СОЕДИНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОЛОННЫ НАСОСНЫХ ШТАНГ

Предлагаемая полезная модель относится к нефтяной промышленности, в частности к конструкциям насосных штанг и может найти применение при добыче нефти штанговыми насосами в наклонно-направленных скважинах.
Известна соединительная муфта насосных штанг, состоящая из двух частей корпуса, связанных между собой шарнирным соединением в виде шарового пальца. Верхняя и нижняя части корпуса имеют присоединительные резьбовые концы для колонны штанг и по два ролика, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях, которые обеспечивают скольжение по стенке насосно-компрессорных труб с целью предотвращения касания корпуса муфты к трубе в наклонных скважинах. Шаровой палец позволяет вращаться обеим частям корпуса муфты относительно друг друга, что уменьшает напряжение от изгиба штанг и отвороты муфт. (Патент РФ №2017930, Е21В 17/5, опубл 15.08.1994).
Недостатками данного технического решения являются сложность конструкции и изготовления, низкая надежность в работе, обусловленная геометрическими параметрами шарового пальца, на который действуют растягивающие усилия колонны насосных штанг. Не обеспечивается полноценная очистка насосно-компрессорных труб (НКТ) от АСПО из-за отсутствия вращения скребков-центраторов на колонне штанг ниже расположения соединительной муфты при работе штанговращателя. Кроме этого, отсутствие вращения плунжера в насосе приводит к быстрому одностороннему износу плунжерной и клапанной пары в наклонно-направленных скважинах.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели по совокупности признаков является соединительное устройство для колонны насосных штанг, принятое нами за прототип, содержащее присоединительные муфты, связанные с колонной насосных штанг, и двух цилиндрических полумуфт, соединенных между собой обоймами воедино, в которых размещены цилиндрические шарниры. Каждый шарнир выполнен заодно с соответствующей присоединительной муфтой с возможностью свободного вращения относительно друг друга (Патент РФ №2237792, опубл. 10.10.2004 г. прототип).
Данное устройство также не обеспечивает вращение колонны насосных штанг, расположенной ниже соединительного устройства. В связи с этим не происходит качественная очистка НКТ от АСПО скребками-центраторами ниже расположения
соединительного устройства и происходит односторонний износ плунжерной и клапанной пары глубинного штангового насоса. Кроме этого, выполнение корпуса муфты, испытывающей радиальные усилия в наклонных скважинах, из двух разъемных частей, соединенных между собой обоймами, снижает ее прочность.
В предложенном устройстве решается задача обеспечения предотвращения отворотов в муфтовых соединениях колонны штанг с сохранением, при работе штанговращателя, вращения колонны насосных штанг ниже соединительного устройства.
Поставленная задача решается тем, что соединительное устройство для колонны насосных штанг, содержащее цилиндрическую муфту с верхним и нижним ограничителями, в которой размещены цилиндрические шарниры со штоками, связанными с колонной насосных штанг, согласно полезной модели, торцевая поверхность цилиндрических шарниров, расположенных друг против друга, по периметру выполнена рельефной в виде радиальных зубьев с односторонним направлением, обеспечивающих вращение по часовой стрелке, причем верхний шарнир со штоком подпружинены относительно верхнего ограничителя цилиндрической муфты при помощи тарельчатых пружин, а шток верхнего шарнира выполнен ступенчатым для ограничения сжатия тарельчатых пружин в цилиндрической муфте.
Сущность технического решения.
Основной причиной отворота в муфтовых соединениях насосных штанг, оборудованных скребками-центраторами в наклонных скважинах, заключается в следующем. Поворотный механизм штанговращателя периодически работает на заворот (по часовой стрелке) при движении колонны насосных штанг вниз. При этом верхняя часть колоны штанг поворачивается, а нижняя часть ее испытывает торможение вращению в зоне интенсивного искривления скважины из-за большого трения скребков и центраторов о внутреннюю поверхность стенки НКТ. То же самое может происходить при заклинивании плунжера в цилиндре насоса. После нескольких циклов поворота верхней части колонны штанг (в каждом цикле поворот колонны, в зависимости от типа штанговращателя - на 1°10'-5,5°), в нижней части колонны накапливается критическая величина напряжения упругих сил с отрицательным моментом откручивания, обуславливающим отворот в муфтовых соединениях в переходном моменте движения подвески штанг вверх, т.е. когда отсутствует вращение колонны шанговращателем и при минимальном значении растягивающих сил в резьбовых соединениях муфт из-за разгрузки веса колонны штанг на этих участках.
Обеспечение релаксации напряжения колонны штанг на этих участках при каждом начале движения штанг вверх позволяет предотвратить отвороты за счет свободного
вращения штанг совместно с нижним шарниром в соединительном устройстве. Данное устройство устанавливают в подвеске штанг в местах наибольшего изменения угла наклона скважины и над насосом на первой штанге. Это позволяет составить колонну насосных штанг из отдельных участков, объединенных в единую подвеску при ходе ее вниз с обеспечением вращения всей подвески, и разъединенных в начале хода вверх для релаксации напряжения в случае проявление такового при эксплуатации скважин.
На фиг.1 изображено соединительное устройство; на фиг.2 - поперечный разрез по линии А-А на фиг.1.
Соединительное устройство для колонны штанг состоит из корпуса цилиндрической муфты 1 с верхним 2 и нижним 3 ограничителями, между которыми размещены цилиндрические шарниры 4 и 5 с соответствующими штоками 6 и 7 для соединения с насосными штангами. Торцевые поверхности цилиндрических шарниров 4 и 5, расположенные друг против друга по периметру, выполнены в виде радиальных зубьев 8 и 9 с односторонним направлением. В корпусе муфты 1 между ограничителем 2 и цилиндрическим шарниром 4 на штоке 6 размещены тарельчатые пружины 10. Шток 4 выполнен ступенчатым с буртиком 11, ограничивающим чрезмерное сжатие пружины 10 растягивающей силой в соединительном устройстве от веса нижней части колонны штанг.
Устройство работает следующим образом.
Соединительное устройство для колонны штанг устанавливают в подвеске штанг в местах наиболее вероятного отворота муфтового соединения (на участке наибольшего изменения профиля кривизны скважины) и над насосом.
Во время работы глубинного насоса при перемещении головки балансира станка качалки и подвески штанг вниз за счет разгрузки штанг на наклонном участке скважины и усилия тарельчатой пружины 10 происходит опережающее движение верхней части подвески относительно участка колонны ниже соединительного устройства. При этом цилиндрический шарнир 4 перемещается вниз, и зубья 8 входят в зацепление с зубьями 9 цилиндрического шарнира 5. Происходит объединение двух участков колонны штанг выше и ниже соединительного устройства и совместное вращение их при работе штанговращателя. В начале движения головки балансира станка качалки и связанного с ним верхнего участка подвески вверх, ступенчатый шток 6 цилиндрического шарнира 4 также перемещается вверх. При этом зубья 8 выходят из зацепления с зубьями 9 и тарельчатые пружины 10 сжимаются, принимая часть веса колонны штанг, расположенной ниже соединительного устройства. При этом дальнейшее сжатие их ограничивается буртиком 11 ступенчатого штока 6. В момент отцепления зубьев 8, 9 цилиндрических шарниров 4, 5 соединительное устройство еще не испытывает полного
веса нижней части колоны штанг и при этом, при наличии напряжения упругих сил с отрицательным моментом откручивания, происходит свободное вращение цилиндрического шарнира 5 в муфте 1 и с ним подвески штанг ниже соединительного устройства.
Таким образом, при каждом ходе колонны штанг вниз соединительное устройство принудительно вращает нижнюю часть подвески штанг, а также плунжер в цилиндре насоса и тем самьм предотвращает отвороты в резьбовых соединениях штанговых муфт и односторонний износ в плунжерной и клапанной паре.
Кроме этого, соединительное устройство за счет наличия тарельчатых пружин дополнительно выполняет демпфирующую функцию, что снижает динамические нагрузки в колонне насосных штанг, способствующие отворотам штанг в муфтовых соединениях при эксплуатации наклонных скважин.