книги / Скважинные насосные установки для добычи нефти

Штанговая колонна работает в тяжелых условиях, на нее дей­ ствуют 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 пла­ вучести и вес столба жидкости над плунжером высотой от дина­ мического уровня жидкости, за вычетом объема, занимаемого штанговой колонной;

•динамические — силы инерции движущихся масс штанго­ вой 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 тру­ бы и жидкость, так как их значение может быть соизмерено с весом колонны.

Наибольшие растягивающие напряжения действуют в верх­ ней 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 отри­ цательно влияет на долговечность работы штанговой колонны, поэтому в этих условиях данный участок усиливают, т.е. приме­ няют 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 харак­

тер. Промысловый опыт показал, что чаше всего штанга обры­ вается на участках длиной 0,25—0,35 м, прилегающих к голов­ кам, т.е. там, где конструкция имеет максимальные концентра­ торы 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 дол­ говечность снижается при работе в коррозионной среде.

За рубежом штанги и муфты к ним выпускаются по стандар­ ту API Sped 1 В. Согласно данной спецификации стандарта на­ сосные штанги различают лишь по показателям прочности на растяжение. Выбор материала, методов упрочнения, технологи­ ческих приемов изготовления, повышающих надежность штан­ ги, стандартом не оговорены и оставлены на усмотрение изгото­ вителя. Последнее особенно сильно влияет на долговечность работы штанговой колонны, поэтому при приобретении штанг, выпускаемых по указанной выше спецификации API этому не­ обходимо 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 указыва­ ется 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 SpecllB [56].

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 специаль­ ной смазкой и защищаются пластмассовыми колпачками и заг­ лушками.

По стандарту АНИ предусмотрен выпуск муфт, которые могут выполняться с лыской под ключ или без нее (рис. 2.116, табл. 2.42).

Рис. 2.116. Муфта по стандарту АНИ

Видно, что для штанг 5/ g, V4>V8> 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 ока­ зывает момент свинчивания резьбового соединения. При малом моменте свинчивания торцы ниппеля и муфты могут при дей­ ствии растягивающей нагрузки расходятся и пластовая жидкость имеет возможность воздействовать на резьбовую часть колонны штанг, что приводит к быстрому выходу ее из строя. При слиш­ ком большом моменте свинчивания на резьбовую часть штанги кроме растягивающей нагрузки от внешних сил действует растя­ гивающая нагрузка от предварительной затяжки резьбового со­ единения. Эта суммарная нагрузка может вызвать пластическую деформацию ниппеля и его разрушение.

Прочность резьбового соединения должна быть не меньше прочности тела штанги.

Размеры муфты,

по стандарту API Spec 11В

Правильно свинченное резьбовое соединение должно созда­ вать на упорных торцах муфты и ниппеля такие сжимающие нагрузки, чтобы при работе соединения в скважине максималь­ но возможное растягивающее усилие в штангах не могло раз­ жать и раскрыть стык. Если стык будет раскрыт, то резьбовое соединение будет подвергаться воздействию коррозионно-актив­ ной пластовой жидкости и быстро выходить из строя. Поэтому для правильного свинчивания колонны необходимо применять специальные механические ключи. Свинчивание вручную штан­ говой колонны часто не позволяет достичь требуемых момен­ тов, что приводит к снижению наработок на отказ колонн на­ сосных штанг.

При сборке соединения необходимо очищать и смазывать резьбу. Как указывается в работе [49], это сильно влияет на пра­ вильность сборки соединения, так как только 10—20 % создава­ емого крутящего момента расходуется на создание сжимающих напряжений крутящего момента, остальная часть — на преодо­ ление трения.

В скважинах, где Наблюдается коррозия оборудования и от­ ложение солей, для повышения надежности насосных штанг должны осуществляться мероприятия по подаче в скважину ин­ гибиторов.

Для форсированных режимов эксплуатации целесообразно применять легирование и углеродистые штанги, закаленные ТВЧ.

Для работы с насосами малых диаметров (29, 32, 38 мм) пред­ почтительнее использовать углеродистые штанги из стали марки сталь 40 согласно расчетам глубин спуска.

Для эксплуатации скважин с глубиной спуска насоса боле^ 1500 м отбором жидкости выше 40 м3/сут следует использовать штанги из стали марок 30ХМА, 15НЗМА, 15Х2НМФ, закален­

ные ТВЧ.

В условиях сильной коррозии хорошо работают штанги и^

стали марки 15НЗМА.

Области применения насосных штанг в сочетании с типораз­ мерами насосов приведены в табл. 2.43.

Штанги транспортируются в специальных пакетах, обесп^, чиваюших сохранение их от механических повреждений и ис­ кривления при проведении погрузочно-разгрузочных рабо-^ транспортировании, складировании и хранении.

Согласно ГОСТ 13877-80 штанги упаковываются в пакет мас­ сой брутто не более 500 кг. Допускается по заказу потребителя упаковка штанг в пакет массой брутто до 1500 кг, объединение нескольких пакетов массой брутто каждого до 500 кг в укрур. ненный пакет массой брутто до 3500 кг.

Резьба штанг и муфт должна быть защищена предохрани­ тельными колпачками и пробками от повреждений, грязи и

влаги.

Погрузка и выгрузка штанг должна производиться при помо­ щи крана со специальной траверсой, имеющей не менее трех подвесок.

Перевалки и укладывание пакетов штанг на промыслах про­ изводится также при помощи крана; при этом необходимо со­ блюдать следующие правила:

а) не допускается одновременный перенос больше одного пакета штанг;

б) захват пакета штанг цепями или канатами производится не менее чем в трех местах;

в) пакет штанг охватывают цепями или канатами вплотную около средних хомутов —замков;

г) — штанги укладываются на стеллажи.

У поднятых из скважин штанг, предназначенных для даль­ нейшего использования, резьбовые соединения следует очистить, смазать и предохранить их колпачками или пробками от по­ вреждений к скопления на них грязи и влаги.

Отбракованные штанги должны храниться отдельно от при­ годных для эксплуатации.

Штанги следует складывать на стеллажах или мостках без про­ гибов и свешивания их концов. Стеллажи (мостки) должны иметь не менее четырех поперечных прокладок из труб (досок) или сплошной настил из досок длиной не менее 8 м. На них не долж­ но быть посторонних предметов, отбракованных штанг и грязи.

Резервные штанги по маркам и типоразмерам должны хра­ ниться на стеллажах только на цеховом складе, отдельно от бра­ кованных.

При укладывании штанг следует применять только деревян­ ные междурядные прокладки.

Составление одноступенчатых или отдельных ступеней много­ ступенчатых колонн из штанг различных марок не допускается.

Конструкция резьбы штанг позволяет навинчивать муфту от руки. Довинчивание муфты до бурта штанги с усилием не до­ пускается, так как это свидетельствует о порче или загрязнении резьбы. Спуск штанги с забитой резьбой не допускается. После соприкосновения торца муфты с буром штанги соединение сле­ дует тщательно закрепить ключом.

Правильное сопряжение резьб и их затяжка определяются моментом свинчивания, равным для штанг диаметром: 16—300; 19-500; 22-700; 25 мм - 1100 Н м.

Штанги и муфты, не дающие плотного соединения, нельзя спускать в скважину, их следует браковать.

НеДОвинчивание муфты до бурта штанги недопустимо, так как во время работы может произойти отворот или обрыв в резьбе.

Резьба штанг имеет высокий класс точности и малые д о ­ пуски от номинала, поэтому малейшие загрязнения или ржав­ чина МОгут затрУдИИть свинчивание. Резьбы следует всегда хра­ нить в Смазанном Виде и с надетыми предохранительными кол­ пачками.

Резьбу штанг и Муфт следует очищать от густой смазки или грязи специальным приспособлением, изготовленным из муфты и головки штаИГи.

Для предохранения резьбы штанг и муфт от коррозии их не­

обходимо покрыть смазкой ЛЗ-162.

При развинчивании соединения не допускается обстукива­ ние муфты молотком, ключом или другими металлическими предметами. Тугие соединения следует разъединять ключом с

рукояткой в 1 м.

Необходимо учесть, что неправильная зарядка штанг в элева­ тор приводит к изгибу их за головкой и, как следствие, к обры­ вам в этом месте. Запрещается выпрямление искривленных штанг,

их следует браковать.

При подъеме штанг их нужно тщательно осматривать с це­ лью обнаружения повреждений. Штанги и муфты с такими по­ вреждениями, как изгибы, зазубрины, коррозионный и механи­ ческий износ, не допускаются к дальнейшей эксплуатации, их нужно браковать.

При обрыве или отвороте штанг в нижней части колонны, а также при наличии заеданий плунжера на ходу и больших гид­ равлических сопротивлений в клапанах следует применять тя­ желый низ для штанговых колонн. Рекомендуемая масса тяже­ лого низа колонны штанг приведена в табл. 2.44.

В случае обрыва штанги на ее место необходимо поставить новую. Установка случайной или же находившейся в работе штанги на место оборвавшейся не допускается.

Оборвавшиеся штанги следует сохранить. Обе части, отре­ занные длиной 250 мм от места обрыва, необходимо связать и прикрепить к ним бирку с указанием номера скважины, про­ мысла, марки стали штанги, даты обрыва и номера оборвавшей­ ся штанги, считая от устья скважины. Затем эти образцы пере­ дают исследовательской организации.

В случае одного-двух обрывов в новой колонне не следует менять всю колонну. Такие обрывы могут быть следствием из­ гиба за головкой или плохой сборки резьбового узла.

После первого же обрыва штанги целесообразно прове­ рить нагрузку на головку балансира станка-качалки и пра­ вильность подбора штанговой колонны, при выявлении оши­ бок необходимо устранить их. После трех-четырех обрывов штанг, следующих один за другим через короткие промежут­

ки времени, всю колонну штанг необходимо полностью заме­ нить на новую.