Насосные штанги и муфты

Штанговая колонна (ШК) предназначена для передачи движения от привода к плунжеру насоса. ШК собирается из отдельных штанг, соединяемых муфтой. Штанги выпускаются диаметром: 12, 16, 19, 22, 25 мм. Длина штанги 8м±.

Стандартом предусмотрен выпуск укороченных штанг для регулировки длины колонны, длиной 1, 3; 1, 5; 2; 3м.

Резьба – метрическая специальная Ш19 ГОСТ 13877-80

Муфты выполняются в двух исполнениях: без лысок, с лысками под ключ.

Колонна насосных штанг является наиболее слабым элементом насосной установки, поэтому она работает в очень тяжелых условиях: испытывает переменные нагрузки которые имеют пульсирующий характер, т.е. одного знака, но в нижней части под плунжером может быть знакопеременной; колонна погружена в коррозионно-активную жидкость – смесь нефти и минерализованной воды, в которой зачастую присутствуют агрессивные СО₂ и H₂S; штанга интенсивно изнашивается вследствие трения об НКТ, особенно на участках набора кривизны наклонно-направленных скважин.

Исходя из этого очень важна технология производства штанги. Применяются методы упрочнения – все штанги выполняются методом формирования. Резьба не нарезается а накатывается, что позволяет получить волокнистую структуру металла.

Штанги изготавливаются из следующих сталей:

- для легких условий работы – сталь 40, нормализация

- для средних и среднетяжелых условий работы – 20Н2М, 20НМ, нормализация

- для тяжелых условий работы – сталь 40 с последующим упрочнением ТВЧ или из стали 30ХМА или нормализованная с упрочнением ТВЧ

- для особотяжелых условий – 15НВМА закалка.

Может применяться дробеструйная обработка для создания поверхностного наклепа.

Наиболее частые причины выхода из строя штанговых колонн является: обрыв штанговой колонны; отворот.

Обрыв штанг вызывается усталостью металла вследствие переменности нагружения, концентрация напряжений около концентраторов и агрессивного воздействия среды. Усталостное разрушение начинается с появления микротрещин на поверхности, обычно формируются на участках у головки штанг. Далее микротрещины развиваются вглубь штанги, пока не произойдет обрыв штанг.

Другой причиной наиболее частых обрывов штанг на участках, прилегающих к головке является несоосность тела штанги и головки, приводящая к появлению М_изг.

На работу штанговой колонны сильно влияет момент свинчивания. М_кр должен быть таким, чтобы после затяжки обеспечить такое усилие прижатия торца муфты к уборному бурту так, чтобы после запуска штанги в колонну данный стык не раскрылся. Поэтому штанги собираются с помощью механических ключей с моментомером.

Расчет колонны штанг сводится к допускаемому напряжению обуславливающую длительную надежную работу штанговых колонн.

За время двойного хода нагрузка на штанги переменна. Так в ТПШ усилие при ходе вверх определяется весом штанг, весом столба жидкости, силами трения, инерционными нагрузками, а при ходе вниз только усилиями от веса штанг, т.е. в верхней части колонны действует усилие одного знака (переменное), пульсирующая.

Характер нагружения в нижней части колонны иной – при ходе плунжера вниз усилие трения плунжера о цилиндр, усилие обусловленное гидравлическим клапаном и приводит к появлению усилий, сжимающих штанговую колонну, т.е. в нижней части колонны могут возникнуть знакопеременные нагрузки. В России за критерий нагружения штанг (ШК) принято приведенное напряжение s_пр, учитывающее циклический характер нагрузки, рассчитываемое по формуле:

,

где s_мах – максимальное напряжение цикла

s_амп – амплитуда напряжений цикла

Полученное значение s_пр сравнивается с допускаемым. Под допускаемыми напряжениями понимаются такие предельные напряжения в опасном сечении, при которых ШК выполняет свои функции в заданное время без разрушения. В нефтепромысловой практике в качестве допускаемых напряжений понимаются такие напряжения пр которых число обрывов не превысит 1-3 раза в год.

Допускаемое напряжение определяется опытным путем, путем статистической обработки результатов работы штанг в конкретных скважинных условиях. На основе полученных статистических данных строится зависимость среднего числа обрыва штанг от напряжений в конкретных скважинных условиях.

В большинстве случаев для уменьшения веса ШК применяют ступенчатые колонны. Их подбирают из следующего условия:

s_пр1=s_пр2=s_пр3. (1)

Длина и диаметры подбираются из условия (1).

Опыт эксплуатации штанг показал, что основными причинами разрушения колонны является:

обрыв тела штанги – 60%; обрыв ниппельной части – 17%; обрыв муфты – 13%; обрыв резьбовых соединений – 10%

При увеличении глубины подвески насоса число обрывов штанг по телу растет и достигает 90%.