сборка колонны для передачи движения, полая насосная штанга и соединительный элемент

Формула изобретения

1. Удлиненная сборка колонны для передачи движения, содержащая полые насосные штанги и соединительные элементы, соединенные друг с другом по оси между приводной головкой, расположенной на поверхности нефтяной скважины, и ротационным насосом, расположенным в забое нефтяной скважины, отличающаяся тем, что каждая полая насосная штанга имеет, по меньшей мере, первый конец с внутренней резьбой, выполненной с возможностью сцепления с наружной резьбой соединительного элемента, а указанные резьбы имеют асимметричный профиль в виде усеченного конуса и различную конусность, при этом свободный первый конец каждой полой насосной штанги содержит кольцевой заплечик для передачи крутящего момента, находящийся в контакте с кольцевым заплечиком для передачи крутящего момента, выполненным на соединительном элементе, при этом отношение начального диаметра заплечика для передачи крутящего момента к внешнему диаметру соединительного элемента находится в диапазоне от 0,6 до 0,98, отношение внутреннего диаметра соединительного элемента к внешнему диаметру соединительного элемента находится в диапазоне от 0,15 до 0,9, а отношение внутреннего диаметра соединительного элемента к начальному диаметру заплечика для передачи крутящего момента находится в диапазоне от 0,25 до 0,92.

2. Удлиненная сборка по п.1, отличающаяся тем, что каждая дифференциальная резьба имеет профиль в виде асимметричной усеченной трапеции, причем резьба на соединительном элементе выполнена полной, а резьба на первом конце полой штанги выполнена неполной, заплечик для передачи крутящего момента образует с осью штанги угол, находящийся в диапазоне от 75 до 90°, при этом отношение внешнего диаметра соединительного элемента к внешнему диаметру полой штанги находится в диапазоне от 1 до 1,5.

3. Удлиненная сборка по п.2, отличающаяся тем, что отношение начального диаметра заплечика для передачи крутящего момента, выполненного на соединительном элементе, к внутреннему диаметру полой штанги на резьбовом свободном конце находится в диапазоне от 1 до 1,1.

4. Удлиненная сборка по п.1, отличающаяся тем, что каждый соединительный элемент выполнен в виде отдельного ниппельного соединительного элемента, концы которого имеют наружную резьбу и разделены центральной секцией, образующей пару заплечиков для передачи крутящего момента, причем каждая дифференциальная резьба имеет профиль в виде асимметричной усеченной трапеции, резьба на ниппельном соединительном элементе выполнена полной, а резьба на первом конце каждой полой штанги выполнена неполной, каждый заплечик для передачи крутящего момента образует с осью штанги угол, находящийся в диапазоне от 75 до 90°, при этом отношение внешнего диаметра соединительного элемента к внешнему диаметру полой штанги находится в диапазоне от 1 до 1,5.

5. Удлиненная сборка по п.4, отличающаяся тем, что отношение начального диаметра заплечика для передачи крутящего момента, выполненного на ниппельном соединительном элементе, к внутреннему диаметру полой штанги на резьбовом свободном конце находится в диапазоне от 1 до 1,1.

6. Удлиненная сборка по п.1, отличающаяся тем, что каждый соединительный элемент выполнен как интегральное соединение в виде наружной резьбы на втором конце каждой полой штанги, причем каждая дифференциальная резьба имеет профиль в виде асимметричной усеченной трапеции, резьба на втором конце каждой полой штанги выполнена полной, а резьба на первом конце каждой полой штанги выполнена неполной, каждый заплечик для передачи крутящего момента образует с осью штанги угол, находящийся в диапазоне от 75 до 90°, при этом отношение внешнего диаметра соединительного элемента к внешнему диаметру полой штанги находится в диапазоне от 1 до 1,5.

7. Удлиненная сборка по п.6, отличающаяся тем, что отношение начального диаметра заплечика для передачи крутящего момента, выполненного на втором конце полой штанги, к внутреннему диаметру полой штанги на резьбовом свободном первом конце находится в диапазоне от 1 до 1,1.

8. Удлиненная сборка по п.1, отличающаяся тем, что каждая дифференциальная резьба имеет профиль в виде асимметричной усеченной трапеции, каждый заплечик для передачи крутящего момента образует с осью штанги угол, по существу, равный 83°, соединительный элемент выполнен в виде отдельного ниппельного соединительного элемента, имеющего наружную, по существу, коническую резьбу на каждом из концов, разделенных центральной секцией, образующей пару заплечиков для передачи крутящего момента, причем в центральной секции выполнена цилиндрическая расточка, сообщающаяся с конической внутренней расточкой, проходящей, по существу, по длине каждого из резьбовых концов элемента, выполненных таким образом, что поперечное сечение ниппельного соединительного элемента увеличивается в направлении от каждого свободного конца элемента к центральной секции и местам расположения заплечиков для передачи крутящего момента.

9. Удлиненная сборка по п.8, отличающаяся тем, что каждая дифференциальная резьба выполнена в виде модифицированной трапецеидальной резьбы с шагом, по существу, равным восьми виткам на дюйм, причем конусность наружной резьбы ниппельного соединительного элемента по существу равна 0,0976 дюйма на дюйм диаметра, а конусность внутренней резьбы полой штанги, по существу, равна 0,1 дюйма на дюйм диаметра.

10. Удлиненная сборка по п.1, отличающаяся тем, что соединительный элемент выполнен в виде отдельного ниппельного соединительного элемента, имеющего, по существу, коническую наружную резьбу на каждом из концов, разделенных центральной секцией, образующей пару заплечиков для передачи крутящего момента, причем ниппельный соединительный элемент также содержит полную резьбу, а свободные концы ниппельного соединительного элемента выполнены с возможностью вхождения в контакт с заплечиком штанги с образованием уплотнения между внутренней расточкой и резьбой.

11. Удлиненная сборка по п.10, отличающаяся тем, что расточка в ниппельном соединительном элементе выполнена конической с расширением в сторону каждого из концов элемента, причем между каждым свободным концом элемента и началом резьбы имеется наружный цилиндрический участок, а каждый свободный конец элемента находится в контакте с заплечиком штанги для обеспечения уплотнения между внутренней расточкой и резьбой.

12. Удлиненная сборка по п.1, отличающаяся тем, что на участках штанги, расположенных вблизи каждого крайнего конца колонны, выполнены отверстия, проходящие через стенку штанги, для обеспечения прохождения текучей среды, протекающей за пределами штанги, через указанную расточку между крайними концами колонны.

13. Удлиненная сборка по п.12, отличающаяся тем, что отверстия в стенке штанги просверлены в радиальном направлении вблизи каждого крайнего конца колонны.

14. Удлиненная сборка по п.12, отличающаяся тем, что отверстия, проходящие через стенку штанги, расположены симметрично относительно осевой линии штанги вблизи каждого крайнего конца колонны.

15. Удлиненная сборка по п.12, отличающаяся тем, что количество отверстий находится в диапазоне от 62 до 243, причем отверстия расположены группами от одного до трех отверстий на поперечных сечениях штанги, отстоящих друг от друга вдоль осевой линии штанги, вблизи каждого крайнего конца колонны.

16. Удлиненная сборка по п.12, отличающаяся тем, что количество отверстий находится в диапазоне от 61 до 161, причем отверстия расположены по спирали вокруг осевой линии штанги вблизи каждого крайнего конца колонны.

17. Полая насосная штанга, выполненная с возможностью соединения по оси с соединительным элементом, имеющая, по меньшей мере, первый конец с внутренней резьбой, выполненной с возможностью сцепления с наружной резьбой соединительного элемента, которая комплиментарна внутренней резьбе, но имеет отличную конусность, причем свободный первый конец полой насосной штанги содержит кольцевой заплечик для передачи крутящего момента, выполненный с возможностью вхождения в контакт с кольцевым заплечиком для передачи крутящего момента, выполненным на указанном соединительном элементе, отличающаяся тем, что отношение начального диаметра заплечика для передачи крутящего момента к внешнему диаметру соединительного элемента находится в диапазоне от 0,6 до 0,98, отношение внутреннего диаметра соединительного элемента к внешнему диаметру соединительного элемента находится в диапазоне от 0,15 до 0,9, а отношение внутреннего диаметра соединительного элемента к начальному диаметру заплечика для передачи крутящего момента находится в диапазоне от 0,25 до 0,92.

18. Штанга по п.17, отличающаяся тем, что дифференциальная резьба имеет профиль в виде асимметричной усеченной трапеции, резьба на первом конце полой штанги выполнена неполной, а заплечик для передачи крутящего момента образует с осью угол, находящийся в диапазоне от 75 до 90°, при этом отношение внешнего диаметра соединительного элемента к внешнему диаметру полой штанги находится в диапазоне от 1 до 1,5

19. Штанга по п.18, отличающаяся тем, что отношение начального диаметра заплечика для передачи крутящего момента, выполненного на соединительном элементе, к внутреннему диаметру полой штанги на резьбовом свободном конце находится в диапазоне от 1 до 1,1.

20. Штанга по п.19, отличающаяся тем, что дифференциальная резьба выполнена в виде модифицированной трапецеидальной резьбы с шагом, по существу, равным восьми виткам на дюйм, причем конусность внутренней резьбы полой штанги по существу равна 0,1 дюйма на дюйм диаметра и выбрана из условия возможности сцепления с соединительным элементом, конусность которого по существу равна 0,0976 дюйма на дюйм диаметра.

21. Штанга по п.17, отличающаяся тем, что на участке штанги, расположенном вблизи каждого крайнего конца колонны, выполнены отверстия, проходящие через стенку штанги, для обеспечения прохождения текучей среды, протекающей за пределами штанги, через указанную расточку.

22. Штанга по п.21, отличающаяся тем, что отверстия в стенке штанги просверлены в радиальном направлении.

23. Штанга по п.21, отличающаяся тем, что отверстия, проходящие через стенку штанги, расположены симметрично относительно осевой линии штанги.

24. Штанга по п.21, отличающаяся тем, что количество отверстий находится в диапазоне от 62 до 243, причем отверстия расположены группами от одного до трех отверстий на поперечных сечениях штанги, отстоящих друг от друга вдоль осевой линии штанги.

25. Штанга по п.21, отличающаяся тем, что количество отверстий находится в диапазоне от 61 до 161, причем отверстия расположены по спирали вокруг осевой линии штанги.

26. Соединительный элемент, выполненный с возможностью соединения по оси с полой насосной штангой, имеющий наружную резьбу для сцепления с первым концом полой насосной штанги, имеющим внутреннюю резьбу, которая комплиментарна наружной резьбе, но имеет отличную конусность, причем соединительный элемент также содержит кольцевой заплечик для передачи крутящего момента, выполненный с возможностью вхождения в контакт с кольцевым заплечиком для передачи крутящего момента, выполненным на свободном первом конце полой насосной штанги, отличающийся тем, что отношение начального диаметра заплечика для передачи крутящего момента к внешнему диаметру соединительного элемента находится в диапазоне от 0,6 до 0,98, отношение внутреннего диаметра соединительного элемента к внешнему диаметру соединительного элемента находится в диапазоне от 0,15 до 0,9, а отношение внутреннего диаметра соединительного элемента к начальному диаметру заплечика для передачи крутящего момента находится в диапазоне от 0,25 до 0,92.

27. Соединительный элемент по п.26, отличающийся тем, что он выполнен в виде отдельного ниппельного соединительного элемента с наружной резьбой на каждом из концов, которые разделены центральной секцией, образующей пару заплечиков для передачи крутящего момента, причем каждая дифференциальная резьба имеет профиль в виде асимметричной усеченной трапеции, а резьба на ниппельном соединительном элементе выполнена полной, каждый заплечик для передачи крутящего момента образует с осью угол, находящийся в диапазоне от 75 до 90°, при этом отношение внешнего диаметра соединительного элемента к внешнему диаметру полой штанги находится в диапазоне от 1 до 1,5.

28. Соединительный элемент по п.27, отличающийся тем, что отношение начального диаметра заплечика для передачи крутящего момента, выполненного на соединительном элементе, к внутреннему диаметру полой штанги на резьбовом свободном конце находится в диапазоне от 1 до 1,1.

29. Соединительный элемент по п.26, отличающийся тем, что он выполнен как интегральное соединение в виде наружной резьбы на втором конце полой штанги, причем каждая дифференциальная резьба имеет профиль в виде асимметричной усеченной трапеции, резьба на втором конце полой штанги выполнена полной, а резьба на первом конце полой штанги выполнена неполной, каждый заплечик для передачи крутящего момента образует с осью штанги угол, находящийся в диапазоне от 75 до 90°, при этом отношение внешнего диаметра соединительного элемента к внешнему диаметру полой штанги находится в диапазоне от 1 до 1,5.

30. Соединительный элемент по п.29, отличающийся тем, что отношение начального диаметра заплечика для передачи крутящего момента, выполненного на соединительном элементе, к внутреннему диаметру полой штанги на резьбовом свободном конце находится в диапазоне от 1 до 1,1.

31. Соединительный элемент по п.26, отличающийся тем, что дифференциальная резьба имеет профиль в виде асимметричной усеченной трапеции, заплечик для передачи крутящего момента образует с осью угол, по существу, равный 83°, соединительный элемент выполнен в виде отдельного ниппельного соединительного элемента, имеющего, по существу, наружную коническую резьбу на каждом из концов, разделенных центральной секцией, образующей пару заплечиков для передачи крутящего момента, причем в центральной секции выполнена цилиндрическая расточка, сообщающаяся с конической внутренней расточкой, проходящей, по существу, по длине каждого из резьбовых концов элемента, выполненных таким образом, что поперечное сечение ниппельного соединительного элемента увеличивается в направлении от каждого свободного конца элемента к центральной секции и местам расположения заплечиков для передачи крутящего момента.

32. Соединительный элемент по п.31, отличающийся тем, что дифференциальная резьба выполнена в виде модифицированной трапецеидальной резьбы с шагом, по существу, равным восьми виткам на дюйм, причем конусность наружной резьбы ниппельного соединительного элемента, по существу, равна 0,0976 дюйма на дюйм диаметра и выбрана из условия возможности сцепления с внутренней резьбой полой штанги, конусность которой по существу равна 0,1 дюйма на дюйм диаметра.

33. Соединительный элемент по п.26, отличающийся тем, что он имеет, по существу, коническую наружную резьбу на каждом из концов, причем концы разделены центральной секцией, образующей пару заплечиков для передачи крутящего момента, при этом ниппельный соединительный элемент также имеет полную резьбу, а свободные концы этого элемента выполнены с возможностью вхождения в контакт с заплечиком штанги для обеспечения уплотнения между внутренней расточкой и резьбой.

34. Соединительный элемент по п.33, отличающийся тем, что расточка в ниппельном соединительном элементе выполнена конической с расширением в сторону каждого из концов элемента, причем между каждым свободным концом элемента и началом резьбы имеется наружный цилиндрический участок, а каждый свободный конец элемента выполнен с возможностью вхождения в контакт с заплечиком штанги для обеспечения уплотнения между внутренней расточкой и резьбой.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к удлиненной сборке полых насосных штанг, предназначенной для передачи крутящего момента и используемой для селективного вращения ротационного насоса, расположенного в забое нефтяной скважины, от приводной головки на поверхности. Сборка насосных штанг, или колонна насосных штанг, существенно отличается в технике тем, что такая колонна обычно не находится по существу в свободном вращении, как колонна бурильных труб, но является скорее приводным валом, который накапливает большой реактивный крутящий момент вследствие своей большой длины, обычно от 1500 до 6000 футов. Настоящее изобретение включает в себя отдельные элементы, здесь и далее называемые "полой насосной штангой", по меньшей мере первый конец которой снабжен внутренней резьбой, и "соединительным элементом", в качестве которого можно использовать отдельный "ниппельный соединительный элемент" с парной наружной резьбой или интегральной наружной резьбой на втором, высаженном конце полой насосной штанги.

Уровень техники

Добыча нефти из скважин с непрерывным режимом обычно обеспечивается посредством насосных систем. В наиболее распространенных системах используется насос-качалка, установленный на дне скважины, с приводом от колонны насосных штанг, которая соединяет дно скважины с поверхностью скважины, где установлен станок-качалка, передвигающий вверх-вниз колонну насосных штанг. По этой причине в более ранних устройствах насосные штанги были предназначены только для поступательного движения вверх-вниз и изготавливались в соответствии с техническими условиями 11 В API с использованием сплошных стальных брусьев с высаженным концом и нарезным концом, причем резьба всегда нарезалась на сплошном цилиндрическом участке. Штанги обычно соединялись друг с другом посредством цилиндрической муфты с наружной резьбой. Откачка нефти более эффективна, если используется винтовой насос (РСР) или подобный ему скважинный насос. Среди прочих преимуществ откачки нефти с помощью винтового насоса можно назвать тот факт, что он обеспечивает более высокую скорость откачки нефти, пониженные нагрузки, приводящие к усталости материала, меньший износ внутренней части эксплуатационной колонны, а также возможность откачивать компоненты нефти с высокой вязкостью и высоким содержанием твердой фазы. Винтовые насосы устанавливают на дне скважины и приводят электрическим двигателем, расположенным на поверхности и подсоединенным к понижающей коробке передач через колонну штанг, передающих крутящий момент.

Традиционно для привода винтовых насосов используют насосные штанги, соответствующие стандарту API, несмотря на то, что эти штанги изначально не были рассчитаны на передачу крутящих нагрузок. Передача крутящего момента посредством насосных штанг имеет следующие недостатки: 1) низкий кпд передачи крутящего момента, 2) высокая вероятность обратного вращения, 3) большой дифференциал жесткости между соединительным элементом и телом штанги. Все эти факторы увеличивают вероятность аварий из-за усталости конструкции. Причиной поломок традиционных штанг такого типа является усталость зоны соединения головки штанги с телом штанги, возникающая из-за разницы в конструктивной жесткости обеих частей, то есть тела и головки штанги.

При заданной площади поперечного сечения передача крутящего момента посредством полой штанги круглого сечения эффективнее, чем передача посредством более узкой сплошной штанги круглого сечения. Принимая во внимание изложенную выше идею, известные решения включают полую насосную штангу, в которой просто используется внешняя цилиндрическая резьба стандарта API на первом конце соединительного элемента и внутренняя резьба стандарта API на втором конце соединительного элемента, причем каждый соединительный элемент приварен встык к телу трубы, благодаря чему создается большое и резкое изменение сечения между телом трубы и каждым элементом. (См. "Полая насосная штанга типа D", брошюра СРМЕС, без даты). Проблема обратного вращения колонны насосных штанг и детальное описание головки привода, установленного на поверхности скважины, и ротационного насоса, устанавливаемого при эксплуатации в забое скважины, которые относятся к области настоящего изобретения, можно найти в патенте США № 5551510, Миллс. Описанное здесь решение является наиболее близким аналогом заявленной удлиненной сборки колонны для передачи движения.

Из уровня техники известны различные виды резьбы и заплечиков, используемых для соединения трубчатых штанг нефтяных скважин, обсадных труб и насосно-компрессорных труб. См., например, Прейффер и др. (патент США № 4955644), Карстенсон (патент США № 5895079), Гэнди (патент США № 5906400), Митофф (патент США № 262086), Блоуз (патент США № 4600225), Уатт (патенты США №№ 5427418, 4813717, 4750761), Шок и др. (патент США № 6030004), и Харди и др. (патент США №3054628). Патент Уатта подразумевает, что согласно стандарту API, существовавшему до 1986 г., для колонн обсадных и насосно-компрессорных труб требуется цилиндрическая резьба с отогнутым вниз кольцевым выступом и предлагает равнопроходное соединение труб с конической резьбой на обоих концах и заплечиком для передачи крутящего момента. Кроме того, Уатт ссылается на стандарты API для обсадных и насосно-компрессорных труб, согласно которым можно использовать треугольную и трапецеидальную резьбу с заплечиком для передачи крутящего момента. Напротив, патент, выданный в 1990 Пфейфферу и др., и патент Карстерсена и др., 1996, ссылаются на более современный стандарт API (резьба с усеченным треугольным профилем, соединение с использованием заплечика для передачи крутящего момента) для колонн обсадных и насосно-компрессорных труб, который предполагает резьбу и заплечики в виде усеченного конуса. В столбце 7, строки 9 и далее, патента Карстерсена и др. описывается, каким образом конусность и длина резьбы определяют распределение напряжений. Также в патенте Пфейффера и др., столбец 2, строки 51 и далее, говорится об использовании конической резьбы. С учетом стандартов API, усовершенствования этого изобретения заключаются в размерах переходных участков. Таким образом, проблема, с которой имел дело Пфейффер, касается сборки секционных трубчатых штанг, где в самом деле очень важно использовать совместимую и стандартную (по API) недифференциальную резьбу. Описания неполной резьбы и заплечиков для передачи крутящего момента в этом патенте не дается. Пфейффер предлагает в основном симметричную резьбу с усеченным треугольным профилем (от 4 до 6 витков на дюйм, угол резьбы 60°), причем высота витков одинакова и у внутренней, и у наружной резьбы (от 1,42 до 3,75 мм). Кроме того, номинальное сужение на концах с внутренней и наружной резьбой одинаково (от 0,125 до 0,25). Полая насосная штанга и соединительный элемент, описанные в данном патенте Пфейффера и др., взяты за прототип соответствующих решений, предлагаемых в настоящем изобретении. Шок и др. приводит в качестве иллюстрации один соединительный элемент для трубчатых штанг, который неожиданно обеспечил значительное преимущество при использовании таких штанг за счет конической, очень грубой резьбы (3,5 витка на дюйм) с углом 75° и эллиптической поверхностью впадин профиля резьбы.

Однако различные проблемы, связанные с обратным вращением, имеющим место в процессе эксплуатации колонны насосных штанг при осуществлении привода винтового насоса, не отражены явным образом ни в одном из перечисленных выше документов. Данное изобретение разрабатывалось с учетом некоторых определенных ограничений и требований, описанных ниже.

Во-первых, минимальный диаметр насосно-компрессорных труб, внутри которых должны работать полые штанги, должен соответствовать стандарту API на трубы диаметром 2 и 7/8 дюйма (внутренний диаметр 62 мм) и на трубы 3 и 1/2 дюйма (внутренний диаметр 74,2 мм). Производительность в добыче нефти должна составлять до 500 кубических метров в день, максимальная скорость потока должна быть равной 4 м в сек. Эти величины накладывают существенные ограничения на геометрические параметры разрабатываемых штанг. Во-вторых, необходимо обеспечить для полых штанг высокую отдачу крутящего момента, так чтобы максимальный крутящий момент передавался винтовому насосу без повреждения колонны полых штанг. В-третьих, необходимо минимизировать напряжения и обеспечить их распределение в резьбовых участках. Чтобы удовлетворить этому требованию, необходимо использовать коническую резьбу, дифференциальное сужение, небольшую высоту витков резьбы и коническую форму расточки в резьбовых участках. В-четвертых, полая насосная штанга должна обладать высоким сопротивлением усталости материала. В-пятых, штанга должна обладать высокой устойчивостью к осевым нагрузкам и обеспечивать низкое обратное вращение. В-шестых, необходимо обеспечить легкость сборки и разборки (сборка сопрягаемых деталей с резьбой), для чего используется коническая резьба. В-седьмых, необходимо обеспечить высокую сопротивляемость вывинчиванию полых насосных штанг вследствие обратного вращения колонны насосных штанг, если приводной двигатель останавливается, а насос работает в качестве двигателя. В-восьмых, необходимо обеспечить высокую устойчивость к выскакиванию колонны полых насосных штанг (разделению полых штанг на участках с резьбой) посредством использования соответствующего профиля резьбы и обратного угла заплечика для передачи крутящего момента. В-девятых, необходимо минимизировать потерю напора текучей среды, которая иногда может быть закачана внутрь полых насосных штанг, за счет преимущества конической расточки в ниппеле. В-десятых, необходимо обеспечить герметичность соединения за счет создания уплотнения на заплечике для передачи крутящего момента, а также за счет диаметрального взаимодействия резьбы. В одиннадцатых, профиль резьбы должен быть таким, чтобы оптимизировать толщину стенок труб. В двенадцатых, полезно исключить необходимость в сварных швах, поскольку сварные швы склонны разрушаться по причине усталости, под воздействием сернистых соединений, а также потому, что использование сварки приводит к удорожанию производства. В тринадцатых, когда текучая среда протекает через внутреннее пространство штанги с умеренной скоростью, она вызывает быструю изнашиваемость ниппеля и штанги в области их соединения (перекрытия), и поэтому на концах ниппеля необходимо обеспечить небольшое уплотнение.

В четырнадцатых, для того чтобы существенно увеличить поток извлекаемой текучей среды, в корпусе штанги просверливают отверстия с целью позволить среде протекать через внутреннее пространство штанги.

Раскрытие изобретения

Первая задача настоящего изобретения заключается в обеспечении сборки насосных штанг либо с отдельными резьбовыми соединительными элементами, либо с соединениями, выполненными на втором конце каждой насосной штанги, необходимой для приведения в действие винтовых и подобных ротационных насосов. Эта сборка способна передавать больший крутящий момент, чем сплошные насосные штанги, описанные в стандарте API 11В, и обладает большим сопротивлением усталости. Кроме того, настоящее изобретение обеспечивает резьбовой соединительный элемент для полых штанг, который существенно отличается от стандартных соединений для сборок насосных штанг, описанных в стандарте API 11В, и не совместим с этим стандартом, но при этом удобен в сборке. Действительно, модифицированное соединение с трапецеидальной резьбой уникально в том смысле, что является дифференциальным. Например, по стандарту API для обсадных труб с трапецеидальной резьбой необходима недифференциальная резьба, а сужение трубы и соединительного элемента должно составлять 0,625 дюйма на дюйм диаметра. Аналогично, как для обсадной трубы по стандарту API 8r, так и для насосно-компрессорной трубы по стандарту API 8r, требуется недифференциальная резьба с одинаковым сужением как трубы, так и соединительного элемента, составляющим 0,625 дюйма на дюйм диаметра. Далее, ни стандарт API для обсадной трубы с трапецеидальной резьбой, ни стандарт API 8r для обсадной трубы и насосно-компрессорной трубы не предусматривают никаких заплечиков для передачи крутящего момента.

Другая задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить сборку насосных штанг и соединительных элементов, менее подверженную разъединению при «обратном вращательном движении», имеющем место либо случайно, либо в результате отключения привода насоса. Изобретение неожиданно обеспечило существенное понижение энергии, связанной с напряжением кручения и накапливаемой в колонне насосных штанг. Накапливаемая в колонне энергия обратно пропорциональна диаметру штанги и прямо пропорциональна приложенному крутящему моменту и длине колонны.

Еще одна задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить сборку насосных штанг, которые являются полыми и выполнены с расточками, сквозь которые могут проходить инструменты, например датчики для наблюдения за скважиной, а также может осуществляться внутренняя циркуляция текучей среды, например введение растворителей и/или ингибиторов коррозии.

Среди прочих задач настоящего изобретения можно назвать решение проблемы коррозии и эрозии посредством установки небольшой прокладки на концах ниппеля с соответствующим изменением угла внутренней конической расточки, а также существенное увеличение потока извлекаемой среды с помощью отверстий, которые выполняются в теле штанги на концах колонны.

Настоящее изобретение решает описанные задачи уровня техники за счет обеспечения нового типа полой насосной штанги, состоящей по существу из центральной секции в виде трубы с высаженным концом или без него, имеющей по меньшей мере одну внутреннюю коническую резьбу на первом конце, сходящую на нет на внутренней поверхности штанги, и конический внешний заплечик для передачи крутящего момента. Указанный первый конец выполнен с возможностью соединения с соответствующей внешней резьбой, несколько отличающейся от внутренней резьбы, а также с возможностью упора либо в конический заплечик для передачи крутящего момента, выполненный на другой штанге, имеющей на втором конце внешнее резьбовое интегральное соединение (соединительный элемент), или в один из заплечиков между участками с внешней резьбой отдельного ниппельного соединительного элемента. Если используются отдельные ниппельные соединительные элементы, то вторые концы насосных штанг всегда выполняются такими же, как первые концы. Если отдельные ниппельные соединительные элементы не используются, тогда вторые концы насосных штанг являются высаженными и снабжены наружной конической резьбой, выполненной с возможностью соединения с первым концом другой полой насосной штанги.

Ниппельный соединительный элемент состоит по существу из центральной цилиндрической секции с парой конических внешних заплечиков для передачи крутящего момента. Средний диаметр и площадь поперечного сечения заплечиков для передачи крутящего момента выбраны максимально большими для того, чтобы предотвратить накапливание реактивного крутящего момента в колонне для передачи движения. Предпочтительно, чтобы ниппель имел также участок стенки, толщина которого увеличивается по направлению к заплечикам от каждого свободного конца. Это делается для того, чтобы увеличить сопротивление усталости. В целях дальнейшей оптимизации распределения напряжений по элементам использован специальный тип резьбы с различной конусностью. Конструкция в целом обеспечивает высокую прочность на сдвиг, пониженную концентрацию напряжений и хорошую устойчивость к накапливанию реактивного крутящего момента, благодаря чему сводится к минимуму опасность обратного вращательного движения при прекращении подачи мощности на колонну насосных штанг.

Ниппельный соединительный элемент имеет также наружную резьбу с профилем в виде асимметричной трапеции на каждом из концов, разделенных парой элементов с заплечиками. Конусность наружной резьбы отлична от конусности внутренней резьбы, выполненной по меньшей мере на первом конце полой насосной штанги. При соединении резьбового ниппеля и штанги может иметь место конструкция с одинаковым или неодинаковым внешним диаметром. Отношение диаметра соединительного элемента к диаметру штанги может быть равно 1, когда внешний диаметр конструкции одинаков, а максимальное соотношение диаметров составляет 1,5. Таким образом, среднее значение внешнего диаметра по всей длине колонны будет всегда больше, чем в случае сплошных штанг с эквивалентной площадью поперечного сечения, соединяемых посредством традиционных муфт. Таким образом, при заданной длине колонны и площади поперечного сечения устойчивость к обратному вращательному движению будет больше у сборки в соответствии с данным изобретением. Ниппель также может быть выполнен с конической внутренней расточкой, по длине, примерно равной каждому резьбовому концу. Это делается для того, чтобы обеспечить еще более равномерное распределение напряжений по длине каждой резьбы и в центральной секции ниппельного соединительного элемента. Таким образом можно добиться упомянутого выше соотношения между диаметрами резьбовых концов ниппеля и внутренним диаметром, между внешним диаметром ниппеля и внутренним диаметром, а также между внешним диаметром ниппеля и диаметром каждого резьбового конца.

Согласно первой задаче данного изобретения, важной характерной особенностью полой насосной штанги является комбинация по меньшей мере первого конца трубчатого элемента с внутренней конической резьбой, выполненной в виде трапецеидальной резьбы или резьбы типа SEC, сходящей "на нет" на внутренней стороне трубчатого элемента, и фронтальной конической поверхностью, расположенной под углом от 75° до 90°, которая называется заплечиком для передачи крутящего момента. Внешний диаметр полой насосной штанги 48×6 с равнопроходным соединением и полой насосной штанги 42×5 с высаженным концом, включающих в себя трубчатый элемент тела штанги, удаленный от концов, равен 48,8 мм или 42 мм, а внешний диаметр трубчатого элемента на высаженном конце штанги диаметром 42 мм составляет 50 мм. Эти размеры имеют решающее значение, поскольку насосные штанги такого максимального диаметра могут совмещаться со стандартными насосно-компрессорными трубами диаметром 2 и 7/8 дюйма (внутренний диаметр 62 мм). Чтобы обеспечить лучшие результаты в случае компрессорно-насосных труб диаметром 3 и 1/2 дюйма (внутренний диаметр 74,2 мм), можно использовать полую насосную штангу 48×6 с высаженным концом, диаметр которого равен 60,6 мм. Резьба имеет профиль в виде асимметричной трапеции с диаметральным сужением (конусностью) резьбовых участков. Резьба по меньшей мере на первом конце трубчатого элемента является неполной, так как сходит «на нет» на внутренней стороне трубчатого элемента. Как показано на фиг.2А, угол В наклона конической поверхности заплечика для передачи крутящего момента составляет 83°. Внутренний и внешний кончики заплечика закруглены. После резьбового участка находится короткий цилиндрический участок, служащий переходом резьбовой области к расточке в трубчатом элементе.

Согласно первой задаче данного изобретения, важной характерной особенностью ниппельного соединительного элемента является дифференциальное резьбовое сцепление с обеих сторон центральной секции, которая снаружи имеет цилиндрическую форму с большей площадью поперечного сечения вблизи заплечика для передачи крутящего момента, что обеспечивает значительное улучшение сопротивления усталости материала. На обоих сторонах указанной центральной секции выполнены заплечики для передачи крутящего момента, сопрягаемые с заплечиком на первом конце полой насосной штанги. Для более эффективной передачи крутящего момента, средний диаметр и площадь поперечного сечения заплечиков выбраны максимально большими.

Кроме того, по меньшей мере один из концов ниппельного соединения с наружной резьбой имеет форму конуса, благодаря чему площадь поперечного сечения вблизи заплечика увеличена, а сопротивление усталости материала улучшено. Чтобы обеспечить это преимущество, сужение конической внутренней расточки начинается непосредственно вблизи каждого свободного резьбового конца, благодаря чему толщина стенок увеличивается по направлению к центральной секции ниппеля. Внешний диаметр центральной секции ниппеля составляет 50 мм или 60,6 мм. На центральной секции можно средствами механической обработки выполнить два диаметрально противоположных плоских участка для того, чтобы было удобнее захватывать деталь гаечным ключом в процессе монтажа сборки. Резьба выполнена в виде модифицированной трапецеидальной резьбы, что создает дифференциал благодаря небольшой разнице в конусности резьбы на штанге и ниппеле. Резьба имеет асимметричный профиль в виде трапеции. Вся резьба на ниппеле является полной. Пара конических поверхностей работает как заплечики для передачи крутящего момента с конической фронтальной поверхностью, расположенной под углом 75-90°. Кончики заплечиков для передачи крутящего момента закруглены как на внутреннем, так и на внешнем углах. Предпочтительно, чтобы конические расточки под каждым резьбовым участком ниппеля соединялись цилиндрической расточкой, благодаря чему увеличивается площадь поперечного сечения в непосредственной близости от заплечика для передачи крутящего момента, и таким образом повышается сопротивление усталости.

Конусность резьбы ниппеля и штанги должна немного отличаться (дифференциальная конусность), благодаря чему обеспечивается оптимальное распределение напряжений. В процессе сборки соответствующие заплечики для передачи крутящего момента на штанге и ниппеле упираются друг в друга таким образом, что достигается уплотнение, предотвращающее протекание среды под давлением, как внутрь указанного соединения, так и наружу. Эффект уплотнения усиливается за счет диаметрального взаимодействия между двумя сопряженными резьбовыми участками первого конца штанги и ниппеля.

Протекание среды через внутреннее пространство штанги с умеренной скоростью приводит к быстрому изнашиванию ниппеля и штанги в месте их соединения (перекрытия). В качестве причины этого явления рассматривается существование "области застоя", в которой среда остается практически неподвижной (медленно движущейся). Чтобы решить эту проблему, связанную с коррозией, в данном изобретении предусмотрена модификация конструкции, исключающая существование "области застоя", и среда протекает плавно, с небольшими завихрениями. Важно отметить, что усовершенствования, вносимые при этом в конструкцию, настолько невелики, что они не вносят существенных изменений ни в распределение напряжений в соединении, ни в рабочие характеристики ниппеля.

Задачей других вариантов осуществления изобретения является существенное увеличение потока извлекаемой среды за счет дальнейшего усовершенствования полой насосной штанги путем просверливания ряда отверстий в штанге на обоих крайних концах колонны штанг, а именно на уровне поверхности земли и на дне скважины.

В целом решение поставленных задач достигается за счет создания удлиненной сборки колонны для передачи движения, содержащей полые насосные штанги и соединительные элементы, соединенные друг с другом по оси между приводной головкой, расположенной на поверхности нефтяной скважины, и ротационным насосом, расположенным в забое нефтяной скважины. Такая сборка отличается тем, что каждая полая насосная штанга имеет по меньшей мере первый конец с внутренней резьбой, выполненной с возможностью сцепления с наружной резьбой соединительного элемента, а указанные резьбы имеют асимметричный профиль в виде усеченного конуса и различную конусность, при этом свободный первый конец каждой полой насосной штанги содержит кольцевой заплечик для передачи крутящего момента, находящийся в контакте с кольцевым заплечиком для передачи крутящего момента, выполненным на соединительном элементе, при этом отношение начального диаметра заплечика для передачи крутящего момента к внешнему диаметру соединительного элемента находится в диапазоне от 0,6 до 0,98, отношение внутреннего диаметра соединительного элемента к внешнему диаметру соединительного элемента находится в диапазоне от 0,15 до 0,9, а отношение внутреннего диаметра соединительного элемента к начальному диаметру заплечика для передачи крутящего момента находится в диапазоне от 0,25 до 0,92.

Каждая дифференциальная резьба, предпочтительно, имеет профиль в виде асимметричной усеченной трапеции, при этом резьба на соединительном элементе выполнена полной, а резьба на первом конце полой штанги выполнена неполной. Заплечик для передачи крутящего момента, предпочтительно, образует с осью штанги угол, находящийся в диапазоне от 75° до 90°, при этом отношение внешнего диаметра соединительного элемента к внешнему диаметру полой штанги находится в диапазоне от 1 до 1,5. Отношение начального диаметра заплечика для передачи крутящего момента, выполненного на соединительном элементе, к внутреннему диаметру полой штанги на резьбовом свободном конце, предпочтительно, находится в диапазоне от 1 до 1,1.

Каждый соединительный элемент такой сборки может быть выполнен в виде отдельного ниппельного соединительного элемента, концы которого имеют наружную резьбу и разделены центральной секцией, образующей пару заплечиков для передачи крутящего момента, причем каждая дифференциальная резьба может иметь профиль в виде асимметричной усеченной трапеции. Резьба на ниппельном соединительном элементе может быть выполнена полной, а резьба на первом конце каждой полой штанги может быть выполнена неполной. Каждый заплечик для передачи крутящего момента, предпочтительно, образует с осью штанги угол, находящийся в диапазоне от 75° до 90°, при этом отношение внешнего диаметра соединительного элемента к внешнему диаметру полой штанги находится в диапазоне от 1 до 1,5.

Каждый соединительный элемент выполнен, предпочтительно, как интегральное соединение в виде наружной резьбы на втором конце каждой полой штанги. Предпочтительно, каждая дифференциальная резьба имеет профиль в виде асимметричной усеченной трапеции, резьба на втором конце каждой полой штанги выполнена полной, а резьба на первом конце каждой полой штанги выполнена неполной, каждый заплечик для передачи крутящего момента образует с осью штанги угол, находящийся в диапазоне от 75° до 90°, при этом отношение внешнего диаметра соединительного элемента к внешнему диаметру полой штанги находится в диапазоне от 1 до 1,5. Отношение начального диаметра заплечика для передачи крутящего момента, выполненного на втором конце полой штанги, к внутреннему диаметру полой штанги на резьбовом свободном первом конце находится, предпочтительно, в диапазоне от 1 до 1,1.

Предпочтительно, каждая дифференциальная резьба имеет профиль в виде асимметричной усеченной трапеции, каждый заплечик для передачи крутящего момента образует с осью штанги угол, по существу равный 83°, соединительный элемент выполнен в виде отдельного ниппельного соединительного элемента, имеющего наружную по существу коническую резьбу на каждом из концов, разделенных центральной секцией, образующей пару заплечиков для передачи крутящего момента. В центральной секции, предпочтительно, выполнена цилиндрическая расточка, сообщающаяся с конической внутренней расточкой, проходящей по существу по длине каждого из резьбовых концов элемента, выполненных таким образом, что поперечное сечение ниппельного соединительного элемента увеличивается в направлении от каждого свободного конца элемента к центральной секции и местам расположения заплечиков для передачи крутящего момента. Каждая дифференциальная резьба может быть выполнена в виде модифицированной трапецеидальной резьбы с шагом, по существу равным восьми виткам на дюйм, причем конусность наружной резьбы ниппельного соединительного элемента по существу может быть равна 0,0976 дюйма на дюйм диаметра, а конусность внутренней резьбы полой штанги по существу может быть равна 0,1 дюйма на дюйм диаметра.

Соединительный элемент в такой сборке может быть выполнен в виде отдельного ниппельного соединительного элемента, имеющего по существу коническую наружную резьбу на каждом из концов, разделенных центральной секцией, образующей пару заплечиков для передачи крутящего момента, причем ниппельный соединительный элемент может также содержать полную резьбу, а свободные концы ниппельного соединительного элемента могут быть выполнены с возможностью вхождения в контакт с заплечиком штанги с образованием уплотнения между внутренней расточкой и резьбой. Расточка в ниппельном соединительном элементе может быть выполнена конической с расширением в сторону каждого из концов элемента, причем между каждым свободным концом элемента и началом резьбы может иметься наружный цилиндрический участок, а каждый свободный конец элемента может находиться в контакте с заплечиком штанги для обеспечения уплотнения между внутренней расточкой и резьбой.

На участках штанги, расположенных вблизи каждого крайнего конца колонны, могут быть выполнены отверстия, проходящие через стенку штанги, для обеспечения прохождение текучей среды, протекающей за пределами штанги, через указанную расточку между крайними концами колонны. Предпочтительно, отверстия в стенке штанги просверлены в радиальном направлении вблизи каждого крайнего конца колонны. Указанные отверстия также могут быть расположены симметрично относительно осевой линии штанги вблизи каждого крайнего конца колонны. Количество отверстий, предпочтительно, находится в диапазоне от 62 до 243, при этом отверстия расположены группами от одного до трех отверстий на поперечных сечениях штанги, отстоящих друг от друга вдоль осевой линии штанги, вблизи каждого крайнего конца колонны.

Количество отверстий может находиться в диапазоне от 61 до 161, при этом отверстия располагаются по спирали вокруг осевой линии штанги вблизи каждого крайнего конца колонны.

Далее поставленные задачи решаются посредством создания полой насосной штанги, выполненной с возможностью соединения по оси с соединительным элементом, имеющей по меньшей мере первый конец с внутренней резьбой, выполненной с возможностью сцепления с наружной резьбой соединительного элемента, которая комплементарна внутренней резьбе, но имеет отличную конусность, причем свободный первый конец полой насосной штанги содержит кольцевой заплечик для передачи крутящего момента, выполненный с возможностью вхождения в контакт с кольцевым заплечиком для передачи крутящего момента, выполненные на указанном соединительном элементе, отличающейся тем, что отношение начального диаметра заплечика для передачи крутящего момента к внешнему диаметру соединительного элемента находится в диапазоне от 0,6 до 0,98, отношение внутреннего диаметра соединительного элемента к внешнему диаметру соединительного элемента находится в диапазоне от 0,15 до 0,9, а отношение внутреннего диаметра соединительного элемента к начальному диаметру заплечика для передачи крутящего момента находится в диапазоне от 0,25 до 0,92.

Предпочтительно, резьба на первом конце полой штанги выполнена неполной.

Дифференциальная резьба, предпочтительно, выполнена в виде модифицированной трапецеидальной резьбы с шагом, по существу равным восьми виткам на дюйм, при этом конусность внутренней резьбы полой штанги по существу равна 0,1 дюйма на дюйм диаметра и выбрана из условия возможности сцепления с соединительным элементом, конусность которого по существу равна 0,0976 дюйма на дюйм диаметра.

Еще одним объектом изобретения является соединительный элемент, выполненный с возможностью соединения по оси с полой насосной штангой, имеющий наружную резьбу для сцепления с первым концом полой насосной штанги, имеющим внутреннюю резьбу, которая комплементарна наружной резьбе, но имеет отличную конусность, причем соединительный элемент также содержит кольцевой заплечик для передачи крутящего момента, выполненный с возможностью вхождения в контакт с кольцевым заплечиком для передачи крутящего момента, выполненном на свободном первом конце полой насосной штанги, отличающийся тем, что отношение начального диаметра заплечика для передачи крутящего момента к внешнему диаметру соединительного элемента находится в диапазоне от 0,6 до 0,98, отношение внутреннего диаметра соединительного элемента к внешнему диаметру соединительного элемента находится в диапазоне от 0,15 до 0,9, а отношение внутреннего диаметра соединительного элемента к начальному диаметру заплечика для передачи крутящего момента находится в диапазоне от 0,25 до 0,92.

Такой соединительный элемент может быть выполнен в виде отдельного ниппельного соединительного элемента с наружной резьбой на каждом из концов, которые разделены центральной секцией, образующей пару заплечиков для передачи крутящего момента, при этом каждая дифференциальная резьба может имеет профиль в виде асимметричной усеченной трапеции, а резьба на ниппельном соединительном элементе может быть выполнена полной. Предпочтительно, каждый заплечик для передачи крутящего момента образует с осью угол, находящийся в диапазоне от 75° до 90°, при этом отношение внешнего диаметра соединительного элемента к внешнему диаметру полой штанги находится в диапазоне от 1 до 1,5.

Чтобы составить наилучшее представление о задачах изобретения, его характерных особенностях и преимуществах, следует обратиться к чертежам и описанию, в которых даны иллюстрации различных вариантов изобретения. Все варианты осуществления рассматриваются на примерах деталей предпочтительных вариантов сборки, где каждый конец с внешней резьбой должен быть полностью совместим с любым приведенным на чертежах концом с внутренней резьбой.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 и 2 представлено известное решение традиционной сплошной насосной штанги, соответствующей техническим условиям стандарта API 11B.

На фиг.3, 4 и 5, соответственно, представлен общий вид первого конца полой насосной штанги, ниппельного соединительного элемента и этих элементов в сборке согласно первому варианту осуществления изобретения (с постоянным внешним диаметром).

На фиг.6 представлен общий вид сборки полой насосной штанги, имеющей первый и второй концы с внутренней резьбой, с ниппельным соединительным элементом в соответствии с настоящим изобретением, имеющей высаженный конец или увеличенный внешний диаметр.

На фиг.7 представлен общий вид сборки полой насосной штанги с внутренней резьбой на первом конце и наружной резьбой на втором конце в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения, имеющей постоянный внешний диаметр.

На фиг.8, 9 и 10, соответственно, представлены продольное сечение ниппельного соединительного элемента, детальное изображение заплечика и сечение по линии 4С-4С ниппельного соединительного элемента, первый и второй конец которого имеют наружную резьбу, в соответствии с четвертым вариантом осуществления изобретения, так называемая насосная штанга 48×6 с равнопроходным соединением.

На фиг.11 и 12, соответственно, представлены продольное сечение полой насосной штанги и подробное изображение заплечика полой насосной штанги с внутренней резьбой на первом конце в соответствии с четвертым вариантом осуществления изобретения.

На фиг.13, 14 и 15, соответственно, представлены продольное сечение, поперечное сечение по линии 6В-6В ниппельного соединительного элемента и детальное изображение заплечика ниппельного соединительного элемента с наружной резьбой на первом и втором концах в соответствии с пятым вариантом осуществления изобретения, так называемая полая штанга 42×5 с наружной высадкой.

На фиг.16 и 17, соответственно, представлены продольное сечение полой насосной штанги и детальное изображение заплечика полой насосной штанги с внутренней резьбой на первом конце в соответствии с пятым вариантом осуществления изобретения.

На фиг.18, 19 и 20, соответственно, представлены продольное сечение ниппельного соединительного элемента, подробное изображение заплечика и поперечное сечение по линии 8В-8В ниппельного соединительного элемента с наружной резьбой на первом и втором концах в соответствии с шестым вариантом осуществления изобретения, так называемая полая штанга 48,8×6 с наружной высадкой.

На фиг.21 и 22, соответственно, представлены продольное сечение полой насосной штанги и подробное изображение заплечика полой насосной штанги с внутренней резьбой на первом конце в соответствии с шестым вариантом осуществления изобретения.

На фиг.23 представлены продольное сечение и подробное изображение с указанием размеров первого конца полой насосной штанги с внутренней резьбой, также виден профиль резьбы в виде асимметричной трапеции, представляющий модифицированную трапецеидальную резьбу или резьбу типа SEC; в соответствии с предпочтительными вариантами осуществления изобретения.

На фиг.24 представлены продольное сечение и подробное изображение с указанием размеров первого конца ниппельного соединительного элемента с наружной резьбой; также показан профиль резьбы в виде асимметричной трапеции, представляющий модифицированную трапецеидальную резьбу или резьбу типа SEC, в соответствии с предпочтительными вариантами осуществления изобретения.

На фиг.25 представлено продольное сечение равнопроходного соединения; область А соответствует области застоя.

Фиг.26 представляет собой иллюстрацию к процессу коррозии в области застоя.

На фиг.27 представлено продольное сечение модифицированного равнопроходного соединения с усовершенствованным ниппелем.

На фиг.28 представлено продольное сечение усовершенствованного ниппеля по фиг.27.

На фиг.29 представлено продольное сечение усовершенствованной штанги по фиг.27.

На фиг.30 и 31 представлены продольный и поперечный разрез одного из концов усовершенствованной штанги, конструкция 1.

На фиг.32 и 33 представлены продольный и поперечный разрез одного из концов усовершенствованной штанги, конструкция 2.

На фиг.34 и 35 представлены продольный и поперечный разрез одного из концов усовершенствованной штанги, конструкция 3.

Осуществление изобретения

На фиг.1 представлена обычная сплошная насосная штанга с традиционным резьбовым первым концом или головкой с цилиндрической наружной резьбой. Хорошо заметно отсутствие непрерывности между головкой и телом штанги, имеющими соответствующие диаметры DC и DV. На фиг.2 представлено схематическое изображение сборки такой сплошной насосной штанги с традиционной нарезной муфтой или втулкой, согласно стандарту API 11B.

На фиг.3-5 представлены в общем виде, соответственно, конструкции первого конца полой насосной штанги, ниппельного соединительного элемента и сборки этих элементов в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения, при этом наружный диаметр является постоянным. На фиг.3 виден конец полой штанги с внутренней резьбой согласно настоящему изобретению. Кроме того, на чертеже можно видеть внутреннюю резьбовую поверхность штанги в виде усеченного конуса. Штанга имеет уменьшающийся внутренний диаметр. На фиг.4 показан ниппель или соединительная муфта согласно настоящему изобретению. Хорошо видны внешняя резьба в виде усеченного конуса и два заплечика для передачи крутящего момента. Также можно видеть изменение диаметра конической расточки ниппеля, помеченного как Вариант А пунктирной линией со стрелкой. В результате увеличивается площадь поперечного сечения вблизи заплечика, а сопротивление усталости материала неожиданно повышается.

На фиг.5 приведено еще одно изображение сборки двух полых насосных штанг и одного соединительного элемента с наружной резьбой. Можно видеть, как два конца штанг (3а и 3b) с внутренней резьбой соединены с соответствующими концами (1а и 1b) соединительного элемента с наружной резьбой, а заплечики (2а и 2b) для передачи крутящего момента являются частью ниппеля (2). Соединение соответствующих концов с наружной и внутренней резьбой осуществляется сцеплением участков (5а и 5b) с дифференциальной резьбой в виде усеченного конуса. Благодаря тому, что резьбовые участки имеют такую форму, облегчается первичная установка каждой детали и их сборка. Заплечики, расположенные на свободных торцевых поверхностях первых и вторых концов полых штанг (4а и 4b), в сборке находятся в контакте с парой соответствующих заплечиков (2а и 2b) для передачи крутящего момента, сформированных на ниппеле. Указанные контактные плоскости образуют угол заплечиков для передачи крутящего момента (угол "В" на фиг.3) с осью штанги. Этот угол варьируется от 75 до 90°, наиболее предпочтителен угол 83°.

На фиг.4 показана общая геометрия соединительного элемента в виде отдельного ниппеля, в частности, внешний диаметр (DEN) ниппеля, внутренний диаметр (DIN) ниппеля и начальный диаметр (DHT) заплечика для передачи крутящего момента. Соединительный элемент согласно настоящему изобретению отличается соотношениями диаметров, приведенными в следующей таблице:

Соотношение диаметров	Диапазон
	Минимум	Максимум
DHT/DEN	0,60	0,98
DIN/DEN	0,15	0,90
DIN/DHT	0,25	0,92

Пунктирная линия на фиг.4 показывает предпочтительный вариант конфигурации расточки ниппеля в виде конуса (Вариант А). На фиг.3 показана полая штанга в области соединения с внешним диаметром DEVU и внутренним диаметром штанги на первом и втором концах, соответствующих окончанию резьбы DIFR. На чертеже также показан внешний диаметр полой штанги DEV, помеченный как DEVU=DEV, поскольку в данном случае нет высаженного конца, выступающего в роли соединительного элемента. Отношение между максимальным внешним диаметром DEVU либо отдельного соединительного элемента, либо интегрального соединения на высаженном конце, и внешним диаметром штанги (DEV) (фиг.6, 16 и 21) поддерживается в следующем диапазоне:

Таким образом, при максимальном фиксированном диаметре средний полярный момент колонны полых штанг и соединительных элементов больше, чем момент сплошной насосной штанги с таким же диаметром поперечного сечения. Следовательно, переданный крутящий момент больше в колонне полых штанг, чем в колонне сплошных штанг. Этот фактор является также определяющим в отношении устойчивости к эффекту «обратного вращательного движения» колонны штанг. Кроме того, отношение между начальным диаметром (DHT) заплечика для передачи крутящего момента, выполненного на соединительном элементе, и внутренним диаметром (DIFR) полой штанги на свободном резьбовом конце поддерживается в диапазоне

На фиг.6 показана сборка, в которой отношение между максимальным диаметром соединения (DEVU) и диаметром тела штанги (DEV) ограничено интервалом (1<DEVU/DEV 1,5). На фиг.7 представлена одна их возможных конструкций согласно изобретению, где внутренняя резьба выполнена на высаженном первом конце штанги, в то время как на противоположном (втором) конце нарезана соответствующая наружная резьба, причем резьбы комплиментарны друг другу, но различаются конусностью. Такая конструкция называется штангой с высаженным концом или интегральным соединением.

Фиг.8-24 включительно относятся к предпочтительным вариантам, в которых полая насосная штанга включает в себя по меньшей мере первый конец трубчатого элемента с конической внутренней резьбой, выполненной в виде модифицированной трапецеидальной резьбы или резьбы SEC, которая сходит "на нет" на внутренней поверхности трубчатого элемента, причем угол В заплечика для передачи крутящего момента находится в диапазоне 75-90°. Внешний диаметр трубчатого элемента вдали от концов составляет 42 мм или 48,8 мм, а внешний диаметр трубчатого элемента на высаженном конце (при его наличии) составляет 50 или 60,6 мм.

На фиг.8, 9 и 10, соответственно, представлены продольный разрез ниппельного соединительного элемента, детальное изображение заплечика и поперечное сечение по линии 4С-4С ниппельного соединительного элемента 402 с плоскими участками 406, имеющего наружную резьбу на первом и втором концах, соответственно, 401а и 401 b; согласно четвертому варианту осуществления изобретения, который называется "Полая штанга 48×6 равнопроходного соединения". На фиг.8 показана модифицированная резьба SEC (405b) - 8 витков на дюйм; DEN=48,8 мм; DIN=20 мм с расширением 26 мм на длине 44 мм в сторону конца; DHT=39 мм; В=83°; полная длина = 158 мм; длина участка с резьбой = 46 мм, длина центральной секции = 50 мм. Заплечик 402а, фиг.9, начинается в точке, отстоящей от резьбы на 4,61 мм; внутренний радиус закругления заплечика равен 1,4 мм, а внешний радиус закругления заплечика равен 0,5 мм.

На фиг.11 и 12 представлены соответственно продольное сечение полой насосной штанги и детальное изображение заплечика полой насосной штанги 403, имеющей внутреннюю резьбу на первом конце 403а, согласно четвертому варианту осуществления изобретения. На фиг.11 показана модифицированная резьба SEC (405а) - 8 витков на дюйм; DEV=48,8 мм; DIFR=41,4 мм; DIV=37 мм; В=83°. Заплечик 404а, фиг.12, имеет угол перехода 30° с резьбы и длину 4,5 мм; внутренний радиус закругления заплечика равен 0,8 мм, а внешний радиус закругления заплечика равен 0,5 мм.

На фиг.13, 14 и 15 представлены соответственно продольное сечение, поперечное сечение по линии 6В-6В ниппельного соединительного элемента и детальное изображение заплечика ниппельного соединительного элемента 502 с плоскими участками 506. Соединительный элемент имеет наружную резьбу на первом и втором концах 501а и 501b, согласно пятому варианту осуществления изобретения, который называется "Полая штанга 42×5 с наружной высадкой ". На фиг.13 показана модифицированная резьба SEC (505b) - 8 витков на дюйм; DEN=50 мм; DIN=17 мм с расширением 25,3 мм на длине 44 мм в сторону конца; DHT=38,6 мм; B=83°; полная длина = 158 мм; длина резьбы = 46 мм, длина центральной секции = 50 мм. Заплечик 502а, фиг.15, начинается в точке, отстоящей от резьбы на 4,61 мм; имеет внутренний радиус закругления 1,4 мм и внешний радиус закругления 0,5 мм.

На фиг.16 и 17 представлены соответственно продольное сечение полой насосной штанги и детальное изображение заплечика полой насосной штанги 503 с внутренней резьбой на первом конце 503а, согласно пятому варианту осуществления изобретения. На фиг.16 показана модифицированная резьба SEC (505а) - 8 витков на дюйм; DEVU в диапазоне от 50 мм до DEV=42 мм; DIFR=41 мм; DIV=36,4 мм изменяется под углом 15° до 30 мм, начиная от 55 мм на свободном конце, и до 32 мм в обратном направлении на максимальной длине 150 мм; В=83°. Заплечик, изображенный на фиг.17, имеет переход к резьбе под углом 30° и протяженность 4,5 м; внутренний радиус закругления заплечика равен 0,8 мм, внешний радиус - 0,5 мм.

На фиг.18, 19 и 20 представлены соответственно продольное сечение ниппельного соединительного элемента, детальное изображение заплечика и поперечное сечение по линии 8В-8В ниппельного соединительного элемента 602 с плоскими участками 606 и наружной резьбой на первом и втором концах 601а и 601b, в соответствии с шестым вариантом осуществления изобретения, так называемая «Полая штанга 48,8х6 с наружной высадкой». На фиг.18 показана модифицированная резьба SEC (605b) - 8 витков на дюйм; DEN=60,6 мм; DIN=20 мм с расширением до 33,6 мм на длине 44 мм в сторону конца; DHT=47 мм; В=83°; полная длина = 158 мм; длина резьбы = 46 мм, длина центральной секции = 50 мм. Заплечик 602а, фиг.20, начинается в точке, отстоящей от резьбы на 4,61 мм; внутренний радиус закругления заплечика равен 1,4 мм, а внешний радиус закругления заплечика равен 0,5 мм.

На фиг.21 и 22 представлены соответственно продольное сечение полой насосной штанги и детальное изображение заплечика полой насосной штанги 603 с внутренней резьбой на первом конце 603а, в соответствии с шестым вариантом осуществления изобретения. На фиг.21 показана модифицированная резьба SEC (605а) - 8 витков на дюйм; DEVU в диапазоне от 60,6 мм до DEV=48,8 мм; DIFR=49,4 мм; DIV=44.6 мм изменяется под углом 15° до 30 мм, начиная от 55 мм на свободном конце и до 35,4 мм в обратном направлении на максимальной длине 150 мм; В=83°. Заплечик 604а, фиг.22, имеет переход к резьбе под углом 30° и протяженность 4,5 мм; внутренний радиус закругления заплечика равен 0,8 мм, внешний радиус - 0,5 мм.

На фиг.23 представлены продольное сечение и детальное изображение с указанием размеров первого конца полой насосной штанги с внутренней резьбой. Показан асимметричный трапецеидальный профиль резьбы - модифицированной трапецеидальной резьбы или резьбы SEC, соответствующей резьбе на первом конце штанги в предпочтительном варианте осуществления. Внутренняя резьба каждой полой насосной штанги имеет профиль асимметричной трапеции и является неполной. Шаг резьбы - 8 витков на дюйм. Высота витков - 1,016+0/-0,051 мм. Диаметральная конусность резьбы составляет 0,1 мм на мм. Длина участка с резьбой на по меньшей мере первом конце трубчатого элемента составляет 44 мм, причем часть резьбы является неполной вследствие того, что резьба сходит "на нет" на внутренней поверхности трубчатого элемента. Угол наклона резьбы составляет в точности 2°51'45"; внутренняя поверхность зубца равна 1,46 мм, расстояние между зубцами - 1,715 мм; ведущая кромка наклонена под углом 4° (или угол наклона профиля с нагружаемой стороны) и имеет радиус внутреннего закругления 0,152 мм, в то время как задняя кромка наклонена под углом 8° и имеет больший радиус внутреннего закругления 0,558 мм. На конце участка с резьбой имеется короткий цилиндрический участок, служащий переходом резьбы к расточке в полом трубчатом элементе.

На фиг.24 представлены продольное сечение и детальное изображение с указанием размеров первого конца ниппельного соединительного элемента с наружной резьбой. Показан асимметричный трапецеидальный профиль резьбы - модифицированной трапецеидальной резьбы или резьбы SEC, в соответствии с предпочтительным вариантом выполнения первого и второго концов ниппеля. Внешний диаметр центральной секции каждого ниппельного соединительного элемента составляет от 50 до 60,6 мм. На центральной секции могут быть выполнены два плоских участка, расположенных напротив друг друга, которые служат для того, чтобы удобнее было захватывать деталь гаечным ключом в процессе сборки. Наружная резьба выполнена по типу модифицированной трапецеидальной резьбы и нарезана на обоих концах ниппеля. Шаг резьбы - 8 витков на дюйм. Высота витка меняется в диапазоне от 1,016+0,051/-0 мм. Диаметральная конусность резьбы равна 0,0976 мм на мм. Резьба имеет профиль асимметричной трапеции. Длина резьбы на каждом конце ниппеля составляет 46 мм. Вся резьба ниппеля является полной. Коническая поверхность заплечика для передачи крутящего момента наклонена под углом В, равным 83°. Внутренний радиус закругления концов заплечика равен 1,4 мм, а внешний - 0,5 мм. В предпочтительном варианте под каждым резьбовым участком ниппеля выполнены конические расточки, сообщающиеся между собой через цилиндрическую расточку. Угол наклона резьбы равен 2°47'46"; внутренняя поверхность зубца равна 1,587 мм, расстояние между зубцами - 1,588 мм; задняя кромка наклонена под углом 4° (или угол наклона профиля с нагружаемой стороны) и имеет радиус внутреннего закругления 0,152 мм, в то время как ведущая кромка наклонена под углом 8° и имеет больший радиус внутреннего закругления 0,558 мм.

Фиг.25 и 26 являются иллюстрацией к проблеме коррозии в процессе протекания жидкости через внутреннее пространство штанги с умеренной скоростью. Ниппель и штанга быстро изнашиваются в области их соединения (перекрытия). Этот эффект можно связать с существованием "области застоя", в которой среда остается практически без движения (или движется с малой скоростью). См. область А на фиг.25 и 26.

Для решения вышеуказанной проблемы были усовершенствованы ниппель и штанга, представленные на фиг.3 и 4. На фиг.25 показана такая полая штанга 48×6 равнопроходного соединения, имеющая область застоя (область А). Процесс коррозии показан на фотографии (фиг.26). На концах ниппеля были установлены небольшие уплотнения, при этом был соответствующим образом изменен угол внутренней конической расточки (области В, С и D на фиг.27-29). После такого усовершенствования область застоя исчезает, и среда протекает плавно, с небольшим завихрением. Важно отметить, что такая модификация настолько незначительна, что по существу не влияет ни на распределение напряжений в соединении, ни на технические характеристики изделия. Отметим, что показанные изменения были внесены как в конструкцию ниппеля, так и штанги (фиг.27-29). На фиг.27 показаны небольшие изменения по сравнению с конструкцией, изображенной на фиг.25. Модификация ниппельного соединения заключается в добавлении небольшого уплотнения с целью предотвратить застой текучей среды, протекающей через внутреннее пространство трубы, который является причиной эрозии и коррозии.

Распределение напряжений в ниппеле и штанге такое же, как в полой штанге HR 48×6 равнопроходного соединения, показанной на фиг.3-5 и фиг.25.

Заплечик для передачи крутящего момента 701b (фиг.13-14) аналогичен фиг.25.

Условный диаметр и диаметральная конусность резьбы (702b, фиг.27-28) аналогичны представленным на фиг.25.

Резьба ниппеля является полной; длины участков с резьбой (703b, фиг.27-28) меньше показанных на фиг.25 (703а, фиг.25).

Между концом ниппеля и нарезным участком имеется участок с цилиндрической внешней поверхностью (704b, фиг.27-28). Его длина варьируется от 10 до 27 мм, внешний диаметр составляет 36,8 мм. Эти данные отличаются от приведенных на фиг.25.

Конец ниппеля работает как уплотнение соединения (705b, фиг.27-28). Толщина конца ниппеля равна 2 мм, эта величина отличается от приведенной на фиг.25 (705а, фиг.25).

Расточки концов ниппеля имеют коническую форму. Предпочтительные значения углов составляют 8°16' (706b, фиг.28); это значение отличается от приведенного на фиг.25 (3°46', 706а, фиг.25).

Общая длина ниппеля (707b, фиг.28) аналогична указанной на фиг.25 (707а, фиг.25).

На штанге также выполнен заплечик для передачи крутящего момента (708b, фиг.27 и 29). Размеры этого заплечика аналогичны размерам заплечика, показанного на фиг.25. Часть резьбы трубы или штанги является неполной, поскольку сходит "на нет" на внутренней стороне трубы (709b, фиг.29) аналогично случаю, представленному на фиг.25. Условный диаметр и диаметральная конусность участка с резьбой (710b, фиг.27 и 29) аналогичны фиг.25.

Внутри штанги, возле окончания неполной резьбы, расположено уплотнение (711b, фиг.27 и 29). Хотя это уплотнение может выглядеть как второй заплечик, оно не выполняет функций заплечика и не рассчитано на то, чтобы выдерживать нагрузки. Толщина уплотнения варьируется от 0 до 1,7 мм в зависимости от допусков в изготовлении трубы и отличается от соответствующего значения полой штанги 48×6 равнопроходного соединения по фиг.25. Угол наклона уплотнения, установленного внутри штанги, составляет 90°, а расстояние от уплотнения до конца трубы равно 55 мм (711b и 712b, фиг.27 и 29), что отличается от фиг.25. По окончании сборки, когда приложен рабочий крутящий момент, зазор между ниппелем и штангой в области В варьируется от 0 до 0,6 мм (713b, фиг.27). Уплотнение в области В несет небольшую нагрузку и не участвует в передаче крутящего момента. Оно используется только в качестве уплотнения, способствующего плавному течению среды.

На фиг.30-35 изображен другой вариант осуществления изобретения, где задачей является существенное увеличение потока извлекаемой текучей среды. Для этой цели дополнительно модифицированы концы колонны полых насосных штанг того же типа, как представленные на фиг.3-5, 25 и 27.

На двух крайних концах колонны, то есть на уровне поверхности земли и на дне скважины, в теле штанги просверлен ряд отверстий. Благодаря этому среда может протекать также через внутреннее пространство полой штанги, хотя обычно она течет через кольцеобразную область между внешней поверхностью штанги и внутренней поверхностью компрессорно-насосной трубы. Имеются две возможные конфигурации системы отверстий: Конфигурация 1 с парными отверстиями на каждом поперечном сечении, расположенными с чередованием под углом 90° друг к другу, с заданным продольным расстоянием между сечениями (фиг.30, 31), и Конфигурация 2, в которой отверстия расположены по спирали с "разделением" в продольном направлении, причем отверстия в различных сечениях расположены под углом друг к другу (фиг.32, 33). Существует также Конфигурация 3, в которой имеется три отверстия на каждом поперечном сечении, причем сечения расположены на заданном расстоянии друг от друга (фиг.34, 35).

На фиг.30 и 31 изображен один из концов полой штанги 803 с двумя отверстиями 804 на каждом поперечном сечении, расположенными напротив друг друга, каждая пара отверстий повернута на 90° по отношению к соседней паре отверстий, при заданном расстоянии р между сечениями (фиг.30 и 31). Предпочтительный диаметр отверстия Dh варьируется от 5 до 7 мм. Предпочтительное расстояние р между сечениями вдоль штанги варьируется от 50 до 100 мм. Предпочтительная полная длина участка, содержащего отверстия, на каждом из крайних концов L составляет 3000-4000 мм, при этом каждый участок содержит от 62 до 162 отверстий.

На фиг.32 и 33 показан один из концов полой штанги 805 с одним отверстием 806 в каждом поперечном сечении. Отверстия расположены по спирали на предпочтительном расстоянии (шаге) р друг от друга (фиг.33), угол поворота между отверстиями на соседних сечениях равен 120° (фиг.32 и 33). Предпочтительный диаметр отверстия Dh варьируется от 5 до 7 мм. Предпочтительное расстояние р между сечениями варьируется от 25 до 50 мм. Предпочтительная полная длина участка, содержащего отверстия, на каждом крайнем конце L составляет от 3000 до 4000 мм, при этом каждый участок содержит от 61 до 161 отверстий.

На фиг.34 и 35 показан один из концов полой штанги 807 с тремя отверстиями 808 в каждом поперечном сечении. Угол между отверстиями по окружности составляет 120°; сечения с отверстиями расположены на предпочтительном расстоянии (шаге) р друг от друга (фиг.35). Предпочтительный диаметр отверстия Dh варьируется от 5 до 7 мм. Предпочтительное расстояние р между сечениями варьируется от 50 до 100 мм. Предпочтительная полная длина участка, содержащего отверстия, на каждом крайнем конце L составляет от 3000 до 4000 мм, при этом каждый участок содержит от 93 до 243 отверстий.

Таким образом, в модифицированном ниппельном соединении (с уплотнением), представленном на фиг.27, обеспечено плавное прохождение потока текучей среды с небольшим завихрением через внутреннее пространство трубы, в результате чего обеспечивается высокая устойчивость изделия к коррозии и эрозии в области В при протекании среды через внутреннее пространство трубы. Ниппельное соединение по фиг.28 и ниппельное соединение по фиг.25 взаимозаменяемы.

Таким образом, во всех предпочтительных вариантах осуществления изобретения имеется диаметральная или дифференциальная конусность. Например, конусность первого конца штанги составляет 0,1 дюйма на дюйм, в то время как соответствующая конусность любого конца ниппеля равна 0,0976 дюйма на дюйм. Во всех вариантах угол наклона конической поверхности заплечика для передачи крутящего момента составляет 83° (угол В). Радиусы закругления окончаний заплечика равны 0,8 мм (внутренний радиус) и 0,5 мм (внешний радиус).

Аналогичным образом, во всех предпочтительных вариантах осуществления изобретения соединительный элемент имеет центральную секцию с цилиндрической внешней поверхностью. На уровне внешнего диаметра этой центральной секции расположены внешние заплечики для передачи крутящего момента, сопрягаемые с заплечиками для передачи крутящего момента, выполненными на первом конце полой насосной штанги. Оба конца ниппеля имеют коническую форму и внешнюю резьбу, при этом коническая расточка, по длине примерно равная каждому крайнему резьбовому участку, обеспечивает преимущество, заключающееся в увеличении поперечного сечения ниппеля по направлению от каждого свободного конца ниппеля к центральной секции и местам расположения заплечиков для передачи крутящего момента.

Выше описаны только предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения, а рамки изобретения определены исключительно прилагаемой формулой.