CC BY
17ДОБЫЧА НЕФТИ И ГАЗА
УДК 622.276.53
Ю.С. Дубинов1, В.Н. Ивановский1, e-mail: ivanovskiyvn@yandex.ru
1 РГУ нефти и газа (Национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина (Москва, Россия).
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.
Y.S. Dubinov1, V.N. Ivanovskiy1, e-mail: ivanovskiyvn@yandex.ru
1 Gubkin Russian State University of Oil and Gas (National Research University) (Moscow, Russia).
Design optimization of the hollow sucker rod head
Hollow sucker rods are usually applied for dual string oil production technology to ensure second separated channel availability. The calculation and selection of such rods is considerably difficult due to the complex design, presence of areas with stress concentrators and formation fluid impact as on the outer and the inner surface of the rods. The results of computer studies for stresses arising in the body of commercially available hollow rods head at their threaded connection are represented. Various designs of hollow sucker rods developed by several Russian companies are analysed. The stresses arising in the hollow rods heads of different designs during their coupling were determined with the help of mathematical model. It is shown that the maximum stresses in the rods head in the shape of a quadrangle, reach up to 450 MPa, and for the rods head in the shape of a hexagon the value of maximum stress reaches only 307 MPa. The opportunity to optimize the design of the hollow sucker rod head is represented based on the computer model of loading that provides a significant stress reduction during coupling - up to 280 MPa, that is, stress reduction during rods coupling will be 7%. Conversely, if proceed with maximum stress level of 307 MPa, the transition to decagonal head will increase the make-up torque by 60 Nm that will increase the level of connection tightness and create the residual compressive stresses in the connection. The possible negative aspects associated with a decrease in the contact length of special decagonal keys with the head of the hollow sucker rod at the transition to the new "key socket" design in the shape of decagon were analysed. Contact stresses in the point of "key - rod head" contact will remain at the existing stresses level during application of hexagon head even without increasing the width of the key edges.
Key words: hollow sucker rods, rod head, stresses in the rod body, key socket, rod head contact area with the key.
66
№ 3 март 2016 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
OIL AND GAS PRODUCTION
В 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.
Рис. 1. Конструктивная схема полой насосной штанги производства ООО «Пермское конструкторско-технологическое бюро технического проектирования и организации производства» [3, 6] Fig. 1. Structural diagram of the hollow sucker rod manufactured by Perm Design and Technology Bureau for Engineering Design and Industrial Engineering OJSC [3, 6]
В то же время область применения схемы со штанговыми скважинными насосами ограничивается из-за недостаточной надежности ее элементов, в первую очередь - полых насосных штанг. 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). В 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
Рис. 2. Головка полой насосной штанги производства ГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» [4, 5] Fig. 2. Hollow sucker rod head manufactured by STANKIN Moscow State Technological University, State Educational Institution of Higher Professional Education [4, 5]
Рис. 3. Конструктивная схема полуфабриката полой насосной штанги производства ОАО «Мотовилихинские заводы» [7]: 1 - «место под ключ» Fig. 3. Structural diagram of semi-finished hollow sucker rod manufactured by Motovilikhinskie Zavody OJSC [7]: 1 - «key socket»
Рис. 4. Конструкция полой насосной штанги производства ЗАО «Элкам-нефтемаш» [2]: 1 - «место под ключ» Fig. 4. Design of the hollow sucker rod manufactured by Elkam-Neftemash CJSC [2]: 1 - «key socket»
Ссылка для цитирования (for citation):
Дубинов Ю.С., Ивановский В.Н. Оптимизация конструкции головки полой насосной штанги // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2016. № 3. С. 66-69. Dubinov Y.S., Ivanovskiy V.N. Design optimization of the hollow sucker rod head (In Russ.). Territorija «NEFTEGAZ.» = Oil and Gas Territory, 2016, No. 3, pp. 66-69.
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 3 march 2016
67
ДОБЫЧА НЕФТИ И ГАЗА
Рис. 5. Результаты компьютерного моделирования полой насосной штанги с «местом под ключ» в виде шестигранника Fig. 5. Results of the hollow sucker rod computer simulation with a «key socket» for a hexagon
Рис. 6. Результаты компьютерного моделирования полой насосной штанги с «местом под ключ» в виде четырехгранника Fig. 6. Results of the hollow sucker rod computer simulation with a «key socket» for a tetrahedron
стать головка штанги с десятигранной поверхностью (рис. 7). В результате компьютерного моделирования в системе SoL^dWorks 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.
Изменение 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
Рис. 7. Сечение «места под ключ» в виде десятигранника Fig. 7. «Key-socket» section in the shape of decagon
Рис. 8. Результаты компьютерного моделирования полой насосной штанги с «местом под ключ» в виде десятигранника Fig. 8. Results of the hollow sucker rod computer simulation with a «key socket» for a decagon
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.
Рис. 9. Контактные напряжения в зоне контакта «ключ - головка штанги» с щестигранной формой «места под ключ» Fig. 9. Contact stresses in the area of «key - rod head» contact with a hexagonal shape of the «key socket»
Рис. 10. Контактные напряжения в зоне контакта «ключ - головка штанги» с десятигранной формой «места под ключ»
Fig. 10. Contact stresses in the area of «key - rod head» contact with a decagonal shape of the «key socket»
68
№ 3 март 2016 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
OIL AND GAS PRODUCTION
Литература:
1. ГОСТ Р 51161-2002 Штанги насосные, устьевые штоки и муфты к ним.
2. Способ изготовления полой насосной штанги (варианты): пат. 2342217 РФ, МПК В21К21/00В23Р15/00. Заявитель и патентообладатель ЗАО «Элкам-нефтемаш»; № 20081227; заявл. 20.12.2006; опубл. 27.12.2008.
3. Пепеляев В.В., Кривоносов Ю.А. Полая насосная штанга: пат. 2371565 РФ, МПК Е21В17/00, № 20091027. Заявл. 16.11.2007; опубл. 27.10.2009.
4. Способ изготовления полой насосной штанги для газонефтяных скважин: пат. 2384384 РФ, МПК В21К21/12Е21В17/01. Заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН», № 20100320; заявл. 16.12.2008; опубл. 20.03.2010.
5. Головка полой насосной штанги: пат. 2391558 РФ, МПК B21K21/12E21B17/00F04B47/00. Заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН», № 20100610; заявл. 16.12.2008; опубл. 10.06.2010.
6. Полая насосная штанга: пат. 2398091 РФ, МПК Е21В17/00. Заявитель и патентообладатель ООО «Пермское конструкторско-технологическое бюро технического проектирования и организации производства», № 20100827; заявл. 16.11.2007; опубл. 27.08.2010.
7. Способ изготовления полой насосной штанги: пат. 2456114 РФ МПК В21К21/12. Заявитель и патентообладатель ОАО специального машиностроения и металлургии «Мотовилихинские заводы», № 20121125; заявл. 25.11.2010; опубл. 20.07.2012.
References:
1. GOST R 51161-2002 Shtangi nasosnye, ust'evye shtoki i mufty k nim [Pumping rods, wellhead rods and couplings].
2. Sposob izgotovlenija poloj nasosnoj shtangi (varianty) [Manufacturing method of the hollow sucker rod (options)], pat. RF 2342217, International Patent Classification B21K21/00B23P15/00. Applicant and patentee Elkam-Neftemash CJSC; No. 20081227; applied on 20.12.2006; published on 27.12.2008.
3. Pepelyaev V.V., Krivonosov Y.A. Polaja nasosnaja shtanga [Hollow sucker rod], pat. 2371565 RF, International Patent Classification E21B17/00, No. 20091027. Applied on 16.11.2007; published on 27.10.2009.
4. Sposob izgotovlenija poloj nasosnoj shtangi dlja gazoneftjanyh skvazhin [Manufacturing method of the hollow sucker rod for oil and gas wells], pat. 2384384 RF, International Patent Classification B21K21/12E21B17/01. Applicant and patentee STANKIN Moscow State Technological University State Educational Institution of Higher Professional Education, No. 20100320; applied on 16.12.2008; published on 20.03.2010.
5. Golovka poloj nasosnoj shtangi [Head of the hollow sucker rod], pat. 2391558 RF, International Patent Classification B21K21/12E21B17/00F04B47/00. Applicant and patentee: STANKIN Moscow State Technological University State Educational Institution of Higher Professional Education, No. 20100610; applied on 16.12.2008; published on 10.06.2010.
6. Polaja nasosnaja shtanga [Hollow sucker rod], pat. 2398091 RF, International Patent Classification E21B17/00. Applicant and patentee Perm Design and Technology Bureau for Engineering Design and Industrial Engineering JSC, No. 20100827; applied on 16.11.2007; published on 27.08.2010.
7. Sposob izgotovlenija poloj nasosnoj shtangi [Manufacturing method of the hollow sucker rod], pat. 2456114 RF, International Patent Classification B21K21/12. Applicant and patentee Motovilikhinskie Zavody OJSC special mechanical engineering and metallurgy, No. 20121125; applied on 25.11.2010; published on 20.07.2012.
24-27 мая ^S ©
Event
Российский нефтегазохимический форум
Газ. Нефть. Технологии
XXIV международная выставка
Уфа-2016
Место проведений 0©00 ЙЗБВК
БАШКИРСКАЯ ВЫСТАВОЧНАЯ КОМПАНИЯ
ВАН ХШШП
ул. Менделеева, 158 WWW.gntexpO.ru e-mail: gasoil@bvkexpo.ru
ttГАЗнЕФТЬТЕХНОЛОГИИ # БВК (347)246 41 77,246 41 93
на правах рекламы
