Конструирование и расчет штанговых скважинных насосов

Штанговые скважинные насосы бывают двух видов — вставные и невставные. Каждый из этих видов насосов имеет несколько конструктивно отличающихся друг от друга типов (рис. 10.14).

Назначение насосов следующее:

НСВ1—вставной насос, одноступенчатый, одноплунжерный сзамком наверху, для скважин средней глубины;

НСВ2 —то же, с замком внизу, для скважин большей глубины;

НСВГ — вставной, одноступенчатый, двухплунжерный с замком наверху, для скважин с большой вязкостью продукции;

НСВД — вставной, двухступенчатый, двухплунжерный с замком наверху, для скважин с большим содержанием газа;

НСН1 — невставной, одноступенчатый, одноплунжерный с захватным штоком приемного клапана, для скважин средней глубины;

НСН2 — то же с ловителем приемного клапана, для неглубоких скважин;

НСНА — то же с автоцепом плунжера;

(НСНА) для применения с трубами уменьшенного диаметра.

При спуске вставного насоса в скважину его цилиндр (рис. 10.15), проходя замковую опору (рис. 10.16), раздвигает перья пружинного якоря, которые после посадки конуса на опорное кольцо сдвигаются, охватывая проточку упорного ниппеля замка вставного насоса (рис. 10.17) и упираясь своими скошенными конусами в его нижнюю фаску. При этом цилиндр насоса надежно закрепляется в колонне насосных труб с обеспечением герметичности посадочного места, что достигается подбором материалов и точностью выполнения сопряженных конусных поверхностей конуса насоса и опорного кольца замковой опоры.

В процессе работы на шток 1 (см. рис. 10.14) насосов НСВ1 и НСВ2 при ходе вниз действует сжимающее усилие (см. § 5), а при ходе вверх — растягивающее усилие (см. § 3)

Отличительной особенностью насоса НСВГ (см. рис. 10.14) является то, что на его шток при ходе вниз действует растягивающее усилие

а при ходе вверх — растягивающее усилие, определяемое по (10.209), где f_н = πd_н²/4, т. е. насосные штанги в течение всего цикла находятся под натяжением, что необходимо при откачке высоковязких нефтей, при которых ход вниз штанг затруднен.

Эффективный диаметр плунжера насоса НСВГ, по которому следует рассчитывать подачу насосной установки,

Насосы НСНА спускают в скважину на НКТ, имеющих меньший внутренний диаметр, чем диаметр плунжера. Это позволяет эксплуатировать скважины с уменьшенным диаметром эксплуатационной (обсадной) колонны высокопроизводительными штанговыми насосами с небольшим диаметром плунжера. Так, в скважинах с 146-мм эксплуатационной колонной можно применить насос НСНА-93, спускаемый на НКТ диаметром 89 мм с внутренним диаметром 75 мм, а в скважинах с 114-мм эксплуатационной колонной — насос НСНА-68, спускаемый на НКТ диаметром 73 мм с внутренним диаметром 62,5 мм. В, скважинах с большим диаметром эксплуатационной колонны при откачке маловязкой продукции применение насосов типа НСНА позволяет уменьшить металлоемкость НКТ, а значит, и их стоимость.

Особенность конструкции клапанных узлов (рис. 10.18, б) Костыченко с двумя шариками заключается в обеспечении эффективной самоприработки гнезд конусных седел клапанов этого типа в процессе их работы. Действительно, герметичность клапанов этого типа сохраняется и при значительном износе (углублении) седел. Они себя хорошо зарекомендовали при эксплуатации малодебитных песочных скважин небольшой и средней глубины. Однако при эксплуатации скважин глубиной более 1000 м иногда происходит заклинивание клапанов такой конструкции. Кроме того, клапан с двумя шариками имеет уменьшенный диаметр проходного отверстия седла и увеличенную длину канала этого отверстия, из-за чего общее гидравлическое сопротивление клапанных узлов этого типа в два — четыре раза больше, чем клапанных узлов с одним шариком.

Следует отметить, что конфигурация проточных частей насосов корпуса клапанов, седла, упоры, клетки и др. отрабатывается экспериментально путем проверки гидравлических сопротивлений проточных частей.

Особенностью конструирования штанговых скважинных насосов является необходимость обеспечения прочности и герметичности их деталей и узлов в условиях ограниченного диаметрального габарита. Из-за этого в насосах применяют детали с малой толщиной стенки, мелкие резьбы, строго регламентируют крутящий момент затяжки резьбовых соединений.

Втулочный цилиндр насоса (см. рис. 10.15) собирают на сборочных скалках, обеспечивающих соосное расположение втулок. Втулки изготавливают из сталей марок 38Х2МЮА с азотацией внутренней поверхности, из сталей марок: сталь 45, 40, 50Г с закалкой внутренней поверхности нагревом ТВЧ и из чугуна СЧ 28-48 с объемной закалкой. Втулки имеют ряд подразмеров, но у каждой из них внутренний диаметр должен выдерживаться с точностью +0,03 мм. Цилиндр собирают из втулок одного подразмера.

Плунжеры насосов изготавливают из стали 45 с хромированием при заданной толщине слоя хрома или с наплавкой твердым сплавом. Плунжеры, как и втулки, имеют ряд подразмеров, но у каждого экземпляра плунжера отклонение его диаметра по всей длине не должно превышать 0,02 мм.

При сборке втулочного цилиндра переводниками затягивают набор втулок в кожухе. Усилие затяжки не должно быть повреждающим резьбу кожуха, но должно обеспечивать герметичность набора втулок, уплотненных по торцам, в процессе работы насоса.

Поскольку диаметральные размеры кожуха и втулок, особенно вставных насосов, определяются габаритами НКТ и принятым рядом номинальных диаметров плунжерной пары, при расчете параметров штангового насоса обычно определяют предельную глубину его спуска при известной конфигурации, размерах и материале кожуха и втулок насоса.

Суть этой задачи заключается в том, что требуется рассчитать усилие затяжки набора втулок и предельную допустимую осевую нагрузку, которой циклически нагружается цилиндр насоса, исходя из условий обеспечения усталостной прочности кожуха и нераскрытия стыков между втулками.

При отсутствии хвостовика под насосом максимальное и минимальное за цикл напряжения, действующие в опасном сечении по впадинам резьбы кожуха (по диаметру D, см. рис. 10.15),

Здесь Е_в, Е_к — модули упругости металла втулок и кожуха; F_B — площадь поперечного сечения тела втулки; F_K1, F_K2, F_K3 — площади поперечного сечения тела соответственно части кожуха между выточками у резьб, расточки кожуха за резьбой, по наружному диаметру резьбы кожуха; β = 3 — коэффициент запаса по нераскрытию стыков; l_в — длина набора втулок (см. рис. 10.15); l_k1 — длина необработанной части кожуха, l_k1= l_k—2l; a, b, l — длина резьбы, расточки за резьбой кожуха, отработанной части кожуха.

При наличии хвостовика под цилиндром насоса в (10.212) и (10.213) нужно вместе Р_жподставить Р_ж +gG_XB, где G_XB — масса хвостовика.

Используя известные зависимости

и учитывая, что из условия прочности [σ] ≥ σ_max, в результате выкладок получают формулу для определения предельной глубины спуска насоса L (м) из условия отсутствия усталостного разрушения (при отсутствии хвостовика)

Здесь о_-1 — предел выносливости материала кожуха для симметричного цикла; п_в— коэффициент запаса прочности по усталостному разрушению; k_K — коэффициент концентрации напряжений; ε_п, ε_м —факторы поверхности и масштабный; σ_в — предел прочности при растяжении; f_п — площадь сечения плунжера по его наружному диаметру.

Основные параметры штанговых скважинных насосов приведены в табл. 10.4, где указаны предельные глубины спуска вставных насосов, определенные с учетом усталостной прочности их кожухов. Кожух вставных насосов НГВ1-38, рассчитанных на глубину спуска до 3500 мм, предусмотрено изготовлять из легированной стали. Кожухи невставных насосов имеют большую толщину стенки и допускают, даже при спуске насоса на предельную глубину, подсоединение к ним «хвостовиков» значительной длины.

В последние годы преимущественное распространение получили штанговые насосы с безвтулочным цилиндром. Их преимуществом является упрощение конструкции и сборки насоса, хотя технология изготовления длинных цилиндров с большой точностью выполнения отверстия и с износостойкой внутренней поверхностью имеет свои сложности. У таких цилиндров предусматривается большая толщина стенки, чем у кожуха насосов с втулочным цилиндром, что обеспечивает повышенную прочность их резьбы по сравнению с резьбой кожухов. Как и в насосах с втулочным цилиндром, опасным сечением цилиндра при расчете на прочность является участок резьбы, однако поскольку набор втулок отсутствует, эту резьбу следует рассчитывать по аналогии с резьбой болтов без предварительной затяжки.

Конструкция насосов с безвтулочным цилиндром аналогична описанным выше конструкциям насосов с втулочным цилиндром.