Способ производства полых насосных штанг и головок для их изготовления

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству скважинного оборудования для добычи нефти, например насосных штанг и шток-штанг. Задача изобретения - освоение промышленного производства сверхпрочных в сочетании с высокой пластичностью и усталостной выносливостью полых насосных штанг для эксплуатации на продуктивных нефтеносных пластах, содержащих парафино-смолистые фракции, коррозионные или иные вредные минеральные составляющие. Технологический цикл производства изделий предусматривает раздельное изготовление полых элементов тела и головки штанг и их последующее соединение сваркой с регламентированными технологическими параметрами формирования профиля и геометрических размеров, термической и термомеханической обработки, режима сварки. Изобретение обеспечивает стабильность свойств металла изделий, упрощение и гибкость технологического процесса, экономию металла и снижение энерго- и трудоемкости. 2 с. и 3 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к металлургии, конкретно к производству насосных штанг, шток-штанг и устьевого штока, используемых для передачи движения от наземного привода к скважинному насосу при нефтедобыче.

Известны насосные штанги [1] и способы изготовления насосных штанг [2, 3], которые позволяют производить изделия высокого качества. Однако при конструктивной сложности и технологии изготовления штанг по известным изобретениям они не обеспечивают надежности и долговременной эксплуатации штанговых колон в целом.

Наиболее близкими по технической и решаемой задаче к предлагаемому является способ производства насосных штанг [4] высокого качества, в том числе по коррозионной стойкости и сопротивлению поперечным и продольным нагрузкам при эксплуатации в штанговых колоннах.

Недостатком сплошных насосных штанг, изготовленных по известной технологии, является то, что при их эксплуатации, особенно при добыче нефти с повышенной вязкостью, из-за высокого содержания парафино-смолистых фракций, когда на поверхности насосных штанг накапливаются вязкие отложения, снижается эффективность добычи, а в ряде случаев откачка нефти становится невозможной. Скважины аварийно останавливаются на ремонт. Добыча нефти прекращается. Колонна сплошных насосных штанг извлекается из скважины. В скважину опускается колонна из труб, через которую в скважину закачиваются жидкие растворы, улучшающие условия добычи нефти, после чего колонна из труб извлекается. В скважину вновь опускается колонна сплошных штанг, и добыча нефти возобновляется.

В настоящей заявке излагается способ производства насосных штанг такого качества, когда обеспечивается надежная эксплуатация скважин на продуктивных нефтеносных пластах любого химического и минералогического состава.

Сущность предлагаемого изобретения и поставленная задача выражаются и решаются тем, что в известном способе производства насосных штанг, включающем горячую раздельную прокатку, термическую и механическую обработку заготовок для тела и головок штанги, их формирование, сварку головок с телом штанги методом трения, контроль качества готовых штанг, для тела и головок штанги используют полые заготовки с таким расчетом, что отношение наружного диаметра тела готовой штанги к внутреннему диаметру составляет 1:(0,20-0,4), при этом внутренний канал головок выполняют на заготовках, изготовленных с использованием поперечно-клиновой прокатки, а сварку трением головок к телу штанги осуществляют с использованием стержня, вставленного в отверстие головки и отверстие тела штанги в зоне сварки, по режиму: частота вращения головки 775-1400 об/мин, время нагрева 0,9-6,0 сек, время проковки 1,0-3,0 сек, суммарная осадка 2,5-8,5 мм.

При выбранном способе производства и режиме сварки создаются условия для закупоривания канала в свариваемых деталях штанги в зоне стыка. Для сохранения минимально заданного диаметра канала в зоне стыка сварка ведется со вставленным в канал стержнем из специальной стали. При этом обеспечивается сохранение всех качественных и эксплуатационных характеристик металла деталей штанги, полученных на предыдущих стадиях технологического цикла.

Изготовленные по предлагаемому способу насосные штанги имеют сквозной внутренний канал по длине штанги. Соотношение наружного диаметра штанги к внутреннему обеспечивает требуемые прочностные характеристики штанги и пропускную способность канала при эксплуатации при эксплуатации скважин. При диаметре канала штанги большем или меньшем, чем определено заявленным соотношением, в одном случае чрезмерно снижаются прочностные и эксплуатационные характеристики штанг, а в другом случае снижается эффективность достижения поставленной задачи.

Наличие внутреннего канала по всей длине насосной штанги, а после сборки по всей длине штанговой колонны, позволяет регулировать условия работы штанговых колонн в зависимости от характеристики нефтяной залежи за счет подачи на заданную глубину через штанговый канал в скважину жидких растворов (растворители, горячие промывочные жидкости, деэмульгаторы и т.п.) для устранения отложений парафина, нейтрализации коррозионных сред и других целей, что существенно повышает эксплуатационные качества скважин. Также за счет спуска кабеля через каналы штанг к датчику, размещенному в зоне работы насоса, появляется возможность снятия данных о работе насоса и скважины.

При эксплуатации насосных штанг большие нагрузки испытывают головки штанги, а с учетом того, что этот конструкционный элемент содержит потенциальные концентраторы напряжений (резьба, переходные зоны - бурты, галтели), то выполнение головки с внутренним каналом выдвигает дополнительные требования к качеству металла заготовки, технологии изготовления изделия.

Основным способом производства насосных штанг является способ [5], когда головки формируются объемной штамповкой (высадкой) непосредственно на нагретых концах цельной длинномерной заготовки для штанг, и по статистике 55-65% отказов приходится на поломки в данной зоне штанги.

Раздельное изготовление головок по известному способу [4] выгодно отличается от способов формирования головок на нагретых концах тела штанги [5]. При раздельном формировании головок легко реализуются простые и доступные методы устранения дефектов металлургического и прокатного характера обточкой черновой поверхности, а путем подбора химического состава стали и режима термообработки возможно достичь требуемый уровень прочностных характеристик изделия.

Однако опыт промышленного производства и эксплуатация штанг с головками, сформированными объемной штамповкой из отдельных заготовок, выявили ряд недостатков технологического процесса, не позволяющих получать гарантированные качественные характеристики конечной продукции. К недостаткам относится низкая производительность из-за многоэтапности процесса, наличия ручного труда; относительно высокий расход металла из-за больших припусков на механическую обработку; высокий расход энерго- и теплоносителей; проблемы с обеспечением экологии рабочего места; отсутствие стабильности техпроцесса на отдельных его этапах.

Многоходовость операций с паузами между ними, нестабильность температурного режима нагрева не дают должной проработки структуры металла за счет деформации, что не гарантирует получение однородной мелкозернистой микроструктуры металла.

В данной заявке предлагается отличающийся от существующего способ изготовления головок насосных штанг. Задача предлагаемого способа - создать более простой и надежный способ производства головок штанги с высокими характеристиками.

Поставленная задача и сущность изобретения решаются тем, что в известном способе [4] производства головок для насосных штанг, включающем подготовку заготовки, ее нагрев, формирование деформацией геометрических размеров и профиля элементов головки, маркировку и накатку резьбового соединения, деформационное формирование геометрических размеров и профиля головки проводят при поперечно-клиновой прокатке за два этапа, на первом - быстрый нагрев, поперечная радиальная деформация вращающейся заготовки при температуре аустенизации, равной Ас3+(150-380)°С, с одновременным формированием головной части, буртов, галтели и конуса головки, на втором этапе - осадка квадрата и маркировка при температуре аустенизации, равной Ас1+(150-200)°С.

Внутренний канал на головках выполняется после деформационного формирования профиля.

Экспериментальные исследования позволили выделить оптимальные параметры технологического процесса, их соотношения, при которых формируется нужная макро- и микроструктура металла головки.

Используемый интервал температуры нагрева, при которой осуществляется деформационное формирование головки, установлен с учетом того, что нагрев и деформация не должны приводить к росту зерна аустенита. Быстрый нагрев (индукционный), короткий временной промежуток от начала до окончания деформации (4-7 сек) при формировании головки обеспечивают сохранение всех положительных факторов деформации аустенита на образование мелкозернистой блочной микроструктуры с низкими остаточными напряжениями по всему сечению головки.

Использование и реализация технологических параметров предлагаемого способа производства насосных штанг с внутренним каналом и изготовления головок насосной штанги по сравнению с известной технологией имеют следующие преимущества:

- постоянство и высокое воспроизводство свойств металла головки;

- упрощение и гибкость технологического процесса;

- экономия металла (20%) за счет уменьшения припусков металла заготовок головок штанги и высокой точности размеров;

- снижение энерго- и трудоемкости технологического процесса на 30-40% при высокой производительности;

- выполнение требований по соблюдению норм экологии рабочих мест.

Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что предлагаемый способ производства насосных штанг и способ производства головок для насосных штанг содержат совокупность существенных с элементами новизны признаков, отличных от известных заявленных способов.

Из известных источников информации не выявлено использование порядка или совокупности самостоятельно отдельных новых существенных признаков предлагаемых способов по их функциональному назначению и достигаемому результату, что соответствует критерию “изобретательный уровень”.

Пример выполнения

В промышленных условиях на стане 320 из стали марки 30ХМ прокатаны заготовки с внутренним каналом для тела штанги. Согласно нормативным требованиям заготовки подвергли термообработке в процессе прокатки по режиму ВТМО, передали в калибровочный цех на линию ВС-50 для лезвийной обработки, правки, полировки, доводки до требуемого размера и чистоты поверхности, а так же для подготовки торцов пустотелой заготовки к сварке трением с головками.

На стане 450 из стали 20ХН2М и 38Х2МЮА прокатали заготовки для головок штанг. В калибровочном цехе прутки подвергли обточке, правке и порезке на заготовки требуемой длины.

Размеры заготовок в зависимости от типа головки (ГОСТ 13877-80) соответствовали:

- для ШН19 диаметр 38^-0,3_-0,5, длина 95±0,4;

- для ШН22 диаметр 43^-0,3_-0,5, длина 95±0,4.

Изготовление головок штанг по заявленному способу осуществлялось на специально созданном для этой цели комплексе для поперечно-клиновой прокатки цилиндрических заготовок, включающем механизм питания, нагреватель индукционный, вальцы плоскоклиновые, механизмы передачи заготовки (транспортеры), кривошипно-коленчатый чеканный пресс.

Заготовки головок помещали в чашу бункера механизма питания (вместимость до 300 шт.) и с помощью вибратора по спирали лотка они поступали в индуктор нагревателя.

С учетом критических точек для стали марки 20ХН2М, равных Ac₁=740°C, Ас₃=820°С, выбраны напряжения на обмотке генератора (0,60-0,65 кв), установлен цикл выдачи (13-15 сек) и температура заготовки (1130°С-1190°С) для деформационной обработки заготовки на первом этапе в зависимости от типа головок.

Для деформационной проработки всего сечения при формировании профиля и геометрических размеров головок прокатный комплекс был настроен на усилие прокатки и скорость движения инструмента в зависимости от типа головки:

- для ШН22 усилие прокатки 35-40 кг/см², скорость движения ползуна 4 м/мин;

- для ШН19 усилие прокатки 27-30 кг/см², скорость движения ползуна 4 м/мин.

После установления параметров технологического процесса производство головок было переведено на автоматический режим с учетом контроля и осуществления операции на втором этапе при температуре 1070-1000°С и охлаждением сформованной головки на воздухе.

Прокатанные головки подвергали механической обработке, накатывали резьбу, обкатывали зарезьбовую канавку, высверливали внутренний канал и подготавливали торцы к сварке трением с телом штанги.

Изучена структура и проверены свойства металла головок. По всему сечению готовой головки наблюдали мелкозернистую блочную структуру с заданными свойствами.

Сварку тела штанги к головкам осуществляли на машине сварки трением МАСТ-10С по специальным режимам согласно с технологическими параметрами заявленного способа для сварки круглых полых элементов насосных штанг.

После сварки головок к штанге в зоне стыка на наружной поверхности штанги грат удаляли фрезерованием.

Из пустотелых элементов изготовлены сверхпрочные насосные штанги типа ШНП-19 и ШНП-22 с центральным продольным сквозным каналом диаметром 7 и 8 мм, а также шток-штанги.

Готовые насосные штанги прошли все испытания на соответствие требованиям ГОСТ 18877-80, приняты заказчиком, установлены и эксплуатируются в штанговых колоннах на скважине месторождения нефти в северных районах России с повышенной вязкостью и содержанием парафино-смолистых фракций.

Источники информации

1. Патент РФ №2117132.

2. Патент РФ №2048538.

3. Патент РФ №2134305.

4. Патент РФ №2119858.

5. ГОСТ 13877-80.

Формула изобретения

1. Способ производства насосных штанг, включающий раздельную прокатку, термическую и механическую обработку заготовок для тела и головок штанги и их последующее соединение сваркой трением, отличающийся тем, что в качестве тела и головок штанги используют полые элементы из расчета того, что отношение наружного диаметра тела готовой штанги к внутреннему диаметру составляет 1:(0,20-0,40), при этом внутренний канал головки выполняют на заготовках, изготовленных методом поперечно-клиновой прокатки, а соединение головок с телом штанги осуществляют сваркой трением, с сохранением минимально заданного диаметра канала в зоне сварочного стыка, по режиму частота вращения головки 775-1400 об/мин, время нагрева 0,9-6,0 с, время проковки 1,0-3,0 с, суммарная осадка 2,5-8,5 мм.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что формирование тела штанги с внутренним каналом совмещают с горячей прокаткой по режиму ВТМО.

3. Способ производства головок для насосных штанг, включающий подготовку заготовки, ее нагрев, формирование деформацией геометрических размеров и профиля головки, маркировку, механическую обработку, отличающийся тем, что деформационное формирование размеров и профиля головки осуществляют в два этапа, первый – поперечно-клиновая прокатка: быстрый нагрев, поперечная радиальная деформация вращающейся заготовки при температуре аустенизации, равной Ас₃+(150-380)°С, с одновременным формированием головной части, буртов, галтели и конуса, второй - осадка квадрата с маркировкой при температуре аустенизации, равной Ac₁+(150-200)°C.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что после формирования профиля головки осуществляют термическую обработку с прокатного или специального нагрева.

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что после формирования размеров и профиля головки на ней выполняют внутренний канал сверлением.