Приложение J (справочное). Выбор и применение колонны привода

Приложение J
(справочное)

Выбор и применение колонны привода

J.1 Общие положения

Данное приложение описывает принципы, относящиеся к применению приводных колонн в ротационных насосных системах, которые обычно включают винтовые насосные системы с наземным приводом. ГОСТ Р 51161, ГОСТ 13877 содержат технические требования к насосным штангам, используемым в поршневых насосных системах. Применение насосных штанг для передачи вращения в системе ВН также описывается в настоящем стандарте.

J.2 Справочная информация

Системы ВН, как правило, используют наземный привод для передачи энергии (крутящего момента) от системы наземного привода к внутрискважинному насосу. Несмотря на то, что приводные колонны традиционно состоят из насосных штанг, применяется и другое оборудование, например, полые штанги и непрерывная колонна насосных штанг.

Система ВН подвергает приводную колонну смешанной крутящей и осевой нагрузке, которая обуславливает наличие следующих индивидуальных особенностей, относящихся к эксплуатации приводной колонны, но не наблюдаемых в поршневых насосных системах:

a) нагрузка приводной колонны включает в себя суммарный эффект крутящей и осевой нагрузки;

b) искривление из-за кривизны ствола скважины может привести к миллионам циклов напряжения на приводной колонне в течение нескольких дней, вследствие чего усталость материала может стать потенциальной неисправностью;

c) монтаж приводной колонны является чрезвычайно важным. Если крутящий момент при свинчивании меньше, чем применяемая рабочая крутящая нагрузка, то это может привести к дополнительному докреплению, что способно повредить соединения приводной колонны;

d) износ приводной колонны и НКТ может усиливаться из-за того, что соединительные элементы вращаются в том же месте, где сконцентрированы боковые нагрузки при максимальном диаметре приводной колонны, а также в связи с возможным присутствием абразивных примесей в жидкости;

e) обратное вращение происходит в результате движения жидкости в НКТ, когда наземный привод останавливается. Во время обратного вращения действует обратный крутящий момент, что может привести к разъединению приводной колонны.

Эти вопросы рассмотрены в J.3 - J.9.

J.3 Загрузка приводной колонны

J.3.1 Общие положения

В системе ВН предназначением приводной колонны является восприятие заданной осевой нагрузки и передача крутящего момента внутрискважинному насосу. Осевая нагрузка и крутящий момент на любом участке вдоль всей поверхности приводной колонны состоят из нескольких различных компонентов, как указано на рисунке J.1. Некоторые компоненты основной нагрузки применяются к приводной колонне насоса (например, гидравлический крутящий момент насоса и осевая нагрузка насоса), тогда как другие компоненты распределены вдоль всей длины приводной колонны (например, момент сопротивления и вес приводной колонны). Почти во всех случаях осевая нагрузка приводной колонны и крутящий момент являются наибольшими в соединении полированного штока на поверхности.

Во многих системах ВН эксплуатационные условия подвергают приводную колонну серьезным колебаниям нагрузки. Изменения давления на выходе насоса, вызванные пульсацией газа, выделение газа из добытой жидкости в НКТ или увеличение трения насоса из-за попадания песка, жидких шлаков, или же разбухание эластомера - все это может приводить к значительными колебаниям крутящего момента насоса и осевой нагрузки. В наклонных скважинах приводная колонна подвергается циклическим напряжениям изгиба при вращении ротора насоса. При стандартных рабочих скоростях ВН число циклов загрузки может достигать несколько миллионов за несколько дней.

Если комбинированная осевая нагрузка и крутящий момент вызывают комбинированное напряжение, превышающее допустимую нагрузку для определенного размера и уровня приводной колонны, то может произойти отказ оборудования. К тому же совокупные циклические напряжения могут привести к поломке, вызванной усталостью материала. Следование рекомендациям по выбору соответствующей конструкции, правильной установке и эксплуатации может предотвратить возможные неисправности и продлить срок службы приводной колонны.

"Рисунок J.1 - Компоненты, приводящие к крутящему моменту приводной колонны и осевой нагрузке"

J.3.2 Момент трения насоса

Момент трения насоса зависит от геометрии конструкции (включая профиль, длину) и взаимодействие между статором и ротором. Момент трения насоса, как правило, измеряется во время стендового испытания насоса. Трение увеличивается внутри скважины, если эластомер статора разбухает из-за термического и химического влияния. При откачке высоковязкой жидкости в случае высокой скорости вязкостное трение усиливает сопротивление закручиванию в насосе. Обычно наибольшее трение наблюдается во время запуска вследствие трения между ротором и обкладкой статором.

J.3.3 Момент сопротивления приводной колонны

Когда приводная колонна начинает вращаться, корпус и соединительные устройства соприкасаются с НКТ. Трение между корпусом приводной колонны и НКТ создает момент сопротивления в приводной колонне как действие контактной нагрузки между насосной штангой и НКТ, диаметра компонентов и коэффициента трения между компонентами. Контактная нагрузка, в свою очередь, прямо пропорциональна осевой нагрузке приводной колонны и искривлению ствола скважины. Коэффициент трения зависит от свойств материала компонентов, свойств жидкости и твердых частиц между компонентами.

К тому же когда приводная колонна вращается в жидкости в НКТ, из-за вязкости развивается поверхностная сила трения между жидкостью и приводной колонной, что препятствует вращению приводной колонны.

J.3.4 Осевая нагрузка насоса

Осевая нагрузка насоса зависит от площади поперечного сечения и пропорциональна дифференциальному давлению рабочих органов по всему насосу.

J.3.5 Вес приводной колонны

Вес приводной колонны и ротора насоса корректируется с учетом потери веса в жидкости (добавляется к осевой нагрузке).

J.3.6 Гидростатическая подъемная сила приводной колонны

Потери потока создают силы, действующие на приводную колонну в направлении потока, вызывая снижение осевой нагрузки приводной колонны. Эти силы действуют на соединительные муфты и на корпус приводной колонны в форме локальной гидростатической подъемной силы и поверхностной гидростатической подъемной силы, соответственно.

J.4 Показатели приводной колонны

Напряжение основной части приводной колонны может быть представлено теоретической нагрузкой по фон Мизесу (эффективное напряжение ), которое рассматривает комбинацию осевой нагрузки и крутящего момента. В системах ВН это напряжение зависит, в первую очередь, от крутящего момента, тогда как осевая нагрузка оказывает меньший эффект. Считается, что это напряжение происходит в самом неблагоприятном месте (наружная сторона) колонны штанги и в связи с доминированием скручивающего компонента напряжение во внутренней части корпуса намного ниже. Эффективное напряжение , МПа, может определяться по формуле

,

(J.1)

где - осевая нагрузка приводной колонны, Н;

- крутящий момент приводной колонны, ;

- диаметр приводной колонны, мм.

В отличие от циклических напряжений приводной колонны, происходящих при откачивании станком-качалкой, напряжения приводной колонны в системах ВН относительно постоянны. В результате эквивалентные напряжения приводной колонны могут приблизиться к пределу пластичности материала приводной колонны, не вызывая повреждения систем ВН. Усталость материала, вызванного отклонением, может стать серьезной проблемой для наклонных и горизонтальных скважин.

При расчете ресурса по усталости рекомендуется учитывать как высокочастотные воздействия (искривление), так и низкочастотные воздействия (газовая пульсация). Общепринято, что механические компоненты, подвергающиеся изменению нагрузки, восприимчивы к усталости металла. В приводных колоннах систем ВН это может быть результатом нескольких факторов, включающих аккумуляцию циклов вращения, испытывающих скручивающую нагрузку, и вариации между максимальной и минимальной растягивающими нагрузками. Поломка, вызванная усталостью, может произойти, если уровень напряжения материала гораздо ниже предельной прочности материала. Большинство сталей имеют предел выносливости с максимальным переменным действующим напряжением, который приводит к так называемой "безграничной" долговечности материала. Разработка приводных колонн с альтернативным уровнем напряжения ниже предела выносливости или внедрение коэффициентов перегрузки могло бы стать эффективным проектным подходом.

J.5 Проектные и эксплуатационные факторы приводной колонны

При установке допустимого напряжения (нагрузки) необходимо учитывать, что на предельную устойчивость приводной колонны влияют два фактора - проектный и эксплуатационный факторы. Проектный фактор обычно используется поставщиками/изготовителями к конструкции приводной колонны для обеспечения возможности изменения свойств материала в допустимых производственных отклонениях приводной колонны. Например, поставщик/производитель приводной колонны может рекомендовать установку требования эксплуатации приводной колонны, на уровне, не превышающем 90% номинального предела прочности материала приводной колонны. Эксплуатационный фактор обычно применяется потребителем/заказчиком, чтобы учитывать факторы каждой системы, направленные на уменьшение предельной нагрузки приводной колонны, что ведет к снижению эксплуатационных показателей в сравнении с официально установленными уровнями. Указанные факторы включают:

- коррозийную и абразивную среду, вызывающую стремительные потери металла;

- сероводородную среду, вызывающую хрупкость/ломкость материала;

- скважинные системы, имеющие большие искривления, ведущие к чрезмерному изгибу;

- сильные колебания напряжения, вызывающие нарастающую нестабильность применимой нагрузки.

Рекомендуется, чтобы потребитель/заказчик обсудил методологию оценки нагрузки на колонну привода, которую использовал поставщик/изготовитель, прежде чем выбрать колонну привода для специфического применения.

J.6 Монтаж соединительных устройств

J.6.1 Общие положения

Монтаж соединительных устройств является важным моментом для систем ВН, так как применимая торсионная нагрузка во время работы насоса может вызвать необходимость дополнительного монтажа тех соединений, в которых применимый крутящий момент превышает сопротивление кручению в соединении. Для того чтобы обеспечить соответствующую установку без повреждения работающей приводной колонны, необходимо обязательно очистить поверхность торца муфты и соединительные выступы от каких-либо покрытий или загрязнителей, и внимательно следовать инструкциям поставщика/изготовителя по установке. В инструкциях содержатся рекомендации по используемому количеству соответствующей смазки для резьбы, которая обычно применяется для наружной резьбы.

Сопротивление кручению монтированных соединений определяется статическим коэффициентом трения в резьбе и плече крутящего момента. Статический коэффициент трения и последующий крутящий момент, передаваемый соединению, находится под влиянием неровности торца муфты и крутящего момента приводной колонны. Также на них влияют присутствие или использование смазок, коррозионных протекторов, примесей и др. Если величина сопротивления кручению превышена, то характеристики трения определяются кинетическим коэффициентом трения, который может быть значительно, ниже, чем статический коэффициент. К тому же быстрое движение между контактирующими поверхностями (т.е. плечом крутящего момента и торцом муфты) может привести к динамическому смазыванию, что в дальнейшем уменьшает эффект трения. Это, в свою очередь, намного сокращает сопротивление кручению в соединениях, позволяя соединениям скручиваться дальше. В то же время это может привести к повреждению резьбы в соединении.

"Рисунок J.2 - Нагрузка при соединении"

Признаками того, что произошло дополнительное скручивание, может быть одно из перечисленных далее или все они:

- сорванная резьба;

- расширение соединительной муфты или деформация/протечка поверхности муфты или насосной штанги;

- деформация при растяжении или искажение резьбового соединения.

Дополнительное скручивание может быть особенно сильным в скважине, так как приводная колонна действует как большая пружина кручения, которая накапливает энергию в форме эластических вращений приводной колонны. Когда скручивающее сопротивление в соединении превышено, накопленная энергия сохраняет применимый крутящий момент, что незамедлительно приводит к дополнительному скручиванию. Это явление, называемое динамическим скручиванием, может привести к повреждению соединений. Обеспечение условий, при которых соединения приводной колонны монтируются в строгом соответствии с техническими требованиями поставщика/изготовителя, позволяет минимизировать риск возникновения дополнительного скручивания.

J.6.2 Скручивание при смещении

Стандартный метод монтажа соединений приводной колонны - это применение принципа кругового смещения (затяжки), где соединение повернуто на определенную величину после ручного крепления. Поставщик/изготовитель обычно предоставляет таблицу смещений для измерения величины скручивания. Первоначально к системам ВН применялся критерий возвратно-поступательного смещения и соответствующие диаграммы смещений, но исследования показали, что такой критерий не дает достаточного вращающего момента докрепления. Поэтому поставщики/изготовители приводных колонн разработали критерии затяжки при свинчивании и соответствующие диаграммы смещений специально для систем ВН. Расстояние или величину смещения в результате затяжки обычно рассчитывают на основе лабораторных испытаний и ставят целью задавать вращающий момент докрепления, равный или превышающий расчетный вращающий момент приводной колонны. Фактический вращающий момент докрепления зависит от производственных вариаций, смазки резьбы или примесей на контактирующих поверхностях.

J.6.3 Докрепление, основанное на крутящем моменте

Поставщики/изготовители приводных колонн могут также рекомендовать методику, основанную на крутящем моменте применительно к узлу привода. Суть данной методики в том, чтобы обеспечить превышение вращающего момента докрепления над предполагаемым и рабочим моментами вращения, чтобы не допустить дополнительное скручивание во время эксплуатации. Как правило, максимальный крутящий момент рассчитывают на основе гидравлического момента, применяемого с использованием системы механического трубного ключа. Это подразумевает измерения гидравлического давления с помощью циферблатного манометра. Существует прямая связь между давлением и применимым крутящим моментом, который зависит от монтажа и модели механического трубного ключа.

Некоторые поставщики/изготовители механических трубных ключей разработали системы прямого измерения крутящего момента для уменьшения неопределенности. При монтаже соединений приводной колонны рекомендуется использовать системы механического трубного ключа с низкой скоростью и высоким крутящим моментом. Методика, основанная на крутящем моменте, особенно рекомендована в системах, где приводная колонна эксплуатируется в пределах своей номинальной нагрузочной способности или в системах ВН, колонна которых испытывает частые отказы.

Методика монтажа, основанная на крутящем моменте, является неотъемлемым компонентом некоторых новых конструкций привода, которые используют нетрадиционные соединения, такие как коническая резьба и место расположения приложенного крутящего момента. Как ранее упоминалось, сопротивление скручиванию докрепленных соединений определяется статическим коэффициентом трения в резьбе или плече крутящего момента.

J.7 Износ приводной колонны и НКТ

J.8 Сплошная приводная колонна

Непрерывные приводные колонны устанавливают так же, как и гибкие НКТ малого диаметра. Приводная колонна находится в барабане и спускается или поднимается из скважины с помощью механического подъемного устройства. Непрерывные приводные колонны могут распределять боковые нагрузки для уменьшения износа приводной колонны и колонны НКТ и сокращать время установки ротора в скважине для насосов переносимых НКТ или может использоваться для спуска ВН во вставном исполнении. В дополнение эти системы могут уменьшать потери давления в связи с исключением потерь притока ввиду отсутствия муфтовых соединений.

J.9 Полая приводная колонна

Полые приводные колонны обычно используют с применением универсального машинного ключа и докручиванием на основе крутящего момента. Они позволяют вводить такие химические вещества как антикоррозийные добавки, ингибиторы парафиноотложения и растворители на приеме насоса. Полые приводные колонны могут быть также сконструированы с наружными безмуфтовыми соединениями для обеспечения преимуществ в подаче и уменьшения износа подобно тем, что характерны для сплошных приводных колонн.

J.10 Хранение и транспортировка

Хранение и транспортировка штанг должна осуществляться согласно ГОСТ Р 51161, ГОСТ 13877 или [37]. В ином случае поставщик/изготовитель должен располагать задокументированными процедурами хранения и транспортировки, отвечающими специфическим условиям.