Вопрос 4.18. Насосные штанги, конструкция, условия работы

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 попе­ речного сечения с высаженными концами, на которых располагается участок квадратного сечения и резьба. Резьба служит для соедине­ ния штанг с муфтами, а участок квадратного сечения используется для захвата штанги ключом при свинчивании и развинчивании резь­ бового соединения (рис. 4.31).

Основными характеристиками насосных штанг являются: диаметр по телу штанги d_g и прочностная характеристика штанги - величина приведенного допускаемого напряжения [а]. У нас в стране штанги выпускаются диаметром 16,19, 22,25 мм, а допускаемое напряжение, для наиболее широко распространенных марок сталей, составляет

Рис. 4.31. Штанга и муфта

-167

70... 130 МПа. В небольших количествах выпускаются штанги с до­ пускаемыми напряжениями 150 МПа.

Указанные величины по сравнению с аналогичными прочностны­ ми показателями сталей, применяемых в машиностроении, ниже и определяются условиями работы колонны штанг - циклическим нагружением в коррозионно-активной среде, ускоряющей процесс ус­ талостного разрушения штанг.

Выпускаются штанговые муфты: соединительные типа МШ для соединения штанг одного размера и переводные типа МПШ для со­ единения штанг разного размера.

Муфты каждого типа изготавливаются в исполнении I с «лыска-ми» под ключ и в исполнении II без «лысок».

Муфты каждого типа большей частью изготавливаются из угле­ родистой стали марок 40 и 45. Предусматривается также изготовле­ ние муфты из легированной стали марки 20Н2М для применения в тяжелых условиях эксплуатации.

Для увеличения долговечности штанг, уменьшения воздействия на них коррозионной среды (пластовой жидкости) они подвергаются термичес­ кой обработке и упрочнению поверхностного слоя металла. Наиболее ча­ сто используется следующий вид термообработки: нормализация, закал­ ка объемная, закалка ТВЧ. Поверхностное упрочнение обеспечивается за счет дробеструйной обработки, обкатки роликом. Основная цель поверх­ ностного упрочнения - создание снимающих напряжений в поверхност­ ном слое материала. Кроме того, поверхность штанг покрывают лаками или металлами, стойкими к воздействию окружающей среды.

Для регулирования положения плунжера относительно цилинд­ ра скважинного насоса используют короткие штанги - «метровки» длиной 1000...3000 мм. Длина обычной штанги 8000 мм.

Особенностью штанг является накатка резьбы. Для сборки сту­ пенчатой колонны из штанг различных диаметров используют пере­ водные муфты МПШГ, позволяющие соединять штанги диаметрами 16 и 19, 19 и 22, 22 и 25 мм. Соединительные муфты изготавливают

с лысками и без лысок.

В зависимости от условий работы применяют штанги, изготов­ ленные из сталей следующих марок:

- для легких условий работы - из стали 40, нормализованные;

- для средних и среднетяжелых условий работы - из стали 20НМ, нормализованные;

- для тяжелых условий работы - из стали марки 40, нормализо­ ванные с последующим поверхностным упрочнением тела штанги по всей длине токами высокой частоты (ТВЧ) и из стали ЗОХМА, нор­ мализованные с последующим высоким отпуском и упрочнением тела штанги по всей длине ТВЧ;

- 1 6 8 -

- для особо тяжелых условий работы - из стали 20НМ, нормали­ зованные с последующим упрочнением штанги ТВЧ.

Колонна штанг - один из наиболее ответственных элементов ус­ тановки, работающей в наиболее напряженных условиях. Прочность и долговечность штанг, как правило, обусловливает подачу, как всей установки, так и максимальную глубину спуска насоса. Обрыв штанг вызывает простои и необходимость подземного ремонта. Разрушение колонны штанг происходит, как правило, либо при разрыве тела штан­ ги, либо при разрушении резьбовых соединений.

Наиболее часто обрывы штанг происходят вследствие усталости металла, в результате переменных нагрузок, концентраций напряже­ ний, коррозионности среды. Усталостное разрушение штанг обычно начинается с поверхности образованием микротрещины. Поверхность излома имеет характерный вид: она состоит из двух зон - мелкозер­ нистой и крупнозернистой. Усталостное разрушение штанг ускоря­ ется переменными нагрузками, концентрацией напряжений и воздей­ ствием коррозионной среды, поэтому выбор допускаемых напряже­ ний для штанг представляет собой важную задачу.

На долговечность резьбовых соединений большое влияние ока­ зывает плотность контакта торцов муфты, ниппеля и насосной штан­ ги. При свинчивании резьбовых соединений муфта- штанга должен обеспечиваться контакт между торцами при максимальной нагрузке на штанги.

Необходимо отметить, что наиболее приемлемыми для затяжки резьбовых соединений являются механические ключи с гидро- и элек­ троприводом, позволяющие свинчивать штанги со строго определен­ ным моментом.

Важнейшее условие безаварийной работы колонны штанг - их прямолинейность. Так, при стреле прогиба штанги, равной 0,5d, рас­ тягивающие напряжения увеличиваются в 5 раз. Для искривленных и сильно искривленных скважин применяют шарнирные муфты. Бла­ годаря наличию двух шарниров муфта может изгибаться в двух вза­ имно перпендикулярных плоскостях. Применение подобных муфт позволяет уменьшить напряжения, возникающие в результате изги­ ба, а также нормальные силы, обусловленные трением штанг о насос-но-компрессорные, трубы.

Помимо штанг со сплошным сечением применяют полые штан­ ги для привода скважинного насоса с использованием внутрисква-жинной депарафинизации, деэмульсации, ингибирования - в этих случаях по внутренней полости штанг подается с поверхности к на­ сосу соответствующий химический реагент. Кроме того их исполь­ зуют для отбора продукции при одновременно-раздельной эксплу­ атации пластов, а также при необходимости подъема пластовой

- 1 6 9 -

где D - диаметр плунжера в м; d - диаметр штанг в м;

- 1 7 0 -

По оси абсцисс отложены глубины спуска насоса, по оси орди­ нат- 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 верх­ няя точка на линии каждого насоса.

- система II в левой части выражает сочетания числа качаний

в минуту п = 6; 8; 10; 12; 14; 16; 18 и длины хода, обеспечиваемой при­

водом, S₀ = 0,45; 0,6; 0,9; 1,2; 1,5; 1,8;. 2,4; 3,0.

- система III - вспомогательная и служит для расчета ступенча­ тых колонн. Расстояния между линиями этой системы и осью орди­ нат выражают величину уменьшения приведенного напряжения a_nt при переходе от ступени меньшего диаметра к ступени большего ди­ аметра.

Диаграмма позволяет решать прямую и обратную задачу. Прямая - по заданным значениям диаметров штанг и их длинам определяют приведенное напряжение, т.е. выбирают материал, из которого изго­ товлены штанги. Обратная - по заданному приведенному напряже­ нию определяют диаметр, длину и число ступеней штанг.

Порядок решения прямой задачи покажем на следующем приме­ ре. Определить значение приведенного напряжения snp в точке под­ веса штанг при глубине спуска насоса L = 1000 м,. диаметре плунжера насоса D = 44 мм, числе двойных ходов в минуту п = 12, длине хода полированного штока S₀ = 1,8 м. Колонна ступенчатая: /_f ~ 700 м,

d₁ = 19 мм; 1₂ = 300 м, d₂ = 22 мм.

Для определения величины напряжений соединяем начальную точку номограммы 0 с точкой 19, находящейся на пунктирной линии 44 системы /, а точку 2500 - с точкой, образованной пересечением линий п = 1 2 и 5 ₀ = 1 , 8 системы II.

Через точку 1000 на оси абсцисс проводим вертикаль до пересе­ чения с прямой 0—19 в точке А. Через эту точку проведем прямую, параллельную линии 2500- (12-1,8), до пересечения в точке е с пер­ пендикуляром, восстановленным к оси абсцисс через лежащую на ней точку 300.

Из точки е опускаем вертикаль длиной, равной отрезку e'd'- расстоя­ нию между осью ординат и переводной линией 0- (19-22) системы III.

Через точку D проводим прямую DB, параллельную линии 2500-(12-1,8), до пересечения с осью ординат в точке В.

Ордината ОВ будет выражать собой приведенное напряжение

в точке подвеса штанг для данной колонны, равное 6,3 кгс/мм².

С помощью номограммы можно просто решить и обратную зада­ чу. Рассмотрим такой пример:

- 1 7 2 -

а _тах = 9 кгс/мм², диаметр насоса D = 38 мм, глубина спускаX, - 1920 м, число ходов в минуту п - 12, длина хода S_g = 1,8.

Назначим диаметр нижней, т. е. первой ступени колонны 19 м и определим ее длину. Для этого соединим точку 0 номограммы с точ­ кой 19, находящейся на пунктирной линии, соответствующей насосу 38 мм, а точку 2500 с точкой 12-2,8 системы II (по аналогии с реше­ нием предыдущей задачи).

Через точку а пересечения линий 0-19 с вертикалью 1920-а про­ водим прямую, параллельную линии 2500- (12-1, 8), до пересече­ ния ее в точке с с горизонталью 9, соответствующей максимальному допустимому значению напряжений. Из этой точки опускаем перпен­ дикуляр cd, равный по высоте отрезку bd" между переводной линией 0- (19-22) и осью ординат. Через точку d отрезка cd снова проводимпрямую, параллельную линии 2500- (12-1,8), до пересечения в точ­ ке с" с горизонталью 9. Продолжая аналогичное построение до пере­ сечения линий fb с осью ординат, получим число ступеней, равное 3, а длины /, = 1920 - 1100 = 820,1₂ = 1100 - 530 - 570,1_} = 570.

Таким образом, с достаточной для практики точностью можно быстро проверить, удовлетворяет ли имеющаяся колонна условию прочности - пример I, либо по заданным напряжениям подобрать конструкцию колонны.