ШТАНГОВАЯ КОЛОННА
ROD STRING

Изобретение относится к технике механизированной добычи нефти, а именно к скважинным штанговым насосным установкам, и может быть использовано при эксплуатации скважин с любым профилем его ствола.
Известна штанговая колонна (Патент РФ №2310733, опубл. 20.11.2007 г.), состоящая из штанг и глухих муфт, а также шарнирных муфт, которые выполнены в виде стакана с внутренней расточкой и присоединительной резьбой для штанги на одном конце, опорной втулки, жестко связанной со вторым концом стакана и снабженной конической расточкой, размещенной внутри стакана на уровне его расточки, и штока со сферической головкой, которая кинематически связана с конической расточкой опорной втулки, тело размещено в осевом отверстии опорной втулки с зазором, причем шток и опорная втулка снабжены сопрягаемыми профилями, разнесенными на величину запаса осевого хода.
Недостатками такой конструкции являются низкая надежность и работоспособность из-за действия ударных нагрузок, возникающих при возвратно-поступательном движении колонны штанг из-за рассогласования скоростей отдельных интервалов колонны вследствие запасов осевого хода их относительно друг друга, и больших сил и моментов сил трения, препятствующих повороту в азимутальном и зенитном направлениях, а также вращению вокруг оси колонны, с интенсификацией износа из-за суммирования этих перемещений в одной кинематической паре «коническая расточка опорной втулки - сферическая головка штока», приводящих в агрессивной и абразивной скважинной среде к быстрому выходу из строя рабочих поверхностей пары трения.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является штанговая колонна (Патент РФ №2124109, опубл. 27.12.1998 г.), состоящая из штанг, глухих муфт, а также шарнирных муфт, установленных по длине колонны на участках искривления скважин и в нижней части колонны и выполненных в виде стакана с внутренней расточкой и присоединительной резьбой для штанг на одном конце, разрезной опорной втулки, жестко связанной со вторым концом стакана и снабженной конической расточкой, размещенной внутри стакана на уровне его расточки, и полуштанги (штока) со сферической головкой, размещенной в расточке стакана и кинематически связанной одновременно с конической расточкой разрезной опорной втулки и торцом штанги, ввернутой в резьбовой конец стакана, а тело полуштанги (штока) размещено в осевом отверстии опорной втулки с радиальным зазором.
Недостатком такой колонны является то, что в кинематической паре «коническая расточка разрезной опорной втулки - сферическая головка полуштанги» одновременно существуют три вращательных движения вокруг трех координатных осей, что приводит к большим относительным перемещениям рабочих поверхностей этой кинематической пары, сопровождающейся интенсивным их износом в агрессивной и абразивной среде с увеличением моментов сил трения и, соответственно, снижением надежности и работоспособности.
Целью изобретения является повышение надежности и работоспособности колонны штанг.
Сущность изобретения состоит в том, что в штанговой колонне, состоящей из штанг, глухих муфт, а также шарнирных муфт, которые выполнены в виде стакана с внутренней расточкой и присоединительной резьбой для штанги на одном конце, опорной втулки, жестко связанной со вторым концом стакана и снабженной на конце конической расточкой, устанавливаемой внутри стакана на уровне его внутренней расточки, и штока, размещенного в осевом отверстии опорной втулки с зазором и выполненного с присоединительной резьбой к колонне штанг на одном конце, согласно изобретению шарнирная муфта снабжена упором, жестко связанным со вторым концом штока и размещенным во внутренней расточке стакана с радиальным зазором, и втулкой, установленной на штоке и размещенной во внутренней расточке стакана, один торец которой выполнен с плоской поверхностью, а второй со сферической поверхностью, причем сферический торец с конической расточкой опорной втулки образуют пространственный шарнир, а плоский торец с плоским торцом упора образует упорный подшипник скольжения.
На чертеже представлена штанговая колонна.
Она состоит из насосных штанг 1, глухих штанговых муфт (не показаны), шарнирных муфт, включающих стакан 2 с внутренней расточкой и присоединительной резьбой для штанги на одном конце, опорную втулку 3, с конической расточкой на торце, жестко связанную со вторым концом стакана 2, штока 4 с присоединительной к колонне штанг резьбой на одном конце, упор 5 с плоским торцом, жестко закрепленным на втором конце штока 4, и втулку 6 со сферическим и плоским торцами.
Штанговая колонна работает следующим образом. Нагрузка от ниже расположенных штанг и столба жидкости передается на шток 4 и последовательно через упор 5, втулку 6, опорную втулку 3 и стакан 2 расположенной выше части колонны штанг. При этом за счет кинематической пары «коническая расточка опорной втулки 3 - сферический торец втулки 6» стакан 2 со штангами и шток 4 поворачиваются относительно друг друга на величину изменения азимутального и зенитного углов на данном интервале ствола скважины, минимизируя изгибающий момент, действующий на штангу из-за минимального момента трения в этой паре. Кинематическая пара «плоский торец втулки - плоский торец упора», образующие подшипник скольжения, проворачиваются относительно друг друга вокруг осей, благодаря чему крутящий момент, возникающий в одном интервале колонны штанг, в частности за счет пространственной кривизны скважины, практически не передается на соседний интервал из малого момента трения в этой паре, а, следовательно, минимизируется в обоих интервалах. Благодаря минимизации изгибающих и крутящих моментов в штангах и передачи части относительного перемещения от пары «коническая расточка опорной втулки - сферический торец втулки» упорному подшипнику скольжения, образованному парой «плоский торец втулки - плоский торец упора 2 с уменьшением износа рабочих поверхностей пар, повышается надежность и работоспособность шарнирных муфт и всей колонны штанг.
Положительный эффект при использовании предлагаемой штанговой колонны достигается за счет того, что шарнирная муфта обеспечивает гибкость колонны в осевом направлении, за счет чего исключаются напряжения изгиба, и свободное вращение относительно друг друга штанг, соединяемых этой муфтой, что исключает возникновение и передачу крутящего момента на колонну штанг в целом.
Предлагаемое изобретение может быть использовано в скважинах с любым профилем ствола, в которых штанговая колонна совершает возвратно-поступательное движение.