СТАБИЛИЗАЦИОННАЯ МУФТА ШТАНГОВОЙ КОЛОННЫ

Стабилизационная муфта штанговой колонны относится к нефтегазодобывающей промышленности, конкретно к защитным устройствам колонны насосных штанг, и может быть использована при глубинно-насосной добыче нефти из скважины станками-качалками для предохранения резьбовых соединений колонны от развинчивания и для предохранения насосных штанг от изгиба на экстремальных участках скважины.
Известна, выбранная в качестве ближайшего аналога, штанга шарнирная, содержащая соединительную муфту с двумя полуосями, шарнирно установленными во вкладышах, при этом соединительная муфта выполнена в виде цельного цилиндрического корпуса, один конец соединительной муфты завальцован и в нем установлена гайка с наружной резьбой и внутренней конусной поверхностью, противоположный конец соединительной муфты выполнен с буртом и внутренней конусной поверхностью, полуоси выполнены с радиусными выточками, вкладыши -с ответными радиусными поверхностями, между торцами вкладышей установлена распорная втулка (Патент РФ на полезную модель №60592, кл. МПК Е21В 17/05, опубл. 27.01.2007).
Недостатком указанного изделия является то, что в нем налагаются ограничения на максимальный диаметр соединительной муфты, при этом размер наружной резьбы и минимальная толщина стенки гайки, зачастую, не являются достаточными для прочного соединения гайки и соединительной муфты. В результате чего, под воздействием высоких нагрузок, происходит выкрашивание резьб гайки и соединительной муфты, что, в свою очередь приводит к выходу из строя всего изделия и требует его полной замены.
Техническим результатом, который может быть получен в заявленной полезной модели, является создание стабилизационной муфты штанговой колонны в которой будет обеспечено надежное соединение гайки с муфтой при их оптимальных размерах.
Технический результат достигается тем, что в стабилизационной муфте штанговой колонны, содержащей соединительную муфту с двумя полуосями, шарнирно установленными во вкладышах, при этом соединительная муфта выполнена в виде цельного цилиндрического корпуса, один конец соединительной муфты завальцован и в нем установлена гайка с наружной резьбой и внутренней
конусной поверхностью, противоположный конец соединительной муфты выполнен с буртом и внутренней конусной поверхностью, полуоси выполнены с радиусными выточками, вкладыши - с ответными радиусными поверхностями, между торцами вкладышей установлена распорная втулка, при этом наружный диаметр наружной резьбы гайки относится к диаметру части поверхности полуоси, взаимодействующей с внутренней поверхностью гайки, как 1,2-1,3 к 1, а высота гайки относится к диаметру части поверхности полуоси, взаимодействующей с внутренней поверхностью гайки, как 0,7-0,8 к 1, при этом наибольшая толщина стенки соединительной муфты на участке с внутренней резьбой, взаимодействующей с наружной резьбой гайки, относится к наружному диаметру наружной резьбы гайки как 1 к 5,4-5,6.
Заявленная стабилизационная муфта штанговой колонны поясняется при помощи чертей приведенных на фигурах 1, 2, 3.
На фиг.1 показан продольный разрез стабилизационной муфты штанговой колонны в полной комплектации;
на фиг.2 показан продольный разрез соединительной муфты;
на фиг.3 показан продольный разрез гайки.
На фиг.1, 2, 3 приняты следующие обозначения:
- соединительная муфта 1;
- полуось 2;
- гайка 3:
- вкладыш 4;
- распорная втулка 5;
- муфта 6;
- радиусная выточка 7;
- завальцовка 8;
- бурт 9;
- наружная резьба 10 гайки 3;
- наружный диаметр 11 наружной резьбы 10 гайки 3;
- часть поверхности 12 полуоси 2, взаимодействующей с внутренней поверхностью гайки 3;
- высота 13 гайки 3;
- внутренняя резьба 14 соединительной муфты 1;
- наибольшая толщина 15 стенки муфты 1 на участке с внутренней резьбой 14.
Заявленная стабилизационная муфта штанговой колонны (СМШК) состоит из
соединительной муфты 1, двух полуосей 2, гайки 3 с наружной резьбой 10, выполненной на высоте 13 гайки 3 и взаимодействующей с внутренней резьбой 14 соединительной муфты 1, вкладышей 4, распорной втулки 5, двух муфт 6. Полуоси 2 выполнены с радиусными выточками 7, соединительная муфта 1 выполнена с завальцовкой 8 и буртом 9. Поверхность А соединительной муфты 1 и внутренняя поверхность гайки 3 выполнены конусными, большее основание конусности гайки 3 и поверхности А обращены в сторону ближайшего к ним торца соединительной муфты 1. Вкладыши 4 выполнены в виде разрезных колец, внутренняя поверхность которых является радиусной поверхностью, взаимодействующей с радиусной выточкой 7 полуосей 2, а наружная поверхность является цилиндрической поверхностью. СМШК взаимодействует с насосными штангами колонны при помощи резьбовых соединений с муфтами 6.
СМШК реализуется следующим образом.
Во время работы плунжерного насоса полуоси 2 свободно вращаются во вкладышах 4 соединительной муфты 1, предотвращая развинчивание резьбовых соединений в муфтах 6. Завальцовка 8, гайка 3, бурт 9 обеспечивают удержание полуосей 2 внутри соединительной муфты 1. При попадании участка колонны в искревления ствола скважины полуоси 2 отклоняются от продольной оси штанги на угол до 3 градусов, снимая напряжения в насосных штангах от изгибающих нагрузок. При этом на внутреннюю поверхность гайки 3 передается нагрузка действующая в радиальном направлении. Данная нагрузка прикладывается к внутренней поверхности гайки либо точечно, либо по линии приблизительно параллельной образующей внутренней поверхности гайки 3, и передается на наружную резьбу 10 гайки 3 и внутреннюю резьбу 14 соединительной муфты 1. Для того, чтобы избежать выкрашивания наружной резьбы 10 гайки 3 и внутренней резьбы 14 соединительной муфты 1 экспериментальным путем были подобраны следующие зависимые от величины диаметра части поверхности 12 полуоси 2, взаимодействующей с внутренней поверхностью гайки 3, соотношения размеров гайки 3 и соединительной муфты 1. Наружный диаметр 11 наружной резьбы 10 гайки 3 должен относится к диаметру части поверхности 12 полуоси 2, взаимодействующей с внутренней поверхностью гайки 3, как 1,2-1,3 к 1, а высота 13 гайки 3 должна относится к диаметру части поверхности 12 полуоси 2, взаимодействующей с внутренней поверхностью гайки 3, как 0,7-0,8 к 1. При этом наибольшая толщина 15 стенки соединительной муфты 1 на участке с внутренней резьбой 14, взаимодействующей с наружной резьбой 10 гайки 3, относится к наружному диаметру 11 наружной резьбы 10 гайки 3 как 1 к 5,4-5,6. Диапазоны
размеров 1,2-1,3, 0,7-0,8, и 5,4-5,6 задаются для того, чтобы для изготовления указанных деталей можно было выбрать заготовки из имеющегося набора сортамента и для того чтобы не изготавливать специальный инструмент для нарезания нестандартных резьб.
Работа СМШК изготовленной в соответствии с заявленной полезной моделью, иллюстрируется при помощи приведенных ниже примеров.
Пример 1.
Для экспериментального подтверждения соотношении размеров была изготовлена СМШК в которой:
- соединительная муфта 1 выполнена из стали 45 с внутренним диаметром внутренней резьбы 14 равным 33 мм, при этом наибольшая толщина стенки соединительной муфты 1 на участке с внутренней резьбой 14, взаимодействующей с наружной резьбой 10 гайки 3, составляет 11 мм;
- полуоси 2 выполнены из стали 40ХГМ, а часть ее поверхности 12, взаимодействующая с внутренней поверхностью гайки 3, имеет диаметр 26,5 мм;
- гайка 3 выполнена из стали 45 с наружным диаметром 11 наружной резьбы 10 равным 33 мм и высотой 13 составляющей 20 мм.
Одна из муфт 6 была неподвижно закреплена на стенде, а к другой муфте 6 было приложено усилие 100 кН направленное перпендикулярно оси полуоси 2, после отклонения оси полуоси 2 от исходного положения на угол равный 5 градусам, испытание заканчивали. При осмотре соединительной муфты 1, полуоси 2 и гайки 3 на их поверхностях трещин не обнаружено, целостность внутренней резьбы 14 соединительной муфты 1 и наружной резьбы 10 гайки 3 не нарушена.
Пример 2.
Для экспериментального подтверждения соотношении размеров была изготовлена СМШК в которой:
- соединительная муфта 1 выполнена из стали 45 с внутренним диаметром внутренней резьбы 14 равным 25 мм, при этом наибольшая толщина стенки соединительной муфты 1 на участке с внутренней резьбой 14, взаимодействующей с наружной резьбой 10 гайки 3, составляет 11 мм;
- полуоси 2 выполнены из стали 40ХГМ, а часть ее поверхности 12, взаимодействующая с внутренней поверхностью гайки 3, имеет диаметр 26,5 мм;
- гайка 3 выполнена из стали 45 с наружным диаметром 11 наружной резьбы 10 равным 25 мм и высотой 13 составляющей 17 мм.
Одна из муфт 6 была неподвижно закреплена на стенде, а к другой муфте 6 было приложено усилие 100 кН направленное перпендикулярно оси полуоси 2, после отклонения оси полуоси 2 от исходного положения на угол равный 5 градусам, испытание заканчивали. При осмотре соединительной муфты 1 и полуоси 2 на их поверхностях трещин не обнаружено, целостность внутренней резьбы 14 соединительной муфты 1 не нарушена. Однако, на поверхностях гайки 3 были обнаружены трещины проходящие по образующим, при этом пять ближайших к завальцовке 8 витков наружной резьбы 10 гайки 3 были выкрашины на 75%.
Пример 3.
Для экспериментального подтверждения соотношении размеров была изготовлена СМШК в которой:
- соединительная муфта 1 выполнена из стали 45 с внутренним диаметром внутренней резьбы 14 равным 38 мм, при этом наибольшая толщина стенки соединительной муфты 1 на участке с внутренней резьбой 14, взаимодействующей с наружной резьбой 10 гайки 3, составляет 6 мм;
- полуоси 2 выполнены из стали 40ХГМ, а часть ее поверхности 12, взаимодействующая с внутренней поверхностью гайки 3, имеет диаметр 26,5 мм;
- гайка 3 выполнена из стали 45 с наружным диаметром 11 наружной резьбы 10 равным 38 мм и высотой 13 составляющей 20 мм.
Одна из муфт 6 была неподвижно закреплена на стенде, а к другой муфте 6 было приложено усилие 100 кН направленное перпендикулярно оси полуоси 2, после отклонения оси полуоси 2 от исходного положения на угол равный 5 градусам, испытание заканчивали. При осмотре полуоси 2 и гайки 3 на их поверхностях трещин не обнаружено, целостность наружной резьбы 10 гайки 3 не нарушена. Однако, на части поверхности соединительной муфты 1 ближайшей к завальцовке 8 были обнаружены трещины проходящие по образующим, при этом три ближайших к завальцовке 8 витков внутренней резьбы 14 соединительной муфты 1 были выкрашины на 85%.
Как можно видеть из приведенных выше примеров, СМШК примера 1 имеет наружный диаметр 11 наружной резьбы 10 гайки 3 который относится к диаметру части поверхности 12 полуоси 2, взаимодействующей с внутренней поверхностью гайки 3, как 1,2-1,3 к 1, а высота 13 гайки 3 относится к диаметру части поверхности 12 полуоси 2, взаимодействующей с внутренней поверхностью гайки 3, как 0,7-0,8 к 1, при этом наибольшая толщина 15 стенки соединительной муфты 1 на участке с внутренней резьбой 14, взаимодействующей с наружной резьбой 10
гайки 3, относится к наружному диаметру 11 наружной резьбы 10 гайки 3 как 1 к 5,4-5,6. СМШК примера 2 имеет наружный диаметр 11 наружной резьбы 10 гайки 3 который относится к диаметру части поверхности 12 полуоси 2, взаимодействующей с внутренней поверхностью гайки 3, как 0,94 к 1, а высота 13 гайки 3 относится к диаметру части поверхности 12 полуоси 2, взаимодействующей с внутренней поверхностью гайки 3, как 0,64 к 1, при этом наибольшая толщина 15 стенки соединительной муфты 1 на участке с внутренней резьбой 14, взаимодействующей с наружной резьбой 10 гайки 3, относится к наружному диаметру 11 наружной резьбы 10 гайки 3 как 1 к 2,3. СМШК примера 3 имеет наружный диаметр 11 наружной резьбы 10 гайки 3 который относится к диаметру части поверхности 12 полуоси 2, взаимодействующей с внутренней поверхностью гайки 3, как 1,4-1,5 к 1, а высота 13 гайки 3 относится к диаметру части поверхности 12 полуоси 2, взаимодействующей с внутренней поверхностью гайки 3, как 0,75 к 1, при этом наибольшая толщина 15 стенки соединительной муфты 1 на участке с внутренней резьбой 14, взаимодействующей с наружной резьбой 10 гайки 3, относится к наружному диаметру 11 наружной резьбы 10 гайки 3 как 1 к 6,3-6,4.
Таким образом, при заявленном соотношении размеров нагрузка действующая на внутреннюю поверхность гайки 3 не будет разрушать профили резьбовых витков аружной резьбы 10 гайки 3 и внутренней резьбы 14 соединительной муфты 1, кроме того, такое соотношение размеров позволяет избежать образование микротрещин в участке соединительной муфты 1 с внутренней резьбой 14, имеющем наибольшую толщину 15 стенки.