрегатов с одной точки эксплуатации на другую и повторном монтаже оборудования, что усложняет цикл его оборачиваемости и приводит к изменению принятой системы технического обслуживания и ремонта.
      Известно, что безотказность и ремонтопригодность в той или иной степени свойственны оборудованию в любом из возможных режимов его существования. В основном эти свойства изделия или объекта рассматриваются применительно к его использованию по назначению. Однако в отмеченном случае необходима оценка безотказности и ремонтопригодности и с учетом периодически проводимых монтажных работ. Данной проблеме следует отвести должное место и в программах обеспечения надежности при проектировании нового и модернизации существующего оборудования и его расчетах.
      Настоящая работа посвящена рассмотрению вопросов расчета нефтепромыслового оборудования.

10

            1. НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ НЕФТЕПРОМЫСЛОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ


     Конструктивно-технологические особенности нефтепромыслового оборудования определяются условиями бурения скважин, добычи, хранению, подготовки и транспорта нефти и газа. Отмечаются крайне неблагоприятные условия эксплуатации: удаленность точек эксплуатации оборудования от ремонтных баз, запыленность или коррозионность окружающей среды, высокий уровень действующих нагрузок, не стационарность режимов нагружения, образование отложений, нерегулярность ремонтных работ, и др.
     Опыт эксплуатации показывает, что для нефтепромыслового оборудования в качестве показателя эффективности функционирования прежде всего необходимо принять оптимальный уровень эксплуатационной надежности. Это связано с непрерывностью производства, при котором потери времени на устранение отказов оборудования приводят зачастую к значительному недовыпуску продукции скважин.
     Применяемые для оценки эксплуатационной надежности количественные показатели стандартизированы [9]; особенности их применения достаточно подробно рассмотрены в обширной литературе по теории надежности, в том числе и для механических систем. Широкое применение получили такие показатели как «средняя наработка до отказа», «средняя наработка на отказ», «средний ресурс», «средний срок службы», «среднее время восстановления», «средний срок сохраняемости», которые равны математическим ожиданиям соответствующих случайных величин. Для невосстанавливаемых изделий при оценке безотказности часто применяются показатели: «вероятность безотказной работы» и «интенсивность отказов», а для восстанавливаемых изделий наряду с показателями «вероятность восстановления», «интенсивность восстановления», «средняя трудоемкость восстановления» используют показатели: «удельная трудоемкость ремонта» и «удельная трудоемкость технического обслуживания». Важным является оценка сложных восстанавливаемых изделий с помощью комплексных показателей надежности: коэффициентов готовности и технического использования, которые в отличие от единичных показателей надежности характеризуют несколько свойств, составляющих надежность, например безотказность и ремонтопригодность.
     Безотказная работа сложных восстанавливаемых систем зависит от многих факторов: от выполнения всех требований по применению объекта по назначению, по хранению и транспортированию, от уровня и стабильности

11

технологического процесса, качества и своевременности проведения ремонта и др. В результате может отмечаться значительно показатели надежности.
     Перевод объекта из неисправного состояния в работоспособное состояние осуществляется при помощи ремонта, при котором происходит частичное или полное восстановление ресурса объекта. Поэтому после капитального ремонта отсчет наработки при исчислении ресурса рекомендуется возобновлять, различая в связи с этим доремонтный, межремонтный, послеремонтный — от последнего капитального ремонта; полный ресурс — от начала эксплуатации до перехода объекта в предельное состояние. Аналогичным образом выделяют виды срока службы и срока сохраняемости. Полный (до списания) срок службы, как правило, включает продолжительности всех видов ремонта.
     Если надежность оборудования, не требующего монтажа на объектах потребления, закладывается при его конструировании, обеспечивается в процессе изготовления и поддерживается при эксплуатации, то надежность отмеченных видов оборудования обеспечивается не только при изготовлении и сборке, но и при периодически производимом демонтаже-монтаже. Поэтому монтажепригодность рассматривается как один из основных факторов, оказывающих доминирующее влияние на надежность оборудования [17].
     Монтажеспособность оценивается приспособленностью объекта (изделия) к монтажу в определенных организационно-технических условиях выполнения работ с минимальными затратами труда и средств, характеризующихся максимальной доступностью, простотой, удобством и способностью объекта выполнять требуемые функции после завершения монтажных работ.
     Монтажеспособность может оказывать влияние и на другие эксплуатационные требования, предъявляемые к оборудованию, и в том числе на применяемую систему технического обслуживания и ремонта.
     Поэтому в замкнутом цикле обеспечения эксплуатационной надежности в указанных случаях должны быть также учтены и действия, связанные с периодически повторяющимся их монтажом. Важнейший фактор, как при монтаже, так и при эксплуатации — это эффективное техническое обслуживание и ремонт оборудования, задачей которых является обеспечение высокой эксплуатационной надежности.
     Процесс технического обслуживания и ремонта должен предусматривать обязательное выявление и устранение наиболее часто повторяющихся в эксплуатации и повторных монтажах неисправностей и отказов оборудования не только путем отдельных технических, технологических и организационных мероприятий, но и за счет модернизации оборудования и качественного проведения технического обслуживания.

12

      Ремонт нефтепромыслового оборудования осуществляется агрегатным методом. Неисправные сборочные узлы и агрегаты, работоспособность которых нельзя восстановить проведением операций технического обслуживания, заменяют на исправные (новые или отремонтированные), имеющиеся в обменном фонде.
      Техническое обслуживание (ТО) — комплекс технических мероприятий, направленных на поддержание заданного уровня технической готовности. По объему проводимых работ техническое обслуживание нефтепромыслового оборудования подразделяется на ежедневное техническое обслуживание, первое техническое обслуживание и второе техническое обслуживание.
      Ежедневное техническое обслуживание проводят работники нефтесклада промысла.
      Проведение технических обслуживаний ТО-1 и ТО-2 возложено на специализированные бригады ремонтно-технических предприятий.
      Опыт эксплуатации нефтепромысловых складских объектов показывает, что уровень технического состояния оборудования нефтескладов, который оценивается степенью исправности всех узлов и агрегатов, а также соответствием регулировочных параметров техническим требованиям, зависит от своевременного и качественного выполнения операций планово-предупредительного технического обслуживания и ремонта.
      Для обеспечения при модернизации требуемого уровня надежности оборудования необходимо проведение исследования качественных показателей: анализ технической документации, сбор и обработка статистической информации, выявление основных причин отказов, обследование изношенных деталей и сборочных единиц, проверка их соответствия техническим требованиям. Эти сведения при необходимости должны быть дополнены данными о потерях производства, вызванных простоями, о расходе запасных частей, трудоемкости технического обслуживания и ремонта и др.
      Процесс повышения уровня базовой надежности носит непрерывный характер за счет повышения качества и модернизации оборудования, что позволяет компенсировать снижение ресурса в процессе эксплуатации. Но очевидно, что надежность невозможна без правильно выбранных технологических и технических параметров на первых стадиях проектирования оборудования, а затем при изготовлении, монтаже и демонтаже, при транспортировке, хранении и эксплуатации.

13

            2.  ВЫБОР МАТЕРИАЛА ДЕТАЛЕЙ ДЛЯ ОБОРУДОВАНИЯ


        2.1. Влияние условий эксплуатации оборудования

     Материалы, применяемые для изготовления оборудования нефтегазовой промышленности, должны обеспечивать надежную работу в течение расчетного срока службы с учетом заданных условий эксплуатации.
     От условий работы оборудования зависят требования, предъявляемые к выбору материала деталей и к изысканию мер для предохранения оборудования от вредного воздействия окружающей среды.
     При оценке условий эксплуатации оборудования рассматривают в основном следующие факторы:
     • климатическую характеристику района, в котором намечено использование оборудования;
     • агрессивность среды, в которой работает оборудование;
    •  характер нагружения оборудования и его деталей.

        2.2.        Ориентировочные рекомендации по выбору марок сталей и припусков на коррозию для сосудов, применяемых на промыслах

     Рекомендуется считать предельно допустимой коррозию металла, приводящую к уменьшению толщины стенки на 10% в год. Если коррозия превышает эту норму, то следует принимать меры по защите оборудования (например, покрытие специальным герметиком).
     Во всех случаях определяющими факторами при выборе марки стали и припуска на коррозию являются следующие:
    •  применяемые ингибиторы коррозии и гидратообразования (для газа);
    •  рабочее давление, температура и влажность среды;
     • агрессивность среды, зависящая от содержания H₂S, СО₂, О₂ и других компонентов и характеризуемая pH (водородный показатель, свидетельствующий о концентрации ионов водорода в растворе).

14