НАСОСНАЯ ШТАНГА ДЛЯ ГЛУБИННОГО НАСОСА

Полезная модель относится к области машиностроения, более конкретно к насосным штангам, являющимся основным составным элементом колонны штанг глубинного насоса, используемого при добыче нефти.
Традиционно насосная штанга изготавливается из стального прутка-стержня, на концах которого путем высадки выполняются резьбовые головки [1]. Резьбовые головки необходимы для соединения штанг в колонну с помощью соединительных штанговых муфт.
Однако с увеличением глубины нефтяных скважин возникла необходимость уменьшения массы колонны. Проблема была решена за счет использования насосных штанг, в которых используются композитные, чаще всего стеклопластиковые, стержни [2, 3, 4]. Насосные штанги с композитным стержнем могут составлять всю колонну или, по крайней мере, часть колонны. С двух концов композитного стержня устанавливаются стальные головки, соединенные со стержнем, как правило, с помощью адгезива, в качестве которого чаще всего используется эпоксидная смола.
Наиболее распространенным видом адгезионного соединения является обычное соединение по гладкой поверхности [4]. Соединение требует высокой точности изготовления соединяемых деталей, точной посадки для обеспечения необходимого равномерного зазора между деталями, специальной подготовки поверхности деталей. Необходима также технология, которая обеспечивает 100%-ное заполнение зазора адгезивом. Невозможность выполнения перечисленных требований приводит к существенным недостаткам рассматриваемой штанги. Отсутствие точной посадки и равномерного зазора приводит к несоосности резьбовых головок относительно стержня, а поскольку адгезив располагается в глухом отверстии резьбовой головки, его неравномерное распределение в донной части отверстия приводит, помимо отмеченной несоосности, к перекосу оси резьбовой головки относительно оси стержня. Наличие несоосности и перекоса оси резьбовой головки относительно оси стержня значительно снижает способность стержня и резьбовой головки противостоять усталостному разрушению под воздействием циклически изменяющихся напряжений, сопровождающих процесс перекачки. Отмеченное обстоятельство ведет в свою очередь к значительному снижению в процессе эксплуатации надежности, как отдельной штанги, так и колонны штанг в целом.
Не устраняет указанной проблемы соединение стержня и резьбовой головки с выполнением укрепляющих канавок и выступов на соединяемых поверхностях. Кроме того, выполнение канавок и выступов на элементах штанги значительно усложняет процесс изготовления штанги, делает его трудоемким и, в конечном счете, повышает стоимость штанги. Возможно для соединения стержня и головки использование штифтов, но такое соединение требует механической обработки композитного стержня, ослабляющей его сечение [4], и также не устраняет основной проблемы.
Из источников [3, 4] известно также соединение стержня с резьбовыми головками, при котором стальная резьбовая головка осесимметрично обжимается вокруг композитного стержня. Процесс отличается высокой производительностью, однако при его осуществлении имеет место неравномерность обжатия, в основном обусловленная наличием глухого отверстия и жесткого конца резьбовой головки.
Неравномерность обжатия приводит к возникновению концентраторов напряжений, являющихся причиной растрескивания композитного стержня. Из-за неравномерности обжатия в местах перехода от более деформированной части стержня к менее деформированной его части может происходить перерезание волокон композиционного материала. Повреждение монолитной структуры композиционного материала еще более способствует растрескиванию стержня. Растрескивание стержня исключает возможность дальнейшего использования штанги.
Кроме того, неравномерность обжатия может явиться причиной возникновения несоосности и перекоса осей резьбовых головок и стержня.
Перечисленные недостатки соединения стержня с резьбовыми головками обжатием, когда велика вероятность неравномерности обжатия, как и в предыдущем случае, снижают надежность каждой насосной штанги в отдельности, вплоть до невозможности ее дальнейшего использования, а также снижают надежность колонны насосных штанг в целом.
Задачей полезной модели является повышение надежности насосной штанги для глубинного насоса и колонны штанг в целом.
Поставленная задача решается в случае, когда насосная штанга для глубинного насоса, содержащая стержень, выполненный из композитного материала, и установленные на стержне металлические резьбовые головки, отличается от известной тем, что она снабжена неразъемно-соединенными со стержнем металлическими втулками, используемыми в качестве промежуточной детали при установке на стержень резьбовых головок.
Поставленная задача решается также в случаях, когда:
- втулки соединены со стержнем посредством посадки с натягом;
- посадка осуществлена за счет использования втулок, предварительно, до посадки, нагретых для увеличения вследствие теплового расширения диаметра посадочного отверстия;
- 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.
Сущность полезной модели заключается в том, что стержень неразъемно соединяется с металлическими, стальными, втулками, используемыми в качестве промежуточной детали при установке резьбовых головок на стержень. Использование втулок позволяет исключить или, по крайней мере, значительно уменьшить перекос и смещение оси резьбовых головок относительно оси стержня. Отмеченное преимущество достигается за счет того, что в случае, когда втулка соединяется со стержнем при помощи адгезива, появляется возможность проконтролировать с обоих концов втулки равномерность зазора между втулкой и стержнем и предотвратить смещение и перекос оси втулки, и как следствие, смещение и перекос оси резьбовой головки относительно оси стержня. В случае соединения втулки со стержнем обжатием отсутствие глухого отверстия и жесткого конца на обжимающей детали - втулке позволяет более равномерно распределить усилия обжатия. Наконец, при любом виде соединения при необходимости сохраняется возможность дополнительной механической обработки исключительно простой по геометрии внешней поверхности втулки.
Использование втулок позволяет осуществить их соединение со стержнем посредством посадки с натягом, осуществляемой за счет увеличения диаметра посадочного отверстия втулки и последующего его уменьшения за счет тех или иных физических явлений. При использовании явления теплового расширения в процессе остывания втулки и уменьшения диаметра посадочного отверстия создается гарантированный натяг. При эксплуатации возможен из-за вибраций некоторый незначительный нагрев зоны соединения, однако такой нагрев не способен вызвать сколько-нибудь значительного изменения размеров втулки и повлиять на величину натяга.
Возможно использование втулок, изготовленных из стали с эффектом памяти, подвергнутых закалке на мартенсит с температуры аустенитной области и последующей, по крайней мере, поверхностной со стороны посадочного отверстия холодной деформации. Холодной деформацией добиваются необходимого увеличения диаметра посадочного отверстия. После посадки на стержень втулку нагревают, обеспечивая развитие обратного мартенситного превращения. Благодаря эффекту памяти, при обратном мартенситном превращении втулка принимает размеры, которые она имела до закалки и деформации, обеспечивая тем самым посадку на стержень с гарантированным натягом, не зависящим от колебаний температуры втулки при эксплуатации.
В обоих случаях за счет известных физических явлений, без вмешательства воздействия инструментом, обеспечивается равномерное обжатие стержня втулкой.
При наличии резьбовой головки, имеющей глухое отверстие для стержня и жесткий конец, а также сложную конфигурацию, использование упомянутых физических явлений не дает желаемого результата из-за неравномерности их протекания, обусловленной перечисленными факторами.
Резьбовые головки соединяются с втулками известными методами, в частности резьбой. Однако для исключения дополнительного резьбового соединения при комплектации колонны целесообразно в качестве резьбовых головок использовать накидные гайки, просто насаживаемые на стержень до его соединения с втулками. При этом для соединения штанг в колонну используются соединительные втулки с наружной резьбой [5].
Сопрягаемые торцевые поверхности накидной гайки и втулки рекомендуется выполнять имеющими конусообразную форму. При этом конус обращен большим основанием к торцу стержня. Такой прием позволяет уменьшить величину напряжений в зоне соединения втулки со стержнем, возникающих под действием веса колонны, стремящихся сдвинуть втулку относительно стержня. Не исключается вариант, когда сопрягаемые торцевые поверхности втулки и накидной гайки выполнены плоскими. Однако в виду отмеченных выше обстоятельств такой вариант является менее удачным.
При отсутствии деформации резьбовых. головок становится целесообразным резьбовые головки изготавливать из коррозионно-стойкой стали, менее пластичной, но более прочной. Такой прием дополнительно повышает качество и надежность штанги и колонны в целом.
Полезная модель поясняется рисунком, на котором схематично изображена насосная штанга для глубинного насоса, состоящая из композитного, стеклопластикового, стержня 1 и стальных резьбовых головок 2, 3, выполненных в виде накидных гаек, насаживаемых на стержень 1 до его неразъемного соединения со стальными втулками 4, 5. Сопрягаемые торцевые поверхности втулки и накидной гайки имеет конусообразную форму.
Неразъемное соединение металлических втулок с композитным стержнем осуществляется либо за счет использования адгезива, либо за счет обжатия втулкой стержня.
В качестве адгезива может быть использована эпоксидная смола.
Обжатие рекомендуется осуществлять за счет посадки с натягом. При использовании явления теплового расширения исходный диаметр посадочного отверстия втулки, температуру нагрева втулки для увеличения этого диаметра на величину, достаточную для посадки, выбирают экспериментально для каждого конкретного случая в зависимости от диаметра стержня, марки стали и коэффициента теплового расширении стали. Такой же экспериментальный подход используется при определении величины, на которую необходимо увеличить холодной деформацией диаметр посадочного отверстия втулки, при изготовлении втулки из стали с эффектом памяти. Температура закалки на мартенсит и температура обратного мартенситного превращения для конкретной стали являются справочными данными.
Источники информации, принятые во внимание:
1. Генрих Решмюллер. Добыча нефти глубинными штанговыми насосами. Изд. «Шелер-Блекман ГМБХ», г.Терлиц, 1988, С.150.
2. ГОСТ Р 51161-2002. Штанги насосные, устьевые штоки и муфты к ним. М., 2003.
3. Алиевский П.А. и др. Насосные штанги из стеклопластика // Нефтепромысловое оборудование. 2003. №12. С.62-66.
4. Копей Б.В. и др. Усовершенствование и расчет соединений полимерных стержней насосных штанг с металлическими головками // Нефтяное хозяйство. 2000. №2. С.56-59.
5. Патент RU 2329129, МПК В23Р 15/00, 2008 г.