Предложение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности, к техническим средствам для подъема жидкости из скважин и может быть использовано для передачи движения в составе колонны насосных штанг от наземного привода к скважинному штанговому насосу. Насосная штанга, включающая полый стержень, установленные с двух сторон на концах указанного стержня головки, имеющие хотя бы с одной стороны соединительную часть с резьбовым элементом. Полый стержень оснащен упорными площадками. В сквозное отверстие полого стержня установлен, предварительно растянутым в пределах упругой деформации внутренний стержень, который снабжен концевыми упорами, взаимодействующими с упорными площадками полого стержня, концы которого закреплены в головках штанги с помощью разъемного или неразъемного соединения. Таким образом, предлагаемая конструкция насосной штанги позволяет уменьшить деформации в направлении действия рабочих нагрузок, повысить производительность глубинно-насосной штанговой установки, а также повысить живучесть насосной штанги. 2 илл. на 1 л.
Предложение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности, к техническим средствам для подъема жидкости из скважин и может быть использовано для передачи движения в составе колонны насосных штанг от наземного привода к скважинному штанговому насосу.
Известны конструкции глубинно-насосной штанги (по ГОСТ 13877 и ГОСТ Р 51161), содержащие стержень с установленными с двух сторон резьбовыми головками.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемой конструкции насосной штанги является полая «Насосная штанга» (см. пат. RU №2210002, F04В 47/02, опубл. 10.08.2003, Бюл. №22), содержащая стеклопластиковый полый стержень и закрепленные с обеих сторон стержня полые металлические головки с резьбовыми соединительными элементами.
Общими недостатками аналогов являются:
— их высокая упругость (величина относительной деформации штанг под воздействием нагрузки при эксплуатации приводит к значительным изменениям длины штанговой колонны, а значит к потере производительности глубинно-насосной штанговой установки)
— их кратковременная живучесть (окончательное разрушение штанги с момента возникновения трещины на поверхности насосной штанги может наступить внезапно)
Технической задачей полезной модели является уменьшение упругости (увеличение жесткости) насосной штанги в направлении действия рабочей нагрузки, снижающей ее деформацию, и повышение живучести штанги, позволяющей снизить риск внезапного обрыва (аварийных ситуаций) за счет
введения в конструкцию полой штанги дополнительного предварительно напряженного элемента (элементов).
Указанная техническая задача может быть решена предлагаемой насосной штангой, включающей полый стержень, установленные с двух сторон на концах указанного стержня головки с резьбовыми концами.
Новым является то, что полый стержень оснащен упорными площадками, размещенными на концах штанги, и предварительно растянутым в пределах упругой деформации внутренним стержнем, который снабжен концевыми упорами, взаимодействующими с упорными площадками полого стержня.
На Фиг.1 изображен вид с сечениями насосной штанги.
На Фиг.2 эпюры продольных остаточных напряжений в стержнях для штанги, работающей на растяжение.
Насосная штанга, включающая полый стержень 1 (см. Фиг.1), установленные с двух сторон на концах указанного стержня головки 2, имеющие хотя бы с одной стороны соединительную часть с резьбовым элементом 3. Полый стержень 1 оснащен упорными площадками 4. В сквозное отверстие полого стержня 1 установлен, предварительно растянутым в пределах упругой деформации внутренний стержень 5, который снабжен концевыми упорами 6, взаимодействующими с упорными площадками 4 полого стержня 1, концы которого закреплены в головках 2 штанги с помощью разъемного или неразъемного соединения А.
Насосная штанга работает следующим образом.
При помощи резьбовых элементов 3 головки 2 она устанавливается в колонну перед спуском в скважину (на черт. не показана). Верхняя часть колонны полых штанг соединяется с тяговым устройством, например станком-качалкой (на черт. не показан), а нижняя — с рабочим органом, например со штанговым насосом (на черт. не показан).
При воздействии рабочих нагрузок в направлении наибольших по величине остаточных напряжений (см. Фиг.2) штанга, представляющая собой
систему предварительно напряженных элементов, а именно, полого стержня 1 и внутреннего стержня 5, будет деформироваться тем меньше, чем больше абсолютная величина разницы величин остаточных напряжений в полом 1 и внутреннем 5 стержнях.
|P1| — величина остаточного усилия, растягивающего штангу, Н;
|P 2| — величина остаточного усилия, сжимающего штангу, Н;
1 — величина остаточных напряжений сжатия в полом стержне, МПа;
2 — величина остаточных напряжений растяжения во внутреннем стержне, МПа;
F — площадь сечения полого стержня, м 2 ;
f — площадь сечения внутреннего стержня, м 2 .
При возникновении в полом стержне 1 трещин их дальнейшее развитие в его теле будут замедлять сжимающие остаточные напряжения.
При поломке полого стержня 1 несущая способность штанги будет эффективно поддерживаться внутренним стержнем 5 за счет его прочности и остаточных напряжений, препятствующих раскрытию трещины разрушения полого стержня 1, что придает насосной штанге дополнительную живучесть.
Полый стержень 1 (см. Фиг.1) оснащен упорными площадками 4, которые могут иметь следующие исполнения:
— в качестве упорных площадок 4 используются торцы полого стержня 1, что упрощает конструкцию;
— в качестве упорных площадок 4, например, используются торцы цилиндрических выборок 4 со стороны резьбовых элементов 3, выполненных размером больше диаметра внутреннего стержня 5
и соосно с ним, что позволяет уменьшить массу и габариты штанги.
Внутренний стержень 5 оснащен концевыми упорами 6, которые могут иметь следующие исполнения:
— в качестве концевых упоров 6 используют детали разъемных соединений с возможностью фиксации, например, используется тело резьбовых деталей, которые могут перемещаться по ответной резьбе на концах внутреннего стержня 5 или полого стержня 1, до упора в упорные площадки 4, что позволяет регулировать установку внутреннего стержня 5 и улучшить технологичность сборки штанги;
— в качестве концевых упоров 6 используют элементы неразъемных соединений, например, используются концевые заклепочные головки, что позволяет улучшить технологичность сборки штанги.
В качестве упорных площадок 4 и концевых упоров 6 может быть использовано неразъемное соединение концов полого стержня 1 и внутреннего стержня 5 следующих исполнений:
— с помощью сварки, что повышает надежность соединения и обеспечивает герметичность внутренней полости от проникновения рабочей среды при эксплуатации;
— запрессовкой, что также повышает надежность соединения и обеспечивает герметичность внутренней полости от проникновения рабочей среды при эксплуатации. Внутренний стержень 5 может быть выполнен составным в виде продольных тросов или набора стержней различного профиля, что позволяет еще больше повысить живучесть штанги за счет увеличения количества резервных элементов.
Внутренний стержень 5 может быть полым с замкнутой или открытой внутренней полостью, что позволит снизить массу штанги и использовать
полость для вспомогательных целей, например, для подачи химического реагента в скважину.
Таким образом, предлагаемая конструкция насосной штанги позволяет уменьшить деформации в направлении действия рабочих нагрузок, а значит повысить производительность глубинно-насосной штанговой установки, а также сохранять работоспособное состояние при неисправном состоянии внешней поверхности, но при сохранении работоспособности внутреннего предварительно напряженного стержня, т.е. повысить живучесть. 2 илл. на 1 л.
Насосная штанга, включающая полый стержень, установленные с двух сторон на концах полого стержня головки, имеющие хотя бы с одной стороны соединительную часть с резьбовым элементом, отличающаяся тем, что полый стержень оснащен упорными площадками, размещенными на концах штанги, и предварительно растянутым в пределах упругой деформации внутренним стержнем, который снабжен концевыми упорами, взаимодействующими с упорными площадками стержня.
МАТЕРИКОВАЯ ДОБЫЧА НЕФТИ
Вне РФ штанги и муфты к ним производятся по стандарту АНИ11В. В соответствии с данным стандартом насосные штанги классифицируются исключительно по показателям прочности на растяжение. Выбор материального исполнения, методов упрочнения поврехности, технологических особенностей изготовления, которые повышают надежность штанги, стандартом не регламентированы и оставлены на решение производителя. Данный фактор сильно сказывается на долговечности работы штанговой колонны, поэтому приобретая импортные штанги этому требуется уделять пристальное внимание. По показателям прочности стандартом АНИ штанги подразделяются на классы:
- Класс АНИК. Предел прочности на растяжение — не меньше, чем 85 000 фунтов на кв.дюйм (590 МПа), но не более 115 000 фунтов на кв.дюйм (790 МПа).
- Класс АНИС. Предел прочности на растяжение — не меньше, чем 90 000 фунтов на кв.дюйм (630 МПа), но не более 115 000 фунтов на кв.дюйм (790 МПа).
- Класс АНИД. Предел прочности на растяжение — не меньше, чем 115 000 фунтов на кв.дюйм (790 МПа), но не более 140 000 фунтов на кв.дюйм (969 МПа).
Обычно используются углеродисто-марганцевые стали для штанг класса С (АНИС), никелемолибденовые стали улучшенные для штанг класса К (АНИК) и хромомолибденовые стали улучшенные для штанг класса Д (АНИД).
На квадрат штанги твердым штампом наносится маркировка, включающая в себя:.
- фирменный знак производителя;
- стандарта по которому произведено изделие;
- класс АНИ;
- код идентификации плавки;
- месяц и год производства.
Общий вид штанги по стандарту АНИ11В
Размеры штанги по стандарту АНИ11В
| Параметр | Значение параметра | ||||||||||
| 5/8 | 3/4 | 7/8 | 1 | 1 1/8 | |||||||
| 15,9 | 19,0 | 22,2 | 25,4 | 28,6 | |||||||
| 25 | 30 | 25 | 30 | 25 | 30 | 25 | 30 | 25 | 30 | ||
| 7620 | 9140 | 7620 | 9140 | 7620 | 9140 | 7620 | 9140 | 7620 | 9140 | ||
| 22,2 | 25,4 | 25,4 | 33,3 | 38,1 | |||||||
| 31,75 | 31,75 | 31,75 | 38,1 | 41,28 | |||||||
| 31,75 | 38,1 | 41,28 | 50,8 | 57,2 | |||||||
| 23,8 | 26,99 | 30,16 | 34,52 | 39,69 | |||||||
| 31,75 | 36,5 | 41,28 | 47,63 | 53,98 | |||||||
Стандартом регламентировано производство штанг для сборки требуемой длины колонны (pony rods) длинами 2, 4, 6, 8, 10 и 12 футов (61, 122, 183, 244, 305, 366 см).
Резьбы подготовленных для транспортировки штанг смазываются специальной смазкой и оснащаются заглушками и пластмассовыми колпачками.
Муфты по стандарту АНИ11В
Стандартом АНИ предусмотрено производство муфт, выполняемых с лыской под трубный ключ или без таковой.
Для штанг 5/8, 3/4, 7/8 и 1,0 дюйма длина муфты одна и та же — 4 дюйма (101,6 мм), ниппельная часть насосной штанги при этом удлинняется. Поэтому при нанесении смазки на резьбы внутренний объём муфты может переполниться смазкой, что затруднит сборку соединения. Поэтому чрезмерное смазывание резьбовых соединений не желательна.
На срок эксплуатации штанговой колонны значительное влияние оказывает момент сборки резьбовых соединений. Показатель прочности резьбового соединения не должен быть ниже прочности тела насосной штанги.
Корректно собраное резьбовое соединение должно обеспечивать на упорных торцевых поверхностях муфты и ниппеля такие напряжения сжатия, чтобы при функционировании соединения в скважине наибольшая растягивающая нагрузка в штангах была не в состоянии разжать и раскрыть соединение. При сборке резьбовой пары необходимо производить очистку и смазывание резьбу. Это сущесвтенно влияет на корректность сборки соединения, потому что из 100 % крутящего момента лишь десятая его часть расходуется на сжимающие напряжения, а остальные 90% на трение.
Для правильной сборки штанговой колонны требуется использовать специальные механические ключи. Скручивание штанговой колонны вручную не обеспечивает требуемых крутящих моментов.
К примеру, для штанги 7/8 дюйма требуемый крутящий момент составляет порядка 70 кг*м, или при длине рычага ключа 500 мм усилие, которое должен приложить рабочий, составит не менее 140 кг, что затруднительно при стандартных операциях.
На длительную безотказную работу штанговой колонны сильно влияет технология изготовления штанги и используемые при производстве методы упрочнения поверхностей, особенно внешней поверхности тела штанги. Производство штанг без закалки поверхности может стать причиной образования микротрещин на теле штанги, которые являются концентраторами напряжений и инициаторами коррозии.
Размеры муфты по стандарту АНИ11В
| Параметр | Значение параметра | ||||||||||
| 5/8 | 3/4 | 7/8 | 1 | 1 1/8 | |||||||
| 15,9 | 19,0 | 22,2 | 25,4 | 28,6 | |||||||
| 38,1 | 41,3 | 46,0 | 55,6 | 60,3 | |||||||
| 101,6 | 101,6 | 101,6 | 101,6 | 114,3 | |||||||
| 34,9 | 38,1 | 41,3 | 47,6 | 53,99 | |||||||
| 31,8 | 31,8 | 31,8 | 38,1 | 41,3 | |||||||
| 0,60 | 0,70 | 0,85 | 1,10 | 2,00 | |||||||