Материал: Технологические процессы и технические средства для глубинно-насосной эксплуатации нефтяных скважин

ГЛАВА 3. УСТАЛОСТНЫЕ ПРОЦЕССЫ В МАТЕРИАЛЕ НАСОСНЫХ ШТАНГ ДЛЯ НЕФТЕДОБЫЧИ

Почти все обрывы насосных штанг происходят вследствие усталости материала длинномерного изделия [64, 65, 66, 67]. Так, например, для штанг, изготовленных из материала с высоким пределом прочности, наблюдается большое число обрывов по сравнению со штангами из материала с меньшей прочностью на растяжение, но большей выносливостью к переменным нагрузкам. Механизм образования усталостных трещин в материале штанги подробно рассмотрен в [67, 36, 68, 69]. Однако окончательный перечень причин усталостного разрушения металлов и сплавов еще не завершен [70, 71, 3, 26, 17].

Обычно при расчете штанг принимается, что напряжения рас- тяжения-сжатия по поперечному сечению штанги одинаковы в любых точках сечения. Исходя из неоднородности материала изделия напряжения в разных частях любого сечения штанги будут различные. В одних точках сечения они меньше расчетного, в других – больше. Некоторые непротяженные участки с завышенным напряжением оказываются и на поверхности тела штанги. В этих местах с течением времени образуется трещина, на дне которой создается высокая концентрация напряжений. Со временем, вследствие концентрации напряжений трещина будет распространяться по сечению штанги, и по мере ее развития равнодействующая нагрузка на сечение будет действовать уже не по оси тела штанги, а со смещением

всторону, противоположную трещине.

Врезультате в целой части сечения кроме повышенных растягивающих напряжений появятся еще и напряжения от изгиба. А в некоторый момент времени при достаточном развитии трещины (ее площади) произойдет почти мгновенный обрыв штанги [3, 26]. Причины возникновения усталостной трещины при эксплуатации штанги могут

166

быть разные; в частности, трещина может зародиться из-за наличия поверхностных дефектов или дефектов структуры ее материала. По мнению авторов [69, 26, 12, 6, 72], основными причинами возникновения дефектов в материале штанг являются допускаемые в технологии изготовления штанг операции, вследствие которых происходят недогрев, перегрев, пережог, обезуглероженный слой, а также наличие слоя с пониженной микротвердостью. Кроме того, недопустимые отклонения величины закалочного слоя от требуемого (конструктивного) значения, например, при упрочнении поверхности тела штанги током высокой частоты (ТВЧ), что также приводит кснижению эксплуатационных характеристик штанг. Насосная штанга с недопустимыми отклонениями по длине, характеризующими ее механические свойства, представлена на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Твердость поверхности насосной штанги по образующей в сечениях 1, 2, 3, 4, 5, 6 (маркировка сторон квадратной шейки), замеры выполнены от торца штанги без муфты

Кроме указанных, в процессе эксплуатации появляются и другие существенные причины, приводящие к образованию усталостных трещин вматериале насосной штанги [65, 69, 71, 73, 74, 75, 76], аименно:

а) технические:

– наличие на поверхности штанг механических повреждений от ударов металлическими предметами (на дне полученных рисок

167

создаются концентраторы напряжений, способствующие развитию трещин);

–продольный изгиб тела штанг низа колонны (при этом возможен значительный изгиб тела штанги вследствие наличия механического контакта с внутренней поверхностью НКТ);

–уменьшение сечения тела штанги вследствие ее износа в искривленных или наклонно направленных скважинах;

–пластическая деформация тела штанги при (табл. 3.1) попытке извлечь заклиненный плунжер из цилиндра глубинного насоса (при этом на штанге возможно образование шейки с геометрией, характерной при разрушении тела штанги под действием статической нагрузки);

Таблица 3 . 1

Результаты усталостных испытаний образцов насосных штанг

Примечание. Образцы были изготовлены из насосных штанг, имеющих маркировку 19Н9Г.944, старый штанговый цех Очёрского машзавода, год выпуска 1979, дата подъема колонны из скважины – 1- й квартал 1992 г. Образцы имели длину 350 мм.

–появление перенапряжений в поверхностном слое металла из-за изгиба штанги при транспортировке или спуско-подъемных операциях;

–длительный циклический характер действия растягивающих, сжимающих усилий от статических (веса насосных штанг и жидкости), динамических (инерционных, вибрационных) нагрузок [64, 73, 77];

168

–коррозионная активность добываемой жидкости (откачиваемые жидкости и газы, в особенности водный раствор сероводо-

рода) [65, 69];

б) организационные [26]:

–несоответствие режимов откачки и эксплуатации глубиннонасосного оборудования (длина хода, частота двойных ходов, диаметр насоса, количество и диаметры секций насосных штанг и НКТ, центраторы и скребки и т.д.) его техническим возможностям;

–оборудование, находящееся в эксплуатации, доукомплектовано узлами и механизмами без улучшения его динамических и кинематических характеристик;

–использование оборудования не коррозионно-стойкого исполнения при наличии в откачиваемой жидкости коррозионно-активных веществ.

Практически все обрывы насосных штанг несут следы коррозионной усталости металла, под которой подразумевают [12] разрушения, происходящие под действием постоянных растягивающих

исжимающих усилий от статических нагрузок (веса штанги) в коррозионной жидкости, инерционных сил движущихся масс жидкости

иштанг, нагрузок из-за вибрации колонны штанг и несоответствия скоростей движения плунжера и насоса. Наблюдаемое явление усталости заключается в том, что в отдельных сечениях штанг с неблагоприятно расположенными зернами (анизотропность металла) возникают местные напряжения, превосходящие предел пропорциональности и даже временное сопротивление. Это приводит к образованию местных пластических деформаций, внутренних микротрещин, которые, становясь очагами концентрации напряжений, распространяются дальше, пока не наступит внезапный излом от перегрузки оставшегося «живого» сечения штанги. Снижение усталостной прочности насосных штанг в агрессивной среде установлено И.Л. Фаерманом [71]. Существуют различные гипотезы коррозионной усталости [65, 66, 67, 68, 75], однако цельного взгляда на механизм коррозионной усталости металлов и сплавов пока нет.

169

3.1.Способы и технические средства для разрушающего

инеразрушающего контроля природы дефектов и установления эксплуатационных характеристик насосных штанг

(как новых, так и бывших в эксплуатации)

При современных режимах откачки жидкости из скважин действующие номинальные напряжения в самых тяжело нагруженных штангах колонны намного меньше предела выносливости металла. Так, у выпускаемых в СССР штанг из сталей следующих марок: 40У, 36Г1, 15НМ, 15Н4М, 20ХН, 20Н2М, 20ХН2М, 30ХМ, 30ХМА, 15Н3МА, 15Х2НМФ, 15Х2ГМФ, 14Х3ГМЮ, 38ХМ, 35Г2, 40Г2, 40ХГМ, 20ХГН2М, АЦ28ХГН3ФТ – предел выносливости на воздухе находится в пределе от 30 до 50 кГс/мм2, а номинальные напряжения в верхнем сечении штанг в редких случаях превышают значения, находящиеся в диапазоне 12,0–16,7 кГс/мм2 для некоррозионных условий ее эксплуатации [79]. Тем не менее при указанных напряжениях в диапазоне 12,0–16,7 кГс/мм2 разрушения насосных штанг довольно часты. Причины этого следующие:

–циклический характер прикладываемых напряжений в коррозионной среде;

–перенапряжения, возникающие в штанге при наличии дефектов проката и технологических нарушений при ее изготовлении;

–механическое повреждение штанги в процессе ее транспортировки, спуско-подъемных операций и эксплуатации (очаговая пластическая деформация, механический износ, коррозионное поражение поверхности), приводящее к перенапряжениям в материале штанги;

–неправильный подбор оборудования, отступления от регламента при проведении спуско-подъемных операций и условий эксплуатации оборудования в наклонно направленных скважинах, что также приводит кперенапряжениям в материале штанги.

Для установления указанных причин, приводящих к разрушению штанг, и предотвращения их преждевременного разрушения разработаны и реализованы методики и технические решения в соавторстве с Н.Н. Вассерманом, В.Е. Калугиным, В.В. Пепеляевым, Я.Т. Федо-

170