CC BY
66УДК 679.73: [621.65+622.276.53]
В.Н. Ивановский1, e-mail: ivanovskivn@rambler.ru; А.А. Сабиров1, e-mail: sabirov@gubkin.ru;
А.В. Деговцов1, e-mail: degovtsov.aleksey@yandex.ru; Е.Ю. Кушкина2, e-mail: eukushkina@severstalmetiz.com;
М.К. Лукин2, e-mail: mk.lukin@severstal.com; Д.А. Ельшин2, e-mail: da.elshin@severstalmetiz.com
1 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Российский государственный университет нефти и газа (Национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина» (Москва, Россия).
2 АО «Северсталь канаты» (Череповец, Россия).
Создание заделок канатной штанги, выполненных в виде вантового соединения
К числу перспективных видов оборудования для эксплуатации скважин с боковыми стволами малого диаметра относятся скважинные насосные установки с канатной штангой, одним из элементов которой являются заделки, предназначенные для соединения с обычной колонной штанг.
В статье представлены результаты испытаний новых заделок канатной штанги, разработанных специалистами АО «Северсталь канаты» совместно с сотрудниками кафедры машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина. Вместо сложных и дорогих канатных заделок, которые монтировались на канатную штангу в полевых условиях, предложено применить вантовое крепление. Такое крепление можно изготавливать на канатном заводе, что повышает качество канатной штанги и снижает издержки на ее изготовление.
Разработанные заделки канатной штанги, выполненные в виде вантового соединения диаметром 42 и 52 мм, успешно прошли испытания на горизонтальной разрывной машине и показали хорошие результаты. Разрушение заделок произошло при нагрузках, в несколько раз превышающих максимально возможные нагрузки при эксплуатации канатных штанг в нефтяных скважинах. Так, разрушение заделки диаметром 42 мм (образец № 1) наступило лишь при нагрузке 284,7 кН. Вантовая заделка образца № 2 диаметром 52 мм выдержала нагрузку 344,6 кН, несмотря на то что в ходе испытания произошло разрушение вспомогательного анкера, соединяющего заделку с подвижной кареткой испытательного стенда.
Ключевые слова: скважинная насосная установка с канатной штангой, канатная заделка, прочностной расчет, программный комплекс SoLidWorks, оптимизация конструкции.
V.N. Ivanovskiy1, e-mail: ivanovskivn@rambler.ru; A.A. Sabirov1, e-mail: sabirov@gubkin.ru;
A.V. Degovtsov1, e-mail: degovtsov.aleksey@yandex.ru; E.Yu. Kushkina2, e-mail: eukushkina@severstalmetiz.com;
M.K. Lukin2, e-mail: mk.lukin@severstal.com; D.A. El'shin2, e-mail: da.elshin@severstalmetiz.com
1 Federal State Autonomous Educational Institution for Higher Education "Gubkin Russian State University of Oil and Gas (National Research University)" (Moscow, Russia).
2 Severstal Ropes JSC (Cherepovets, Russia).
The Creation Of The Rope Rod Clamp Made in the Form of a Cable-Stayed Connection
Among the promising types of equipment for the operation of wells with lateral holes of small diameter are downhole pumping units with a rope rod, one of the elements of which are clamps designed to be connected to a conventional rod string.
The article presents the test results of new ropeway terminations, developed by the specialists of Severstal Ropes JSC together with the employees of the Department of Machinery and Equipment of the Oil and Gas Industry of the Gubkin Russian State University of Oil and Gas (National Research University). Instead of complex and expensive cable terminations that were mounted on a cable rod in the field, it is proposed to use cable-stayed fastening. Such fastening can be made on the rope plant, that improves the quality of the rope rod and reduces the cost of its manufacture. The developed clamps of the rope rod, made in the form of a cable-stayed connection with diameters of 42 and 52 mm, successfully passed tests on a horizontal breaking testing machine and showed good results. The destruction
PUMPS. COMPRESSORS
of the clamps occurred under loads several times higher than the maximum possible loads during operation of rope rods in oil wells. So, the destruction of the clamp with a diameter of 42 mm (sample No. 1) occurred only at a load of 284.7 kN. The clamp of sample No. 2 with a diameter of 52 mm withstood a load of 344.6 kN, however, during the test, the auxiliary anchor connecting the clamp with the movable carriage of the test bench was destroyed.
Keywords: downhole pump unit with the rope rod, rope coupling, strength calculation, software package SolidWorks, design optimization,
Таблица 1. Конструкция канатных штанг различных диаметров Table 1. The design of rope rods of various diameters
Характеристика каната Rope characteristic
Диаметр, мм Количество, шт. Number, units Конструкция Construction
Diameter, mm Слои Layers Проволоки CabLes
16,0 5 78 Z25 + X9/09 + 36(14 + 7/7 + 7 + 1)
20,0 5 78 Z26 + X8/08 + 36(14 + 7/7 + 7 + 1)
22,0 5 83 Z29 + X9/09 + 36(14 + 7/7 + 7 + 1)
25,0 5 84 Z28 + X10/010 + 36(14 + 7/7 + 7 + 1)
28,0 5 91 Z32 + X12/012 + 36(14 + 7/7 + 7 + 1)
30,0 6 110 Z29 + 13/013 + 019 + 36(14 + 7/7 + 7 + 1)
Таблица 2. Технические характеристики канатных штанг Table 2. Technical characteristics of rope rods
Диаметр каната, мм Rope diameter, mm Расчетная масса 1 м смазанного каната, кг Estimated weight of 1 m of the lubricated rope, kg Разрывное усилие каната, кН, не менее Breaking load of rope, kN, not less
16,0 1,45 206
20,0 2,44 330
22,0 2,91 365
25,0 3,59 471
28,0 4,37 627
30,0 5,26 669
Одним из перспективных видов оборудования для эксплуатации скважин с боковыми стволами малого диаметра являются скважинные насосные установки с канатной штангой (СНУ с КШ). СНУ с КШ включает в себя привод в виде станка-качалки (могут использоваться гидравлические, цепные и другие типы приводов), штанговый насос специальной конструкции и колонну канатных штанг, которая устанавливается в месте интенсивного набора кривизны [1, 2]. Канатная штанга представляет собой специальный канат закрытой конструкции, на концах которого установлены заделки для соединения канатных штанг с обычной колонной штанг (рис. 1) [3].
В 2018 г. АО «Северсталь канаты» совместно с сотрудниками кафедры машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина создали стандарт предприятия на изготовление стальных канатов закрытой конструкции для изготовления канатной штанги (СТО 34269720-ТУ 012-2018 «Канаты закрытой конструкции для производства канатной штанги»), используемой в нефтяной промышленности при добыче нефти скважинными штанговыми насосными установками. В зависимости от диаметра канаты имеют конструкцию, представленную
Рис. 1. Канатная штанга с установленными заделками
Fig. 1. Cable rod with installed clamps
в табл. 1. Сечение каната диаметром 20 мм приведено на рис. 2, основные технические характеристики канатов, применяемых для изготовления штанг, -в табл. 2.
Стальная поверхность проволок в канате может быть без защитного покрытия, в этом случае канатная штанга будет соответствовать исполнению К1. Однако канат может быть изготовлен из оцинкованной проволоки, канатная штанга
с цинковым покрытием соответствует техническим требованиям исполнения штанг К2.
Цинковое покрытие производится методом горячего оцинкования, при этом проволока-заготовка проходит через печь-ванну с расплавленным цинком, в результате чего на поверхности стали образуется слой железоцинковых соединений, расположенных непосредственно на стальном основании,
Ссылка для цитирования (for citation):
Ивановский В.Н., Сабиров А.А., Деговцов А.В., Кушкина Е.Ю., Лукин М.К., Ельшин Д.А. Создание заделок канатной штанги, выполненных в виде вантового соединения // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2019. № 7-8. С. 50-55.
Ivanovskiy V.N., Sabirov A.A., Degovtsov A.V., Kushkina E.Yu., Lukin M.K., EL'shin D.A. The Creation Of The Rope Rod Clamp Made in the Form of a Cable-Stayed Connection. Territorija "NEFTEGAS" [OiL and Gas Territory]. 2019;(7-8):50-55. (In Russ.)
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 7-8 August 2019
51
Рис. 2. Сечение каната
Fig. 2. The cross section of the rope
и слой чистого цинка (л-фаза), толщина которого может составлять 40-65 мкм. За счет такого покрытия обеспечивается не только барьерная, но и электрохимическая защита основного металла от коррозии.
Коррозионная стойкость горячего цинкования варьируется в зависимости от среды эксплуатации изделия, но в целом цинковый слой корродирует со скоростью примерно в 30 раз ниже, чем скорость коррозии незащищенной стали в той же среде. Измерения фактического уровня уменьшения толщины покрытия в течение нескольких первых лет работы обеспечивают хорошую базу для прогнозирования оставшегося срока службы, так как цинк образует продукты коррозии на поверхности защищаемой стали, которые в большинстве сред являются нерастворимыми, в связи с чем скорость коррозии часто снижается с течением времени. Таким образом, цинковый слой прекрасно защищает поверхность стали и изолирует ее от контакта с агрессивной средой. Если же в результате эксплуатации канатной штанги цинковое покрытие будет повреждено, начинается электрохимическое взаимодействие, в результате которого коррозии подвергается цинк, а стальная основа остается чистой. Поврежденные в результате механического воздействия участки цинкового покрытия могут самовосстанавливаться, причем происходить это может без постороннего вмешательства. В результате расширяется область применения канатной штанги
Рис. 3. Конструкция заделки канатной штанги:
I - канат; 2 - фиксирующая втулка; 3 - корпус; 4 - первая коническая втулка; 5 - клиновые вкладыши; 6 - вторая коническая втулка; 7 - бандаж каната; 8 - иглы; 9 - стопорная гайка;
II - переводник
Fig. 3. Construction of cable rod clamp:
1 - rope; 2 - fixing sleeve; 3 - body; 4 - the first conical sleeve; 5 - wedge inserts; 6 - the second conical sleeve; 7 - rope bandage; 8 - needles; 9 - lock nut; 10 - translator
в скважинах, осложненных наличием коррозионной среды. Для повышения степени защиты каната от коррозии компания АО «Северсталь канаты» производит канаты из оцинкованной проволоки и с дополнительным полимерным покрытием каната.
НОВАЯ КОНСТРУКЦИЯ ЗАДЕЛКИ КАНАТНОЙ ШТАНГИ
Заделка канатной штанги - один из наиболее ответственных узлов, она должна обеспечивать наиболее равномерное нагружение проволок различных слоев каната и не допускать деформации проволок, приводящей к их разрушению в месте крепления.
В настоящее время в качестве заделок канатной штанги используется конструкция, разработанная в РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина на кафедре машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности. Данная конструкция состоит из большого количества элементов и требует существенных временных затрат для установки на канатных штангах. Такие заделки применяются из-за частой необходимости монтажа заделок в промысловых условиях, в лучшем случае - в условиях ремонтных мастерских. Заделка канатной насосной штанги представлена на рис. 3 и состоит из первой конической втулки 4, клиновых вкладышей 5, предназначенных для удержания конца каната, а также второй конической втулки 6, в которой конец каната 1 закреплен с помощью стальных клиньев 9. Бандаж 7 служит
для предотвращения преждевременного раскручивания и распушения проволок каната 1. В нижней части корпуса установлена втулка 10, предназначенная для резьбового соединения заделки с колонной насосных штанг или плунжером насоса. Во втулку 10 также вкручена стопорная гайка 9. Вся конструкция помещена в корпус 3, в верхней части которого установлена зажимная гайка 2 [4].
Рис. 4. Заливное концевое крепление каната: 1 - канат; 2 - стакан (вант): 3 - бандаж (оплетка из мягкой проволоки);
4 - распушение каната в стакане; 5 - заливка Fig. 4. Casting plug end of the rope:
1 - rope; 2 - steel cup: 3 - bondage (braid of soft wire); 4 - fluff the rope in the glass;
5 - casting
Сегодня канатная штанга изготавливается в несколько этапов на разных предприятиях. Специальные канаты для канатной штанги изготавливаются канатным заводом и поставляются на барабанах в производственный цех другого предприятия, где уже происходит резка каната на отрезки нужной длины и установка изготовленных заранее заделок. В промышленности используют разные способы заделки концов каната. Наиболее надежными способом являются заливные концевые крепления (вантовые соединения). Ос новная деталь вант - стальной стакан, изготавливаемый методом литья или точения из цилиндрических заготовок. Канат для изготовления заливных креплений необходимо подготовить: ниже предполагаемого конца заливного стакана его оплетают мягкой вязальной проволокой диаметром 1,0-1,5 мм, после чего проволоку каната распускают (рис. 4). После первоначальной очистки проволоку травят в растворе соляной кислоты, промывают в кипящей воде с добавлением кальцинированной соды, иногда обезжиривают в других щелочных растворах. Заливной стакан очищают аналогичным образом и перед заливкой вместе с продетым канатом нагревают примерно до 250-300 °С. Для заливки применяют чистый цинк, а также сплавы алюминия, цинка, свинца, олова и сурьмы, композитные материалы [3]. В результате получается монолитное соединение, отличающееся высокой прочностью. Для заливки каната необходимо применение специального технологического оборудования и материалов, такая технология заделки каната наиболее эффективна при массовом производстве.
Рост потребности в СНУ с КШ для эксплуатации скважин с боковыми стволами малого диаметра требует локализации производства канатной штанги в одном месте, что позволит снизить себестоимость продукции. В этих целях авторами статьи был разработан новый способ изготовления канатных заделок для канатной штанги, в котором применено заливное крепление концов каната в стаканах (вантах). Особенность конструкции заключается в том, что заделки ограничены по внешнему габариту внутренним диаметром насосно-компрессорных труб. Поскольку верхняя заделка устанавливается в основном стволе скважины, а нижняя в боковом стволе скважины малого диаметра, диаметр верхней заделки составляет 52 мм, а нижней - 42 мм при диаметре каната 20 мм.
На рис. 5 показана конструкция заделок канатной штанги, выполненных методом заливки.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЯ ЗАДЕЛОК НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ
В целях проверки работоспособности новых заделок были проведены их испытания, которые позволили оценить прочность всех элементов, входящих в заделку, правильность выбранной геометрической конфигурации полостей под заливку, а также технологию и материалы, используемые для заливки.
Для проведения испытаний были изготовлены стальные втулки с конусной полостью под заливку полиэфирной смолой. Для изготовления использовалась марка стали 38Х2Н2МА
INDEX
ИНДУСТРИЯ
Официальный представитель
000 «Гагаринский светотехнический завод»
и 000 Фирма «Индустрия»
«ИНДУСТРИЯ» предлагает широкий ассортимент российского светотехнического оборудования:
«для освещения взрывоопасных зон на предприятиях нефтегазовой и химической промышленности;
«для освещения объектов общепромышленного назначения;
транспортного освещения для нужд Ж/Д
освещения объектов промышленного комплекса
В 8 (800) 350-75-20 S project@industriya-Q www.industriya-m.ru
000 «Гагаринский светотехнический завод»
НАСОСЫ. КОМПРЕССОРЫ
Канат
1 2 Rope 3
Рис. 5. Заделки канатной штанги, выполненные методом заливки:
1 - переводник для соединения с колонной обычных штанг; 2 - конусные втулки; 3 - заливка
композитным материалом
Fig. 5. Clamp the cable rods are made by casting:
1 - translator for connection with the column of conventional rods; 2 - cone bushings; 3 - filling with composite material
Рис. 6. Образец канатной штанги
с установленной заделкой
Fig. 6. Sample rope rod with installed clamp
Рис. 7. Образец канатной штанги с заделкой, установленный в разрывной машине Fig. 7. Sample of the cable rod with clamp installed in a tensile testing machine
по [5] со следующими минимальными физико-механическими характеристиками:
• временное сопротивление -1080 МПа;
• предел текучести - 930 МПа;
• относительное удлинение - 12 %;
• относительное сужение - 50 %;
• ударная вязкость KCU - 78 Дж/см2. Было изготовлено два типа муфт разного диаметра по 1 шт. с переходниками и коннекторами (анкерами) для их установки в разрывной машине. Длина образцов канатной штанги составила 5000 мм, диаметр каната - 20 мм.
Для испытаний использовались образцы каната со следующими параметрами:
• минимальное разрывное усилие -330 кН;
• суммарная площадь сечения всех проволок - 268,9 мм2;
• масса 1 м каната - 2,44 кг.
Перед установкой образцов в разрывную машину был проведен контроль всех размеров заделок, а в местах выхода канатов из заделки делалась метка краской. Испытания образцов проводились в два этапа. На первом этапе образец нагружался осевой растягивающей нагрузкой в течение 10 мин: для образца № 1 с заделкой диаметром 42 мм нагрузка составляла 78,4 кН, для образца № 2 с заделкой диаметром 52 мм - 156,8 кН. После снятия нагрузки замерялись геометрические размеры заделок и определялась
величина выхода каната из заделки. На втором этапе на образец оказывалась возрастающая осевая растягивающая нагрузка, при этом фиксировалась величина выхода каната из заделки. Предельной нагрузкой второго этапа испытаний должны были стать нагрузка разрушения каната или заделки или же полный выход канта из заделки. На рис. 6 представлен образец канатной штанги с установленной вантовой заделкой, на рис. 7 - образец канатной штанги с вантовой заделкой, установленный в разрывной машине. Результаты испытаний показали, что на первом этапе при нагружении образцов в течение 10 мин нагрузкой 78,4 кН для образца № 1 с заделкой диаметром 42 мм и 156,8 кН - для образца № 2 с заделкой диаметром 52 мм геометрические размеры заделок не изменились, выход каната из заделки не наблюдался.
Во время второго этапа испытаний разрушение заделки диаметром 42 мм (образец № 1) наступило при нагрузке 284,7 кН (рис. 8).
При проведении второго этапа испытаний образца № 2 с заделкой диаметром 52 мм при нагрузке 344,6 кН произошло разрушение вспомогательного анкера, соединяющего заделку с подвижной кареткой испытательного стенда (рис. 9). Вантовая заделка при этом осталась целой, выход каната из корпуса задел-
поп
Усилие, кН Force, kN Г0-Рч01000г0-Рча*000г0-Рч0*с эооооооооооооос
V
-20 -40 -60
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Ход, ММ Stroke, mm
Рис. 8. Диаграмма испытаний образца канатных штанг с заделкой диаметром 42 мм Fig. 8. Test diagram of a sample of rope rods with 42 mm diameter clamp
54
№ 7-8 август 2019 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
PUMPS. COMPRESSORS
Рис. 9. Разрушение вспомогательного анкера при испытании заделки диаметром 52 мм Fig. 9. The destruction of the auxiliary anchor when tested clamp diameter of 52 mm
Рис. 10. Вид образца с заделкой диаметром 52 мм до (внизу) и после испытаний (вверху) Fig. 10. View of the sample with a clamp diameter of 52 mm before (bottom) and after the test (top)
Усилие, кН Force, kN PPPPPrONMPOPJWWW ЭООООООООООООО
^—"
60 40 20 0 20
-40
-80 10 15 20 25 30 35 40 Ход, MM Stroke, mm
Рис. 11. Диаграмма испытаний образца канатных штанг с заделкой диаметром 52 мм Fig. 11. Test diagram of a sample of rope rods with 52 mm diameter clamp
ки составил 17 мм (рис. 10) при общей длине конусной части заделки около 100 мм.
Диаграмма нагружения образца канатной штанги с вантовой заделкой диаметром 52 мм представлена на рис. 11.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Результаты прочностных испытаний показали, что разработанные заделки
канатной штанги обеспечат их работоспособность при эксплуатации скважин с боковыми стволами малого диаметра. Локализация производства канатных штанг необходимой длины с установленными заделками вантового типа на одном предприятии позволит снизить себестоимость их изготовления и повысить качество этого вида инновационного оборудования.
Литература:
1. Ивановский В.Н., Сабиров А.А., Деговцов А.В. и др. О возможности штанговой эксплуатации скважин с боковыми стволами малого диаметра // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2013. № 12. С. 82-87.
2. Ивановский В.Н., Сабиров А.А., Деговцов А.В. и др. Опыт эксплуатации скважин с боковыми стволами малого диаметра насосными установками с канатной штангой в ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ» // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2015. № 3. С. 78-87.
3. ГОСТ EN13411-4-2015. Концевая заделка стальных канатов. Безопасность. Ч. 4. Заливка металлом или пластмассами [Электронный источник]. Режим доступа: https://meganorm.ru/Data/701/70185.pdf (дата обращения: 28.08.2019).
4. Канатная насосная штанга: патент 2527275 РФ; МПК F04B 47/02, E21B17/00 / В.Н. Ивановский, А.А. Сабиров, А.В. Деговцов, С.С. Пекин; патентообладатель ООО «Центр образования, науки и культуры имени И.М. Губкина»; № 2013128630/06; заявл. 24.06.2013; опубл. 27.08.2014, Бюл. № 24. 10 с.
5. ГОСТ 4543-2016. Металлопродукция из конструкционной легированной стали. Технические условия [Электронный источник]. Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/1200143499 (дата обращения: 28.08.2019).
References:
1. Ivanovskiy V.N., Sabirov A.A., Degovtsov A.V., et al. About the Possibility of a Sucker-Rod Operation of Wells with Lateral Trunks of Small Diameter. Territorija "NEFTEGAS" [Oil and Gas Territory]. 2013;(12):82-87. (In Russ.)
2. Ivanovskiy V.N., Sabirov A.A., Degovtsov A.V., et al. Experience in the Operation of Wells with Lateral Trunks of Small Diameter Pumping Units with the Cable Rod in LLC "LUKOIL-PERM". Territorija "NEFTEGAS" [Oil and Gas Territory]. 2015;(3):78-87. (In Russ.)
3. Interstate Standard (GOST) EN13411-4-2015. End Sealing of Steel Ropes. Safety. Part 4. The Casting of Metal or Plastics. Weblog. Available from: https://meganorm.ru/Data/701/70185.pdf [Accessed 28th August 2019]. (In Russ.)
4. Cable Pumping Rod: patent 2527275 Russian Federation; IPC F04B 47/02, E21B17/00. Authors: V.N. Ivanovskiy, A.A. Sabirov, A.V. Degovtsov, S.S. Pekin. Patent holder - Gubkin Center of Training, Research and Culture LLC; No. 2013128630/06; appl. 24.06.2013; publ. 27.08.2014; Bull. No. 24, 10 p. (In Russ.)
5. Interstate Standard (GOST) 4543-2016. Structural Alloy Steel Products. Specifications. Weblog. Available from: http://docs.cntd.ru/ document/1200143499 [Accesses 28th August 2019]. (In Russ.)
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 7-8 August 2019
55
