СПОСОБ КОМПОНОВКИ КОЛОНН ГЛУБИННО-НАСОСНЫХ ШТАНГ И СТУПЕНЬ КОЛОННЫ ГЛУБИННО-НАСОСНЫХ ШТАНГ Российский патент 1996 года по МПК E21B17/00 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и предназначено для механизированной добычи жидкости из скважин.

Известен способ компоновки колонны глубинно-насосных штанг, заключающийся в том, что колонну составляют, исходя из величины эксплуатационного нагружения колонны в скважине при подъеме жидкости, путем формирования из насосных штанг одной, двух, трех и т.д. ступеней так, что в пределах одной ступени штанги соединяют с одинаковыми присоединительными размерами головок, при этом внутри одной ступени сохраняется один для всех штанг условный диаметр тела штанги (см. например, Справочная книга по добыче нефти под ред. Ш. К.Гиматудинова, М. Недра, 1974 г. с.337-346).

Присоединительные размеры резьбы головок насосных штанг, их геометрия отвечают требованиям ГОСТа 13877-80Е, согласно которому присоединительные размеры головок однозначно взаимосвязаны с условным диаметром тела штанги.

Однако согласно этому ГОСТу 13877-80Е, насосные штанги, имеющие один и тот же условный диаметр тела, могут быть изготовлены с разными режимами термообработки. Как следствие насосные штанги, имеющие одинаковый условный диаметр тела и одинаковый для этих штанг присоединительный размер головок, будут иметь разные характеристики: временное сопротивление разрыву, ударная вязкость, допускаемое приведенное напряжение и т.п. которые необходимо учитывать при последующей компоновке колонны насосных штанг, исходя из эксплуатационного нагружения колонны в скважине при подъеме жидкости.

Однако компоновка колонны из насосных штанг известной конструкции, исходя из величины эксплуатационного нагружения колонны в скважине при подъеме жидкости, затруднена, а в ночное время при проведении ремонтных работ практически неосуществима, поскольку основным критерием для подбора штанги в данной ступени является марка стали, режим термоупрочнения, маркировка которых наносится на сторонах квадрата головки насосной штанги, и которую у штанг, бывших в эксплуатации, расшифровать трудно, особенно в ночное время. Замер диаметра тела также не дает информации с режиме термоупрочнения насосной штанги, а следовательно, и о механических свойствах насосной штанги. Поэтому осуществить необходимую расчетную по эксплуатационному нагружению последовательность компоновки насосных штанг в колонне, исходя из условий обеспечения равнопрочности и предела выносливости колонны насосных штанг по длине колонны, не представляется возможным. Нарушение последовательности установки насосных штанг в колонне исключает равнопрочность колонны и приводит к уменьшению межобрывного периода работы колонны насосных штанг в процессе глубинно-насосной эксплуатации.

Известная насосная штанга для колонны глубинно-насосных штанг, выбранная в качестве прототипа заявляемого устройства, содержит несущий металлический элемент тело штанги с высаженными резьбовыми головками. Головка штанги состоит из ниппеля, буртика, квадрата и галтели, переходящей в тело штанги (см. ГОСТ 13877-80Е).

В таблице 1 представлены все используемые в производстве типоразмеры насосных штанг.

Из таблицы 1 следует, что определенному типу штанги соответствует условный диаметр тела и присоединительный размер головок штанги.

Известную насосную штангу изготовляют из мерного проката. Концы мерного штангового проката подвергают высадке, формируя тем самым с обоих концов заготовки головки штанги с ниппелем, буртиком, квадратом и галтелью, переходящей в тело штанги. Затем насосную штангу с высаженными головками подвергают термоупрочнению, после чего осуществляют правку и механическую обработку, включая нарезку резьбы (см. например, технологический процесс: операции штамповка, нормализация, поверхностная закалка. Минхимнефтемаш, Очерский машзавод. Штанги насосные ШН19-20Н2М, ШН19-15НЗМА. ГОСТ 13877-80Е, г. Очер, Пермская обл. Очерский машзавод, 1989 г.).

В таблице 2 приведены механические свойства материала насосной штанги, например, из стали 20Н2М после различных видов термической обработки.

Из таблицы 2 следует, что известные насосные штанги, выполненные с одинаковым условным диаметром тела, но прошедшие разные виды термоупрочнения, имеют различные механические свойства: допускаемое приведенное напряжение, временное сопротивление разрыву, ударная вязкость и т.д.

Основным недостатком известной насосной штанги является наличие однозначной взаимосвязи между условным диаметром штанги и присоединительным размером ее головок, но полностью отсутствует взаимосвязь между условным диаметром штанги, присоединительным размером головок и выбираемым материалом и видом термической обработки, определяющими механические свойства штанги при эксплуатации, поскольку основным показателем в технологическом процессе изготовления известных насосных штанг является условный диаметр тела, в соответствии с которым впоследствии формируют присоединительный размер головок штанги.

Поэтому известные насосные штанги не позволяют осуществить оптимальную компоновку колонны для глубинно-насосной эксплуатации, особенно в ночное время, исходя из условий эксплуатационного нагружения колонны при подъеме жидкости из скважины. Все это приводит к снижению эксплуатационных показателей колонны насосных штанг: исключает равнопрочность колонны, уменьшает межобрывный период колонны при эксплуатации.

Целью изобретения является повышение эксплуатационных показателей колонны глубинно-насосных штанг при снижении веса колонны путем уменьшения асфальто-смоло-парафинистых отложений (АСПО) на поверхности штанг, снижения гидравлических потерь и нагрузки на колонну за счет уменьшения диаметра тела штанг.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе компоновки колонны глубинно-насосных штанг, заключающемся в том, что колонну составляют, исходя из величины эксплуатационного нагружения ее в скважине, путем формирования штанг в одну или более ступени так, что в пределах одной ступени штанги соединяют с одинаковыми присоединительными размерами головок, новым является то, что в каждой ступени насосные штанги составляют с разными диаметрами тела при одинаковом для этих штанг присоединительном размере головок и устанавливают штанги в каждой ступени от большего диаметра тела к меньшему.

Поставленная цель достигается также тем, что в известной насосной штанге для колонны глубинно-насосных штанг, состоящей из тела с высаженными резьбовыми головками, присоединительный размер которых взаимосвязан с величиной диаметра тела штанги, диаметр тела штанги выполнен меньше условного диаметра тела штанги данного типоразмера и равным или больше условного диаметра тела штанги следующего типоразмера насосной штанги при сохранении присоединительного размера головок насосной штанги для данного типоразмера.

В настоящее время из общедоступных источников научно-технической информации нам не известны способы компоновки колонны глубинно-насосных штанг и насосные штанги для такой колонны, которые бы обеспечивали повышение эксплуатационных показателей колонны при снижении ее веса и которые бы обеспечивали оптимальную компоновку колонны даже в ночное время, исходя из характера распределения нагрузок на колонну при ее эксплуатации, используя в качестве критерия для распознавания места установки штанги в колонне диаметр тела штанги наряду с присоединительным размером ее головок.

Поэтому предлагаемый способ и устройство для его осуществления, по нашему мнению, соответствует критерию "новизна".

Благодаря тому, что в каждом существующем типоразмере насосных штанг появилась возможность исключить жесткую взаимосвязь между диаметром тела штанги и присоединительным размером ее головок и установить новую взаимосвязь между диаметром тела, присоединительным размером головок и выбираемым материалом и видом термической обработки, то тем самым появилась возможность характеризовать насосную штангу по ее эксплуатационным показателям, например: временное сопротивление разрыву, ударная вязкость, допускаемое приведенное напряжение и т.п. т.е. диаметр тела штанги стал дополнительным показателем, характеризующим прочностные свойства штанги. Это достигается за счет того, что диаметр тела штанги выполнен меньше условного диаметра тела данного типоразмера, но при сохранении присоединительного размера головок штанги для данного типоразмера и при режиме термоупрочнения, не снижающем прочностные свойства насосной штанги.

Зная диаметр тела штанги и присоединительный размер ее головок, стало возможным определять точное положение штанги в колонне насосных штанг, исходя из характера распределения нагрузок на колонну в процессе эксплуатации.

Предложенная конструкция насосной штанги позволяет при компоновке колонны глубинно-насосных штанг в каждой ступени насосные штанги соединять с разными диаметрами тела (от большего к меньшему), но при одинаковых для данной ступени присоединительных размерах головок штанг, что позволяет компоновать колонну, исходя из действительного характера распределения нагрузок по длине колонны, действующих на нее, с учетом кривизны ствола скважины, режимов отбора жидкости, характера АСПО и т.п.

Выполнение тела насосной штанги меньшего диаметра (при сохранении прочностных свойств), снижает металлоемкость штанги, и как следствие - снижение веса всей колонны и повышение ее эксплуатационных показателей за счет снижения нагрузок на головку балансира станка-качалки, снижения гидравлических потерь, уменьшения АСПО.

Таким образом, отличительные признаки заявляемого способа и устройства для его осуществления обеспечивают в совокупности с известными признаками получение новых свойств, отраженных в цели изобретения. Это позволяет сделать вывод, что изобретения отвечают критерию "изобретательский уровень" и связаны между собой единым изобретательским замыслом.

Для реализации заявляемого способа необходимо предварительно изготовить насосную штангу заявляемой конструкции. Для этого используется следующее оборудование:
высокочастотная установка ВПЧ-100/8000 с индуктором 0774-6074 для нагрева концевых участков штанг до температуры 1250^oС за 12-26 с под высадку головок;
ковочный ручьевой пресс для высадки головок с блоком матриц с прямоугольными вставками;
газопламенный проходной агрегат для термоупрочнения;
установка для растяжения штанг с усилием до 18 тс, скоростью деформации до 1,5 м/мин, ходом подвижной части до 780 мм (Г833.022.00.00.00.00СБ. Разработчик ПКТБХиммаш, г.Пермь);
автоматическая линия для механической обработки головок штанги и нарезки резьбы, тип ЛМО768;
агрегат для поверхностной закалки ТВЧ, тип VIII-12;
заготовки, например, из стали 20Н2М (ГОСТ 4543-71). Заготовки для насосных штанг могут быть как из стали, так и из неметаллического материала, например, стеклопластика.

Концевые участки заготовки насосной штанги диаметром, например, 19 мм из стали 20Н2М помещают в выскочастотный индуктор и нагревают до температуры 1250^oС, продолжительность нагрева 16-25 с, после чего высаживают концы штангового проката, формируя головки штанги с ниппелем, буртиком, квадратом и галтелью, используя семь переходов:
I ручей набор металла, температура обработки 1180^oC;
II ручей набор металла, температура обработки 1150^oC;
III ручей окончательный набор металла, температура обработки 1130^oC;
IV ручей предварительный набор квадрата и осадка ниппеля;
V ручей окончательная формовка головки насосной штанги;
VI ручей обрезка облоя;
VII ручей маркировка.

При этом сформированные головки (их конструкция и размеры) насосной штанги для последующей механической обработки должны иметь присоединительные размеры головок, соответствующие типоразмеру насосной штанги с условным диаметром тела 22 мм.

После этого насосные штанги с высаженными концами подают на загрузочное устройство проходной печи для термоупрочнения. Режим термоупрочнения выбирают, исходя из требуемых прочностных характеристик насосных штанг.

После этого заготовки насосных штанг правят на установке для растяжения штанг с усилием до 18 тс и удлинением не более 120 мм на длине 8000 мм.

Завершающая операция механическая обработка головок штанг и нарезка резьбы на автоматической линии.

В таблице 3 приведены возможные варианты типоразмеров заявляемой насосной штанги.

Таким образом, из таблицы 3 следует, что предложенная насосная штанга при сохранении присоединительного размера головок для данного типоразмера имеет меньший диаметр тела, при этом режим термоупрочнения выбирают из условия сохранения (либо повышения) прочностных свойств штанги.

Для компоновки колонны глубинно-насосных штанг, состоящей, например, из двух ступеней, предлагаемые насосные штанги в ступени составляли следующим образом.

Пример компоновки колонны глубинно-насосных штанг, состоящей из двух ступеней, приведен в таблице 4.

Из таблицы 4 следует, что I-я ступень заявляемой колонны была составлена из штанг с диаметром 22 мм (40 штук) и с диаметром 19 мм (25 штук) при одинаковом в этой ступени для всех штанг присоединительном размере головок. Режим термоупрочнения для штанг диаметром 22 мм нормализация, для штанг диаметром 19 мм объемная закалка и высокий отпуск. II-я ступень колонны была составлена из штанг с диаметром 19 мм (30 штук), режим термоупрочнения - нормализация, и из штанг с диаметром 16 мм (20 штук), режим термоупрочнения - объемная закалка и высокий отпуск. Присоединительные размеры головок штанг в пределах II-й ступени один и тот же.

Данная компоновка двухступенчатой колонны глубинно-насосных штанг была осуществлена, исходя из эксплуатационного нагружения колонны в скважине.

Таким образом, выполнение насосной штанги с диаметром тела, меньшим условного диаметра данного типоразмера, позволяет:
уменьшить вес каждой штанги, и, как следствие, снизить вес колонны штанг. Если вес известной колонны, составленной из 115 штук (таблица 4), составляет порядка 2800 кГс, то вес колонны, составленной из заявляемых штанг (115 штук), составит 2400 кГс;
уменьшить поверхность для АСПО (для одной штанги поверхность уменьшается на 75,2 мм²);
увеличить кольцевое пространство скважины для прохождения добываемой жидкости, тем самым снизить гидравлические потери и нагрузку на колонну.

Все это приводит к повышение эксплуатационных показателей колонны глубинно-насосных штанг: обеспечивается ее равнопрочность и увеличивается межобрывный период.

Использование: предназначается для механизированной добычи жидкости из скважин. Сущность: колонну глубинно-насосных штанг составляют исходя из эксплуатационного нагружения ее в скважине, путем формирования в одну или более ступени так, что в каждой ступени колонну глубинно-насосных штанг составляют с разными диаметрами тела, но при одинаковом для этих штанг присоединительном размере головок. Штанги устанавливают в каждой ступени колонны от большего диаметра тела к меньшему. Диаметр тела штанги выполнен меньше условного диаметра тела штанги данного типоразмера и равным или больше условного диаметра тела следующего типоразмера при сохранении присоединительного размера головок штанг данного типоразмера. 2 с.п. ф-лы, 4 табл.

1. Способ компановки колонн глубинно-насосных штанг, заключающийся в том, что колонну составляют, исходя из величины эксплуатационного нагружения ее в скважине, путем формирования штанг в одну или более ступени так, что в пределах одной ступени штанги соединяют с одинаковыми присоединительными размерами головок, отличающийся тем, что в каждой ступени насосные штанги соединяют с разными диаметрами тела при одинаковом для этих штанг присоединительном размере головок и устанавливают штанги в каждой ступени от большего диаметра тела к меньшему. 2. Ступень колонны глубинно-насосных штанг, состоящая из насосных штанг с условным диаметром тела и с одинаковыми присоединительными размерами головок, отличающаяся тем, что часть штанг в ступени выполнена с диаметром тела меньше условного диаметра типоразмера для данной ступени, а другая часть данной ступени с диаметром, равным или большим условного диаметра типоразмера штанги для последующей ступени при сохранении присоединительного размера головок типоразмера штанг данной ступени.