НАСОСНАЯ ШТАНГА ДЛЯ ГЛУБИННОГО НАСОСА

Полезная модель относится к области машиностроения, более конкретно к насосным штангам, являющимся основными составными элементами колонны штанг глубинного насоса, используемого при добыче нефти.
Известна насосная штанга, состоящая из тела штанги в виде прутка и резьбовых головок, выполненных зацело с прутком [1] путем высадки концов прутка и последующего выполнения на них резьбы. Резьбовые головки необходимы для соединения штанг в колонну с помощью соединительных муфт.
Недостаткам штанги является несоосность прутка и резьбовой головки, возникающая при изготовлении головки из-за износа кузнечного инструмента, используемого для высадки концов прутка, усугубляемая наличием концентратора напряжений в месте перепада диаметров по длине прутка, возникающего при формировании резьбовой головки. Указанный недостаток ведет к снижению надежности штанги в эксплуатации из-за возможности ее поломки в результате усталостного излома.
Известна насосная штанга глубинного насоса [2], в которой тело штанги в виде прутка и резьбовые головки изготавливаются отдельно друг от друга. Затем головки посредством сварки трением привариваются к торцам прутка. В готовой конструкции удается в определенной степени избежать несоосности прутка и резьбовых головок, но зато имеет место выраженный концентратор напряжений в месте расположения сварного шва. Наличие сварного шва снижает качество штанги и ее надежность в эксплуатации из-за возможной поломки штанги по сварному шву, поскольку даже при самом высоком качестве сварки прочность сварного шва уступает по прочности основному материалу.
Наиболее близкой к заявляемой штанге по технической сущности является штанга, состоящая из прутка, представляющего тело штанги, имеющего на концах бобышки, полученные высадкой концов прутка, и резьбовых головок, в качестве которых использованы накидные гайки, предварительно до высадки бобышек насаживаемые на пруток и затем соединяемые с прутком резьбой.
Достоинством данной штанги по сравнению со штангой [2] является отсутствие сварного соединения прутка и резьбовой головки. По сравнению со штангой [1] уменьшается диаметр высаживаемой части прутка, что повышает качество и надежность штанги за счет уменьшения влияния концентратора напряжений в месте перепада диаметров прутка и бобышки.
Однако опасность возникновения при высадке несоосности прутка и бобышек на его концах сохраняется со всеми вытекающими из этого последствиями для качества штанги, описанными выше, и эта опасность тем больше, чем больше диаметр бобышки. Здесь необходимо заметить, что диаметр бобышки должен быть достаточным для создания упорного буртика для накидной гайки. В результате, хотя и в меньшей степени, чем в [1], сохраняется также концентратор напряжений из-за перепада диаметров прутка и бобышки.
Кроме того, общим недостатком всех описанных выше штанг является то, что при их использовании в качестве составных элементов колонны штанг глубинного насоса требуются дополнительные соединительные детали, типа муфт. Соединительные детали в определенной степени уменьшают жесткость колонны штанг. В месте их расположения в процессе эксплуатации колонна изгибается более всего и начинает контактировать со стенками насосно-компрессорной трубы (НКТ), что приводит к ускоренному износу, как самой колонны штанг, так и стенок НКТ.
Использование резьбовых головок и соединительных муфт приводит к увеличению толщины колонны на соответствующих участках, что в свою очередь, ведет к росту гидравлического сопротивления и существенному снижению коэффициента полезного действия насоса в целом, особенно при добыче высоковязкой нефти.
Использование многочисленных крепежных деталей для соединения штанг в колонну ведет к значительному расходу конструкционных материалов (стали) и удорожанию колонны.
Другим общим недостатком всех описанных выше штанг является то, что их конструкция предусматривает соединение штанг в колонну посредством муфт торец к торцу. Такое соединение под воздействием изгибных напряжений при наличии самых незначительных зазоров в резьбовых соединениях и незначительной несоосности прутка и резьбовой головки может привести к поломке соединительной муфты, которая выполняется в виде втулки, имеющей достаточно тонкую стенку [1]. Как отмечено в [1], при учащении случаев усталостного излома в муфтах рекомендуется применять муфты с увеличенным наружным диаметром, что практически неосуществимо, поскольку необходимо обеспечить достаточное расстояние между муфтой и НКТ во избежание повышенного трения между ними при ходе плунжера и роста гидравлического сопротивления.
Задачей полезной модели является повышение качества и надежности насосной штанги за счет исключения несоосности прутка и резьбовых головок, а также концентраторов напряжений по длине прутка.
Задачей полезной модели является создание такой конструкции штанги, которая позволит повысить качество и надежность всей колонны насосных штанг в целом.
Задачей полезной модели является создание такой конструкции штанги, которая позволит уменьшить количество соединительных деталей в колонне и, следовательно, уменьшить расход высокопрочной стали для изготовления колонны и тем самым удешевить колонну.
Поставленная задача решается в случае, когда насосная штанга для глубинного насоса, состоящая из соединенных резьбой прутка и резьбовых головок, отличается от известной тем, что резьбовые головки представляют собой полумуфты, которые с одного конца имеют внутреннюю резьбу для соединения с прутком, а с противоположного конца одна резьбовая головка имеет внутреннюю резьбу, другая резьбовая головка имеет наружную резьбу, предназначаемые для соединения с соответствующими концами резьбовых головок других насосных штанг.
Поставленная задача решается также в случаях, когда:
- резьба на концах прутка и соответствующая резьба на резьбовых головках выполнена конической;
- резьба на концах прутка и соответствующая резьба на резьбовых головках имеет поля допусков, которые назначают из условия соединения прутка с нагретой головкой;
- резьбовые участки на прутке и головках выполнены накаткой;
- участки прутка, на которых выполнена резьба, имеют больший диаметр, чем остальная часть прутка;
- резьбовые головки изготовлены также из прутка, при этом в резьбовой головке, имеющей внутреннюю резьбу с обоих концов, между резьбовыми отверстиями имеется глухая перемычка;
- резьбовые головки изготовлены из материала, имеющего большую прочность, чем материал прутка.
Сущность полезной модели заключается в отсутствии бобышек на концах прутка, что, во-первых, исключает несоосность резьбовой части и всей остальной части прутка, во-вторых, из-за отсутствия перепада диаметров по длине прутка исключает концентратор напряжений. Возможно посредством высадки за один переход некоторое увеличение диаметра прутка под резьбу, которое в виду незначительности неспособно негативно повлиять на качество штанги.
Сущность полезной модели заключается также в том, что в качестве резьбовых головок каждой штанги используются полумуфты, которые подлежат соединению с полумуфтами других штанг. В результате резко сокращается количество соединительных деталей в колонне.
Кроме того, резьбовые головки целесообразно изготавливать также из прутка. При этом в резьбовой головке, имеющей внутреннюю резьбу с обоих концов между резьбовыми отверстиями целесообразно оставлять глухую перемычку. Возможность изготовления резьбовых головок из прутка придает резьбовым головкам и штанге в целом дополнительную прочность, а всей колонне в сборе придает дополнительную жесткость, что в совокупности с меньшим количеством соединительных деталей делает колонну менее подверженной изгибным напряжениям, снижает гидравлическое сопротивление и существенно повышает коэффициент полезного действия глубинного насоса.
Для изготовления резьбовых головок может использоваться материал, имеющий большую прочность, чем материал прутка, используемого для тела штанги. Причем большая прочность материала резьбовой головки может быть достигнута, в частности, за счет термообработки [4]. Или же резьбовая головка может быть изготовлена из стали другой марки, имеющей большую прочность за счет легирования.
Для повышения надежности резьбового соединения рекомендуется поля допусков при выполнении резьбы на концах прутка и соответствующей резьбы на головках, назначать из условия соединения прутка с нагретой головкой, и соединение прутка с каждой из головок осуществлять при нагреве головки. Или же рекомендуется резьбу на концах прутка и соответствующую резьбу на головках выполнять конической.
Резьбу предпочтительно выполнять накаткой, в процессе которой происходит дополнительное деформационное упрочнение резьбовой части прутка, что в конечном итоге дополнительно повышает надежность штанги.
Полезная модель поясняется графическими материалами:
На фиг.1 показана насосная штанга глубинного насоса;
На фиг.2. показана схема соединения насосных штанг в колонну.
На фиг.1, 2 поз.1 обозначен пруток (тело штанги); поз.2 - резьбовая головка, имеющая с обоих концов внутреннюю резьбу; поз.3 - резьбовая головка, имеющая с одного конца внутреннюю резьбу, а с другого конца наружную резьбу.
В насосной штанге резьбовые головки 2, 3 в виде полумуфт соединены посредством резьбы с прутком 1. В колонне насосные штанги соединены посредством муфт, каждая из половин которых представляет собой резьбовую головку отдельной штанги.
Примеры изготовления предлагаемой штанги.
Пример 1. Прутковую заготовку диаметром 100 мм из стали ЗОХМА прокатывают на пруток диаметром 20 мм, при этом режимы нагрева, прокатки и охлаждения после прокатки выбирают обеспечивающими реализацию режимов высокотемпературной термомеханической обработки (ВТМО) для данной стали. Особенность ВТМО состоит в том, что закалку проводят сразу после горячей деформации, и это позволяет исключить из технологической цепочки отдельную операцию упрочняющей термообработки, состоящей из нагрева заготовок, выдержки их при этой температуре и последующего охлаждения в воде.
После прокатки проводят отпуск прутков, обеспечивающий формирование требуемого уровня механических свойств. Затем прутки подвергают предварительной правке и обточке поверхности на бесцентровом токарном станке до диаметра 19,5 мм. Далее следует операция правки-полировки методом поперечно-винтовой прокатки. Прокатка осуществляется на полированных валках из твердого сплава, в результате чего получается пруток диаметра 19 мм с упрочненной поверхностью с шероховатостью не более Ra 0,63 и кривизной не более 0,3 мм на 1 м длины. Далее прутки режутся на мерные прутки длиной 8000 мм (тело штанги) и на их концах накаткой получают коническую резьбу. Затем на пруток с двух концов накручивают с натягом резьбовые головки.
Пример 2. Данный пример отличается от примера 1 тем, что после резки исходного прутка на мерные прутки длиной 8100 мм на их концах высадкой увеличивают диаметр до 22 мм и затем накаткой получают цилиндрическую резьбу. При изготовлении резьбовых головок размеры внутренней резьбы уменьшают на 0,1 мм и перед накручиванием их на тело штанги нагревают до 200-250°С и накручивают горячими.
Пример 3. Данный пример отличается от примера 1 тем, что на резьбу наносится композиционный клей, головки завинчиваются на тело штанги до упора без натяга и штанга в сборе нагревается до температуры 100-150°С и выдерживается при ней 1-2 часа.
Источники информации, принятые во внимание:
1. Генрих Решмюллер. Добыча нефти глубинными штанговыми насосами. Изд. «Шелер-Блекман ГМБХ», г.Терлиц, 1988, 150 с.
2. Патент РФ №2119858, МПК В23Р 15/00, 1998 г.
3. Патент РФ №2329129, МПК В23Р 15/00, 2008 г..
4. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. Металлургия. 1986. 480 с.