Канатная насосная штанга

Полезная модель относится к насосным штангам, используемым в установках для добычи жидкости из скважин штанговыми насосами, и может быть применена для добычи нефти как из нефтяных наклонно-направленных скважин, так и нефтяных скважин с боковыми стволами и скважин с малым диаметром обсадной колонны.
Наиболее близким аналогом, взятым авторами в качестве прототипа полезной модели, является канатная насосная штанга, передающая возвратно-поступательное движение и продольное усилие от поверхностного привода к рабочему органу скважинного штангового насоса (см. RU 123445 U1, опубл. 27.12.2012). Известная штанга включает тело штанги, в качестве которого используется канат закрытой конструкции с Ζ, X и О-образными проволоками, а также головки штанги с резьбой, в качестве которых используются заделки. Каждая заделка обеспечивает равномерное нагружение всех проволок каната, а на своем конце имеет резьбу для соединения с плунжером насоса, полированным штоком или колонной штанг.
Недостатками данной насосной штанги являются:
- большое удлинение канатных штанг, обусловленное наличием свободного пространства, как между слоями, так и между проволоками в слое, которое приводит к потере длины хода плунжера штангового насоса и, как следствие, снижению эффективности работы всей установки штангового скважинного насоса;
- низкая надежность канатных штанг при эксплуатации скважин осложненных коррозией и отложениями АСПО.
Технический результат полезной модели заключается в повышении эффективности канатной штанги за счет снижения ее удлинения при растяжении (ходе штанги вверх) и предотвращения распушения проволок каната при сжатии (ходе штанги вниз) при эксплуатации скважин осложненных коррозией и отложениями АСПО.
Технический результат достигается тем, что канатная насосная штанга, передающая возвратно-поступательное движение и продольное усилие от поверхностного привода к рабочему органу скважинного штангового насоса, состоит из тела штанги, в качестве которого используется канат закрытой конструкции с Ζ, X и О-образными проволоками, и головок штанги, в качестве которых используются заделки, обеспечивающие равномерное нагружение всех проволок каната, при этом заделки имеют на своем конце резьбу для соединения с плунжером насоса, полированным штоком или колонной штанг, согласно полезной модели, Z-образные проволоки расположены только в наружном слое каната, а X и О-образные проволоки размещены в следующем за наружным слое каната и чередуются между собой, при этом количество Ζ, X и О-образных проволок, профиль Ζ и Х-образных проволок и диаметр О-образных проволок выбраны исходя из диаметра каната, обеспечивая условие максимального заполнения Ζ, X и О-образными проволоками поперечного сечения соответствующего слоя каната, а канат снаружи покрыт защитным полимерным покрытием.
Кроме того, все проволоки канатной штанги могут быть покрыты цинком.
Кроме того, канат диаметром поперечного сечения 20 мм содержит в наружном слое 26 Z-образных проволок, а следующий за наружным слой включает 8 Х-образных и 8 О-образных проволок.
Кроме того, канат диаметром поперечного сечения 22 мм содержит в наружном слое 29 Z-образных проволок, а следующий за наружным слой включает 9 Х-образных и 9 О-образных проволок.
На фиг.1 показан общий вид канатной насосной штанги, на фиг.2 - сечение А-А тела штанги для диаметра каната 20 мм, на фиг.3 канатная насосная штанга с полимерным покрытием.
Канатная насосная штанга (см. фиг.1) состоит из каната 1 закрытой конструкции и двух заделок 2, которые обеспечивают равномерное нагружение всех проволок каната. На конце заделок имеется резьба 3, позволяющая реализовать соединение с плунжером насоса, полированным штоком или с обычной колонной штанг. Наружный слой каната канатной штанги выполнен из Z-образных проволок 4 (фиг.2), следующий за наружным слой выполнен из чередующихся между собой Х-образных 6 и О-образных проволок 5. При этом количество Ζ, X и О-образных проволок, профиль Ζ и Х-образных проволок и диаметр О-образных проволок выбраны исходя из диаметра каната, обеспечивая условие максимального заполнения Ζ, X и О-образными проволоками поперечного сечения соответствующего слоя каната.
Защитное полимерное покрытие 7 наносится на наружную поверхность канатной штанги 1 (см. фиг.3).
Важным параметром, влияющим на эффективность работы установки штангового насоса, является эффективность применяемых штанг, которая в первую очередь зависит от их (штанг) удлинения. Длина хода плунжера отличается от длины хода поверхностного привода. При ходе плунжера вверх под действием столба жидкости в НКТ штанги удлиняются, что снижает длину хода плунжера, и как следствие подачу насоса. Подача насоса определяется выражением:
,
Где: Q - подача штангового насоса, м /сут;
пл
2
F - площадь плунжера насоса, м;
S - длина хода поверхностного привода, м;
λ - удлинение штанг и труб, определяемое по следующему выражению:
,
n - число качаний, 1/мин;
η - коэффициент подачи насоса.
Из формулы (1) видно, что подача насоса зависит от величины удлинения штанг и труб, при этом удлинение штанг на порядок превышает удлинение труб.
Удлинение штанг зависит от действующей на них нагрузки от веса столба жидкости, длины штанг, площади сечения тела штанг и модуля упругости материала штанг и вычисляется по формуле:
шт
где: λ - удлинение штанг, м;
ж
Р - нагрузка от веса столба жидкости в НКТ, Н;
шт
L - длина штанг, м;
Ε - модуль упругости материала штанг, Мпа;
шт
2
f - площадь поперечного сечения тела штанги, м.
шт
шт
Из формулы (3) очевидно следует, что чем больше площадь в поперечном сечении тела штанги f, тем меньше будет величина удлинения штанги λ, и, следовательно, больше подача насоса.
В отличие от обычных штанг, выполненных из металлического прутка, поперечное сечение каната заполнено проволоками не полностью, между проволоками имеются пустоты, которые уменьшают площадь тела канатной штанги, что в свою очередь увеличивает удлинение каната и снижает подачу насоса, следовательно, чем больше площадь в поперечном сечении канатных штанг будут занимать проволоки, тем меньше будет удлинение штанг и, соответственно, будет выше эффективность самой канатной штанги, а подача насоса будет больше.
В канатной штанге, диаметр которой не превышает 22 мм, наибольшую площадь занимают проволоки двух наружных слоев, поэтому в предлагаемом техническом решении профиль Z-образных и Х-образных, а так же диаметр O-образных проволок и их количество выбирается исходя из максимально возможного заполнения проволоками сечения соответствующего слоя каната. При этом Z-образные проволоки располагаются только в наружном слое, а X и O-образные проволоки размещены в следующем за наружным слое, и расположены каждые в своем слое таким образом, чтобы их форма максимально соответствовала друг другу для плотного прилегания, а их количество соответствовало максимально возможному для этого диаметра каната.
Так для каната диаметром 20 мм, согласно предлагаемому техническому решению наружный слой, должен состоять из 26 (двадцати шести) проволок Z-образной формы, а следующий за наружным слой включать 8 (восемь) Х-образных и 8 (восемь) О-образных проволок.
Для каната диаметром 22 мм наружный слой должен состоять уже из 29 (двадцати девяти) проволок Z-образной формы, а следующий за наружным слой включать 9 (девять) Х-образных и 9 (девять) О-образных проволок.
Такой подход компоновки проволок тела каната позволяет увеличить заполнение проволоками площади поперечного сечения каната в зависимости от диаметра на 10-15% и, как следствие, снизить удлинение канатных штанг, это в свою очередь ведет к повышению эффективности канатной штанги, увеличению подачи штангового насоса и увеличению эффективности его работы.
В качестве материала изготовления проволок используется углеродистая сталь, поэтому в условиях эксплуатации скважин осложненных наличием коррозионно-активной пластовой продукции будет происходить коррозия проволок и их разрушение. Покрытие всех проволок канатной штанги цинком защищает их от коррозии и увеличивает надежность работы.
При наличии в скважине АСПО из-за отложений парафина может происходить зависание штанг при ходе вниз. При этом на канатные штанги будут действовать сжимающие нагрузки, которые будут приводить к сжимающим нагрузкам в произвольном сечении тела канатной штанги, что в итоге, как показывает практика применения канатных штанг, может привести к распушению проволок каната и его последующему разрушению. Для предотвращения распушения проволок каната на наружный слой канатной штанги предлагается наносить полимерное покрытие. В качестве полимерного покрытия может быть применено покрытие, нанесенное любым известным способом, а материал полимерного покрытия может быть выбран из широкого ряда полимеров, применяемых в нефтегазовой отрасли. Толщина полимерного покрытия рассчитывается для каждого применения отдельно в зависимости от диаметра каната канатной штанги, длины канатной штанги, глубины установки скважинного насоса, действующих нагрузок и скважинных условий. При этом необходимо соблюдение условия эффективного предотвращения распушения каната. Лабораторные и промысловые исследования показали, что полимерное покрытие наружного слоя канатной штанги препятствует распушению проволок каната под действием сжимающих нагрузок, что позволяет повысить эффективность и надежность канатной штанги. В качестве неограничивающего примера можно привести пример экструзионного нанесения на канат канатной штанги полипропиленового покрытия толщиной 1 мм.
Таким образом, технический результат полезной модели, заключающийся в повышении эффективности канатной штанги за счет снижения ее удлинения при растяжении (ходе штанги вверх) и предотвращения распушения проволок каната при сжатии (ходе штанги вниз) при эксплуатации скважин осложненных коррозией и отложениями АСПО, достигается за счет во-первых, расположения Z, X и О-образных проволок по соответствующим слоям каната, а также выбора количества Ζ, X и О-образных проволок, профиля Ζ и Х-образных проволок и диаметра О-образных проволок исходя из диаметра каната, обеспечивая условие максимального заполнения Ζ, X и О-образными проволоками поперечного сечения соответствующего слоя каната, а, во-вторых, за счет покрытия каната снаружи защитным полимерным покрытием.
Следует понимать, что после рассмотрения специалистом приведенного описания с примером осуществления канатной насосной штанги, а также сопроводительных чертежей, для него станут очевидными другие изменения, модификации и варианты реализации заявленной полезной модели. Таким образом, все подобные изменения, модификации и варианты реализации, а также другие области применения, не имеющие расхождений с сущностью настоящей полезной модели, следует считать защищенными настоящей полезной моделью в объеме прилагаемой формулы полезной модели.