Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Насосные штанги представляют собой стержневые элементы колонны, передающей возвратно-поступательное движение от наземного привода к плунжеру скважинного насоса. Выбор марки стали определяется условиями эксплуатации: глубиной спуска насоса, параметрами откачиваемой жидкости, режимом работы установки и коррозионной активностью пластовой среды. В России применяются требования ГОСТ 31825-2012 и ГОСТ 13877-96, гармонизированные с международным стандартом API Specification 11B.
Штанги класса Grade C изготавливают из углеродистых конструкционных сталей марок 40 и 45 по ГОСТ 1050. После горячей прокатки заготовки подвергают нормализации для снятия внутренних напряжений и формирования мелкозернистой структуры. Предел прочности материала по API 11B составляет от 620 до 793 МПа (90-115 ksi), относительное удлинение не менее 12 процентов.
Данный класс применяется в скважинах с низкими и средними нагрузками при глубинах до 1200 метров, где отсутствует агрессивное воздействие сероводорода и углекислого газа. Штанги предназначены для работы в условиях минимальной или ингибированной коррозии при отсутствии высокой минерализации пластовых вод.
Штанги класса Grade K производят из никельмолибденовых и хромоникельмолибденовых сталей типа 20Н2М, 20ХН2М, 25ХН3МА с содержанием никеля от 1,65 до 2,00 процентов. Термическая обработка включает закалку с последующим высоким отпуском. Механические свойства соответствуют Grade C (620-793 МПа), но обеспечивается повышенная стойкость к коррозионному растрескиванию.
Основное преимущество класса Grade K заключается в повышенной стойкости к сульфидному растрескиванию под напряжением в средах, содержащих H₂S и CO₂. Такие штанги применяются в скважинах с агрессивными условиями при содержании сероводорода до 6 мг/л и минерализации пластовых вод выше 150 г/л.
Штанги класса Grade D изготавливают из хромомолибденовых и никельмолибденовых сталей марок 30ХМА, 15Н3МА, 15Х2НМФ с пределом прочности 793-965 МПа (115-140 ksi) и относительным удлинением от 9 процентов. Повышенные механические характеристики достигаются оптимизацией химического состава и режимов термообработки методом закалки и отпуска.
Данный класс предназначен для глубоких скважин от 1500 до 2500 метров с высокими динамическими нагрузками. Штанги обладают удовлетворительной коррозионной стойкостью в умеренно агрессивных средах и применяются в вертикальных и слабоискривленных скважинах при отсутствии критических концентраций сероводорода.
При работе штанговой скважинной установки колонна штанг испытывает переменные нагрузки, изменяющиеся по циклическому закону. Максимальное усилие возникает в верхнем положении полированного штока при ходе вверх, минимальное — в нижнем положении при ходе вниз. Характер нагружения определяется статическими и динамическими составляющими, а также силами трения при движении колонны в насосно-компрессорных трубах.
Статическая составляющая включает вес колонны штанг в откачиваемой жидкости и нагрузку от столба жидкости над плунжером насоса. Вес штанг с учетом архимедовой силы определяется произведением массы колонны на разность между плотностью материала штанг и плотностью жидкости. Для стальных штанг в нефти плотностью 850 кг/м³ эффективная масса составляет примерно 89 процентов от массы в воздухе.
Нагрузка от столба жидкости рассчитывается как произведение площади поперечного сечения плунжера на высоту столба от динамического уровня до устья и плотность откачиваемой жидкости. При диаметре плунжера 44 мм и высоте столба 1000 метров усилие составляет около 13 кН.
Динамическая составляющая обусловлена инерционными силами при ускорении и замедлении движущихся масс колонны штанг и столба жидкости. Величина динамических нагрузок зависит от частоты качаний станка-качалки, длины хода полированного штока, упругих свойств колонны и демпфирующего действия жидкости в насосно-компрессорных трубах.
Инерционные усилия достигают максимума при ускорении движения вверх и при замедлении движения вниз. Коэффициент динамичности, представляющий отношение максимальной нагрузки к статической, составляет для типовых режимов работы от 1,2 до 1,5. При резонансных колебаниях коэффициент может возрастать до 2,0, что требует специальных мер по демпфированию.
Концепция приведенных напряжений учитывает циклический характер нагружения штанг и позволяет сопоставлять напряжения с различными коэффициентами асимметрии цикла. Приведенное напряжение определяется как корень квадратный из произведения максимального напряжения цикла и амплитуды напряжений: σпр = √(σmax × σa).
Для сечения колонны штанг на расстоянии х метров от плунжера насоса максимальное напряжение определяется суммой напряжений от веса расположенной ниже части колонны, веса столба жидкости над плунжером и динамической нагрузки. Минимальное напряжение при ходе вниз учитывает те же факторы с учетом направления инерционных сил.
Амплитуда напряжений равна полуразности между максимальным и минимальным напряжением. Для штанг из углеродистых сталей без упрочнения допускается приведенное напряжение от 70 до 100 МПа. Поверхностное упрочнение дробеструйным наклепом повышает допускаемое напряжение до 110 МПа.
Рассмотрим расчет напряжений для верхнего сечения колонны штанг диаметром 19 мм при глубине спуска насоса 1000 метров. Диаметр плунжера насоса составляет 44 мм, частота качаний 12 ход/мин, длина хода полированного штока 1,8 метра, плотность откачиваемой нефти 850 кг/м³.
Статическая нагрузка включает вес колонны штанг с учетом выталкивающей силы примерно 19,5 кН и нагрузку от столба жидкости над плунжером около 13 кН. Динамическая составляющая при коэффициенте динамичности 1,3 добавляет порядка 4,2 кН. Максимальная нагрузка достигает 36,7 кН, что соответствует напряжению около 129 МПа в сечении площадью 2,84 см².
Минимальная нагрузка при ходе вниз составляет примерно 15,3 кН или 54 МПа. Амплитуда напряжений равна 37,5 МПа. Приведенное напряжение: √(129 × 37,5) = 69,6 МПа, что находится в пределах допустимого для штанг Grade C. Для обеспечения запаса прочности рекомендуется применение штанг Grade K или Grade D.
Ступенчатая колонна состоит из штанг различных диаметров, установленных ярусами по глубине. Верхняя часть колонны комплектуется штангами большего диаметра, воспринимающими максимальные нагрузки, нижняя — штангами меньшего диаметра. Такая конструкция позволяет снизить общую массу колонны при сохранении требуемой прочности, что увеличивает допустимую глубину спуска насоса.
Длины ступеней колонны подбирают таким образом, чтобы приведенные напряжения в верхних сечениях всех ступеней были одинаковы и равны допускаемому значению. Это условие обеспечивает оптимальное использование материала и минимизирует массу колонны. Расчет начинается с нижней ступени наименьшего диаметра и последовательно продвигается вверх.
Для насосов диаметром менее 43 мм начальной является двухступенчатая колонна с диаметрами штанг 16 и 19 мм. При диаметрах насоса 43-55 мм используется одноступенчатая колонна из штанг диаметром 19 мм или двухступенчатая 19×22 мм. Для насосов диаметром более 55 мм применяются колонны из штанг 22 мм или ступенчатые конфигурации 22×25 мм.
Соединение штанг различных диаметров осуществляется переходными муфтами, имеющими внутренние резьбы разных размеров на противоположных концах. Изготавливаются переходные муфты для сочетаний диаметров 16×19, 19×22 и 22×25 мм из сталей марок 40, 45 или легированных сталей 20Н2М и 20ХН2М.
Прочность переходной муфты должна быть не ниже прочности штанг меньшего диаметра. Резьба накатывается на специальных станках, обеспечивающих непрерывность металлического волокна и исключающих концентрацию напряжений. Поверхность муфт может подвергаться упрочнению или нанесению износостойких покрытий для работы в искривленных скважинах.
Подбор конфигурации штанговой колонны выполняется на основе параметров скважины, насоса, режима откачки и свойств пластовой жидкости. Последовательность расчета включает определение статических и динамических нагрузок, вычисление напряжений в характерных сечениях колонны, выбор диаметров и марок сталей штанг, проверку условий прочности.
Для проектирования колонны штанг необходимы параметры: глубина спуска насоса, диаметр плунжера насоса, дебит скважины, глубина динамического уровня, плотность откачиваемой жидкости, содержание сероводорода и углекислого газа, минерализация пластовых вод, температура на глубине спуска насоса, характеристика искривления ствола скважины.
Марка стали штанг выбирается исходя из коррозионной активности среды и требуемого уровня прочности. При отсутствии коррозионных факторов применяются штанги Grade C. Наличие сероводорода и углекислого газа требует использования Grade K с никельмолибденовым легированием. Высокие нагрузки в глубоких скважинах обусловливают применение Grade D.
Совместное действие коррозии и высоких нагрузок наиболее неблагоприятно для долговечности штанг. В таких условиях рекомендуется применение легированных сталей Grade K или Grade D с дополнительными мерами защиты: ингибированием коррозии, применением защитных покрытий, установкой центраторов для снижения износа при контакте с насосно-компрессорными трубами.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.