4.5.7. Насосные штанги

Насосные штанги, соединенные в штанговую колонну, передают возвратно-поступательное движение от точки подвеса штанг поверхностного привода к плунжеру насоса.

Штанга представляет собой стальной стержень круглого сечения диаметром 12 (в некоторых источниках указан диаметр 13 мм), 16, 18, 22, 25 мм, с высаженными концами. На концах штанги имеется участок квадратного сечения для захвата под ключ при свинчивании- развинчивании, и выполнена резьба метрическая специальная, причем резьба накатывается. Штанги соединяются между собой муфтами.

ГОСТ 13877-80 предусматривает изготовление штанг номинальной длиной 8000 мм. Для подбора необходимой длины подвески колонны изготовляются укороченные штанги длиной 1000, 1200, 1500, 2000 и 3000 мм.

Для соединения штанг одинаковых размеров выпускают соединительные муфты, а штанг разных размеров - переводные муфты. Муфты каждого типа изготовляют в двух исполнениях: с лысками под ключ и без них.

Муфты из стали марок 40 и 45 подвергают поверхностной закалке током высокой частоты (ТВЧ). Для тяжелых условий эксплуатации муфты изготовляют из легированной стали марки 20Н2М.

Штанги поставляют с навинченными на один конец муфтами. Открытая резьба штанги и муфты защищается колпачками или пробками.

Материал для изготовления насосных штанг представлен в табл. 4.41.

Таблица 4.41- Характеристика материалов отечественных насосных штанг

Маркировка насосных штанг наносится на двух противоположных сторонах каждого квадрата. На одной стороне квадрата наносятся товарный знак или условное обозначение предприятия-изготовителя и условный номер плавки, на другой стороне квадрата - марта стали, год выпуска и квартал. Допускается после обозначения наносить технологическую маркировку завода-изготовителя. На штанге, подвергнутой обработке ТВЧ, наносится буква Т.

На наружной поверхности муфты поверхностно-пластическим деформированием наносится маркировка, содержащая: товарный знак или условное обозначение предприятия-изготовителя; марку стали; год выпуска и квартал; букву С (для муфт, не подвергнутых обработке ТВЧ).

Марку стали маркируют буквами: У - сталь 40 и сталь 45; Н - 20Н2М;

X - ЗОХМА; Р - 15НЗМА; П - 15Х2НМФ; Т-15Х2ГМФ , С - 36М17 (для румынских штанг).

Год выпуска маркируют одной последней цифрой календарного года. Кварталы маркируют буквами: А - первый; Б - второй; Г - третий; И - четвертый.

Условный номер плавки маркируется тремя цифрами. Примеры маркировки штанг:

Ш375 Н9А, где Ш - условное обозначение завода им. лейтенанта Шмидта; 375 - номер плавки; Н - сталь марки 20Н2М; 9 - год изготовления 1999; А-первый квартал;

МПОБ С52А, где М- условное обозначение Мотовилихинского завода; П - сталь марки 15Х2НМФ; 0 - год изготовления - 2000; Б - второй квартал; С - штанги сорбитизированные; 52 - номер плавки; А - литер смены.

Примеры условного обозначения штанг и муфт (по ГОСТ 13877-80). Штанга диаметром 19 мм, длиной 8000 м из стали марки сталь 40: штанга насосная ШН19-40; то же длиной 3000 мм: штанга насосная ШН19-3000-40;

то же, подвергнутая поверхностному упрочнению нагревом ТВЧ: штанга насосная ШН19-3000-40Т; то же, с соединительной муфтой исполнения 1: штанга насосная ШН19-3000-40Т-1.

Муфта соединительная диаметром 19 мм; исполнения 1, из стали марки сталь 40, подвергнутая обработке ТВЧ: муфта МШ19 (ГОСТ 13877-80); то же, не подвергавшаяся обработке ТВЧ: муфта МШ19-С (ГОСТ 13877-80);

то же, исполнение 2, из стали марки 20Н2М, не подвергнутой поверхностному упрочнению нагревом ТВЧ: муфта МШ19-2-20Н2М-С (ГОСТ 13877-80); Резьба штанги диаметром 19 мм обозначается: резьба Ш19 (ГОСТ 13877-80).

Соответствие прочности штанг российского производства классам прочности штанг по API Spec 11В представлено в таблице 4.42.

Величина предела пропорциональности материала штанг характеризует и классифицирует прочностные характеристики самой штанги (класс С, К, Д по API Spec 11В).

Таблица 4.42- Соответствие российских и американских штанг

Марка стали	Вид термообработки	Класс штанг в соответст­вии с API Spec 1 IB	Нагрузка, при которой достигается предел текучести, кН		Нагрузка, при которой достигается предел прочности, кН
			ШН19	ШН22	ШН19	ШН22
40	Нормализация	С	86	116	153	207
20Н2М	Нормализация	К	105	142	161	218
15НЗМА	Термоулучшение	к	134	182	174	236
15Х2НМФ	Закалка и высокий отпуск	к	169	229	188	254
15Х2ГМФ	Термоулучшение в процессе изготовления	Д	169	229	190	258
15Х2ГМФ	Термоулучшение в процессе изготовления	Д	269	362	300	403

Существуют разработки стеклопластиковых или углепластиковых насосных штанг для использования в скважинах с коррозионно- активной средой. Конструкция аналогична стальным штангам, т.е. есть гладкое тело штанги и высаженная часть с резьбой. Сама высаженная часть и резьба выполняется из композита (стеклопластик или углепластик), либо резьба и высаженная часть штанги выполнена из стали, а сама высаженная часть прикрепляется к гладкому телу штанг. Вариант крепления высаженной части штанги к ее гладкой части представлен на рисунке 4.107. Основная особенность стекло- пластиковых штанг - их малая масса: при одинаковой прочности они в 3-4 раза легче стальных, но в 2-3 раза эластичнее. Обычно их используют (в сочетании со стальными штангами) в глубоких скважинах (более 2000 м) или в скважинах с высококоррозионной пластовой жидкостью.

Кроме сплошных насосных штанг могут применяться полые или трубчатые штанги. Полые штанги предназначены для передачи движения от головки балансира станка-качалки плунжеру скважинного насоса при непрерывной или периодической подаче в полость насосных труб ингибиторов коррозии, ингибиторов отложения парафина, растворителей парафина, теплоносителей, деэмульгаторов, жидкости гидрозащиты насоса. Продукция скважины при этом отбирается по кольцевому пространству между полыми штангами и НКТ. Другим вариантом применения полых штанг является откачка пластовой жидкости с высоким содержанием механических примесей. При этом откачка пластовой жидкости проводится по центральному каналу. За счет малого диаметра проходного сечения увеличивается скорость движения откачиваемой жидкости по каналу, что препятствует выпадению (оседанию) механических примесей из потока жидкости. Полые штанги конструктивно состоят из трубчатой основной части и резьбовых концов, которые присоединяются к трубчатой части с помощью сварки (рис. 4.108).

Марки стали, применяемые для изготовления полых насосных Штанг, соответствуют маркам стали, применяемым для изготовления обычных насосных штанг. Исходным материалом для изготовления полых насосных штанг служит бесшовная холоднокатанная калибрированная труба. Головки, изготовляемые методом горячей объемной штамповки, предварительно сверлятся. Вслед за предварительной обработкой головка штанги соединяется с трубой многослойной сваркой кольцевым швом. Затем зона сварного шва - корневой слой сварочного соединения - растачивается. Этим специальным методом обработки и сварки достигается точная соосность штанги и головки. После сварки вся штанга подвергается термической обработке, правке растяжением и дополнительному контролю соосности. Дефектоскопия, нарезание резьбы, и калибровка производятся таким же образом, что и у цельнометаллических штанг. Ввиду того, что у полых насосных штанг самым критическим местом является зона сварного шва, этой зоне следует уделять особое внимание. Полые насосные штанги после нанесения каждого слоя сварки полностью проверяются капиллярным методом. В дополнение к этой проверке определенное количество готовых штанг подвергается 100%-ной рентгеноскопии всей зоны сварного шва.

Техническая характеристика полых штанг, выпускаемых в РФ

Наружный диаметр штанги, мм 42

Толщина стенки, мм 3,5

Наружный диаметр муфты, мм 57

Длина штанги, мм:

Полномерной 6000

Укороченной 1 ООО, 1500, 2000

Масса полномерной штанги, кг 25

При применении полых штанг изменяется конструкция оборудования устья скважин, в состав которого входят устьевой сальник для полых штанг, устьевой полый шток, трубопровод шарнирный или рукав высокого давления и др.

Колонна насосных штанг может выполняться не только из отдельных, дискретных штанг, соединенных между собой с помощью резьбы, но и в виде непрерывной колонны.

К непрерывным насосным штангам (ННШ) относятся прутковые и гибкие штанги.

Прутковые ННШ представляют собой колонну необходимой длины, состоящую из отдельных участков разного поперечного сечения. Отдельные участки колонны соединяются с помощью сварки в стык, сварной шов проходит термическую и механическую обработку и имеет прочность 0,95-1,00 с основным телом штанги. Поперечное сечение участков ННШ выбирается из условий равнопрочности колонны. Колонна ННШ может состоять из нескольких (до 10) участков, условный диаметр которых различается на 1,5 мм. Как правило, такая штанга имеет массу на 8 - 10 % меньше, чем аналогичная колонна обычной конструкции. Поскольку штанга имеет непрерывную конструкцию с соединениями только на насосе и полированном штоке, сила трения такой колонны по колонне НКТ и в перекачиваемой жидкости значительно меньше. Помимо этого, из-за отсутствия муфт ННШ большего размера можно устанавливать в НКТ меньшего диаметра.

При транспортировании прутковых ННШ, а также при спуске и подъеме их из скважины колонна штанг наматывается на барабан, Диаметр которого выбран из условия возникновения в теле штанг напряжений изгиба, не превышающих предел текучести материала штанг. Из-за этого диаметр барабана для намотки непрерывных штанг может достигать величины 7-11 м. Для уменьшения этих раз- Меров поперечное сечение штанг выполнено не круглым, а эллипти¬ческим, причем намотка штанг на барабан происходит по малой оси эллипса (рис. 4.109). 

Опыт создания и применения ННШ, выполненных из стальных прутков эллиптического сечения, впервые созданных канадской фирмой Corod Manufacturing и показавших свою работоспособность и эффективность на нефтяных промыслах Северной Америки выявил не только их технические и экономические преимущества, но и недостатки, к главным из которых можно отнести большой габарит агрегата для проведения спускоподъемных операций с ННШ. Большой (от 6 до 12 м) диаметр барабана для намотки ННШ обусловлен требованиями минимальной деформации штанг при их размещении на барабане. В соответствии с разработками специалистов Corod Manufacturing эта деформация изгиба не должна была превышать величину, при которой напряжения в теле ННШ составляют от 70 до 90 % предела пропорциональности (или предела текучести) материала штанг. Эти требования были основаны на многочисленных теоретических и экспериментальных работах, свидетельствующих о недопустимости эксплуатации насосных штанг, которые потеряли прямолинейность из-за неправильной транспортировки, хранения или эксплуатации. Авторы указанных работ утверждали, что предварительная деформация изгиба насосных штанг приводит к их преждевременному выходу из строя из-за снижения усталостной прочности материала и появления дополнительных нагрузок в теле штанг из-за их непрямолинейности.

Непрерывная штанга наматывается на барабан с напряжениями, не превышающими пропорциональности (текучести), в связи с чем при разматывании штанги (т.е. при спуске ННШ в скважину) штанга сама принимает прямолинейную форму и не имеет остаточных напряжений в своем теле. Однако для выполнения этих условий необходимо, чтобы радиус кривизны изгиба штанги на барабане и радиус поперечного сечения самой штанги находились в следующей зависимости:

Следовательно, для штанг диаметром 25 мм диаметр барабана должен превышать 12,5 м, а при использовании штанг эллиптического сечения с размером малой оси 14 мм диаметр барабана может быть уменьшен до 7,0 м. То есть, транспортировка агрегатов с барабанами таких размеров по дорогам как общего пользования, так и по промысловым с наличием электрических сетей является трудной задачей.

Гибкие ННШ могут выполняться в виде канатов различных конструкций или лент, выполненных из металлических или композитных материалов.

Применение в скважинной насосной установке канатных штанг в современных глубоких скважинах, продукция которых обладает значительной коррозионной активностью, не может быть реализовано без решения вопросов о жесткости каната и сопротивлении усталостной прочности каната при его использовании в качестве непрерывных наматываемых штанг.

Вопрос о жесткости каната при использовании его в качестве колонны насосных штанг возникает в связи с тем, что в настоящее время ШСНУ используются для откачки пластовой жидкости из глубоких (до 3500м) скважин со значительными величинами динамического уровня (до 2000м) и при дебитах до 80 м3/сут., для чего используют насосы с диаметрами до 70-120 мм.

При таких условиях эксплуатации гидравлическая нагрузка на колонну насосных штанг может достигать больших значений и приводить к деформации (удлинению) колонны насосных штанг (или, что то же самое — к потере эффективной длины хода плунжера). Так, для достаточно часто встречающихся условий эксплуатации - динамический уровень Нд = 1200 м, плотность откачиваемой жидкости р = 950 кг/ м3, условный диаметр насоса d н = 44 мм при использовании колонны стальных насосных штанг диаметром du, = 22 мм - потеря хода плунжера, подвешенного на глубине в 1400 м, составляет 350 мм, т.е. может достигать 10% хода точки подвеса колонны штанг для таких, наиболее часто применяемых приводов СШНУ, как станки-качалки типа СК8, ПШ8 и др. При перемещении плунжера насоса с помощью обычного стального каната возникают такие проблемы, как конструктивное и упругое удлинение каната, износ, коррозия, остаточная деформация и обрыв отдельных проволок и прядей, приводящих к быстрому износу каната и НКТ. Обычные канаты, применяемые в нефтяной промышленности, не могут быть использованы для привода существующих ДСНУ ввиду значительных конструктивных удлинений (порядка 50 см на 500 м подвески скважинного насоса) и малой устойчивости к механическому износу и коррозии [8]. Удлинение же каната специальной конструкции (например — по ГОСТ 10506-76) при использовании его в аналогичных условиях дает потерю хода плунжера на 15% больше, чем при использовании стандартной колонны штанг, т.е. 402 мм. Следовательно, потеря хода плунжера достигнет 11,5% от длины хода точки подвеса колонны штанг.

Аналогичные работы по совершенствованию тягового органа скважинных насосных установок ведутся в СНГ. В РГУ нефти и газа им.Губкина была разработана СШНУ с балансирным приводом, у которой в качестве гибкого тягового органа использовался канат закрытой конструкции по ГОСТ 10506-76 диаметром 20 мм. Научно- исследовательские и опытно-конструкторские работы позволили сделать вывод о достаточно высокой выносливости этого каната (несколько превышающей коррозионную выносливость стандартных штанг из стали 20Н2М), а также о благоприятном воздействии использования каната на работу всей установки в целом. Последнее происходит из-за демпфирующих свойств каната, что приводит к уменьшению динамических составляющих общей нагрузки на наземный привод. Внедрение разработанной конструкции на нефтяных промыслах подтвердило работоспособность и эффективность оборудования и возможность проведения спускоподъемных операций с высокими скоростями [8].

Уменьшение сил трения каната о перекачиваемую жидкость и стенки НКТ, снижение динамических нагрузок и увеличение коэффициента наполнения насоса происходит за счет конструктивных особенностей канатов, играющих не только роль штанговой колонны, но и роль амортизатора, демпфера. Эти же конструктивные особенности каната требуют дорабатывать существующие методики оценки состояния и работоспособности оборудования ШСНУ, основанные на анализе динамограмм. Уменьшение массы канатной штанги по сравнению со стандартной может вызвать затруднения при ходе плунжера вниз, поэтому для нормальной работы установки необходимо применять утяжелители.

Иногда неметаллический трос на основе стекловолокна и полимерных связывающих материалов в литературе по штанговым насосным установкам называют кабелем. Часто кабель имеет металлический наполнитель для увеличения его массы, что обеспечивает усилие, необходимое для хода плунжера скважинного насоса вниз.

Многими зарубежными фирмами применяется комбинированный тяговый орган - стандартная штанговая колонна с гибким эле¬ментом. Так, например, фирма Маре для длинноходовых установок серии LSPU применяет стандартную штанговую колонну с полированным штоком необходимой длины, который с помощью клиновой подвески соединяется с гибким элементом. В качестве последнего используется сдвоенный стальной канат диаметром 31 мм, по наружной поверхности защищенный специальным полимерным покрытием. При работе установки канат подвергается растягивающей нагрузке от 25 до 195 кН и напряжению изгиба при прохождении через направляющий блок и при намотке на барабан. Применение стального каната и полимерного покрытия, снижающего контактное напряжение между канатом и телом направляющего блока и барабаном лебедки, позволяет значительно уменьшить их диаметры.

Преимущество комбинированного тягового органа состоит в том, что в этих случаях в установках используются отработанные конструкции колонны насосных штанг, уплотнительных устьевых устройств, соединительных узлов с полированным штоком и плунжером скважинного насоса. Мачтовая конструкция наземного привода позволяет производить смену скважинного насоса без использования агрегата для подземного ремонта скважины.

Одним из направлений по усовершенствованию тягового органа скважинного насоса является применение в качестве непрерывной штанги неметаллической ленты, изготовленной из винилэфира, армированного графитными волокнами. Фирма Hanlun (США) выпускала ленту Ribbon Rod. Материал ленты имеет высокий модуль упругости и обладает достаточной жесткостью для использования в скважине и гибкостью для намотки на барабан. Барабан диаметром 2,4 м для намотки ленты длиной 1500 м монтируется на грузовике. Размер ленты 35,6x1,8 мм, линейная плотность 0,108 кг/м, предель¬ное кратковременное разрывное усилие 56 кН, предел прочности на разрыв 862МПа. Рекомендуемая максимальная рабочая нагрузка 26,6 кН при температуре 77° С.

Штанговая колонна работает в тяжелых условиях, на нее действуют агрессивная скважинная среда и переменные нагрузки, приводящие к накоплению усталостных явлений в штанговой колонне. Кроме этого, колонна штанг изнашивается вследствие трения о колонну НКТ, особенно при эксплуатации в наклонно направленных скважинах.

На штанговую колонну действуют следующие нагрузки:

статические - вес штанговой колонны с учетом силы плавучести и вес столба жидкости над плунжером высотой от динамического уровня жидкости, за вычетом объема, занимаемого штанговой колонной;

динамические - силы инерции движущихся масс штанговой колонны и жидкости, так как их движение осуществляется с ускорением, а также силы вибрации, обусловленные волновыми явлениями, возникающими в штанговой колонне при работе насоса.

При работе штанговой колонны в наклонно направленных скважинах и при откачке высоковязких жидкостей, эмульсий необходимо учитывать силы трения штанговой колонны о трубы и жидкость, так как их значение может быть соизмерено с весом колонны.

Наибольшие растягивающие напряжения действуют в верхней части колонны, наименьшие - в нижней. Однако в нижней части колонны могут возникнуть и сжимающие напряжения при ходе вниз при откачке вязких жидкостей и эмульсий. Это отрицательно влияет на долговечность работы штанговой колонны, поэтому в этих условиях данный участок усиливают, т.е. применяют тяжелые штанги или штанги большего диаметра.

Как было показано в предыдущем разделе настоящей книги, возможно применение и специальных насосов с гидравлическим утяжелителем низа штанговой колонны, что устраняет возможность знакопеременного нагружения нижней части штанговой колонны.

Разрушение штанговой колонны носит усталостный характер. Промысловый опыт показал, что чаще всего штанга обрывается на участках длиной 0,25-0,35 м, прилегающих к головкам, т.е. там, где конструкция имеет максимальные концентраторы напряжений за счет изменения формы штанги и где может возникнуть изгибающий момент от возможной несоосности тела и головки штанги.

В связи с усталостным характером разрушения штанг их долговечность снижается при работе в коррозионной среде.

Квадрат штанги маркируется твердым штампом, где указывается фирменный знак изготовителя, обозначение стандарта, класс API, код идентификации расплава, месяц и год изготовления.

На рис. 4.110 представлен общий вид штанги, а в таблице 4.43 даны размеры штанги по стандарту API Sped IB.

Таблица 4.4- Показатели насосных штанг по стандарту АНИ

Номинальный размер						Размер под ключ, W„ мм		Длина лыски под ключ, w„ мм		Диаметр бурта Д, мм		Номинальны» диаметр резьбы в мм		Длина ниппеля 1„ мм
Диаметр штаигг/			Длина штанги L"
дюймы	мм	футы		мм
5/8	15,9				22,2		31,75		31,75		23,8		31,75
3/4	19,0	25		7620	25,4		31,75		38,1		26,99		36,5
7/8	22,2	или		или	25,4		31,75		41,28		30,16		41,28
1	25,4	30		9140	33,3		38,1		50.8		34,52		47.63
I 1/4	28,6				38,1		41,28		57,2		39,69		53,98

Для подгонки длины колонны штанг и длины колонны НКТ спецификацией стандарта предусмотрен выпуск коротких штанг (pony rods) с длинами 2, 4, 6, 8, 10 и 12 футов (610, 1220, 1830,2440,3050 и 3660 мм).

Резьбы готовьте для отгрузки штанг смазываются специальной смазкой и защищаются пластмассовыми колпачками и заглушками.

По стандарту АНИ предусмотрен выпуск муфт, которые могут выполняться с лыской под ключ или без нее.

Для штанг 5/8, 3/4, 7/8, и 1,0 дюйм длина муфты одинакова - 101,6 мм (4 дюйма). Ниппельная же часть штанги при этом увеличивается. Поэтому при смазывании резьбовых соединений внутренняя полость муфты может переполниться смазкой, что препятствует свинчиванию соединения. Поэтому обильная смазка резьбовых соединений не рекомендуется.

На долговечность штанговой колонны большое влияние оказывает момент свинчивания резьбового соединения. При малом моменте свинчивания торцы ниппеля и муфты могут при действии растягивающей нагрузки расходятся и пластовая жидкость имеет возможность воздействовать на резьбовую часть колонны штанг, что приводит к быстрому выходу ее из строя. При слишком большом моменте свинчивания на резьбовую часть штанги кроме растягивающей нагрузки от внешних сил действует растягивающая нагрузка от предварительной затяжки резьбового соединения. Эта суммарная нагрузка может вызвать пластическую деформацию ниппеля и его разрушение.

Прочность резьбового соединения должна быть не меньше прочности тела штанги.

Правильно свинченное резьбовое соединение должно создавать на упорных торцах муфты и ниппеля такие сжимающие нагрузки, чтобы при работе соединения в скважине максимально возможное растягивающее усилие в штангах не могло разжать и раскрыть стык. Если стык будет раскрыт, то резьбовое соединение будет подвергаться воздействию коррозионно-активной пластовой жидкости и быстро выходить из строя. Поэтому для правильного свинчивания колонны необходимо применять специальные механические ключи. Свинчивание вручную штанговой колонны часто не позволяет достичь требуемых моментов, что приводит к снижению наработок на отказ колонн насосных штанг.

При сборке соединения необходимо очищать и смазывать резьбу. Как указывается в работе [8], это сильно влияет на правильность сборки соединения, так как только 10-20 % создаваемого крутящего момента расходуется на создание сжимающих напряжений