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. 7.40 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. 7.111).

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)	1^5/8 (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)	1^5/8 (41,27)	1,625 (41,27)	1,186 30,13)
1 ⅛(27,6)	0,709 (18,0)	0,208" (5,29)	1^5/16 (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. 7.112) [37].

 

Рис. 7.111. 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. 7.112. 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. (7.120)

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. 7.113).

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. 7.113. 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. 7.114.

Многими зарубежными фирмами применяется комбиниро­ванный тяговый орган — стандартная штанговая колонна с гиб­ким элементом. Так, например, фирма Маре длядлинноходовых 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. 7.114. 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. 7.115 представлен общий вид штанги, а в табл. 7.41 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. 7.116, табл. 7.42).

Рис. 7.115. Насосные штанги, по стандарту АНИ

Таблица 7.41

Размеры штанги по стандарту API SpecllB

Номинальный размер	размер под ключ, ws, мм	Длина лыски, под ключ, W1, мм	Диа­метр бурта Df, мм	Номиналь­ный диаметр, резьбы, мм	Длина ниппеля Ls, мм
Диаметр штанг, d	Длина, штанги, L
дюйм	мм	футы	мм
5/8	15,9	25 или 30	7620 или 9140	22,2	31,75	31,75	23,8	31,75
3/4	19,0	25,4	31,75	38,1	26,99	36,5
7/8	22,2	25,4	31,75	41,28	30,16	41,28
	25,4	33,3	38,1	50.8	34,52	47,63
1¼	28,6	38,1	41,28	57,2	39,69	53,98

Рис. 7.116. Муфта no стандарту АНИ

Видно, что 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.

Таблица 7.42