image
energas.ru

Территория Нефтегаз № 3 2016

Добыча нефти и газа

01.03.2016 10:00 Оптимизация конструкции головки полой насосной штанги
Для технологии одновременно-раздельной добычи нефти из двух пластов часто применяют полые насосные штанги, которые обеспечивают создание второго изолированного канала. Расчет и подбор таких штанг представляет значительные трудности из-за сложной конструкции, наличия участков с концентраторами напряжений и воздействием пластового флюида как на наружную, так и на внутреннюю поверхность этих штанг. Представлены результаты компьютерного исследования напряжений, возникающих в теле головки серийно выпускаемых полых штанг при их соединении с помощью резьбы. Проанализированы разные конструкции полых насосных штанг, разработанных несколькими российскими фирмами. С помощью математической модели определены напряжения, возникающие в головках полых штанг разной конструкции при их свинчивании. Показано, что максимальные напряжения в головке штанг, выполненной в виде четырехугольника, доходят до 450 МПа, а в головке штанг, выполненной в виде шестиугольника, величина максимальных напряжений достигает только 307 МПа. На основании компьютерной модели нагружения представлена возможность оптимизации конструкции головки полой насосной штанги, обеспечивающей существенное снижение напряжений в процессе свинчивания – до 280 МПа, то есть снижение напряжений при свинчивании штанг составит 7%. Если же оставить уровень максимальных напряжений в 307 МПа, то переход на десятигранную головку позволит увеличить момент свинчивания на 60 Н.м, что повысит уровень герметичности соединения и создаст в соединении остаточные сжимающие напряжения. Проанализированы возможные негативные моменты, связанные с уменьшением длины контакта специальных десятигранных ключей с головкой полой насосной штанги при переходе к новой конструкции «места под ключ» в виде десятигранника. Контактные напряжения в месте контакта «ключ – головка штанги» даже без увеличения ширины «губок» ключа останутся на уровне существующих напряжений при использовании шестигранной головки.
Ключевые слова:

Полые насосные штанги, головка штанги, напряжения в теле штанги, «место под ключ», зона контакта головки штанги с ключом.

Ссылка для цитирования:

Дубинов Ю.С., Ивановский В.Н. Оптимизация конструкции головки полой насосной штанги // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2016. № 3. С. 66–69.

Открыть PDF


14-1.jpgВ настоящее время нефтяная промышленность Российской Федерации характеризуется снижением уровня добычи легкой и увеличением уровня добычи тяжелой нефти. Это обусловлено истощением месторождений, повышением обводненности пластов и другими факторами. На этом фоне особой популярностью стали пользоваться установки для одновременно-раздельной эксплуатации (ОРЭ).

За все время существования, с начала 1950-х гг., было разработано большое количество различных схем и конструкций для одновременно-раздельной эксплуатации, однако в РФ большое распространение получили схемы со штанговыми скважинными насосами. Это объясняется тем, что в РФ преобладают мало- и среднедебитные скважины.
В то же время область применения схемы со штанговыми скважинными насосами ограничивается из-за недостаточной надежности ее элементов, в первую очередь – полых насосных штанг.

14-2.jpg

В настоящее время широкое распространение получили полые насосные штанги производства ООО «Пермское конструкторско-технологическое бюро технического проектирования и организации производства»[3, 6] (рис. 1), ГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» [4, 5] (рис. 2), ОАО «Мотовилихинские заводы» [7] (рис. 3), ЗАО «Элкам-нефтемаш» [2] (рис. 4). 

Как видно из приведенных эскизов, у большинства полых штанг имеется «место под ключ» – поверхность В (рис. 1), позиция 2 (рис. 2), позиция 1 (рис. 3 и 4).
Это необходимо для уменьшения возможности контакта зубьев инструмента (челюстных трубных ключей) с гладкой частью штанги и уменьшения возможности повреждения поверхности, которые будут являться концентраторами напряжения при работе штанговых колонн.

Тем не менее при компьютерном моделировании напряженного состояния приведенных конструкций было определено, что «место под ключ» все же является концентратором напряжения, которое может привести к отказам колонны штанг. Результаты компьютерного моделирования напряженного состояния головок полых штанг, приведенные на рисунках 5 и 6, получены при нагружении крутящим моментом величиной 103 Н.м.

Как видно из рисунков, при воздействии крутящего момента, обеспечивающего герметичность резьбового соединения полых штанг, в сечениях головки штанг возникают напряжения, превышающие 300 (для шестигранной головки) и 420 МПа (для четырехгранной головки).
14-3.jpgВ связи с этим встала задача модернизации конструкции головки полой штанги, направленной на снижение напряжений при свинчивании и при работе штанг. 

Основной идеей модернизации является изменение поперечного сечения «места под ключ». Анализ показал, что одной из эффективных конструкций может стать головка штанги с десятигранной поверхностью (рис. 7).

14-4.jpgВ результате компьютерного моделирования в системе SolidWorks данная конструкция была проверена при том же крутящем моменте (103 Н.м). Компьютерное моделирование показало, что изменение конструкции головки полой штанги снизило напряжения на 20 МПа, или на 7% (по сравнению с шестигранной головкой), и на 160 МПа, или на 38% (по сравнению с четырехгранной головкой) (рис. 8).

Данная модернизация головки штанги позволяет увеличить максимальный крутящий момент на 60 Н.м при сохранении габаритных размеров и уровня максимальных напряжений в опасных сечениях штанги.

14-5.jpgИзменение поперечного сечения головки штанги приводит к уменьшению эффективной длины зоны контакта специального ключа с поверхностью штанги, поэтому необходимо было рассмотреть, как указанная модернизация будет влиять на уровень контактных напряжений, возникающих при использовании специального ключа, предназначенного для свинчивания-развинчивания резьбовых соединений штанг.

Переход с шестигранной формы головки на десятигранную приводит к уменьшению длины плоскости воздействия специального ключа с 20 мм (шестигранник) до 12 мм (десятигранник).

Даже если не увеличивать ширину плоскости воздействия специального ключа, при сохранении первоначальной величины крутящего момента (103 Н.м) величина контактного напряжения увеличивается примерно на 5 МПа, что находится в пределах погрешности расчета и измерений (до 5%). Следовательно, изменение конструкции головки штанги не окажет отрицательного влияния на работоспособность полой насосной штанги. При этом сохраняется возможность увеличения площади контакта ключа с головкой штанги (с «местом под ключ») за счет увеличения ширины «губок» специального ключа. Результаты компьютерного эксперимента по определению контактных напряжений в зоне контакта «ключ – головка штанги» приведены на рисунках 9 и 10.



← Назад к списку


im - научные статьи.