НАСОСНАЯ ШТАНГА
SUCKER ROD

Изобретение относится к нефтепромысловому машиностроению, а именно к конструкциям насосных штанг, которые могут быть использованы в штанговых глубинно-насосных установках при механизированном способе добычи нефти из скважины.
Поиск, проведенный по отечественным и зарубежным источникам информации, показал, что в технике известны различные конструкции насосных штанг (см. патенты РФ №№2052627, 2117132, 221002, патенты США №№454401396, 4653923, и др.).
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является конструкция насосной штанги по патенту США №4822201, которая включает сплошной цилиндрический стержень из стеклопластика, на концах которого установлены ниппели, которые имеют соединительную часть с резьбовым элементом и установочную часть с внутренней полостью для размещения стержня. Внутренняя полость имеет дно и входное отверстие. Стенки внутренней полости представляют собой поверхность, образованную цилиндрическими и коническими поверхностями с расположенными от дна к входному отверстию распределенными по оси ниппеля кольцевыми зонами, донной конической зоной, находящейся у дна внутренней полости, примыкающей к ней рабочей цилиндрической зоной, а также входной цилиндрической зоной, находящейся у входного отверстия внутренней полости, и расположенными между указанными цилиндрическими зонами парными коническими зонами. Одна из зон пары имеет конусность, направленную ко дну внутренней полости - зона прямого конуса, а другая - конусность, направленную к входному отверстию внутренней полости - зона обратного конуса. В направлении от дна внутренней полости к ее входному отверстию каждая зона обратного конуса имеет угол конусности меньше, чем угол конусности зоны обратного конуса, предшествующей парной конической зоны. Пространство между внутренней полостью ниппеля и поверхностью стержня из стеклопластика заполнено адгезивом, который обеспечивает крепление ниппелей к стержню за счет образования адгезионного соединения.
Данное техническое решение за счет использования стержня из стеклопластика обеспечивает значительное снижение веса насосной штанги, уменьшение ее жесткости и высокую коррозионную стойкость в пластовой жидкости.
Однако в известном патенте (как и в аналогах) стеклопластиковый стержень имеет гладкую поверхность и соединен с внутренней полостью ниппеля посредством клеевого соединения, при котором прочность соединения во многом определяется прочностью сцепления адгезива с гладкой поверхностью стеклопластикового стержня, обусловленной в этом случае лишь силами адгезии.
Известно, что для получения прочных и надежных клеевых соединений, обусловленных лишь силами адгезии, требуется выполнение ряда обязательных требований:
- соединяемые поверхности должны быть тщательно очищены от механических и жировых соединений;
- соединяемые поверхности должны имеет определенную шероховатость;
- должны быть соблюдены определенные условия хранения материалов с подготовленными для склеивания поверхностями с момента окончания подготовки до момента склеивания.
- и др., которые в принципе достаточно трудно осуществить на практике.
Несоблюдение указанных требований резко снижает прочность и надежность получаемых соединений и, как следствие, прочность и надежность конструкции при ее эксплуатации.
Задачей настоящего изобретения является создание насосной штанги с высокими прочностными характеристиками.
Технический результат, получаемый от использования заявляемого изобретения, - обеспечение клеемеханического соединения адгезива с поверхностью стержня из высокопрочного композиционного материала с внутренней поверхностью ниппеля, что повышает прочность и надежность крепления.
Поставленная задача решается предлагаемой конструкцией насосной штанги, которая содержит цилиндрический стержень из высокопрочного композиционного материала, ниппели, установленные с обеих сторон стержня и имеющие соединительную часть с резьбовым элементом и установочную часть с внутренней полостью для размещения стержня, имеющей донную коническую зону и входное отверстие, адгезив, заполняющий пространство между внутренней полостью установочной части ниппеля и поверхностью стержня из высокопрочного композиционного материала. При этом наружная поверхность стержня, расположенная в зоне внутренней полости установочной части ниппеля, имеет переменный профиль, причем высота переменного профиля увеличивается в направлении от входного отверстия ниппеля к его дну.
При этом:
- переменный профиль может быть выполнен в виде винта;
- переменный профиль может быть выполнен в виде кольцевых радиальных канавок;
- внутренняя полость установочной части ниппеля может быть выполнена в виде цилиндра;
- внутренняя полость установочной части ниппеля может быть выполнена в виде чередующихся цилиндрических и конических зон;
- в качестве высокопрочного композиционного материала может использоваться стеклопластик, или углепластик, или базальтопластик.
В заявляемой конструкции насосной штанги наружная поверхность стержня из высокопрочного композиционного материала имеет периодический профиль, выполненный либо в виде винта либо в виде радиальных кольцевых канавок. Это позволяет перейти от чисто клеевого соединения к клеемеханическому, т.е. соединение наружной поверхности стержня с внутренней полостью ниппеля осуществляется не только за счет сил адгезии, но и за счет механических сил, что приводит к повышению прочности и надежности крепления, т.е. достигается технический результат.
Кроме того, для такого соединения характерны более низкие требования к состоянию соединяемых поверхностей, а также исключается их дополнительная подготовка, характерная для клеевых соединений. Это не только исключает влияние клеевого соединения на прочность и надежность штанги в целом при ее эксплуатации, но и позволяет существенно упростить операцию крепления стержня и ниппеля.
В заявляемом техническом решении высота периодического профиля не одинакова по длине стержня и увеличивается в направлении от входного отверстия ниппеля к его дну. Это обеспечивает выравнивание нагрузки между витками переменного профиля, что повышает динамическую прочность соединения стержня и ниппеля.
Величины профильного угла и шага переменного профиля рассчитываются для каждой конструкции штанги отдельно в зависимости от механических характеристик стержня из высокопрочного композиционного материала и адгезива.
Стенки внутренней полости установочной части ниппеля могут быть выполнены либо в виде цилиндра, либо в виде чередующихся цилиндрических и конических зон. Внутренний диаметр установочной части ниппеля больше наружного диаметра стержня. Образующееся пространство необходимо для заполнения его адгезивом.
Здесь следует отметить, что выполнение установочной части ниппеля в виде цилиндра более технологично и заметно упрощает конструкцию насосной штанги.
В качестве высокопрочного композиционного материала может использоваться стеклопластик, углепластик или базальтопластик.
Сущность предлагаемой конструкции насосной штанги поясняется чертежами: фиг.1, фиг.2, фиг.3.
На фиг.1 изображена насосная штанга - общий вид, которая содержит:
1 - стержень из высокопрочного композиционного материала;
2 - ниппели.
На фиг.2 показан в разрезе узел крепления стержня из высокопрочного композиционного материала в ниппеле:
а - внутренняя полость ниппеля выполнена в виде чередующихся цилиндрических и конических зон;
б - внутренняя полость ниппеля выполнена в виде цилиндра;
1 - стержень из высокопрочного композиционного материала;
2 - ниппель;
3 - адгезив;
4 - соединительная часть ниппеля;
5 - резьбовой элемент;
6 - установочная часть ниппеля;
7 - внутренняя полость;
8 - донная коническая зона;
9 - входное отверстие.
На фиг.3 изображен стержень 1 из высокопрочного композиционного материала 1, с переменным профилем:
- а - в виде винта;
- б - в виде кольцевых радиальных канавок.
Насосная штанга работает следующим образом.
С помощью резьбового элемента 5, имеющегося на соединительной части 4 ниппеля 2, штанги с помощью муфт соединяются в колонну, являющуюся составным элементом штанговой глубинно-насосной установки. Крепление стержня 1 из высокопрочного композиционного материала в установочной части 6 ниппеля производится путем размещения адгезива 3 между наружной поверхностью стержня 1 и внутренней полостью 7 установочной части ниппеля. При этом фиксирование стержня в установочной части ниппеля достигается посредством клеемеханического соединения, т.е. как за счет сил адгезии, так и за счет механических сил благодаря наличию на стержне переменного профиля.
С помощью колонны насосных штанг осуществляется связь между приводом и глубинным штанговым насосом для обеспечения процесса добычи нефти с использованием штанговой насосной установки. В процессе работы штанговой насосной установки колонна насосных штанг совершает возвратно-поступательные движения с величиной хода и частотой, соответствующими режиму работы привода.
Таким образом, использование заявляемой конструкции насосной штанги позволяет достичь следующий технический результат:
- повысить прочность и надежность крепления наружной поверхности стержня из высокопрочного композиционного материала к внутренней полости ниппеля, и, как следствие, долговечность штанги при ее эксплуатации.
Заявляемая насосная штанга изготавливается из известных материалов на известном оборудовании и предназначена для использования в шанговой глубиннонасосной установке при механизированном способе добыче нефти из скважины.