УЗЕЛ КРЕПЛЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО СТЕРЖНЯ С НИППЕЛЕМ НАСОСНОЙ ШТАНГИ

Полезная модель относится к нефтепромысловому машиностроению, а именно к конструкциям насосных штанг из высокопрочного композиционного материала, которые могут быть использованы в штанговых глубинно-насосных установках при механизированном способе добычи нефти из скважины.
Известно соединительное устройство насосных штанг (RU 237792, МПК E21B 17/05, 10.10.2004) содержащее присоединительные муфты, связанные с колонной насосных штанг, и цилиндрические полумуфты, в которых расположены шарниры, Шарниры выполнены цилиндрическими, а цилиндрические полумуфты соединены обоймами в единую цилиндрическую муфту, содержащую внутренние выступы, в которых размещены цилиндрические шарниры, каждый из которых выполнен заодно с соответствующей присоединительной муфтой с возможностью свободного вращения относительно друг друга во внутренних выступах единой цилиндрической муфты. Недостатками данного технического решения являются повышенная металлоемкость и малая гибкость штанги вследствие большого удельного веса ее материала и значительной его жесткости. Недостатком также является низкая ремонтноспособность конструкции, обусловленная тем, что обоймы жестко фиксированы относительно цилиндрических полумуфт, например, сваркой, что не позволяет использовать годные детали узла при выходе из строя одной из его составляющих.
Известна конструкция стекловолоконной насосной штанги (US 4360288, МПК F04B 47/02; F16B 11/00; 23.11.1982), содержащая цилиндрический стержень из стекловолокна и стальные соединительные элементы, закрепленные на каждом конце стержня. Стальных соединительные элементы идентичны по способу крепления к концам стержня из стекловолокна. Каждый соединительный элемент имеет внутреннюю полость, заполненную эпоксидным клеем, с помощью которого стекловолоконный стержень укрепляется в металлическом соединительном элементе и, тем самым, формируя единую насосную штангу с резьбовым разъемом с наружной резьбой на одном конце и резьбовым разъемом с внутренней резьбой на другом конце.
В процессе установки стекловолоконного стержня во внутреннюю полость соединительного элемента в полости, заполненной эпоксидным клеем, из-за высокой вязкости эпоксидного клея возможно образование пустот и раковин, что будет уменьшать площадь взаимно сцепляемых поверхности стержня и поверхности внутренней полости соединительного элемента, что, в итоге, приведет к снижению качества клеевого соединения стекловолоконного стержня с металлическим соединительным элементом. В результате снизится прочность получаемых соединений и, как следствие, снизиться прочность, надежность и срок эксплуатации насосной штанги.
Известна стекловолоконная нефтяная скважинная насосная штанга (US 4401396; МПК F16B 11/00; 30.08.1983), содержащая стекловолоконный стержень, элемент соединения, который включает центрирующее кольцо для стержня, четыре конические поверхности, а также центрирующую область за пределами внутренней поверхности. Пространство между внутренней полостью ниппеля и поверхностью стержня заполнено адгезивом, который обеспечивает крепление ниппелей к стержню за счет образования адгезионного соединения.
В процессе установки стекловолоконного стержня во внутреннюю полость соединительного элемента в полости, заполненной эпоксидным клеем, из-за высокой вязкости эпоксидного клея возможно образование пустот и раковин, что будет уменьшать площадь взаимно сцепляемых поверхности стержня и поверхности внутренней полости соединительного элемента, что, в итоге, приведет к снижению качества клеевого соединения стекловолоконного стержня с металлическим соединительным элементом. В результате снизится прочность получаемых соединений и, как следствие, снизиться прочность, надежность и срок эксплуатации насосной штанги.
Известна конструкция насосной штанги (US 4822201, МПК F16B 11/00, 18.04.1989), 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.
В процессе установки стекловолоконного стержня во внутреннюю полость соединительного элемента в полости, заполненной адгезивом, из-за высокой вязкости адгезива возможно образование пустот и раковин, что будет уменьшать площадь взаимно сцепляемых поверхности стержня и поверхности внутренней полости соединительного элемента, что, в итоге, приведет к снижению качества клеевого соединения стекловолоконного стержня с металлическим соединительным элементом. В результате снизится прочность получаемых соединений и, как следствие, снизиться прочность, надежность и срок эксплуатации насосной штанги.
Кроме того, отсутствие надежной фиксации стержня в полости глухого отверстия ниппеля относительно его продольной оси не обеспечивает равномерное распределение адгезива в пространстве между стенками глухого отверстия и стенками конца стержня, что также снижает качество адгезивного соединения.
Известна насосная штанга для глубинного насоса (RU 97763 U1; МПК E21B 17/00; 20.09.2010), содержащая стержень, выполненный из композитного материала, и установленные на стержне металлические резьбовые головки, отличающаяся тем, что она снабжена неразъемно-соединенными со стержнем металлическими втулками, используемыми в качестве промежуточной детали при установке на стержень резьбовых головок. Втулки соединены со стержнем посредством посадки с натягом. Посадка осуществлена за счет использования втулок, предварительно, до посадки, нагретых для увеличения диаметра посадочного отверстия вследствие теплового расширения. Посадка осуществлена за счет использования втулок, изготовленных из стали с эффектом памяти, подвергнутых закалке с температуры аустенитной области и последующей, по крайней мере, поверхностной со стороны посадочного отверстия, холодной деформации для увеличения диаметра посадочного отверстия, и далее после посадки подвергнутых нагреву, обеспечивающему развитие обратного мартенситного превращения. В качестве резьбовых головок использованы накидные гайки, устанавливаемые на стержень до его соединения с втулками. Сопрягаемые торцевые поверхности втулки и накидной гайки имеют конусообразную форму. Недостатками данной конструкции являются сложность в осуществлении данного соединения. Кроме того, адгезив имеет высокую вязкость, поэтому при введении композиционного стержня в полость ниппеля возможно образование пустот, что снижает прочность и надежность получаемых соединений и, как следствие, прочность и надежность конструкции при ее эксплуатации.
Известен устройство насосной штанги (WO 2013/022478 A1, МПК E21B 17/00, 14.02.2013), из описания которого следует, предоставляется техническому решению на конструкцию стекловолоконного стержня с разъемами на каждом конце. Каждый разъем имеет сосуд приема стержня, имеющий открытый конец, закрытый конец, и аксиально разнесенные кольцевые клиновидные поверхности таким образом, чтобы сжимающее усилие между стержнем и соответствующим разъемом определяется формой клиновидных поверхностей. Недостатками данной конструкции насосной штанги является то, что стекловолоконный стержень соединен с внутренней полостью ниппеля посредством клеевого соединения, при котором прочность соединения во многом определяется прочностью сцепления адгезива с поверхностью стеклопластикового стержня. Адгезив имеет высокую вязкость, поэтому при введении композиционного стержня в полость ниппеля возможно образование пустот, что снижает прочность и надежность получаемых соединений и, как следствие, прочность и надежность конструкции при ее эксплуатации.
Известен метод использования и соединения насосных штанг (US 2012/0141194 A1, МПК B25G 03/34, 11.09.2008), в котором концевые фитинги выполнены таким образом, чтобы форма клина, и далее, клин или клинья, обеспечивающего возможность соединения концевого фитинга со стрежнем, чтобы избежать резких скачков в клине или клиньев таким образом, существенно устраняя потенциальную область отказа в соединении. Улучшенная конструкция обеспечивает лучшее формирование клиньев, имеющих обратный рельеф, противостоящий сжимающим силам, и тем самым обеспечивает более надежную тягу стержня в месте соединения. Недостатками данного технического решения является то, что стержень соединен с внутренней полостью посредством клеевого соединения. Так как адгезив имеет высокую вязкость, то при введении композиционного стержня в полость ниппеля возможно образование пустот, что снижает прочность и надежность получаемых соединений и, как следствие, прочность и надежность конструкции при ее эксплуатации.
Известна насосная штанга (RU 2378484 C1; МПК E21B 17/04 (2006.01); 10/01/2010), содержащая 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. Установочная часть имеет донную коническую зону и входное отверстие. Пространство между внутренней полостью установочной части ниппеля и поверхностью стержня из высокопрочного композиционного материала заполнено адгезивом. Узел крепления высокопрочного композиционного стержня с ниппелем насосной штанги данного технического решения, выбран в качестве прототипа заявленной полезной модели.
По прототипу в процессе установки стержня из высокопрочного композитного материала во внутреннюю полость установочной части ниппеля в полости, заполненной адгезивом, из-за высокой вязкости адгезива возможно образование пустот и раковин, что будет уменьшать площадь взаимно сцепляемых поверхности стержня и поверхности внутренней полости установочной части ниппеля, что, в итоге, приведет к снижению качества клеевого соединения композиционного стержня с ниппелем. В результате снизится прочность получаемых соединений и, как следствие, снизиться прочность, надежность и срок эксплуатации насосной штанги.
Технический результат, достигаемый данной полезной моделью, заключается в обеспечении более качественного соединения стержня из композиционного материала с ниппелем насосной штанги, в повышении его прочности и надежности и, как следствие, в увеличении срока эксплуатации насосной штанги.
Технический результат достигается тем, что внутренняя полость установочной части ниппеля состоит из донного участка, входного участка и участка, предназначенного для заполнения адгезивом. Участок внутренней полости ниппеля, предназначенный для заполнения адгезивом может быть выполнен или в виде цилиндра, или в виде чередующихся цилиндрических и конических зон, или в виде конических зон.
Композиционный стержень устанавливается во входной и донный участки внутренней полости ниппеля, а заполняемый адгезивом участок внутренней полости, для равномерного его заполнения, заполняется адгезивом под давлением через, по меньшей мере, одно выполненное на этом участке внутренней полости ниппеля радиальное технологическое отверстие,
В процессе заполнения адгезивом участка внутренней полости под давлением через, по меньшей мере, одно выполненное на этом участке внутренней полости ниппеля радиальное технологическое отверстие, из-за высокой вязкости адгезива возможно образование пустот и раковин, заполненных воздухом, что будет уменьшать площадь взаимно сцепляемых поверхности стержня и поверхности внутренней полости соединительного элемента, что, в итоге, может привести к снижению качества клеевого соединения стержня с соединительным элементом, снижение прочности, надежности и срока эксплуатации насосной штанги.
Для более равномерного заполнения внутренней полости ниппеля адгезивом и для более надежного предотвращения образования в ней заполненных воздухом раковин, заполняемый адгезивом участок внутренней полости ниппеля, может быть выполнен, по меньшей мере, с одним дренажным отверстием, соединяющим этот участок внутренней полости установочной части ниппеля с наружной поверхностью ниппеля. При этом, дренажные отверстия могут выполнены или радиальными, или параллельными оси ниппеля на входном участке внутренней полости установочной части ниппеля.
Композиционный стержень может быть установлен во входной и донный участки внутренней полости установочной части ниппеля запрессовкой.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 представлен общий вид насосной штанги, где 1 - ниппель, 2 - композитный стержень
На фиг.2 представлен вариант исполнения узла крепления композиционного стержня 2 с ниппелем 1, в котором предназначенный для заполнения адгезивом участок внутренней полости ниппеля 5 заполняется адгезивом 6 через одно технологическое отверстие 7. На данном чертеже: 1 - ниппель, 2 - композиционный стержень, 3 - донный участок внутренней полости ниппеля, 4 - входной участок внутренней полости ниппеля, 5 - предназначенный для заполнения адгезивом участок внутренней полости установочной части ниппеля, 6 - адгезив, 7 - технологическое отверстие.
На фиг.3 представлен вариант исполнения узла крепления композиционного стержня с ниппелем, в котором предназначенный для заполнения участок внутренней полости ниппеля 5 заполняется адгезивом через несколько технологических отверстий 7.
На фиг.4 представлен вариант исполнения узла крепления композиционного стержня с ниппелем, в котором дренажное отверстие 8 выполнено радиальным.
На фиг.5 представлен вариант исполнения узла крепления композиционного стержня с ниппелем, в котором дренажное отверстие 9 выполнено параллельным оси ниппеля 1 на входном участке 4 внутренней полости ниппеля.
На фиг.6 представлен вид А-А (в разрезе) входного участка внутренней полости установочной части ниппеля узла крепления композиционного стержня с ниппелем, в котором дренажное отверстие 9 выполнено параллельным оси ниппеля 1 на входном участке внутренней полости ниппеля.
Узел крепления композитного стержня с ниппелем, содержащий, как показано на фиг.1, стержень 1, выполненный из композиционного материала, и ниппель 2, включающий в себя, как показано на фиг.2, установочную часть с внутренней полостью для размещения композитного стержня, состоящую из: донного участка 3, входного участка 4 и предназначенного для заполнения адгезивом участка 5, заполненного под давлением адгезивом 6 через технологическое отверстие 7. Для выхода воздуха, а также для более равномерного заполнения адгезивом внутренней полости ниппеля узел крепления может быть выполнен, как показано на фиг.4, по меньшей мере, с одним радиальным дренажным отверстием 8. Как показано на фиг.5, дренажное отверстие 9 может быть выполнено также параллельным оси ниппеля на входном участке внутренней полости установочной части ниппеля.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ.
Композиционный стержень 2 устанавливается во входной и донный участки внутренней полости установочной части ниппеля 1. Затем в участок внутренней полости установочной части ниппеля 5, предназначенный для заполнения адгезивом 6, через одно или несколько технологических отверстий 7 под давлением загружается адгезив 6. Загрузка адгезива под давлением позволяет равномерно заполнить им участок внутренней полости, предназначенный за заполнения адгезивом и предотвратить образование в адгезиве полостей, заполненных воздухом. За счет этого повышается качество полученного таким образом клеевого соединения стержня с ниппелем, что, в свою очередь, повышает прочность, надежность и долговечность насосной штанги.
Для более равномерного заполнения участка внутренней полости ниппеля адгезивом и для предотвращения образования в адгезиве воздушных раковин узел крепления высокопрочного композиционного стержня с ниппелем насосной штанги имеет, по меньшей мере, одно сквозное выполненное радиально дренажное отверстие между предназначенным для заполнения адгезивом участком внутренней полости установочной части ниппеля и его боковой поверхностью 8 или одно выполненное во входном участке внутренней полости ниппеля параллельно его оси отверстие между предназначенным для заполнения адгезивом участком внутренней полости установочной части ниппеля и торцевой поверхностью установочной части ниппеля 9, что, в свою очередь, позволяет получить более качественное соединение стержня с ниппелем, и, соответственно, повысить прочность, надежность и долговечность насосной штанги.
Запрессовка композиционного стерженя 2 во входной и донный участки внутренней полости установочной части ниппеля позволяет добиться соосности стержня и ниппеля, и, тем самым, более равномерного распределения адгезива во внутренней полости установочной части ниппеля, предназначенной для заполнения адгезивом, что также повышает качество полученного соединения стержня с ниппелем. Кроме того, отсутствие межосевого смещения стержня и ниппеля, будет способствовать повышению надежности насосной штанги и увеличит срок ее эксплуатации.