Какие нагрузки действуют на штанги и на станок-качалку?

Колонна насосных штанг работает в очень сложных усло­виях. На штанги действуют большие (до 150 кН), переменные, ассиметричные нагрузки. В верхней части штанг они носят пульсирующий характер, а в нижней — знакопеременный. Боковая поверхность штанг вследствие искривленности сква­жины трется о внутреннюю поверхность НКТ и изнашивается. Коррозионно-активная среда (минерализованная вода, H₂S, С0₂) и абразивные примеси (песок) приводят к износу штанг, заклиниванию плунжера. Также возможно воздействие по­вышенной температуры, особенно при применении тепловых методов повышения нефтеотдачи.

В точке подвеса штанг действуют следующие нагрузки: статические (или постоянные) Р_ст и переменные нагрузки — динамические (инерционные Р_ин и вибрационные P_ви6) и силы трения Р_тр .

В зависимости от некоторых технологических характери­стик работы ШСНУ различают статический и динамический режим ее работы. Для статических режимов работы установки динамические составляющие в общей нагрузке, действующей на колонну штанг, являются небольшими и не оказывают значительного влияния на работу всей системы. Если же динамические составляющие существенны по величине, они приводят к значительным отличиям в работе ШСНУ. Режимы работы установки, при которых динамические составляющие существенны, называются динамическими.

Совместное действие этих нагрузок обусловливает в точке подвеса штанг максимальные при ходе вверх (в) и минималь­ные при ходе вниз (н) нагрузки:

(1)

(2)

Статические нагрузки обусловлены весом штанг в жидкости и весом поднимаемого столба жидкости . При ходе вверх статическая нагрузка

(3)

При ходе вниз нагнетательный клапан открывается, нагрузка снимается со штанг и передается на трубы, так как связанный с ними всасывающий клапан закрыт. Тогда статическая нагрузка на штанги при ходе вниз

(4)

При работе ШСНУ штанги постоянно находятся в жидкости. На них действует выталкивающая архимедова сила. Тогда вес штанг в жидкости

(5)

где - вес штанг в воздухе, - коэффициент, учитывающий архимедову силу или потерю веса штанг в жидкости:

(6)

где - площадь сечения штанг; - давление жидкости в трубах под плунжером; - атмосферное давление.

Давление в трубах Р_т определяется суммой гидростатиче­ского столба жидкости в трубах Р₁ потерь давления на трение жидкости в трубах, устьевого давления за вычетом давления раз­грузки в результате газлифтного эффекта (выполнения подъ­емной работы энергией расширения выделяющегося из нефти газа).

Инерционные нагрузки обусловлены ускорением колонны штанг при изменении движения вверх и вниз (в нижней и верх­ней мертвых точках) и инерцией столба жидкости в момент на­чала ее движения. Инерционная нагрузка равна произведению массы на ускорение.

Вибрационные (колебательные) нагрузки вызваны тем, что колонна насосных штанг совершает вынужденные колебания, которые придает ей станок-качалка, а в штангах кроме этого возникают собственные колебания под действием ударного приложения на плунжер и снятия нагрузки Р_ж. Инерционные и вибрационные нагрузки вызваны движением колонны штанг, поэтому их сумму называют динамическими нагрузками. Они возникают при больших числах качаний и большой глубине спуска насоса.

Силы трения состоят из сил: а) механического трения ко­лонны штанг и труб, особенно в наклонных и искривленных скважинах; б) трения плунжера о стенки цилиндра; в) гидро­динамического трения штанг в жидкости; г) гидравлического сопротивления в нагнетательном клапане; е) гидравлического сопротивления (трения) при движении жидкости в трубах. Эти силы незначительные по сравнению с весом штанг, поэтому при расчете нагрузок ими можно пренебречь. В наклонно-направленных и искривленных скважинах (угол наклона пре­вышает 5°) силы механического трения существенны и ими пренебрегать уже нельзя. При статической нагрузке более 50 кН эти силы уже больше 1 кН и могут достигать 10—15 кН.