8 Насосные штанги

Для передачи возвратно-поступательного движения от привода к плунжеру скважинного насоса используется колонна насосных штанг. Она собирается из отдельных штанг, соединяемых муфтами. Насосные штанги представляют собой стержень круглого поперечного сечения с высаженными концами, на которых располагается участок квадратного сечения и резьба. Резьба служит для соединения штанг с муфтами, а участок квадратного сечения используется для захвата штанги ключом при свинчивании и развинчивании резьбового соединения (рис.1)

Рис. 1. Штанга и муфта

Основными характеристиками насосных штанг являются: диаметр по телу штанги d0 и прочностная характеристика штанги - величина приведенного допускаемого напряжения [σ]. У нас в стране штанги выпускаются диаметром 16, 19, 22, 25 мм, а допускаемое напряжение, для наиболее широко распространенных марок сталей, составляет 70...130 МПа. В небольших количествах выпускаются штанги с допускаемыми напряжениями 150 Мпа. Выпускаются штанговые муфты: соединительные типа МШ для соединения штанг одного размера и переводные типа МПШ для соединения штанг разного размера. Муфты каждого типа большей частью изготавливаются из углеродистой стали марок 40 и 45.. Поверхность штанг покрывают лаками или металлами, стойкими к воздействию окружающей среды. Особенностью штанг является накатка резьбы. Для сборки ступенчатой колонны из штанг различных диаметров используют переводные муфты МПШГ, позволяющие соединять штанги диаметрами 16 и 19, 19 и 22, 22 и 25 мм. На долговечность резьбовых соединений большое влияние оказывает плотность контакта торцов муфты, ниппеля и насосной штанги. При свинчивании резьбовых соединений муфта - штанга должен обеспечиваться контакт между торцами при максимальной нагрузке на штанги. Важнейшее условие безаварийной работы колонны штанг - их прямолинейность. Наиболее распространена конструкция полых штанг с приваренной головкой, имеющей накатанную резьбу для соединения штанг муфтами. Одним из важнейших требований к резьбовым соединениям колонны является обеспечение их герметичности.

Расчет и конструирование колонны штанг

Для определения максимальной Р_max и минимальной P_min нагру, форм А. С. Вирновского ;

где Р_ш^/, Р_ш – вес колонны штанг в жидкости и в воздухе, Р_ж – вес столба жидкости высотой от динамического уровня до устья и площадью, равной площади поперечного сечения плунжера; ω – угловая скорость вращения кривошипа; S_o – длина хода устьевого штока; п – частота качаний балансира в минуту; g – ускорение силы свободного падения; λ – удлинение колонны штанг от веса столба жидкости, λ=P_жL/Ef_ш; L – длина ко­лонны штанг; Ψ – коэффициент, зависящий от соотношения по­перечных сечений колонн штанг и труб; α₁, α₂ – кинематиче­ские коэффициенты станка-качалки, k_B, k_H – поправочные ко­эффициенты к динамической нагрузке соответственно для хода вверх и вниз.

             где σ_max - максимальное напряжение цикла; σ_a - средняя амплитуда напряжений, равная полуразности между максимальным и минимальным напряжением цикла.

Для любого сечения колонны штанг на расстоянии х метров от плунжера насоса величины σ_а и σ_max определяют через среднее напряжение цикла scp из следующих соображений:

                           

σ_max = σ_a + σ_ср,    где D - диаметр плунжера в м; d - диаметр штанг в м; L - длина колонны штанг в м; m_ср  - средний кинематический показатель станка-качалки; mср ≈ 1,2; ρ_м - плотность материала штанг в кг/м³; ω - угл скор кривошипа стан-качалки в с^-1; S - длина хода головки балансира станка-качалки в м; ρ - плотность жидкости в кг/м³.

При применении ступенчатой колонны штанг длины ступеней колонн подбирают так, чтобы наибольшие значения приведенных напряжений для верхних сечений ступеней были одинаковы, т.е. σ_max1 · σ_a1 = σ_max2 · σ_a2 = ... = σ_maxn · σan, где σ_max1, σ_max2, ...σ_maxn – максимальные напряжения ступеней штанг в МПа;σ_a1, σ_a2, ...σ_an - средние амплитуды напряжений.

Расчет ступенч колонны штанг связан с достаточно сложными и громоздкими вычислениями. По оси абсцисс отложены глубины спуска насоса, по оси ординат - значение определяемого приведенного напряжения.

Номограмма состоит из трех систем шкал и линий.

• система I представляет собой совокупность сочетаний применяемых диаметров насосов - 28; 32; 38; 44; 56; 70; 95 мм и штанг - 16; 19; 22; 25 мм. Наименьшему диаметру штанг соответствует верхняя точка на линии каждого насоса.

• система II в левой части выражает сочет числа качаний в минуту n = 6; 8; 10; 12; 14; 16; 18 и длины хода, обеспеч приводом, S₀ = 0,45; 0,6; 0,9; 1,2; 1,5; 1,8; 2,4; 3,0.

• система III - вспомогательная и служит для расчета ступенчатых колонн. Расс-я между линиями этой системы и осью ординат выражают величину уменьшения приведенного напряжения σ_пр при переходе от ступени меньшего диам к ступени большего диаметра.

Д иаграмма Смита ее получают при испытаниях рассчитываемых штанг в средах близких к скважинным. Она представляет собой замкнутый многоугольник и состоит из двух ломанных линий А1, В1, С и соответствующей зависимости σмакс и А2, В2, С соответствующей σмин от σср. Принцип расчета по диаграмме следующий. Для конкретной скважины и выбранного режима эксплуатации рассчитывают максимальные и минимальные нагрузки в точке подвеса штанг по известным зависимостям. затем задают диаметр штанги и ее тип в интервале расчета. После этого определяются максимальные и минимальные напряжения по известным формулам и среднее значение напряжения. Полученные значения наносят на диаграмму смита и получают две точки х (σмакс, σср) и у (σмин, σср). Если точки оказываются внутри замкнутого многоугольника то штаговая колонна подобрана верно. Если же хотя бы одна точка находится за пределами многоугольника то необходимо изменить диаметр штанги или методы упрочнения.