Підвищення працездатності насосних штанг з полімерних композитних матеріалів

Abstract

Дисертація присвячена питанню підвищення працездатності насосних штанг з полімерних композитних матеріалів (ПКМ) шляхом розроблення нових конструкцій з’єднань, оцінки їх напружено-деформованого стану та вибору умов для забезпечення розсіювання енергії її коливань, а разом з тим і попередження виникнення резонансу. Досліджено вплив дефектів в нових та відпрацьованих штангах з ПКМ на їх напружено-деформований стан. Дана оцінка напружено-деформованому стану з’єднання склопластикового тіла та сталевої головки за умов сумісної дії згину та осьового навантаження. За результатами аналітичних та експериментальних досліджень вдосконалено конструкції з’єднань насосних штанг з метою підвищення ефективності їх експлуатації. Проведені випробування на втому насосних штанг на лабораторному стенді з обертанням при круговому консольному згині. Запропоновано та обгрунтовано використання конструкції клинового з’єднання склопластикового тіла з сталевою головкою насосних штанг з метою збільшення їх довговічності. Запропоновано штангообертач безперервної дії, який дає можливість безперервно обертати колону насосних штанг меншими величинами крутного моменту при її роботі в свердловині.

Диссертация посвящена вопросу повышения работоспособности насосных штанг из полимерных композитных материалов (ПКМ) путем разработки новых конструкций соединений, оценки их напряженно-деформированного состояния и выбора условий для обеспечения рассеивания энергии ее колебаний, а вместе с тем и предупреждения возникновения резонанса. Для этого в работе проведен анализ причин отказов насосных штанг, существующих методик оценки их эффективности и долговечности, усовершенствована методика испытаний насосных штанг для оценки их напряженно-деформированного состояния в эксплуатационных условиях.Исследовано влияние дефектов в новых и отработанных штангах из ПКМ на их напряженно-деформированное состояние. Дана оценка напряженно-деформированного состояния соединения стеклопластикового тела и стальной головки в условиях совместного действия изгиба и осевой нагрузки.По результатам аналитических и экспериментальных исследований усовершенствована конструкция соединения насосных штанг с целью повышения эффективности их эксплуатации. Предложено и обосновано использование конструкции клинового соединения стеклопластикового тела с стальной головкой насосных штанг с целью увеличения их долговечности.Проведено конечно-элементный анализ соединения полимерно-композиционного тела штанги со стальной головкой. В программном комплексе «SolidWorks» было создано 3D модель соединения полимерно-композиционного тела штанги со стальной головкой. К соединению штанги было приложено нагрузку величиной 120 кН, которая соответствует эксплуатационному. Из полученных эпюр напряжений установлено, что в соединении полимерно-композиционного тела штанги со стальной головкой напряжения находятся в допустимых пределах, а, следовательно, использования такого соединения в практике добычи нефти представляется возможным. Проведены испытания на усталость насосных штанг на лабораторном стенде с вращением при круговом консольном изгибе.На основе обработки лабораторных данных впервые получена зависимость количества и длины трещин от величины напряжения изгиба при усталостных испытаниях стеклопластиковых и гибридных насосных штанг и получены характеристики кривых усталости при их циклическом изгибе. Гибридные штанги имеют условную границу усталости при малоцикловой нагрузке путем осевого асимметричного растяжения на базе 10 тыс. циклов в 5 раз выше, чем при циклическом изгибе. Изучены закономерности роста трещин в новых и отработанных штангах из ПКМ при испытании на усталость.Учитывая природу возникновения диссипативных сил и их влияние на динамическое состояние колонны насосных штанг, обоснована возможность определения параметров диссипации колебаний в степенях колонны насосных штанг, учитывая параметры ее компоновки.Путем составления и решения системы уравнений движения условно вертикальной трехступенчатой колонны насосных штанг получены значения коэффициентов диссипации колебаний для ступеней, сформированных из стеклопластиковых и стальных штанг. Установлено, что использование стеклопластиковой ступени вместо стальной, уменьшает ее жесткость примерно в 4 раза, и почти во столько же раз увеличивает коэффициент диссипации колебаний. Полученные результаты исследований позволяют оценить динамическое поведение колонны насосных штанг и установить оптимальные режимы работы ШСНУ с целью недопущения резонанса в реальных условиях эксплуатации.Получила дальнейшее развитие оценка характеристик усталости стеклопластиковых насосных штанг в различных средах. На основании метода акустической эмиссии и полученных результатов оценки выносливости и долговечности насосных штанг на основе усталостных испытаний натурных образцов проведено диагностику и прогнозирование прочности стеклопластиковых насосных штанг. Данная методика акустической эмиссии позволяет организовать неразрушающий контроль штанг при их производстве и во время эксплуатации.Из результатов экспериментов видно, что сигналы АЭ в отработанных на усталость штангах наиболее активно появляются при нагрузке штанги усилием до 50 кН и при этом достигают величин до 220-250 • 10-3 условных единиц, а дальше, по мере роста усилия до 100 кН, затухают и уменьшаются до величин 90-110 • 10-3 условных единиц.Предложено штанговращатель непрерывного действия, который дает возможность непрерывно вращать колонну насосных штанг гораздо меньшими величинами крутящего момента при ее работе в скважине. Модернизация узла привода штанговращателя, установка двух храповых механизмов, обеспечила его непрерывное действие: поворот колонны штанг при движении головки балансира как вниз, так и вверх. Это дает ему большое преимущество над другими механическими штанговращателями, поскольку он вращает колонну непрерывно во время эксплуатации, а не часть его цикла. Это обеспечивает создание значительно меньших напряжений как в штанговращателе, так и в подземном оборудовании ШСНУ в целом.Построен график зависимости угловой скорости штанговращателя (колонны штанг) от угла поворота колонны штанг.

The thesis is devoted to the issue of increasing the workability of sucker rods made of polymer composites by developing new designs of connections, evaluating their stress-strain state and choosing conditions to ensure the dissipation of the energy of its vibrations, and at the same time prevent resonance. The influence of defects in new and worn sucker rods made of composite on their stress-strain state is investigated. This assessment of the stress-strain state of the connection of the fiberglass body and the steel head under the conditions of the combined action of bending and axial load was studed. According to the results of analytical and experimental research, the design of sucker rod joints has been improved in order to increase the efficiency of their operation. To confirm the adequacy of the proposed mathematical model and the correctness of the obtained theoretical results, fatigue tests of sucker rods were carried out on a laboratory bench with rotation with a circular cantilever bending. The use of the wedge joint design of a fiberglass body with a steel head was justified and tested. A continuous rotator has been improved, which makes it possible to continuously rotate the string of sucker rods, which reduces the value of torque when it is working in the well. Based on the processing of laboratory data for the first time, the dependence of the number and length of cracks on the magnitude of bending stress was obtained during fatigue testing of fiberglass and hybrid sucker rods and the fatigue characteristics during cyclic bending of rods were obtained. The evaluation of the endurance characteristics of fiberglass sucker rods materials in various environments has been further developed.