Колонна насосных штанг, муфта для колонны насосных штанг и способ извлечения текучей среды из скважины и насосная система
PUMP ROD COLUMN, COUPLING FOR PUMP ROD COLUMN AND METHOD FOR EXTRACTING FLUID FROM WELL, AND PUMP SYSTEM

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
В настоящей заявке испрашивается приоритет предварительной заявки на патент США № 62/473792, поданной 20 марта 2017 г., содержание которой в полном объеме включено в настоящий документ посредством ссылки.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к муфтам, изготовленным из спинодальноупрочненного медного сплава. Муфты особенно полезны для соединения компонентов колонны насосных штанг с внутрискважинным насосом. Сплавы предпочтительно имеют коэффициент трения скольжения менее 0,4 при измерении по углеродистой стали.
Устройства извлечения углеводородов как правило содержат внутрискважинный насос для извлечения углеводородов из подземного резервуара, источник питания для питания насоса и систему подъема насосных штанг, соединяющую источник питания и внутрискважинный насос. Система подъема насосных штанг содержит множество насосных штанг, соединенных друг с другом муфтами. Штанги и муфты соединены посредством ниппельного резьбового соединения. Также при соединении системы подъема насосных штанг с внутрискважинным насосом используются дополнительные муфты с резьбовыми соединениями. Повреждение резьбовых соединений из-за истирания (износа, связанного с адгезией между поверхностями скольжения) может отрицательно повлиять на механическую целостность соединения и привести к разрыву соединения между источником питания и насосом. Кроме того, система извлечения углеводородов работает внутри трубопровода. Повреждение трубопровода и муфты в результате повторяющегося контакта между наружной поверхностью муфт/насоса и внутренней поверхностью трубопровода может отрицательно повлиять на механическую целостность трубопровода или муфты, что приводит либо к утечке углеводородов, переносимых трубопроводом, в окружающую среду, либо к отделению муфтового соединения от колонны насосных штанг. Любое из этих событий фактически останавливает процесс закачки и часто приводит к весьма дорогостоящим дополнительным операциям для устранения таких неисправностей.
К требуемым характеристикам муфт, используемых в таких системах, относятся высокая прочность на разрыв, высокая усталостная прочность, высокая вязкость разрушения, стойкость к истиранию и коррозионная стойкость. Традиционные муфты как правило изготавливаются из стали или никелевых сплавов, которые не обладают полным набором предпочтительных внутренних характеристик, в частности, стойкостью к истиранию. Для повышения износостойкости обычно применяются дорогостоящие обработки поверхностей муфт, изготовленных из стали или никелевых сплавов, а также внутренней поверхности трубопровода, в котором расположена муфта. Такая обработка поверхности со временем постепенно сходит на нет, и периодически ее необходимо проводить повторно в течение срока службы деталей для сохранения их эффективности. Кроме того, хотя покрытия могут снизить износ компонента, на который их наносят, такие покрытия часто оказываются несовместимыми с другими компонентами системы, с которыми может контактировать покрытие.
Таким образом, требуется разработать новые муфты, имеющие повышенную внутреннюю стойкость к истиранию, а также другие требуемые свойства, что позволит обеспечить совместимость материалов муфты и трубопровода; а значит, они оба будут подвергаться минимальному износу во время эксплуатации, не будут требовать каких-либо защитных покрытий и снизят общие гидравлические потери насосной системы.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к муфтам, изготовленным из спинодально упрочненных медных сплавов, и более конкретно, к муфте, вставленной между насосной штангой колонны насосных штанг и втулкой клапанной штанги внутрискважинного насоса. Муфты можно рассматривать как часть колонны насосных штанг. Муфты имеют уникальную комбинацию свойств, в том числе высокую прочность на разрыв, высокую усталостную прочность, высокую вязкость разрушения, стойкость к истиранию и коррозионную стойкость. Данная комбинация свойств сдерживает возникновение разрушающих повреждений муфт и других компонентов в насосных системах, в которых используются такие муфты (например, насосные штанги и трубопроводы), с обеспечением при этом механической функциональности во время операций по добыче углеводородов. Также увеличивается полезный срок службы таких компонентов, с существенным снижением затрат на оборудование, используемое для извлечения углеводородов.
В различных вариантах осуществления настоящего изобретения раскрыты муфты для колонны насосных штанг, содержащие сердечник, имеющий первый конец, центральный участок и второй конец. Каждый из первого конца и второго конца имеет торцевую поверхность. Первый конец имеет линейно сужающуюся часть, проходящую от центрального участка внутрь и заканчивающуюся у первой торцевой поверхности. Другими словами, первая торцевая поверхность имеет меньший диаметр, чем центральный участок. Вторая торцевая поверхность второго конца имеет закругленную кромку. Муфты изготовлены из спинодально упрочненного сплава медь-никель-олово, имеющего уменьшенное трение и повышенную износостойкость.
Диаметр первой торцевой поверхности может быть меньше диаметра второй торцевой поверхности. В некоторых конкретных вариантах осуществления через весь сердечник от первого конца до второго конца проходит резьбовое отверстие. Резьбы отверстия могут иметь твердость по шкале С Роквелла (HRC) от примерно 20 до примерно 40.
Резьбовое отверстие на первом конце может быть выполнено с возможностью соединения с втулкой клапанной штанги, которая может быть соединена с внутрискважинным насосом. Первая торцевая поверхность может примыкать к заплечику втулки клапанной штанги. Наружный диаметр муфты может быть больше наружного диаметра втулки клапанной штанги.
Резьбовое отверстие на втором конце может быть выполнено с возможностью соединения с насосной штангой колонны насосных штанг. Вторая торцевая поверхность может примыкать к заплечику насосной штанги. Наружный диаметр муфты может быть больше наружного диаметра насосной штанги.
Кроме того, в настоящем изобретении раскрыты колонны насосных штанг, содержащие насосную штангу, имеющую конец, содержащий стержень с наружной резьбой, и втулку клапанной штанги, имеющую конец, содержащий стержень с наружной резьбой. Также предусмотрена муфта, как указано выше. Резьбовое отверстие на первом конце муфты является ответным к наружной резьбе втулки клапанной штанги, а резьбовое отверстие на втором конце муфты является ответным к наружной резьбе насосной штанги. Муфта содержит спинодально упрочненный сплав медь-никель-олово.
Также в настоящем изобретении раскрыты насосные системы, содержащие внутрискважинный насос, источник питания для питания внутрискважинного насоса, и колонну насосных штанг, расположенную между внутрискважинным насосом и источником питания. Колонна насосных штанг содержит насосную штангу, имеющую конец, содержащий стержень, имеющий наружную резьбу, и втулку клапанной штанги, имеющую конец, содержащий стержень с наружной резьбой. Также предусмотрена муфта, как указано выше. Резьбовое отверстие на первом конце муфты является ответным к наружной резьбе втулки клапанной штанги, а резьбовое отверстие на втором конце муфты является ответным к наружной резьбе насосной штанги. Муфта содержит спинодально упрочненный сплав медь-никель-олово.
Кроме того, описаны различные варианты осуществления муфт для колонны насосных штанг, содержащих сердечник, имеющий первый конец, центральный участок и второй конец. Каждый из первого и второго концов имеет торцевую поверхность. Первый конец имеет линейно сужающуюся часть, проходящую от центрального участка внутрь и заканчивающуюся у первой торцевой поверхности. Другими словами, первая торцевая поверхность имеет меньший диаметр, чем центральный участок. Второй конец также имеет линейно сужающуюся часть, проходящую от центрального участка внутрь и заканчивающуюся у второй торцевой поверхности. Другими словами, вторая торцевая поверхность имеет меньший диаметр, чем центральный участок. Муфты изготовлены из спинодально упрочненного сплава медь-никель-олово.
Эти и другие неограничивающие признаки настоящего изобретения раскрыты более подробно ниже.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Ниже приведено краткое описание чертежей, показаны примерные иллюстративные и неограничивающие варианты осуществления, раскрытые в настоящем изобретении.
На фиг. 1 показан вид сбоку в поперечном сечении примерной насосной муфты согласно настоящему изобретению, которая имеет линейно сужающуюся часть на одном конце и закругленную кромку на другом конце.
На фиг. 2А показан вид в частичном поперечном сечении сцепления насосной муфты с насосной штангой и втулкой клапанной штанги, которая соединена с внутрискважинным насосом.
На фиг. 2В показан вид сбоку муфты, насосной штанги и втулки клапанной штанги с фиг. 2А в собранном состоянии.
На фиг. 3А показано изображение примерной насосной муфты согласно настоящему изобретению, которая имеет линейно сужающуюся часть на обоих концах.
На фиг. 3В показан вид сбоку в поперечном сечении внутреннего пространства насосной муфты с фиг. 3А.
На фиг. 4 показан схематичный вид одного из вариантов осуществления насосной системы согласно настоящему изобретению.
На фиг. 5 показан график, иллюстрирующий типовые значения коэффициента трения скольжения для различных материалов, измеренные при скольжении материала по углеродистой стали. Ось у представлена без указания размерности и проходит от 0 до 0,8 с интервалом 0,1. Слева направо, материалами являются никелевый сплав, углеродистая сталь, алюминиевая бронза, и сплав медь-никель-олово.
На фиг. 6 показан график, иллюстрирующий износ различных материалов по стальному валу. Ось у отражает увеличение зазора в результате износа, в дюймах. Ось у проходит от 0,000 до 0,050 с интервалом 0,005. Ось х представляет собой количество циклов испытаний на износ, в тысячах, и проходит от 0 до 180 с интервалом 30. Линия с наибольшим уклоном соответствует упрочненной стали, а наиболее пологая линия относится к сплаву медь-никель-олово.
На фиг. 7 показано изображение насосной муфты согласно настоящему изобретению, изготовленной из сплава Cu-15Ni-8Sn.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Более полное понимание компонентов, процессов и устройств, раскрытых в данном описании, может быть получено при изучении прилагаемых чертежей. Данные чертежи являются лишь схематическими и основаны на удобстве и легкости иллюстрации настоящего изобретения, и, таким образом, не предназначены для отражения относительных размеров и габаритов устройств или их компонентов и/или задания или ограничения объема правовой охраны примерных вариантов осуществления.
Хотя в следующем ниже описании для пояснения использованы определенные термины, предполагается, что эти термины относятся только к конкретной конструкции вариантов осуществления, выбранных для иллюстрации на чертежах, и они не предназначены для задания или ограничения объема правовой охраны настоящего изобретения. Следует понимать, что на чертежах и в следующем ниже описании одинаковые номера позиций относятся к компонентам с одинаковой функцией.
Формы единственного числа, такие как «некоторый», «один из» и «указанный», также включают в себя объекты множественного числа, если из контекста явным образом не следует иное.
Используемый в описании и формуле термин «содержащий» может включать в себя такие варианты, как «состоящий из» и «по существу состоящий из». Термины «содержит(ат)», «включает(ют) в себя», «имеющий», «имеет», «может», «состоит(ят) из» и их варианты, используемые в данном описании, должны трактоваться как ничем неограниченные переходные фразы, термины или слова, которые требуют наличия упомянутых компонентов/этапов и допускают возможность наличия других компонентов/этапов. Однако, такое описание может быть также истолковано как раскрывающее составы или процессы, «состоящие из» и «по существу состоящие из» перечисленных компонентов/этапов, что подразумевает наличие только перечисленных компонентов/этапов, вместе с любыми примесями, которые могут стать их результатом, и исключает другие компоненты/этапы.
Следует понимать, что числовые значения, используемые в описании и формуле изобретения, включают в себя числовые значения, которые являются одинаковыми при уменьшении до того же самого количества значащих цифр, а также числовые значения, которые отличаются от указанного значения меньше, чем на экспериментальную погрешность традиционного способа измерения, тип которого раскрыт в настоящем изобретении в качестве используемого для определения такого значения.
Все раскрытые здесь диапазоны значений включают в себя перечисленные предельные значения и могут комбинироваться независимо (например, диапазон «от 2 грамм до 10 грамм» включает в себя предельные значения, 2 грамма и 10 грамм, и все промежуточные значения).
Понятие «примерно» может быть использовано для включения любого числового значения, которое может варьироваться без изменения базовой функции данного значения. При использовании в отношении диапазона, понятие «примерно» также раскрывает диапазон значений, заданный абсолютными значениями двух предельных значений; например, «от примерно 2 до примерно 4» также раскрывает диапазон значений «от 2 до 4». Понятие «примерно» может относиться к величине плюс/минус 10% от указанного числа.
Настоящее изобретение относится к муфтам, изготовленным из спинодально упрочненного сплава на основе меди. Медные сплавы согласно настоящему изобретению могут представлять собой сплавы медь-никель-олово, которые обладают комбинацией таких свойств, как прочность, пластичность, высокое сопротивление на излом при приложении напряжения и защита от истирания. Более конкретно, предполагается, что муфты представляют собой муфты для механизированной эксплуатации, муфты для насосных штанг или переводники, используемые в нефтегазовой промышленности, в частности, для систем извлечения углеводородов.
В частности, предполагается, что насосные муфты согласно настоящему изобретению предназначены для использования с целью соединения внутрискважинного насоса с колонной насосных штанг. Типовой внутрискважинный насос имеет поршень, который совершает возвратно-поступательное движение внутри цилиндра насоса посредством колоны насосных штанг. Поршень и цилиндр содержат неподвижный клапан и подвижный клапан. Поршень соединен с приводным стержнем насоса или клапанной штангой, которая, в свою очередь, соединена с втулкой клапанной штанги, соединенной с колонной насосных штанг через насосную муфту.
Насосная муфта 130 согласно настоящему изобретению показана на фиг. 1. Муфта для насосных штанг используется для сборки различных компонентов колонны насосных штанг. Например, насосная муфта 130 может использоваться для соединения насосной штанги 210 и втулки 220 клапанной штанги с фиг. 3А и 3В, как описано ниже.
Сама насосная муфта 130 представляет собой сердечник 132, имеющий первый конец 134, центральный участок 170 и второй конец 136, причем каждый конец соответствует гнезду и имеет внутреннюю резьбу (например, гнездовой разъем) 138, 140 для зацепления со стержнем другого компонента в колонне насосных штанг. Сердечник имеет по существу цилиндрическую форму, причем его длина больше диаметра. Пунктирными линиями 172, 174 отмечено, где центральный участок 170 соединяется с первым концом 134 и вторым концом 136. Центральный участок 170 имеет наружный диаметр 175.
Первый конец 134 имеет первую торцевую поверхность 135. Первый конец 134 имеет линейно сужающуюся часть, проходящую внутрь к торцевой поверхности 135. Другими словами, первый конец 134 является скошенным. В качестве альтернативы, первая торцевая поверхность 135 может быть описана как имеющая меньший диаметр 144 по сравнению с диаметром 175 центрального участка 170. Понятие «сужающаяся часть» в данном случае относится только к диаметру, уменьшающемуся от середины к каждому концу, и не требует изменения диаметра в любом заданном месте. В данном случае, сужающаяся часть является линейной, то есть, по прямой линии.
Второй конец 136 имеет вторую торцевую поверхность 137. Второй конец 136 имеет закругленную кромку 139, которая переходит в торцевую поверхность 137. Таким образом, вторая торцевая поверхность 137 имеет диаметр 146, который меньше диаметра 175 центрального участка 170, но больше диаметра 144 первой торцевой поверхности 135. В конкретных вариантах осуществления диаметр 146 второй торцевой поверхности по меньшей мере на четверть дюйма больше диаметра 144 первой торцевой поверхности. В некоторых конкретных вариантах осуществления диаметр 144 первой торцевой поверхности составляет 1 и 5/8 дюйма, а диаметр 146 второй торцевой поверхности составляет примерно 1,9 дюйма, а диаметр 175 центрального участка равен 2 дюймам.
Отверстие 142 проходит через весь сердечник от первого конца 134 до второго конца 136 вдоль продольной оси 160 сердечника. Обе внутренние резьбы 138, 140 находятся на поверхности отверстия. В данном случае, обе внутренние резьбы имеют одинаковый размер внутренней резьбы и являются ответным к наружным резьбам на других компонентах колоны насосных штанг, которые могут быть соединены посредством муфты 130.
Как дополнительно показано на виде в поперечном сечении с фиг. 1, насосная муфта 130 содержит раззенкованную часть 152, 154 на каждой торцевой поверхности 135, 137. Другими словами, внутренняя резьба не проходит по всей длине к торцевой поверхности. Продольная ось также обозначена линией 160. Насосная муфта 130 имеет по существу гладкую цилиндрически изогнутую наружную поверхность 162 между торцевыми поверхностями 134, 136. Иначе говоря, наружный диаметр остается постоянным вдоль длины центрального участка 170. Наружный диаметр далее уменьшается у сужающегося первого конца 134 и закругленной кромки второго конца 136.
На фиг. 2А и фиг. 2В показаны виды сбоку, иллюстрирующие сцепление между двумя компонентами колонны насосных штанг с муфтой согласно настоящему изобретению. На фиг. 2А показан покомпонентный вид в частичном поперечном сечении насосной штанги или штанги 210 стабилизатора и втулки 220 клапанной штанги, соединенных друг с другом посредством насосной муфты 130. На фиг. 2А и 2В показано использование муфты, имеющей геометрическую форму насосной муфты 130, описанной выше и показанной на фиг. 1.
Насосная штанга или штанга 210 стабилизатора имеет корпус 212 штанги и два конца штанги (показан только конец 214 штанги). Конец 214 штанги содержит стержень с наружной резьбой (или стержневой разъем); заплечик 218, выполненный с возможностью примыкания к торцевой поверхности муфты; и приводную головку 219, которая может быть зацеплена инструментом для затягивания и завинчивания штанг стабилизатора. Втулка 220 клапанной штанги имеет корпус 222 втулки и два конца 224, 225 втулки. Втулка клапанной штанги содержит стержень с наружной резьбой (или стержневой разъем) 226 на первом конце 224 втулки, и раззенкованную часть 227 на втором конце 224 втулки. Заплечик 221 находится между двумя концами 224, 225 втулки. Раззенкованная часть 227 имеет внутреннюю резьбу 228 (то есть, гнездовой разъем), расположенную на поверхности раззенкованной части для сцепления со стержнем другого компонента в колонне насосных штанг. Также предусмотрена приводная головка 229, которая может быть зацеплена инструментом для затягивания и завинчивания втулки клапанной штанги.
На фиг. 2В показаны компоненты с фиг. 2А в собранном виде. То есть стержневой разъем штанги 210 стабилизатора стыкуется с гнездовым разъемом на втором конце насосной муфты 130, а стержневой разъем втулки 220 клапанной штанги стыкуется с гнездовым разъемом на первом конце втулки 130 для насосных штанг. На фиг. 2В показано, что наружный диаметр муфты может быть больше наружного диаметра компонентов колонны насосных штанг, к которым крепятся муфты, например, штанги 210 стабилизатора и втулки 220 клапанной штанги. Это препятствует контакту соединенных компонентов колонны насосных штанг с эксплуатационной трубой (то есть, трубопроводом 411 с фиг. 4), окружающей колонну насосных штанг. Кроме того, концы втулки клапанной штанги и штанги стабилизатора ввинчиваются в муфту до тех пор, пока муфта не будет примыкать к заплечику 218, 221.
На фиг. 3А и 3В показан дополнительный вариант осуществления насосной муфты 330 согласно настоящему изобретению. На фиг. 3А показано изображение насосной муфты 330 для сборки различных компонентов колонны насосных штанг. На фиг. 3В показан вид в поперечном сечении муфты 330 для насосных штанг с фиг. 3А.
В данном случае, сама насосная муфта 330 представляет собой сердечник 332, имеющий первый конец 334, центральный участок 370 и второй конец 336, причем каждый конец соответствует гнезду и имеет внутреннюю резьбу (то есть, гнездовой разъем) 338, 340 для сцепления со стержнем другого компонента в колонне насосных штанг. Сердечник имеет по существу цилиндрическую форму, причем его длина больше диаметра. Пунктирными линиями 372, 374 обозначено, где центральный участок 370 соединяется с первым концом 334 и вторым концом 336. Центральный участок 370 имеет наружный диаметр 375.
Первый конец 334 имеет первую торцевую поверхность 335. Первый конец 334 имеет линейно сужающуюся часть, проходящую внутрь к торцевой поверхности 335. Другими словами, первый конец 334 является скошенным. В качестве альтернативы, первая торцевая поверхность 335 может быть описана как имеющая меньший диаметр 334 по сравнению с диаметром 375 центрального участка 370.
Второй конец 336 имеет вторую торцевую поверхность 337. Второй конец 336 также имеет линейно сужающуюся часть, проходящую внутрь к торцевой поверхности 337. Иначе говоря, второй конец 336 также является скошенным. В качестве альтернативы, вторая торцевая поверхность 337 может быть описана как имеющая меньший диаметр 346 по сравнению с диаметром 375 центрального участка 370. В конкретных вариантах осуществления, диаметр 344 первой торцевой поверхности примерно равен диаметру 346 второй торцевой поверхности, причем они оба меньше диаметра 375 центрального участка. В некоторых вариантах осуществления, каждый из диаметра 344 первой торцевой поверхности и диаметра 346 второй торцевой поверхности составляет 1 и 5/8 дюйма, а диаметр 375 центрального участка равен 2 дюймам.
Как показано на чертежах, отверстие 342 проходит через весь сердечник от первого конца 334 до второго конца 336 вдоль продольной оси сердечника. Обе внутренние резьбы 338, 340 находятся на поверхности отверстия. В данном случае, обе внутренние резьбы имеют один размер внутренней резьбы и являются ответным к наружным резьбам на других компонентах колонны насосных штанг, которые могут быть соединены муфтой 330. Размеры насосных штанг и различных частей муфты для насосных штанг определяются техническими требованиями API 11 В, 27 редакция которых была выпущена в мае 2010 г.
Как дополнительно показано на виде в поперечном сечении с фиг. 3В, насосная муфта 330 имеет раззенкованную часть 352, 354 на каждой торцевой поверхности 335, 337. Другими словами, внутренняя резьба не проходит полностью до торцевой поверхности. Продольная ось также обозначена линией 360. Насосная муфта 330 имеет по существу гладкую цилиндрически изогнутую наружную поверхность 362 вдоль центрального участка 370 муфты. Наружный диаметр далее уменьшается у скошенных концевых участков 334, 336. Наружный диаметр центрального участка этих муфт может быть больше наружного диаметра компонентов колонны насосных штанг, к которым прикреплены муфты, например, штанг стабилизатора или втулок клапанной штанги. Это препятствует контакту компонентов колонны насосных штанг с эксплуатационной трубой (то есть, трубопроводом 411 с фиг. 4), окружающей колонну насосных штанг.
На фиг. 4 показаны различные части насосной системы 400, в которой применяются различные описанные выше компоненты колонны насосных штанг, такие как насосные муфты. Система 400 имеет балансир 422, который обеспечивает возвратно-поступательное движение колонны 424 насосных штанг, содержащей участок 425 полированной штанги. Колонна 224 насосных штанг подвешена на балансире для приведения в действие внутрискважинного насоса 426, расположенного на дне скважины 428.
Балансир 422, в свою очередь, приводится в действие шатуном, который совершает возвратно-поступательное движение под действием коленчатого рычага 430, приводимого в действие посредством источника 432 питания (например, электрического двигателя), соединенного с коленчатым рычагом 430 через понижающую передачу, например, редуктор. Источник питания может представлять собой трехфазовый асинхронный двигатель переменного тока или синхронный двигатель, и используется для приведения в действие насосного блока. Редуктор 434 преобразует крутящий момент двигателя в выходной момент с низкой скоростью, но высоким крутящим моментом, для приведения в действие коленчатого рычага 430. Коленчатый рычаг 430 оснащен противовесом 436, который служит для балансировки колонны 424 насосных штанг, подвешенной на балансире 422. Уравновешивающая сила также может быть обеспечена с помощью воздушного цилиндра, например, подобного тому, что встречается в станках-качалках с пневматическим амортизатором. Ременные насосные блоки могут использовать противовес, движущийся в противоположном направлении ходу штанги или воздушного цилиндра для обеспечения уравновешивающей силы.
Внутрискважинный насос 426 может представлять собой поршневой насос возвратно-поступательного типа, имеющий поршень 438, прикрепленный к концу колонны 424 насосных штанг, и цилиндр 440 насоса, который прикреплен к концу трубопровода в скважине 428. Поршень 438 содержит подвижный клапан 442 и неподвижный клапан 444, расположенный на дне цилиндра 440. При ходе поршня насоса вверх, подвижный клапан 442 закрывается и поднимает текучую среду, например, нефть и/или воду, над поршнем 438, в верхнюю часть скважины, а неподвижный клапан 444 открывается и позволяет дополнительной текучей среды из резервуара втекать в цилиндр 440 насоса. При ходе вниз подвижный клапан 442 открывается, и неподвижный клапан 444 закрывается для подготовки к следующему циклу. Работа насоса 426 контролируется так, чтобы уровень текучей среды, поддерживаемый в цилиндре 440 насоса, был достаточным для сохранения нижнего конца колонны 424 насосных штанг в текучей среде в течение всего ее хода движения. Колонна 424 насосных штанг окружена трубопроводом 411, который, в свою очередь, окружен обсадкой 410 трубы. Колонна 424 насосных штанг ниже участка 425 полированной штанги состоит из насосных штанг 446 или штанг стабилизатора, которые удерживаются вместе посредством муфт 448. Муфты 448 могут представлять собой насосные муфты (например, 130, 230) и втулки клапанных штанг (например, 320), описанные выше.
Соединение между насосной штангой и втулкой клапанной штанги является одним из наиболее проблемных стыков в колонне насосных штанг. Геометрические размеры и материалы традиционных муфт приводят к быстрому износу трубопровода из-за контакта между поверхностями, а также высокой скорости движения текучей среды в скважине при ее выходе из насоса и течении через зазор между эксплуатационной трубой и муфтой между втулкой клапанной штанги и штангой стабилизатора. Использование описанных здесь медных сплавов в качестве материала для муфт согласно настоящему изобретению снижает вероятность повреждения резьбовых соединений в результате износа истирающего типа между муфтой и трубопроводом. Кроме того, геометрия (например, скошенные или закругленные концы, большие наружные диаметры) описанных здесь муфт препятствует высокоэнергетическому контакту между муфтой и внутренним диаметром трубопровода из-за неточного совмещения. То есть, традиционные муфты имеют острые кромки, которые с большой вероятностью могут привести к повреждению компонентов в случае высокоэнергетического контакта. Кроме того, геометрия описанных здесь муфт позволяет текучим средам в скважине втекать в диаметральный зазор между муфтой и трубопроводом.
Кроме того, муфты согласно настоящему изобретению, изготовленные из описанных здесь медных сплавов, способны функционировать в качестве амортизирующего устройства. Амортизация обеспечивается благодаря тому, что описанные здесь медные сплавы имеют более низкий модуль упругости, чем у традиционных материалов. Амортизация позволяет поглотить больше энергии при соударении нижней поверхности втулки клапанной штанги (например, конца 325 втулки с фиг. 3А) с другими компонентами колонны насосных штанг при движении поршня насоса вниз. Данное явление снижает склонность стыкуемой поверхности верхних компонентов насоса к интенсивному холодному деформированию при эксплуатации. Такое холодное деформирование может привести к потере пластичности и, в итоге, к растрескиванию, а также к образованию «выдавленных» металлических выступов, проходящих наружу за пределы заданного диаметра этих компонентов. Эти выступы разрушают внутренний диаметр трубопровода и цилиндрического корпуса насоса. В результате разрушения указанных выступов могут возникать металлические фрагменты. Данные фрагменты могут вызвать серьезное разрушение рабочих поверхностей насоса и трубопровода, поскольку они остаются в системе. Благодаря высокому модулю сопротивления медных сплавов, описанных в данном описании, муфты могут выполнять такую амортизирующую функцию без пластического деформирования. То есть, муфта способна возвращаться к своим исходным размерам как после сжатия при движении вниз, так и после натяжения при движении вверх. Другими словами, муфта выступает в качестве сжатой пружины.
В целом, медный сплав, используемый для изготовления муфт согласно настоящему изобретению, подвергается холодному деформированию перед повторным нагреванием для воздействия на спинодальный распад микроструктуры. Холодное деформирование представляет собой процесс механического изменения формы или размера металла за счет пластической деформации. Это можно выполнить путем прокатки, протяжки, прессования, ротационного выдавливания, экструдирования или развальцовки металла или сплава. Когда металл пластически деформируется, в материале возникают дислокации атомов. В частности, дислокации возникают поперек или внутри зерен металла. Дислокации перекрывают друг друга, при этом плотность дислокаций в материале возрастает. Увеличение перекрывающихся дислокаций затрудняет движение последующих дислокаций. Это повышает твердость и прочность при растяжении полученного сплава, по существу снижая пластичность и ударные характеристики сплава. Холодное деформирование также улучшает качество поверхности сплава. Механическое холодное деформирование выполняется в основном при температуре ниже точки рекристаллизации сплава и обычно происходит при комнатной температуре.
Спинодальное старение/распад является механизмом, посредством которого различные компоненты могут разделяться на отдельные области и микроструктуры с разными суммарными химическими составами и физическими свойствами. В частности, кристаллы с суммарным химическим составом в центральной области фазовой диаграммы претерпевают экссолюцию. Спинодальный распад на поверхностях сплавов согласно настоящему изобретению приводит к поверхностному упрочнению.
Структуры спинодальных сплавов состоят из однородных двухфазовых смесей, образуемых при разделении первоначальных фаз при определенных температурах и составах, которые именуются областью несмешиваемости, достигаемой при повышенной температуре. Фазы сплава спонтанно распадаются на другие фазы, для которых кристаллическая структура остается такой же, но атомы в структуре модифицируются, оставаясь схожими по размеру. Спинодальное упрочнение повышает предел текучести основного металла и предусматривает высокую степень равномерности состава и микроструктуры.
Спинодальные сплавы, в большинстве случаев, демонстрируют аномалию в своей фазовой диаграмме, называемую областью несмешиваемости. В пределах относительно узкого диапазона температур области несмешиваемости происходит атомное упорядочение в структуре существующей кристаллической решетки. Полученная двухфазная структура является стабильной при температурах значительно ниже области несмешиваемости.
Сплав медь-никель-олово, используемый в настоящем изобретении, по существу включает в себя от примерно 9,0 мас. % до примерно 15,5 мас. % никеля и от примерно 6,0 мас. % до примерно 9,0 мас. % олова, при этом остальную часть составляет медь. Этот сплав может быть упрочнен и легко преобразован в изделия с высоким пределом текучести, которые можно применять для различных промышленных и коммерческих целей. Такой высококачественный сплав предназначен для обеспечения свойств, аналогичных свойствам сплавов медь-бериллий.
В частности, сплавы медь-никель-олово согласно настоящему изобретению содержат от примерно 9 мас. % до примерно 15 мас. % никеля и от примерно 6 мас. % до примерно 9 мас. % олова, при этом остальную часть составляет медь. В некоторых конкретных вариантах осуществления, сплавы медь-никель-олово содержат от примерно 14,5 мас. % до примерно 15,5 мас. % никеля и от примерно 7,5 мас. % до примерно 8,5 мас. % олова, при этом остальную часть составляет медь.
Трехкомпонентные спинодальные сплавы медь-никель-олово обладают выгодным сочетанием свойств, таких как высокая прочность, отличные трибологические характеристики и высокая коррозионная стойкость в морской воде и кислотных средах. Повышение предела текучести основного материала может быть связано со спинодальным распадом в сплавах медь-никель-олово.
Медный сплав может содержать бериллий, никель и/или кобальт. В некоторых вариантах осуществления, медный сплав содержит от примерно 1 до примерно 5 мас. % бериллия и общее количество кобальта и никеля в диапазоне от примерно 0,7 мас. % до примерно 6 мас. %. В конкретных вариантах осуществления, сплав содержит примерно 2 мас. % бериллия и примерно 0,3 мас. % кобальта и никеля. Другие варианты медных сплавов могут содержать бериллий в диапазоне между примерно 5 до 7 мас. %.
В некоторых вариантах осуществления, медный сплав содержит хром. Хром может составлять меньше примерно 5 мас. % сплава, в том числе от примерно 0,5 мас. % до примерно 2,0 мас. % или от примерно 0,6 мас. % до примерно 1,2 мас. % хрома.
В некоторых вариантах осуществления, медный сплав содержит кремний. Кремний может составлять меньше 5 мас. %, в том числе от примерно 1,0 мас. % до примерно 3 мас. % или от примерно 1,5 мас. % до примерно 2,5 мас. % кремния.
Сплавы согласно настоящему изобретению опционально содержат небольшие количества добавок (например, железо, магний, марганец, молибден, ниобий, тантал, ванадий, цирконий и их смеси). Добавки могут присутствовать в количествах до 1 мас. %, предпочтительно до 0,5 мас. %. Кроме того, также могут присутствовать небольшие количества органических примесей. Также могут быть предусмотрены небольшие количества других добавок, таких как алюминий и цинк. Наличие дополнительных элементов может влиять на дальнейшее повышение прочности полученного сплава.
В некоторых вариантах осуществления во время формирования первоначального сплава добавляют некоторое количество магния для снижения содержания кислорода в сплаве. При этом образуется оксид магния, который может быть удален из массы сплава.
В конкретных вариантах осуществления настоящего изобретения внутренние резьбы муфты формируются вальцеванием, а не нарезкой. Оказывается, что данный процесс приводит к удлинению зерен на наружной поверхности резьбы. Было обнаружено, что вальцованная резьба устойчива к срыву, поскольку разрушения при срезе должны происходить поперек зерна, а не в зерне. Такой процесс холодного деформирования также обеспечивает дополнительную прочность и усталостную стойкость. В результате, внутренние резьбы могут иметь твердость по шкале С Роквелла (HRC) от примерно 20 до примерно 40. Твердость HRC может варьироваться по длине резьбы, поэтому данный признак не следует толковать как требующий, чтобы вся резьба имела одинаковую твердость HRC. В конкретных вариантах осуществления, HRC резьбы составляет минимум 22. Наружная поверхность резьбы может иметь HRC, равную по меньшей мере 35.
Сплавы, используемые для изготовления муфт согласно настоящему изобретению, могут иметь условный предел текучести при деформации 0,2%, составляющий по меньшей мере 75 килофунтов на кв. дюйм, в том числе по меньшей мере 85 килофунтов на кв. дюйм или по меньшей мере 90 килофунтов на кв. дюйм или по меньшей мере 95 килофунтов на кв. дюйм.
Сплавы, используемые для изготовления муфт согласно настоящему изобретению, могут иметь комбинацию условного предела текучести при деформации 0,2% и энергию разрушения образца Шарли с V-образным надрезом при комнатной температуре, как показано ниже в таблице №1. Данные комбинации являются уникальными для описанных здесь медных сплавов. Испытательные образцы, использованные для выполнения данных измерений, были ориентированы в продольном направлении. Приведенные значения представляют собой минимальные значения (то есть, по меньшей мере приведенные значения), причем предпочтительно, чтобы значения условного предела текучести и энергии разрушения образца Шарли с V-образным надрезом превышали приведенные здесь комбинации. Иначе говоря, сплавы имеют комбинацию условного предела текучести при деформации 0,2% и энергии разрушения образца Шарли с V-образным надрезом при комнатной температуре, которая равна или превышает приведенные здесь значения.
В таблице № 2 представлены свойства другого примерного варианта сплава на основе меди, пригодного для использования согласно настоящему изобретению в муфте для насосных штанг или переводнике.
Условный предел текучести при деформации 0,2% и предел прочности при растяжении измеряются в соответствии со стандартом ASTM Е8. Испытания на ударный изгиб при использовании образцов с V-образным надрезом проводятся в соответствии со стандартом ASTM Е23. Насосные муфты согласно настоящему изобретению могут быть изготовлены с использованием известной из уровня техники технологии литья и/или формования.
Муфты, изготовленные из подверженных спинодальному распаду медных сплавов, имеют уникально высокую прочность на растяжение и усталостную прочность в сочетании с высокой вязкостью разрушения, стойкостью к истиранию и коррозионной стойкостью. Такая уникальная комбинация свойств позволяет муфтам соответствовать базовым механическим и коррозионным характеристикам, которые являются необходимыми для надежной защиты компонентов системы от повреждения при истирании, что значительно увеличивает срок службы системы и уменьшает риск непредвиденной поломки. Одним из результатов такой комбинации является увеличенный период эксплуатации скважины между остановками на техническое обслуживание. Кроме того, благодаря уменьшению трения повышаются общие объемы производства.
Некоторые сплавы медь-никель-олово согласно настоящему изобретению имеют низкий коэффициент трения скольжения. В некоторых вариантах осуществления сплав медь-никель-олово в контакте с углеродистой сталью имеет коэффициент трения скольжения менее 0,4. В других вариантах осуществления сплав медь-никель-олово имеет коэффициент трения скольжения примерно 0,3 или меньше, в том числе примерно 0,2 или меньше.
В конкретных вариантах осуществления настоящего изобретения сплав медь-никель-олово в контакте с углеродистой сталью, как правило, имеет коэффициент трения скольжения менее 0,2 (в том числе, примерно 0,175 или меньше). Для сравнения, никелевый сплав в контакте с углеродистой сталью, как правило, имеет коэффициент трения скольжения 0,7. Углеродистая сталь в контакте с углеродистой сталью обычно имеет коэффициент трения скольжения 0,6, а алюминиевая бронза в контакте с углеродистой сталью, как правило, имеет коэффициент трения скольжения 0,4. Сравнение данных значений проиллюстрировано на графике с фиг. 5. Таким образом, можно существенно снизить общие потери на трение в насосной системе.
Уменьшение трения также приводит к снижению износа трубопровода. На фиг. 6 представлен график, иллюстрирующий использование трех различных металлов, применяемых в подшипниках, в контакте с валом из цементированной стали со средней удельной нагрузкой на подшипник в 2000 фунтов на кв. дюйм (psi), и при колебательном осевом движении с боковой нагрузкой. На оси у указано изменение зазора в результате износа, при этом меньшие значения относятся к меньшему износу. Как можно видеть, сплав медь-никель-олово изнашивается в меньшей степени (треугольники, ниже 0,010 дюйма), чем алюминиевая бронза (квадраты, между 0,015 и 0,020 дюйма) и упрочненная сталь (ромбы, более 0,045 дюйма).
Ниже представлены примеры для иллюстрации муфт, процессов и свойств согласно настоящему изобретению. Примеры являются исключительно иллюстративными и не предназначены для ограничения настоящего изобретения материалами, условиями или параметрами процесса, изложенными в данном описании.
Примеры
Пример № 1
Муфты для насосных штанг, изготовленные из сплавов Cu-15Ni-8Sn, использовались в колоннах насосных штанг в выбранных разведочных скважинах с эксплуатационной трубой из углеродистой стали марки L80 (твердость HRC 22-23). Средняя наработка на отказ (MTBF) для стальных муфт составила приблизительно 10 месяцев. После установки муфт из Cu15Ni8Sn, показатель MTBF увеличился в 5 раз. При осмотре муфт из Cu15Ni8Sn не было обнаружено никаких свидетельств износа или переноса металла.
Одна скважина прекратила работу через 555 дней после установки муфт из Cu15Ni8Sn из-за утечки насоса. Был проведен осмотр труб, использованных для формирования обсадки колонны. При этом 50% труб с применением стальных муфт имели более 30% потерь на стенки, и 0% труб с применением муфт из Cu15Ni8Sn имели более 30% потерь на стенки. Кроме того, 25% труб с применением стальных муфт имели более 30% поверхностного выкрашивания, и 0% труб с применением муфт из Cu15Ni8Sn имели более 30% поверхностного выкрашивания. Было вычислено, что благодаря этому показатель MTBF трубопровода может увеличиться по меньшей мере в три (3) раза.
Пример № 2
55 муфт из Cu15Ni8Sn было установлено на дне скважины глубиной 1400 футов. Была получена следующая информация.
Результатом применения муфты из Cu15Ni8Sn стало увеличение на 6,4% добычи жидкости. Результаты для аналогичных испытаний показали 9%-ное увеличение добычи, при уменьшении максимальной нагрузки на 12% и 21%-ном увеличении хода поршня насоса.
Таким образом, ожидается, что благодаря применению сплавов медь-никель-олово (по сравнению с использованием стали) должно произойти увеличение хода поршня насоса примерно от 3 до примерно 40%, или примерно от 6% до примерно 40%, или примерно от 6% до примерно 30%, или примерно от 3% до примерно 10%, или примерно от 6% до примерно 10%.
Пример № 3
Муфта изготовлена из сплава Cu15Ni8Sn. Муфта показана на фиг. 7 и имеет поперечное сечение, представленное на фиг. 3В. Сужающаяся муфта имеет наружный диаметр два (2) дюйма с накатанной резьбой, равной трем четвертям дюйма. Муфта соединена с втулкой клапанной штанги и выполняет функцию центратора, что позволяет исключить износ втулки клапанной штанги рядом с трубопроводом.
Следует понимать, что варианты описанных выше, а также других признаков и функций или их альтернатив, могут быть объединены во множество других различных систем и для других целей. Специалистами в данной области техники впоследствии могут быть предложены различные ранее неизвестные или непредусмотренные альтернативные варианты, модификации, изменения или усовершенствования, которые также будут подпадать под объем правовой охраны, заданный прилагаемой формулой.
,