КАНАТНАЯ НАСОСНАЯ ШТАНГА Российский патент 2025 года по МПК E21B17/00 D07B1/16 

Изобретение относится к нефтяной отрасли и может быть использовано при добыче скважинной жидкости из наклонно-направленных скважин и скважин с боковыми стволами штанговыми скважинными насосными установками (ШСНУ).

Известна канатная насосная штанга, передающая возвратно-поступательное движение от поверхностного привода к плунжеру скважинного штангового насоса, состоящая из тела штанги и головки штанги с соединительной резьбой. При этом в качестве тела штанги используется канат закрытой конструкции с Z, X и О-образными проволоками. Головная и хвостовая части насосной штанги выполнены в виде заделки для соединения канатной штанги с насосом, полированным штоком или насосными штангами. Заделка обеспечивает равномерное нагружение всех проволок каната при работе канатной насосной штанги [патент РФ №123445 от 27.12.2012].

Недостатком известной конструкции является малая наработка, обусловленная низкой устойчивостью канатной насосной штанги к воздействию сжимающих нагрузок, что является следствием малой жесткости каната на изгиб. Канатная насосная штанга, как сложное витое изделие, имеющее малую жесткость на изгиб, иначе воспринимает сжимающие нагрузки. При сжатии канатная насосная штанга многократно изгибается, возникает дефект каната, который проявляется в разделении его проволок, появлении зазоров между проволоками и нарушении структурной целостности каната вблизи заделки. Как следствие, происходит разрушение канатной насосной штанги вследствие её трения о стенки насосно-компрессорных труб и коррозии проволок внутренних слоев каната, что обусловливает отказ ШСНУ и необходимость выполнения дорогостоящих спускоподъемных операций для замены участка насосной штанги.

Развитие дефекта каната насосной штанги обусловлено потерей структурной целостности со смещением проволок и увеличением радиального зазора между ними, что приводит к выходу из замка проволок фасонного сечения. При этом Z-образные проволоки внешнего слоя не могут вернуться в исходное положение, что приводит к конструктивной деформации участка канатной штанги. Согласно данным, приведенным в [Алиев Ш.А. Повышение безотказности и эффективности работы скважинных насосных установок с канатной штангой в боковых стволах малого диаметр: автореф. дис. канд. техн. наук / Ш.А. Алиев. - Москва, 2024. - 24 с] развитие описанного дефекта каната канатной насосной штанги происходит вблизи заделки, где канат и разрушается (см. фиг. 1).

Наиболее близким к заявляемому устройству по совокупности признаков является канатная насосная штанга, описанная в патенте на полезную модель [патент РФ № 203166 от 24.03.2021], состоящая из каната закрытой конструкции и двух заделок с резьбой для соединения с жесткими насосными штангами и удержания проволок в замке.

Повышение наработки известной канатной насосной штанги в скважине обеспечивается за счет снижения ее удлинения при растяжении (ходе канатной насосной штанги вверх) и предотвращения деформации каната при сжатии (ходе канатной насосной штанги вниз). Указанное достигается увеличением заполнения проволоками площади поперечного сечения каната. Кроме того, на наружную поверхность канатной насосной штанги нанесено полимерное покрытие с целью защиты каната от коррозии и предотвращения смещения слоев проволок наружного слоя каната. Данное устройство принято в качестве прототипа.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - канатная насосная штанга, выполненная из непрерывного каната, на концах которого размещены нижняя и верхняя заделки для удержания проволок каната в замке, заделки снабжены резьбой для соединения с жесткими насосными штангами.

К недостаткам известного устройства, принятого за прототип, относится следующее. Полимерное покрытие каната канатной насосной штанги изнашивается и разрушается при трении о насосно-компрессорные трубы. Продукты разрушения полимерного покрытия являются механическими примесями, попадание которых в скважинную жидкость может негативно сказаться на работе устьевого оборудования и системы транспорта и подготовки нефти на поверхности. Нанесение на канатную насосную штангу полимерного покрытия по всей длине каната необоснованно усложняет и удорожает конструкцию изделия.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является сохранение показателей надежности функционирования при упрощении конструкции и снижении стоимости канатных насосных штанг, применяемых при эксплуатации нефтяных наклонно-направленных скважин и скважин с боковыми стволами с использованием ШСНУ.

Поставленная задача была решена за счет того, что известная канатная насосная штанга, выполненная из непрерывного каната, на концах которого размещены нижняя и верхняя заделки для удержания проволок каната в замке, заделки снабжены резьбой для соединения с жесткими насосными штангами, отличающаяся тем, что канат снабжен фиксатором, выполненным в виде насадка из упругой коррозионно-стойкой стальной спирали, имеющей противоположное направление свивки, относительно направления свивки внешнего слоя проволок каната, и устанавливаемым коаксиально канату в месте соединения каната с нижней заделкой.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа – канат снабжен фиксатором, выполненным в виде насадка из упругой коррозионно-стойкой стальной спирали, имеющей противоположное направление свивки, относительно направления свивки внешнего слоя проволок каната, и устанавливаемым коаксиально канату в месте соединения каната с нижней заделкой.

Использование фиксатора, повышающего изгибную жесткость, сохраняет конструктивную целость каната в месте концентрации напряжений и накоплении дефектов, т.е. в районе нижней заделки. Наличие фиксатора не усложняет и не удорожает изделие. Фиксатор может быть установлен на уже собранную в колонну насосных штанг канатную штангу.

Сущность устройства поясняется чертежами, представленными на фиг. 1-3.

На фиг. 1 представлен пример возникновения дефекта канатной штанги в виде нарушения структурной целостности в месте заделки.

На фиг. 2 представлен общий вид графика распределения нагрузки по длине канатной штанги. На фиг.2 L_p – длина растянутого участка каната, м; L_сж – длина сжимаемого участка каната, м; L_шт – длина штанги, м.

На фиг. 3 представлена канатная насосная штанга с фиксатором, выполненным в виде упругой спирали.

Заявляемая канатная насосная штанга состоит из непрерывного каната 1, на концах которого размещены нижняя 2 и верхняя 3 заделки для удержания проволок каната 1 в замке, с резьбами для соединения с жесткими насосными штангами.

Канатная штанга оборудована фиксатором 4, выполненным в виде насадка из упругого материала, и устанавливаемым коаксиально канату 1 в районе нижней заделки 2, в месте соединения каната с нижней заделкой 2 (фиг. 3).

Длина и жёсткость фиксатора выбирается исходя из условий эксплуатации нефтяной скважины, в частности исходя из величины сжимающей нагрузки и длины участка ее воздействия.

Усилия, действующие на штангу, распределены не равномерно по ее длине. В районе верхней заделки на штангу действует усилие растяжения, а в районе нижней заделки – усилие сжатия. Длина фиксатора должна быть не менее длины участка, подверженного риску наиболее интенсивного развития дефектов каната. Длина такого участка определяется распределением нагрузки по длине штанги и соответствует длине участка каната, испытывающего сжимающие нагрузки (см фиг. 2).

Известно, что для участка стандартного каната закрытой конструкции диаметром 20 мм ГОСТ 10506-76 длиной 0,82 м нарушение структурной целостности в районе нижней заделки происходит при сжимающей нагрузке 6,5…8,4 кН [Алиев Ш.А. Повышение безотказности и эффективности работы скважинных насосных установок с канатной штангой в боковых стволах малого диаметр: автореф. дис. канд. техн. наук / Ш.А. Алиев. – Москва, 2024. – 24 с.]. Критическое усилие сжатия каната определяется по известной формуле Эйлера (1) [Расчет на прочность деталей машин: справочник / И.А. Биргер, Б.Ф. Шорр, Г.Б. Иосилевич – 4-е издание, перераб. и дополн. – М.: Машиностроение, 1993 – 640 с.].

(1)

где F_кр –критическое усилие сжатия на рассматриваемом участке каната, вызывающее потерю его устойчивости Н; μ –коэффициент приведения длины стержня, зависящий от способа закрепления концов стержня; L_сж – длина сжимаемого участка каната, м; EI – жёсткость каната на изгиб, Па м⁴.

Для обеспечения устойчивости каната должно быть выполнено условие:

(2),

где F – действующее усилия сжатия на рассматриваемом участке каната.

Таким образом, увеличивая значение жёсткости каната на изгиб EI, посредством установки фиксатора на участке каната подверженного наибольшей сжимающей нагрузке, возможно предупредить превышение действующего усилия на участок каната F над критическим усилием сжатия F_кр и, следовательно, нарушение структурной целостности каната в районе нижней заделки. Тем самым обеспечивается надежная работа канатной насосной штанги в наклонно-направленных скважинах и скважинах с боковыми стволами при упрощении конструкции и удешевлении заявляемого изделия по сравнению с прототипом.

Фиксатор (фиг. 3) представляет собой металлическую спираль из коррозионно-стойкой стали, например сталь марки 20Х13, которая увеличивает жесткость каната на участке вблизи нижней заделки, предотвращает нарушение структурной целостности каната и отказ канатной насосной штанги. Фиксатор, выполненный в виде упругой спирали, имеет противоположное направление свивки, относительно направления свивки внешнего слоя проволок каната. Такой вид свивки создает равномерное распределение нагрузки на канат и повышает его жесткость. Диаметр и шаг свивки спирального фиксатора определяется диаметром каната, позволяющим монтировать спираль на штангу путем ее частичного наложения и прокручивания вдоль каната, что и позволяет увеличить жесткость даже уже изготовленной и готовой к эксплуатации канатной штанги. Спиральный фиксатор фиксируется у заделки канатной штанги за счет создаваемой посадки с натягом и сил трения, создаваемых при описанном способе монтажа. Дополнительная фиксация может быть обеспечена при запрессовке фиксатора в заделку каната и его крепления, например, сваркой или винтовым соединением (см. фиг. 3). На фиг. 3 спиральный фиксатор 4, смонтированный на канат вблизи заделки, закреплен в заделке посредством винтового соединения 5.

Использование фиксатора канатной насосной штанги устраняет недостатки устройства, принятого в качестве прототипа, посредством ограничения смещения слоев проволок и выхода из замка проволок фасонного сечения канатной насосной штанги. Использование фиксатора, повышающего изгибную жесткость, сохраняет конструктивную целость каната в месте концентрации напряжений и накоплении дефектов, т.е. в районе нижней заделки. Наличие фиксатора не усложняет и не удорожает изделие. Фиксатор может быть надежно смонтирован на насосную штангу, даже уже заранее подготовленную к спуску в скважину – с установленными заделками и собранной в колонну насосных штанг. Таким образом, обеспечивается сохранение показателей надежности функционирования при упрощении конструкции и снижении стоимости канатных насосных штанг, применяемых при эксплуатации нефтяных наклонно-направленных скважин и скважин с боковыми стволами с использованием ШСНУ.

Изобретение относится к нефтяной отрасли и может быть использовано при добыче скважинной жидкости из наклонно-направленных скважин и скважин с боковыми стволами штанговыми скважинными насосными установками (ШСНУ). Канатная насосная штанга выполнена из непрерывного каната, на концах которого размещены нижняя и верхняя заделки для удержания проволок каната в замке, заделки снабжены резьбой для соединения с жесткими насосными штангами. Канат оборудован фиксатором, выполненным в виде насадка из упругой коррозионно-стойкой стальной спирали, имеющей противоположное направление свивки, относительно направления свивки внешнего слоя проволок каната, и устанавливаемым коаксиально канату в месте соединения каната с нижней заделкой. Технический результат - сохранение показателей надежности функционирования при упрощении конструкции и снижении стоимости канатных насосных штанг, применяемых при эксплуатации нефтяных наклонно-направленных скважин и скважин с боковыми стволами с использованием ШСНУ. 3 ил.

Канатная насосная штанга, выполненная из непрерывного каната, на концах которого размещены нижняя и верхняя заделки для удержания проволок каната в замке, заделки снабжены резьбой для соединения с жесткими насосными штангами, отличающаяся тем, что канат оборудован фиксатором, выполненным в виде насадка из упругой коррозионно-стойкой стальной спирали, имеющей противоположное направление свивки, относительно направления свивки внешнего слоя проволок каната, и устанавливаемым коаксиально канату в месте соединения каната с нижней заделкой.