НАСОСНАЯ ШТАНГА

Предложение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности, к техническим средствам для подъема жидкости из скважин и может быть использовано для передачи движения в составе колонны насосных штанг от наземного привода к скважинному штанговому насосу.
Известны конструкции глубинно-насосной штанги (по ГОСТ 13877 и ГОСТ Р 51161), содержащие стержень с установленными с двух сторон резьбовыми головками.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемой конструкции насосной штанги является полая «Насосная штанга» (см. пат. RU №2210002, F04В 47/02, опубл. 10.08.2003, Бюл. №22), содержащая стеклопластиковый полый стержень и закрепленные с обеих сторон стержня полые металлические головки с резьбовыми соединительными элементами.
Общими недостатками аналогов являются:
- их высокая упругость (величина относительной деформации штанг под воздействием нагрузки при эксплуатации приводит к значительным изменениям длины штанговой колонны, а значит к потере производительности глубинно-насосной штанговой установки)
- их кратковременная живучесть (окончательное разрушение штанги с момента возникновения трещины на поверхности насосной штанги может наступить внезапно)
Технической задачей полезной модели является уменьшение упругости (увеличение жесткости) насосной штанги в направлении действия рабочей нагрузки, снижающей ее деформацию, и повышение живучести штанги, позволяющей снизить риск внезапного обрыва (аварийных ситуаций) за счет
введения в конструкцию полой штанги дополнительного предварительно напряженного элемента (элементов).
Указанная техническая задача может быть решена предлагаемой насосной штангой, включающей полый стержень, установленные с двух сторон на концах указанного стержня головки с резьбовыми концами.
Новым является то, что полый стержень оснащен упорными площадками, размещенными на концах штанги, и предварительно растянутым в пределах упругой деформации внутренним стержнем, который снабжен концевыми упорами, взаимодействующими с упорными площадками полого стержня.
На Фиг.1 изображен вид с сечениями насосной штанги.
На Фиг.2 эпюры продольных остаточных напряжений в стержнях для штанги, работающей на растяжение.
Насосная штанга, включающая полый стержень 1 (см. Фиг.1), установленные с двух сторон на концах указанного стержня головки 2, имеющие хотя бы с одной стороны соединительную часть с резьбовым элементом 3. Полый стержень 1 оснащен упорными площадками 4. В сквозное отверстие полого стержня 1 установлен, предварительно растянутым в пределах упругой деформации внутренний стержень 5, который снабжен концевыми упорами 6, взаимодействующими с упорными площадками 4 полого стержня 1, концы которого закреплены в головках 2 штанги с помощью разъемного или неразъемного соединения А.
Насосная штанга работает следующим образом.
При помощи резьбовых элементов 3 головки 2 она устанавливается в колонну перед спуском в скважину (на черт. не показана). Верхняя часть колонны полых штанг соединяется с тяговым устройством, например станком-качалкой (на черт. не показан), а нижняя - с рабочим органом, например со штанговым насосом (на черт. не показан).
При воздействии рабочих нагрузок в направлении наибольших по величине остаточных напряжений (см. Фиг.2) штанга, представляющая собой
систему предварительно напряженных элементов, а именно, полого стержня 1 и внутреннего стержня 5, будет деформироваться тем меньше, чем больше абсолютная величина разницы величин остаточных напряжений в полом 1 и внутреннем 5 стержнях.
где
1
|P| - величина остаточного усилия, растягивающего штангу, Н;
2
|P| - величина остаточного усилия, сжимающего штангу, Н;
1
2
|P|=|P|;
1
σ - величина остаточных напряжений сжатия в полом стержне, МПа;
2
σ - величина остаточных напряжений растяжения во внутреннем стержне, МПа;
2
F - площадь сечения полого стержня, м;
2
f - площадь сечения внутреннего стержня, м.
При возникновении в полом стержне 1 трещин их дальнейшее развитие в его теле будут замедлять сжимающие остаточные напряжения.
При поломке полого стержня 1 несущая способность штанги будет эффективно поддерживаться внутренним стержнем 5 за счет его прочности и остаточных напряжений, препятствующих раскрытию трещины разрушения полого стержня 1, что придает насосной штанге дополнительную живучесть.
Полый стержень 1 (см. Фиг.1) оснащен упорными площадками 4, которые могут иметь следующие исполнения:
- в качестве упорных площадок 4 используются торцы полого стержня 1, что упрощает конструкцию;
- в качестве упорных площадок 4, например, используются торцы цилиндрических выборок 4 со стороны резьбовых элементов 3, выполненных размером больше диаметра внутреннего стержня 5
и соосно с ним, что позволяет уменьшить массу и габариты штанги.
Внутренний стержень 5 оснащен концевыми упорами 6, которые могут иметь следующие исполнения:
- в качестве концевых упоров 6 используют детали разъемных соединений с возможностью фиксации, например, используется тело резьбовых деталей, которые могут перемещаться по ответной резьбе на концах внутреннего стержня 5 или полого стержня 1, до упора в упорные площадки 4, что позволяет регулировать установку внутреннего стержня 5 и улучшить технологичность сборки штанги;
- в качестве концевых упоров 6 используют элементы неразъемных соединений, например, используются концевые заклепочные головки, что позволяет улучшить технологичность сборки штанги.
В качестве упорных площадок 4 и концевых упоров 6 может быть использовано неразъемное соединение концов полого стержня 1 и внутреннего стержня 5 следующих исполнений:
- с помощью сварки, что повышает надежность соединения и обеспечивает герметичность внутренней полости от проникновения рабочей среды при эксплуатации;
- запрессовкой, что также повышает надежность соединения и обеспечивает герметичность внутренней полости от проникновения рабочей среды при эксплуатации. Внутренний стержень 5 может быть выполнен составным в виде продольных тросов или набора стержней различного профиля, что позволяет еще больше повысить живучесть штанги за счет увеличения количества резервных элементов.
Внутренний стержень 5 может быть полым с замкнутой или открытой внутренней полостью, что позволит снизить массу штанги и использовать
полость для вспомогательных целей, например, для подачи химического реагента в скважину.
Таким образом, предлагаемая конструкция насосной штанги позволяет уменьшить деформации в направлении действия рабочих нагрузок, а значит повысить производительность глубинно-насосной штанговой установки, а также сохранять работоспособное состояние при неисправном состоянии внешней поверхности, но при сохранении работоспособности внутреннего предварительно напряженного стержня, т.е. повысить живучесть. 2 илл. на 1 л.