Насосные штанги обычно изготавливаются из стали или другого квалифицированного материала. Тонкие сплошные стержни механически соединяют наземный привод со скважинным насосом. Резьбовые концы и муфты образуют колонну; стандартные секции — 25 и 30 ft. Привод возвратно-поступательно перемещает полированный шток и колонну, передавая движение вниз для работы насоса.
Штанга не имеет канала для жидкости и сама не является насосом. Жидкость поднимает скважинный насос; колонна — механический привод и несущая связь. Применение охватывает обычные, глубокие, высоконагруженные и наклонные скважины и другие системы с циклической передачей движения. Конфигурацию выбирают по глубине, насосу, диаметру, классу, соединениям, зазору и реальной эксплуатации.
Характеристики и размеры насосных штанг
API Spec 11B задаёт основные размеры, материалы, соединения и эксплуатационные требования. Полная спецификация включает материал/класс, номинальный диаметр тела, стандартную длину, ниппель и совместимую муфту.
Размер — не только геометрия: диаметр меняет площадь, вес и зазор, класс — прочность под нагрузку. Размер, класс и соединение оценивают совместно для скважины.
| Пункт спецификации | Типичное требование |
|---|---|
| Изделие | Насосная штанга |
| Стандарт | API Spec 11B |
| Основная конструкция | Сплошное стальное тело с коваными резьбовыми концами |
| Распространённые размеры тела | 5/8 in, 3/4 in, 7/8 in, 1 in, 1-1/8 in |
| Дополнительный размер | 1-1/4 in |
| Стандартная длина | 25 ft (7.62 m), 30 ft (9.14 m) |
| Типичные классы | C, K, D, KD, HL, HY |
| Соединение | Ниппель с упорным торцом и соответствующей муфтой |
| Назначение колонны | Возвратно-поступательная штанговая добыча |
| Связанные компоненты | Муфты, укороченные штанги, полированные штоки, утяжелённые штанги и направляющие |
5/8–1-1/4 in. охватывают обычные диаметры. Меньший снижает вес, больший увеличивает площадь для осевой нагрузки. Учитывают также зазор, диаметр муфты и накопленную нагрузку каждого участка.
Распространённые диаметры
Напряжение — сила/площадь: при той же силе больший диаметр снижает его. Однако он добавляет вес и уменьшает зазор. Выбор балансирует способность, общий вес и пространство НКТ.
| Номинальный размер штанги | Диаметр тела | Номинальная площадь сечения | Пример напряжения при 10 klbf* | Типичный критерий выбора |
|---|---|---|---|---|
| 5/8 in | 15.88 mm | 0.307 in² / 198 mm² | 32.6 ksi | Меньше вес, больше напряжение при той же силе |
| 3/4 in | 19.05 mm | 0.442 in² / 285 mm² | 22.6 ksi | Распространённый меньший/средний размер |
| 7/8 in | 22.23 mm | 0.601 in² / 388 mm² | 16.6 ksi | Баланс площади, веса и зазора |
| 1 in | 25.40 mm | 0.785 in² / 507 mm² | 12.7 ksi | Больше площадь для большей нагрузки участка |
| 1-1/8 in | 28.58 mm | 0.994 in² / 641 mm² | 10.1 ksi | Увеличенное сечение для повышенной способности тела |
| 1-1/4 in | 31.75 mm | 1.227 in² / 792 mm² | 8.1 ksi | Крупный вариант; наличие зависит от класса и конструкции |
Запасы и доступность
Octal поддерживает выбранные размеры, классы и длины для проектов и замен. Запас учитывает полную конфигурацию: диаметр, класс, длину и соединение. 25 и 30 ft поставляются с муфтами; другие сочетания планируются по проекту.
| Размер штанги | Класс | Стандартная длина | Муфта / соединение | Пример количества (шт.) |
|---|---|---|---|---|
| 5/8 in | Класс C | 25 ft | Соответствующая муфта | 140 |
| 3/4 in | Класс D | 25 ft | Соответствующая муфта | 130 |
| 7/8 in | Класс D | 25 ft | Полноразмерная муфта | 120 |
| 7/8 in | Класс HL | 30 ft | Полноразмерная муфта | 95 |
| 1 in | Класс D | 30 ft | Соответствующая муфта | 85 |
| 1 in | Класс HL | 30 ft | Соответствующая муфта | 70 |
| 1-1/8 in | Класс HL | 30 ft | Заданная муфта | 55 |
| 1-1/4 in | Класс по проекту | 30 ft | Соединение требует подтверждения | 40 |
Доступность и взаимозаменяемость оценивают по полной конфигурации, а не телу. Класс, длина, ниппель, муфта и совместимость сохраняются, особенно при разных диаметрах или ступенчатой колонне.
Типы насосных штанг
Конструкции различаются для разных условий откачки. Стальные штанги распространены благодаря жёсткости, надёжной резьбе и широкому выбору. Стеклопластиковые уменьшают вес или повышают коррозионную стойкость; непрерывные уменьшают число муфт и требуют специального оборудования спуска и обслуживания.
| Тип штанги | Конструкция | Главная инженерная характеристика | Важный критерий |
|---|---|---|---|
| Стальная насосная штанга | Сплошная сталь с формованными/коваными концами и резьбой | Высокая жёсткость и устоявшаяся система API | Нагрузка, класс, усталость, коррозия и зазор |
| Стеклопластиковая штанга | Армированный волокном композит с металлическими концами | Малая удельная масса и стойкость ко многим коррозионным средам | Растяжение/сжатие, концевое крепление и скважина |
| Непрерывная штанга | Длинная непрерывная сталь вместо составных 25/30 ft | Значительно меньше промежуточных муфт | Специальный спуск, геометрия и обслуживание |
Стальная насосная штанга
Стальная штанга — обычный выбор. Сплошное тело, кованые/высаженные концы, грани, ниппели и муфты дают жёсткость и стандартные соединения. По сравнению со стеклопластиком и непрерывной штангой проще подбор диаметра/класса и сборка равномерной или ступенчатой колонны по нагрузке.
Компромисс — вес: сталь даёт растягивающую способность и соединения, но глубина увеличивает подвешенную нагрузку верхних участков. Выбор учитывает диаметр, класс, усталость, коррозию и зазор.
Стеклопластиковая штанга
Стеклопластиковая штанга — армированный композит с металлическими наконечниками. Меньший вес и иная коррозионная реакция снижают накопленную нагрузку глубоких скважин и улучшают пригодность к некоторым средам.
Стеклопластик гибче стали и иначе работает при растяжении/сжатии. Прямая замена один к одному невозможна без учёта упругости, наконечников, нагрузки и эксплуатации.
Непрерывная штанга
Непрерывная штанга заменяет множество секций 25/30 ft с муфтами. Меньше соединений означает меньше контактных точек муфт и повторных затяжек.
Она требует специального перемещения, спуска и сервиса. Пригодность сильнее зависит от геометрии скважины, монтажа, поверхностного оборудования и обслуживания, не только класса и диаметра.
Классы и механические свойства
Класс определяет свойства и состояние материала. Диаметр задаёт площадь и напряжение от силы; класс — текучесть, прочность и запас пластичности для повторных циклов. Выбор отражает нагрузку, среду и конфигурацию, а не изолированное обозначение прочности.
Типичные классы
Обычные классы достаточны для нормальной нагрузки; легированные и высокопрочные повышают запас глубоких скважин, тяжёлого насоса и циклов. Учитывают напряжения и среду, а не только прочность.
| Класс / семейство | Типичные механические свойства | Материал / обработка | Типичная эксплуатация |
|---|---|---|---|
| Класс C | Текучесть ≥ 90 ksi; прочность 100–115 ksi | Углеродистая сталь с управляемой обработкой | Обычная откачка, умеренная нагрузка |
| D / DA | Текучесть около 100 ksi минимум; прочность 115–140 ksi | Легированная, обычно нормализация/отпуск или закалка/отпуск по конструкции | Средние и повышенные нагрузки |
| KD / DS | Более прочный легированный класс; пределы по квалифицированному материалу | Ni-Cr-Mo или другие системы для вязкости и эксплуатации | Средние нагрузки с дополнительным запасом по усталости/коррозии |
| HA / HS | Прочность обычно 140–155 ksi; текучесть обычно минимум 115 ksi или выше по классу | Высокопрочная легированная сталь с контролируемой обработкой | Глубокие и высоконагруженные колонны |
| HY | Высокопрочная конструкция с поверхностным упрочнением | Индукционно закалённая поверхность, более вязкая сердцевина | Очень высокие нагрузки и тяжёлые циклы при квалифицированной HY |
C применяют без потребности в высокопрочном сплаве; D и KD — более прочные легированные варианты; HA, HS, HY — последовательно большая механическая потребность. Выбор зависит также от диаметра, нагрузки, глубины, коррозии и позиции. Класс не заменяет правильный размер и соединение.
Текучесть задаёт запас до остаточной деформации, удлинение и сужение — деформацию до разрушения. Одной прочности недостаточно; при повторном растяжении равно важна усталость.
Изготовление и принцип работы
Как изготавливают стальные штанги?
Круглый пруток выбирают по составу и свойствам класса, режут по длине, локально нагревают оба конца и высаживают для торца, граней и резьбы, сохраняя тонкое сплошное тело. Термообработка развивает прочность/вязкость, правка — соосность полной длины. Концы обрабатывают и формируют или нарезают резьбу. Финальные размеры, прямолинейность и резьба подтверждают сборку колонны.
Типичная последовательность:
Подготовка прутка → Ковка концов → Термообработка → Правка → Обработка концов → Резьба → Окончательный контроль и защита
| Этап изготовления | Главный контроль | Инженерная цель |
|---|---|---|
| Подготовка прутка | Состав, диаметр и поверхность | Материальная основа класса и свойств |
| Ковка концов | Высадка, геометрия и переход | Увеличенный конец с плавным переходом в тонкое тело |
| Термообработка | Температурный цикл и конечное состояние | Сочетание прочности, вязкости и усталостной стойкости |
| Правка | Соосность полной длины | Контроль изгиба и лишнего контакта с НКТ |
| Обработка концов | Торец ниппеля, грани и размеры | Геометрия затяжки и перемещения |
| Изготовление резьбы | Профиль, шаг, размеры и поверхность | Совместимый ниппель для передачи циклов через муфту |
| Окончательный контроль и защита | Размеры, прямолинейность, калибры, поверхность и протекторы | Проверка до хранения, перевозки и сборки |
Переход важен: нагрузка тонкого тела проходит к увеличенному концу, затем ниппелю и муфте. Плавный профиль и точные ниппель/резьба сохраняют путь нагрузки. Обработка и прямолинейность определяют стабильность повторного растяжения.
Как работает штанговый насос?
Наземный привод превращает вращение в движение вверх/вниз. Полированный шток передаёт его колонне внутри НКТ, соединённой с плунжером, для повторных циклов.
В плунжере обычно движущийся нагнетательный клапан, внизу цилиндра — неподвижный всасывающий. Они поочерёдно открываются, впуская пластовую жидкость и направляя её в НКТ. Штанга не переносит жидкость: она передаёт движение и нагрузку насосу.
Цикл имеет ход вверх и вниз; клапаны меняют состояние для поступления и подъёма жидкости.
Ход вверх
Привод поднимает шток, колонну и плунжер. Нагнетательный клапан закрыт: жидкость над плунжером поднимается по НКТ. Снижение давления снизу открывает всасывающий клапан, впуская пластовую жидкость.
Ход вниз
Колонна опускает плунжер. Всасывающий клапан закрывается, исключая возврат в пласт. Давление снизу открывает нагнетательный клапан, пропуская жидкость сквозь плунжер вверх. Следующий ход поднимает её дальше.
Повторение ходов впускает жидкость в цилиндр и постепенно поднимает по НКТ к поверхности.
Соединения штанг и размеры муфт
Ниппели и муфты соединяют колонну. Циклическая сила проходит тело, переход, конец, торец и резьбу в муфту и следующую штангу. Более крупные концы/муфты определяют зазор и выбор, особенно при ограниченном проходе НКТ.
Типичные размеры полноразмерных муфт
| Номинальный размер штанги | Типичный наружный диаметр | Типичная длина муфты |
|---|---|---|
| 5/8 in | 1.500 in / 38.10 mm | 4.0 in / 101.6 mm |
| 3/4 in | 1.625 in / 41.28 mm | 4.0 in / 101.6 mm |
| 7/8 in | 1.812 in / 46.0 mm | 4.0 in / 101.6 mm |
| 1 in | 2.187 in / 55.6 mm | 4.0 in / 101.6 mm |
| 1-1/8 in | 2.375 in / 60.33 mm | 4.5 in / 114.3 mm |
Диаметр муфты растёт с размером штанги и ограничивает зазор. Уменьшенные муфты допустимы лишь после проверки способности и ниппеля. При замене или смешанной колонне совместно согласуют размер, резьбу, муфту, класс и зазор для нагрузки без чрезмерного контакта.
Конфигурация колонны
Проект следует нагрузкам глубин, а не одному размеру/классу. Верх обычно несёт максимум накопленного растяжения: нижние штанги и насос. Ближе к насосу накопленный вес меньше, допускается изменение диаметра/класса. Балансируются местная нагрузка, вес, усталость, зазор и соединения.
Равномерная и ступенчатая колонны
| Конфигурация | Диаметр / класс | Главная характеристика | Подходящее условие |
|---|---|---|---|
| Равномерная колонна | Одинаковая или близкая спецификация выбранного участка | Проще конструкция | Когда нагрузка и зазор допускают одну спецификацию |
| Ступенчатая колонна | Диаметр и/или класс меняется по глубине | Способность точнее соответствует нагрузке участков | Глубокие/высоконагруженные скважины с большим изменением нагрузки |
Равномерная проще стандартизируется, собирается и обслуживается. Ступенчатая снижает лишний вес и верхнюю нагрузку, но каждый переход требует проверки муфты, способности и зазора. Выбор — между простотой и выигрышем нагрузки/веса.
Как выбрать штанги для нефтяной скважины
Выбор основывается на нагрузке и геометрии всей системы. Глубина и насос задают осевую потребность; НКТ, отклонение, ход, скорость, жидкость и существующие соединения ограничивают диаметр, класс и муфты. Вместе они обеспечивают запас способности, зазора и усталости каждого участка.
| Исходный параметр | Инженерная проверка | Влияние на выбор |
|---|---|---|
| Глубина скважины | Полная длина и накопленный подвешенный вес | Диаметр, класс и необходимость ступенчатости |
| Глубина установки насоса | Расстояние передачи движения и нагрузки | Полная нагрузка и упругость |
| Размер / нагрузка насоса | Осевая нагрузка колонны | Требуемая способность тела и соединения |
| Внутренний диаметр НКТ | Радиальное пространство вокруг штанги/муфты | Максимальный габарит |
| Длина хода | Перемещение каждого цикла | Динамика и усталость |
| Скорость откачки | Число циклов во времени | Усталостные требования |
| Отклонение ствола | Ожидаемый контакт с НКТ | Защита от износа и направляющие |
| Добываемая жидкость | Вода, CO₂, H₂S, хлориды и другие коррозионные компоненты | Оценка материала/эксплуатационного класса |
| Класс штанги | Прочность и квалифицированный материал | Доступный запас прочности |
| Диаметр штанги | Площадь сечения и вес | Осевое напряжение и накопленный вес |
| Соединение / муфта | Резьба, диаметр муфты и способность | Совместимость и зазор |
| Существующая колонна | Исходные класс, соединение и износ | Критично для замены и части колонны |
По ограничивающему фактору корректируют диаметр, класс и конфигурацию. Чрезмерное напряжение требует большего сечения при допустимом зазоре; малый запас материала — прочнее класс; большие изменения по глубине — ступенчатость. Каждое изменение проверяют по муфте, НКТ и весу, чтобы не создать новое ограничение.
Штанга и связанные компоненты
Штанга — главная несущая колонна; полированный шток, укороченная штанга, муфта, утяжелённая штанга, направляющая и насос выполняют разные функции соединения, регулировки, направления и работы. Их различают при замене и комплектации.
| Компонент | Главная функция | Отличие от стандартной штанги |
|---|---|---|
| Насосная штанга | Передаёт движение и осевую нагрузку | Основной повторяющийся элемент |
| Полированный шток | Верхний движущийся участок через устьевое уплотнение | Гладкая поверхность для сальника |
| Укороченная штанга | Регулирует длину колонны | Короче стандартных 25/30 ft |
| Муфта насосных штанг | Соединяет два ниппеля | Внутренняя резьба, а не штанга |
| Утяжелённая штанга | Добавляет нижний вес при необходимости | Тяжёлый/крупный элемент динамического контроля |
| Направляющая штанги | Контролирует контакт с НКТ | Смонтированное на колонне средство защиты от износа |
| Скважинный штанговый насос | Превращает движение в перемещение жидкости | Насосное устройство, не сама несущая штанга |
Элементы выбирают для всей сборки, не как взаимозаменяемые. Укороченная регулирует длину, шток уплотняет верх и передаёт нагрузку, муфта соединяет, направляющая управляет контактом. Насос поднимает жидкость, колонна механически приводит его.
Применение
Конфигурация меняется с механикой и эксплуатацией. Обычные скважины используют стандартную сталь; глубина, высокая нагрузка, частые циклы, отклонение или коррозия меняют требования к диаметру, классу, конфигурации, соединениям и износу.
| Условия эксплуатации | Главное требование | Типичное направление выбора |
|---|---|---|
| Обычная штанговая скважина | Стабильная передача движения | Стандартная сталь; равномерная или простая ступенчатая по расчёту |
| Глубокая скважина | Больший накопленный вес | Ступенчатая сталь с большим/прочнее верхом |
| Высокая нагрузка насоса | Повышенная осевая сила | Больший диаметр и/или прочность с достаточными соединениями |
| Частая откачка | Повторяющиеся напряжения | Достаточный усталостный запас и управляемая геометрия |
| Наклонная скважина | Больше контакт с НКТ | Сталь с направляющими; дополнительная проверка муфты/зазора |
| Коррозионная жидкость | Коррозия и циклы | Коррозионностойкая сталь или стеклопластик при допустимой эксплуатации |
| Замена колонны | Совместимость с существующей | Согласовать размер, класс, резьбу, муфту и конфигурацию |
Условия перекрываются: выбор по совместной нагрузке и эксплуатации. Глубокие/тяжёлые скважины требуют больше сечение/прочность; наклонные — зазор/направляющие; коррозионные — другой материал/тип. Конечные размер, класс, ступенчатость и соединения — по расчёту и фактической скважине.
Поставка и поддержка Octal
Octal поставляет штанги и комплектующие для механизированной добычи, согласуя диаметр, класс/материал, длину, соединение и муфту. Укороченные, полированные штоки, муфты и направляющие подбираются для полного комплекта.
Конфигурация согласуется с глубиной, НКТ, насосом, диаметром, классом, соединением и средой. Полную колонну подбирают как систему. При замене совместно проверяют исходные размер, резьбу, муфту и схему для совместимости установленного оборудования.
Часто задаваемые вопросы
Можно ли сочетать размеры и классы в одной колонне?
Да. Ступенчатая колонна использует разные диаметры/классы. Верх несёт максимальную накопленную нагрузку; ниже возможны меньшие/слабее штанги по расчёту. Вместе проверяют длины участков, муфты и зазор.
Как проверить, помещается ли муфта в НКТ?
Сравнивают максимальный диаметр муфты с реальным проходом НКТ и рабочим зазором, не только тело. Наклон требует дополнительного запаса из-за контакта при движении.
Когда предпочесть стеклопластик стали?
Стеклопластик рассматривают при выгоде меньшего веса или коррозионной стойкости. Малая жёсткость и иное сжатие исключают прямую замену без пересчёта нагрузок и эксплуатации.
Можно ли заменить штангу только по совпадению диаметра?
Нет. Совпадают также класс, длина, ниппель/резьба, муфта и способность соединения. Проверяют зазор и схему, особенно при частичной замене смешанной/ступенчатой колонны.