В установках винтовых штанговых насосов используются насосные штанги, которые применяются и в СШНУ. Однако условия работы штанговой колонны, приводящей во вращение ротор винтового насоса существенно отличаются от условий работы штанг в составе СШНУ. В отличие от СШНУ упругая колонна штанг ВШНУ подвержена действию не только продольных деформаций за счет собственного веса и гидравлической нагрузки, но и деформации кручения.
Угол закручивания верхнего сечения штанговой колонны зависит от крутящего момента, длины колонны штанг, модуля сдвига материала штанг и полярного момента инерции колонны штанг:
φ = kφML/ GIp, (2.173)
где kφ — коэффициент, учитывающий отклонение оси скважины от вертикали и трение штанг в центраторах; М — крутящий момент насоса (в нижнем сечении колонны штанг); L — длина колонны штанг; G — модуль сдвига материала штанг, для стали G = 0,8—105 МПа; Ip — полярный момент инерции сечения, Ip = π d 4/32; d — диаметр штанг.
Коэффициент трения колонны штанг может достигать значительных величин (до 5—10), однако, если пренебречь влиянием сил трения и принять, что скважина вертикальная, то коэффициент можно считать равным 1.
Верхнее сечение колонны штанг при начале работы ВШНУ претерпевает предварительную деформацию кручения, составляющую 10—30 оборотов (на всю длину колонны штанг) и находится в упругодеформированном состоянии, что обусловливает необходимость оснащения привода ВШНУ тормозным устройством и повышенные требования безопасности при демонтаже установки или при подъеме полированного штока.
Деформация растяжения колонн штанг и НКТ после вывода насоса на рабочий режим учитывается при начальной установке ротора относительно статора при монтаже установки. Расчет деформации колонны НКТ и штанг ведется аналогично расчету для соответствующих элементов СШНУ.
Как уже было сказано, при эксплуатации ВШНУ колонна штанг одновременно испытывает нагрузки от растяжения, кручения и изгиба.
Растягивающие нагрузки складываются от распределенной нагрузки от силы тяжести колонны Gшт и сосредоточенной (в сечении х = L) нагрузки от осевых сил в рабочих органах насоса Fpo, которые в свою очередь складываются из гидравлической силы от перепада давления в насосе Fp и осевой составляющей силы в зацеплении рабочих органов Fz:
Gшт (x) = q. g . l * ≈ ƒgρшт * l, (2.175)
Fpo = Fp - Fz, (2.176)
Fp=ρg(HSk – lf) + (∆pтр + pу)(Sk – f), (2.177)
Fz = PSZ2 / ηгм, (2.178)
где q — масса 1 погонного метра штанг; g — ускорение свободного падения; l * — расстояние от точки подвески насоса (х = L) до рассматриваемого сечения х (по вертикали); l — глубина подвески насоса по вертикали; f — площадь сечения штанг; ршт — плотность материала штанг; Sk — площадь проекции контактных линий рабочих органов {Sk = (0,25d2 + 2е2)} — для насосов с однозаходным ротором; Sk = 0,25(Dk — Зе)2 — для МВН); ∆p тр —потери давления на трение при движении жидкости в кольцевом пространстве; Р — давление насоса, Р = pgH + ∆ртр + ру; ру — устьевое давление.
При H = 1 Fp = P (Sk – ƒ)
Крутящий момент, передаваемый штангами Мшт, складывается из крутящего момента насоса М, момента трения вращения колонны штанг в центраторах Мтр и момента внутренних потерь в штангах на искривленных участках скважины М:
Мшт (х) = М + Мтр + Мн = kм • М,
где kм — коэффициент сопротивления вращению колонны в скважине, зависящий от координаты рассматриваемого сечения и профиля скважины. При расчетах можно принять kм (0) = 1,1; ηгм = 0,5
Изгибающие нагрузки действуют на искривленных участках профиля скважины, а также в нижней штанге, компенсирующей эксцентриситет рабочих органов.
В зависимости от профиля скважины опасным может являться одно из двух сечений колонны штанг:
— верхнее сечение колонны (х = 0), где действуют максимальные растягивающие σр и касательные t напряжения
(2.179)
— сечение, расположенное на искривленных участках профиля, где возникают изгибающие напряжения
σн=Ешт d/2R (2.180)
где W p— полярный момент сопротивления сечения штанг, Wp = πd 3/16; Е шт— модуль упругости материала штанг; R — радиус искривления.
Расчет колонны штанг на статическую прочность может вестись с целью: 1) определения требуемого диаметра d или предела текучести (σт материала штанг; 2) коэффициента запаса прочности в заданных условиях эксплуатации насоса; 3) предельной глубины спуска насоса. Условие статической прочности имеет вид:
(2.181)
где σэкв — эквивалентные напряжения в сечении штанги; σ — суммарные нормальные напряжения, σ = σp + σн
Допускаемый коэффициент запаса прочности при расчете колонны штанг принимается равным 1,3—1,5.