|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
|
|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Технические характеристики полых штанг, выпускаемых в РФ
Наружный диаметр штанги, мм..................42 Толщина стенки, мм....................................3, 5 Наружный диаметр муфты, мм...................57 Длина штанги, мм: полномерной.............................................6000 укороченной.............................................1000, 1500, 2000 Масса полномерной штанги, кг.................25
Зарубежные фирмы (например — SBS, Австрия) также выпускают полые насосные штанги. В табл. 7.40 представлены основные размеры зарубежных полых насосных штанг [35]. При применении полых штанг изменяется конструкция оборудования устья скважин, в состав которого входят устьевой сальник для полых штанг, устьевой полый шток, трубопровод шарнирный или рукав высокого давления и др. (см. рис. 7.111). Колонна насосных штанг может выполняться не только из отдельных, дискретных штанг, соединенных между собой с помощью резьбы, но и в виде непрерывной колонны. Основные размеры полых насосных штанг фирмы SBS
К непрерывным насосным штангам (ННШ) относятся прутковые и гибкие штанги. Прутковые ННШ представляют собой колонну необходимой длины, состоящую из отдельных участков разного поперечного сечения. Отдельные участки колонны соединяются с помощью сварки в стык, сварной шов проходит термическую и механическую обработку и имеет прочность 0, 95—1, 00 с основным телом штанги. Поперечное сечение участков ННШ выбирается из условий равнопрочности колонны. Колонна ННШ может состоять из нескольких (до 10) участков, условный диаметр которых различается на 1, 5 мм. Как правило, такая штанга имеет массу на 8—10% меньше, чем аналогичная колонна обычной конструкции. Поскольку штанга имеет непрерывную конструкцию с соединениями только на насосе и полированном штоке, сила трения такой колонны по колонне НКТ и в перекачиваемой жидкости значительно меньше. Помимо этого, из-за отсутствия муфт ННШ большего размера можно устанавливать в НКТ меньшего диаметра (рис. 7.112) [37].
Рис. 7.111. Оборудование устья скважины с полыми насосными штангами: 1 — глубинный насос; 2 — насосные трубы; 3 — трубные штанги; 4— выкидная линия; 5 — отвод; 6 — фильтр; 7 — гибкий шланг.
При транспортировании прутковых ННШ, а также при спуске и подъеме их из скважины колонна штанг наматывается на барабан, диаметр которого выбран из условия возникновения в теле штанг напряжений изгиба, не превышающих предел текучести материала штанг. Из-за этого диаметр барабана для намотки непрерывных штанг может достигать величины 7—11 м. Для уменьшения этих размеров поперечное сечение штанг выполнено не круглым, а эллиптическим, причем намотка штанг на барабан происходит по малой оси эллипса.
Рис. 7.112. Расположение в колонне НКТ стандартной и непрерывной штанги.
Опыт создания и применения ННШ, выполненных из стальных прутков эллиптического сечения, впервые созданных канадской фирмой Corod Manufacturing [37] и показавших свою работоспособность и эффективность на нефтяных промыслах Северной Америки выявил не только их технические и экономические преимущества, но и недостатки, к главным из которых можно отнести большой габарит агрегата для проведения спуско-подъемных операций с ННШ. Большой (от 6 до 12 м) диаметр барабана для намотки ННШ обусловлен требованиями минимальной деформации штанг при их размещении на барабане. В соответствии с разработками специалистов Corod Manufacturing эта деформация изгиба не должна была превышать величину, при которой напряжения в теле ННШ составляют от 70 до 90 % предела пропорциональности (или предела текучести) материала штанг. Эти требования были основаны на многочисленных теоретических и экспериментальных работах, свидетельствующих о недопустимости эксплуатации насосных штанг, которые потеряли прямолинейность из-за неправильной транспортировки, хранения или эксплуатации. Авторы указанных работ утверждали, что предварительная деформация изгиба насосных штанг приводит к их преждевременному выходу из строя из-за снижения усталостной прочности материала и появления дополнительных нагрузок в теле штанг из-за их непрямолинейности. Непрерывная штанга наматывается на барабан с напряжениями, не превышающими пропорциональности (текучести), в связи с чем при разматывании штанги (т.е. при спуске ННШ в скважину) штанга сама принимает прямолинейную форму и не имеет остаточных напряжений в своем теле. Однако для выполнения этих условий необходимо, чтобы радиус кривизны изгиба штанги на барабане и радиус поперечного сечения самой штанги находились в следующей зависимости: rшт: Rбар < 0, 002. (7.120) Следовательно, для штанг диаметром 25 мм диаметр барабана должен превышать 12, 5 м, а при использовании штанг эллиптического сечения с размером малой оси 14 мм диаметр барабана может быть уменьшен до 7, 0 м. То есть, транспортировка агрегатов с барабанами таких размеров по дорогам как общего пользования, так и по промысловым с наличием электрических сетей является трудной задачей (рис. 7.113). Гибкие ННШ могут выполняться в виде канатов различных конструкций или лент, выполненных из металлических или композитных материалов. Применение в скважинной насосной установке канатных штанг в современных глубоких скважинах, продукция которых обладает значительной коррозионной активностью, не может быть реализовано без решения вопросов о жесткости каната и сопротивлении усталостной прочности каната при его использовании в качестве непрерывных наматываемых штанг.
Рис. 7.113. Транспортировка колонны ННШ Вопрос о жесткости каната при использовании его в качестве колонны насосных штанг возникает в связи с тем, что в настоящее время ШСНУ используются для откачки пластовой жидкости из глубоких (до 3500 м) скважин со значительными величинами динамического уровня (до 2000 м) и при дебитах до 80 м3/сут, для чего используют насосы с диаметрами до 70—120 мм. При таких условиях эксплуатации гидравлическая нагрузка на колонну насосных штанг может достигать больших значений и приводить к деформации (удлинению) колонны насосных штанг (или, что то же самое — к потере эффективной длины хода плунжера). Так, для достаточно часто встречающихся условий эксплуатации — динамический уровень Нд = 1200 м, плотность откачиваемой жидкости р = 950 кг/м3, условный диаметр насоса dH = 44 мм при использовании колонны стальных насосных штанг диаметром dш = 22 мм — потеря хода плунжера, подвешенного на глубине в 1400 м, составляет 350 мм, т.е. может достигать 10 % хода точки подвеса колонны штанг для таких, наиболее часто применяемых приводов СШНУ, как станки-качалки типа СК8, ПШ8 и др. При перемещении плунжера насоса с помощью обычного стального каната возникают такие проблемы, как конструктивное и упругое удлинение каната, износ, коррозия, остаточная деформация и обрыв отдельных проволок и прядей, приводящих к быстрому износу каната и НКТ. Обычные канаты, применяемые в нефтяной промышленности, не могут быть использованы для привода существующих ДСНУ ввиду значительных конструктивных удлинений (порядка 50 см на 500 м подвески скважинного насоса) и малой устойчивости к механическому износу и коррозии [7]. Удлинение же каната специальной конструкции (например — по ГОСТ 10506-76) при использовании его в аналогичных условиях дает потерю хода плунжера на 15 % больше, чем при использовании стандартной колонны штанг, т.е. 402 мм. Следовательно, потеря хода плунжера достигнет 11, 5 % от длины хода точки подвеса колонны штанг. Фирмами «Bethlehem Steel» и «Du Pont de Nemure» (Франция) были проведены испытания канатных тяговых органов [16]. Экспериментальный канат представлял собой свивку из 37 проволок. Каждая проволока сначала обрабатывалась ингибитором, а затем покрывалась слоем нейлона толщиной 0, 25 мм. Из существующих видов пластмасс нейлон был выбран из-за водонефтестойкости и стойкости к ползучести. Готовый канат покрывался защитной оболочкой из нейлона толщиной 0, 625 мм для защиты проволок от истирания или механического повреждения при транспортировке или в процессе эксплуатации. В большинстве скважин канат работал хорошо. Обрывы происходили в основном в тех скважинах, где в добываемой жидкости было значительное содержание сероводорода. Аналогичные работы по совершенствованию тягового органа скважинных насосных установок ведутся в СНГ. В РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина была разработана СШНУ с балансирным приводом, у которой в качестве гибкого тягового органа использовался канат закрытой конструкции по ГОСТ 10506-76 диаметром 20 мм. Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы позволили сделать вывод о достаточно высокой выносливости этого каната (несколько превышающей коррозионную выносливость стандартных штанг из стали 20Н2М), а также о благоприятном воздействии использования каната на работу всей установки в целом. Последнее происходит из-за демпфирующих свойств каната, что приводит к уменьшению динамических составляющих общей нагрузки на наземный привод. Внедрение разработанной конструкции на нефтяных промыслах подтвердило работоспособность и эффективность оборудования и возможность проведения спуско-подъемных операций с высокими скоростями [7]. Уменьшение сил трения каната о перекачиваемую жидкость и стенки НКТ, снижение динамических нагрузок и увеличение коэффициента наполнения насоса происходит за счет конструктивных особенностей канатов, играющих не только роль штанговой колонны, но и роль амортизатора, демпфера. Эти же конструктивные особенности каната требуют дорабатывать существующие методики оценки состояния и работоспособности оборудования ШСНУ, основанные на анализе динамограмм. Уменьшение массы канатной штанги по сравнению со стандартной может вызвать затруднения при ходе плунжера вниз, поэтому для нормальной работы установки необходимо применять утяжелители. Иногда неметаллический трос на основе стекловолокна и полимерных связывающих материалов в литературе по штанговым насосным установкам называют кабелем. Часто кабель имеет металлический наполнитель для увеличения его массы, что обеспечивает усилие, необходимое для хода плунжера скважинного насоса вниз. Классификация колонны штанг или «тягового органа», используемого в установках скважинных штанговых насосов, представлена на рис. 7.114. Многими зарубежными фирмами применяется комбинированный тяговый орган — стандартная штанговая колонна с гибким элементом. Так, например, фирма Маре длядлинноходовых установок серии LSPU применяет стандартную штанговую колонну с полированным штоком необходимой длины, который с помощью клиновой подвески соединяется с гибким элементом [16]. В качестве последнего используется сдвоенный стальной канат диаметром 31 мм, по наружной поверхности защищенный специальным полимерным покрытием. При работе установки канат подвергается растягивающей нагрузке от 25 до 195 кН и напряжению изгиба при прохождении через направляющий блок и при намотке на барабан. Применение стального каната и полимерного покрытия, снижающего контактное напряжение между канатом и телом направляющего блока и барабаном лебедки, позволяет значительно уменьшить их диаметры [16].
Рис. 7.114. Классификация различных типов тягового органа СШНУ по конструктивным признакам. Для уменьшения диаметра приводного барабана в ДСНУ, разработанной фирмой «Bender» (США), в качестве гибкого элемента тягового органа используется широкая лента. Упругие свойства ленты позволяют уменьшить динамические нагрузки на привод установки, а также энергетические затраты. Испытания установки Prolif, проведенные фирмой «Reed American Products» (США), показали, что использование ленты в качестве гибкого элемента уменьшает почти в 10 раз количество ремонтов из-за ее повреждения по сравнению с канатом [16]. Преимущество комбинированного тягового органа состоит в том, что в этих случаях в установках используются отработанные конструкции колонны насосных штанг, уплотнительных устьевых устройств, соединительных узлов с полированным штоком и плунжером скважинного насоса. Мачтовая конструкция наземного привода позволяет производить смену скважинного насоса без использования агрегата для подземного ремонта скважины. В установке Liftronic в качестве гибкого тягового органа использована грузовая пластинчатая цепь длиной около 13 м и максимальной нагрузкой 54 кН. Хотя фирма не дает данных о типоразмере применяемой цепи, стандарт API позволяет выбрать конструкцию и размеры грузовой цепи по условиям эксплуатации. Применение цепи в качестве гибкого тягового органа позволило уменьшить диаметр барабана лебедки наземного привода по сравнению с барабаном для каната. Наряду с этим, применение цепи в качестве гибкого элемента имеет следующие недостатки: большое поперечное сечение цепи ведет к усложнению конструкции устьевого уплотнения, сильный шум при работе цепи, необходимость в дополнительном сложном устройстве для смазки цепи, малая долговечность цепи из-за воздействия агрессивной среды и механических примесей. В длинноходовых скважинных насосных установках (ДСНУ) в качестве гибкого непрерывного тягового органа может применяться стальная лента. Она представляет собой стальную полосу прямоугольного сечения [16, 40, 39]. Толщина ленты выбирается из условия намотки ее на барабан установки без упругопластической деформации, а ширина — из условия размещения ленты внутри НКТ. Два этих условия приводят к тому, что площадь поперечного сечения тягового органа часто оказывается недостаточной для восприятия циклических нагрузок, возникающих при работе насоса. Недостатком такого тягового органа является их низкая надежность, обусловленная тем, что стальная лента подвергается износу из-за трения о внутреннюю поверхность НКТ в абразивной среде, а также при многослойной навивке на барабан. Наличие микротрещин, надрезов, рубцов на поверхности и по торцам стальной ленты в условиях агрессивной коррозионной среды и большая площадь контакта тягового органа с откачиваемой жидкостью приводит к быстрому коррозионно-усталостному разрушению ленты. Кроме того, форма тягового органа делает крайне затруднительным разработку и изготовление надежного устьевого уплотнения ленты. Стальные ленты выпускают отрезками длиной 200—300 м, и стыковка этих отрезков для обеспечения необходимой длины представляет сложную задачу. Вследствие этого использование таких установок определяется лишь сравнительно неглубокими скважинами. Эти недостатки могут быть преодолены при использовании в ДСНУ канатов и неметаллических лент, которые прошли промысловые испытания совместно со скважинными насосными установками с обычной длиной хода. Одним из направлений по усовершенствованию тягового органа скважинного насоса является применение в качестве непрерывной штанги неметаллической ленты, изготовленной из винилэфира, армированного графитными волокнами. Фирма Hanlun (США) приступила к выпуску ленты Ribbon Rod [16, 39]. Материал ленты имеет высокий модуль упругости и обладает достаточной жесткостью для использования в скважине и гибкостью для намотки на барабан. Барабан диаметром 2, 4 м для намотки ленты длиной 1500 м монтируется на грузовике. Размер ленты 35, 6x1, 8 мм, линейная плотность 0, 108 кг/м, предельное кратковременное разрывное усилие 56 кН, предел прочности на разрыв 862 МПа. Рекомендуемая максимальная рабочая нагрузка 26, 6 кН при температуре 77 º С. Анализ испытаний в различных скважинах опытного образца ДСНУ, в которой в качестве тягового органа использовалась лента, показали, что такая установка может обеспечить добычу 32 м3/сут жидкости с глубины 1520 м при 10—12 ходах в минуту. Штанговая колонна работает в тяжелых условиях, на нее действуют агрессивная скважинная среда и переменные нагрузки, приводящие к накоплению усталостных явлений в штанговой колонне. Кроме этого, колонна штанг изнашивается вследствие трения о колонну НКТ, особенно при эксплуатации в наклонно направленных скважинах. На штанговую колонну действуют следующие нагрузки: • статические — вес штанговой колонны с учетом силы плавучести и вес столба жидкости над плунжером высотой от динамического уровня жидкости, за вычетом объема, занимаемого штанговой колонной; • динамические — силы инерции движущихся масс штанговой колонны и жидкости, так как их движение осуществляется с ускорением, а также силы вибрации, обусловленные волновыми явлениями, возникающими в штанговой колонне при работе насоса. При работе штанговой колонны в наклонно направленных скважинах и при откачке высоковязких жидкостей, эмульсий необходимо учитывать силы трения штанговой колонны о трубы и жидкость, так как их значение может быть соизмерено с весом колонны. Наибольшие растягивающие напряжения действуют в верхней части колонны, наименьшие — в нижней. Однако в нижней части колонны могут возникнуть и сжимающие напряжения при ходе вниз при откачке вязких жидкостей и эмульсий. Это отрицательно влияет на долговечность работы штанговой колонны, поэтому в этих условиях данный участок усиливают, т.е. применяют тяжелые штанги или штанги большего диаметра. Как было показано в предыдущем разделе настоящей книги, возможно применение и специальных насосов с гидравлическим утяжелителем низа штанговой колонны, что устраняет возможность знакопеременного нагружения нижней части штанговой колонны. Разрушение штанговой колонны носит усталостный характер. Промысловый опыт показал, что чаще всего штанга обрывается на участках длиной 0, 25—0, 35 м, прилегающих к головкам, т.е. там, где конструкция имеет максимальные концентраторы напряжений за счет изменения формы штанги и где может возникнуть изгибающий момент от возможной несоосности тела и головки штанги. В связи с усталостным характером разрушения штанг их долговечность снижается при работе в коррозионной среде. За рубежом штанги и муфты к ним выпускаются по стандарту API Sped 1 В. Согласно данной спецификации стандарта насосные штанги различают лишь по показателям прочности на растяжение. Выбор материала, методов упрочнения, технологических приемов изготовления, повышающих надежность штанги, стандартом не оговорены и оставлены на усмотрение изготовителя. Последнее особенно сильно влияет на долговечность работы штанговой колонны, поэтому при приобретении штанг, выпускаемых по указанной выше спецификации API этому необходимо уделять особое внимание. По показателям прочности стандарт API разделяет штанги на классы. Класс API К. Предел прочности на растяжение — минимум 85 000 фунтов на квадратный дюйм (590 МПа), максимум 115 000 фунтов на квадратный дюйм (790 МПа). Класс API С. Предел прочности на растяжение — минимум 90 000 фунтов на квадратный дюйм (630 МПа), максимум 115 000 фунтов на квадратный дюйм (790 МПа). Класс API D. Предел прочности на растяжение — минимум 115 000 фунтов на квадратный дюйм (790 МПа), максимум 140 000 фунтов на квадратный дюйм (969 МПа). Обычно применяются углеродисто-марганцевые стали для класса С, никелемолибденовые улучшенные стали для класса К и хромомолибденовые улучшенные стали для класса Д. Квадрат штанги маркируется твердым штампом, где указывается фирменный знак изготовителя, обозначение стандарта, класс API, код идентификации расплава, месяц и год изготовления. На рис. 7.115 представлен общий вид штанги, а в табл. 7.41 даны размеры штанги по стандарту API Sped IB [36]. Для подгонки длины колонны штанг и длины колонны НКТ спецификацией стандарта предусмотрен выпуск коротких штанг (pony rods) с длинами 2, 4, 6, 8, 10 и 12 футов (610, 1220, 1830, 2440, 3050 и 3660 мм). Резьбы готовых для отгрузки штанг смазываются специальной смазкой и защищаются пластмассовыми колпачками и заглушками. По стандарту АНИ предусмотрен выпуск муфт, которые могут выполняться с лыской под ключ или без нее (рис. 7.116, табл. 7.42).
Рис. 7.115. Насосные штанги, по стандарту АНИ Таблица 7.41 Размеры штанги по стандарту API SpecllB
Рис. 7.116. Муфта no стандарту АНИ Видно, что для штанг 5/8, 3/4, 7/8 и 1, 0 дюйм длина муфты одинакова — 101, 6 мм (4 дюйма). Ниппельная же часть штанги при этом увеличивается. Поэтому при смазывании резьбовых соединений внутренняя полость муфты может переполниться смазкой, что препятствует свинчиванию соединения. Поэтому обильная смазка резьбовых соединений не рекомендуется. На долговечность штанговой колонны большое влияние оказывает момент свинчивания резьбового соединения. При малом моменте свинчивания торцы ниппеля и муфты могут при действии растягивающей нагрузки расходятся и пластовая жидкость имеет возможность воздействовать на резьбовую часть колонны штанг, что приводит к быстрому выходу ее из строя. При слишком большом моменте свинчивания на резьбовую часть штанги кроме растягивающей нагрузки от внешних сил действует растягивающая нагрузка от предварительной затяжки резьбового соединения. Эта суммарная нагрузка может вызвать пластическую деформацию ниппеля и его разрушение. Прочность резьбового соединения должна быть не меньше прочности тела штанги. Таблица 7.42 |
Последнее изменение этой страницы: 2017-04-12; Просмотров: 582; Нарушение авторского права страницы
