СБОРКА ЗАБИВНОЙ КОЛОННЫ (ВАРИАНТЫ)
ASSEMBLY OF DRIVE STRING (VERSIONS)

Область техники
Настоящее изобретение относится к соединению полой насосной штанги, снабженной первым и вторым заплечиками для передачи крутящего момента, и соединительных элементов, имеющих продольную ось. Указанные компоненты предназначены для селективного вращения роторного (ротационного) насоса, расположенного в забое нефтяной скважины посредством приводной головки, расположенной на поверхности нефтяной скважины. Таким образом, настоящее изобретение охватывает индивидуальные компоненты, а именно полую насосную штангу, имеющую, по меньшей мере, первый конец с внутренней резьбой, и соединительный элемент, который может представлять собой отдельный соединительный ниппельный элемент с парой участков наружной резьбы или участок наружной резьбы на втором, высаженном (смещенном в радиальном направлении) конце полой насосной штанги. Чтобы оптимизировать распределение напряжений между компонентами, используются конические резьбы асимметричного профиля с различной конусностью и два заплечика для передачи крутящего момента. Первый (основной) заплечик расположен на торце штанги, а второй (вспомогательный) заплечик - на теле штанги. Размеры полой насосной штанги и соединительного элемента выбраны такими, чтобы обеспечить передачу значительного рабочего крутящего момента, хорошие усталостную стойкость и стойкость к превышению расчетного крутящего момента, а также неожиданно высокое сопротивление сохранению реактивного крутящего момента, что минимизирует вероятность опасного обратного вращения (разворота) в случае прерывания подачи энергии к колонне насосных штанг.
Уровень техники
Добыча нефти из нефонтанирующей скважины обычно производится с помощью насосных установок. В установке наиболее распространенного типа используется двухходовой насос, находящийся в забое скважины и приводимый в действие колонной насосных штанг, которая связывает забой скважины с поверхностью, где находится приводная головка (станок), обеспечивающая возвратно-поступательное перемещение указанной колонны. Таким образом, насосные штанги в известных системах были предназначены просто для осуществления вертикального возвратно-поступательного движения. При этом они изготавливались в соответствии со Спецификацией 11 В Американского нефтяного института (API) в виде сплошных стальных стержней с высаженным концом и с резьбовым концом, имеющим цилиндрическую форму. Штанги обычно сопрягались одна с другой посредством цилиндрического резьбового соединения. Более эффективная откачка обеспечивается с применением нефтяного героторного насоса (progressive cavity pump, PCP) или аналогичного скважинного роторного насоса. Среди прочих преимуществ откачка нефти с помощью PCP позволяет достичь более высоких уровней извлечения, снижения усталостных нагрузок и уменьшения износа внутренней поверхности колонны труб, а также обеспечить возможность откачки высоковязкой нефти и нефти с высоким содержанием твердых компонентов.
Насосы PCP устанавливаются в забое скважины и приводятся в действие с поверхности с помощью электродвигателя, связанного с редуктором посредством колонны штанг, передающих крутящий момент. Традиционно в составе привода PCP используются стандартные насосные штанги API, несмотря на то обстоятельство, что подобные штанги не были предназначены для передачи крутящих моментов. Передача крутящего момента посредством колонны насосных штанг имеет следующие недостатки: i) низкая способность к передаче крутящего момента, ii) значительный обратный разворот, iii) малая стойкость к перегрузке по крутящему моменту, iv) большое различие в жесткости между соединительным узлом и телом штанги. При этом все перечисленные факторы увеличивают вероятность усталостной поломки. Причиной разрушения обычной штанги описанного типа является превышение порога усталости в зоне сопряжения головки штанги с ее телом вследствие различий в структурной жесткости между указанными частями, т.е. между головкой и телом штанги.
При заданном поперечном сечении передача крутящего момента полой штангой с кольцевым поперечным сечением представляется более эффективной, чем в случае сплошной круглой штанги с меньшим поперечным сечением. С учетом данного обстоятельства существуют полые насосные штанги, которые просто используют наружную цилиндрическую резьбу по стандарту API на соединительной детали, имеющейся на первом конце штанги, и внутреннюю резьбу по стандарту API на соединительной детали, имеющейся на втором конце штанги. Каждая такая деталь приваривается встык к телу трубы, что приводит к значительному и резкому изменению сечения при переходе от тела трубы к каждой соединительной детали (см., например, ЕР 0145154 и JP 04315605). Вопросы обратного вращения колонны насосных штанг, а также конструкции приводной головки в верхней части нефтяной скважины и функционирования роторного насоса в нижней части скважины, которые непосредственно касаются настоящего изобретения, рассмотрены в патенте США №5551510, содержание которого включено в данное описание посредством ссылки.
Настоящее изобретение направлено на решение уникальных проблем, свойственных полой насосной штанге, и в корне отличается от соединений буровых труб в следующих отношениях:
7
1
8
2
1) на соединения буровых труб не накладываются жесткие ограничения в отношении наружных размеров трубы и размеров соединительных элементов, тогда как наружный диаметр полой насосной штанги ограничен внутренним диаметром колонны труб и, как правило, составляет 2/ дюйма (73,0 мм) или 3/ дюйма (88,9 мм);
2) скорость флюида (текучей среды) в кольцевом пространстве между полой насосной штангой и внутренней поверхностью колонны труб очень ограничена в отличие от ситуации с буровыми трубами.
Для обеспечения сопряжения между буровыми трубами, обсадными трубами и трубами лифтовой колонны (насосными трубами) ранее были предложены различные варианты резьбы и заплечиков - см., например, патенты США №№4955644, 5895079, 5906400, 262086, 4600225, 5427418, 4813717, 4750761, 6030004 и 3054628. Из патентов №№5427418, 4813717 и 4750761 следует, что до 1986 г. стандарт API для колонн обсадных труб и лифтовых колонн соответствовал цилиндрической трубной резьбе с выступающим заплечиком, а усовершенствования, предложенные в указанных патентах, предусматривали соединение труб встык с применением конической резьбы и заплечика, передающего крутящий момент. В данных патентах упоминаются также стандарты API для обсадных и насосных труб, допускающие применение треугольной резьбы и заплечика, передающего крутящий момент.
1
2
В отличие от перечисленных патентов патенты США №№4955644 (1990) и 5895079 (1996) ссылаются на более современный стандарт API (трапецеидальная резьба, заплечик для передачи крутящего момента) для колонн обсадных и насосных труб. Данный стандарт, очевидно, охватывает конические резьбы и заплечики. В патенте США №5895079 (столбец 7, строка 9 и далее) обсуждается, как конкретная конусность и длина резьбового участка определяют результирующие распределения напряжений. Аналогичным образом, в патенте США №4955644 (столбец 2, строка 51 и далее) указано, что предложенные в нем резьбы являются коническими и соответствуют «стандартам API». Предложенное усовершенствование касается только переходных размеров. Таким образом, проблема, рассматриваемая в данном патенте, касается сборки буровых труб в ситуации, когда критичным является использование совместимых и стандартных недифференциальных резьб согласно стандартам API, при отсутствии неполных резьб и заплечиков для передачи крутящего момента. Основными особенностями резьбы по указанному патенту представляется использование витков симметричного усеченного треугольного профиля (с шагом от 4 до 6 витков на дюйм и с углом наклона грани витка, равным 60°) и с высотой витка (1,42-3,75 мм), одинаковой для наружной (охватываемой) и внутренней (охватывающей) резьб. Кроме того, концы с наружной и внутренней резьбой имеют одинаковую конусность (равную 0,125-0,25). Патент США №6030004 иллюстрирует конкретный вариант соединения для буровой трубы, в котором неожиданное преимущество для различных применений буровой трубы достигается с помощью конических резьб, которые при этом должны быть очень грубыми (3/ витков на дюйм) и иметь одинаковые углы наклона грани (75°) витка и эллиптические поверхности впадин.
Известные соединения для буровых, обсадных и насосных труб, использующие тот или иной вариант второго заплечика для передачи крутящего момента, представлены в патентах США №№6030004, 5169183, 5549336, 4548431, 6485063, 4192533 и 1932427.
В приведенной далее Таблице 1 основные характеристики этих известных соединений сопоставляются с характеристиками полых насосных штанг со вторым заплечиком для передачи крутящего момента согласно настоящему изобретению, а также полых насосных штанг с единственным заплечиком для передачи крутящего момента, описанных в патенте США №6764108, принадлежащем заявителю настоящего изобретения.
В Таблице 2 приведено сравнение основных характеристик соединений полых насосных штанг с одним заплечиком и с двумя заплечиками для передачи крутящего момента. Другой вариант с единственным заплечиком для передачи крутящего момента и со второй контактной поверхностью, которая работает в качестве уплотнения, но не передает крутящий момент, проиллюстрирован на фиг.13 и 14.
Однако проблема обратного вращения, присущая колонне насосных штанг, приводящей в действие насос РСР, при наличии прерываний в работе, не рассматривается ни в одном из вышеупомянутых источников. Поэтому при разработке изобретения учитывались некоторые специфичные ограничения и требования.
1
3
2
Во-первых, минимальный диаметр трубы, внутри которой должна функционировать полая насосная штанга, соответствует по стандарту API трубам 2⅞ дюйма (внутренний диаметр равен 62 мм) и 3/ дюйма (внутренний диаметр равен 74,2 мм). Производительность добычи нефти должна быть не более 500 м/день, максимальная скорость течения нефти должна равняться 4 м/с. Перечисленные параметры накладывают сильные ограничения на геометрию штанги согласно изобретению. Во-вторых, необходимо создать полую насосную штангу с хорошей передачей крутящего момента для того, чтобы передавать на насос РСР максимальный крутящий момент, не повреждая колонну полых насосных штанг. В-третьих, требуется минимизировать и распределить напряжения в резьбовых участках. Выполнение этого требования обеспечивается использованием специально выбранных конических резьб с дифференциальной конусностью и малой высотой витков, а также конических внутренних каналов в зоне резьбовых участках. В-четвертых, полая насосная штанга должна иметь хорошую усталостную стойкость. В-пятых, необходимо добиться малой вероятности обратного вращения и высокой стойкости к осевым нагрузкам. В-шестых, сборка (т.е. свинчивание согласованных резьбовых частей) и разборка должны быть легкими (за счет использования конусных резьб). В-седьмых, требуется обеспечить высокое сопротивление отвинчиванию полой насосной штанги вследствие обратного вращения колонны насосных штанг при отключении двигателя, когда в качестве двигателя выступает насос. В-восьмых, необходимо высокое сопротивление отделению (в зоне резьбовых участков) полой насосной штанги от колонны насосных штанг за счет выбора адекватного профиля резьбы и «обратного» угла на заплечике для передачи крутящего момента. В-девятых, нужно минимизировать потери флюида, который при благоприятных условиях можно извлекать через внутренний объем полых насосных штанг, чему способствует наличие конического канала на ниппельном элементе и второго заплечика для передачи крутящего момента. В-десятых, нужно обеспечить герметичность соединения за счет уплотнений у обоих заплечиков для передачи крутящего момента, а также за счет натяга резьб по диаметру. В-одиннадцатых, профиль резьбы должен быть таким, чтобы оптимизировать использование толщины стенки. В-двенадцатых, нужно исключить использование сварки в связи с низкой стойкостью сварных швов по отношению к усталостным повреждениям, с растрескиванием под действием напряжений в сульфидосодержащей среде и с более высокими производственными затратами. В-тринадцатых, протекание флюида через внутренний объем штанги с допустимой скоростью влечет ранний износ ниппельного элемента и штанги в зоне их взаимного перекрытия (наложения), и именно с этой целью введено уплотнение на основе вспомогательного заплечика для передачи крутящего момента на каждом конце ниппельного элемента. При этом одновременно обеспечивается высокая стойкость по отношению к избыточному крутящему моменту в соединении. В-четырнадцатых, с целью существенного увеличения потока экстрагируемого флюида в теле штанги просверлены отверстия, позволяющие флюиду поступать во внутренний объем штанги.
Раскрытие изобретения
Таким образом, первой задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание сборки насосных штанг с применением либо отдельных резьбовых соединительных элементов, либо соединительных элементов (деталей), составляющих интегральную часть второго конца насосной штанги. Соединение должно быть пригодно для приведения в действие насосов РСР или иных насосов роторного типа с передачей большего крутящего момента, чем посредством сплошных насосных штанг, соответствующих Спецификации API 11 В, а также обладать высокой усталостной стойкостью и стойкостью к перегрузке по крутящему моменту. Кроме того, изобретение направлено на разработку такого резьбового соединения для полых насосных штанг, которое существенно отличается от стандартных соединений насосных штанг, соответствующих Спецификации API 11 В, и несовместимо с этими соединениями, но при этом является простым при сборке. Следует подчеркнуть, что модифицированная резьба Buttress уникальна в том отношении, что является дифференциальной. В то же время соединение обсадных труб согласно Спецификации API Buttress Casing требует использования недифференциальных резьб с одинаковой конусностью 0,625 дюйм/дюйм как для трубы, так и для соединительной детали. Аналогично, Спецификации API 8r для обсадных труб и API 8r для насосных труб также требуют применения недифференциальных резьб с конусностью 0,625 дюйм/дюйм и для трубы, и для соединительной детали. При этом Спецификации API Buttress Casing и API 8r не предусматривают использования какого-либо заплечика для передачи крутящего момента, тем более первого и второго заплечиков для передачи крутящего момента. Например, соединения, учтенные в Таблице 2, имеют только один заплечик для передачи крутящего момента.
Взаимосвязанная задача, решаемая изобретением, состоит в создании сборки насосных штанг и соединительных элементов, имеющих меньшую вероятность расцепления в случае возникновения, случайно или намеренно, обратного вращения в результате деактивации привода насоса. Настоящее изобретение неожиданно и существенно уменьшает энергию кручения, накапливаемую в колонне насосных штанг. Данная энергия пропорциональна диаметру штанги и обратно пропорциональна приложенному крутящему моменту и длине колонны.
Еще одной задачей является создание сборки насосных штанг, являющихся полыми, т.е. имеющих внутренний канал, который может служить для перемещения инструментов и приборов (датчиков для контроля скважины) и/или для циркуляции флюидов (инжекции растворителей и/или ингибиторов ржавчины).
Рассматриваемые в данном описании варианты с двумя заплечиками обеспечивают более высокое значение крутящего момента на пределе текучести, чем полые насосные штанги только с одним заплечиком типа описанных в патенте США №6764108.
Так, восьмой и девятый варианты изобретения, использующие два заплечика для передачи крутящего момента, обеспечивают крутящий момент на пределе текучести, составляющий 110% от крутящего момента при использовании полых насосных штанг только с одним заплечиком.
Следующая задача заключается в дальнейшей оптимизации распределения напряжений между компонентами благодаря использованию в сочетании конических асимметричных резьб с различной конусностью и двух заплечиков для передачи крутящего момента. Основной (первый) заплечик для передачи крутящего момента штанги расположен на ее конце, тогда как вспомогательный (второй) заплечик для передачи крутящего момента расположен на теле штанги. Размеры полой насосной штанги и соединительного элемента выбраны так, чтобы обеспечить работу при значительном крутящем моменте, хорошую усталостную стойкость и стойкость к превышению расчетного крутящего момента, а также неожиданно высокое сопротивление сохранению реактивного крутящего момента, что минимизирует опасность обратного вращения при прерывании подачи энергии к колонне насосных штанг.
Таким образом, изобретение удовлетворяет отмеченную выше потребность в создании полой насосной штанги нового типа, по существу, состоящей из трубчатой центральной секции с постоянным или непостоянным диаметром, с, по меньшей мере, одной внутренней (охватывающей) конической резьбой на первом конце штанги, высота витков которой уменьшается до нуля на внутреннем конце резьбового участка, и с коническим наружным заплечиком для передачи крутящего момента. Указанный первый конец штанги выполнен с возможностью сопряжения с соответствующей дифференциальной наружной (охватываемой) резьбой и с возможностью упора в конический заплечик для передачи крутящего момента на другой штанге, имеющей на своем втором конце соединительный элемент, выполненный заодно со штангой, или в один из заплечиков, расположенных между наружными резьбами, выполненными на отдельном соединительном (ниппельном) элементе. При использовании отдельных соединительных ниппельных элементов второй конец насосной штанги всегда выполняется таким же, как ее первый конец. Если отдельные соединительные ниппельные элементы не используются, второй конец насосной штанги выполняется с высаженным концом (т.е. спрофилированным в радиальном направлении относительно тела штанги) и имеющим наружную (охватываемую) коническую резьбу, способную сопрягаться с первым концом другой полой насосной штанги.
Соединительный ниппельный элемент состоит, по существу, из центральной секции с парой конических наружных заплечиков для передачи крутящего момента. Заплечики для передачи крутящего момента максимизируют средний диаметр и площадь поперечного сечения и тем самым препятствуют сохранению реактивного крутящего момента в колонне труб для передачи движения. Ниппельный элемент предпочтительно имеет также участок, который расширяется от каждого свободного конца в направлении заплечика, что способствует увеличению усталостной стойкости. Чтобы дополнительно оптимизировать распределение напряжений между компонентами, используется специальный вариант резьбы с дифференциальной (различной) конусностью. Общая конфигурация обеспечивает высокую прочность на срез, пониженную концентрацию напряжений и неожиданно высокое сопротивление сохранению реактивного крутящего момента, что минимизирует опасность обратного вращения при прерывании подачи энергии к колонне насосных штанг.
Соединительный ниппельный элемент также имеет внутренние трапецеидальные асимметричные резьбы на обоих своих концах, разделенных заплечиками. При этом данные наружные резьбы являются дифференциальными по отношению к внутренней резьбе, по меньшей мере, на первом конце полой насосной штанги. Снабженные резьбой ниппельный элемент и штанга могут быть соединены без каких-либо перепадов наружного диаметра или с перепадом. Отношение диаметра соединительного элемента к диаметру штанги в первом случае может быть равно 1, причем в любом случае оно не превышает 1,5. Благодаря этому среднее значение наружного диаметра по всей длине колонны всегда будет больше аналогичного значения для сплошной насосной штанги с эквивалентной площадью поперечного сечения, состыкованной с обычной соединительной деталью. Следовательно, при заданных длине колонны и площади поперечного сечения сопротивление «обратному вращению» будет больше у сборки согласно изобретению.
Размеры ниппельного элемента могут предусматривать также наличие конических отрезков внутреннего канала у каждого его резьбового конца. Тем самым будет достигнуто еще более однородное распределение растягивающих напряжений по длине каждого резьбового участка и в центральной секции соединительного ниппельного элемента. Благодаря этому становится возможным добиться желательного отношения диаметров резьбовых концов ниппельного элемента и его внутреннего диаметра, желательного отношения наружного диаметра ниппельного элемента и его внутреннего диаметра, а также (дополнительно) желательного отношения наружного диаметра ниппельного элемента и диаметра каждого его резьбового конца.
1
2
В контексте первой задачи, решенной изобретением, важной характеристикой полой насосной штанги является использование, по меньшей мере, на первом конце трубчатого элемента конической внутренней резьбы, представляющей собой модифицированную резьбу типа Buttress или SEC с уменьшением высоты витков до нуля на внутреннем конце резьбового отрезка в сочетании с конической фронтальной поверхностью, расположенной под углом 75-90° к оси (называемой заплечиком для передачи крутящего момента). Наружный диаметр штанги в вариантах, обозначаемых как HSR 48×6 с постоянным диаметром и HSR 42×5 со смещением, который определяется трубчатым телом на расстоянии от концов штанги, составляет 48,8 мм или 42 мм, а наружный диаметр трубчатого элемента на высаженном конце штанги диаметром 42 мм равен 50 мм. Указанные размеры являются критичными, поскольку насосные штанги с таким максимальным диаметром могут быть введены в стандартную насосную трубу 2⅞ дюйма (с внутренним диаметром 62 мм). Для насосной трубы 3/ дюйма (с внутренним диаметром 74,2 мм) наиболее эффективным представляется вариант штанги HSR 48×6 со смещением с диаметром у высаженного конца, равным 60,6 мм.
Профиль резьбы является трапецеидальным и асимметричным, с конусностью на резьбовом участке. Витки резьбы, по меньшей мере, на первом конце трубчатого элемента являются неполными вследствие уменьшения высоты витков до нуля на внутреннем конце резьбового участка. Как показано на фиг.2А, коническая поверхность заплечика для передачи крутящего момента образует с осью угол В, равный 83°. На внутреннем и наружном краях заплечика для передачи крутящего момента выполнены радиусные закругления. Короткие цилиндрические участки на концах резьбовых участков обеспечивают переход от резьбовой зоны к внутреннему каналу трубчатого элемента.
Важной характеристикой соединительного (ниппельного) элемента в контексте указанной первой задачи является дифференциальное резьбовое соединение с каждой стороны центральной секции, наружная поверхность которой является цилиндрической с большей площадью поперечного сечения вблизи заплечика для передачи крутящего момента, что дает неожиданно большое улучшение усталостной стойкости. По обе стороны от центральной секции имеются наружные заплечики для передачи крутящего момента, способные контактировать с аналогичным заплечиком на первом конце полой насосной штанги. Средний диаметр и общая площадь поперечного сечения заплечика для передачи крутящего момента максимизированы для обеспечения возможности работы при максимальном крутящем моменте.
Кроме того, каждый снабженный наружной резьбой конец ниппельного элемента выполнен коническим для обеспечения максимальной площади поперечного сечения вблизи заплечика для передачи крутящего момента с улучшением тем самым усталостной стойкости. Для реализации данного преимущества сужающийся конический отрезок внутреннего канала начинается вблизи свободного конца каждого резьбового отрезка. Тем самым обеспечивается увеличение толщины стенки (т.е. ее поперечного сечения) в направлении центральной секции ниппельного элемента. Наружный диаметр центральной секции ниппельного элемента равен 50 мм или 60,6 мм. При этом центральная секция может иметь пару диаметрально противоположных плоских граней, позволяющих захватывать ее гаечным ключом во время осуществления сборки. Используется модифицированная резьба типа Buttress, которая становится дифференциальной благодаря слегка различающимся значениям конусности на резьбовых участках на штанге и на ниппельном элементе. Профиль резьбы также трапецеидальный и асимметричный.
Все витки резьбы на ниппельном элементе являются полными. Пара конических поверхностей действует как заплечики для передачи крутящего момента с конической фронтальной поверхностью, образующей с осью угол 75-90°. На внутреннем и наружном краях заплечика для передачи крутящего момента предпочтительно выполнены радиусные закругления. Конические отрезки внутреннего канала под каждым резьбовым участком ниппельного элемента соединены цилиндрическим отрезком для получения большей площади поперечного сечения в непосредственной близости от заплечика для передачи крутящего момента с целью неожиданно значительного улучшения усталостной стойкости.
Значения конусности резьбовых участков на ниппельном элементе и штанге слегка различаются (дифференциальная конусность) для обеспечения оптимального распределения напряжений. После завершения сборки соответствующие заплечики для передачи крутящего момента на штанге и ниппельном элементе упираются друг в друга с обеспечением уплотнения, предотвращающего просачивание флюидов снаружи внутрь соединения и наоборот. Данный эффект уплотнения усиливается за счет диаметрального натяга между двумя сопрягающимися резьбовыми участками на первом конце штанги и на ниппельном элементе.
Флюид, протекающий через внутренний объем штанги с приемлемой скоростью, может вызвать ранний износ ниппельного элемента и штанги в зоне их контакта (наложения). Это явление может быть объяснено существованием «застойной области», в которой флюиды остаются почти неподвижными (имеют малую скорость). Чтобы преодолеть эту проблему коррозии, изобретение предусматривает варианты, в которых «застойной области» не существует и флюид течет равномерно и с малой турбулентностью. Важно отметить, что данные варианты требуют лишь небольших модификаций, которые существенно не изменяют распределение напряжений в соединении или показатели работы ниппельного элемента.
Предлагается также усовершенствование, рассчитанное на использование в различных вариантах изобретения с целью существенного увеличения потока извлекаемого флюида. Для этого в полых насосных штангах на двух концах колонны (у поверхности и у дна скважины) сверлится серия отверстий в соответствии с паттерном 1, 2 или 3.
В восьмом и девятом вариантах пара заплечиков для передачи крутящего момента используется в сочетании со значительным радиальным натягом резьбовых участков, имеющих высокие механические свойства.
Восьмой и девятый варианты изобретения имеют существенные отличия от предыдущих вариантов. Вводятся второй заплечик для передачи крутящего момента и больший радиальный натяг на резьбовых участках. Второй заплечик для передачи крутящего момента находится внутри штанги, вблизи конца внутренней (охватывающей) резьбы. Размеры основаны на результатах детального анализа напряжений, проведенного с целью существенного повышения стойкости к воздействию крутящего момента. Второй заплечик для передачи крутящего момента служит в качестве уплотнения, аналогично седьмому варианту, но при этом создает существенные дополнительные преимущества. Предпочтительный угол, который коническая поверхность второго заплечика для передачи крутящего момента составляет с осью, равен 83°.
Распределение напряжений на ниппельном элементе и на штанге обеспечивает способность передавать значительный крутящий момент, хорошую усталостную стойкость и стойкость к избыточному крутящему моменту. Крутящий момент на пределе текучести для восьмого варианта составляет около 2840 Н·м (110% от аналогичного значения для седьмого варианта, HSR 48×6 с постоянным диаметром, использующего только один заплечик для передачи крутящего момента).
Размеры штанги были определены по результатам анализа напряжений. Номинальный диаметр резьбы также был определен на основании анализа напряжений. Резьба, в основном, является полной, за исключением небольших отрезков, что отличает данный вариант от всех предыдущих вариантов, использующих только один заплечик для передачи крутящего момента. Конусность резьбового участка аналогична конусности в седьмом варианте.
Торец ниппельного элемента функционирует как второй заплечик для передачи крутящего момента. Толщина конца ниппельного элемента составляет 3,8-4,2 мм, а его внутренний канал выполнен коническим на каждом конце, с предпочтительным значением конусности в угловой мере, составляющим 3°54'-9°7'. Общая длина ниппельного элемента аналогична общей длине в седьмом варианте.
Соединение имеет радиальный натяг между сопрягающимися резьбовыми участками на штанге и на ниппельном элементе. При свинчивании соединения вручную зазоры между заплечиками для передачи крутящего момента на штанге и ниппельном элементе составляют с1=0,4-2,5 мм для основных заплечиков и с2=0,4-2,8 мм для вспомогательных заплечиков, причем с2≥с1 и 0 мм ≤(с2-с1)≤0,3 мм.
Второй заплечик для передачи крутящего момента испытывает умеренную нагрузку и, несомненно, передает крутящий момент. Он также служит в качестве эффективного уплотнения и способствует равномерному течению флюида.
Таким образом, восьмой и девятый варианты неожиданно обладают способностью передачи большого крутящего момента и высокой стойкостью по отношению к избыточному крутящему моменту, а также хорошей стойкостью к эрозии-коррозии при протекании флюида внутри колонны труб. Когда флюид течет внутри колонны труб, течение является равномерным при малой турбулентности. Предпочтительные отношения размеров для двух заплечиков для передачи крутящего момента согласно изобретению таковы: DHT1/DEN в интервале 0,7-0,9; DIN1/DEN в интервале 0,20-0,60; DIN1/DHT1 в интервале 0,3-0,70; DEVU/DEV в интервале 1,0-1,5; DIFR1/DHT1 в интервале 1,0-1,1; DIFR1/DEVU в интервале 0,75-0,95; DIVU/DIFR2 в интервале 0,65-0,90; DIN2/DHT2 в интервале 0,67-0,92; DEVU/DIVU в интервале 0,40-0,70; DIFR2/DEVU в интервале 0,55-0,85; DIN1/DIN2 в интервале 0,4-1,0.
Перечисленные и другие задачи, свойства и достоинства настоящего изобретения станут более понятными при рассмотрении нижеследующего описания и прилагаемых чертежей, которые представляют и иллюстрируют различные варианты изобретения. Эти варианты следует рассматривать только как примеры выполнения компонентов и сборки в целом, поскольку различные представленные охватываемые участки успешно сопрягаются с представленными охватывающими участками.
Краткое описание чертежей
На фиг.1А и 1В иллюстрируется известная конструкция традиционной сплошной насосной штанги, выполненной в соответствии со Спецификацией API 11B.
На фиг.2А, 2В и 2С представлены конфигурации соответственно первого конца полой насосной штанги, соединительного (ниппельного) элемента и сборки названных элементов согласно первому варианту изобретения, имеющей постоянный наружный диаметр.
Фиг.3А иллюстрирует конфигурацию сборки соединительного (ниппельного) элемента и полых насосных штанг согласно второму варианту изобретения, имеющих первый и второй высаженные охватывающие резьбовые концы, т.е. увеличенный наружный диаметр,
Фиг.3В иллюстрирует конфигурацию сборки полых насосных штанг, имеющих согласно третьему варианту изобретения первый охватывающий резьбовой конец и второй охватываемый резьбовой конец; сборка имеет постоянный наружный диаметр.
На фиг.4А, 4В и 4С представлены соответственно осевое сечение, вид заплечика в увеличенном масштабе и поперечное сечение плоскостью 4С-4С соединительного (ниппельного) элемента, имеющего первый и второй охватываемые резьбовые концы, соответствующего четвертому варианту изобретения, именуемому «полая насосная штанга HSR 48×6 с постоянным диаметром».
На фиг.5А и 5В представлены соответственно осевое сечение и вид заплечика в увеличенном масштабе полой насосной штанги согласно четвертому варианту изобретения, имеющей первый охватывающий резьбовой конец.
На фиг.6А, 6В и 6С соответственно представлены осевое сечение, поперечное сечение плоскостью 6В-6В и вид заплечика в увеличенном масштабе соединительного (ниппельного) элемента, имеющего первый и второй охватываемые резьбовые концы согласно пятому варианту изобретения, именуемому как «полая насосная штанга HSR 42×5 со смещением наружу».
На фиг.7А и 7В соответственно представлены осевое сечение и вид заплечика в увеличенном масштабе полой насосной штанги, имеющей первый охватывающий резьбовой конец согласно пятому варианту изобретения.
На фиг.8А, 8В и 8С соответственно представлены осевое сечение, вид заплечика в увеличенном масштабе и поперечное сечение плоскостью 8В-8В соединительного (ниппельного) элемента, имеющего первый и второй охватываемые резьбовые концы согласно шестому варианту изобретения (именуемому, как «полая насосная штанга HSR 48,8×6 со смещением наружу»).
На фиг.9А и 9В соответственно представлены осевое сечение и вид заплечика в увеличенном масштабе полой насосной штанги, имеющей первый охватывающий резьбовой конец, который выполнен высаженным согласно шестому варианту изобретения.
На фиг.10А представлено в увеличенном масштабе частичное осевое сечение первого охватывающего резьбового конца полой насосной штанги, иллюстрирующее профиль трапецеидальной асимметричной резьбы, которая в соответствии с предпочтительными вариантами изобретения соответствует модифицированной резьбе типа Buttress или SEC.
На фиг.10В представлено в увеличенном масштабе осевое сечение первого охватываемого резьбового конца на соединительном ниппельном элементе, иллюстрирующее профиль трапецеидальной асимметричной резьбы, которая в соответствии с предпочтительными вариантами изобретения соответствует модифицированной резьбе типа Buttress или SEC.
На фиг.11 представлено осевое сечение соединения с постоянным наружным диаметром. Обозначение «Зона А» указывает на застойную зону.
Фиг.12 иллюстрирует коррозию в застойной зоне.
На фиг.13 представлено осевое сечение модифицированного соединения с постоянным наружным диаметром согласно седьмому варианту изобретения, использующего модифицированный ниппельный элемент.
На фиг.14 представлено осевое сечение модифицированного ниппельного элемента, подобного показанному на фиг.13.
На фиг.15 представлено осевое сечение модифицированной штанги, подобной показанной на фиг.13.
На фиг.16А и 16В в осевом и поперечном сечениях показан конец модифицированной штанги, соответствующей паттерну 1.
На фиг.17А и 17В в осевом и поперечном сечениях показан конец модифицированной штанги, соответствующей паттерну 2.
На фиг.18А и 18В в осевом и поперечном сечениях показан конец модифицированной штанги, соответствующей паттерну 3.
На фиг.19 в осевом сечении представлено модифицированное соединение с постоянным наружным диаметром, использующее модифицированный ниппельный элемент и не имеющий смещения наружный конец штанги, характеризующееся, согласно восьмому варианту изобретения, наличием двух заплечиков для передачи крутящего момента и именуемое как «полая насосная штанга HSR 48х6 с постоянным диаметром и с двумя заплечиками».
На фиг.20А в осевом сечении показан модифицированный ниппельный элемент по фиг.19; на фиг.20В, 20С и 20D в увеличенном масштабе представлены соответственно первый заплечик ниппельного элемента для передачи крутящего момента, второй заплечик ниппельного элемента для передачи крутящего момента и поперечное сечение плоскостью 20D-20D соединительного (ниппельного) элемента, имеющего первый и второй охватываемые резьбовые концы согласно восьмому варианту изобретения.
На фиг.21А в осевом сечении представлен модифицированный наружный конец штанги, показанной на фиг.19; на фиг.21В и 21С в увеличенном масштабе соответственно представлены второй и первый заплечики для передачи крутящего момента штанги согласно восьмому варианту изобретения.
На фиг.22А в осевом сечении показан модифицированный ниппельный элемент согласно девятому варианту изобретения, именуемому как «полая насосная штанга HSR 48×6 с высаженным концом и с двумя заплечиками»; на фиг.22В, 22С и 22D в увеличенном масштабе представлены соответственно первый заплечик ниппельного элемента для передачи крутящего момента, второй заплечик ниппельного элемента для передачи крутящего момента и поперечное сечение плоскостью 22D-22D соединительного (ниппельного) элемента, имеющего первый и второй охватываемые резьбовые концы согласно девятому варианту изобретения.
На фиг.23А в осевом сечении показан модифицированный наружный конец штанги согласно девятому варианту изобретения; на фиг.23В и 23С в увеличенном масштабе соответственно представлены второй заплечик штанги для передачи крутящего момента и первый заплечик штанги для передачи крутящего момента согласно девятому варианту изобретения.
Осуществление изобретения
На фиг.1А представлена известная сплошная насосная штанга с обычным резьбовым концом (головкой) с охватывающей (внутренней) цилиндрической резьбой. Хорошо заметен большой промежуток между головкой и телом штанги, имеющими соответственно диаметры Dc и Dv. На фиг.1В схематично показано соединение подобной сплошной насосной штанги с обычной резьбовой соединительной муфтой согласно Спецификации API 11 В.
На фиг.2А-2С представлены конфигурации соответственно первого конца полой насосной штанги, соединительного (ниппельного) элемента и сборки названных элементов согласно первому варианту изобретения, имеющей постоянный наружный диаметр. Фиг.2А иллюстрирует выполнение охватывающей части полой штанги согласно изобретению. Можно видеть также, что внутренняя резьбовая поверхность штанги имеет форму усеченного конуса с уменьшающимся внутренним диаметром.
На фиг.2В показан ниппель (соединительный элемент) согласно настоящему изобретению. Можно видеть наличие наружной резьбы на поверхности в форме усеченного конуса (конической резьбы) и двух заплечиков для передачи крутящего момента. Можно также видеть, что в варианте, обозначенном как «Вариант А» и изображенном штриховыми линиями, сквозное отверстие ниппеля не имеет постоянного диаметра, а расширяется на конус, что позволяет получить большую площадь поперечного сечения вблизи заплечика для передачи крутящего момента. Такое выполнение неожиданно обеспечило улучшенную усталостную стойкость.
На фиг.2С показана сборка двух полых насосных штанг и одного резьбового ниппельного элемента. Можно видеть, что две охватывающие резьбы 3.а и 3.b на внутренних поверхностях штанг сцеплены с резьбой на соответствующих охватываемых концах 1.а и 1.b ниппельного элемента 2, у которого имеются также заплечики 2.а и 2.b для передачи крутящего момента. Сопряжение между соответствующими охватываемыми и охватывающими концами обеспечивается дифференциальным контактом витков 5.а и 5.b конической резьбы. То обстоятельство, что соединяемые концы имеют профиль усеченного конуса, облегчает стыковку и сборку обоих компонентов. В собранном состоянии заплечики 4.а и 4.b, расположенные на торцах первого и второго концов полых штанг, упираются в пару соответствующих заплечиков 2.а и 2.b для передачи крутящего момента, выполненных на ниппельном элементе. Контактные плоскости заплечиков образуют с осью штанги угол В заплечика для передачи крутящего момента (см. фиг.2А). Данный угол лежит в интервале 75-90°, предпочтительно составляя 83°.
На фиг.2В отмечены параметры отдельного соединительного (ниппельного) элемента. В частности, указаны наружный диаметр (DEN), внутренний диаметр (DIN) и внутренний диаметр (DHT) его заплечика для передачи крутящего момента. Соединительный элемент согласно изобретению характеризуется отношениями диаметров, приведенными в Таблице 3.
Таблица 3
Отношения диаметров
Интервал
минимальн.
максимальн.
DHT/DEN
0,60
0,98
DIN/DEN
0,15
0,90
DIN/DHT
0,25
0,92
На фиг.2В штриховыми линиями показан вариант А, соответствующий конической форме внутреннего канала в ниппельном элементе и являющийся предпочтительным. На фиг.2А показана полая насосная штанга в зоне соединения. Наружный диаметр (DEVU) соединения и внутренний диаметр (DIFR) штанги на торцевых поверхностях ее первого и второго концов соответствуют концам резьбы. На фиг.2А обозначен наружный диаметр DEV полой насосной штанги и отмечено, что DEVU=DEV, поскольку в зоне соединения у штанги нет высаженного конца. Отношение максимального наружного диаметра (DEVU) либо отдельного соединительного элемента, либо высаженного конца соединительного элемента, выполненного заодно со штангой, к наружному диаметру DEV штанги выдерживается в интервале 1 ≤ DEVU/DEV ≤ 1,5.
Отсюда следует, что при фиксированном максимальном диаметре средний полярный момент полой насосной штанги и соединительного элемента превышает аналогичный момент для сплошной насосной штанги с таким же диаметром поперечного сечения. Как следствие, передаваемый крутящий момент в колонне полых насосных штанг больше, чем в колонне сплошных насосных штанг. Данный фактор является также определяющим в отношении сопротивления обратному вращению колонны насосных штанг. Кроме того, отношение внутреннего (минимального) диаметра DHT заплечика для передачи крутящего момента на соединительном элементе и внутреннего диаметра DIFR полой насосной штанги на свободном конце резьбы выбирается в следующем интервале 1 ≤ DIFR/DHT ≤ 1,1.
На фиг.3А отмечены некоторые параметры сборки, у которой отношение ее максимального диаметра (DEVU) к диаметру (DEV) тела штанги ограничено следующим интервалом: 1<DEVU/DEV ≤ 1,5. На фиг.3В представлена конфигурация сборки согласно изобретению, у которой охватывающая резьба выполнена на первом конце штанги, тогда как на ее противоположном (втором) конце выполнена охватываемая резьба. Обе резьбы выполнены взаимно соответствующими, но дифференциальными в отношении угла конусности. Данная конфигурация далее будет именоваться как сборка, использующая штангу с высаженным концом, или как вариант интегрального соединения.
Фиг.4-10 относятся к предпочтительным вариантам, в которых полая насосная штанга содержит, по меньшей мере, на первом конце трубчатого тела резьбовой участок с конической охватывающей резьбой, представляющей собой модифицированную резьбу типа Buttress или типа SEC, размеры витков которой уменьшаются до нуля на внутренней стороне трубчатого тела. Данная резьба сочетается с заплечиком для передачи крутящего момента, расположенным под углом В, составляющим 75-90°. Наружный диаметр трубчатого тела на удалении от концов равен 42 мм или 48,8 мм, а его наружный диаметр у высаженного конца (если таковой имеется) равен соответственно 50 мм или 60,6 мм.
На фиг.4А, 4В и 4С соответственно представлены осевое сечение, вид заплечика в увеличенном масштабе и поперечное сечение плоскостью 4С-4С соединительного (ниппельного) элемента 402 с плоскими гранями 406, имеющего первый и второй охватываемые резьбовые концы 401а и 401b, согласно четвертому варианту изобретения. Данный вариант изобретения именуется как «полая насосная штанга HSR 48×6 с постоянным диаметром». Применительно к элементу, представленному на фиг.4А, резьба 405b соответствует модифицированной резьбе SEC, 8 витков на дюйм; DEN=48,8 мм; DIN=20 мм с увеличением (к торцу) до 26 мм на длине 44 мм; DHT=39 мм; В=83°; общая длина 158 мм; длина резьбового участка 46 мм, а длина центральной секции 50 мм. Заплечик 402а на фиг.4В смещен относительно конца резьбы на 4,61 мм и имеет радиусы внутреннего и наружного закруглений 1,4 мм и 0,5 мм соответственно.
На фиг.5А и 5В соответственно представлены осевое сечение и вид заплечика в увеличенном масштабе полой насосной штанги 403 согласно четвертому варианту изобретения, имеющей первый конец 403а с внутренней (охватывающей) резьбой. Данный вариант имеет следующие характеристики: резьба 405а - модифицированная резьба SEC, 8 витков на дюйм; DEV=48,8 мм; DIFR=41,4 мм; DIV=37 мм; В=83°. Заплечик 404а на фиг.5В образует с резьбой угол 30° и выступает на 4,5 мм; радиусы его внутреннего и наружного закруглений составляют соответственно 0,8 мм и 0,5 мм.
На фиг.6А, 6В и 6С соответственно представлены осевое сечение, поперечное сечение плоскостью 6В-6В соединительного (ниппельного) элемента 502 и вид его заплечика в увеличенном масштабе. Согласно пятому варианту изобретения (именуемому как «полая насосная штанга HSR 42×5 со смещением наружу») соединительный элемент снабжен плоскими гранями 506; он имеет первый и второй охватываемые резьбовые концы 501а и 501b. Данный вариант имеет следующие характеристики: резьба 505b - модифицированная резьба SEC, 8 витков на дюйм; DEN=50 мм; DIN=17 мм с увеличением (к торцу) до 25,3 мм на длине 44 мм; DHT=38,6 мм; В=83°; общая длина - 158 мм; длина резьбового участка - 46 мм, а длина центральной секции - 50 мм. Заплечик 502а на фиг.6С смещен относительно конца резьбы на 4,61 мм и имеет радиусы внутреннего и наружного закруглений 1,4 мм и 0,5 мм соответственно.
На фиг.7А и 7В соответственно представлены осевое сечение и вид заплечика в увеличенном масштабе полой насосной штанги 503 согласно пятому варианту изобретения, имеющей первый конец 503а с внутренней (охватывающей) резьбой. Данный вариант имеет следующие характеристики: резьба 505а - модифицированная резьба SEC, 8 витков на дюйм; DEVU в интервале от 50 мм до DEV=42 мм; DIFR=41 мм; DIV=36,4 мм с переходным участком до диаметра 30 мм, образующим угол 15°, начинающимся на расстоянии 55 мм от свободного конца и достигающим диаметра 32 мм на длине не более 150 мм; В=83°. Заплечик 504а на фиг.7В имеет переходный участок с углом 30° у конца резьбы и выступает на 4,5 мм; радиусы его внутреннего и наружного закруглений равны 0,8 мм и 0,5 мм соответственно.
На фиг.8А, 8В и 8С соответственно представлены осевое сечение, поперечное сечение плоскостью 8В-8В и вид заплечика в увеличенном масштабе соединительного (ниппельного) элемента 602. Согласно шестому варианту изобретения (именуемому как «полая насосная штанга HSR 48,8×6 со смещением наружу») соединительный элемент снабжен плоскими гранями 606; он имеет первый и второй охватываемые резьбовые концы 601а и 601b. Данный вариант имеет следующие характеристики: резьба 605b - модифицированная резьба SEC, 8 витков на дюйм; DEN=60,6 мм; DIN=20 мм с увеличением (к торцу) до 33,6 мм на длине 44 мм; DHT=47 мм; В=83°; общая длина - 158 мм; длина резьбового участка - 46 мм, а длина центральной секции - 50 мм. Заплечик 602а на фиг.8С смещен относительно конца резьбы на 4,61 мм и имеет радиусы внутреннего и наружного закруглений 1,4 мм и 0,5 мм соответственно.
На фиг.9А и 9В соответственно представлены осевое сечение и вид заплечика в увеличенном масштабе полой насосной штанги 603 согласно шестому варианту изобретения, имеющей первый конец 603а с внутренней (охватывающей) резьбой. Данный вариант имеет следующие характеристики: резьба 605а - модифицированная резьба SEC, 8 витков на дюйм; DEVU в интервале от 60,6 мм до DEV=48,8 мм; DIFR=49,4 мм; DIV=44,6 мм с переходным участком до диаметра 30 мм, образующим угол 15°, начинающимся на расстоянии 55 мм от свободного конца и достигающим диаметра 35,4 мм на длине не более 150 мм; В=83°. Заплечик 604а на фиг.9В имеет переходный участок с углом 30° у конца резьбы и выступает на 4,5 мм; радиусы его внутреннего и наружного закруглений равны 0,8 мм и 0,5 мм соответственно.
На фиг.10А представлено частичное осевое сечение в увеличенном масштабе предпочтительного варианта первого конца полой насосной штанги с охватывающей (внутренней) резьбой, иллюстрирующее профиль трапецеидальной асимметричной резьбы, соответствующей модифицированной резьбе типа Buttress или SEC. Видно, что профиль внутренней резьбы на каждой полой насосной штанге является трапецеидальным, асимметричным и неполным. Шаг резьбы равен 8 виткам на дюйм. Высота витка составляет 1,016+0/-0,051 мм. Конусность на резьбовом участке соответствует 0,1 мм/мм. Длина резьбового участка, по меньшей мере, на первом конце трубчатой штанги равна 44 мм. При этом некоторые витки являются неполными как следствие убывания высоты витков на внутренней резьбе до нуля. Конусность резьбы в угловой мере равна 2°51'45”; ширина витка по средней линии и расстояние между витками составляют 1,46 мм и 1,715 мм соответственно; угол наклона боковой стороны (грани) витка на ведущей (рабочей) стороне составляет 4°, а радиус внутреннего закругления равен 0,152 мм. Противоположная (задняя) сторона витка имеет угол наклона грани 8° и увеличенный радиус внутреннего закругления, равный 0,558 мм. На конце резьбового участка с внутренней стороны имеется короткий цилиндрический участок, который связывает резьбовой участок с остальной частью полого трубчатого элемента.
На фиг.10В представлено в увеличенном масштабе осевое сечение первого конца соединительного (ниппельного) элемента (соответствующего первому или второму предпочтительному варианту) с охватываемой (наружной) резьбой, иллюстрирующее профиль трапецеидальной асимметричной резьбы, соответствующей модифицированной резьбе типа Buttress или SEC. Наружный диаметр центральной секции каждого ниппельного элемента равен 50 мм или 60,6 мм, при этом у центральной секции может иметься пара радиально противоположных плоских поверхностей (граней), которые будут захватываться гаечным ключом при осуществлении сборки. Внутренняя резьба представляет собой модифицированную резьбу типа Buttress и имеет полные витки на обоих концах ниппельного элемента. Шаг резьбы - 8 витков на дюйм. Высота витка составляет 1,016+0,051/-0 мм. Конусность на резьбовом участке соответствует 0,0976 мм/мм. Профиль резьбы является трапецеидальным и асимметричным. Длина резьбового участка на каждом конце ниппельного элемента равна 46 мм. Все витки на ниппельном элементе являются полными. Угол В конической поверхности заплечика для передачи крутящего момента с осью равен 83°. Внутренний и наружный радиусы закруглений на заплечике для передачи крутящего момента равны 1,4 мм и 0,5 мм соответственно. Внутренний канал в зоне резьбовых участков предпочтительно имеет коническую форму. Эти конические участки стыкуются с цилиндрическим участком данного канала. Конусность резьбы в угловой мере равна 2°47'46”; ширина витка по средней линии и расстояние между витками составляют 1,587 мм и 1,588 мм соответственно; угол наклона задней стороны витка составляет 4° и радиус наружного закругления 0,152 мм, тогда как ведущая сторона витка имеет угол наклона грани 8° и больший радиус наружного закругления, составляющий 0,558 мм.
Фиг.11 и 12 иллюстрируют проблему коррозии при протекании флюида с допустимой скоростью по центральному каналу штанги. В зоне взаимного соединения (наложения) ниппельного элемента и штанги имеет место ранний износ. Это явление может быть обусловлено существованием «застойной области», в которой флюиды остаются почти неподвижными (имеют малую скорость). На фиг.11 и 12 эта область обозначена как «Зона А».
Чтобы решить данную проблему, была проведена модификация ниппельного элемента и штанги типа показанных на фиг.2А и 2В. Фиг.11 иллюстрирует такую полую насосную штангу, именуемую как «полая насосная штанга HSR 48×6 с постоянным наружным диаметром». Имеющаяся «застойная область» («Зона А») показана на фиг.11 и на фиг.12, которая на частичном перспективном виде в разрезе иллюстрирует развитие коррозии. На концах ниппельного элемента были введены небольшие уплотнения при соответствующем изменении угла конического участка внутреннего канала (в Зонах В, С и D на фиг.13-15). В данной модификации «застойная зона» больше не существует и течение флюида является спокойным при малой турбулентности. Важно отметить, что описанные модификации являются весьма малыми, так что они не приводят к существенным изменениям напряжений в соединении или эксплуатационных свойств сборки. Следует отметить, что описанные изменения касаются как ниппельного элемента, так и штанги (фиг.13-15). Фиг.13 иллюстрирует небольшое изменение, внесенное в вариант по фиг.11. Данное изменение состоит во введении в ниппельный элемент небольшой уплотнительной зоны, чтобы предотвратить задержку флюида (текущего по внутреннему каналу) в «застойной области», что могло бы приводить к эрозии-коррозии.
Распределение напряжений в ниппельном элементе и насосной штанге аналогично распределению для варианта HSR 48х6, показанного на фиг.2А-2С и на фиг.11.
Заплечик 701b для передачи крутящего момента (фиг.13-14) аналогичен представленному на фиг.11.
Номинальный диаметр и конусность на резьбовом участке 702b (фиг.13-14) также аналогичны параметрам варианта по фиг.11.
Витки резьбы на ниппельном элементе являются полными, а длина 703b резьбового участка (фиг.13-14) выбрана иной (меньшей), чем соответствующая длина 703а в варианте по фиг.11.
В отличие от варианта по фиг.11 между концом наружного ниппельного элемента и резьбовым участком 704b (фиг.13-14) имеется цилиндрический участок длиной 10-27 мм с наружным диаметром 36,8 мм.
Конец 705b ниппельного элемента действует как уплотнение соединения (фиг.13-14). Толщина этого конца 2 мм (в отличие от конца 705а ниппельного элемента по фиг.11).
Концевые участки канала в ниппельном элементе выполнены коническими. Угол 706b (фиг.14) составляет 8°16' и отличается от аналогичного угла 706а (см. фиг.11), равного 3°46'.
Общая длина 707b ниппельного элемента (см. фиг.14) аналогична длине 707а варианта по фиг.11.
Штанга также имеет заплечик 708b для передачи крутящего момента (фиг.13 и 15), размеры которого аналогичны размерам заплечика на фиг.11. Как и в варианте по фиг.11, некоторые витки 709b на штанге являются неполными вследствие убывания высоты витков на внутренней резьбе до нуля (см. фиг.15). Номинальный диаметр и конусность на резьбовом участке 710b (фиг.13 и 15) аналогичны соответствующим характеристикам варианта по фиг.11.
Внутри штанги, вблизи конца отрезка с неполными витками резьбы, у штанги имеется небольшой уплотняющий выступ (711 В, фиг.13 и 15). Хотя данный выступ может показаться вторым заплечиком для передачи крутящего момента, он не выполняет данной функции и его конструкция не рассчитана на нагрузку. Высота уплотняющего выступа в отличие от варианта по фиг.11 выбирается в зависимости от допусков на изготовление штанги, в интервале 0-1,7 мм. Угол, который составляет выступ 711 В с осью штанги, равен 90°, расстояние 712b от него до конца штанги в отличие от варианта по фиг.11 равно 55 мм (фиг.13 и 15). После сборки и приложения вспомогательного крутящего момента расстояние 713b (фиг.13) между ниппельным элементом и штангой в зоне В равно 0-0,6 мм. Нагрузка на уплотнение в Зоне В незначительна, и эта зона не передает крутящий момент, а используется только для создания уплотнения и для обеспечения спокойного течения флюида.
На фиг.16-18 представлен другой вариант, решающий задачу существенного увеличения потока извлекаемого флюида путем модифицирования концов колонны полых насосных штанг, подобных представленным на фиг.2А-2С, фиг.11 или фиг.13.
На двух концах колонны (у поверхности и у дна скважины) в теле штанги сверлится серия отверстий. Благодаря этому флюид может течь по внутреннему каналу колонны насосных штанг (обычно он течет через кольцевое пространство между наружной поверхностью полой насосной штанги и внутренней поверхностью эксплуатационной трубы). Расположение отверстий предпочтительно соответствует паттерну 1 (с 2 отверстиями в поперечном сечении и с разворотом отверстий на 90° в смежном сечении, удаленном от предыдущего сечения на заданное расстояние - см. фиг.16А, 16В), паттерну 2 (в котором отверстия расположены на заданном расстоянии вдоль спиральной линии, причем отверстия в различных дискретных сечениях ориентированы под различными углами - см. фиг.17А, 17В) или паттерну 3 (три отверстия в поперечном сечении, с расположением сечений на заданном расстоянии одно от другого - см. фиг.18А, 18В).
На фиг.16А, 16В представлен конец полой насосной штанги 803 с двумя отверстиями 804 в одном поперечном сечении, взаимно смещенными на 180°. При этом каждая такая пара отверстий развернута относительно предыдущей пары на 90° при заданном расстоянии р между смежными сечениями, в которых имеются отверстия. Предпочтительно диаметр Dh отверстий составляет 5-7 мм, а расстояние р равно 50-100 мм. Предпочтительно общая длина L зоны, содержащей отверстия, на каждом конце колонны составляет 3000-4000 мм, а количество отверстий в каждой такой зоне равно 62-162.
На фиг.17А, 17В показан один конец 805 полой насосной штанги с одним отверстием 806 на одно поперечное сечение. Отверстия расположены вдоль спиральной линии с заданным расстоянием между отверстиями (шагом) р в осевом направлении (фиг.17В) и с взаимным разворотом смежных отверстий на 120° (фиг.17А и 17В). Предпочтительно диаметр Dh отверстий составляет 5-7 мм, а расстояние р равно 25-50 мм. Предпочтительно общая длина L зоны, содержащей отверстия, на каждом конце колонны составляет 3000-4000 мм, а количество отверстий в каждой такой зоне равно 61-161.
На фиг.18А, 18В показан один конец 807 полой насосной штанги с тремя отверстиями 808 на одно поперечное сечение, взаимно смещенными на 120° по окружности штанги с заданным расстоянием между отверстиями (шагом) р в осевом направлении (фиг.18В). Предпочтительно диаметр Dh отверстий составляет 5-7 мм, а расстояние р равно 50-100 мм. Предпочтительно общая длина L зоны, содержащей отверстия, на каждом конце колонны составляет 3000-4000 мм, а количество отверстий в каждой такой зоне равно 93-243.
Таким образом, модифицированный ниппельный элемент (с уплотнением) по фиг.13 обеспечивает равномерное течение флюида по эксплуатационной трубе с малой турбулентностью. Это, в свою очередь, обеспечивает хорошую стойкость по отношению к эрозии-коррозии при протекании флюида на участке Зоны В внутри указанной трубы. Ниппельные элементы по фиг.14 и 11 являются взаимозаменяемыми.
Следует подчеркнуть, что во всех предпочтительных вариантах изобретения используется дифференциальная коническая резьба. Например, первый конец штанги может иметь конусность 0,1 дюйм/дюйм, тогда как конусность любого конца ниппельного элемента может составлять 0,0976 дюйм/дюйм. При этом во всех предпочтительных вариантах угол В, который коническая поверхность заплечика для передачи крутящего момента образует с осью, составляет 83°. Радиусы закруглений заплечика для передачи крутящего момента равны 0,8 мм для внутреннего закругления и 0,5 мм для наружного закругления.
Аналогично, во всех предпочтительных вариантах соединительный элемент имеет центральную секцию с наружной цилиндрической поверхностью. Заплечики для передачи крутящего момента примыкают к наружному диаметру данной центральной секции и расположены с возможностью взаимодействия с заплечиком для передачи крутящего момента на первом конце полой насосной штанги. Оба конца ниппельного элемента выполнены коническими, с наружной резьбой. Конические отрезки внутреннего канала примерно соответствуют по длине резьбовым концам, что создает эффективное сочетание элементов конструкции для увеличения поперечного сечения ниппельного элемента от каждого его конца к центральной секции и оптимальных положений заплечиков.
Основные размеры элементов в соответствии с восьмым и девятым вариантами изобретения, характеризующимися двумя группами заплечиков для передачи крутящего момента, иллюстрируются на фиг.19-23. Эти размеры, как и размеры для (непредставленного) варианта с промежуточными размерами («полая насосная штанга HSR 42×5 со смещением наружу, с DEVU=50,0 мм»), приведены в Таблице 4.
Таблица 4
DEVU, DEN (мм)
DIN1 (мм)
DHT1 (мм)
DIN2 (мм)
DHT2 (мм)
α (°)
DEV (мм)
DIV (мм)
DIFR1 (мм)
DIVU (мм)
DIFR2 (мм)
48,8
20,0
39,0
26,0
34,3
3°54'
48,8
35,4
41,7
26,0
35,2
50,0
17,0
38,6
26,0
33,7
5°50'
42,2
32,2
41,0
26,0
34,6
60,6
20,0
47,0
34,0
41,9
9°7'
48,8
35,4
49,4
34,0
42,8
Фиг.19-23 иллюстрируют варианты с двумя заплечиками для передачи крутящего момента. Полая насосная штанга имеет, по меньшей мере, на своем первом конце резьбовой трубчатый элемент с внутренней конической резьбой, представляющей собой модифицированную резьбу типа Buttress или SEC, высота витков которой уменьшается до нуля с внутренней стороны указанного элемента. Цилиндрический отрезок 904b на ниппельном элементе, расположенный между его торцом и витками резьбы, имеет длину около 9,5 мм и диаметр 34,3 мм. Как показано на фиг.19, у данного соединения имеются первая пара заплечиков 901b, 908b для передачи крутящего момента и вторая пара таких заплечиков 905b, 913b. Каждая пара заплечиков наклонена под углом примерно 7° к линии, перпендикулярной к оси ниппельного элемента. Другими словами, угол В примерно равен 83°. Наружный диаметр (DEVU и DEN) трубчатого элемента на конце, противоположном его торцу, составляет в восьмом и в девятом вариантах 48,8 мм. Если у трубчатого элемента имеется высаженный конец, его наружный диаметр составляет примерно 60,6 мм. Используемый материал должен иметь предел текучести более 960 МПа и предел прочности при растяжении более 1015 МПа. При сборке соединения между двумя взаимодействующими резьбовыми участками на насосной штанге и ниппельном элементе возникает диаметральная деформация. При свинчивании вручную зазор с1 между первыми заплечиками для передачи крутящего момента на штанге и ниппельном элементе лежит в пределах 0,4-2,5 мм, а зазор с2 между вторыми заплечиками - в интервале 0,4-2,8 мм, при этом с2≥с1 и 0 мм ≤(с2-с1)≤0,3 мм. Таким образом, второй заплечик для передачи крутящего момента в восьмом и в девятом вариантах испытывает умеренную нагрузку и передает крутящий момент, одновременно выполняя функцию уплотнения, способствующего, как и в седьмом варианте (фиг.13), равномерному течению флюида.
На фиг.20А, 20В, 20С и 20D соответственно представлены осевое сечение соединительного (ниппельного) элемента 902 с плоскими гранями 906, первый и второй виды заплечика в увеличенном масштабе и поперечное сечение элемента плоскостью 20D-20D. В соответствии с восьмым вариантом изобретения ниппельный элемент имеет первый и второй резьбовые концы с наружной (охватываемой) резьбой. Данный вариант соединения именуется как «полая насосная штанга HSR 48×6 с постоянным диаметром и с двумя заплечиками для передачи крутящего момента». Вариант, представленный на фиг.20А, имеет модифицированную резьбу 902b типа SEC, 8 витков на дюйм; DEN=48,8 мм; DIN1=20 мм с увеличением (к торцу) до 26 мм на длине 44 мм; DIN2=26 мм; DHT1=39 мм; DHT2=34,3 мм. Общая длина ниппельного элемента равна 159 мм; длина резьбового участка равна 41 мм, а расстояние между заплечиками равно 54,59 мм. Применительно к восьмому варианту отношения названных размеров таковы: DHT1/DEN=0,80; DIN1/DEN=0,41; DIN1/DHT1=0,513; DEVU/DEV=1,0; DIFR1/DHT1=1,062; DIFR1/DEVU=0,85; DIVU/DIFR2=0,74; DIN2/DHT2=0,76; DEVU/DIVU=0,53; DIFR2/DEVU=0,72; DIN1/DIN2=0,77.
a
Первый заплечик 901b ниппельного элемента (показанный и на фиг.20В) смещен относительно конца наружной резьбы на 4,06 мм и составляет угол 30° с осью на переходном участке. Угол В заплечика равен 83°, а радиусы его внутреннего и наружного закруглений составляют соответственно 1,4 мм и 0,5 мм. Второй заплечик 905b ниппельного элемента (показанный на фиг.20С) смещен относительно конца наружной резьбы на 9,5 мм, имеет угол В, равный 83°, радиус внутреннего закругления 0,5 мм на диаметре 26 мм и радиус наружного закругления 0,8 мм на диаметре 34,3 мм. Шероховатость поверхности характеризуется значением R, равным 0,05 мм, угол α равен 3°54'.
На фиг.21А, 21В и 21С соответственно представлены осевое сечение полой насосной штанги 903 с постоянным наружным диаметром и виды в увеличенном масштабе ее второго заплечика 913b и первого заплечика 908b. Штанга согласно восьмому варианту изобретения имеет охватывающий резьбовой конец 903b с размерами: DEVU=48,8 мм; DIFR1=41,7 мм; DIFR2=35,2 мм; DIVU=26 мм; DIV=35,4 мм. Диаметр внутреннего канала равен 23 мм.
a
Второй заплечик 913b штанги (показанный на фиг.21В) смещен относительно внутреннего конца резьбы на 6 мм. Заплечик имеет угол В, равный 83°, радиус внутреннего закругления 0,5 мм на диаметре DIVU 26 мм и радиус наружного закругления 0,9 мм на диаметре 35,2 мм. Шероховатость поверхности характеризуется значением R, равным 0,05 мм. Первый заплечик 908b штанги (показанный на фиг.21С) смещен относительно внутреннего конца ведущей поверхности резьбы на 4,5 мм; его поверхность наклонена к оси под углом 30°. Заплечик имеет угол В, равный 83°, радиус наружного закругления 0,5 мм на диаметре 48,8 мм и радиус внутреннего закругления 0,8 мм на диаметре 41,7 мм. Расстояние между заплечиками согласно восьмому варианту равно 54,55 мм.
На фиг.22А, 22В, 22С и 22D соответственно представлены осевое сечение соединительного (ниппельного) элемента 1002 с плоскими гранями 1006, первый и второй виды заплечика в увеличенном масштабе и поперечное сечение элемента плоскостью 22D-22D. В соответствии с девятым вариантом изобретения ниппельный элемент имеет первый и второй резьбовые концы с наружной (охватываемой) резьбой. Данный вариант именуется как «полая насосная штанга HSR 48×6 с высаженным концом и с двумя заплечиками для передачи крутящего момента». Наружный диаметр DEVU (DEN) в этом варианте составляет 60,6 мм. Применительно к девятому варианту отношения его размеров таковы: DHT1/DEN=0,776; DIN1/DEN=0,33; DIN1/DHT1=0,425; DEVU/DEV=1,24; DIFR1/DHT1=1,051; DIFR1/DEVU=0,82; DIVU/DIFR2=0,79; DIN2/DHT2=0,81; DEVU/DIVU=0,56; DIFR2/DEVU=0,71; DIN1/DIN2=0,59.
Вариант соединения, представленный на фиг.22А, использует модифицированную резьбу SEC, 8 витков на дюйм; DEN=60,6 мм; DIN1=20 мм с увеличением (к торцу) до 34 мм на длине 44 мм; DHT=47 мм; DIN2=34 мм; DHT2=41,9 мм; α=9°7'; длина резьбового участка 41 мм; общая длина 159 мм, а расстояние между заплечиками 54,56 мм.
a
Первый заплечик 1001b ниппельного элемента (показанный и на фиг.22 В) имеет угол В, равный 83°, смещен относительно конца наружной резьбы на 4,06 мм и составляет угол 30° с осью на переходном участке, а радиусы его внутреннего и наружного закруглений составляют соответственно 1,4 мм и 0,5 мм. Второй заплечик 1005b ниппельного элемента (показанный на фиг.22С) смещен относительно конца наружной резьбы на 9,5 мм, имеет угол В, равный 83°, радиус внутреннего закругления 0,5 мм на диаметре 34 мм и радиус наружного закругления 0,8 мм на диаметре 41,9 мм. Шероховатость поверхности характеризуется значением R, равным 0,05 мм.
На фиг.23А, 23В и 23С соответственно представлены осевое сечение полой насосной штанги 1003 без смещения и виды в увеличенном масштабе ее второго заплечика 1003b и первого заплечика 1008b. Штанга согласно девятому варианту изобретения имеет размеры: DEVU=60,6 мм; DIV=35,4 мм; DIVU=34 мм; DIFR1=49,4 мм; DIFR2=42,8 мм.
a
Второй заплечик 1013b штанги (показанный и на фиг.23В) смещен относительно внутреннего конца резьбы на 6,2 мм. Заплечик имеет угол В, равный 83°, радиус внутреннего закругления 0,5 мм на диаметре DIVU 34 мм и радиус наружного закругления 0,9 мм на диаметре 42,8 мм. Первый заплечик 1008b (показанный на фиг.23С) смещен относительно внутреннего конца ведущей поверхности резьбы на 4,5 мм; его поверхность наклонена к оси под углом 30°. Заплечик имеет угол В, равный 83°, радиус наружного закругления 0,5 мм на диаметре (DEVU) 60,6 мм и радиус внутреннего закругления 0,8 мм на диаметре 49,4 мм. Расстояние между заплечиками согласно девятому варианту равно 54,8 мм. Шероховатость поверхности характеризуется значением R, равным 0,05 мм.
В то время как в описании были представлены и описаны предпочтительные варианты изобретения, его объем ограничивается только нижеследующей формулой изобретения.