НАСОСНАЯ ШТАНГА Российский патент 2020 года по МПК E21B17/00 E21B17/04 E21B19/16 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение в целом относится к области колонн насосных штанг, используемых в нефтяных скважинах, и, более конкретно, к конструкции конца насосной штанги.

Уровень техники

Использование насосных штанг внутри насосно-компрессорной колонны в нефтяной скважине хорошо известно в данной области техники. На Фиг. 1 показано схематическое изображение, иллюстрирующее насосную систему, известную из уровня техники. Как показано на Фиг. 1, насосная установка 1 прикреплена к полированной штанге 2. Полированная штанга 2 прикреплена продольно к колонне 5 насосных штанг, расположенной внутри насосно-компрессорной колонны 3, которая расположена в обсадной колонне 4. Колонна 5 насосных штанг состоит из нескольких отдельных насосных штанг в соответствии со спецификацией 11В Американского института нефти (далее «API») (далее «колонна насосных штанг API 11В»), соединенных друг с другом в нескольких соединениях 10 (показано только одно). На нижнем конце колонны 5 насосных штанг API 11В находится возвратно-поступательный насос (не показан). При перемещении насосной установкой колонны 5 насосных штанг вниз цилиндр возвратно-поступательного насоса заполняется добываемой скважинной продукцией 7 (добываемым флюидом). Наоборот, когда насосная установка перемещает колонну 5 насосных штанг API 11В вверх, клапан в возвратно-поступательном насосе закрывается, и скважинная продукция 7 в цилиндре насоса поднимается, перемещая скважинную продукцию над ней и выдавливая одну порцию скважинной продукции 7, равную объему цилиндра насоса, вверх по насосно-компрессорной колонне 3 в кольцевое пространство вокруг колонны 5 насосных штанг API 11В и соединений 10 по пути к поверхности земли и, чтобы она, в конечном счете, вытекала из насосно-компрессорной колонны через клапаны и трубные соединения (не показаны) и далее в место хранения и переработки.

Колонна 5 насосных штанг API 11В должна проходить от насосной установки 1 вниз к самому возвратно-поступательном насосу, который может находиться в нескольких тысячах футов ниже поверхности. Как было отмечено выше, колонна 5 насосных штанг API 11В состоит из нескольких отдельных насосных штанг API 11В, соединенных друг с другом соединения 10. На Фиг. 2 показан увеличенный вид сбоку в разрезе соединения 10, показанного на Фиг. 1. Соединение 10 включает в себя резьбовой охватываемый конец 29 на каждой из двух смежных насосных штанг API 11В, которые соединены друг с другом стандартной двойной муфтой 17 с внутренней резьбой. Муфту 17 навинчивают на концы смежных штанг до тех пор, пока концы муфты не коснутся поверхности 26 заплечика 28 наружной резьбы насосной штанги.

На Фиг. 3 показан вид сбоку в разрезе, иллюстрирующий насосную штангу 20 API 11В, известную из уровня техники, имеющую концевые соединения 11В по спецификации API на обоих концах. Насосная штанга 20 имеет участок 22 тела штанги диаметром D_RAPI, и участок выступающего буртика 23, который образует переход от тела 22 штанги к участку 27 среза под ключ. Участок 27 среза под ключ обычно включает в себя четыре среза 24 под ключ. Участки 27 срезов под ключ заканчиваются в заплечике 28 наружной резьбы с торцом 26 заплечика, который контактирует с концом муфты 17 (см. Фиг. 2), когда резьбовые концы 29 ввинчивают в муфту 17 с образованием соединения 10. Наружная круговая поверхность штанги 20 содержит переходный участок, который образует переход от тела 22 штанги к буртику 23. Переходный участок включает участок с радиусом кривизны R_AAPI, проходящий от диаметра D_RAPI тела штанги до выступающего буртика 23. Участок с радиусом кривизны R_AAPI заканчивается в точке перегиба на поверхности выступающего буртика 23, причем поверхность выступающего буртика затем переходит к участку 27 среза под ключ. Срез 24 под ключ имеет ширину W_SAPI (перпендикулярно оси АА штанги 20) и длину L_WSAPI (вдоль оси АА штанги 20). Соединение 10 дополнительно включает в себя длину L_PAPI штифта и длину L_SAPI разгрузочной канавки. В таблице I ниже указаны значения физических параметров, выраженные в миллиметрах («мм»), и безразмерные коэффициенты соединения 10 штанги API 11В, показанной на Фиг. 3.

Было замечено, что обычные насосные штанги 20 API 11В имеют, по крайней мере, следующие проблемы во время эксплуатации, например: поломка в зоне выступающего буртика 23 и среза 24 под ключ вследствие усталостных разрушений (выступающий буртик представляет собой зону, в которой часто возникает большое количество поверхностных дефектов) (из-за процесса ковки, используемого для создания такой геометрии), и квадрат под ключ может быть поврежден динамометрическими ключами при завинчивании и развинчивании соединения 20);

Многие штанги приходится переделывать в зоне выступающего буртика 23 из-за образования перегибов при ковке; и

Сильный износ колонны 5 насосных штанг из-за эрозии и коррозии вследствие перемещения скважинной продукции 7 в кольцевом пространстве между внутренней стенкой лифтовой колонны 3 и соединениями 10, 20 насосных штанг.

Желательно разработать новую конструкцию соединений концов насосных штанг для решения вышеперечисленных и иных проблем, связанных с соединениями концов насосных штанг API.

Раскрытие изобретения

Концы насосных штанг, известные из уровня техники, производили в соответствии со стандартом 11В API в течение многих лет. Несмотря на то, что, что конструкция API подходит для насосных штанг, возникали определенные усталостные разрушения, в частности, когда насосные штанги подвергались воздействию сильных осевых нагрузок. В настоящем изобретении описана новая конструкция конца насосной штанги, которая включает в себя усовершенствования геометрии конца штанги, что обеспечивает уменьшение напряжений и улучшение усталостной прочности, в частности, в квадрате под ключ и кованой зоне новой насосной штанги. Такая новая конструкция обеспечивает снижение затрат на эксплуатацию скважин при использовании насосных штанг. Кроме того, новая конструкция штанги обеспечивает более равномерную геометрию индукционного нагрева во время процесса изготовления.

В настоящем изобретении описана и показана усовершенствованная насосная штанга, имеющая первый конец, включающий в себя: тело 122 насосной штанги, имеющее в основном цилиндрическую внешнюю поверхность, продольную ось и диаметр D_R; и переходный участок 125, имеющий продольную ось. Переходный участок имеет дистальный конец, расположенный рядом с проксимальным концом тела насосной штанги, при этом продольная ось переходного участка и продольная ось тела штанги выровнены. Кроме того, переходный участок имеет внешнюю поверхность, расположенную по окружности вокруг продольной оси переходного участка, причем эта внешняя поверхность имеет продольный профиль с непрерывной кривой, начинающейся на цилиндрической наружной поверхности тела штанги и имеющей вогнутую изогнутую часть с радиусом R_A и выпуклую изогнутую часть с радиусом (R_B), где R_B меньше R_A и диаметр переходного участка 125, измеряемый перпендикулярно продольной оси, постоянно возрастает при удалении от внешней поверхности штанги.

Конец насосной штанги также включает в себя участок 127 квадрата под ключ, имеющий дистальный конец, расположенный рядом с проксимальным концом переходного участка, в котором продольная ось участка квадрата под ключ выровнена с продольной осью тела штанги, и участок квадрата под ключ включает в себя не менее четырех срезов 124 под ключ, перпендикулярных друг другу. Каждый участок 127 квадрата под ключ имеет ширину W_S поперечного сечения, измеренную перпендикулярно оси АА тела штанги, и является поперечным расстоянием поперек тела штанги между двумя параллельными срезами под ключ (см. Фиг. 6 и 8). В некоторых вариантах смежные срезы 124 под ключ могут сходиться на скошенном угле С.

Конец насосной штанги также включает в себя участок заплечика 128 наружной резьбы с дистальным концом, расположенным рядом с проксимальным концом участка квадрата под ключ. Участок заплечика 128 наружной резьбы имеет продольную ось, выровненную с продольной осью тела штанги, и торец 126 заплечика, расположенный на проксимальном конце участка заплечика. Торец заплечика приспособлен для контакта с концом муфты и имеет внешний диаметр D_F.

Конец насосной штанги также включает в себя охватываемый резьбовый соединительный участок 129 с продольной осью, выровненной с продольной осью тела штанги, при этом указанный резьбовый соединительный участок имеет дистальный конец, расположенный рядом с проксимальным концом заплечика 128, и содержит резьбу, занимающую часть круговой внешней поверхности соединительного участка и выполненную с возможностью свинчивания с внутренней резьбой муфты.

В некоторых вариантах реализации насосная штанга может дополнительно иметь второй конец со вторым переходным участком 125 с продольной осью. Второй переходный участок может иметь дистальный конец, расположенный рядом с проксимальным концом тела насосной штанги, причем продольная ось переходного участка и продольная ось тела штанги выровнены, переходный участок имеет внешнюю поверхность, расположенную по окружности вокруг продольной оси переходного участка и имеющую продольный профиль, включающий в себя непрерывную кривую, начинающуюся с цилиндрической внешней поверхности тела штанги и имеющую вогнутую изогнутую часть с радиусом R_A и выпуклую изогнутую часть с радиусом (R_B), где R_B меньше R_A, а диаметр переходного участка 125, измеренный поперечно продольной оси, непрерывно увеличивается при удалении от внешней поверхности штанги.

В некоторых вариантах реализации второй конец насосной штанги может дополнительно иметь второй участок 127 квадрата под ключ, имеющий дистальный конец, расположенный рядом с проксимальным концом переходного участка, причем продольная ось участка квадрата под ключ выровнена с продольной осью тела штанги и квадрат под ключ включает в себя не менее четырех срезов 124 под ключ, взаимно перпендикулярных друг другу. Каждый участок 127 квадрата под ключ имеет ширину W_S поперечного сечения, измеренную перпендикулярно оси АА тела штанги, и является поперечным расстоянием поперек тела штанги между двумя параллельными срезами под ключ (см. Фиг. 6 и 8). В некоторых вариантах смежные срезы 124 под ключ могут сходиться на скошенном угле С.

В некоторых вариантах второй конец насосной штанги может дополнительно включать в себя второй участок заплечика 128 наружной резьбы с дистальным концом, расположенным рядом с проксимальным концом участка квадрата под ключ. Участок заплечика 128 имеет продольную ось, выровненную с продольной осью тела штанги, и торец 126, расположенный на проксимальном конце участка заплечика. Торец заплечика приспособлен для контакта с концом муфты и имеет внешний диаметр D_F.

В некоторых вариантах реализации второй конец насосной штанги может иметь второй резьбовый соединительный участок 129 с продольной осью, выровненной с продольной осью тела штанги. Соединительный участок имеет дистальный конец, расположенный рядом с проксимальным концом участка заплечика 128, и содержит резьбу, занимающую часть круговой внешней поверхности соединительного участка и выполненную с возможностью свинчивания с внутренней резьбой муфты.

В некоторых вариантах реализации участок заплечика 128 первого и/или второго конца штанги имеет круговую внешнюю поверхность, которая образует переход между участком 127 квадрата под ключ и торцом заплечика. Участок заплечика 128 имеет диаметр, измеренный поперечно продольной оси, и непрерывно увеличивается при удалении от участка квадрата под ключ вдоль продольной оси заплечика.

В некоторых вариантах реализации первый и/или второй конец штанги содержат разгрузочную канавку 121, расположенную между торцом 126 заплечика и резьбой соединительного участка 129.

В некоторых вариантах реализации соотношение Ws/D_R у первого и/или второго конца штанги составляет не менее 1,5.

В некоторых вариантах реализации отношение R_A/D_R у первого и/или у второго конца штанги составляет не менее 3,3.

В некоторых вариантах реализации максимальный поперечный диаметр муфты первого и/или второго конца штанги больше, чем максимальный поперечный внешний диаметр тела 122 штанги, переходного участка 125, резьбового соединительного участка 129 и участка заплечика 128.

В некоторых вариантах первый и/или второй конец штанги включают в себя скошенный угол (переходную фаску), имеющую по существу плоскую поверхность, вписанную в диаметр D_C, который меньше, чем диаметр D_F.

В настоящем изобретении также описан и проиллюстрирован усовершенствованный способ соединения насосных штанг, включающий в себя следующие этапы:

обеспечение первой насосной штанги, включающей в себя:

тело 122 насосной штанги, имеющее в целом цилиндрическую внешнюю поверхность, продольную ось и диаметр D_R;

переходный участок 125 с продольной осью, имеющий дистальный конец, расположенный рядом с проксимальным концом тела насосной штанги, при этом продольная ось переходного участка и продольная ось тела штанги выровнены, указанный переходный участок имеет внешнюю поверхность, расположенную по окружности вокруг продольной оси переходного участка и имеющую продольный профиль, содержащий непрерывную кривую, начинающуюся от цилиндрической внешней поверхности тела штанги и имеющую вогнутую изогнутую часть с радиусом R_A и выпуклую изогнутую часть с радиусом R_B, где R_B меньше R_A, а диаметр переходного участка 125, измеренный поперек продольной оси, непрерывно увеличивается при удалении от внешней поверхности штанги;

участок 127 квадрата под ключ, имеющий дистальный конец, расположенный рядом с проксимальным концом переходного участка, и продольную ось, выровненную с продольной осью тела штанги, причем указанный участок квадрата под ключ включает в себя не менее четырех срезов 124 под ключ, каждый указанный срез 124 имеет ширину W_S, измеренную поперек оси АА тела штанги;

участок заплечика 128 наружной резьбы, который имеет дистальный конец, расположенный рядом с проксимальным концом участка квадрата под ключ, и продольную ось, выровненную с продольной осью тела штанги, а также торец 126 заплечика, расположенный на проксимальном конце участка заплечика и имеющий внешний диаметр D_F, где участок заплечика 128 включает в себя круговую внешнюю поверхность, которая образует переход между участком 127 квадрата под ключ и торцом заплечика, и где участок заплечика 128 наружной резьбы имеет диаметр, измеренный поперечно продольной оси, который непрерывно увеличивается при удалении от участка квадрата под ключ вдоль продольной оси участка заплечика, причем соотношение R_A/D_R составляет не менее 3,3;

резьбовый соединительный участок 129 с продольной осью, выровненной с продольной осью тела штанги, и имеющий дистальный конец, расположенный рядом с проксимальным концом участка заплечика 128, при этом указанный резьбовый соединительный участок включает в себя наружную резьбу, расположенную на участке круговой внешней поверхности соединительного участка; и

обеспечение второй насосной штанги, включающей в себя:

тело 122 насосной штанги, имеющее в целом цилиндрическую внешнюю поверхность, продольную ось и диаметр D_R;

переходный участок 125 с продольной осью, имеющий дистальный конец, расположенный рядом с проксимальным концом тела насосной штанги, при этом продольная ось переходного участка и продольная ось тела штанги выровнены, указанный переходный участок имеет внешнюю поверхность, расположенную по окружности вокруг продольной оси переходного участка и имеющую продольный профиль, содержащий непрерывную кривую, начинающуюся от цилиндрической внешней поверхности тела штанги и имеющую вогнутую изогнутую часть с радиусом R_A и выпуклую изогнутую часть с радиусом R_B, где R_B меньше R_A, а диаметр переходного участка 125, измеренный поперек продольной оси, непрерывно увеличивается при удалении от внешней поверхности штанги;

участок 127 квадрата под ключ, имеющий дистальный конец, расположенный рядом с проксимальным концом переходного участка, и продольную ось, выровненную с продольной осью тела штанги, причем указанный участок квадрата под ключ включает в себя не менее четырех срезов 124 под ключ, каждый указанный срез 124 имеет ширину W_S, измеренную поперек оси АА тела штанги;

участок заплечика 128 наружной резьбы, который имеет дистальный конец, расположенный рядом с проксимальным концом участка квадрата под ключ, и продольную ось, выровненную с продольной осью тела штанги, а также торец 126 заплечика, расположенный на проксимальном конце участка заплечика и имеющий внешний диаметр D_F, где участок заплечика 128 включает в себя круговую внешнюю поверхность, которая образует переход между участком 127 квадрата под ключ и торцом заплечика, и где участок заплечика 128 наружной резьбы имеет диаметр, измеренный поперечно продольной оси, который непрерывно увеличивается при удалении от участка квадрата под ключ вдоль продольной оси участка заплечика, причем соотношение R_A/D_R составляет не менее 3,3;

резьбовый соединительный участок 129 с продольной осью, выровненной с продольной осью тела штанги, и имеющий дистальный конец, расположенный рядом с проксимальным концом участка заплечика 128, при этом указанный резьбовый соединительный участок включает в себя наружную резьбу, расположенную на проксимальном участке круговой внешней поверхности соединительного участка; причем участок заплечика 128 включает в себя круговую внешнюю поверхность, которая образует переход между участком 127 квадрата под ключ и торцом заплечика; и

обеспечение муфты, включающей в себя проксимальный участок, имеющий внутреннюю резьбу и проксимальный торец, и дистальный участок, имеющий внутреннюю резьбу и дистальный торец;

введение проксимального конца резьбового соединения первой штанги в проксимальный участок муфты; и

поворачивание насосной штанги или муфты до тех пор, пока торец заплечика первой штанги не коснется проксимального торца муфты; и

введение проксимального конца резьбового соединения второй штанги в дистальный участок муфты; и

поворачивание второй насосной штанги или муфты до тех пор, пока торец заплечика второй штанги не коснется проксимального торца муфты.

В некоторых вариантах реализации для соединения насосных штанг используют первую штангу, в которой смежные срезы 124 под ключ взаимно перпендикулярны друг другу и сходятся на скошенных углах, имеющих плоскую поверхность. Каждый срез 124 имеет ширину W_S, измеренную поперечно оси АА тела штанги, и является поперечным расстоянием через тело штанги между двумя параллельными срезами под ключ (см. Фиг. 6 и 8). В некоторых вариантах смежные срезы 124 могут сходиться на скошенном угле С. Способ включает в себя использование второй штанги, в которой смежные срезы 124 под ключ взаимно перпендикулярны друг другу и сходятся на скошенном угле, имеющем плоскую поверхность. Каждый срез 124 имеет ширину W_S, измеренную поперечно оси АА тела штанги, и является поперечным расстоянием через тело штанги между двумя параллельными срезами под ключ (см. Фиг. 6 и 7). В некоторых вариантах смежные срезы 124 под ключ могут сходиться на скошенном угле С.

Краткое описание чертежей

На Фиг. 1 представлено схематическое изображение насосной системы, известной из уровня техники, иллюстрирующее колонну насосных штанг по спецификации API 11В, известную из уровня техники, расположенную внутри насосно-компрессорной колонны в стволе скважины.

На Фиг. 2 показан увеличенный вид сбоку в разрезе известного из уровня техники конца насосной штанги API 11В, показанной на Фиг. 1.

На Фиг. 3 показан вид сбоку в разрезе насосной штанги API 11В, показанной на Фиг. 1.

На Фиг. 4 показан общий вид нового конца насосной штанги по изобретению.

На Фиг. 5 показан вид сверху в разрезе конца насосной штанги, показанной на Фиг. 4.

На Фиг. 6 показан вид сзади в разрезе конца насосной штанги, показанной на Фиг. 5.

На Фиг. 7 показан вид сбоку в разрезе конца насосной штанги, показанной на Фиг. 4, повернутой на 45 градусов относительно вида сверху, показанного на Фиг. 5.

На Фиг. 8 показан вид сзади в разрезе конца насосной штанги, показанной на Фиг. 7.

Аналогичные условные символы на различных чертежах обозначают аналогичные элементы.

Осуществление изобретения

На Фиг. 4 показан общий вид конца насосной штанги по настоящему изобретению, а на Фиг. 5 показан вид сверху в разрезе конца насосной штанги, показанной на Фиг. 4. Насосная штанга 100 включает в себя участок 122 тела штанги, имеющий диаметр D_R, и переходный участок 125, который образует переход от тела 122 штанги к участку 127 квадрата под ключ, в котором выполнены несколько срезов 124 под ключ.

Переходный участок 125 включает в себя круговую внешнюю поверхность, которая имеет первую вогнутую изогнутую часть (вид снаружи) с радиусом R_A и вторую выпуклую изогнутую часть с радиусом R_B. Радиус R_A и радиус R_B сходятся в точке перегиба (IP), где изогнутые поверхности А и В соприкасаются друг с другом. R_B меньше R_A, и диаметр переходного участка 125, измеренный поперечно продольной оси, непрерывно увеличивается при удалении от тела штанги вдоль продольной оси переходного участка. Переходный участок 125 заканчивается на участке 127 квадрата под ключ.

Участок 127 квадрата под ключ имеет дистальный конец, расположенный рядом с проксимальным концом переходного участка, причем участок квадрата под ключ имеет продольную ось, выровненную с продольной осью тела штанги, и участок квадрата под ключ включает в себя не менее четырех срезов 124 под ключ, перпендикулярных друг другу. Участок 127 квадрата под ключ заканчивается на участке заплечика 128 наружной резьбы с торцом 126 заплечика, который контактирует с концом стандартной муфты (пример стандартной муфты показан в виде элемента 27 на Фиг. 2), когда резьбовые концы 129 ввинчивают в муфту с образованием соединения. Каждый участок 127 квадрата под ключ имеет ширину W_S поперечного сечения, измеренную поперечно оси АА тела штанги, и является поперечным расстоянием через тело штанги между двумя параллельными срезами под ключ (см. Фиг. 6 и 8). В некоторых вариантах смежные срезы 124 под ключ могут сходиться на скошенном угле С. Длина L_WS - это длина среза под ключ (измеренная вдоль оси АА тела 122 штанги).

Участок заплечика 128 включает в себя круговую внешнюю поверхность, которая включает в себя выпуклую поверхность (вид снаружи) с радиусом R_DF. Кроме того, участок заплечика наружной резьбы включает в себя торец 126 заплечика с диаметром D_F (см. Фиг. 6 и 7).

Резьбовый соединительный участок 129 с продольной осью, выровненной с продольной осью тела штанги, соединен с участком заплечика наружной резьбы. Резьбовое соединение включает в себя наружную резьбу, приспособленную для свинчивания с внутренней резьбой внутри муфты. Разгрузочная канавка 121 расположена между торцом 126 заплечика и резьбой соединения 129.

В таблице I ниже указаны значения физических параметров, выраженные в миллиметрах («мм»), и безразмерные коэффициенты примера осуществления настоящего изобретения, показанного на Фиг. 4-8.

Конструкция по настоящему изобретению позволяет уменьшить напряжения на участке среза под ключ и в зоне ковки и уменьшить усталостные разрушения. Новая конструкция по настоящему изобретению, показанная на Фиг. 4-8 и описанная в настоящем документе, включает в себя, по меньшей мере, следующие усовершенствования/преимущества по сравнению с насосной штангой API 11В, показанной на Фиг. 1-3.

В новой конструкции исключен выступающий буртик 23 в соединении API 11В, расположенный между срезом 24 под ключ и телом 22 насосной штанги, и вместо выступающего буртика 23 тело 122 штанги новой конструкции плавно соединено с участком 127 квадрата под ключ посредством плавного непрерывного переходного участка 125, имеющего непрерывную круговую внешнюю поверхность, которая включает в себя первую вогнутую (вид снаружи) изогнутую часть с радиусом R_A и вторую выпуклую изогнутую часть с радиусом R_B, сходящиеся в точке перегиба IP. R_B меньше R_A, и диаметр переходного участка 125, измеряемый поперечно продольной оси, непрерывно увеличивается при удалении от тела штанги вдоль продольной оси переходного участка.

Благодаря отсутствию в новой конструкции выступающего буртика 23, можно увеличить размер W_S квадрата под ключ и величину радиуса R_A в новой конструкции конца штанги определенного диаметра, но сохранить эти значения в рамках стандартизированных значений API 11В для использования стандартного оборудования для работы со штангами и затяжки соединений штанг (например, подъемных стволов и ключей для штанг и штанговых ключей). С новой геометрией конца штанги, например, можно использовать штангу API со значением диаметра W_SAPI=1 дюйм в штанге новой конструкции с диаметром 7/8 дюйма. Это приводит к максимизации ширины W_S участка 127 квадрата под ключ насосной штанги с новым концом по сравнению со срезом 24 под ключ стандартизированной по API 11В конструкции для того же диаметра штанги, но размеры квадрата под ключ по-прежнему остаются в пределах стандартизированных значений API.

Соотношение коэффициентов (Ws/D_R) ширины W_S квадрата под ключ к диаметру R_D штанги увеличивается в конструкции по настоящему изобретению по сравнению с соотношением W_SAPI/D_RAPI ширины W_SAPI квадрата под ключ конца штанги API 11В и диаметра штанги API. (См. значения и коэффициенты в таблицах I и II, где соотношение Ws/D_R у новой конструкции составляет не менее 1,5, тогда как соотношение W_SAPI/D_RAPI у конструкций API составляет 1,14-1,3). Увеличение размера участка квадрата под ключ конца насосной штанги относительно определенных размеров штанги (например, увеличение значения Ws/D_R) имеет большое значение, так как квадрат под ключ является частью штанги, которую легко повредить во время работы (например, при свинчивании и отвинчивании соединения). Повреждение участка 127 квадрата под ключ может привести к возникновению концентраторов напряжений и трещин, которые могут приводить к возникновению усталостных разрушений во время использования.

Удаление выступающего буртика, используемого в конструкции API 11В, известной из уровня техники, имеет дополнительное преимущество в снижении износа внутренней поверхности лифтовой колонны 3, вызываемого движением колонны 5 насосных штанг. Такое уменьшение достигается при использовании новой конструкции за счет разнесения (распределения) точек соприкосновения (истирания) между насосной штангой и лифтовой колонной. В конструкциях конца штанга API 11В выступающий буртик является частью штанги, имеющей наибольший диаметр, и, как правило, контактирует с лифтовой колонной на очень небольшой площади, создавая высокие контактные давления и повреждение на более мягком из контактирующих элементов (т.е. лифтовой колонне), что приводит к преждевременному разрушению трубы протиранием дыр.

Кроме того, удаление выступающего буртика позволяет исключить зону, где в стандартных штангах API, известных из уровня техники, появляются дефекты ковки, что требует переделки выступающего буртика (23) после ковки конца для штанги API 11В из-за трещин, заусенцев при ковке и окалины. Выступающий буртик 23 штанги API 11В подвергается сильной деформации при ковке, что может привести к высоким остаточным напряжениям после ковки, которые могут приводить к образованию трещин, являющихся концентраторами напряжений, что может привести к усталостному разрушению, поэтому желательно исключить буртик, что позволит избежать такого типа дефектов поверхности насосной штанги.

Увеличение радиуса непрерывно изогнутого гладкого переходного участка 125 штанги по настоящему изобретению по сравнению с переходным участком стандартизованной штанги API 11В для определенного диаметра штанги позволяет увеличить стойкость к коррозионной усталости. Такой увеличенный радиус проиллюстрирован с использованием соотношения R_A/D_R радиуса R_A изогнутой части переходного участка 125 и диаметра D_R нового конца насосной штанги и соотношения R_API/D_RAPI для штанги API (см. значения и коэффициенты в таблицах I и II, где новая конструкция имеет соотношение R_A/D_R>3, тогда как соотношение R_API/D_RAPI у конструкций API 11В приблизительно равно 3). Данное увеличенное (R_A/D_R) соотношение обеспечивает более плавный переход для потока жидкости через конец насосной штанги, снижает количество областей турбулентности (участков с высоким трением). В штанге API более низкое соотношение (R_API/D_RAPI) в сочетании с коррозионностью жидкости и турбулентным потоком способствует точечной коррозии и приводит к образованию трещин, которые могут привести к разрушению вследствие коррозийной усталости в кованом переходном участке конца штанги API.

Замена резкого изменения диаметра между участками 27 квадрата под ключ и заплечиком 26 в конструкции штанги по API (см. Фиг. 3) на непрерывно изогнутую внешнюю поверхность участка заплечика 128 наружной резьбы с радиусом R_DF в новой конструкции (см. Фиг. 7) обеспечивает более плавный переход для потока жидкости и уменьшает турбулентность и перепад давления на конце насосной штанги.

Так как в новой конструкции конца насосной штанги отсутствует выступающий буртик (присутствующий на конце насосной штанги API 11В), геометрия нового конца насосной штанги имеет более низкие значения потерь давления в скважинной продукции 7, протекающей вдоль внешней поверхности конца насосной штанги при том же самом диаметре штанги и диаметре трубы, как в случае штанги API 11В. (См. прилагаемые таблицу III и таблицу IV). Этот улучшенный поток скважинной продукции 7 увеличивает продуктивность скважины, в которой установлены штанги новой конструкции, и уменьшает эрозию и коррозию штанг в скважине, и тем самым увеличивает срок эксплуатации штанг с новой конструкцией конца насосной штанги.

Кроме того, так как в новой конструкции отсутствует выступающий буртик, контактные поверхности между соединением и лифтовой колонной будут иметь максимальный поперечный внешний диаметр (например, диаметр, измеренный перпендикулярно продольной оси) муфты 27 и фасок квадрата под ключ в зависимости от отклонения скважины, по сравнению с конструкцией API 11В, в которой выступающий буртик создает высокое давление, вызывающее износ (вследствие уменьшения контактной площади), таким образом, увеличивая скорость износа труб и насосных штанг. Эта новая геометрия конца насосной штанги позволит сконцентрировать износ на муфтах и, в меньшей степени (по сравнению с конструкцией API 11В), на фасках квадрата под ключ насосной штанги. Таким образом, муфта является наиболее вероятным элементом, который будет изнашиваться из-за трения, связанного с контактом муфты и стенки трубы. Это приводит к уменьшению износа на других элементах конца насосной штанги, что в конечном итоге приводит к уменьшению затрат на техническое обслуживание для скважины, где используют насосные штанги с новой конструкцией конца насосной штанги, поскольку муфта является наименее дорогостоящим элементом и самым простым в плане замены в колонне насосных штанг.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ

В таблице III и таблице IV ниже скважинные жидкости А и В представляют собой два различных типа обычных типов жидкостей для скважин, в которых используют насосные штанги.

Было выполнено моделирование потока жидкости с целью оценки характеристик потока (обратный поток, турбулентность потока, перепад давления, усилие на насосную штангу из-за потока жидкости, усилие на трубе из-за потока жидкости, трение и давление на стыке) посредством сравнения конструкции Tenaris с конструкцией API.

Таблица IV: Результаты моделирования потока в абсолютных значениях

В этой таблице IV, Tenaris-A представляет собой результаты моделирования для конца штанги по настоящему изобретению, используемой в жидкости А таблицы III, и API-А представляет собой результаты моделирования штанги API в жидкости А таблицы III. Tenaris-B и API-B представляют собой результаты моделирования для жидкости В таблицы III.

В таблице V ниже приведены безразмерные результаты, что означает, что они разделены по той же величине, полученной при моделировании 1 м тела штанги (без соединения).

Таблица V Результаты моделирования потока для одного метра тела штанги (без соединения), выраженные в виде безразмерных значений

В данной таблице IV Tenaris-A представляет собой результаты моделирования для штанги по настоящему изобретению, используемой в жидкости А таблицы III, и API-A представляет собой результаты моделирования штанги API в жидкости А таблицы III. Tenaris-B и API-B представляют собой результаты моделирования для жидкости В таблицы III.

В настоящем документе был раскрыт и описан предпочтительный вариант осуществления изобретения. Другие варианты осуществления находятся в пределах объема следующей формулы изобретения.

Группа изобретений относится к области колонн насосных штанг, используемых в нефтяных скважинах, и, более конкретно, к конструкции конца насосной штанги. Технический результат - уменьшение напряжения на участке среза под ключ и в зоне ковки и уменьшение усталостных разрушений. Цельная металлическая насосная штанга включает тело насосной штанги, переходный участок, участок квадрата под ключ, участок заплечика, резьбовой соединительный участок. Переходный участок имеет внешнюю поверхность, расположенную по окружности вокруг продольной оси переходного участка, внешнюю поверхность, имеющую продольный профиль, включающий в себя непрерывную кривую, начинающуюся от цилиндрической внешней поверхности тела штанги и имеющую вогнутую изогнутую часть с радиусом R_A и выпуклую изогнутую часть с радиусом R_B, где R_B меньше R_A, а диаметр переходного участка, измеряемый поперек продольной оси АА, непрерывно увеличивается при удалении от внешней поверхности штанги; Участок квадрата под ключ, который имеет не менее четырех срезов под ключ. Участок заплечика наружной резьбы имеет торец заплечика, приспособленный к контакту с концом муфты, где торец заплечика имеет внешний диаметр D_F. Резьбовый соединительный участок выполнен с наружной резьбой. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 5 табл., 8 ил.

1. Цельная металлическая насосная штанга, имеющая первый конец, который содержит:

тело насосной штанги, имеющее в целом цилиндрическую внешнюю поверхность, продольную ось и диаметр D_R;

переходный участок с продольной осью, имеющий дистальный конец, расположенный рядом с проксимальным концом тела насосной штанги, где продольная ось переходного участка и продольная ось тела штанги выровнены, причем указанный переходный участок имеет внешнюю поверхность, расположенную по окружности вокруг продольной оси переходного участка и имеющую продольный профиль, включающий в себя непрерывную кривую, начинающуюся от цилиндрической внешней поверхности тела штанги и имеющую вогнутую изогнутую часть, переходящую в цилиндрическую внешнюю поверхность насосной штанги и имеющую радиус R_A, и выпуклую изогнутую часть с радиусом R_B, где R_B меньше R_A, а диаметр переходного участка, измеренный поперечно продольной оси, непрерывно увеличивается при удалении от внешней поверхности тела штанги;

участок квадрата под ключ, имеющий дистальный конец, расположенный рядом с проксимальным концом переходного участка, причем указанный участок квадрата под ключ имеет продольную ось, выровненную с продольной осью тела штанги, и включает в себя не менее четырех срезов под ключ, перпендикулярных друг другу;

участок заплечика наружной резьбы, имеющий дистальный конец, расположенный рядом с проксимальным концом участка квадрата под ключ, причем участок заплечика имеет продольную ось, выровненную с продольной осью тела штанги, и торец заплечика, расположенный на проксимальном конце участка заплечика, где указанный торец заплечика приспособлен для контакта с концом муфты, причем указанный торец заплечика имеет внешний диаметр D_F; и

соединительный участок с наружной резьбой, имеющий продольную ось, выровненную с продольной осью тела штанги, причем указанный соединительный участок имеет дистальный конец, расположенный рядом с проксимальным концом участка заплечика, и резьбу, выполненную на участке круговой внешней поверхности соединительного участка с возможностью свинчивания с внутренней резьбой муфты.

2. Насосная штанга по п. 1, в которой смежные срезы под ключ сходятся на скошенных углах, имеющих плоскую поверхность, причем каждый участок квадрата под ключ имеет ширину W_s поперечного сечения, измеренную поперечно оси АА тела штанги, и представляющую собой поперечное расстояние через тело штанги между двумя параллельными срезами под ключ.

3. Насосная штанга по п. 2, второй конец которой дополнительно содержит:

второй переходный участок с продольной осью, имеющий дистальный конец, расположенный рядом с проксимальным концом тела насосной штанги, где продольная ось переходного участка и продольная ось тела штанги выровнены, причем указанный переходный участок имеет внешнюю поверхность, расположенную по окружности вокруг продольной оси переходного участка и имеющую продольный профиль, включающий в себя непрерывную кривую, начинающуюся от цилиндрической внешней поверхности тела штанги и имеющую вогнутую изогнутую часть радиусом R_A и выпуклую изогнутую часть с радиусом R_B, где R_B меньше R_A, а диаметр переходного участка, измеренный поперечно продольной оси, непрерывно увеличивается при удалении от внешней поверхности тела штанги;

второй участок квадрата под ключ, имеющий дистальный конец, расположенный рядом с проксимальным концом переходного участка, причем указанный участок квадрата под ключ имеет продольную ось, выровненную с продольной осью тела штанги, и включает в себя не менее четырех срезов под ключ, перпендикулярных друг другу;

второй участок заплечика наружной резьбы, имеющий дистальный конец, расположенный рядом с проксимальным концом участка квадрата под ключ, причем участок заплечика имеет продольную ось, выровненную с продольной осью тела штанги, и торец заплечика, расположенный на проксимальном конце участка заплечика, где указанный торец заплечика приспособлен для контакта с концом муфты, причем указанный торец заплечика имеет внешний диаметр D_F; и

второй соединительный участок с наружной резьбой, имеющий продольную ось, выровненную с продольной осью тела штанги, причем указанный соединительный участок имеет дистальный конец, расположенный рядом с проксимальным концом участка заплечика, и резьбу, выполненную на участке круговой внешней поверхности соединительного участка с возможностью свинчивания с внутренней резьбой второй муфты.

4. Насосная штанга по п. 3, в которой смежные срезы под ключ второго конца штанги сходятся на скошенном угле, имеющем плоскую поверхность, где каждый участок квадрата под ключ имеет ширину W_s поперечного сечения, измеренную поперечно оси АА тела штанги, и является поперечным расстоянием через тело штанги между двумя параллельными срезами под ключ.

5. Насосная штанга по п. 1, в которой участок заплечика наружной резьбы имеет круговую внешнюю поверхность, которая образует переход между участком квадрата под ключ и торцом заплечика, и в которой участок заплечика имеет диаметр, измеряемый поперечно продольной оси, который постоянно возрастает при удалении от участка квадрата под ключ вдоль продольной оси участка заплечика.

6. Насосная штанга по п. 1, в которой между торцом заплечика и резьбой соединительного участка предусмотрена разгрузочная канавка.

7. Насосная штанга по п. 2, в которой соотношение Ws/D_r составляет не менее 1,5.

8. Насосная штанга по п. 7, в которой ширина W_s для штанги с диаметром D_R, равным 7/8 дюйма, равна W_sapi стандартной штанги API 11В с диаметром D_rapi, равным 1 дюйм.

9. Насосная штанга по п. 1, в которой соотношение R_a/D_r составляет не менее 3,3.

10. Насосная штанга по п. 1, в которой максимальный поперечный диаметр съемной муфты, размещенной на резьбовом соединительном участке, превышает максимальный поперечный внешний диаметр тела штанги, переходного участка, резьбового соединительного участка и участка заплечика.

11. Насосная штанга по п. 3, в которой соотношение W_s/D_R составляет не менее 1,5.

12. Насосная штанга по п. 3, в которой соотношение R_a/D_r составляет не менее 3,3.

13. Насосная штанга по п. 2, в которой максимальный поперечный диаметр съемной муфты, размещенной на резьбовом соединительном участке, превышает максимальный поперечный внешний диаметр тела штанги, переходного участка, участка резьбового штифтового соединения и участка заплечика наружной резьбы.

14. Насосная штанга по п. 3, в которой максимальный поперечный диаметр съемной муфты, размещенной на резьбовом соединительном участке, превышает максимальный поперечный внешний диаметр тела штанги, переходного участка, участка резьбового штифтового соединения и участка заплечика наружной резьбы.

15. Насосная штанга по п. 2, в которой скошенный угол имеет по существу плоскую поверхность, вписанную в окружность диаметром D_c, который меньше диаметра D_F.

16. Насосная штанга по п. 4, в которой скошенный угол второго конца штанги имеет по существу плоскую поверхность, вписанную в окружность диаметром D_c, который меньше диаметра D_F.

17. Способ соединения цельных металлических насосных штанг, в котором:

обеспечивают первую насосную штангу, включающую в себя:

тело насосной штанги, имеющее в целом цилиндрическую внешнюю поверхность, продольную ось и диаметр D_R;

переходный участок с продольной осью, имеющий дистальный конец, расположенный рядом с проксимальным концом тела насосной штанги, где продольная ось переходного участка и продольная ось тела штанги выровнены, причем указанный переходный участок имеет внешнюю поверхность, расположенную по окружности вокруг продольной оси переходного участка и имеющую продольный профиль, включающий в себя непрерывную кривую, начинающуюся от цилиндрической внешней поверхности тела штанги и имеющую вогнутую изогнутую часть, переходящую в цилиндрическую внешнюю поверхность насосной штанги и имеющую радиус R_A, и выпуклую изогнутую часть с радиусом R_B, где R_B меньше R_a, а диаметр переходного участка, измеренный поперечно продольной оси, непрерывно увеличивается при удалении от внешней поверхности тела штанги;

участок квадрата под ключ, имеющий дистальный конец, расположенный рядом с проксимальным концом переходного участка, причем указанный участок квадрата под ключ имеет продольную ось, выровненную с продольной осью тела штанги, и включает в себя не менее четырех срезов под ключ, перпендикулярных друг другу;

участок заплечика наружной резьбы, имеющий дистальный конец, расположенный рядом с проксимальным концом участка квадрата под ключ, причем участок заплечика имеет продольную ось, выровненную с продольной осью тела штанги, и торец заплечика, расположенный на проксимальном конце участка заплечика и имеющий внешний диаметр D_F, причем участок заплечика включает в себя круговую внешнюю поверхность, которая образует переход между участком квадрата под ключ и торцом заплечика, причем участок заплечика имеет диаметр, измеренный поперечно продольной оси, который непрерывно увеличивается при удалении от участка квадрата ключ вдоль продольной оси участка заплечика;

соединительный участок с наружной резьбой, имеющий продольную ось, выровненную с продольной осью тела штанги, причем указанный соединительный участок имеет дистальный конец, расположенный рядом с проксимальным концом участка заплечика, и наружную резьбу, выполненную на участке круговой внешней поверхности соединительного участка; и

обеспечивают вторую цельную металлическую насосную штангу, включающую в себя:

тело насосной штанги, имеющее в целом цилиндрическую внешнюю поверхность, продольную ось и диаметр D_R;

переходный участок с продольной осью, имеющий дистальный конец, расположенный рядом с проксимальным концом тела насосной штанги, где продольная ось переходного участка и продольная ось тела штанги выровнены, причем указанный переходный участок имеет внешнюю поверхность, расположенную по окружности вокруг продольной оси переходного участка и имеющую продольный профиль, включающий в себя непрерывную кривую, начинающуюся от цилиндрической внешней поверхности тела штанги и имеющую вогнутую изогнутую часть, переходящую в цилиндрическую внешнюю поверхность насосной штанги и имеющую радиус R_a, и выпуклую изогнутую часть с радиусом R_B, где R_B меньше R_A, а диаметр переходного участка, измеренный поперечно продольной оси, непрерывно увеличивается при удалении от внешней поверхности тела штанги;

участок квадрата под ключ, имеющий дистальный конец, расположенный рядом с проксимальным концом переходного участка, причем указанный участок квадрата под ключ имеет продольную ось, выровненную с продольной осью тела штанги, и включает в себя не менее четырех срезов под ключ, перпендикулярных друг другу;

участок заплечика наружной резьбы, имеющий дистальный конец, расположенный рядом с проксимальным концом участка квадрата под ключ, причем участок заплечика имеет продольную ось, выровненную с продольной осью тела штанги, и торец заплечика, расположенный на проксимальном конце участка заплечика и имеющий внешний диаметр D_F, причем участок заплечика включает в себя круговую внешнюю поверхность, которая образует переход между участком квадрата под ключ и торцом заплечика, причем участок заплечика имеет диаметр, измеренный поперечно продольной оси, который непрерывно увеличивается при удалении от участка квадрата ключ вдоль продольной оси участка заплечика;

соединительный участок с наружной резьбой, имеющий продольную ось, выровненную с продольной осью тела штанги, причем указанный соединительный участок имеет дистальный конец, расположенный рядом с проксимальным концом участка заплечика, и резьбу, выполненную на проксимальном участке круговой внешней поверхности соединительного участка, причем участок заплечика включает в себя круговую внешнюю поверхность, которая образует переход между участком квадрата под ключ и торцом заплечика;

обеспечивают муфту, имеющую проксимальный участок с внутренней резьбой и проксимальным торцом, и дистальный участок с внутренней резьбой и дистальным торцом;

вводят проксимальный конец резьбового соединения первой насосной штанги в проксимальный участок муфты; и

поворачивают насосную штангу или муфту до тех пор, пока торец заплечика первой насосной штанги не придет в контакт с проксимальным торцом муфты; и

вводят проксимальный конец резьбового соединения второй насосной штанги в дистальный участок муфты; и

поворачивают вторую насосную штангу или муфту до тех пор, пока торец заплечика второй насосной штанги не придет в контакт с дистальным торцом муфты.

18. Способ по п. 17, в котором смежные срезы под ключ первой насосной штанги перпендикулярны друг другу и сходятся на скошенном угле, имеющем плоскую поверхность, причем каждый участок квадрата под ключ имеет ширину W_s поперечного сечения, измеренную поперечно оси АА тела насосной штанги, и является поперечным расстоянием через тело штанги между двумя параллельными срезами под ключ, где соотношение W_S/D_R составляет не менее 1,5; и в котором смежные срезы под ключ второй насосной штанги перпендикулярны друг к другу и сходятся на скошенном угле, имеющем плоскую поверхность, причем каждый срез под ключ имеет ширину W_s, измеренную поперечно оси АА тела насосной штанги, и является поперечным расстоянием через тело насосной штанги между параллельными срезами под ключ, где соотношение W_s/D_R составляет не менее 1,5.