5.6 Насосні штанги

Насосні штанги – це круглий стержень з висадженими кінцями і накатаною спеціальною метричною різьбою та ділянкою квадратного перерізу під штангові ключі для їх скручування і розкручування. Із окремих штанг складається колона насосних штанг, яка з’єднує привод штангової насосної установки з плунжером насоса, якому вона передає зворотно-поступальне переміщення. Конструкція штанг, з’єднувальних муфт та їх типорозміри регламентовані діючим стандартом 13877-96. Штанга складається із тіла штанги (L4) і двох головок (L2, L3), які розміщені з обох її кінців. Для надійного з’єднання штанг і досягнення необхідної працездатності висаджений кінець (головка) має упорний бурт, зарізьбову канавку і плавний перехід від головки до тіла штанги - піделеваторний бурт (рис. 5.34).

Рисунок 5.34 – Насосна штанга

Штанги виготовляються діаметрами 13, 16, 19, 22, 25 і 28 мм і укомплектовані з’єднувальними муфтами (L5) – для з’єднання штанг однакових розмірів та перехідними - для з’єднання штанг різних діаметрів (16 і 19; 19 і 22; 22 і 25; 25 і 28 мм). Муфти мають два виконання – з лисками під ключ і без лисок. Нормальна довжина штанг ~ 8000 ± 50 мм. Для регулювання довжини колони насосних штанг, щоб забезпечити нормальну посадку плунжера в циліндрі свердловинного насоса виготовляють також укорочені штанги довжиною L = 1000; 1200; 1500; 2500 і 3000 мм. Стандарт регламентує технічні вимоги на виготовлення, методику випробувань та експлуатацію штанг.

5.6.1 Умови експлуатації штанг

Колона насосних штанг експлуатується в складних умовах. В процесі експлуатації насосні штанги зазнають сумісної дії навантаження і корозійного середовища, що сприяє ранньому виникненню та інтенсивному розвитку корозійно-втомної тріщини. Спектр діючих на колону штанг навантажень дуже різноманітний. Він включає як статичні, так і динамічні, ударні, вібраційні, інерційні та інші навантаження. Ці навантаження діють на колону насосних штанг на протязі робочого циклу з різною інтенсивністю залежно від параметрів роботи штангової свердловинної насосної установки. Кількісна оцінка кожного виду навантаження утруднена і тому вони враховуються інтегрально. На колону діють циклічні навантаження від власної ваги штанг, ваги рідини в колоні НКТ, протитиску на усті свердловини. Ці навантаження, як правило, у верхній частині колони мають пульсуючий характер, а в нижній – знакозмінний.

Основна складова динамічних навантажень - інерційні, які вираховуються як добуток маси на прискорення. До динамічних навантажень відносяться також навантаження, які обумовлені вібрацією штанг в результаті прикладання змінних зусиль від маси штанг і рідини. Динаміка і діапазон зміни швидкості руху маси рідини: по-перше рідина рухається тільки вверх; по-друге, при переміщенні головки балансира вверх перш за все деформуються штанги, що зменшує прискорення руху рідини. Тому інерційні навантаження від дії одного фактора незначні. Вагомими є інерційні навантаження від маси штанг, швидкість яких змінюється як за величиною так і за напрямком.

Слід звернути увагу на виникнення додаткових навантажень, які пов’язані зі специфічними умовами експлуатації штангових колон. В результаті викривлення ствола свердловини проходить тертя штанг і труб, відкладення солей, парафіну та смоляних речовин збільшує масу штанг, а за рахунок тертя в’язкої рідини з поверхнею штанг, при їх переміщенні, виникають сили гідродинамічного тертя. Маса колони штанг при інтенсивному відкладанні на їх поверхні парафіну та смоляних речовин зростає до 600 кг, а сили в’язкого гідродинамічного тертя для штангових колон діаметром 22 мм в свердловинах обводненістю до 65 % досягають 15 кН. Згідно експериментальних даних, при збільшенні коефіцієнта незрівноваження верстата-качалки від 7 до 15 % частота обривів зростає більше ніж в 3 рази.

Стосовно сил тертя між елементами штангової колони і НКТ, то вважається, що вони зростають з ростом кривизни свердловини, займають переважаюче місце в загальному балансі сил тертя і вимагають спеціальних досліджень.

Вплив змінних навантажень на міцність і довговічність штанг суттєво посилюється руйнівними процесами корозійно-активних середовищ. Склад і корозійна активність робочого середовища залежить від експлуатованого родовища і може змінюватись від свердловини до свердловини навіть в умовах одного родовища. Крім нафти в її склад входить різна кількість мінералізованої пластової води, в якій розчинені сірководень, вуглекислий газ та механічні домішки. Найбільш небезпечним компонентом нафтового середовища, внаслідок його великої агресивності, є сірководень, під впливом якого відбувається окрихчення металу. Одночасний вплив механічних і корозійних факторів значно зменшує циклічну міцність, і як показує аналіз численних досліджень інтенсифікує процес корозійно-втомного руйнування штангових колон.

Аналіз умов роботи штангових колон дозволяє зробити висновок, що напруження, які виникають в елементах штангових колон змінюються за асиметричним циклом. При цьому коефіцієнт асиметрії циклу змінюється від додатного значення у верхній частині колони до від’ємного біля штока штангового свердловинного насоса і залежить в основному від його діаметра.