ЦЕНТРАТОР ДЛЯ НАСОСНЫХ ШТАНГ

Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована в эксплуатационных скважинах для центрирования колонны насосных штанг при вращении в насосно-компрессорных трубах (далее -НКТ), снятия усилий колонны насосных штанг (далее - КНШ) и применим к установке винтового штангового насоса с наземным приводом.
Известен центратор штанг фирмы «KUDU», устанавливаемый между штанговыми ниппелями и состоящий из трех деталей: шпинделя, втулки и штангового ниппеля (Каталог винтовых насосов фирмы «KUDU» для нефтяных скважин, с.48, 49).
Известны межмуфтовые центраторы (аналог), изготовленные по технологии фирмы "Enterra" из стеклонаполненного полиамида, а также центраторы, установленные на насосной штанге (Каталог ОАО «Мотовилихинские заводы» с.40-41).
Недостатки данных центраторов заключаются в невозможности снятия осевой нагрузки, низкой эффективности и низкой надежности в сильно искривленных и горизонтальных скважинах, где трудно установить колонну насосных штанг по центру насосно-компрессорных труб, в результате чего происходят удары и истирание штанг о НКТ и увеличивается количество обрывов и отворотов КНШ. Вышеуказанные центраторы не могут выполнять функции подшипника, а именно, уменьшать нагрузки на наземный привод и колонну насосных штанг, уменьшать момент трения и крутящий момент в КНШ. Кроме того, процесс изготовления этих центраторов трудоемок. К недостаткам следует отнести и низкую ремонтопригодность, невозможность оценки состояния штанги внутри устройств при диагностике штанг. Неметаллические центраторы могут разрушаться при превышении допустимого контактного давления центратора с внутренней стенкой НКТ.
Куски разрушенного центратора нарушают работу насоса, происходит износ НКТ и КНШ, что делает необходимым внеплановый ремонт скважины.
Известны специальные направляющие муфты АзНИИДН, полиамидные и гумированные протекторные муфты (Справочная книга по добыче нефти. Под ред. д-ра техн. наук Ш.К.Гиматудинова. М., «Недра». 1974, с.348).
Известны устройства для уменьшения истирания насосно-компрессорных труб и штанг, включающие неметаллический корпус с продольным вырезом профильной формы и соединительный элемент с ответной ему поверхностью, снабженные расположенными на торцах корпуса траверсами с двумя продольными и двумя поперечными отверстиями и установленными в них соединительными резьбовыми элементами (А.с. СССР №1493765, кл. Е21В 17/10, опубл. 15.07.1989 г). Указанное устройство по технической сущности более близко к предлагаемому центратору для насосных штанг, и его можно взять в качестве прототипа.
Недостатки данных центрирующих устройств заключаются в невозможности применения при вращении колонны насосных штанг, так как происходит большой износ при трении в насосно-компрессорных трубах.
Технической задачей заявляемой полезной модели является устранение износа штанг/насосно-компрессорных труб, снижение момента трения, уменьшение постоянной нагрузки, возможность применения вращения колонны насосных штанг не только в искривленных, наклонных, но и в горизонтальных скважинах, снижение трудоемкости и себестоимости изготовления устройства.
Поставленная техническая задача решается описываемым центратором для насосных штанг (далее - центратор), содержащим корпус с центрирующим элементом.
Новым является то, что корпус выполнен в виде цилиндрического стержня с кольцевым выступом и присоединительными резьбовыми нарезками на концевых участках, а его центрирующий элемент выполнен в виде подшипника качения, с натягом насаженного на корпус до кольцевого выступа и снабжен герметизирующими крышками, закрепленными между собой крепежными резьбовыми деталями, при этом герметизирующие крышки выполнены с продольными вырезами или со сквозными продольными отверстиями для прохода пластовой жидкости, причем уплотнительное кольцо, установленное между герметизирующими крышками, выполнено с продольными вырезами или со сквозными продольными отверстиями.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами, где:
- на фиг.1 представлен центратор в разрезе, вид спереди;
- на фиг.2 - центратор по фиг.1, выполненный со сквозными продольными отверстиями, вид снизу;
- на фиг.3 - центратор по фиг.1, выполненный с продольными вырезами, вид снизу;
- на фиг.4 - центратор с неметаллической обоймой в разрезе, вид спереди;
- на фиг.5 - центратор с увеличенным неподвижным наружным кольцом в разрезе, вид спереди;
- на фиг.6 - центратор, вариант со щелевым уплотнением в разрезе, вид спереди;
- на фиг.7 - центратор по фиг.6, выполненный со сквозными продольными отверстиями, вид снизу;
- на фиг.8 - центратор по фиг.6, выполненный с продольными вырезами, вид снизу;
- на фиг.9 - уплотнительное кольцо со сквозными продольными отверстиями, вид снизу;
- на фиг.10 - уплотнительное кольцо с продольными вырезами, вид снизу;
- на фиг.11 - неметаллическая обойма к фиг.4 со сквозными продольными отверстиями, вид снизу;
- на фиг.12 - неметаллическая обойма к фиг.4 с продольными вырезами, вид снизу;
- на фиг.13 - увеличенное неподвижное наружное кольцо к фиг.5 со сквозными продольными отверстиями, вид снизу;
- на фиг.14 - увеличенное неподвижное наружное кольцо к фиг.5 с продольными вырезами, вид снизу;
- на фиг.15 - рабочее положение центратора в НКТ;
- на фиг.16 - скважина, оборудованная установкой штангового винтового насоса с наземным приводом.
Центратор (фиг.1, 4, 5, 6) содержит центрирующий элемент в виде подшипника качения, а именно - вращающееся внутреннее кольцо 7, неподвижное наружное кольцо 2 и размещенные между ними тела качения 3. Вращающееся внутреннее кольцо 1 насаживается с натягом на корпус 4, выполненный в виде цилиндрического стержня, до кольцевого выступа 5, который служит для предотвращения осевого смещения вращающегося внутреннего кольца 7 относительно корпуса 4. При проектировании центратора следует учитывать угол кривизны скважины (для выбора надежного уплотнительного устройства) и направление действия воспринимаемой нагрузки (подшипник выбирают из следующих видов: радиальный, упорный, радиально-упорный, упорно-радиальный). Необходимо также выбрать нужную форму тела качения (шарик или ролик); число рядов тел качения (одно-, двух-, четырех- и многорядные); группу конструктивного признака (с цилиндрическим или конусным отверстием вращающегося внутреннего кольца; одинарные или двойные; сдвоенные, строенные, счетверенные и т.п.) и др. В качестве защиты тел качения 3 от перекачиваемой среды служит уплотнительное устройство, состоящее из герметизирующих крышек 6 и 7 (фиг.1-5), стянутых между собой крепежной резьбовой деталью 8. Для уплотнения зазоров между герметизирующими крышками 6 и 7 и неподвижным наружным кольцом 2 служит радиальное уплотнение - уплотнительное кольцо 9. Внутренняя полость 10 заполнена смазкой для предотвращения контакта металла с металлом между телами качения 3 посредством создания между ними масляной пленки. Смазка также служит для отвода тепла от тел качения 3 и для снижения в них трения, тем самым улучшая их характеристики. Корпус 4 с присоединительными резьбовыми нарезками на концевых участках соединяется с колонной насосных штанг 11 (фиг.15} муфтой 12. Между НКТ 13 {фиг.15) и КНШ 11 находятся кольцевые зазоры 14 и 15. Для удерживания тел качения 3 друг от друга на определенном расстоянии и обеспечения равномерного распределения нагрузок служит сепаратор (на фигурах не изображен), имеющий ячейки по размеру тела качения 3. Для прохождения жидкости в неподвижном наружном кольце 2 (фиг.13) и герметизирующих крышках 6 и 7 (фиг.2) могут быть выполнены сквозные продольные отверстия 16. На фиг.1, 4 и 5 герметизирующие крышки 6 и 7 выполнены с жировыми кольцевыми проточками 18 и 19, которые заполнены густым смазочным материалом, который создает необходимое уплотнение. В качестве уплотнения могут быть и другие виды уплотнения, например, радиальные, манжетные, сальниковые и др. От условий эксплуатации (искривление ствола скважины) зависит количество центраторов в колонне насосных штанг 11.
Возможен также вариант с использованием неметаллической обоймы 20 (фиг.4), которая соединяется с неподвижным наружным кольцом 2 неразъемно (например, способом литья под давлением, термопрессованием и т.п.) и имеет жесткое фрикционное сцепление с поверхностью неподвижного наружного кольца 2. Используя набор пресс-форм можно обеспечить формование такого вида центратора для любого диаметра насосно-компрессорных труб 13 и диаметра неподвижного наружного кольца 2, связанного с определенным диаметром НКТ 13.
Возможен также вариант с неподвижным наружным кольцом 2 (фиг.5), выполненным увеличенного диаметра.
Возможен также вариант с использованием в центраторе защитных уплотнений 21 и герметизирующих крышек 22 и 23, выполненных со щелевыми уплотнениями 24 и 25 {фиг.6-8). Герметизирующие крышки 22 и 23 предотвращают попадание механических примесей к защитным уплотнениям 27 и снижают давление продукции скважины на тело качения 3.
Герметизирующие крышки 6, 7, 22 и 23 могут быть выполнены как металлическими, так и неметаллическими. Стороны герметизирующих крышек 6, 7, 22 и 23 могут быть закругленными или с фаской. Закругление (фаска) способствует улучшению движения центратора при спуско-подъемных операциях. На наружной поверхности неподвижного наружного кольца 2 (фиг.14), герметизирующих крышек 6 и 7 (фиг.З), уплотнительного кольца 9 (фиг.10), неметаллической обоймы 20 (фиг.12), герметизирующих крышек 22 и 23 (фиг.8) выполняются продольные вырезы 17. Уплотнительное кольцо 9 (фиг.9), неметаллическая обойма 20 (фиг.11), герметизирующие крышки 22 и 23 (фиг.7), могут быть выполнены со сквозными продольными отверстиями 16.
Наружный диаметр центратора (фиг.15) меньше внутреннего диаметра НКТ 13. Это условие необходимо для создания технологического зазора 26 между НКТ 13 и центратором с целью избежания заклинивания КНШ 11 при спуско-подъемных операциях.
Скважина, оборудованная установкой штангового винтового насоса с наземным приводом {фиг.76), содержит пласт 27, обсадную колонну 28 с перфорационными отверстиями 29, винтовой штанговый насос 30 с колонной насосных штанг 77, насосно-компрессорные трубы 13, приводную головку 31 с двигателем 32, устьевую арматуру 33 и линию перекачки 34 жидкости.
Центратор работает следующим образом.
При включении двигателя 32 (фиг.16) приводной головки 31 вращается полированный шток (на фиг.16 не обозначен), КНШ 77, корпус 4 (фиг.1, 4-6) и вращающееся внутреннее кольцо 7, а неподвижное наружное кольцо 2 остается неподвижным. Продукция пласта 27 (фиг.]6) через перфорационные отверстия 29 поднимается винтовым штанговым насосом 30 по кольцевому зазору 14 (фиг.15) между НКТ 13 и КНШ 77 через сквозные продольные отверстия 16 (фиг.2 и 7) или продольные вырезы 17 (фиг.3 и 8), по технологическому зазору 26 (фиг.15) и далее по кольцевому зазору 15 в линию перекачки 34 жидкости (фиг.16). Переменные нагрузки КНШ 11 обусловлены наличием падающей характеристики коэффициента трения от скорости трущихся поверхностей в винтовом штанговом насосе 30, приводящей к внезапному обрыву КНШ 11, т.е. выходу из строя насосной установки и необходимости проведения подземного ремонта для ликвидации обрыва КНШ 11. Поэтому функции подшипника качения в центраторе позволяют решить массу проблем при эксплуатации скважины винтовым штанговым насосом.
Благодаря предлагаемому техническому решению исключается соприкосновение КНШ со стенкой НКТ, т.к. центратор остается неподвижным относительно НКТ при вращении КНШ, причем насосные штанги будут расположены практически по центру насосно-компрессорных труб, в результате чего устраняется износ штанг и насосно-компрессорных труб. Центратор снижает также момент трения, уменьшает постоянную нагрузку, уменьшает крутящий момент в колонне насосных штанг, дает возможность применения вращения колонны насосных штанг не только в искривленных, наклонных, но и в горизонтальных скважинах. Кроме того, преимуществами центратора являются малая амплитуда колебания сопротивления вращению в процессе работы колонны насосных штанг, удовлетворяется требование взаимозаменяемости и унификации элементов узлов центратора, удовлетворяется требование транспортировки и хранения. Полезную модель отличает простота монтажа, обслуживания при демонтаже, а также невысокая стоимость вследствие не сложной конструкции. Центратор обеспечивает снижение расхода электроэнергии. Кроме того, использование заявляемого устройства позволит исключить номенклатуру «Штанга насосная с центраторами ЦВН» и эксплуатировать скважины только «штангами без центраторов».