Тема 7. Штанговые скважинные насосные установки (ШСНУ)
Схема штанговой скважинной насосной установки.
2. Станки-качалки.
Устьевое оборудование.
Штанги насосные (ШН).
Штанговые скважинные насосы ШСН.
Условные обозначения скважинных штанговых насосов.
7. Конструкция скважинных насосов.
8. Замковая опора.
Производительность насоса.
Правила безопасности при эксплуатации скважин штанговыми насосами.
Схема штанговой скважинной насосной установки
Прекращение или отсутствие фонтанирования обусловило использование других способов подъема нефти на поверхность, например, посредством штанговых скважинных насосов. Этими насосами в настоящее время оборудовано большинство скважин. Дебит скважин - от десятков килограмм в сутки до нескольких тонн. Насосы опускают на глубину от нескольких десятков метров до 3000 м иногда до 3200 - 3400 м.
ШСНУ включает:
а) наземное оборудование - станок-качалка (СК), оборудование устья, блок управления;
б) подземное оборудование - насосно-компрессорные трубы (НКТ), штанги насосные (ШН), штанговый скважинный насос (ШСН) и различные защитные устройства, улучшающие работу установки в осложненных условиях.
Штанговая глубинная насосная установка (рисунок 7.1) состоит из скважинного насоса 2 вставного или невставного типов, насосных штанг 4 , насосно-компрессорных труб 3 , подвешенных на планшайбе или в трубной подвеске 8 устьевой арматуры, сальникового уплотнения 6 , сальникового штока 7 , станка качалки 9 , фундамента 10 и тройника 5 . На приеме скважинного насоса устанавливается защитное приспособление в виде газового или песочного фильтра 1 .
Рис. 7.1. Схема штанговой насосной установки
1 – хвостовик; 2 – скважинный насос; 3 – насосно-компрессорные трубы; 4 – насосные штанги; 5 – устьевая арматура; 6 – устьевой сальник; 7 - полированный шток; 8 – канатная подвеска; 9 – стойка; 10 – фундамент.
2. Станки-качалки
Станок-качалка (рисунок 7.2), является индивидуальным приводом скважинного насоса.
Рисунок 7.2 - Станок-качалка типа СКД
1 - подвеска устьевого штока; 2 - балансир с опорой; 3 - стойка; 4 - шатун; 5 - кривошип; 6 - редуктор; 7 - ведомый шкив; 8 - ремень; 9 - электродвигатель; 10 - ведущий шкив; 11 - ограждение; 12 - поворотная плита; 13 - рама; 14 - противовес; 15 - траверса; 16 - тормоз; 17 - канатная подвеска.
Основные узлы станка-качалки - рама, стойка в виде усеченной четырехгранной пирамиды, балансир с поворотной головкой, траверса с шатунами, шарнирно-подвешенная к балансиру, редуктор с кривошипами и противовесами. СК комплектуется набором сменных шкивов для изменения числа качаний, т. е. регулирование дискретное.
Для быстрой смены и натяжения ремней электродвигатель устанавливается на поворотной салазке.
Монтируется станок-качалка на раме, устанавливаемой на железобетонное основание (фундамент). Фиксация балансира в необходимом (крайнем верхнем) положении головки осуществляется с помощью тормозного барабана (шкива). Головка балансира откидная или поворотная для беспрепятственного прохода спускоподъемного и глубинного оборудования при подземном ремонте скважины. Поскольку головка балансира совершает движение по дуге, то для сочленения ее с устьевым штоком и штангами имеется гибкая канатная подвеска 17 . Она позволяет регулировать посадку плунжера в цилиндр насоса для предупреждения ударов плунжера о всасывающий клапан или выхода плунжера из цилиндра, а также устанавливать динамограф для исследования работы оборудования.
Амплитуду движения головки балансира (длина хода устьевого штока - 7) регулируют путем изменения места сочленения кривошипа шатуном относительно оси вращения (перестановка пальца кривошипа в другое отверстие). За один двойной ход балансира нагрузка на СК неравномерная. Для уравновешивания работы станка-качалки помещают грузы (противовесы) на балансир, кривошип или на балансир и кривошип. Тогда уравновешивание называют соответственно балансирным, кривошипным (роторным) или комбинированным.
Блок управления обеспечивает управление электродвигателем СК в аварийных ситуациях (обрыв штанг, поломки редуктора, насоса, порыв трубопровода и т. д.), а также самозапуск СК после перерыва в подаче электроэнергии.
Долгое время нашей промышленностью выпускались станки-качалки типоразмеров СК. В настоящее время по ОСТ 26-16-08-87 выпускаются шесть типоразмеров станков-качалок типа СКД, основные характеристики приведены в таблице 4.
Наиболее распространенный способ добычи нефти – применение штанговых скважинных насосных установок (УШГН). Насосы спускают на глубину от нескольких сотен метров до 2000 метров (в отдельных случаях до 3000 м). В скважине, оборудованной УШГН, подача жидкости осуществляется глубинным плунжерным насосом, который приводится в действие с помощью специального привода станка-качалки (СК) посредством колонны штанг.
Оборудование УШГН включает:
Наземное оборудование:
· Оборудование устья;
· Станок-качалка.
Подземное оборудование:
· Насосные штанги;
· Штанговый скважинный насос;
· Различные защитные устройства (газовый или песочный якорь, фильтр и т.д.).
Принцип работы УШГН
Электродвигатель через клиноремённую передачу и редуктор придаёт двум массивным кривошипам, расположенных с двух сторон редуктора, круговое движение. Крившипно - шатунный механизм в целом преобразовывает в возвратно-поступательное движение балансира, который вращается на опорной оси, укреплённой на стойке. Балансир сообщает возвратно-поступательное движение канатной подвеске, штангам и плунжеру. При ходе плунжера вверх нагнетательный клапан под действием жидкости закрывается и вся жидкость, находящиеся под плунжером, поднимается вверх на высоту равную длине хода плунжера. В это время скважинная жидкость через всасывающий клапан заполняет цилиндр насоса. При ходе плунжера вниз всасывающий клапан закрывается, жидкость под плунжером сжимается, и открывается нагнетательный клапан. В цилиндр погружаются штанги, связанные с плунжером.
Таким образом, ШСН - поршневой насос однородного действия, а в целом комплекс из насоса и штанг - двойного действия.
В скважине, оборудованной УШГН, подача жидкости осуществляется глубинным плунжерным насосом, который приводится в действие с помощью специального привода СК посредством колонны штанг.
СК преобразует вращательное движение электродвигателя в возвратно-поступательное движение подвески штанг.
Краткая характеристика оборудования УШГН
2. Насосные штанги
Скважинные штанговые насосы (ОСТ 26-26-06-86) являются надежным и экономичным эксплуатационным оборудованием нефтяных скважин, широко применяемых для отбора пластовой жидкости (смеси нефти, воды и газа).
Штанговые глубинные насосы (ШГН), применяются в скважинах:
· с дебитом от 5 до 150 м 3 /сут.;
· с глубиной спуска насоса до 2000м. и более;
· с кривизной ствола скважины до 8-10 (максимальное отклонение от вертикали) при больших отклонениях по кривизне должны применяться специальные защитные приспособления для штанг и насоса;
· с газовым фактором до 150 м 3 /м 3 , при высоких газовых факторах применяются якоря (газосепараторы);
Насосы разделяются на невставные (трубные) и вставные.
Невставные насосы.
Цилиндр спускается в скважину на насосных трубах без плунжера. Плунжер спускается отдельно на насосных штангах. Плунжер вводится в цилиндр вместе с подвешенным к плунжеру всасывающим клапаном. Чтобы плунжер довести до цилиндра насоса без повреждений через трубы, последние должны иметь внутренний диаметр больше наружного диаметра плунжера (примерно на 6 мм). Применение НСН целесообразно в скважинах с большим дебитом, небольшой глубиной спуска и большим межремонтным периодом.
а - невставной насос с штоком типа НН-1; б - невставной насос с ловителем типа НН-2: 1 - нагнетательные клапаны; 2 – цилиндры; 3 – плунжеры; 4 - патрубки-удлинители; 5 - всасывающие клапаны; 6 - седла конусов; 7 - захватный шток; 8 - второй нагнетательный клапан; 9 – ловитель; 10 - наконечник для захвата клапана; в - вставной насос типа НВ-1: 1 – штанга; 2 – НКТ; 3 - посадочный конус; 4 - замковая опора; 5 – цилиндр; 6 – плунжер; 7 - направляющая трубка.
Рисунок 2.8 – Сборочный чертёж невставного насоса
Вставные насосы.
Цилиндр в сборе с плунжером и клапанами спускается на штангах. В этом случае на конце насосных труб заранее устанавливается специальное посадочное устройство - замковая опора, на которой происходит посадка и уплотнение насоса.
В НН-1(рис 2.3, а) всасывающий клапан 5 держится в седле конуса 6 и соединен с плунжером 3 специальным штоком 7. Это позволяет при подъеме штанг, следовательно, и плунжера сразу извлечь всасывающий клапан 5. Такая операция необходима не только для замены или ремонта
клапана, но и для спуска жидкости из насосных труб перед их подъемом.
В насосах НН-2 (рис 2.3, б) - два нагнетательных клапана. Это существенно уменьшает (на объем плунжера) объем вредного пространства и повышает коэффициент наполнения при откачке газированной жидкости.
Вставные насосы НВ-1 имеют один или два клапана, размещенные в верхней и нижней части плунжера.
Насосные штанги.
Для передачи возвратно – поступательного движения от привода к плунжеру скважинного насоса используется колонна насосных штанг. Она собирается из отдельных штанг, соединенных муфтами.
Насосные штанги представляют собой стержни круглого поперечного сечения с высаженными концами, на которых располагается участок квадратного сечения и резьба.
Штанги выпускаются диаметрами 16, 19, 22, 26, а допускаемое напряжение для наиболее широко распространенных марок сталей составляет 70…130 МПа.
Бóльшая часть добывающего фонда скважин нефтедобывающих предприятий оборудуется штанговыми насосными установками. Контроль работы штанговых насосов осуществляется, как известно, посредством динамометрирования. То есть посредством снятия диаграммы изменения нагрузки на устьевой шток при его ходе вверх-вниз.
Навык чтения динамограмм, умение их правильно интерпретировать необходимо как специалистам технологической службы нефтедобывающего предприятия, так и специалистам геологической службы.
Инженерам-технологам динамограммы помогают в принятии решений о необходимости текущего ремонта скважины (ТРС) или, например, о необходимости горячей обработки скважины для удаления отложений парафина без привлечения бригады ТРС.
Специалистам геологической службы навык чтения динамограмм необходим как самый первый этап в анализе причин снижения дебита добывающей скважины. Если динамограмма «рабочая», значит дело не в насосе. Значит можно переходить к поиску «геологических» причин снижения дебита.
Прежде чем перейти к разбору реальных динамограмм необходимо разобраться с теоретической динамограммой.
Как известно, динамограмма – это диаграмма изменения нагрузки на устьевой шток в зависимости от его хода. Теоретическая динамограмма – это такая идеализированная динамограмма, которая не учитывает силы трения, инерционные и динамические эффекты, возникающие в реальных условиях. Из-за таких эффектов прямые линии теоретической динамограммы превращаются в волнообразные, характерные для реальной. Также в теоретической динамограмме предполагается полной заполнение цилиндра штангового насоса, то есть коэффициент подачи насоса равен 1, чего в реальных условиях никогда не бывает (коэффициент подачи насоса обычно меньше единицы).
Теоретическая динамограмма имеет форму параллелограмма (рисунок 1).
Рисунок 1. Динамограмма теоретическая
Рисунок 2. Схема ШГН
Точка А на динамограмме - это крайнее нижнее положение плунжера насоса. Отрезок AB - ход вверх полированного штока. При этом происходит деформация (растяжение) штанг, но плунжер насоса все еще находится в крайнем нижнем положении. Отрезок BC - ход вверх полированного штока и плунжера насоса.
Точка C - крайнее верхнее положение плунжера насоса. Отрезок CD - ход вниз полированного штока. При этом происходит деформация (сжатие) штанг, но плунжер насоса все еще находится в крайнем верхнем положении. Отрезок DA - ход вниз полированного штока и плунжера насоса
В общем-то ничего сложного. Левая часть динамограммы характеризует работу насоса при нахождении плунжера в нижнем положении и соответственно работу всасывающего клапана насоса. Правая часть динамограммы - работу насоса при нахождении плунжера в верхнем положении и соответственно работу выкидного клапана насоса.
Имея на руках динамограмму работы насоса можно рассчитать дебит жидкости скважины. Динамограф, которым и снимают динамограммы, выдает в том числе и информацию о числе качаний (в минуту) станка-качалки и длине хода плунжера. Зная, какой насос спущен в скважину, рассчитать дебит не составляет труда. Формула для расчета теоретического дебита жидкости:
Q т = 1440 · π /4 · D² · L · N
где
Q т
– дебит жидкости (теоретический), м 3 /сут
D
– диаметр плунжера, м
L
– длина хода, м
N
– число качаний, кач./мин.
Длину хода и число качаний, как я уже сказал, нам выдает динамограф вместе с динамограммой. Диаметр плунжера обычно указан в названии насоса. Например, у насоса НГН-2-44 диаметр плунжера 44 мм, у НГН-2-57 соответственно 57 мм.
Для того чтобы получить фактический дебит жидкости скважины, необходимо полученный по формуле результат умножить на коэффициент подачи насоса (η ), который как мы уже знаем всегда меньше единицы.
Фактические динамограммы имеют огромное количество форм и разновидностей. Все их здесь рассмотреть не получится, приведу только несколько характерных примеров:
Влияние газа, неполное заполнение плунжера
Не работают оба клапана
Обрыв или отворот штанг
Выход плунжера из цилиндра насоса
Отложения парафина
Прежде чем закончить статью рассмотрим еще один вопрос:
Политика различных нефтедобывающих компаний в отношении частоты снятия динамограмм может отличаться. Но, как правило, динамограммы снимают 1 раз месяц на обычном, ничем не осложненном фонде скважин.
При необходимости динамограммы снимают чаще (например, раз в неделю) на фонде скважин осложненных частыми отложениями парафина. Также динамограммы снимают при наличии соответствующих показаний (как говорят медицинские работники). Например, при снижении дебита жидкости скважины, при повышении динамического уровня, после изменения параметров работы штангового насоса (длина хода, число качаний) и других.
Если на скважине проводились геолого-технические мероприятия (ГТМ), то после запуска скважины до выхода ее на режим динамограммы снимаются, как правило, ежедневно. То же самое можно сказать и о новых скважинах запущенных из бурения.
Добыча нефти при помощи штанговых насосов - самый распространенный способ искусственного подъема нефти. Отличительная особенность ШСНУ состоит в том, что в скважине устанавливают плунжерный (поршневой) насос, который приводится в действие поверхностным приводом посредством колонны штанг.
Перед другими механизированными способами добычи нефти УШГН имеют следующие преимущества:
обладание высоким коэффициентом полезного действия;
проведение ремонта возможно непосредственно на промыслах;
для первичных двигателей могут быть использованы различные приводы;
установки ШГН могут применяться в осложненных условиях эксплуатации - в пескопроявляющих скважинах, при наличии в добываемой нефти парафина, при высоком газовом факторе, при откачке коррозионной жидкости.
Есть у штанговых насосов и недостатки. К основным недостаткам относятся: ограничение по глубине спуска насоса (чем глубже, тем выше вероятность обрыва штанг); малая подача насоса; ограничение по наклону ствола скважины и интенсивности его искривления (неприменимы в наклонных и горизонтальных скважинах, а также в сильно искривленных вертикальных)
Конструктивно оборудование УШГН включает в себя наземную и подземную часть.
К наземному оборудованию относятся:
· привод (станок-качалка) - является индивидуальным приводом штангового глубинного насоса, спускаемого в скважину и связанного с приводом гибкой механической связью - колонной штанг;
· устьевая арматура с сальниками полированного штока предназначена для уплотнения штока и герметизации устья скважины.
К подземному оборудованию относятся:
· насосно-компрессорные трубы (НКТ), являющиеся каналом, по которому добываемая жидкость поступает от насоса на дневную поверхность.
· глубинный насос, предназначенный для откачивания из скважины жидкости, обводненной до 99% с температурой не более 130°С вставного или не вставного типов
· штанги - предназначены для передачи возвратно-поступательного движения плунжеру глубинного насоса от станка - качалки и является своеобразным штоком поршневого насоса.
На рисунке 1 представлена схема штанговой скважинно-насосной установки (УШГН).
Рисунок 1. Схема штанговой скважинно-насосной установки (УШГН)
1 - эксплуатационная колонна; 2 - всасывающий клапан; 3 - цилиндр насоса; 4 - плунжер; 5 - нагнетательный клапан; 6 - насосно-компрессорные трубы; 7 - насосные штанги; 8 - крестовина; 9 - устьевой патрубок; 10 - обратный клапан для перепуска газа; 11 - тройник; 12 - устьевой сальник; 13 - устьевой шток; 14 - канатная подвеска; 15 - головка балансира; 16 - балансир; 17 - стойка; 18 - балансирный груз; 19 - шатун; 20 - кривошипный груз; 21 - кривошип; 22 - редуктор; 23 - ведомый шкив; 24 - клиноременная передача; 25 - электродвигатель на поворотной салазке; 26 - ведущий шкив; 27 - рама; 28 - блок управления.
Установка работает следующим образом. Плунжерный насос приводится в действие от станка-качалки, где вращательное движение, получаемое от двигателя при помощи редуктора, кривошипно-шатунного механизма и балансира, преобразуется в возвратно-поступательное движение, передаваемое плунжеру штангового насоса через колонну штанг. При ходе плунжера вверх в цилиндре насоса снижается давление и нижний (всасывающий) клапан поднимается, открывая доступ жидкости (процесс всасывания). Одновременно столб жидкости, находящийся над плунжером, прижимает к седлу верхний (нагнетательный) клапан, поднимается вверх и выбрасывается из НКТ в рабочий манифольд (процесс нагнетания).
При ходе плунжера вниз верхний клапан открывается, нижний клапан давлением жидкости закрывается, а жидкость, находящаяся в цилиндре, перетекает через полый плунжер в НКТ.
Рисунок 2. Станок-качалка типа СКД
1 - подвеска устьевого штока; 2 - балансир с опорой; 3 - стойка (пирамида); 4 - шатун; 5 - кривошип; 6 - редуктор; 7 - ведомый шкив; 8 - ремень; 9 - электродвигатель; 10 - ведущий шкив; 11 - ограждение; 12 - поворотная плита; 13 - рама; 14 - противовес; 15 - траверса; 16 - тормоз; 17 - канатная подвеска.
Станок-качалка (рисунок 2), является индивидуальным приводом скважинного насоса.
Станок-качалка сообщает штангам возвратно-поступательное движение, близкое к синусоидальному. СК имеет гибкую канатную подвеску устьевого штока и откидную или поворотную головку балансира для беспрепятственного прохода спуско-подъемных механизмов (талевого блока, крюка, элеватора) при подземном ремонте.
Балансир качается на поперечной оси, укрепленной в подшипниках, и сочленяется с двумя массивными кривошипами с помощью двух шатунов, расположенных по обе стороны редуктора. Кривошипы с подвижными противовесами могут перемещаться относительно оси вращения главного вала редуктора на то или иное расстояние вдоль кривошипов. Противовесы необходимы для уравновешивания станка-качалки.
Все элементы станка-качалки: стойка, редуктор, электродвигатель крепятся к единой раме, которая закрепляется на бетонном фундаменте.
Кроме того, все СК снабжены тормозным устройством, необходимым для удержания балансира и кривошипов в любом заданном положении. Точка сочленения шатуна с кривошипом может менять свое расстояние относительно центра вращения перестановкой пальца кривошипа в то или иное отверстие. Этим достигается ступенчатое изменение амплитуды качаний балансира, т.е. длины хода плунжера.
Поскольку редуктор имеет постоянное передаточное число, то изменение частоты качаний достигается только изменением передаточного числа клиноременной трансмиссии и сменой шкива на валу электродвигателя на больший или меньший диаметр.
Скважинные штанговые насосы являются гидравлической машиной объемного типа, где уплотнение между плунжером и цилиндром достигается за счет высокой точности их рабочих поверхностей и регламентируемых зазоров.
Конструктивно все скважинные насосы состоят из цилиндра, плунжера, клапанов, замка (для вставных насосов), присоединительных и установочных деталей. При конструкции насосов соблюдается принцип максимально возможной унификации указанных узлов и деталей для удобства замены изношенных деталей и сокращения номенклатуры потребных запасных частей.
Насосы применяются следующих видов:
· невставные
· вставные.
Невставные насосы спускаются в полуразобранном виде. Сначала на НКТ спускают цилиндр насоса. А затем на штангах спускают плунжер с обратным клапаном. Невставной насос прост по конструкции. Цилиндр невставного насоса крепится непосредственно на колонне НКТ, обычно в нижней ее части. Ниже цилиндра находится замковая опора, в которой запирается всасывающий клапан. После спуска в скважину цилиндра и замковой опоры начинается спуск плунжера на колонне штанг. Когда в скважину спущено то количество штанг, которое необходимо для захода плунжера в цилиндр и посадки всасывающего клапана на замковую опору, производится окончательная подгонка высоты подвески плунжера. Всасывающий клапан опускается в скважину, закрепленный на нижнем конце плунжера с помощью захватного штока. Когда всасывающий клапан приводит в действие замковую опору, последняя запирает его с помощью механического замка или фрикционных манжет. Затем плунжер освобождается от всасывающего клапана путем вращения штанговой колонны против часовой стрелки. После этого компоновка плунжера приподнимается от всасывающего клапана на высоту, необходимую для свободного хода плунжера вниз.
Поэтому при необходимости замены такого насоса приходится поднимать из скважины сначала плунжер на штангах, а потом и НКТ с цилиндром.
Вставные штанговые насосы спускают в скважину в собранном виде. Предварительно в скважину опускается замковая опора на или рядом с последней НКТ.
В зависимости от условий в скважине в нее опускается механический нижний замок или нижний замок манжетного типа, если насос с замком внизу, либо механический верхний замок или верхний замок манжетного типа, если насос с замком наверху. Затем в скважину на колонне штанг опускается вся насосная установка с узлом посадки на замковую опору. После фиксации насоса на замковой опоре подгоняют высоту подвески плунжера так, чтобы он находился как можно ближе к нижнему основанию цилиндра. В скважинах с большим содержанием газа желательно выполнить подвеску так, чтобы подвижный узел насоса почти касался нижнего основания цилиндра, т.е. довести до минимума расстояние между всасывающим и нагнетательным клапаном при ходе плунжера вниз. Соответственно для смены такого насоса не требуется лишний раз производить спуск-подъем труб. Вставной насос работает по тому же принципу, что и невставной.
И тот и другой вид насоса имеет как свои преимущества, так и недостатки. Для каждых конкретных условий применяют наиболее подходящий тип. Например, при условии содержания в нефти большого количества парафина предпочтительно применение невставных насосов. Парафин, откладываясь на стенках НКТ, может заблокировать возможность поднятия плунжера вставного насоса. Для глубоких скважин предпочтительнее использовать вставной насос, чтобы снизить затраты времени на спуск-подъем НКТ при смене насоса.
Различают следующие типы скважинных насосов (рисунок 3):
НВ-1 - вставные с замком наверху;
НВ-2 - вставные с замком внизу;
НН - невставные без ловителя;
НН-1 - невставные с захватным штоком;
НН-2С - невставные с ловителем.
В условном обозначении насоса, например, НН2БА-44-18-15-2, первые две буквы и цифра указывают тип насоса, следующие буквы - исполнение цилиндра и насоса, первые две цифры - диаметр насоса (мм), последующие длину хода плунжера (мм) и напор (м), уменьшенные в 100 раз и последняя цифра - группу посадки.
Рисунок 3. Типы скважинных штанговых насосов
Применение насосов НН предпочтительно в скважинах с большим дебитом, небольшой глубиной спуска и большим межремонтным периодом, а насосы типов НВ в скважинах с небольшим дебитом, при больших глубинах спуска. Чем больше вязкость жидкости, тем принимается выше группа посадки. Для откачки жидкости с высокой температурой или повышенным содержанием песка и парафина рекомендуется использовать насосы третьей группы посадки. При большой глубине спуска рекомендуется применять насосы с меньшим зазором.
Насос выбирают с учетом состава откачиваемой жидкости (наличия песка, газа и воды), ее свойств, дебита и глубины его спуска, а диаметр НКТ - в зависимости от типа и условного размера насоса.
Принцип работы насосов заключается в следующем. При ходе плунжера вверх в межклапанном пространстве цилиндра создаётся разряжение, за счёт чего открывается всасывающий клапан и происходит заполнение цилиндра. Последующим ходом плунжера вниз межклапанный объём сжимается, за счёт чего открывается нагнетательный клапан и поступившая в цилиндр жидкость перетекает в зону над плунжером. Периодические совершаемые плунжером перемещения вверх и вниз обеспечивают откачку пластовой жидкости и нагнетания ее на поверхность в полость труб. При каждом последующем ходе плунжера в цилиндр поступает почти одно и тоже количество жидкости, которая затем переходит в трубы и постепенно поднимается к устью скважины.
ГОСТ 13877-96
МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ
ШТАНГИ НАСОСНЫЕ И МУФТЫ
ШТАНГОВЫЕ
ТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ
МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ
СОВЕТ
ПО СТАНДАРТИЗАЦИИ, МЕТРОЛОГИИ И СЕРТИФИКАЦИИ
Предисловие
1 РАЗРАБОТАН Азербайджанским научно-исследовательским и проектно-конструкторским институтом нефтяного машиностроения (АзинМАШ) Государственной компании «АЗНЕФТЕХИММАШ» Азербайджанской Республики ВНЕСЕН Азгосстандартом 2 ПРИНЯТ Межгосударственным Советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол от 4 октября 1996 г. № 10) За принятие проголосовали:
Наименование государства |
Наименование национального органа по стандартизации |
Азербайджанская Республика | Азгосстандарт |
Республика Беларусь | Госстандарт Беларуси |
Республика Казахстан | Госстандарт Республики Казахстан |
Киргизская Республика | Киргизстандарт |
Республика Молдова | Молдовастандарт |
Российская Федерация | Госстандарт России |
Туркменистан | Главная государственная инспекция Туркменистана |
Республика Узбекистан | Узгосстандарт |
Введение
Настоящий межгосударственный стандарт предусматривает идентификацию основных параметров и присоединительных размеров насосных штанг и штанговых муфт с принятыми в международной практике. В отличие от ранее действовавшего ГОСТ 13877-80 в настоящий стандарт введены: раздел «Определения», требования к муфтам класса SM с износостойким покрытием и муфтам уменьшенного диаметра, требования по калибровке штанг и муфт, а также расширена номенклатура материалов, применяемых для изготовления штанг. В стандарте приведены только те марки сталей, штанги и муфты из которых прошли эксплуатационные испытания не менее чем в двух регионах и рекомендованы к серийному производству Государственной приемочной комиссией в установленном порядке. Настоящий стандарт гармонизирован с американским стандартом API Spec 11В в части размеров и конструктивного исполнения штанг и муфт, механических свойств материалов, размеров резьб и их предельных отклонений, контроля штанг и муфт с помощью калибров, маркировки и упаковки штанг и муфт (приложение А). В стандарте не рассматриваются известные в отечественной практике технологические приемы по улучшению качества штанг, которые выходят за рамки гармонизированных стандартов, такие как упрочнение штанг путем холодного их растяжения с достижением пластической деформации; термомагнитная и пескоструйная обработки, методы дефектоскопии, правки тела штанги, нормирования крутящих моментов при свинчивании муфт и штанг, а также сварные конструкции как насосных штанг, так и непрерывных (цельных) штанговых колонн. При необходимости эти вопросы должны найти отражение в технической документации заводов-изготовителей штанг и муфт. Ряд требований стандарта приведен в рекомендательной форме: формирование резьб штанговых муфт накаткой, антикоррозионное покрытие штанг лаком или мастикой, отличительная окраска штанг. По мере внедрения этих требований стандарта в производство будет рассматриваться целесообразность их перевода в разряд обязательных.
1 Область применения. 3 2 Нормативные ссылки. 3 3 Определения. 4 4 Конструкция, основные параметры и размеры.. 5 5 Технические требования. 10 5.1 Характеристики. 10 5.2 Маркировка. 13 5.3 Упаковка. 15 6 Правила приемки. 16 7 Методы контроля. 17 8 Транспортирование и хранение. 18 9 Указания по эксплуатации. 19 10 Гарантии изготовителя. 19 Приложение А Сведения по гармонизации настоящего стандарта со стандартом API Spec 11 B .. 19 Приложение Б Конструктивные длины и массы штанг. 20 Приложение В Сведения о материалах, применяемых для изготовления штанг. 20 Приложение Г Требования к муфтам класса SM .. 21 Приложение Д Калибровка штанг и муфт. 22 Приложение Е Примеры расчета вероятности безотказной работы партии штанг. 23 Приложение Ж Область применения насосных штанг и значение допускаемого приведенного напряжения в штангах. 24 Приложение И Характеристика коррозионности продукции нефтяных скважин по содержанию в ней коррозионно-активных компонентов (без учета влияния ингибиторов коррозии) 25 Приложение К Правила обращения со штангами в процессе эксплуатации. 25 Приложение Л Правила компоновки колонн насосных штанг и замены штанг в колонне. 26 |
ГОСТ 13877-96
МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ
ШТАНГИ НАСОСНЫЕ И МУФТЫ ШТАНГОВЫЕ
Технические условия
Sucker rods and sucker rod
couplings.
Specifications
Дата введения 2001-01-01
1 - тело штанги; 2 - головка штанги; 3 - подэлеваторный бурт; 4 - квадратная шейка; 5 - торец упорного бурта; 6 - упорный бурт; 7 - зарезьбовая канавка; 8 - торец штанги
Рисунок 1 - Наименования конструктивных элементов насосной штанги
3.2.4 штанговая муфта: Составная часть колонны насосных штанг, как правило, с внутренней резьбой на обоих концах, предназначенная для соединения насосных штанг между собой; 3.2.5 соединительная штанговая муфта (соединительная муфта): Штанговая муфта с одинаковыми резьбами на обоих концах, предназначенная для соединения насосных штанг между собой; 3.2.6 переводная штанговая муфта (переводная муфта): Штанговая муфта с неодинаковыми резьбами на обоих концах, предназначенная для соединения насосных штанг разных условных размеров; 3.2.7 стандартная длина штанги: Расстояние, отсчитываемое от торца упорного бурта насосной штанги до наружного торца штанговой муфты, навинченной на противоположный конец насосной штанги; 3.2.8 приведенное напряжение в штангах: Напряжение s пр в верхней насосной штанге какой-либо ступени штанговой колонны, определяемое по формуле
Где s m ах - максимальное напряжение в теле штанги за цикл нагружения; s а - амплитуда напряжения в теле штанги за цикл нагружения,
Где s min - минимальное напряжение в теле штанги за цикл нагружения; 3.2.9 зона термического влияния: Участок тела насосной штанги длиной 250 мм, отсчитываемый от подэлеваторного бурта в сторону тела штанги; 3.2.10 продольные дефекты проката: Дефекты проката в соответствии с ГОСТ 21014, расположенные вдоль оси проката; 3.2.11 поперечные дефекты проката: Дефекты проката в соответствии с ГОСТ 21014, расположенные перпендикулярно к оси проката; 3.2.12 торцевая контактная поверхность: Кольцевая поверхность, по которой контактируют торец штанговой муфты с торцем упорного бурта насосной штанги (без учета фасок).
* Размер обеспечивается инструментом. ** Размер указан до накатки резьбы. *** Допускается другая форма сопряжения ударного бурта с квадратной шейкой.
Рисунок 2 - Насосная штанга
Таблица 1
Условный размер штанг |
||||||||||||||||||
Пред. откл. |
Пред. откл. |
Пред. откл. |
Пред. откл. |
|||||||||||||||
Рисунок 3 - Соединительная муфта
Таблица 2
Размеры в миллиметрах
Условный размер соединительных муфт |
Исполнение |
Диаметр муфт D |
Размер под ключ S -0,8 |
||||
Рисунок 4 - Переводная муфта
Таблица 3
Размеры в миллиметрах
Условный размер переводных муфт |
Исполнение |
Диаметр муфт D +0,13; -0,25 полноразмерных (уменьшенного диаметра) |
Размер под ключ S |
Масса муфт, кг, не более, полноразмерных (уменьшенного диаметра) |
||||||
Рисунок 5
Таблица 5
Условный размер |
Обозначение резьбы |
Диаметр резьбы штанг, муфт, мм (см. рисунок 5) |
|||
соединительных муфт |
d , D |
d 2 , D 2 |
d 1 , D 1 |
||
1 - поле допуска внутренней резьбы; 2 - поле допуска наружной резьбы; 3 - номинальный профиль; d ; D - номинальный наружный диаметр; d 1 ; D 1 - номинальный внутренний диаметр; d 2 ; D 2 - номинальный средний диаметр
Рисунок 6
Таблица 6
Условный размер штанг |
Предельное отклонение диаметра резьбы, мкм |
|||||||||||
* Внутренний диаметр резьбы штанги d 1 и наружный диаметр резьбы муфты D обеспечиваются резьбообразующим инструментом. | ||||||||||||
Примечание - Отклонения отсчитываются от линии номинального профиля резьбы в направлении, перпендикулярном оси штанги. Предельные отклонения диаметров d 1 и D относятся к оси впадины и представляют расстояние между наинизшей ее точкой и линией номинального размера. |
Штанга насосная ШН19 -40 ГОСТ 13877-96 .
То же, длиной 7620 мм:
Штанга насосная ШН19 -7620 -40 ГОСТ 13877-96 .
То же, для штанги, подвергнутой поверхностному упрочнению нагревом ТВЧ:
Штанга насосная ШН19 -7620 -40 S ГОСТ 13877-96 .
То же, с муфтой исполнения 2 класса S:
Штанга насосная ШН19 -7620 -40 S - S ГОСТ 13877-96 .
То же, с соединительной муфтой исполнения 3 класса SM:
Штанга насосная ШН19 -7620 -40 S -3 S М ГОСТ 13877-96 .
4.9 Примеры условных обозначений муфт Соединительной муфты условным размером 19 мм, исполнения 2, из стали 40, класса Т:
Муфта МШ19 ГОСТ 13877-96 .
То же, исполнения 3, из стали марки 20Н2М, класса S:
Муфта МШ19 -20Н2М -3 S ГОСТ 13877-96 .
То же, класса SM:
Муфта МШ19 -20Н2М -3 S М ГОСТ 13877-96 .
Переводной муфты условным размером 19 ´ 22, исполнения 2, из стали 20Н2М, класса Т:
Муфта МШ19 ´ 22 -20Н2М ГОСТ 13877-96 .
4.10 Пример условного обозначения резьбы штанги (муфты) условным размером 19 мм:
Резьба Ш19 ГОСТ 13877-96 .
Марка стали |
Вид термической обработки |
Механические свойства, не менее |
|||||
40 по ГОСТ 1050 | Нормализация или нормализация с последующим поверхностным упрочнением нагревом токами высокой частоты (ТВЧ) | ||||||
20Н2М по ГОСТ 4543 | То же | ||||||
30ХМА по ГОСТ 4543 | |||||||
15Н3МА | Нормализация или нормализация с последующим поверхностным упрочнением нагревом ТВЧ | ||||||
15Х2НМФ | |||||||
15Х2ГМФ | То же | ||||||
14Х3ГМЮ | » | ||||||
Примечания 1 При поверхностном упрочнении штанг нагревом ТВЧ механические свойства материала, указанные в таблице, относятся к незакаленной сердцевине тела штанг и определяются до обработки ТВЧ на отштампованных и термически обработанных заготовках штанг. 2 Закалка штанг из стали марок 15Х2НМФ, 15Х2ГМФ и 14Х3ГМЮ происходит на воздухе в процессе изготовления проката и штамповки головок. Допускается закалку штанг проводить в воде или других охлаждающих средах. 3 Показатели твердости являются рекомендуемыми. |
Условный размер штанг |
Глубина поверхностного упрочнения, мм |
||||||
тела штанг |
головки штанг на участках радиусом |
||||||
Наружный диаметр муфты D , мм |
Исполнение |
Глубина поверхностного упрочнения муфты, мм |
Твердость поверхности HRC э, не менее, для стали марки |
|
20Н2М; 20ХН2М |
||||
(справочное )
Номер и наименование раздела настоящего стандарта |
Объем гармонизации стандартов |
1 Область применения | Стандарты гармонизированы в части цельных насосных штанг и штанговых муфт с одноименными резьбовыми концами (соответственно с наружной и внутренней резьбой на обоих концах. |
Отличие: Настоящий стандарт не распространяется на составные штанги, на штанги с разноименными резьбовыми концами (ниппельным и муфтовым), на устьевые штоки и их муфты и прочие | |
4 Конструкция, основные параметры и размеры | Гармонизированы конструкция и размеры штанг и муфт. Отличие: Дополнительно включены штанги нормальной длиной 8000 мм и укороченной длины 1000, 1500 и 2000 мм, данные по конструктивной длине штанг, по массе штанг и муфт. Приведены обозначения штанг и муфт и их резьб в метрической системе |
5 Технические требования | Гармонизированы технические требования к штангам и муфтам. Отличие: Дополнительно включены требования к штангам и муфтам, упрочненным нагревом ТВЧ; приведены конкретные марки стали для изготовления штанг и муфт, а в приложении В приведено их соответствие классификации стандарта API Spec 11В; приведены показатели безотказной работы штанг и сроки их службы |
6 Правила приемки | Гармонизированы правила приемки |
7 Методы контроля | Гармонизированы методы контроля. Отличие: В настоящем стандарте отсутствует раздел с конструкцией и размерами калибров |
8 Маркировка, упаковка, транспортирование и хранение | Гармонизированы требования к маркировке, упаковке, транспортированию и хранению штанг |
9 Указания по эксплуатации | Гармонизированы указания по эксплуатации. Отличие: Дополнительно приведены сведения об области применения штанг из различных материалов с учетом коррозионности продукции скважин; допускаемые приведенные напряжения в штангах. |
(справочное)
Условный размер штанг |
Конструктивная длина L штанг при стандартной длине* |
||||||||||||
* Значения конструктивных длин округлены до целых чисел. |
Условный размер штанг |
Масса штанг (без муфт), кг, при стандартной длине, мм |
||||||||||||
(справочное)
Марка стали |
Вид термообработки |
Класс штанг по материалу (стандарт API Spec 11В) |
40 по ГОСТ 1050 | Нормализация | |
Нормализация с последующим поверхностным упрочнением нагревом токами высокой частоты (ТВЧ) | ||
20Н2М по ГОСТ 4543 | Нормализация | |
30ХМА по ГОСТ 4543 | Нормализация и высокий отпуск с последующим поверхностным упрочнением нагревом ТВЧ | |
15Н3МА | Нормализация | |
Нормализация с последующим поверхностным упрочнением нагревом ТВЧ | ||
15Х2НМФ | Закалка и высокий отпуск или нормализация и высокий отпуск | |
15Х2ГМФ | Закалка и высокий отпуск или нормализация и высокий отпуск | |
14Х3ГМЮ | То же | |
Примечание - Для штанг, упрочненных нагревом ТВЧ, класс по стандарту API Spec 11В указан в скобках для отражения условного отнесения к этому классу при соответствии ему прочностных (5.1.5) и эксплуатационных (приложение Ж) характеристик штанг. |
(справочное)
Наименование химического элемента |
||
Углерод | ||
Кремний | ||
Фосфор | ||
Сера | ||
Хром | ||
Бор | ||
Железо | ||
Кобальт | ||
Титан | ||
Алюминий | ||
Цирконий | ||
Никель |
(обязательное)
Контролируемые размер и форма поверхности |
Средство измерения |
Нормативный документ (НД) |
Пояснение к операции контроля |
1 Штанги | |||
1.1 Внутренний диаметр резьбы d 1 * | Непроходной резьбовой калибр-кольцо | Резьбовой калибр-кольцо не должен навинчиваться на резьбу штанги после третьего поворота | |
1.2 Наружный диаметр резьбы d * | Резьбовой калибр-кольцо должен навинчиваться на резьбу штанги до упора в торец упорного бурта | ||
1.3 Отклонение от перпендикулярности торца упорного бурта к оси резьбы штанги | Проходной резьбовой калибр-кольцо | Плоский щуп не должен проходить между торцами упорного бурта и навинченного на штангу резьбового калибра-кольца | |
Плоский щуп размером 0,05 мм | ТУ 2-034-22/197-011 | ||
1.4 Максимальный и минимальный диаметр зарезьбовой канавки D 1 | Микрометры МР25; МР50 | ГОСТ 4381 | Средства измерения установить поочередно на наибольший и наименьший размеры диаметра D 1 в пределах допуска. При этом калибр-скоба не должен проходить над контролируемой поверхностью при измерении наименьшего диаметра D 1 |
Регулируемый калибр-скоба | ГОСТ 2216 | ||
1.5 Максимальный и минимальный диаметры упорного D и подэлеваторного D 2 буртов | Микрометры МР25; МР50; МР100 | ГОСТ 4381 | Средства измерения установить поочередно на наибольший и наименьший размеры диаметров в пределах допуска. При этом калибр-скоба не должен проходить над контролируемой поверхностью при измерении наименьшего диаметра |
Регулируемый калибр-скоба | ГОСТ 2216 | ||
1.6 Максимальная и минимальная длина зарезьбовой канавки l 2 | Регулируемый калибр-скоба | Измерительные поверхности калибра устанавливаются поочередно на наибольший и наименьший измеряемый размер или его номинальное значение. Измеряемая длина должна находиться в пределах допуска | |
1.7 Максимальный и минимальный диаметры тела штанги d 0 | Микрометры МР25; МР50 | ГОСТ 4381 | |
Регулируемый калибр-скоба | ГОСТ 2216 | ||
1.8 Ширина квадратной шейки S | Регулируемый калибр-скоба | ||
1.9 Максимальная и минимальная длина насосной штанги L | Рулетка | ГОСТ 7502 | |
2 Муфты | |||
2.1 Наружный диаметр резьбы D * | Непроходной резьбовой калибр-пробка | НД на калибр или стандарт API Spec 11В | Резьбовой калибр-пробка не должен ввинчиваться в резьбу муфты после третьего поворота |
2.2 Внутренний диаметр резьбы D 1 * | Резьбовой калибр-пробка должен ввинчиваться в резьбу муфты до упора | ||
2.3 Отклонение от перпендикулярности торца муфты к оси резьбы муфты | Проходной резьбовой калибр-пробка | НД на калибр или стандарт API Spec 11 B | Плоский щуп не должен проходить между торцами муфты и ввинченного в нее резьбового калибра-пробки |
Плоский щуп размером 0,05 | ТУ 2-034-22/197-011 | ||
2.4 Максимальный и минимальный диаметры расточек муфты D 1 и D 2 (наименьший диаметр торцевой контактной поверхности) | Штангенциркуль | ГОСТ 166 | |
Калибр-пробка | ГОСТ 14810 | ||
2.5 Длина муфты L | Микрометры МК100; МК150 | ГОСТ 4381 | |
Регулируемый калибр-скоба | ГОСТ 2216 | ||
2.6 Максимальное и минимальное расстояние между срезами под ключ S | Микрометры МК50; МК100 | ГОСТ 4381 | Калибр-скоба не должен проходить над поверхностью срезов под ключ при установке измерительных поверхностей на минимальное значение расстояния S |
Регулируемый калибр-скоба | ГОСТ 2216 | ||
2.7 Максимальная и минимальная длина среза под ключ S 1 | Регулируемый калибр-скоба | ||
* Одновременно контролируют профиль резьбы. |
Условный номер скважины |
Количество штанг из партии в данной скважине |
Частота двойных ходов в минуту п |
Время наработки T (5 ´ 10 6), сутки* |
Количество обрывов штанг за время T (5 ´ 10 6) |
* Время наработки штанг в данной скважине (без учета простоев) за 5 ´ 10 6 циклов, сутки, - определяется по формуле |
Вывод: требования стандарта в части безотказной работы штанг (5.1.28.1) соблюдены.
(обязательное)
Показатели штанг |
Условия эксплуатации штанг |
|||
Марка стали |
Вид термической обработки |
Группа коррозионности продукции нефтяных скважин |
Диапазон условных размеров штанговых насосов, мм |
Допускаемое приведенное напряжение в штангах, Н/мм 2 , не более |
Нормализация |
Некоррозионная |
|||
Нормализация |
Некоррозионная |
|||
Нормализация с последующим поверхностным упрочнением нагревом ТВЧ |
Некоррозионная |
|||
Нормализация и высокий отпуск с последующим поверхностным упрочнением нагревом ТВЧ |
Некоррозионная |
|||
Среднекоррозионная |
||||
Нормализация |
Высококоррозионная (с присутствием H 2 S до 6 %) |
|||
Нормализация с последующим поверхностным упрочнением нагревом ТВЧ |
Некоррозионная |
|||
Среднекоррозионная (с присутствием H 2 S) |
||||
Некоррозионная |
||||
Среднекоррозионная (при отсутствии H 2 S) |
||||
Закалка и высокий отпуск или нормализация и высокий отпуск |
Некоррозионная |
|||
Среднекоррозионная (при отсутствии H 2 S) |
||||
То же |
Некоррозионная |
|||
Среднекоррозионная (с присутствием H 2 S) |
||||
Примечание - Характеристика групп коррозионности продукции скважин приведена в приложении И. |
(справочное)
(обязательное)
Условный размер штанг |
Наружный диаметр муфт полноразмерных (уменьшенного диаметра) |
Минимальный условный (наружный) диаметр насосно-компрессорных труб, внутри которых применяются муфты |
|