Вопрос 4.18. Насосные штанги, конструкция, условия работы

Для передачи возвратно-поступательного движения от привода к плунжеру скважинного насоса используется колонна насосных штанг. Она собирается из отдельных штанг, соединяемых муфтами.

Насосные штанги представляют собой стержень круглого попе­речного сечения с высаженными концами, на которых располагается участок квадратного сечения и резьба. Резьба служит для соедине­ния штанг с муфтами, а участок квадратного сечения используется для захвата штанги ключом при свинчивании и развинчивании резь­бового соединения (рис. 4.31).

Основными характеристиками насосных штанг являются: диаметр по телу штанги d₀ и прочностная характеристика штанги - величина приведенного допускаемого напряжения [ ]. У нас в стране штанги выпускаются диаметром 16,19,22,25 мм, а допускаемое напряжение, для наиболее широко распространенных марок сталей, составляет

-167-

70...130 МПа. В небольших количествах выпускаются штанги с до­пускаемыми напряжениями 150 МПа.

Указанные величины по сравнению с аналогичными прочностны­ми показателями сталей, применяемых в машиностроении, ниже и определяются условиями работы колонны штанг - циклическим нагружением в коррозионно-активной среде, ускоряющей процесс усталостного разрушения штанг.

Выпускаются штанговые муфты: соединительные типа МШ для соединения штанг одного размера и переводные типа МПШ для со­единения штанг разного размера.

Муфты каждого типа изготавливаются в исполнении I с «лысками» под ключ и в исполнении II без «лысок».

Муфты каждого типа большей частью изготавливаются из угле­родистой стали марок 40 и 45. Предусматривается также изготовле­ние муфты из легированной стали марки 20Н2М для применения в тяжелых условиях эксплуатации.

Для увеличения долговечности штанг, уменьшения воздействия на них коррозионной среды (пластовой жидкости) они подвергаются термичес­кой обработке и упрочнению поверхностного слоя металла. Наиболее ча­сто используется следующий вид термообработки: нормализация, закал­ка объемная, закалка ТВЧ. Поверхностное упрочнение обеспечивается за счет дробеструйной обработки, обкатки роликом. Основная цель поверх­ностного упрочнения - создание снимающих напряжений в поверхност­ном слое материала. Кроме того, поверхность штанг покрывают лаками или металлами, стойкими к воздействию окружающей среды.

Для регулирования положения плунжера относительно цилинд­ра скважинного насоса используют короткие штанги - «метровки» длиной 1000...3000 мм. Длина обычной штанги 8000 мм.

Особенностью штанг является накатка резьбы. Для сборки сту­пенчатой колонны из штанг различных диаметров используют пере­водные муфты МПШГ, позволяющие соединять штанги диаметрами 16 и 19, 19 и 22, 22 и 25 мм. Соединительные муфты изготавливают с лысками и без лысок.

В зависимости от условий работы применяют штанги, изготов­ленные из сталей следующих марок:

- для легких условий работы - из стали 40, нормализованные;

- для средних и среднетяжелых условий работы - из стали 20НМ, нормализованные;

- для тяжелых условий работы - из стали марки 40, нормализо­ванные с последующим поверхностным упрочнением тела штанги по всей длине токами высокой частоты (ТВЧ) и из стали ЗОХМА, нор­мализованные с последующим высоким отпуском и упрочнением тела штанги по всей длине ТВЧ;

-168-

- для особо тяжелых условий работы - из стали 20НМ, нормали­зованные с последующим упрочнением штанги ТВЧ.

Колонна штанг — один из наиболее ответственных элементов ус­тановки, работающей в наиболее напряженных условиях. Прочность и долговечность штанг, как правило, обусловливает подачу, как всей установки, так и максимальную глубину спуска насоса. Обрыв штанг вызывает простои и необходимость подземного ремонта. Разрушение колонны штанг происходит, как правило, либо при разрыве тела штан­ги, либо при разрушении резьбовых соединений.

Наиболее часто обрывы штанг происходят вследствие усталости металла, в результате переменных нагрузок, концентраций напряже­ний, коррозионности среды. Усталостное разрушение штанг обычно начинается с поверхности образованием микротрещины. Поверхность излома имеет характерный вид: она состоит из двух зон - мелкозер­нистой и крупнозернистой. Усталостное разрушение штанг ускоря­ется переменными нагрузками, концентрацией напряжений и воздей­ствием коррозионной среды, поэтому выбор допускаемых напряже­ний для штанг представляет собой важную задачу.

На долговечность резьбовых соединений большое влияние ока­зывает плотность контакта торцов муфты, ниппеля и насосной штан­ги. При свинчивании резьбовых соединений муфта- штанга должен обеспечиваться контакт между торцами при максимальной нагрузке на штанги.

Необходимо отметить, что наиболее приемлемыми для затяжки резьбовых соединений являются механические ключи с гидро- и элек­троприводом, позволяющие свинчивать штанги со строго определен­ным моментом.

Важнейшее условие безаварийной работы колонны штанг - их прямолинейность. Так, при стреле прогиба штанги, равной 0,5(1, рас­тягивающие напряжения увеличиваются в 5 раз. Для искривленных и сильно искривленных скважин применяют шарнирные муфты. Бла­годаря наличию двух шарниров муфта может изгибаться в двух вза­имно перпендикулярных плоскостях. Применение подобных муфт позволяет уменьшить напряжения, возникающие в результате изги­ба, а также нормальные силы, обусловленные трением штанг о насос-нокомпрессорные, трубы.

Помимо штанг со сплошным сечением применяют полые штан­ги для привода скважинного насоса с использованием внутрискважинной депарафинизации, деэмульсации, ингибирования - в этих случаях по внутренней полости штанг подается с поверхности к на­сосу соответствующий химический реагент. Кроме того их исполь­зуют для отбора продукции при одновременно-раздельной эксплу­атации пластов, а также при необходимости подъема пластовой

-169-

жидкости с повышенной скоростью, например для предотвращения образования песчаных пробок.

Наиболее распространена конструкция полых штанг с приварен­ной головкой, имеющей накатанную резьбу для соединения штанг муфтами.

В настоящее время разработана конструкция полых штанг с на­ружным диаметром тела - 42 мм, внутренним - 35 мм. Материалы— сталь 45 или 35. Поверхность штанг обрабатывается ТВЧ и имеет твер­дость НЕ.С 48...53. Головка приваривается к телу штанги.

Одним из важнейших требований к резьбовым соединениям ко­лонны является обеспечение их герметичности.

Применение полых штанг требует применения специального ус­тьевого оборудования: гибких шлангов или коленчатых шарнирных соединений, позволяющих отводить пластовую жидкость из переме­щающейся колонны к неподвижному трубопроводу нефтепромысло­вого коллектора.