Насосные штанги: основа работы нефтяной скважины

Насосные штанги — неотъемлемая часть работы нефтяных скважин и важнейший элемент систем механизированной добычи. По размеру они могут уступать оборудованию на нефтяном месторождении, но их вклад в автоматизацию, производительность и эффективность работы скважины весьма значителен. В этой статье рассматриваются конструкция насосных штанг, состав материалов и их роль в механизме подъёма жидкости на поверхность. Это руководство поможет разобраться в основах работы нефтяных скважин как специалистам, стремящимся усовершенствовать оборудование и рабочие процессы, так и тем, кто просто интересуется технологиями добычи нефти.

Что такое насосная штанга и как она работает?

Насосная штанга — важная часть механической системы добычи жидкости, например нефти и воды, из нефтяной скважины. Она также необходима для возвратно-поступательного движения насоса. Насосная штанга представляет собой длинный тонкий стержень из высокопрочной стали или современных композиционных материалов. Она передаёт усилие от наземной насосной установки к глубинному насосу. Система насосных штанг преобразует вращательное движение станка-качалки в возвратно-поступательное, приводя в движение плунжер насоса и поднимая жидкость на поверхность. От надёжности штанг напрямую зависит работа системы подъёма жидкости, поэтому особенно важны правильная конструкция и выбор материалов.

Основные элементы системы насосных штанг

Система насосных штанг состоит из следующих основных элементов:

• Насосные штанги: стальные или стеклопластиковые элементы, передающие движение от наземной насосной установки к глубинному насосу.
• Муфты насосных штанг: соединяют отдельные штанги, обеспечивая гибкость и прочность всей колонны.
• Полированный шток: верхний элемент колонны штанг, который проходит через сальниковое уплотнение и передаёт нагрузку на насосную установку.
• Сальниковое уплотнение: герметизирует полированный шток и предотвращает утечку жидкости из устья скважины.
• Глубинный насос: расположенный в нижней части скважины насос с возвратно-поступательным приводом от штанг, который поднимает жидкость к устью.

Все элементы должны работать согласованно, чтобы система функционировала эффективно и достигала поставленных эксплуатационных целей.

Роль насосных штанг в нефтяной скважине

В механизированной нефтедобыче штанга передаёт колебательное движение от наземной насосной установки к глубинному насосу. Это движение приводит насос в действие и позволяет поднимать жидкость из глубоких пластов на поверхность. При эксплуатации скважины особенно важны прочность и долговечность штанг: они должны выдерживать нагрузки, возникающие при многократном движении, и воздействие агрессивной среды в скважине. От этих свойств зависит бесперебойная и плавная работа скважины. Чтобы предотвратить износ и отказ, штанги необходимо регулярно обслуживать и контролировать.

Как колонна штанг влияет на эффективность добычи

Колонна штанг передаёт движение и энергию от поверхности к глубинному насосу, управляя его работой на протяжении всей системы. Она напрямую влияет на эффективность подъёма жидкости, особенно при добыче нефти штанговыми насосами. Конструкция, изготовление и техническое обслуживание колонны влияют на потери энергии, чрезмерный износ и плавность работы. Правильный выбор материалов и центровка колонны, а также регулярные проверки продлевают срок её службы и повышают общую эффективность насосной системы.

Как производят высококачественные насосные штанги?

Производство насосных штанг

Для обеспечения высокой долговечности производство насосных штанг включает несколько этапов. Сначала сталь или композиционный материал нагревают и прессуют в формах, придавая заготовкам форму штанг, либо формуют другими способами, например экструзией. Затем заготовки обрабатывают, добиваясь нужной отделки и состояния поверхности. Термическая обработка улучшает механические свойства материала, в том числе предел прочности при растяжении и твёрдость. Чтобы штанги соответствовали установленным требованиям, проводят строгий контроль качества. Все элементы проверяют на соответствие отраслевым критериям по размерам и результатам неразрушающего контроля. Совокупность этих этапов позволяет изготавливать надёжные насосные штанги для сложных условий эксплуатации.

Материалы для изготовления штанг

Насосные штанги обычно изготавливают из высокопрочных легированных сталей, в том числе из углеродистой или легированной стали. Эти материалы выбирают за их долговечность в эксплуатации, коррозионную стойкость и способность выдерживать нагрузки при растяжении в экстремальных погодных условиях.

Контроль качества: стандарты и испытания

Почему для работы стоит выбрать стеклопластиковые штанги?

Преимущества стеклопластика перед традиционными материалами

1. Малый вес: стеклопластиковые штанги снижают нагрузку на оборудование, поскольку они легче стальных. Благодаря небольшому весу их также проще устанавливать и обслуживать.
2. Коррозионная стойкость: стеклопластик, в отличие от стали, не подвержен коррозии. Поэтому он подходит для эксплуатации при высокой влажности или в присутствии агрессивных химических веществ, поскольку способен выдерживать воздействие жёсткой среды.
3. Высокий предел прочности при растяжении: малый вес стеклопластика не снижает его прочности при растяжении. Стеклопластиковые штанги выдерживают сложные условия эксплуатации без разрушения.
4. Повышенная усталостная долговечность: стеклопластиковые штанги устойчивы к усталостным нагрузкам при длительной эксплуатации, что помогает поддерживать стабильную производительность и продлевает срок их службы.
5. Тепло- и электроизоляция: в условиях экстремальных температур и риска воздействия электрического тока стеклопластик обеспечивает изоляцию, поскольку не проводит ни тепло, ни электричество.

Долговечность: коррозионная стойкость и длительный срок службы

Стеклопластиковые штанги отличаются высокой долговечностью благодаря коррозионной стойкости и длительному сроку службы. В отличие от металлов, стеклопластик не ржавеет и не разрушается под воздействием влаги, химических веществ или ультрафиолетового излучения. Такая стойкость снижает потребность в обслуживании и делает стеклопластик подходящим материалом для промышленного, морского и наружного применения. Кроме того, он долго сохраняет структурную целостность даже после продолжительной эксплуатации в сложных условиях.

Насосные штанги и муфты: типы и области применения

Виды насосных штанг

Тип	Основные характеристики	Материал	Область применения	Преимущества
Стандартные штанги	Цельные, высокопрочные, стальные	Углеродистая или легированная сталь	Добыча нефти и газа общего назначения	Надёжность и универсальность
Полые штанги	Полые внутри, лёгкие	Углеродистая или легированная сталь	Большие объёмы и высокая вязкость жидкости	Снижают нагрузку и повышают эффективность
Непрерывные штанги	Гибкие, с меньшим количеством соединений	Сталь	Наклонные или искривлённые скважины	Снижают механическое напряжение и усталость
Штанги с металлизированным покрытием	Коррозионностойкое покрытие	Сталь с металлическим покрытием	Коррозионно-агрессивная среда	Высокая долговечность и коррозионная стойкость
Стеклопластиковые штанги	Лёгкие, из композиционного материала	Стеклопластик	Высокотемпературная и коррозионно-агрессивная среда	Отличная коррозионная стойкость
Полированные штоки	Гладкая поверхность, соединение с насосом	Сталь	Передают движение глубинному насосу	Снижают износ и трение
Высокопрочные штанги	Повышенный предел прочности при растяжении	Легированная сталь	Глубокие скважины и высокие нагрузки	Выдерживают высокие механические напряжения
Гибкие штанги	Углеродное волокно или стальной канат	Композиционные материалы	Для условий, требующих высокой гибкости	Адаптируются к искривлению скважины

Как выбрать подходящие муфты для скважины

От правильного выбора муфты зависят производительность, надёжность и долговечность скважины. При выборе учитывайте следующие факторы:

1. Совместимость материалов: проверьте, подходит ли материал муфты для условий в скважине, включая экстремальные температуры и агрессивные жидкости. Нержавеющая и углеродистая сталь отличаются износостойкостью и долговечностью.
2. Требования к нагрузке: учитывайте несущую способность муфты. Для более глубоких скважин и высоких нагрузок нужны более прочные муфты.
3. Искривление скважины: для скважин со значительным искривлением подходят гибкие муфты, способные изгибаться без снижения эффективности работы.
4. Условия эксплуатации: муфта должна соответствовать требованиям скважины по давлению, температуре и типу жидкости, чтобы свести к минимуму риск преждевременного отказа.

Учёт этих факторов помогает повысить общую эффективность системы, сократить объём технического обслуживания и свести к минимуму простои.

Оптимизация конфигурации колонны штанг

Оптимизация конфигурации колонны штанг включает выбор её расположения, материалов и других элементов системы, а также улучшение дополнительных параметров, например коррозионной стойкости выбранных материалов.

• Выбор материала: используйте прочные, устойчивые к коррозии материалы, способные выдерживать эксплуатационные нагрузки и самые суровые воздействия окружающей среды.
• Диаметр штанги: подберите баланс между несущей способностью и гибкостью штанги, чтобы свести к минимуму износ и энергозатраты.
• Коническая конструкция: используйте штанги с переменным сечением для более равномерного распределения нагрузки и снижения концентрации механических напряжений.
• Динамический анализ: выявляйте и устраняйте потенциальные проблемы, например потерю устойчивости или резонанс, с помощью динамического моделирования.

Эти меры улучшают энергетический баланс скважины, снижают вероятность отказов и повышают добычу на протяжении всего срока её эксплуатации.

Обслуживание высококачественных штанг в коррозионно-агрессивной среде

Регламентное обслуживание насосных штанг

Для поддержания срока службы и работоспособности насосных штанг, особенно в сложных условиях эксплуатации, необходимо проводить техническое обслуживание через установленные интервалы.

1. Регулярный осмотр: выявляйте признаки износа, коррозии и усталости при визуальном осмотре и неразрушающем контроле (NDT). Раннее устранение повреждений помогает избежать дорогостоящих отказов.
2. Очистка: сохраняйте структурную целостность и состояние поверхности штанги, удаляя загрязнения, окалину и коррозионные отложения с помощью одобренных методов.
3. Смазка: наносите подходящие покрытия и смазочные материалы, чтобы уменьшить трение и коррозию и повысить стойкость штанг к этим воздействиям.
4. Замена повреждённых элементов: заменяйте штанги со значительным износом, трещинами и другими критическими дефектами, чтобы обеспечить плавную и эффективную работу.
5. Контроль окружающей среды: регулярно проверяйте скважинную жидкость на наличие коррозионно-активных веществ, таких как H₂S, CO₂ и соединения NH₃, и принимайте необходимые меры для дополнительной защиты.

Соблюдение этих правил обслуживания позволяет поддерживать высокую эффективность работы, сокращать простои и продлевать срок службы штанг.

Борьба с коррозией и другими проблемами

Профилактические и корректирующие меры, в частности применение коррозионностойких материалов, помогают справляться с коррозией и другими проблемами при эксплуатации штанг, предотвращая химическое повреждение. Кроме того, защитные материалы с повышенной коррозионной стойкостью, например отдельные марки нержавеющей стали или штанги с покрытием, менее подвержены воздействию различных коррозионно-активных веществ. Регулярные осмотры необходимы для выявления ранних признаков повреждений, износа и других дефектов и своевременного принятия корректирующих мер. В системах с высокой концентрацией H₂S или CO₂ можно использовать дополнительные современные средства защиты металла или ингибиторы образования отложений. Эти меры повышают надёжность работы и продлевают срок службы оборудования.

Часто задаваемые вопросы

В: Что такое насосные штанги и как их используют при добыче нефти и газа?

О: Насосные штанги — это оборудование для нефтегазовой отрасли, предназначенное для соединения наземной насосной установки с глубинным насосом. В штанговых насосных системах стальные штанги служат механическими звеньями, передающими энергию с поверхности. Они обеспечивают механическую энергию, необходимую для подъёма нефти из скважины на поверхность.

В: Какую функцию выполняет полированный шток в колонне насосных штанг?

О: Полированный шток входит в состав колонны насосных штанг и располагается в её верхней части. Проходя через сальниковое уплотнение, он образует гладкую уплотнительную поверхность. Уплотнение герметизирует насосную систему и сводит к минимуму утечки.

В: Как длина насосных штанг влияет на работу нефтяной скважины?

О: Длина насосных штанг важна, поскольку от неё зависит глубина расположения насоса в скважине. Операторы могут подобрать конфигурацию колонны под свои задачи: штанги выпускаются разной длины, что позволяет оптимизировать работу системы механизированной добычи.

В: Что такое муфты насосных штанг и почему они важны?

О: Муфты используют для соединения отдельных насосных штанг и повышения механической прочности колонны. Они необходимы, чтобы обеспечить требуемый предел прочности при растяжении и выдерживать нагрузки и механические усилия при добыче нефти и газа.

В: Для чего нужны короткие насосные штанги в системах штангового подъёма?

О: Короткие насосные штанги представляют собой разновидность насосных штанг, предназначенную для изменения общей длины колонны. С их помощью операторы могут точнее регулировать длину колонны, улучшая работу насосной системы в скважине.

В: Как API spec 11b относится к насосным штангам?

О: API spec 11b устанавливает принятые в отрасли стандарты и требования к насосным штангам и их муфтам. Соответствие этим требованиям гарантирует, что штанги изготовлены и испытаны для работы при добыче нефти и газа, обеспечивая необходимый уровень эксплуатационной безопасности.

В: Какие материалы обычно используют для изготовления насосных штанг?

О: Чаще всего насосные штанги изготавливают из высоколегированной стали. Этот материал выбирают благодаря его прочности, способности выдерживать высокие нагрузки при растяжении и устойчивости к неблагоприятным погодным условиям в нефтяной скважине.

В: С какими проблемами сталкиваются насосные штанги в установках балансового типа?

О: В установках балансового типа насосные штанги подвергаются износу и усталостным нагрузкам. На их движение также влияет вязкость жидкости. Эти проблемы возникают из-за динамических сил, действующих на штанги, и пограничных процессов при подъёме нефти.

В: Какую роль играет наземная насосная установка в системе насосных штанг?

О: Наземная насосная установка передаёт механическую энергию глубинному штанговому насосу через колонну штанг и тем самым обеспечивает работу системы штангового подъёма. Поэтому она является её незаменимым элементом.

В: Как оборудование mountain country equipment помогает решать задачи подъёма жидкости с помощью насосных штанг?

О: mountain country equipment специализируется на разработке оборудования, повышающего эффективность добычи нефти и газа и обеспечивающего эффективное обслуживание пласта с помощью насосных штанг и других систем механизированной добычи.

Источники

1. Высокопрочные, лёгкие, недорогие и экологичные насосные штанги из термопластичного материала, армированного волокном (FRTP), позволили решить проблемы низкой эффективности механизированной добычи (Saponja et al., 2024)

• Дата публикации: 2024-02-12
• Авторы: J. Saponja et al
• Методология: исследование посвящено применению и оценке насосных штанг из FRTP для глубоких скважин в сравнении со стальными и стеклопластиковыми вариантами. Работа включает выбор материала, проектирование в CAD, создание прототипов методом 3D-печати, испытания конструкции и полевые испытания в действующих скважинах. В лаборатории штанги из FRTP сравнивали с другими технологиями и композитами из FRTP.
• Основные выводы: композитные материалы FRTP обеспечивают непревзойдённую удельную прочность — более 10.3, а также непревзойдённый удельный модуль упругости при растяжении — более 1500, беспрецедентную ударную прочность и усталостную стойкость, непревзойдённую коррозионную стойкость и существенно меньшую стоимость по сравнению со сталью. Исключительная прочность FRTP при сдвиговом разрушении позволяет изготавливать из него всю колонну насосных штанг. Первые полевые испытания показывают, что насосные штанги из FRTP будут успешно работать в глубоких скважинах с высокой интенсивностью добычи и штанговой откачкой.

2. Гибкие и лёгкие насосные штанги: оптимизация механизированной добычи с улучшенными тепловыми свойствами благодаря армированным волокном пластикам (Carpenter 2024)  

• Опубликовано: 1 октября 2024 г.
• Автор: C. Carpenter (обзорная статья, обобщающая выводы Saponja et al. (2024))
• Методология: обзорная статья основана на работе Saponja et al. 2024. В ней рассматриваются значение исследования и его влияние на нефтегазовую отрасль.
• Основные выводы: статья подтверждает преимущества насосных штанг из FRTP перед стальными и стеклопластиковыми штангами на термореактивной основе с точки зрения дополнительных возможностей индивидуальной настройки поверхности. Арпсы и шеды, в которых происходит сдвиговое разрушение, способны выдерживать сжимающие нагрузки при использовании FRTP. Допускаются все варианты конфигурации колонн из FRTP. В статье также рассматриваются экологические преимущества FRTP.

3. Исследование склонности четырёх насосных штанг различной прочности к коррозионному растрескиванию под напряжением в высокоминерализованной скважинной жидкости  (Zhang et al., 2023)

• Опубликовано: 15 сентября 2023 г.
• Авторы: Fenna Zhang и другие
• Методология: авторы провели испытания на коррозию под напряжением при воздействии отдельных факторов, а также испытание SSRT с медленным растяжением четырёх высокопрочных насосных штанг. Испытания охватывали различные концентрации хлоридов и бикарбонатов и разные условия эксплуатации. Авторы оценили склонность всех штанг к коррозионному растрескиванию под напряжением.
• Основные выводы: в коррозионной среде штанги 4330 показали более высокие потери поглощённой работы и большее удлинение, чем другие штанги. Штанга 30CrMoA подверглась наименьшей коррозии под напряжением в условиях интенсивной коррозии. Авторы отмечают, что склонность к коррозионному растрескиванию под напряжением нельзя объяснить только высоким пределом прочности при растяжении.

4. Как работает штанговый насос — MIT — подробное описание штанговых насосов и принципа их работы.