Технические характеристики 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.............................................1000, 1500, 2000

Масса полномерной штанги, кг.................25

Зарубежные фирмы (например — SBS, Австрия) также вы­пускают полые насосные штанги. В табл. 2.40 представлены ос­новные размеры зарубежных полых насосных штанг [35].

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. (см. рис. 2.111).

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

Основные размеры полых насосных штанг фирмы sbs

Наруж­ный диаметр OD, дюйм/ (мм)	Внут­рен­ний диа­метр ID, дюйм/ (мм)	Толщи­на стенки, дюйм/ (мм)	Размер под ключ N дюйм/ (мм)	Длина лыски под ключ L, дюйм/ (мм)	Диаметр бурта, F, дюйм/ (мм)	Длина цапфы GP, дюйм/ (мм)	Диаметр цапфы DP, дюйм/ (мм)
7/8 (22,2)	1/8 (9,52)	1/4 (6,35)	1 (25,4)	1¼ (31,75)	1½ (38,1)	1,437 (36,50)	1,061 (26,95)
1(25,4)	1/2 (12,7)	1/4 (6,35)	1 (25,4)	1¼ (31,75)	15/8 (41,27)	1,625 (41,27)	1,186 (30,13)
1 (25,4)	0,630 (16,0)	0,185 (4,7)	1 (25,4)	1¼ (31,75)	15/8 (41,27)	1,625 (41,27)	1,186 30,13)
1 ⅛(27,6)	0,709 (18,0)	0,208" (5,29)	15/16 (33,3)	1½ (38,1)	2 (50,8)	1,875 (47,63)	1,347 (34,89)

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 (рис. 2.112) [37].

Рис. 2.111. Оборудование устья скважины с полыми насосными штангами:

1 — глубинный насос; 2 — насосные трубы; 3 — трубные штанги; 4— выкидная линия; 5 — отвод; 6 — фильтр; 7 — гибкий шланг.

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 размеров поперечное сечение штанг вы­полнено не круглым, а эллиптическим, причем намотка штанг на барабан происходит по малой оси эллипса.

Рис. 2.112. Расположение в колонне НКТ стандартной и непрерывной штанги.

Опыт создания и применения ННШ, выполненных из сталь­ных прутков эллиптического сечения, впервые созданных ка­надской фирмой Corod Manufacturing [37] 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 спуско-подъемных 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:

r_шт: R_бар < 0,002. (2.167)

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 (рис. 2.113).

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.

Рис. 2.113. Транспортировка колонны ННШ

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 3500 м) сква­жин со значительными величина­ми динамического уровня (до 2000 м) 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 Н_д = 1200 м, плотность откачиваемой жидкости р = 950 кг/м³, условный диа­метр насоса d_H = 44 мм при использовании колонны стальных насосных штанг диаметром d_ш = 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 [7]. 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.

Фирмами «Bethlehem Steel» и «Du Pont de Nemure» (Франция) были проведены испытания канатных тяговых органов [16]. Эк­спериментальный канат представлял собой свивку из 37 прово­лок. Каждая проволока сначала обрабатывалась ингибитором, а затем покрывалась слоем нейлона толщиной 0,25 мм. Из суще­ствующих видов пластмасс нейлон был выбран из-за водонефтестойкости и стойкости к ползучести. Готовый канат покры­вался защитной оболочкой из нейлона толщиной 0,625 мм для защиты проволок от истирания или механического поврежде­ния при транспортировке или в процессе эксплуатации. В боль­шинстве скважин канат работал хорошо. Обрывы происходили в основном в тех скважинах, где в добываемой жидкости было значительное содержание сероводорода.

Аналогичные работы по совершенствованию тягового органа скважинных насосных установок ведутся в СНГ. В РГУ нефти и газа им. И. М. 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 спуско-подъемных операций с высо­кими скоростями [7].

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.

Классификация колонны штанг или «тягового органа», ис­пользуемого в установках скважинных штанговых насосов, пред­ставлена на рис. 2.114.

Многими зарубежными фирмами применяется комбиниро­ванный тяговый орган — стандартная штанговая колонна с гиб­ким элементом. 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 [16]. 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 [16].

Рис. 2.114. Классификация различных типов тягового органа СШНУ по конструктивным признакам.

Для уменьшения диаметра приводного барабана в ДСНУ, разработанной фирмой «Bender» (США), в качестве гибкого эле­мента тягового органа используется широкая лента. Упругие свой­ства ленты позволяют уменьшить динамические нагрузки на привод установки, а также энергетические затраты. Испытания установки Prolif, проведенные фирмой «Reed American Products» (США), показали, что использование ленты в качестве гибкого элемента уменьшает почти в 10 раз количество ремонтов из-за ее повреждения по сравнению с канатом [16].

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.

В установке Liftronic в качестве гибкого тягового органа ис­пользована грузовая пластинчатая цепь длиной около 13 м и максимальной нагрузкой 54 кН. Хотя фирма не дает данных о типоразмере применяемой цепи, стандарт API позволяет выб­рать конструкцию и размеры грузовой цепи по условиям эксп­луатации. Применение цепи в качестве гибкого тягового органа позволило уменьшить диаметр барабана лебедки наземного при­вода по сравнению с барабаном для каната. Наряду с этим, при­менение цепи в качестве гибкого элемента имеет следующие недостатки: большое поперечное сечение цепи ведет к усложне­нию конструкции устьевого уплотнения, сильный шум при ра­боте цепи, необходимость в дополнительном сложном устрой­стве для смазки цепи, малая долговечность цепи из-за воздей­ствия агрессивной среды и механических примесей.

В длинноходовых скважинных насосных установках (ДСНУ) в качестве гибкого непрерывного тягового органа может приме­няться стальная лента. Она представляет собой стальную полосу прямоугольного сечения [16, 40, 39]. Толщина ленты выбирает­ся из условия намотки ее на барабан установки без упругопластической деформации, а ширина — из условия размещения лен­ты внутри НКТ. Два этих условия приводят к тому, что пло­щадь поперечного сечения тягового органа часто оказывается недостаточной для восприятия циклических нагрузок, возника­ющих при работе насоса.

Недостатком такого тягового органа является их низкая на­дежность, обусловленная тем, что стальная лента подвергается износу из-за трения о внутреннюю поверхность НКТ в абразив­ной среде, а также при многослойной навивке на барабан. На­личие микротрещин, надрезов, рубцов на поверхности и по тор­цам стальной ленты в условиях агрессивной коррозионной сре­ды и большая площадь контакта тягового органа с откачиваемой жидкостью приводит к быстрому коррозионно-усталостному разрушению ленты. Кроме того, форма тягового органа делает крайне затруднительным разработку и изготовление надежного устьевого уплотнения ленты. Стальные ленты выпускают отрез­ками длиной 200—300 м, и стыковка этих отрезков для обеспе­чения необходимой длины представляет сложную задачу. Вслед­ствие этого использование таких установок определяется лишь сравнительно неглубокими скважинами. Эти недостатки могут быть преодолены при использовании в ДСНУ канатов и неме­таллических лент, которые прошли промысловые испытания совместно со скважинными насосными установками с обычной длиной хода.

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) приступила к выпуску ленты Ribbon Rod [16, 39]. 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, предельное кратков­ременное разрывное усилие 56 кН, предел прочности на разрыв 862 МПа. Рекомендуемая максимальная рабочая нагрузка 26,6 кН при температуре 77 ºС.

Анализ испытаний в различных скважинах опытного об­разца ДСНУ, в которой в качестве тягового органа использо­валась лента, показали, что такая установка может обеспечить добычу 32 м³/сут жидкости с глубины 1520 м при 10—12 ходах в минуту.

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.

За рубежом штанги и муфты к ним выпускаются по стандар­ту API Sped 1 В. Согласно данной спецификации стандарта на­сосные штанги различают лишь по показателям прочности на растяжение. Выбор материала, методов упрочнения, технологи­ческих приемов изготовления, повышающих надежность штан­ги, стандартом не оговорены и оставлены на усмотрение изгото­вителя. Последнее особенно сильно влияет на долговечность работы штанговой колонны, поэтому при приобретении штанг, выпускаемых по указанной выше спецификации API этому не­обходимо уделять особое внимание. По показателям прочности стандарт API разделяет штанги на классы.

Класс API К. Предел прочности на растяжение — минимум 85 000 фунтов на квадратный дюйм (590 МПа), максимум 115 000 фунтов на квадратный дюйм (790 МПа).

Класс API С. Предел прочности на растяжение — минимум 90 000 фунтов на квадратный дюйм (630 МПа), максимум 115 000 фунтов на квадратный дюйм (790 МПа).

Класс API D. Предел прочности на растяжение — минимум 115 000 фунтов на квадратный дюйм (790 МПа), максимум 140 000 фунтов на квадратный дюйм (969 МПа).

Обычно применяются углеродисто-марганцевые стали для класса С, никелемолибденовые улучшенные стали для класса К и хромомолибденовые улучшенные стали для класса Д.

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

На рис. 2.115 представлен общий вид штанги, а в табл. 2.41 даны размеры штанги по стандарту API Sped IB [36].

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 готовых 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 (рис. 2.116, табл. 2.42).

Рис. 2.115. Насосные штанги, по стандарту АНИ

Таблица 2.41