Фонтанная арматура (МОДЕРНИЗАЦИЯ УСТЬЕВОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ ФОНТАННОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ СКВАЖИН)

Данная работа содержит:
- Пояснительная записка на 42 листа
- Лист-схема на формате А1
- Патентный обзор на формате А1
- Сборочный чертеж на формате А1
- Деталировка на форматах А4(всего 5 деталей)
- Имею большую базу курсовых и дипломных работ по нефтегазовому сектору.Если вы не нашли нужную вам работу либо по любым другим вопросам касающихся моих курсовых работ или дипломов пишите вконтакте,Иван Артюхович,буду рад помочь. ...

1. Лист зада-ния..........................................................................................................2
2. Содержа-ние...........................................................................................................3
3. Введе-ние................................................................................................................4
4. Конструкция фонтанной арматуры. ....................................................................5
5. Обозначение фонтанной армату-ры.......................................................................7
6. Оборудование для эксплуатации нефтяных, газовых и газоконденсатных скважин с устройствами для предупреждения открытых фонта-нов.........................9
7. Выбор схем арматуры и ее элемен-тов................................................................12
8. Патентно-информационный об-зор.....................................................................18
9. Техническое предложе-ние..................................................................................22
10. Расчет фланцевых соедине-ний..........................................................................25
11. Определение усилий, действующих на фланцевое соединение арматуры…...28
12. Прогнозирование надежности изде-лия………………………………………....35
13. Технологический расчет изделия………………………………………………..36
14. Заключение…………………………………………………………………….....38
15. Список используемой литерату-ры.....................................................................42
16. ПРИЛОЖЕНИЕ...................................................................................................

В процессе проведения данного Курсового Проекта была рассмотрена фон-танной арматуры нефтяных и газо-конденсатных скважин, различные конструк-торские решения для повышения надежности и эксплуатационных свойств арма-туры. На основании одного из них по заданным условиям выполнен расчет, по-добрано исполнение оборудование и проведена его модернизация. Анализ нового оборудования показал при прогнозируемом увеличении срока службы оборудования на 25 % с относительно небольшими затратами на его модернизацию, сокращение времени проведения ремонта на 65 % и удельной материалоемкости изделия на 19 %.

По известному рабочему давлению выбираем исполнение фонтанной арматуры:
Фонтанная арматура на 21 и 35 МПа.
Фонтанная арматура, рассчитанная на рабочее давление 21 и 35 МПа, изготавливается по тройниковой схеме для подвески одного или двух рядов подъемных насосно-компрессорных труб на резьбовой подвеске патрубка (рис. 4).
Рис 3. Задвижка прямоточная 3MCI с ручным управлением:
1 — корпус: 2 — кольцо уплотнительное; 3 — манжеты; 4 — гайка шлицевая; 5 — крышка подшипника: 6— маховик; 7 — кожух верхний; 8 - шпиндель; 9—седло; 10 — пружина тарельчатая; 11 — шибер; 12 — щиток.
Запорным устройством в такой фонтанной арматуре является прямоточная задвижка 3Л1С1 с затвором, герметичность которого обеспечивается плотным контактом шибера с седлами (рис. 3).
Для регулирования дебита скважины фонтанную арматуру оснащают дросселем регулируемого типа.
На боковых отводах елки и трубной головки предусмотрены отверстия для подачи ингибиторов в затрубное пространство и в ствол елки, карманы для замера температуры среды, а также вентили для замера давления.
В прямоточных задвижках ЗМС1 герметичность создается плотным контактом шибера с седлами как на входе, так и на выходе. Это позволяет снизить давление в корпусе непосредственно на скважине, заменить уплотнение шпинделя, сменить подшипники и ходовую гайку и т. д. Предварительное прижатие деталей затвора друг к другу создается тарельчатыми пружинами. Герметичность в процессе работы задвижки при определенном давлении обеспечивается самоуплотнением. Надежность работы затвора в условиях воздействия потока нефти, газа и газоконденсата с содержанием механических примесей до 0,5%, пластовой воды и других компонентов обусловлена прямоточностью задвижки и большой твердостью уплотнительных поверхностей.
Масса выбранной арматуры в собранном виде 3804 кг.
Диаметр проходного сечения арматуры и число отводов, идущих к манифольду, определяют по объему продукции скважины. При выборе надо стремиться к получению невысоких скоростей движения жидкости или газа в тройниках, крестовинах и запорных устройствах арматуры. В среднем это должны быть скорости 0,5 – 5 м/с. В дросселях при этом скорости могут достигать 100 – 150 м/с, а при давлениях 70 – 105 МПА они могут быть еще более высокими для уменьшения числа дросселей в арматуре.
На первом этапе по известному рабочему давлению выбрали исполнение фонтанной арматуры по схеме 6 (рис.2), с диаметром проходного сечения ствола 150 мм, струн 100 мм, подъемных труб НКТ-73, внутренним диаметром 59 мм, со следующими скоростями жидкости в них:
(1)
, где ρ – плотность нефти, равная 860 кг/м3;
Q – дебит скважины, 65 т/сутки;
d – внутренний диаметр подъемных труб, 59 мм.
Подставим все данные в формулу, получим:
м/с
Теперь определим скорость движения жидкости в стволе фонтанной елки.
(2)
где ρ – плотность нефти, равная 860 кг/м3;
Q – дебит скважины, 65 т/сутки;
d – диаметр проходного сечения ствола елки, 100 мм.
м/с
Полученная скорость входит в пределы критерия скоростей по выбору типа исполнения фонтанной арматуры. Таким образом по критериям: рабочего давления и скорости жидкости схема подходит.
Вследствие тяжелых условий работы арматуры ее крестовины, тройники, переводники, фланцы и корпусные детали запорных устройств выполняют только из стали.
Распространены литые и сварные детали арматуры. Для литых деталей применяют стали марок: 45Л, 40ХЛ, 40ХЛН, 25ХГСЛ, 06Х20Н8М3ДЛ и другие легированные стали. Для сварных - сталь 40 и 40Х. Для деталей, предназначенных для работы в высокоагрессивных сероводородных средах, рационально применение стали 20ХН2М. Для изготовления фонтанной арматуры , стойкой к сероводородному растрескиванию, применяют сталь марки 30ХМА с термической обработкой и сталь марки 06Х20Н8М3Д. При углекислотной коррозии считается наиболее целесообразным применение стали с 5,8 – 9 % -ным содержанием хрома.
Таблица 1.
Основные требования к материалам корпусных деталей фонтанной арматуры.
Рабочее давление,
МПа
Предел
прочности σв,
МПа
Предел
текучести σ02,
МПа
Относительное удлинение -σ,
%
Относительное сужение ψ,
%
7, 14, 21, 35 (концы деталей под приварку)
492
253
22
30
14, 21, 35 (цельные детали )
492
316
19
32
70 (концы деталей под приварку)
632
421
18
35
105
703
527
17
36
Таким образом, для составляющих деталей выбранной нами фонтанной арматуры назначаем материал, для фланцев сталь 45Л, для запорных устройств по накопившемуся опыту принимаем, стали 45Л, 40Х, 40ХЛ и другие.
Фланцевая арматура соединяется шпильками с двумя гайками и уплотняется металлическим кольцом, зажимаемом между фланцами. Для установки уплотняющего кольца во фланцах сделаны канавки.
Уплотняющие кольца изготавливают из стали более мягкой, чем фланцы арматуры, потому что материал, деформируемый при меньшем усилии, лучше уплотняет место соединения, чем более твердый материал. Кроме того, при чрезмерной затяжке соединение пластической остаточной деформации будут подвержены более простые и дешевые детали – кольца, которые проще заменить, чем сложную деталь с фланцем.
Для уплотняющих колец выбираем материал: сталь 20 на рабочее давление 21-50 МПА, с пределом текучести 250 МПА.
Для прокладок используем аустенитные, легированные стали марок 0Х18Н10, 12Х18Н9. Для седел запорных устройств применяем сталь марки 40ХЛ. Для пружин - сталь 12Х18Н9Т.
Через втулки дросселей продукция скважины проходит со скоростью, доходящей до 80-150м/с. При этом она может содержать песок, агрессивную жидкость, поэтому втулки изготавливают из закаленных сталей, твердых сплавов, термокорунда.
Возможны следующие конструкции фланцевой арматуры: сварные (рис.3, а, тройник сваренный из четырех поковок); кованосварные (рис.3, б, детали, в которых исключается часть фланцев) и кованые (рис. 3, в, в которых исключаются все фланцы). В последних только шпильками подсоединяют фланцы соседних элементов арматуры. Кроме того, идет создание комплексной детали, совмещающей тройник и крестовину.
Рисунок 4. Детали арматуры ковано-сварные и кованые.
В комплексных деталях упрощается использование сварных или цельнокованых конструкций, что позволяет увеличить прочность деталей при снижении их массы, перейти на применение нелегированных или малолегированных сталей для изготовления деталей, предназначенных для работ в средах с незначительной агрессивностью.
8. Патентно-информационный обзор
Изобретение за № АС 1804165. Автор изобретения В. И. Сотник.
Штуцерное устройство фонтанной арматуры, содержащее корпус с центральным и эксцентричным осевыми каналами, установленную в корпусе обойму с концентрично расположенными осевыми каналами. Жестко связанным с хвостовиком, размещенным в центральном осевом канале корпуса. Дросселирующие разных проходных сечений, установленные в осевых каналах обоймы, связанный с ней привод с продольной рукояткой, ось, которая перпендикулярна оси хвостовика и фиксатор положения обоймы. Отличающееся тем, что с целью повышения надежности работы устройства при одновременном упрощение его конструкции и уменьшении габаритов для обеспечения возможности применения в серийно выпускаемо фонтанной арматуре, корпус выполнен [ - образного поперечного сечения. Обойма – в виде червячного колеса с кольцевым выступом на торце, направленным в сторону боковой поверхности корпуса, а ее привод – в виде червяка, установленного на оси поворотной рукоятки, причем центральный и эксцентричный осевые каналы выполнены на боковой поверхности корпуса. Концентричные осевые каналы выполнены в червячном колесе в месте расположения кольцевого выступа, а червячное колесо установлено с возможностью контакта его кольцевого выступа с боковой внутренней поверхностью корпуса (см. приложение, лист 2, патентный обзор).
Изобретение за № Патента 2030551. Автор изобретения Р. М. Кулиев.
Устьевое устройство для защиты фонтанной арматуры от высокого давления. Цель – повышение эксплуатационной надежности и безопасности ведения скважинных работ. Устройство, в себя включающее установленный на фонтанной арматуре неподвижный фланец с центральным осевым каналом для размещения в нем протектора, установленный на неподвижном фланце силовой привод с цилиндром, поршнем и штоком который жестко соединен с протектором на неподвижном фланце и механизм для перемещения протектора к насосу высокого давления. Отличающееся тем, что с целью повышения эксплуатационной надежности устройства и безопасности ведения скважинных работ, оно снабжено размещенной между неподвижным фланцем и силовым приводом цилиндрической опоры. Причем механизм присоединения протектора к насосу высокого давления выполнен в виде установленного с возможностью возвратно-поступательного перемещения тройника, верхний отвод которого жестко связан со штоком, нижний – с протектором, а боковой – с насосом высокого давления при этом опора выполнена с продольной прорезью для размещения в ней бокового отвода тройника при его возвратно-поступательном движении. Причем длина продольной прорези опоры больше величины хода поршня со штоком.
Изобретение за № АС 1745880. Автор изобретения А. А. Гусейнов.
Арматура устья скважины, включающая трубную головку с боковыми отводами, трубную подвеску с радиальным и осевым каналами установленным в последнем запорным органом, содержащим концентрично размещенные относительно друг друга патрубок, шток, подпружиненный шар, посадочное седло под него и перекрывающий элемент. Установленные с возможностью возвратно-поступательного перемещения в осевом канале. Отличающаяся тем, что с целью повышения надежности в работе арматуры при одновременном упрощении ее конструкции, перекрывающий элемент выполнен в виде связанной с патрубком ступенчатой втулки с осевыми каналами, расположенными по окружности в ступени большего диаметра, и установленным в нижней части трубной подвески стаканом с отверстием в днище. При этом втулка выполнена конусной в своей нижней части и установлена с возможностью перекрытия отверстия в днище стакана в ее крайнем положении.
Изобретение за № Патента 1776290. Автор изобретения Д. В. Рымчук.
Фонтанная арматура. Цель - повышение эффективности работы арматуры путем возможности обеспечения замены насосно-компрессорных труб под давлением без задавки скважины. Цель достигается монтажом промежуточного фланца между крестовиной фонтанной арматуры и трубной головки. Замена насосно-компрессорных труб производится следующим образом. Внутренний канал насосно-компрессорных труб, закрепленных на конической втулке, герметизируется путем закачки в него пробки - герметизатора. Фланцевое соединение, содержащее промежуточный фланец освобождают от шпилек и болтов, ввернутых в резьбовые отверстия промежуточного фланца со стороны трубной головки. Елку фонтанной арматуры вместе с переводником трубной головки снимают и на промежуточный фланец монтируют комплект оборудования по герметизации устья скважины для замены труб под давлением. Затем производят спускоподъемные операции с насосно-компрессорными трубами и монтируют все в обратном порядке.
Формула изобретения следующая, фонтанная арматура содержащая крестовину с верхним фланцем, переводник трубной головки, колонну насосно-компрессорных труб и элементы герметизации, регулирования и направления потока флюида. Отличающаяся тем, что с целью повышения эффективности работы фонтанной арматуры путем обеспечения возможности замены насосно-компрессорных труб под давлением без задавки скважины, она снабжена промежуточным фланцем, размещенным между верхним фланцем крестовины и переводником трубной головки, который выполнен с внутренней расточкой и установленной в ней конической втулкой с байонетным замковым соединением.
Изобретение за № АС 1640360. Автор изобретения Е. Г. Астахов.
Фонтанная арматура. Цель – повышение надежности работы фонтанной арматуры при одновременном упрощении проведении спускоподъемных работ с кабелем и уменьшением трудоемкости монтажно-демонтажных работ на устье скважины. Арматура работает следующим образом:
При добыче нефти с помощью электропогружного насоса электроэнергия к насосу подается по жилам кабеля. Герметизация узла кабельного ввода осуществляется за счет сжатия эластичной манжеты и уплотнительного элемента между планшайбой и диском. Добываемая нефть по колонне труб поступает в боковой отвод тройника. Наличие оппозитно размещенных на патрубке наружных конических резьб предотвращает самопроизвольное отвинчивание патрубка от планшайбы в процессе эксплуатации скважины.
Данная фонтанная арматура отличается от выше изложенных, что с целью повышения надежности ее в работе при одновременном упрощении спускоподъемных работ с кабелем и уменьшением трудоемкости монтажно-демонтажных работ на устье скважины. Переводник трубной головки выполнен в виде планшайбы с кольцевой проточкой на верхнем торце и кольцевой канавкой на нижнем торце под уплотнительный элемент. Также изобретение отличается от предыдущих тем, что боковые отводы крестовины и тройника жестко связанными с ними и фланцами запорных узлов дополнительными фланцами с внутренней резьбой для установки съемных глухих пробок (см. приложение патентный обзор).
9. Техническое предложение
К прототипу фонтанной арматуры АФК3-150/100×21ХЛ, применим техническое решение на основании патента № 1640360 с целью повышение надежности работы фонтанной арматуры при одновременном упрощении проведении спускоподъемных работ с кабелем и уменьшением трудоемкости монтажно-демонтажных работ на устье скважины.
Эксплуатация скважин требует проведения периодических ремонтов, в том числе замены насосно-компрессорных труб. Недостаток прототипа – невозможность замены колонны насосно-компрессорных труб без задавки (глушения) скважины. Каждое глушение скважины объективно ведет к снижению ее продуктивности из-за ухудшения коллекторстких свойств пласта. Для проведения операции по глушению скважины необходима специализированная техника для приготовления жидкости с необходимыми параметрами, нагнетания ее в скважину, требуются химреагенты, дополнительный обслуживающий персонал. Кроме того, данное техническое предложение позволяет снизить стоимость и массу фонтанной арматуры, так как возможна установка только одной (рабочей) задвижки практически без снижения надежности. Роль запасной задвижки может выполнять дополнительный фланец.
Арматура работает следующим образом:
При добыче нефти с помощью электропогружного насоса электроэнергия к насосу подается по жилам кабеля. Герметизация узла кабельного ввода осуществляется за счет сжатия эластичной манжеты и уплотнительного элемента между планшайбой и диском. Добываемая нефть по колонне труб поступает в боковой отвод тройника. Наличие оппозитно размещенных на патрубке наружных конических резьб предотвращает самопроизвольное отвинчивание патрубка от планшайбы в процессе эксплуатации скважины.
Данная фонтанная арматура отличается от выше изложенных, что с целью повышения надежности ее в работе при одновременном упрощении спускоподъемных работ с кабелем и уменьшением трудоемкости монтажно-демонтажных работ на устье скважины. Переводник трубной головки выполнен в виде планшайбы с кольцевой проточкой на верхнем торце и кольцевой канавкой на нижнем торце под уплотнительный элемент. Также изобретение отличается от предыдущих тем, что боковые отводы крестовины и тройника жестко связанными с ними и фланцами запорных узлов дополнительными фланцами с внутренней резьбой для установки съемных глухих пробок (см. приложение патентный обзор).
При необходимости замены запорных устройств на выкидах арматуры или на эксплуатационной струне временно заглушают давление в межтрубном пространстве трубными плашками или в подъемной трубе клапаном-отсекателем соответственно. Затем демонтируют оборудование, подлежащее замене или ремонту, и во внутреннюю резьбу дополнительных фланцев или патрубок при замене тройника вворачивают съемные глухие пробки. При этом возможна дальнейшая эксплуатация скважины через запасной выкид или струну.
Недостатками данного изобретения является:
Быстрый износ незащищенной резьбы дополнительного фланца, особенно если скважина содержит значительное количество механических примесей. Недостаток устраняется путем установки на резьбу дополнительного фланца предохранительного кольца, которое выкручивается в случае установки глухой пробки во время ремонта арматуры. От самооткручивания кольцо защищают потайные винты, которые вкручиваются посередине периметра резьбы. Причем их положение с небольшим зазором совпадает с отверстиями в самом дополнительном фланце, в которые они и должны попасть при сборке. Это достигается следующим образом:
Первоначально на заводе изготовителе предохранительное кольцо вкручивается в дополнительный фланец без потайных винтов (так как резьба еще не засорена, это можно осуществить без специальных приспособлений). Затем закерняют место резьбы для винтов на кольце и соответствующие им места отверстий во фланце. Развинчивают детали, нарезают резьбу и сверлят отверстия. В случае небольшого несовпадения можно расточить отверстие так, чтобы винт в него входил.
Возможно так же нарезать резьбу, когда детали находятся в сборе, если это позволяет техническое оснащение. В этом случае резьба во фланце растачивается на небольшой зазор, необходимый при последующий сборке-разборки соединения.
Так же к недостаткам следует отнести то, что шпильки, соединяющие запорное устройства с крестовиной и тройником, ввинчиваются непосредственно в них. При частом демонтаже это может привести к износу внутренней резьбы фланцев крестовины и тройника, а следовательно замене этих дорогостоящих деталей или трудоемкому ремонту и замену другого оборудования. Это устраняется тем, что фланцы выполняются со сквозными отверстиями под шпильки, которые в свою очередь затягиваются обычными гайками и в случае износа заменяются такими же без значительных затрат.
10. Расчет фланцевых соединений
Выполним расчет фланцевого соединения при выходе из крестовины в тройник(см. рис.4).
Определим силу, действующую на фланец (шпильки фланца) от давления в скважине при закрытой задвижке:
(3)
,где р – давление, равное 20 МПа;
- внутренний диаметр колец, равен 245 мм;
Подставив значения, получим:
Н
Рисунок 5. Расчетная схема
Тогда сила действующая на одну шпильку:
(4)
,где k –коэффициент неравномерности, равный 0,8;
n – число шпилек, 8;
кН
Проверим резьбу шпильки на срез, напряжение среза должно быть меньше или равно отношению допускаемого срезывающего напряжения к коэффициенту запаса прочности:
(5)
,где τ –допускаемое напряжение среза, равное 190 МПа;
n – коэффициент запаса прочности, 1,3;
и – наружный и внутренний диаметр резьбы шпильки 24 и 20 мм соответственно;
– эффективное число витков, можно найти как отношение высоты гайки к шагу резьбы:
(6)
тогда
МПа МПа

Значит, выбранный типоразмер шпилек удовлетворяет условию прочности.
11.Определение усилий, действующих на фланцевое соединение арматуры
Наиболее распространено соединение узлов и деталей арматуры с помощью фланцев. При этом уплотнение осуществляется металлическим кольцом овального или восьмиугольного сечения (рис. 7.3). Эластичные, неметаллические уплотнения широко применяются в поверхностных соединениях системы сбора и подготовки нефти.
Размеры всех фланцевых соединений предусмотрены ГОСТом.
В фонтанной арматуре усилие, действующее на кольцо, не должно приводить к его остаточным деформациям.
Возможна работа фланцевого соединения фонтанной арматуры при двух вариантах касания уплотняющего кольца и канавки фланца.
В первом варианте (рис. 6 б ) уже при сборке кольцо соприкасается с канавками фланцев по их внутреннему и внешнему скосам. Уплотнение происходит за счет упругой деформации кольца и фланцев в месте их соприкосновения. Во втором (рис. 6 в) кольцо в начале сборки соприкасается только с внешним скосом канавки у верхнего фланца и фаски у нижнего фланца. При затяжке соединения шпильками оно уменьшается в диаметре (в пределах упругих деформаций) и доходит до внутреннего скоса канавки, в этот момент затяжку прекращают. Момент упора кольца во внутренний скос заметен по резкому возрастанию усилия затяжки гаек у шпилек.
Когда в арматуре повышается давление, фланцы раздвигаются под его действием и кольцо занимает первоначальное положение (см. рис. 6 в).
Рис 6. Схема фланцевого соединения деталей арматуры