Приложение Н (справочное). Выбор и использование насосных штанг в установках погружных винтовых насосов

Приложение Н
(справочное)

Выбор и использование насосных штанг в установках погружных винтовых насосов

Н.1 Общие положения

В данном приложении представлено применение насосных штанг при эксплуатации скважин, в которых используются установки погружных ВН с наземным приводом.

Н.2 История вопроса

В установке погружного ВН обычно используют колонну насосных штанг для передачи энергии (крутящего момента) от установки наземного привода к установленному в скважине насосу. В этом случае насосные штанги подвергают сочетанию осевой нагрузки и кручения, что поднимает следующие специфические вопросы, связанные с характеристикой насосных штанг, не возникающие при эксплуатации возвратно-поступательных насосов:

a) нагрузка на штанги сложнее из-за комбинированного действия кручения и осевой нагрузки;

b) изгиб из-за искривления забоя может наложить миллион циклов деформации на штанги всего за несколько дней, и отказы будут обычно происходить из-за усталости материала;

c) компоновка штанг имеет решающее значение, так как прилагаемая скручивающая нагрузка может потребовать приращения, что может повредить соединения насосных штанг.

Эти вопросы обсуждаются согласно Н.3 - Н.7.

Н.3 Нагрузка на шток

Н.3.1 Общие положения

Колонна привода должна обладать способностью воспринимать осевую нагрузку и передавать крутящий момент погружному насосу. Если результатом совместных действий осевой нагрузки и крутящего момента является сложное сопротивление, которое из-за размера и марки материала колонны привода превышает ее прочность, может произойти авария.

Осевая нагрузка и крутящий момент в любом месте вдоль колонны привода должны состоять из нескольких компонентов, как показано на рисунке Н.1. Несколько основных компонентов нагрузки прилагаются, к колонне привода у насоса (например, гидравлический крутящий момент насоса и осевая нагрузка насоса), однако развитие других компонентов распределяется по всей длине колонны привода (например, момент сопротивления и вес штанги). Почти во всех случаях осевая нагрузка и крутящий момент колонны привода являются самыми большими нагрузками на соединение полированного штока.

"Рисунок Н.1 - Составляющие крутящего момента и осевой нагрузки в колонне привода"

Н.3.2 Гидравлический крутящий момент в насосе

Гидравлический крутящий момент пропорционален дифференциальному давлению в насосе, т.е. разности между давлением на входе в насос (сумма давления на устье и гидростатического давления в обсадной колонне из-за уровня жидкости) и давлением на выходе из насоса (сумма давления на устье, гидростатического давления в НКТ выше насоса и потери давления в колонне труб).

Н.3.3 Момент трения в насосе

Трение в насосе возникает из-за посадки с натягом в паре ротор - статор и обычно измеряется во время стендовых испытаний насоса. Трение в насосе может повышаться в скважинных условиях, когда эластомер статора набухает из-за термических и химических воздействий. Во время закачивания высоковязких жидкостей при высоких скоростях крутящий момент может также усилить сопротивление кручению в насосе. Трение в насосе достигает максимального значения при пуске, так как влияет статическое трение в паре ротор - статор.

Н.3.4 Крутящий момент сопротивления в колонне привода

Под крутящим моментом сопротивления в колонне привода понимаются поверхностные сдвигающие силы между жидкостью и колонной привода, препятствующие вращению колонны привода во время ее вращения внутри жидкости в эксплуатационной колонне насосно-компрессорных труб.

Н.3.5 Осевая нагрузка в насосе

Под осевой нагрузкой в насосе понимается образуемая колонной привода, включая ротор насоса, сила, действующая вертикально вниз при работе насоса и воспринимаемая нижним упорным подшипником

Подобно гидравлическому крутящему моменту в насосе, осевая нагрузка в насосе является функцией геометрии насоса и пропорциональна давлению насоса.

Н.3.6 Вес штанги

Под весом штанги понимается сила воздействия штанги на опору (или подвес либо другой вид крепления), препятствующая падению и возникающая в поле сил тяжести. Единица измерения веса в СИ - Ньютон (Н).

Вес колонны привода, включая ротор насоса, повышает осевую нагрузку, действующую на штангу.

Н.3.7 Фильтрационные силы, действующие на колонну привода

Под фильтрационными силами, действующими на колонну привода, понимаются силы, образующиеся при ослаблении потока (фильтрационные силы, являющиеся суммарным воздействием фильтрационного потока на пласт грунта), которые действуют на колонну привода в направлении потока, приводя к снижению натяжения штанги. Эти силы прикладываются к соединениям и корпусу штанги в виде фильтрационных сил контактного участка и поверхностных фильтрационных сил, соответственно.

Н.4 Предельное напряжение на штангу

Это предельное напряжение на штангу основывающееся на эффективном напряжении (т.е. на напряжении по фон Мизесу), которое учитывает сочетание осевой нагрузки и крутящего момента. При эксплуатации насоса эффективное напряжение зависит от крутящего момента, причем осевая нагрузка имеет меньшее влияние.

В противоположность циклическому напряжению на штангу, которое имеет место при эксплуатации балансирными насосными установками, напряжения на штангу сравнительно постоянны при эксплуатации скважин с помощью ВН. В результате эффективное напряжение на штангу может приблизиться к напряжению текучести материала штанги, не вызывая аварий при применении ВН, несмотря на то, что усталость, вызванная изгибом, может представлять проблему в случае применения ВН в наклонно-направленной и горизонтальной скважинах.

Н.5 Усталость штанги

Хорошо известно, что механические детали, на которые действуют переменные нагрузки, подвергаются усталости металла. Аварии из-за усталости могут возникать, даже если максимальный уровень нагрузки в материале значительно ниже предела текучести материала. При анализах усталости обычно делается попытка оценить эксплуатационную долговечность в условиях переменной нагрузки. На предел выносливости детали при постоянном напряжении влияют среднее напряжение; размеры колебаний при приложенном напряжении и число колебаний напряжения. Колебания нагрузки в сочетании с высоким средним напряжением приводит к более серьезной усталости, чем в случае нагрузки с колебаниями такой же величины, но с незначительным средним напряжением. Это может иметь значение в контексте применения ВН, когда в колонне привода развивается высокое среднее напряжение. Большинство сталей имеет предел выносливости, максимальное переменное напряжение, которое приводит к "бесконечной" усталостной долговечности. Проектирование колонн приводов для уровней переменного напряжения ниже предела выносливости является эффективным критерием расчета. Однако механизмы коррозии могут действовать в сочетании с переменными нагрузками, чтобы сократить усталостную стойкость материала насосных штанг для того, чтобы в некоторых случаях применения в коррозионных средах нельзя было достичь "бесконечной" усталостной долговечности.

Эксплуатационные условия во многих областях применения ВН таковы, что колонны привода подвергаются значительным колебаниям нагрузки. Перемены давления на выходе, вызванные газом в эксплуатационной колонне насосно-компрессорных труб, или повышение трения в насосе из-за закупоривания песком либо флюидом может вызвать значительные колебания крутящего момента в насосе и осевой нагрузки. В искривленных скважинах штанги подвергаются циклическим напряжениям изгиба при частоте вращения насоса. С учетом типичных рабочих скоростей ВН число циклов нагрузки может достигать насколько миллионов всего лишь за несколько дней. Поэтому очень важно учитывать результаты анализов усталости, когда предполагается, что эти условия нагрузки будут иметь место. При расчете усталостной долговечности рекомендуется учитывать и высокочастотные (т.е. влияние изгибов в искривленных скважинах) и низкочастотные (например, влияние газовых пробок) нагрузки.

Н.6 Компоновка соединений

Компоновка соединений имеет решающее значение для эксплуатации ОВН, так как приложенная скручивающая нагрузка во время нагнетания может вызвать поэтапную компоновку соединений, при которой приложенный крутящий момент превышает сопротивление скручиванию в соединении. Указанное сопротивление является зависимостью предварительной нагрузки и крутящего момента на резьбовые соединения и заплечик, созданной во время компоновки, как представлено на рисунке Н.2. Незаконченная компоновка приводит к низкой предварительной нагрузке в соединении, и, следовательно, к низкому сопротивлению скручиванию. Высокая растягивающая нагрузка в штангах может также снизить предварительную нагрузку и крутящий момент на заплечик, приводя таким образом к снижению сопротивления скручиванию колонны насосных штанг.

"Рисунок Н.2 - Нагрузка на соединение"

Сопротивление скручиванию законченного соединения определяется статическим коэффициентом трения на резьбу и заплечик. Однако если сопротивление скручиванию превышено, характеристики трения определяются кинетическим коэффициентом трения, который может быть значительно ниже статического коэффициента. Кроме того, быстрое перемещение между соприкасающимися поверхностями (т.е. заплечика и торца муфты) может привести к динамической смазке, которая еще больше снижает эффект трения. Это приводит к значительному снижению сопротивления скручиванию в соединении, делая возможным дополнительное компенсирование соединения, что может вызвать нагрузки, которые могут повредить это соединение.

Свидетельством того, что было произведено дополнительное компенсирование в соединении, может быть одно или все из следующего:

a) сорванная резьба;

b) соединение с раструбным концом или оседание торца муфты;

c) разрушение подрезанного штифта при растяжении.

Дополнительное компенсирование может быть особенно тяжелым в скважине, так как колонна привода действует как большая пружина кручения, которая накапливает энергию в виде эластичных кручений штанги. Когда сопротивление кручению в соединении превышено, накопленная энергия поддерживает приложенный крутящий момент, который является причиной того, что дополнительное компенсирование происходит очень быстро. Это называется динамическим компенсированием, которое обычно приводит к повреждению соединения.

Гарантия того, что соединения насосных штанг свинчены так, как указано в спецификациях изготовителя, может снизить до минимума последствия дополнительного компенсирования. В этих спецификациях должно быть указано, что какая-то определенная часть должна быть завинчена вручную. Для этого нужно, чтобы крутящий момент свинчивания превышал приложенный крутящий момент во время пуска и работы насоса. До тех пор, пока крутящие моменты пуска и вращения не превышают момент свинчивания, маловероятно, что дополнительное компенсирование произойдет.

Н.7 Износ колонны привода или НКТ

Износ колонны привода и НКТ в установках погружных ВН отличается от износа в балансирных насосных установках тем, что штанговый ниппель вращается в одном положении на НКТ, приводя к износу, который должен быть локализован. Кроме того, ВН часто используются там, где из породы выделяются твердые вещества, которые существенно повышают степень износа. Интенсивность износа может быть снижена с помощью покрытия соединений мягким материалом одноразового употребления (например, уретан или эластомер) или распределением контактной нагрузки на штангу между несколькими направляющими штанги (центраторами), расположенными вдоль корпуса штанги между соединениями, как представлено на рисунке Н.3. Следует проявлять осторожность, используя эти приспособления для снижения износа, потому что обычно они повышают потери давления в эксплуатационной колонне насосно-компрессорных труб, что может повысить напряжение в колонне привода, вызывая даже более высокие контактные нагрузки между штангами и НКТ.

"Рисунок Н.3 - Примеры типичных направляющих штанг, используемых в установках с винтовыми насосами"