НАСОСНАЯ ШТАНГА И СПОСОБ ЕЁ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
PUMPING ROD AND METHOD FOR ITS MANUFACTURE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к машиностроению в области нефтедобычи и, в частности, к техническим средствам для механизации добычи нефти из скважины.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Из публикации патента RU 2232865 (Д1, опубликован 20.07.2004) известна насосная штанга с наконечником (ниппелем), содержащая: стержень с глухими отверстиями и прорезями в торцах (концах); ниппель, выполненный из двух соединённых друг с другом резьбой и адгезивом деталей. Ниппель при этом содержит внутреннюю полость в виде цилиндрической поверхности (Д1, фиг 4, поз.10), переходящей в коническую поверхность (Д1, фиг.4, поз.11), при этом цилиндрическая поверхность соединяется с конической в месте наименьшего диаметра конической поверхности. Также штанга содержит расклинивающую деталь в виде усечённого конуса. Наконечник также содержит элемент резьбового соединения для соединения штанг между собой посредством муфты. При этом, ниппель состоит из двух частей: внутренняя часть своей внутренней поверхностью выполнена с возможностью соединения с расклиниваемым концом стержня и имеет цилиндрическую внешнюю поверхность с внешней резьбой; при этом внешняя часть содержит глухую цилиндрическую полость с внутренней резьбой, выполненную с возможностью вмещения в ней внутренней части ниппеля и соединения с ней. В ходе сборки штанги стержень, покрытый адгезивным составом, помещают во внутреннюю часть ниппеля, расклинивают его покрытой адгезивным составом расклинивающей деталью и соединяют с внешней частью ниппеля посредством резьбы и адгезивного состава.
Известное из Д1 решение, с одной стороны, является сложным в изготовлении (2 отдельных металлических детали, которые механически соединяются между собой и со стержнем в несколько приёмов), а с другой, допускает неполное соединение частей конструкции адгезивный состав: при погружении и ввинчивании внутренней части ниппеля со стержнем в цилиндрическую полость внешней части ниппеля будут образовываться пузырьки воздуха, в результате чего адгезивный состав будет покрывать не всю поверхность соединяемых деталей штанги.
Также из публикации патента CN 209603888 (Д2, опубликован 08.11.2019) известна стеклопластиковая штанга, включающая в себя наконечник, содержащий элемент резьбового соединения для соединения штанг между собой посредством муфты. При этом наконечник содержит концевую часть (Д2, поз.1), которая снабжена резьбовым соединением для соединения с корпусом (Д2, поз.3). Корпус содержит сквозное отверстие, сформированное цилиндрической и конической поверхностями таким образом, что стержень (Д2, поз.4) своим концом может располагаться внутри корпуса, а при расклинивании стержня с помощью расклинивающей детали (Д2, поз.2), расклиненный участок стержня взаимодействует с конической поверхностью отверстия, препятствуя разъединению корпуса и стержня. После расклинивания стержня внутри корпуса, концевая часть ввинчивается в корпус с использованием адгезионного состава.
Насосная штанга, выполненная в соответствии с известным из Д2 решением, также сложна в изготовлении, при этом при погружении и ввинчивании концевой части в корпус могут образовываться пузырьки воздуха, в результате чего адгезивный состав будет покрывать не всю поверхность соединяемых деталей штанги.
Из публикации патента RU 2117132 (Д3, опубликован 10.08.1998) известна насосная штанга, содержащая стержень, на концах которого посредством адгезива, расклинивающей детали и центрирующей втулки закреплены ниппели. Ниппель при этом выполнен из единой детали и содержит резьбовой элемент (Д3, поз.7) посредством которого штанги соединяются в колонну с помощью муфт; глухую внутреннюю полость для фиксации в ней концевой части стержня, стенки которой представляют собой поверхность, образованную цилиндрическими и коническими поверхностями; при этом одна из конических поверхностей ориентирована соосно со штангой так, что меньший диаметр поперечного сечения расположен дальше от дна полости, чем больший, и предназначена для удержания расклиненной части штанги.
Разработчиками настоящего технического решения была испытана конструкция наконечника и штанги, изготовленных в соответствии с решением, раскрытым в Д3. После сборки штанг, а именно после отверждения адгезива, они были подвергнуты растягивающей нагрузке в размере 0,5-0,95 предела текучести материала стеклопластиковой штанги. В ходе проведения испытаний, стержень с расклинивающей деталью сдвигаются в осевом направлении, а внутри полости наконечника образуется пустота. Продольный разрез испытанной детали представлен на фиг.1. Ширина образовавшегося пустого пространства (размер вдоль оси штанги) составляет обычно от 0,5 до 2,5 мм. Такое испытание предпочтительно проводить в отношении всех изделий, чтобы оценить их реакцию на растягивающие нагрузки в ходе эксплуатации. Как показывают испытания, клеевое соединение не выдерживает растягивающих нагрузок. Образовывающееся пустое пространство приводит к уменьшению площади соприкосновения клеевого состава с наконечником штанги, то есть к снижению прочности этого соединения. Наличие пустого пространства может привести к ослаблению соединения в случае возникновения знакопеременных нагрузок в штанговой колонне. При этом, без предварительного испытания растяжением растягивающие нагрузки, возникающие в ходе эксплуатации изделия, с высокой вероятностью приведут к возникновению аналогичного пустого пространства.
Всё это говорит о недостаточной надёжности штанг, изготавливаемых в соответствии с известными решениями.
Известный из Д3 источник был принят в качестве ближайшего аналога (прототипа) раскрытого ниже технического решения.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Перед разработчиками настоящего изобретения стояла цель создания насосной штанги, которая была бы надёжнее известных аналогов.
Поставленная задача была решена за счёт создания насосной штанги и способа её изготовления.
В первом аспекте настоящего изобретения была создана насосная штанга, содержащая
стержень и два наконечника;
при этом каждый из наконечников выполнен с возможностью соединения с последующим элементом колонны и содержит вблизи своего второго конца полость, включающую в себя участок внутренней поверхности, выполненный с возможностью удержания по меньшей мере части расклиненного концевого участка стержня;
стержень выполнен с возможностью расклинивания его концевого участка внутри полости наконечника;
отличающаяся тем, что
насосная штанга содержит канал, обеспечивающий возможность введения адгезива в пространство между дном полости и расклиненным концом стержня, удерживаемым в полости.
Во втором аспекте настоящего изобретения был создан способ изготовления насосной штанги, включающий в себя этапы, на которых
обеспечивается наконечник насосной штанги, выполненный с возможностью соединения с последующим элементом колонны, и содержащий вблизи своего второго конца полость, выполненную с возможностью размещения в ней и удержания по меньшей мере части расклиненного концевого участка стержня;
обеспечивается стержень, концевой участок которого выполнен с возможностью расклинивания внутри полости наконечника;
концевой участок стержня помещается в полости наконечника;
выполняется расклинивание концевого участка стержня;
отличается тем, что
при этом способ содержит этапы, на которых
после расклинивания концевого участка стержня выполняется продольное растяжение соединения наконечника со стержнем до напряжения, не превышающего предел текучести стержня;
обеспечивается канал, выполненный с возможностью введения через него адгезива в пространство между дном полости и концом стержня;
через канал пространство между дном полости и концом стержня, доступное после растяжения, заполняется дополнительным адгезивом;
выполняется отверждение дополнительного адгезива.
Технический результат, достигаемый настоящим изобретением, заключается в повышении надёжности насосной штанги. Повышение надёжности насосной штанги выражается главным образом в повышении надёжности соединения наконечника штанги со стержнем.
Технический результат в раскрытом техническом решении достигается благодаря тому, что в насосной штанге, выполненной с использованием раскрытых технических решений, в ходе эксплуатации не возникает разрушения клееных соединений и не образуются полости, ослабляющие соединение наконечников и стержня. Таким образом, штанга в соответствии с раскрытым техническим решением более надёжна в эксплуатации.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 – фотография соединения наконечника и стержня штанги, изготовленной в соответствии с техническим решением, известным из Д3, после испытания продольным растяжением до 0,8 предела текучести стержня в продольном разрезе.
Фиг.2 – схематичное изображение соединения наконечника штанги со стержнем в продольном разрезе после выполнения расклинивания концевого участка стержня.
Фиг.3 - схематичное изображение соединения наконечника штанги со стержнем в продольном разрезе после продольного растяжения соединения.
Фиг.4 – схематичное изображение соединения наконечника штанги со стержнем в продольном разрезе после продольного растяжения соединения и заполнения образовавшегося пространства адгезивом.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Насосная штанга 1 соответствии с раскрытым техническим решением содержит стержень 2 и два наконечника 3. Стержень 2 в предпочтительном варианте осуществления выполняется из полимерного материала, например, стеклопластика (ГОСТ 31825). В иных вариантах осуществления в качестве материала стержня 2 могут применяться и другие полимерные материалы с необходимыми механическими характеристиками (предел прочности на растяжение не менее 700 МПа, стойкость к ударам, вибрации, химическая стойкость к скважинной жидкости). Стержень 2 в предпочтительном варианте выполняется круглого поперечного сечения, однако возможны и другие варианты, например, шестиугольного или переменного поперечного сечения. Наконечники 3 могут быть выполнены из металла, предпочтительно – стали.
При этом, для реализации функции насосной штанги 1 наконечник 3 выполнен с возможностью соединения с последующим элементом штанговой колонны. Для обеспечения такой возможности соединения наконечник 3 может вблизи своего первого конца 4 (противоположном концу, вблизи которого наконечник соединяется со стержнем) содержать элемент 5 резьбового соединения, выполненный с возможностью соединения с последующей штангой в колонне посредством муфты. На втором конце 6 (вблизи которого наконечник соединяется со стержнем) наконечник 3 в соответствии с раскрытым техническим решением содержит полость 7, включающую в себя участок 8 внутренней поверхности, выполненный с возможностью удержания по меньшей мере части расклиненного концевого участка 9 стержня 2. В предпочтительном варианте осуществления технического решения участок 8 внутренней поверхности выполнен в форме конической поверхности, диаметр которой уменьшается по направлению ко второму концу 6 наконечника 3. В других вариантах осуществления участок 8 внутренней поверхности может быть выполнен ступенчатой или иной формы. Угол конусности конусной поверхности может составлять от 1,5 до 2,5 градусов. При значениях меньше 1,5 снижается прочность соединения, при угле более 2,5 градусов увеличивается трудоёмкость изготовления (увеличивается усилие вдавливания стержня 2 в наконечник 3 с расклинивающей деталью 10, требуемое для расклинивания стержня 2).
В соответствии с раскрытым техническим решением стержень 2 выполнен с возможностью расклинивания его концевого участка 9 внутри полости 7 наконечника 3. Для этого штанга 1 может включать в себя расклинивающий элемент 10, а стержень 2 может содержать направляющий вырез 11 для расклинивающего элемента 10 внутри стержня 2. Форма и размеры расклинивающего элемента 10 соответствует требуемому углу конусности расклиненного участка 9 стержня 2 и может быть определена опытным путём. В частности, аналогичные расклинивающие элементы 10 известны из Д1-Д3. Также в качестве расклинивающего элемента 10 может быть использовано изделие «штифт конический» в соответствии с ГОСТ 3129-70. Форма направляющего выреза 11 в предпочтительном варианте выполняется соответствующей форме конца расклинивающего элемента 10, для того, чтобы по меньшей мере частично разместить расклинивающий элемент 10 в направляющем вырезе 11 стержня до расклинивания. Направляющий вырез может быть выполнен в виде глухого отверстия цилиндрической формы, выполненного соосным со стержнем. Расклинивание при этом выполняется путём задавливания концевого участка стержня 2 в полость 7 наконечника 3. Для задавливания стержня 2 в наконечник 3 с расклиниванием может применяться пресс с усилием 250-300 кгс. В предпочтительном варианте осуществления технического решения соединение расклинивающего элемента 10 с направляющим вырезом 11, а также соединение стержня 2 с наконечником 3 при расклинивании выполняется с добавлением основного адгезива (жидкого клеевого состава). Усилие пресса при вдавливании стержня 2 в полость 7 наконечника 3 уходит как на расклинивание концевого участка 9 стержня 2, так и на выдавливание нанесённого на соответствующие поверхности адгезива. В качестве дополнительного и/или основного адгезива может применяться жидкий клеевой состав на основе эпоксидной смолы типа ЭД-20 с наполнителями.
В соответствии с настоящим техническим решением насосная штанга 1 содержит канал 12, обеспечивающий возможность введения адгезива в пространство 13 между дном полости 7 и расклиненным концом стержня 2 (поверхностью расклиненного участка 9 стержня 2), удерживаемым в полости 7.
Канал 12 может выполняться в виде сквозного отверстия в теле наконечника. В предпочтительном варианте осуществления технического решения канал 12 выполняется в виде сквозного отверстия, выполненного вдоль оси наконечника 3 от первого конца 4 наконечника 3 до дна полости 7, как это представлено на фигурах 2-4 чертежей. В других вариантах осуществления канал 12 может быть выполнен под иным углом к оси наконечника. Оптимальным с технологической точки зрения является прямой канал цилиндрической формы круглого поперечного сечения диаметром от 4 до 8 мм. Такой канал более прост в реализации (сверлением), и имеет достаточно низкое гидродинамическое сопротивление для прохождения через него дополнительного адгезива. В некоторых вариантах осуществления канал может выполняться другой формы поперечного сечения: эллипс, многоугольник и пр. При этом канал выполняется с возможностью в ходе изготовления ввести через него извне адгезив (клеевой состав) в пространство 13 между дном полости 7 и расклиненным концом стержня 3. В предпочтительном варианте осуществления в готовом изделии (насосной штанге) по существу весь объём пространства 13 между расклиненным участком 9 стержня 2 и дном полости 7 заполнен отверждённым адгезивом. В отдельных вариантах осуществления канал 12 может быть выполнен проходящим через тело стержня 2 или через пространство между стержнем 2 и наконечником 3.
В настоящем описании используются признаки «основной адгезив» и «дополнительный адгезив». Необходимо понимать, что они могут быть одинаковы по своему составу и могут быть схожи по своей функции. Основное различие между этими признаками в этапе, на котором адгезив наносится на соединяемые детали. Основной адгезив может наноситься на поверхность расклинивающего элемента, концевого участка стержня и полости 7 наконечника 2 до расклинивания концевого участка 9. Дополнительный адгезив вводится через канал 12 в пространство 13 между дном полости 7 и поверхностью торца стержня 2, доступное после растяжения, и в некоторых вариантах осуществления может проникать в другие доступные полости соединения стержня 2 с наконечником 3.
Наличие канала 12 позволяет в штанге 1 после проведения испытаний или до них заполнить доступное пространство 13 внутри соединения стержня 2 и наконечника 3 дополнительным адгезивом. Это с одной стороны увеличивает площадь взаимодействия адгезива с поверхностями стержня и полости 7 наконечника 3; с другой – дополнительно фиксирует расклиненный концевой участок 9 внутри полости 7. Благодаря этому достигается большая надёжность насосной штанги 1.
Способ изготовления насосной штанги в соответствии с раскрытым техническим решением включает в себя этап, на котором обеспечивается наконечник 3 насосной штанги 1, выполненный с возможностью соединения с последующим элементом штанговой колонны и содержащий вблизи своего второго конца полость 7, выполненную с возможностью размещения в ней и удержания по меньшей мере части расклиненного концевого участка 9 стержня 2. Обеспечение наконечника 3 может включать в себя его изготовление и/или подготовку к дальнейшему соединению со стержнем 2. Наконечник 3 в предпочтительном варианте осуществления технического решения выполнен в виде единой детали из стали с использованием токарно-фрезерного станка, универсальных пяти- или шести- координатных универсальных станков, методом литья, спекания из порошкового материала и др. В отдельных вариантах осуществления наконечник 3 может быть выполнен составным, например аналогичном тому, как это представлено в источниках Д1 и Д2.
Способ также содержит этап, на котором обеспечивается стержень 2, концевой участок которого выполнен с возможностью расклинивания внутри полости 7 наконечника 3. Стержень в предпочтительном варианте выполняется из стеклопластика, однако, может также быть выполнен из любого другого материала, в том числе металла. Возможность расклинивания может быть обеспечена путём высверливания и/или выпиливания в концевой части стержня 2 направляющего выреза 11 для расклинивающего элемента 10, которая обеспечивает необходимый объём для расположения в ней расклинивающего элемента 10 и определяет своей формой направление движения расклинивающего элемента 10 внутри концевой части стержня 2 при расклинивании. В предпочтительном варианте осуществления технического решения направляющий вырез 11 выполняется такой формы, чтобы обеспечивалась возможность до расклинивания частично вставить расклинивающий элемент в вырез 11.
Способ также содержит этапы, на которых концевой участок 9 стержня 2 помещается в полость 7 наконечника и выполняется расклинивание концевого участка 9 стержня 2. В предпочтительном варианте осуществления раскрытого технического решения наконечник выполняется цельнометаллическим, а расклинивание выполняется в ходе помещения концевого участка 9 стержня в полость 7 наконечника 2 путём задавливания стержня 2 в полость 7 в осевом направлении. Для этого поверхности стержня 2, полости 7 наконечника 3 и расклинивающего элемента 10 могут быть покрыты основным адгезивом; расклинивающий элемент 11 частично вставляется в направляющий вырез 11 стержня 2; с помощью пресса стержень 2 с расклинивающим элементом 10 задавливается в полость 7 наконечника 3 вдоль оси стержня 2 так, что вместе с задавливанием (помещением стержня в полость наконечника) происходит расклинивание концевого участка 9 стержня 2 расклинивающим элементом 9 и вхождение концевого участка 9 стержня 2 в зацепление с коническим участком 8 внутренней поверхности полости 7. Для исключения повреждения соединяемых деталей выдающийся из стержня 2 конец расклинивающего элемента 9 может выполнятся конической (или иной) формы, соответствующей форме дна полости 7 наконечника 3, в результате чего при задавливании происходит позиционирование расклинивающего элемента 9 относительно дна полости 7.
В предпочтительном варианте осуществления поверхности стержня 2, полости 7 наконечника 3 и расклинивающего элемента 10 могут быть покрыты основным адгезивом, однако возможны варианты осуществления, в которых основной адгезив не используется, соединение наконечника и стержня с расклиниванием выполняется без основного адгезива, при этом доступное пространство в соединении заполняется дополнительным адгезивом после этапа, на котором выполняется растяжение соединения стержня 2 и наконечника 3.
Способ в соответствии с раскрытым техническим решением содержит этап, на котором после расклинивания концевого участка 9 стержня 2 выполняется продольное растяжение соединения наконечника 3 со стержнем 2 до напряжения, не превышающего предел текучести стержня 2. Необходимо понимать, что помимо целей настоящего изобретения (разрушение недостаточно прочного клеевого соединения и уплотнение соединения расклиненного участка стержня с наконечником) растяжение может нести собой функцию испытания изделия на прочность на растяжение. В связи с этим усилие может варьироваться в широких пределах. Испытание на прочность предпочтительно проводить при растяжении до напряжения 0,5-0,95 предела текучести стержня 2. При этом для задач настоящего технического решения усилие растяжения может зависеть от свойств клеевого состава: будет достаточным напряжение, достаточное для разрушения недостаточно прочных клеевых соединений и уплотнения соединения расклиненного участка 9 стержня 2 с наконечником 3 с образованием пространстве 13 между дном полости 7 и поверхностью расклиненного участка стержня. Для испытания изделия соединение может подвергаться максимальному растяжению, допустимому в ходе работы штанги 1. При растяжении отверждённый основной адгезив (в случае его наличия) частично разрушается, а зацепление конического участка 8 внутренней поверхности полости 7 с расклиненным участком 9 стержня уплотняется, в результате чего между дном полости 7 и поверхностью расклиненного участка 9 стержня 2 образуется дополнительное пустое пространство 13, толщина которого обычно составляет от 0,5 до 2,5 мм.
Также способ содержит этап, на котором обеспечивается канал 12, выполненный с возможностью введения через него адгезива в пространство 13 между дном полости 7 и поверхностью расклиненного участка 9 стержня 2. Обеспечение канала 12 может выполняться, например, путём высверливания сквозного канала 12 вдоль оси наконечника 3 после расклинивания концевого участка стержня 2. В других вариантах осуществления канал 12 может располагаться иначе, чем вдоль оси наконечника 3. Высверливание (в других вариантах осуществления прожигание или прошивка) может выполняться и предварительно при изготовлении наконечника 3, однако, в предпочтительных вариантах осуществления технического решения дополнительно при соединении стержня 2 с наконечником 3 и, в частности, расклинивания концевого участка наконечника 3 с помощью расклинивающего элемента 10, поверхности полости 7, стержня 2 и расклинивающего элемента 10 покрываются основным адгезивом (клеевым составом). При расклинивании и задавливании стержня 2 с расклинивающим элементом 10 в полость 7, а также при растяжении соединения адгезив будет выдавливаться из соединения и заполнять доступное пространство. В связи с этим, часть просверленного канала 12 после отверждения основного адгезива скорее всего будет закупорена. В этом варианте осуществления обеспечение канала включает в себя этап, на котором выполняется раскупоривание канала 12, например, путём досверливания отверстия (канала) и удаления адгезива, закупорившего канал 12.
Чтобы исключить закупоривание, способ в соответствии с раскрытым техническим решением может включать в себя этап, на котором предварительно просверленный до дна полости 7 канал 12 закрывается заглушкой, препятствующей попаданию адгезива в объём канала 12. В этом случае способ может включать в себя этап, на котором после отверждения основного адгезива выполняется удаление заглушки из канала 12. Заглушка может быть выполнена из пластика, резины или любого другого материала.
Также с целью исключения закупоривания, способ в соответствии с раскрытым техническим решением может включать в себя этап, на котором перед соединением наконечника 3 и стержня 2 выполняется частичное высверливание канала 12. В этом случае после соединения наконечника 3 со стержнем 2, отверждения основного адгезива и, предпочтительно, после растяжения соединения наконечника 3 со стержнем, выполняется досверливание канала 12 для достижения им пространства между дном полости 7 и расклиненным концом наконечника 3.
Действия, обеспечивающие канал 12, могут выполняться как предварительно (например, при изготовлении наконечника), так и после соединения наконечника 3 со стержнем 2.
Способ в соответствии с раскрытым техническим решением также содержит этап, на котором через канал 12 пространство 13 между дном полости и концом стержня 2, доступное после растяжения, заполняется дополнительным адгезивом. Для этого к каналу 12 может быть подсоединён источник адгезива, который выполнен с возможностью подачи под давлением жидкого клеевого состава (адгезива) в канал 12. При этом, в варианте осуществления, предполагающим использование основного адгезива, дополнительным адгезивом заполняется главным образом пространство 13 между дном полости и концом стержня 2, доступное после растяжения. В варианте осуществления, не предполагающем использование основного адгезива, дополнительный адгезив может заполнять также всё доступное пространство внутри соединения наконечника 3 со стержнем 2.
Способ в соответствии с раскрытым техническим решением содержит также этап, на котором выполняется отверждение дополнительного адгезива.
Штанга 1 в соответствии с представленными вариантами осуществления содержит два наконечника и, соответственно, два узла соединения стержня с наконечниками. Приведённые этапы способа в предпочтительном варианте осуществления технического решения выполняются в отношении обоих наконечников штанги. При этом растяжение может выполняться в отношении обоих соединений стержень-наконечник одновременно.
Настоящее техническое решение было подробно описано со ссылкой на отдельные варианты его осуществления, однако очевидно, что оно может быть осуществлено в различных вариантах, не выходя за рамки заявленного объёма правовой охраны, определяемого формулой изобретения.