Соединитель для штанг
Изобретение относится к соединителям, выполненным из спинодально-отвержденного медного сплава, используемым для соединения насосных штанг, применяемых в нефтяной и газовой промышленности. Соединитель для насосной штанги содержит спинодально-отвержденный сплав медь-никель-олово, содержащий, мас.%: от около 8 до около 20% никеля и от около 5 до около 11 олова, остальное - медь, причем сплав имеет условный предел текучести при деформации 0,2% по меньшей мере 75 ksi, при этом соединитель сформирован в виде стержня, имеющего первый конец и второй конец с внутренней резьбой на каждом конце одинакового размера, при этом стержень имеет канал, проходящий через него от первого конца ко второму концу, а внутренняя резьба каждого конца расположена в пределах канала. Изобретение относится также к штанговой колонне и насосной станции, в которых элементы соединяются с помощью предложенного соединителя. Предложенное изобретение направлено на повышение стойкости соединителей к повторяющимся нагрузкам и износу трением. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 1 пр., 2 табл., 17 ил.
ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА СВЯЗАННЫЕ ЗАЯВКИ
[0001] Данная заявка претендует на приоритет предварительной патентной заявки США №. 62/008324, поданной 5 июня 2014 г., и предварительной патентной заявки США №62/065275, поданной 17 октября 2014 г. Содержание упомянутых выше заявок включено полностью в данный документ посредством ссылки.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Настоящее изобретение относится к соединителям, выполненным из спинодально-отвержденного медного сплава. Такие соединители пригодны, в особенности, для соединения насосных штанг с целью воздействия на соединение между источником питания и насосом, а также для других соединителей, применяемых в нефтяной и газовой промышленности, таких как полированный соединитель штанг или подсоединитель.
[0003] Устройства для добычи углеводородов, как правило, содержат насос для извлечения углеводородов из подземного резервуара, источник питания для питания насоса и подъемную систему насосных штанг, соединяющую источник питания и насос. Подъемная система насосных штанг содержит множество насосных штанг, соединенных вместе посредством соединителей. Насосные штанги и соединители соединены концами посредством резьбового соединения по типу "pin-and-box". Повреждение резьбовых соединений по причине истирания (износ из-за адгезии между скользящими поверхностями) может нарушать механическую целостность соединения и приводить к разрыву соединения между источником питания и насосом. Помимо этого, подъемная система насосной штанги работает внутри трубопровода. Повреждение трубопровода в результате повторяющегося контакта между наружной поверхностью соединителя и внутренней поверхностью трубопровода могут нарушать механическую целостность трубопровода, что приводит к утечке углеводородов, переносимых трубопроводом, в окружающую среду. Такие утечки в итоге останавливают процесс закачки и зачастую становятся причиной весьма затратных дополнительных операций по устранению таких ситуаций.
[0004] К желаемым характеристикам соединителей насосных штанг и сходных соединителей относятся высокая прочность на разрыв, высокая усталостная прочность, высокая ударная вязкость, стойкость к истиранию и коррозии. Традиционные соединители, как правило, выполнены из стали или никелевых сплавов, не обладающих полным набором предпочтительных внутренних характеристик, особенно стойкостью к истиранию. Для повышения стойкости к истиранию соединителей, выполненных из стали или никелевых сплавов, используют, как правило, дорогостоящие поверхностные обработки, или обрабатывают изнутри трубопровод, внутри которого расположен соединитель. Поверхностная обработка с течением времени изнашивается, и ее приходится периодически в течение срока службы деталей наносить повторно для сохранения эффективности.
[0005] Таким образом, есть потребность в создании новых соединителей штанговых муфт, которым присуща стойкость к истиранию, а также другие желаемые свойства.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0006] Настоящее раскрытие относится к соединителям, выполненным из спинодально-отвержденных медных сплавов, в частности, к соединителям насосных штанг. Раскрытые соединители обладают уникальной комбинацией свойств, включающих в себя высокую прочность на разрыв, высокую усталостную прочность, ударную вязкость, стойкость к истиранию и коррозии. Данная комбинация свойств сдерживает появление разрушающих повреждений соединителей и других компонентов в насосных системах, использующих такие соединители (например, насосные штанги и трубопроводы), обеспечивая при этом механическую функциональность в процессе добычи углеводородов. Это также продлевает полезный срок службы таких компонентов, значительно сокращая затраты на оборудование, используемое при добыче углеводородов. Некоторые из раскрытых здесь соединителей имеют такую форму, что они содержат по меньшей мере одну канавку на своей наружной поверхности, благодаря чему нет помех для потока флюида.
[0007] В данной заявке раскрыты различные варианты осуществления соединителей для насосной штанги, которые содержат спинодально-отвержденный сплав медь-никель-олово, содержащий от около 8 до около 20% массовой доли никеля и от около 5 до около 11% массовой доли олова, остальную часть составляет медь, причем сплав имеет условный предел текучести при деформации 0,2%, составляющий, по меньшей мере, 75 килофунтов на квадратный дюйм (ksi). Соединитель сформирован из стержня, имеющего первый конец и второй конец, причем каждый конец содержит внутреннюю резьбу. Наружная поверхность стержня содержит по меньшей мере одну канавку, проходящую от первого конца ко второму концу.
[0008] Сплав медь-никель-олово может содержать, в частных вариантах осуществления, от около 14,5% массовой доли до около 15,5% массовой доли никеля и от около 7,5% массовой доли до около 8,5% олова, а остальную часть составляет медь. Сплав может иметь условный предел текучести при деформации 0,2%, составляющий, по меньшей мере, 85 килофунтов на квадратный дюйм, или по меньшей мере 90 килофунтов на квадратный дюйм, или по меньшей мере 95 килофунтов на квадратный дюйм.
[0009] В особых вариантах осуществления сплав соединителя может иметь условный предел текучести при деформации 0,2%, составляющий, по меньшей мере, 95 килофунтов на квадратный дюйм, и энергию разрушения образца Шарпи с V-образным надрезом, по меньшей мере, 22 фунта силы на фут (ft-lbs) при комнатной температуре. В альтернативном варианте сплав соединителя может иметь условный предел текучести при деформации 0,2%, составляющий, по меньшей мере, 102 килофунта на квадратный дюйм, и энергию разрушения образца Шарпи с V-образным надрезом, по меньшей мере, 12 фунтов силы на фут при комнатной температуре. В альтернативном варианте соединитель может иметь условный предел текучести при деформации 0,2%, составляющий, по меньшей мере, 120 килофунтов на квадратный дюйм, и энергию разрушения образца Шарпи с V-образным надрезом, по меньшей мере, 12 фунтов силы на фут при комнатной температуре
[0010] Внутренние резьбы на первом конце и втором конце соединителя могут иметь одинаковый размер. В альтернативном варианте, в случае подсоединителя, внутренние резьбы на первом конце и втором конце могут иметь различный размер.
[0011] В некоторых случаях через стержень от первого конца ко второму концу проходит канал, причем внутренняя резьба каждого конца находится в пределах канала. Каждый конец соединителя может также содержать на концевой поверхности зенковку.
[0012] Внутренняя резьба может быть сформирован вальцеванием. Внутренняя резьба соединителя может иметь твердость по шкале С Роквелла (HRC) от около 20 до около 40. Соединитель может быть сформирован путем холодной обработки и спинодального отверждения.
[0013] В некоторых вариантах осуществления соединителя параллельно продольной оси, идущей от первого конца ко второму концу, проходит по меньшей мере одна канавка. В других вариантах осуществления эта по меньшей мере одна канавка проходит от первого конца ко второму концу по спирали или, другими словами, вьется вокруг наружной поверхности. Канавка (канавки) может иметь дугообразное поперечное сечение или четырехугольное поперечное сечение
[0014] В особых вариантах осуществления первый конец и второй конец соединителя сужаются книзу (т.е. диаметр на каждом конце меньше диаметра соединителя посередине). Например, концы могут сужаться линейно или по параболе.
[0015] Также раскрыты штанговые колонны, содержащие: первую штангу и вторую штангу, причем каждая штанга включает в себя конец, имеющий штырь с наружной резьбой; и соединитель, имеющий конструкцию как описано выше. Внутренняя резьба первого конца соединителя является ответной по отношению к наружной резьбе первой штанги, а внутренняя резьба второго конца соединителя является ответной по отношению к наружной резьбе второй штанги. Опять же, соединитель содержит спинодально-отвержденный сплав медь-никель-олово, содержащий от около 8 до около 20% массовой доли никеля и от около 5 до около 11% массовой доли олова, остальную часть составляет медь, сплав имеет условный предел текучести при деформации 0,2%, составляющий, по меньшей мере, 75 килофунтов на квадратный дюйм.
[0016] Также здесь раскрыты насосные системы, содержащие: внутрискважинный насос, источник питания для питания внутрискважинного насоса, и штанговую колонну, расположенную между внутрискважинным насосом и источником питания; причем штанговая колонна содержит первую штангу и вторую штангу, при этом каждая штанга включает в себя конец, имеющий штырь с наружной резьбой, и соединитель, как описано.
[0017] Также здесь раскрыт различные варианты осуществления соединителей для насосной штанги, содержащие спинодально-отвержденный сплав медь-никель-олово, содержащий от около 8 до около 20% массовой доли никеля и от около 5 до около 11% массовой доли олова, остальную часть составляет медь, причем сплав имеет условный предел текучести при деформации 0,2%, составляющий, по меньшей мере, 75 килофунтов на квадратный дюйм.
[0018] Сплав медь-никель-олово может содержать, в более частных вариантах осуществления, от около 14,5% массовой доли до около 15,5% массовой доли никеля и от около 7,5% массовой доли до около 8,5% олова, остальную часть составляет медь. Сплав может иметь условный предел текучести при деформации 0,2%, составляющий, по меньшей мере, 85 килофунтов на квадратный дюйм, или, по меньшей мере, 90 килофунтов на квадратный дюйм, или, по меньшей мере, 95 килофунтов на квадратный дюйм.
[0019] В особых вариантах осуществления сплав соединителя может иметь условный предел текучести при деформации 0,2%, составляющий, по меньшей мере, 95 килофунтов на квадратный дюйм, и энергию разрушения образца Шарпи с V-образным надрезом, по меньшей мере, 22 фунта силы на фут при комнатной температуре. В альтернативном варианте сплав соединителя может иметь условный предел текучести при деформации 0,2%, составляющий, по меньшей мере, 102 килофунтов на квадратный дюйм, и энергию разрушения образца Шарпи с V-образным надрезом, по меньшей мере, 12 фунтов силы на фут при комнатной температуре. В альтернативном варианте соединитель может иметь условный предел текучести при деформации 0,2%, составляющий, по меньшей мере, 120 килофунтов на квадратный дюйм, и энергию разрушения образца Шарпи с V-образным надрезом, по меньшей мере, 12 фунтов силы на фут при комнатной температуре.
[0020] Соединитель может содержать стержень, имеющий первый конец и второй конец, причем каждый конец содержит внутреннюю резьбу. Внутренние резьбы на первом конце и втором конце могут иметь одинаковый размер. В альтернативном варианте, в случае подсоединителя, внутренние резьбы на первом конце и втором конце могут иметь различные размеры.
[0021] В некоторых случаях через стержень от первого конца ко второму концу проходит канал, причем внутренняя резьба каждого конца расположена в пределах канала. Каждый конец соединителя может также содержать на концевой поверхности зенковку.
[0022] Внутренняя резьба может быть сформирована вальцеванием. Внутренняя резьба соединителя может иметь твердость по шкале С Роквелла (HRC) от около 20 до около 40. Соединитель может быть сформирован путем холодной обработки и спинодального отверждения.
[0023] Также здесь раскрыты штанговые колонны, содержащие: первую штангу и вторую штангу, причем каждая штанга включает в себя конец, имеющий штырь с наружной резьбой, и соединитель, включающий в себя стержень, имеющий первый конец и второй конец, при этом каждый конец содержит внутреннюю резьбу, причем внутренняя резьба первого конца соединителя является ответной по отношению к наружной резьбе первой штанги, а внутренняя резьба второго конца соединителя является ответной по отношению к наружной резьбе второй штанги; при этом соединитель содержит спинодально-отвержденный сплав медь-никель-олово, содержащий от около 8 до около 20% массовой доли никеля и от около 5 до около 11% массовой доли олова, остальную часть составляет медь; сплав имеет условный предел текучести при деформации 0,2%, составляющий, по меньшей мере, 75 килофунтов на квадратный дюйм.
[0024] Также здесь раскрыты насосные системы, содержащие: внутрискважинный насос, источник питания для питания внутрискважинного насоса и штанговую колонну, расположенную между внутрискважинным насосом и источником питания, причем штанговая колонна содержит: первую штангу и вторую штангу, при этом каждая штанга включает в себя конец, имеющий штырь с наружной резьбой, и соединитель, включающий в себя стержень, имеющий первый конец и второй конец, при этом каждый конец содержит внутреннюю резьбу, причем внутренняя резьба первого конца соединителя является ответной по отношению к наружной резьбе первой штанги, а внутренняя резьба второго конца соединителя является ответной по отношению к наружной резьбе второй штанги; соединитель содержит спинодально-отвержденный сплав медь-никель-олово, содержащий от около 8 до около 20% массовой доли никеля и от около 5 до около 11% массовой доли олова, остальную часть составляет медь; сплав имеет условный предел текучести при деформации 0,2%, составляющий, по меньшей мере, 75 килофунтов на квадратный дюйм.
[0025] Приведенные выше неограничивающие признаки изобретения раскрыты более подробно ниже.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0026] Далее приведено краткое описании фигур чертежей, представляемых исключительно для иллюстрации примеров осуществления раскрываемого здесь изобретения, без ограничения такового.
[0027] Фиг. 1 представляет собой схематическую иллюстрацию варианта осуществления насосной системы согласно настоящему изобретению.
[0028] Фиг. 2 представляет собой вид в поперечном сечении, иллюстрирующий сцепление соединителя насосных штанг с двумя насосными штангами.
[0029] Фиг. 3А представляет собой вид в поперечном сечении, иллюстрирующий внутреннюю часть соединителя насосных штанг.
[0030] Фиг. 3В представляет собой вид в поперечном сечении, иллюстрирующий внутреннюю часть подсоединителя.
[0031] Фиг. 4 представляет собой вид в плане (т.е. при наблюдении вниз вдоль продольной оси) примера раскрытого здесь соединителя насосных штанг, имеющего четыре канавки на наружной поверхности стержня. Канавки имеют дугообразное поперечное сечение.
[0032] Фиг. 5 представляет собой внешний вид сбоку соединителя при наблюдении вдоль плоскости АА с фиг. 4. Канавки идут параллельно продольной оси, проходящей между двумя концами соединителя. Концы соединителя сужаются линейно.
[0033] Фиг. 6 представляет собой вид в поперечном сечении соединителя при наблюдении вдоль плоскости ВВ с фиг. 4. Этот соединитель содержит зенковку и внутреннюю резьбу.
[0034] Фиг. 7 представляет собой внешний вид сбоку еще одной соединителя при наблюдении вдоль плоскости АА с фиг. 4. Этот соединитель имеет тот же вид в плане, но внешний вид отличается. Здесь концы соединителя сужаются по параболе.
[0035] Фиг. 8 представляет собой вид в плане еще одного раскрытого здесь соединителя насосных штанг, имеющего четыре канавки на наружной поверхности стержня. Канавки имеют спиральное или винтообразное поперечное сечение.
[0036] Фиг. 9 представляет собой внешний вид сбоку соединителя при наблюдении вдоль плоскости СС фиг. 8. Канавки имеют спиральное поперечное сечение, т.е. находятся под углом к продольной оси, проходящей между двумя концами соединителя. Концы соединителя сужаются линейно.
[0037] Фиг. 10 представляет собой вид в плане еще одного раскрытого здесь соединителя насосных штанг, имеющего шесть канавок на наружной поверхности стержня. Канавки имеют четырехугольное поперечное сечение.
[0038] Фиг. 11 представляет собой иллюстрацию одного конца соединителя насосных штанг, выполненного из медного сплава, согласно настоящему раскрытию.
[0039] Фиг. 12 иллюстрирует измеренную твердость поперек внутренней резьбы соединителя, выполненного из медного сплава, согласно настоящему раскрытию (50х).
[0040] Фиг. 13 представляет собой микроснимок с 50-кратным увеличением, иллюстрирующий зернистую структуру резьбы в целом.
[0041] Фиг. 14 представляет собой микроснимок со 100-кратным увеличением, иллюстрирующий зернистую структуру гребня витка резьбы.
[0042] Фиг. 15 представляет собой микроснимок со 100-кратным увеличением, иллюстрирующий зернистую структуру в центре резьбы.
[0043] Фиг. 16 представляет собой микроснимок со 100-кратным увеличением, иллюстрирующий зернистую структуру во впадине резьбы.
[0044] Фиг. 17 представляет собой микроснимок с 200-кратным увеличением, иллюстрирующий зернистую структуру сбоку резьбы.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0045] Более полное понимание компонентов, процессов и устройств, раскрытых в данном документе, может быть получено из рассмотрения прилагаемых чертежей. Эти чертежи дают лишь схематическое представление для удобства и легкости иллюстрации настоящего изобретения, и, соответственно, не предназначены для указания пропорций и размеров устройств или их компонентов и/или для определения или ограничения области патентной охраны раскрытых вариантов осуществления изобретения.
[0046] Хотя в последующем описании для пояснения и используются определенные термины, подразумевается, что эти термины относятся только к конкретным конструкциям вариантов осуществления, выбранным для иллюстрации на фигурах чертежей, и не предназначены для определения или ограничения области патентной охраны настоящего изобретения. Из чертежей и последующего описания должно быть понятно, что сходные номера позиций относятся к компонентам со сходными функциями.
[0047] Если используется грамматическая форма единственного числа, подразумевается также и множественное число, если из контекста явно не следует иное.
[0048] Используемый в описании и в формуле изобретения термин "содержит" может включать в себя варианты "состоит из" и "состоит по существу из." Такие термины, в соответствующей грамматической форме, как "содержащий," "включающий в себя" "имеющий" "может" и подобные им, используемые в данном документе, должны трактоваться в качестве неограничивающих выражений, терминов или формулировок, подразумевающих наличие упомянутых компонентов/этапов, без исключения возможности наличия других компонентов/этапов. Однако, использование в описании таких формулировок как "состоящий из" и "состоящий по существу из" при раскрытии составов или процессов, с перечислением соответствующих компонентов/этапов, подразумевает наличие лишь перечисленных компонентов/этапов, вместе с любыми примесями, которые могут быть их результатом, и исключает другие компоненты/этапы.
[0049] Количественные величины в описании и формуле изобретения по настоящей заявке следует понимать как включающие в себя те же количественные величины, что получаются при округлении до соответствующего количества знаков, и количественные величины, отличающиеся от указанной величины меньше, чем погрешность эксперимента в традиционном способе измерений того типа, что описан в настоящей заявке в качестве используемого для определения этой величины.
[0050] Все раскрытые здесь диапазоны значений включают в себя указанные граничные значения и могут сочетаться независимым образом (например, диапазон "от 2 грамм до 10 грамм" включает в себя как граничные значения 2 грамма и 10 грамм, так и все промежуточные величины).
[0051] Термин "около" может быть использован как содержащий любую количественную величину, которая может варьироваться без изменения базовой функции этой величины. Применительно к диапазону значений термин "около" также раскрывает диапазон значений, определяемый абсолютными величинами двух граничных значений, например "от около 2 до около 4" также раскрывает диапазон значений "от 2 до 4." Термин "около" может относиться к величине плюс или минус 10% указанного числа.
[0052] Настоящее изобретение относится к соединителям, выполненным из спинодально-отвержденного сплава на основе меди. Раскрытые здесь медные сплавы могут быть сплавами медь-никель-олово, сочетающими в себе прочность, пластичность, высокое сопротивление на излом при приложении напряжения и защиту от истирания. В частности, предусмотрено, что соединители представляют собой соединители для механизированной добычи, соединители для насосных штанг или подсоединители, используемые в нефтяной и газовой промышленности, в частности, в системах добычи углеводородов.
[0053] Фиг. 1 иллюстрирует различные части насосной системы 100. Система 100 имеет балансир 122, возвратно-поступательно движущий штанговую колонну 124, содержащую участок 125 полированной штанги. Штанговая колонна 124 подвешена к балансиру для приведения в действие внутрискважинного насоса 126, расположенного на дне скважины 128.
[0054] Балансир 122, в свою очередь, приводится в действие шатуном, совершающим возвратно-поступательные движения под действием плеча 130 кривошипа, управляемого источником питания 132 (например, электрическим двигателем), соединенным с плечом 130 кривошипа посредством понижающей передачи, например, редуктора 134. Источник питания, который может быть трехфазным асинхронным двигателем или синхронным двигателем, используется для приведения в действие насосного модуля. Редуктор 134 преобразует крутящий момент двигателя в низкоскоростной, но высокий крутящий момент привода плеча 130 кривошипа. Плечо 130 кривошипа снабжено противовесом 136, служащим для балансировки штанговой колонны 124, подвешенной к балансиру 122. Уравновешивающая сила может также быть обеспечена воздушным цилиндром, подобному тем, что находятся на станке-качалке с пневматическим амортизатором. Ремневые насосные модули могут использовать противовес, проходящий в противоположном направлении ходу штанги или воздушного цилиндра, для обеспечения уравновешивающей силы.
[0055] Внутрискважинный насос 126 может быть насосом поршневого типа, имеющим плунжер 138, прикрепленный к концу штанговой колонны 124, и цилиндр 140 насоса, прикрепленный к концу трубопровода в скважине 128. Плунжер 138 включает в себя подвижный клапан 142 и неподвижный клапан 144, расположенный на дне цилиндра 140. При движении поршня насоса вверх подвижный клапан 142 закрывается и поднимает флюид, например, нефть и/или воду, находящуюся над плунжером 138, в верхнюю часть скважины, а неподвижный клапан 144 открывается и позволяет дополнительного флюида из месторождения затекать в цилиндр 140 насоса. При движении поршня насоса вниз подвижный клапан 142 открывается, а неподвижный клапан 144 закрывается для подготовки к следующему циклу. Работа насоса 126 контролируется таким образом, что уровень флюида, поддерживаемый в цилиндре 140 насоса, достаточен для удержания нижнего конца штанговой колонны 124 во флюиде на протяжении всего ее хода. Штанговая колонна 124 окружена трубопроводом 111, который, в свою очередь окружен, обсадной трубой 110. Штанговая колонна 124 ниже участка 125 полированной штанги выполнена из насосных штанг, удерживаемых вместе посредством соединителей 123 насосных штанг.
[0056] Фиг. 2 представляет вид сбоку, иллюстрирующий ввод в зацепление, реализуемый между двумя насосными штангами 210, 220 и соединителем насосных штанг. Каждая насосная штанга 210, 220 содержит тело 212, 222 штанги и два конца 214, 224 штанги (для каждой штанги изображен только один конец). Конец штанги содержит снабженный наружной резьбой штырь (или штырь) 216, 226, фланец 218, 228, выполненный с возможностью упора в концевую поверхность соединителя, и приводную головку 219, 229, в зацепление с которой можно ввести инструмент для затяжки и завинчивания насосных штанг.
[0057] Сам соединитель 230 насосных штанг представляет собой стержень 232, имеющий первый конец 234 и второй конец 236, причем каждый конец соответствует концу трубы и имеет внутреннюю резьбу (т.е. гнездо) 238, 240 для сцепления со штырем насосной штанги. Стержень имеет в общем случае цилиндрическую форму, причем его длина больше диаметра. Каждый конец имеет концевую поверхность 235, 237, упирающуюся во фланец насосной штанги. Как проиллюстрировано, через весь стержень от первого конца 234 ко второму концу 236 вдоль продольной оси стержня проходит канал 242. Обе внутренние резьбы 238, 240 расположены на поверхности этого канала, при этом пунктирной линией отмечено место, где два конца встречаются в центре стержня. Здесь обе внутренние резьбы имеют одинаковый размер внутренней резьбы и ответны по отношению к наружным резьбам на насосных штангах. Размеры насосных штанг и различных частей соединителя насосных штанг определяются техническими условиями АНИ (API Specification) 11В, 27 редакция которых была выпущена в мае 2010 г.
[0058] Фиг. 3А представляет собой вид в поперечном сечении соединителя 230 насосных штанг, а фиг. 3В представляет собой вид в поперечном сечении подсоединителя 250. Соединитель 230 насосных штанг фиг. 3А содержит зенковку 252, 254 на каждом концевой поверхности 235, 237. Другими словами, внутренняя резьба не идет по всей длине к концевой поверхности, как на фиг. 2. Здесь обе внутренние резьбы имеют одинаковый размер внутренней резьбы, что обозначено номерами позиций 244, 246. Продольная ось также обозначена линией 260.
[0059] Подсоединитель 250 на фиг. 3В имеет ту же конструкцию, что и соединитель насосных штанг, однако с той разницей, что размер внутренней резьбы первого конца 234 отличается от размера внутренней резьбы второго конца 236, как указано номерами позиций 256, 258. Продольная ось также обозначена линией 260.
[0060] В особых вариантах осуществления соединитель 230 насосных штанг с фиг. 2 и фиг. 3А, и подсоединитель 250 с фиг. 3В имеют по существу гладкие изогнутые наружные поверхности 262 и 264, соответственно. Другими словами, наружный диаметр остается постоянным по длине этих соединителей, так что изогнутые наружные поверхности 262 и 264 единообразны. В особых вариантах осуществления наружный диаметр этих соединителей незначительно больше наружного диаметра насосных штанг.
[0061] Дополнительные варианты таких соединителей раскрыты на фиг. 4-6. В частности, наружный диаметр этих соединителей больше наружного диаметра насосных штанг. Это предотвращает контакт насосных штанг с эксплуатационным трубопроводом (т.е. трубопроводом 111 с фиг. 1), окружающим штанговую колонну. На фиг. 4 представлен вид в плане. На фиг. 5 представлен внешний вид при наблюдении вдоль плоскости АА с фиг. 4. На фиг. 6 представлен вид в поперечном сечении при наблюдении вдоль плоскости ВВ с фиг. 4.
[0062] Как показано на фиг. 4, соединитель 430 сформирован из стержня 432. Поперечное сечение стержня имеет в целом круглую форму, причем канал 442 проходит через весь стержень вдоль продольной оси. Наружная поверхность 462 стержня имеет по меньшей мере одну канавку. В данном случае изображено четыре канавки 471, 472, 473, 474. Стержень имеет внутренний диаметр 425, также соответствующий диаметру канала, и стержень также имеет наружный диаметр 427. Каждая канавка имеет глубину 475, измеренную относительно наружного диаметра стержня. Каждая канавка может иметь любую необходимую глубину, причем может быть любое количество канавок при условии, что остается достаточно материала стержня для поддержания штанг, присоединенных к соединителю. В особых вариантах осуществления соотношение глубины 475 канавки составляет не более половины разницы между наружным диаметром 427 и внутренним диаметром 425. В особых вариантах осуществления имеется множество канавок, которые в целом равномерно разнесены по периметру стержня.
[0063] Предусмотрено, что в предпочтительном варианте с любой лифтовой колонной контактирует соединитель, а не насосные штанги, для сокращения износа насосных штанг. Одним из средств достижения этого является повышение наружного диаметра соединителя насосных штанг. Однако это может препятствовать потоку флюида внутри лифтовой колонны. Наличие канавок создает канал для потока флюида, сокращая площадь поперечного сечения соединителя и сокращая любое препятствие потоку флюида из-за использования соединителя.
[0064] Как показано на внешнем виде с фиг. 5, соединитель имеет первый конец 434 и второй конец 436, а также среднюю часть 428. Первый конец 434 и второй конец 436 сужаются книзу, т.е. диаметр в средней части 428 больше диаметра на каждом конце соединителя. Здесь термин "сужаются" относится только к уменьшению диаметра от средней части к каждому концу, и не характеризует конкретную реализацию изменения диаметра. На фиг. 5 концы стержня сужаются линейно, т.е. по прямой линии. Также видны канавки 471 и 472. Продольная ось 460 также изображена для информации (пунктирная линия).
[0065] Как показано на виде в поперечном сечении с фиг. 6, каждый конец соединителя 434, 436 соответствует концу трубы и имеет внутреннюю резьбу (т.е. гнездо) 438, 440 для сцепления со штырем насосной штанги. Каждый конец имеет концевую поверхность 435, 437, упирающуюся во фланец насосной штанги. Канал 442 проходит через весь стержень от первого конца 434 ко второму концу 436 вдоль продольной оси 460 стержня. Обе внутренние резьбы 438, 440 расположены на поверхности канала. Здесь обе внутренние резьбы имеют одинаковый размер внутренней резьбы. На каждом конце 434, 436 находится зенковка 452, 454, причем внутренняя резьба не проходит по всей длине к концевой поверхности.
[0066] На фиг. 7 представлен еще один вариант осуществления соединителя насосных штанг. Здесь соединитель 430 имеет такой же вид в плане, как проиллюстрирован на фиг. 4, однако концы 434, 436 сужаются не линейно, а по параболе. Переход от средней части к каждому концу происходит по дуге, если смотреть сбоку. При этом все еще видны канавки 471 и 472.
[0067] Фиг. 8 и фиг. 9 иллюстрируют еще один аспект настоящего изобретения. На фиг. 8 представлен вид в плане, а на фиг. 9 - вид сбоку при наблюдении вдоль плоскости СС с фиг. 8. Здесь канавки не параллельны продольной оси 460. Напротив, канавки 471, 472 идут по спирали от первого конца 434 ко второму концу 436 или, другими словами, от одной стороны периметра к другой стороне периметра, аналогично резьбе винта. Расстояние вдоль продольной оси, которое покрывается одним полным оборотом канавки (также называемым витком), может варьироваться по необходимости.
[0068] Наконец, фиг. 10 иллюстрирует еще один аспект настоящего изобретения. Поперечное сечение канавки может варьироваться по необходимости, опять же при условии, что остается достаточно материала стержня 430 для поддержки штанг, присоединенных к соединителю. Здесь на фиг. 10 канавка 471 имеет четырехугольное поперечное сечение, образованное с трех сторон 481, 482, 483 (четвертой стороной является периметр стержня, обозначенный пунктирной линией). Наоборот, канавки с фиг. 4 имеют дугообразное поперечное сечение.
[0069] В целом, медный сплав, используемый для формирования соединителей согласно изобретению, был подвергнут холодной обработке перед повторным нагревом для воздействия на спинодальный распад микроструктуры. Холодной обработкой называется процесс механического изменения формы или размера металла посредством пластической деформации. Это можно осуществить путем прокатки, протяжки, прессования, выдавливания, штамповки или развальцовки металла или сплава. Когда металл претерпевает пластическую деформацию, в материале возникают дислокации атомов. В частности, дислокации возникают поперек или внутри зерен металла. Дислокации перекрываются друг с другом и плотность дислокаций в материале возрастает. Увеличение перекрывающихся дислокаций затрудняет движение последующих дислокации. Это повышает твердость и прочность на растяжение полученного сплава, сокращая при этом в общем случае пластичность и ударные характеристики сплава. Холодная обработка также улучшает качество поверхности сплава. Механическая холодная обработка в общем случае выполняется при температуре ниже точки повторной кристаллизации сплава и обычно осуществляется при комнатной температуре.
[0070]. Спинодальное старение/распад представляет собой процесс, в результате которого различные компоненты могут выделяться в отдельные области или микроструктуры с различными химическими составами и физическими свойствами. В частности, кристаллы с рыхлым составом в центральной области фазовой диаграммы претерпевают разделение. Результатом описанного здесь спинодального распада на поверхностях сплавов является отверждение поверхности.
[0071] Структуры спинодальных сплавов получают из однородных двухфазных смесей, изготавливаемых разделением первоначальных фаз при определенных температурах и составах, называемых областью несмешиваемости, достигаемой при повышенной температуре. Фазы сплава спонтанно распадаются на другие фазы, для которых кристаллическая структура остается той же, но атомы в структуре модифицированы, оставаясь при этом сходного размера. Спинодальное отверждение повышает предел текучести основного металла и обеспечивает высокую степень однородности состава и микроструктуры.
[0072] Спинодальные сплавы, в большинстве случаев, демонстрируют аномалию в своей фазовой диаграммы, называемую областью несмешиваемости. В пределах относительно небольшого диапазона температур области несмешиваемости возникает атомное упорядочение в структуре существующей кристаллической решетки. Полученная двухфазная структура является стабильной при температурах значительно ниже области несмешиваемости.
[0073] Применяемый здесь сплав медь-никель-олово в общем случае содержит от около 9,0% массовой доли до около 15,5% массовой доли никеля и от около 6,0% массовой доли до около 9,0% массовой доли олова, остальную же часть составляет медь. Этот сплав можно отвердить и из него легче сформировать продукты с высоким пределом текучести, применимые для различных промышленных и коммерческих целей. Данный высококачественный сплав призван обеспечивать свойства, сходные со свойствами сплавов медь-бериллий.
[0074] В частности, описанные здесь сплавы медь-никель-олово содержат от около 9% массовой доли до около 15% массовой доли никеля и от около 6% массовой доли до около 9% массовой доли олова, остальную часть составляет медь. В более конкретных вариантах осуществления изобретения сплавы медь-никель-олово содержат от около 14,5% массовой доли до около 15,5% никеля, и от около 7,5% массовой доли до около 8,5% массовой доли олова, остальную часть составляет медь.
[0075] Трехкомпонентные спинодальные сплавы медь-никель-олово обладают выгодным сочетанием свойств, такими как высокая прочность, превосходные трибологические характеристики, а также высокая устойчивость к коррозии в морской воде и кислых средах. В результате спинодального распада в сплаве медь-никель-олово может повышаться предел текучести основного металла.
[0076] Медный сплав может содержать бериллий, никель и/или кобальт. В некоторых вариантах осуществления медный сплав содержит от около 1 до около 5% массовой доли бериллия и совокупность кобальта и никеля в диапазоне от около 0,7 до около 6% массовой доли. В особых вариантах осуществления сплав содержит около 2% массовой доли бериллия и около 0,3% массовой доли кобальта и никеля. Другие варианты осуществления медного сплава могут содержать бериллий в диапазоне между примерно 5 и 7% массовой доли.
[0077] В некоторых вариантах осуществления медный сплав содержит хром. Хром может составлять меньше около 5% массовой доли сплава, включая от около 0,5% массовой доли до около 2,0% массовой доли или от около 0,6% массовой доли до около 1,2% массовой доли хрома.
[0078] В некоторых вариантах осуществления медный сплав содержит кремний. Кремний может составлять меньше 5% массовой доли, включая от около 1,0% массовой доли до около 3,0% массовой доли или от около 1,5% массовой доли до около 2,5% массовой доли кремния.
[0079] Описанные здесь сплавы опционально содержат малые количества добавок (например, железо, магний, марганец, молибден, ниобий, тантал, ванадий, цирконий и их смеси). Добавки могут составлять до 1% массовой доли, предпочтительно до 0,5% массовой доли. Кроме того, могут присутствовать малые количества естественных примесей. Могут присутствовать малые количества других добавок, например алюминий и цинк. Присутствие дополнительных элементов может влиять на дальнейшее повышение прочности полученного сплава.
[0080] В некоторых вариантах осуществления во время формирования первоначального сплава добавляют некоторое количество магния с тем, чтобы сократить в сплаве содержание кислорода. Образуется оксид магния, который может быть удален из массы сплава.
[0081] В особых вариантах осуществления внутренняя резьба соединителя формируется вальцеванием, а не нарезкой. Данный процесс демонстрирует удлинение зерен на наружной поверхности резьбы. Было обнаружено, что вальцованная резьба устойчива к повреждению, поскольку разрушение при срезе должно происходить поперек зерна, а не в зерне. Данный процесс холодной обработки также обеспечивает дополнительную прочность и сопротивление усталости. В результате внутренняя резьба может иметь твердость по шкале С Роквелла (HRC) от около 20 до около 40. Твердость HRC может варьироваться по длине резьбы, поэтому не следует трактовать данный признак как то, что вся резьба должна иметь одну и ту же твердость HRC. В особых вариантах осуществления HRC резьбы составляет минимум 22. Наружная поверхность резьбы может иметь HRC, по меньшей мере, 35.
[0082] Сплавы, используемые для изготовления раскрытых здесь соединителей могут иметь условный предел текучести при деформации 0,2%, составляющий, по меньшей мере, 75 килофунтов на квадратный дюйм, включая, по меньшей мере, 85 килофунтов на квадратный дюйм или, по меньшей мере, 90 килофунтов на квадратный дюйм или, по меньшей мере, 95 килофунтов на квадратный дюйм.
[0083] Сплавы, используемые для изготовления раскрытых здесь соединителей, могут иметь комбинацию условного предела текучести при деформации 0,2% и энергию разрушения образца Шарпи с V-образным надрезом при комнатной температуре как показано ниже в таблице 1. Эти комбинации уникальны для раскрытых здесь медных сплавов. Тестовые образцы, использованные для выполнения этих измерений, были ориентированы в продольном направлении. Приведенные величины являются минимальными величинами (т.е., по меньшей мере, приведенная величина), и желательно, чтобы величина смещенного предела текучести и энергия разрушения образца Шарпи с V-образным надрезом превышали приведенные здесь комбинации. Другими словами, сплавы имеют комбинацию условного предела текучести при деформации 0,2% и энергию разрушения образца Шарпи с V-образным надрезом при комнатной температуре, которая равна приведенной здесь величине или превышает ее.
[0084] Таблица 2 иллюстрирует свойства еще одного примера осуществления сплава на основе меди, подходящего согласно настоящему раскрытию для использования в соединителе насосных штанг или подсоединителе.
[0085] Раскрытые здесь соединители штанг могут быть изготовлены с использованием известных из уровня техники технологий литья и/или формования.
[0086] Соединители, выполненные из подвергаемых спинодальному распаду медных сплавов уникальны в отношении высокой прочность на растяжение и усталостной прочности, сочетающихся с высокой вязкостью разрушения, стойкостью к истиранию и коррозийной устойчивостью. Такая уникальная комбинация свойств позволяет соединителям соответствовать базовым требованиям к механическим и коррозионным характеристикам, надежно защищая при этом компоненты системы от повреждения истиранием, что значительно увеличивает срок службы системы и уменьшает риск непредвиденного нарушения работы.
[0087] Еще один тип соединителя для механизированной добычи используется в ведущем вале насоса механизированной добычи, питаемого посредством погружного электрического двигателя, который расположен в канале скважины или же снаружи канала скважины. Соединители используются для соединения сегментов ведущего вала насоса и присоединения ведущего вала к двигателю и рабочему колесу насоса. Эти соединители также содержат замковый паз для обеспечения прочного соединения между частями. Наличие замкового паза может повышать местное напряжение и является потенциальным источником возникновения трещин под действием скручивающей нагрузки, особенно при запуске двигателя. Такой недостаток можно скорректировать, используя раскрытые здесь медные сплавы, которые имеют высокое сопротивление к образованию трещин.
[0088] Для иллюстрации раскрытых здесь соединителей, процессов и свойств согласно настоящему изобретению приводятся следующие примеры. Примеры несут лишь иллюстративный характер и не предназначены ограничения настоящего изобретения материалами, условиями или параметрами процессов, перечисленными в данном документе.
ПРИМЕРЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[0089] Два соединителя насосных штанг были выполнены из спинодально-отвержденного медного сплава. Медный сплав содержал 15,1% массовой доли никеля, 8,2% массовой доли олова, 0,23% массовой доли марганца, при этом менее 0,05% массовой доли Nb, менее 0,02% массовой доли Zn и Fe и менее 0,01% массовой доли Mg и Pb. Медный сплав имел условный предел текучести при деформации 0,2%, составляющий 102 килофунта на квадратный дюйм, и предел прочности на растяжение 112 килофунтов на квадратный дюйм. Соединитель имел номинальный размер 1 дюйм согласно Техническим условиям АНИ 11 В. Резьбы были сформированы вальцеванием с использованием метчика. Фиг. 11 иллюстрирует один конец соединителя.
[0090] Было проведено испытание на разрушение. Образец был распилен пополам, резьба была установлены и отполирована для анализа. В различных местах образца было проведено испытание на твердость. Фиг. 12 иллюстрирует измеренные величины. Измеренная твердость по Виккерсу (HV) приведена сверху, а твердость по шкале С Роквелла (HRC) - снизу (преобразованная из HV). Можно видеть, что твердость HRC варьируется от сравнительно низкого значения 21,7 изнутри резьбы до высокого 38,7 на наружной поверхности резьбы. Все значения твердости HRC на наружной поверхности резьбы были выше 35. Средний размер зерна составлял 23 микрона. Зерна были удлиненными на наружной поверхности резьбы.
[0091] На фиг. 13-17 представлены различные микроснимки образца. На фиг. 13 представлен микроснимок с 50-кратным увеличением, иллюстрирующий зернистую структуру резьбы в целом. На фиг. 14 представлен микроснимок со 100-кратным увеличением, иллюстрирующий зернистую структуру гребня витка резьбы. На фиг. 15 представлен микроснимок со 100-кратным увеличением, иллюстрирующий зернистую структуру в центре резьбы. На фиг. 16 представлен микроснимок со 100-кратным увеличением, иллюстрирующий зернистую структуру во впадине резьбы. На фиг. 17 представлен микроснимок с 200-кратным увеличением, иллюстрирующий зернистую структуру сбоку резьбы.
[0092] Следует отметить, что варианты раскрытых выше, а также других признаков и функций или же их альтернатив могут быть скомбинированы во множестве различных других систем и для других целей. Из данного раскрытия для специалистов будут очевидны различные ранее неизвестные или непредусмотренные альтернативные им варианты, модификации и изменения, которые также рассматриваются как входящие в область правовой охраны, которая определяется приведенной далее формулой изобретения.
1. Соединитель для насосной штанги, содержащий спинодально-отвержденный сплав медь-никель-олово, содержащий от около 8 до около 20% массовой доли никеля и от около 5 до около 11% массовой доли олова, остальную часть составляет медь, при этом сплав имеет условный предел текучести при деформации 0,2%, составляющий, по меньшей мере, 75 килофунтов на квадратный дюйм (ksi), при этом соединитель сформирован из стержня, имеющего первый конец и второй конец, при этом каждый конец содержит внутреннюю резьбу; внутренние резьбы на первом конце и втором конце имеют одинаковые размеры, причем имеется канал, идущий через стержень от первого конца ко второму концу, и внутренняя резьба каждого конца расположена в пределах канала.
2. Соединитель по п. 1, в котором спинодально-отвержденный сплав медь-никель-олово содержит от около 14,5 до около 15,5% массовой доли никеля и от около 7,5% массовой доли до около 8,5% олова, остальную часть составляет медь.
3. Соединитель по п. 1, в котором сплав имеет условный предел текучести при деформации 0,2%, составляющий по меньшей мере 85 килофунтов на квадратный дюйм.
4. Соединитель по п. 1, в котором сплав имеет условный предел текучести при деформации 0,2%, составляющий по меньшей мере 95 килофунтов на квадратный дюйм.
5. Соединитель по п. 1, в котором сплав имеет условный предел текучести при деформации 0,2%, составляющий по меньшей мере 95 килофунтов на квадратный дюйм, и энергию разрушения образца Шарпи с V-образным надрезом, составляющую по меньшей мере 22 фунта силы на фут (ft-lbs) при комнатной температуре.
6. Соединитель по п. 1, в котором сплав имеет условный предел текучести при деформации 0,2%, составляющий по меньшей мере 102 килофунта на квадратный дюйм, и энергию разрушения образца Шарпи с V-образным надрезом, составляющую, по меньшей мере, 12 фунтов силы на фут при комнатной температуре.
7. Соединитель по п. 1, в котором сплав имеет условный предел текучести при деформации 0,2%, составляющий по меньшей мере 120 килофунтов на квадратный дюйм, и энергию разрушения образца Шарпи с V-образным надрезом, составляющую по меньшей мере 12 фунтов силы на фут при комнатной температуре.
8. Соединитель по п. 1, в котором каждый конец на поверхности конца дополнительно содержит зенковку.
9. Соединитель по п. 1, в котором внутренняя резьба имеет твердость по шкале С Роквелла (HRC) от около 20 до около 40.
10. Соединитель по п. 1, в котором наружная поверхность стержня содержит по меньшей мере одну канавку, проходящую от первого конца ко второму концу.
11. Соединитель по п. 10, в котором по меньшей мере одна канавка идет параллельно продольной оси, проходящей от первого конца ко второму концу.
12. Соединитель по п. 10, в котором по меньшей мере одна канавка идет по спирали от первого конца ко второму концу.
13. Соединитель по п. 10, в котором по меньшей мере одна канавка имеет дугообразное поперечное сечение или четырехугольное поперечное сечение.
14. Соединитель по п. 10, в котором первый конец и второй конец соединителя сужаются книзу линейно или по параболе.
15. Штанговая колонна, содержащая:
первую штангу и вторую штангу, причем каждая штанга включает в себя конец, имеющий штырь с наружной резьбой; и
соединитель, включающий в себя стержень, имеющий первый конец и второй конец, при этом каждый конец содержит внутреннюю резьбу, при этом внутренние резьбы на первом конце и втором конце имеют одинаковые размеры, причем имеется канал, идущий через стержень от первого конца ко второму концу, при этом внутренняя резьба каждого конца расположена в пределах канала;
причем внутренняя резьба первого конца соединителя является ответной по отношению к наружной резьбе первой штанги, а внутренняя резьба второго конца соединителя является ответной по отношению к наружной резьбе второй штанги; при этом
соединитель содержит спинодально-отвержденный сплав медь-никель-олово, содержащий от около 8 до около 20% массовой доли никеля и от около 5 до около 11% массовой доли олова, остальную часть составляет медь, причем сплав имеет условный предел текучести при деформации 0,2%, составляющий по меньшей мере 75 килофунтов на квадратный дюйм (ksi).
16. Насосная система, содержащая:
внутрискважинный насос;
источник питания для питания внутрискважинного насоса и
штанговую колонну, расположенную между внутрискважинным насосом и источником питания;
причем штанговая колонна содержит:
первую штангу и вторую штангу, при этом каждая штанга включает в себя конец, имеющий штырь с наружной резьбой;
соединитель, включающий в себя стержень, имеющий первый конец и второй конец, при этом каждый конец содержит внутреннюю резьбу, при этом внутренние резьбы на первом конце и втором конце имеют одинаковые размеры, причем имеется канал, идущий через стержень от первого конца ко второму концу, при этом внутренняя резьба каждого конца расположена в пределах канала;
причем внутренняя резьба первого конца соединителя является ответной по отношению к наружной резьбе первой штанги, а внутренняя резьба второго конца соединителя является ответной по отношению к наружной резьбе второй штанги; при этом
соединитель содержит спинодально-отвержденный сплав медь-никель-олово, содержащий от около 8 до около 20% массовой доли никеля и от около 5 до около 11% массовой доли олова, остальную часть составляет медь, причем сплав имеет условный предел текучести при деформации 0,2%, составляющий по меньшей мере 75 килофунтов на квадратный дюйм (ksi).
