автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.07, диссертация на тему:Повышение эффективности эксплуатации насосных штанг в наклонно-направленных нефтяных скважинах

ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО

ЗНАМЕНИ

ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ НЕФТИ И ГАЗА иы.И.М.ГУБКИНА

На правах рукописи УЛД" 622".276.53.054

НАССОНОВ ВАЛЕРИЙ ВИКТОРОВИЧ ШИПЕНИЕ ЭИЕК1ИВН0С1И ЭКСПЛУАТАЦИИ НАСОСНЫХ ШТАНГ В НАКЛОННО-НАПРАВЛЕННЫХ НЕФТЯНЫХ СКВШШАХ

05.04.07 "Машины и агрегаты нефтяной и газорой протгаленности"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г.Москва, 1992г.

Работе выполнена в Тюменской Научный руководитель -

Официальные оппоненты: Ведущее предприятие:

индустриальном институте

доктор технических наук, профессор Молчанов Г.В.

доктор технических наук, профессор Максутов P.A.

кандидат технических наук, доцент Баграмов P.A. .

НЛО "Техника и .технология добычи нефти" г.Тюмень

Защита состоится 1992г. в ^^ часов

на заседании специализированного совета К.053.27.02 в Государственной академии нефти и гаэа им.И.М.Губкина по адресу: II79I7, г.Москва, ГСП-I, Ленинский проспект,6Í3,

С диссертацией можно, ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан

_1992 г.

Ученей секретарь специализированного

Беляев А.И.

■ ■■ I

. 'п /

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ. В Западной Сибири быстро увеличивается количество птанговнх скважннннх насосных установок (ШСНУ), доходя в отдельных районах до 90% эксплуатационного фонда скважин. Профиль большинства сквахин выбран по критерию эффективности бурения и неблагоприятен для эксплуатации подземного оборудования, интенсивный набор кривизны начинается с глубин 50-100 ы. В подобных случаях целесообразно использовать бесштанговые насосы, но недостаточные масштабы их производства заставляют в ближайшие годы ориентироваться на традиционные ШСНУ. Подбор штанг в колонны осуществляется на основе опыта эксплуатация ИСКУ в южных районах и не учитывает специфическое влияние интервала набора кривизн«. 0бр1вность итанг в Западной Сибири пока мсньое, чей в других районах, но это определяется не совершенством методов расчета, а налой продолжительностью эксплуатации большинства штанг, составляющей от 2-х до 4-х лет. С 1995г. начнется интенсивное возрастание доли штанг, эксплуатируемых 6-8 лет, обрывность которых будет определяться используешми сегодня методами расчета.

В настоящее время на ликвидацию обрывов штанг, вызывающих до 20% отказов ШСНУ, затрачивается ежегодно около 75 млн.руб. Кроме тяжелого физического труда ремонтных бригад положение усугубляется хронической нехваткой насосных штанг.

Организация дефектоскопии и ремонта насосных штанг ставит вопросы о периодичности контроля и критериях отбраковки, совершенствованию методов неразрунающего контроля. Применение вероятностных методов расчетов требует знания законов распределения прочностных характеристик в нагруженности итанг.

3

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Повышение эффективности эксплуатации насосных втанг в наклонно-направленных нефтяных скважинах.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Разработать метод расчета циклической долговечности штанг в зависимости от условий эксплуатации. Определить критерии отбраковка и насосных штанг по величине пластической деформации и глубине усталостной трещины. Разработать ускоренный неразруваяций метод нахождения предела выносливости насосных втанг и контроля величины пластической деформации.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Установлено, что при максимальных напряжениях менее 150 Ша долговечность втанг чрезвычайно слабо зависит от величины коэффициента асимметрии цикла. Определена зависимость изменения предела ограниченной выносливости сталей в коррозионных средах от частоты нагрухения. Определена зависимость вероятности разрушения втанг от обводненности среды, величины напряжений, продолжительности эксплуатации и налкчяя дефектов типа трещины и неоднородной пластической деформация.

Установлен критерий отбраковки втанг по величине пластической деформации и глубине усталостной трещины. Определена зависимость между магнипшын свойствами, пределом вадосливосги сталей и величиной пластической деформации. По результатам работы получено 5 авторских свидетельств на изобретение.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ В ПРОШШШШСТИ.

Разработаны рекомендации по конструирование агганговых колонн для условий Западной Сибири, позволящие выбрать напряжения в штангах в зависимости от профиля скважины, обводненности продукции и ограничений на вероятность разрушения за определенный срок службы. Зависимость количества обри вов втанг от продолжительности и условий зкеплуатации позволяет обоснованно за-

менять итанги и планировать количество подземных ремонтов скважин. Сведения о влиянии трещкн и пластической деформации на долговечность штанг позволило сформулировать требования к дефектоскопической аппаратуре и установить периодичность контроля. Неразрушащие методы контроля характеристик сопротивления усталости позволяют определить предел выносливости и подбирать штанги в зависимости от ожидаемых напряжений при эксплуатация. Для атанг с защитным покрытием из цинка или полимеров усталостная долговечность й коррозионной среде составляет 0,8-0,9 от соответствующей величины на воздухе. Исключение 20% атанг с наименьшим значением предела выносливости позволяет для остагаейся группн увеличить допустите напряжения в 1,3-1,5 раза без увеличения вероятности обрыва. Неразрушащий метод контроля предела вн-носливости применим не только при испытания насосных втанг, но и успеяно опробован при усталостных испытаний конструкций типа рамы и газопроводных труб 0 720 мм. Результаты исследований используются объединением "Ннжневартовскнефтегаз". Экономический вффект равен 630 рублей на сквахину в год (в ценах 1990 г.). Работа выполнена в соответствии с программой "Нефть и газ Западной Сибири", утверадэнной приказом МВ и СС0 РСФСР V 641 от I0.I0.86r.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертации доложены на 1-ой зональной конференции "Нефть и газ Западной Сибири" (г.ТЪыепь, 1981), первой республиканской конференции "Проблемы освоения Западно-Сибирского топливно-знергетического комплекса" (г.Уфа, 1982), Всесоюзной конференции по надежности нефтепромыслового оборудования (г.Баку, 1983), Всесоюзной конференции "Нефть и газ Западной Сибири. Проблемч добычи и транспортиров-

ки" (г.Тшень, 1985), Всесоюзной ярмарке научно-технических

идей и разработок (г.Нижневартовск, 1967), республиканском со-

\

вещании "Нераарушащие физические методы и средства контроля материалов и изделий (г.Ижевск, 1984), Всесоюзной конференции "Нефть а гае Западной Сибири" (г.Тюмень, 1989 г.).

ПУБЛИКАЦИИ. Основное содержание диссертация изложено в 14-ти публикациях, перечисленных в настоящем автореферате.

ОБЪЕЛ И СНУ ШУРА РАБ01Н. Диссертация состоит из введения, четырех глав, приложений и списка использованной литературы. Работа содержит 134 страницы основного текста, 45 рисунков, 39 таблиц. Библиография 96 наименований,

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение раскрывает актуальность и новизну работы, кратко характеризует решаемые задачи.

Первая глава посвящена анализу состояния вопроса, формулировали» цели и задач исследования. В настоящее время в Западной Сибири скважины, оснащенные птангоььши насосами, вносят небольшой вклад в добычу нефти ("5/0 но составляет значительную доле механизированного фонда скважин

Для оценки перспективности использования ШСНУ в ближайшем десятилетии, выполнено прогнозирование изменения эксплуатационного фонда, фонда механизированных скважин и ШСНУ по Западной Сибири. Для зтого использованы методы прогнозирования развития технических систем и проанализированы перспективы использования гидропороневых насосных установок, струйных насосов и непрзрыв-ных штанг. К 1995 г. ожидается увеличение фонда механизированных скважин до 64-67 тыс., в том числе ШСНУ до 25-32 тыс. Условия эксплуатации штанг станут тяжелее: ожидается увеличение об-

6

водненности продукция до 60-70% и возрастание длины колонны штанг на 200-300 ы. С 1993 г. начнется интенсивное старение фонда снвакин, возрастет доля штанговых колонн, эксплуатируемых &-8 лет.

После основополагающих работ Н.Л.Фаерыана.и А.С.Вирновско-го, предложившее учитывать циклический характер нагрузок на штанги и использовать для сопоставления напряжений с различными коэффициентами асимметрии цикла величину эквивалентных напряжений, равных корню квадратному из произведения амплитудных и максимальных напряжений цикла, основное внимание уделялось совершенствованию методов расчета усилий в колонне итанг.

К настоящему времени получены результаты, ставящие под сомнение правомерность использования вьгаеописанного выражения для расчета экзисялентных напряжений. В первую очередь это работы Р.А.Баграмова, посвященные лабораторным испытаниям насосных штанг на углеродистых сталей и работа И.К.Кареева, в которой на основания опыта эксплуатации штанг рекомендуется при выборе допустимых эквивалентных напряжений учитывать величину коэффициента асимметрия цикла. Аналогичный вывод получен нами при сопоставлении распределений по длине колонны обрывов штанг и напряжений. Отсщда возникла задача - исследовать влияние крэффициента асимметрии дакла и величины напряжений на долговечность итанг.

Недостаточно исследован вопрос о влиянии продолжительности эксплуатации штанг на количество обрывов. В работах А.С.Вир-новского, И.Ы.Сатгарова и ряда других авторов предхожены аналитические выражения, учитывающие величину приведенных напряжений, глубину спеска насоса и диаметр плунжера, но не продолжительность эксплуатации штанг. В то же время собранные на про-

7

мыслях данные свидетельствуют о влиянии продолжительности акс-плуатацня на количество обрывов штанг, возрастающее после 3-4-х лет эксплуатации.

Отседа возникла следущая задача исследований - оценить долговечность втанг в зависимости от условий и продолжительности эксплуатации.

Одним из путей уменьшения обрывов ¡птанговнх колонн является периодическая выбраковка дефектных втанг в процессе эксплуатации. Это требует знаний о кинетике развития дефектов и их допустимых величинах, то есть переход от эксплуатации по безопасному ресурсу и безопасным напряжениям к эксплуатации по принципу безопасных повреждений. Из отечественных попыток дефектоскопии глубкнонасосннх втанг в промысловых условиях наиболее известны работы, выполненные в БавНМШнефгк, ВШНТнефти и Пери-НИПИнефтн. Дефектоскопические установки, созданные в вывелаэ-ванных организациях, могут с успехом применяться для обнаружения грубых дефектов заводского изготовления (типа трещин глубиной более 1,5 мм). Для успешной дефектоскопии насосных нтанг в условиях промысла необходима не только аппаратура, на разработку которой обращено основное шшшше, в перзую очередь необходимы критерии отбраковки - виды дефектов и их влияние н& работоспособность штанг.

Очень выгодно использование штанг из дешевых иелегнрованных сталей с защитными покрытиями из пластмассы или цинка, имеющими предел ограниченной выносливости в коррозионных средах близкий к пределу выносливости на воздухе. В этом случае можно значительно сократить количество обрывов втанг в колонне либо увеличить допустимые напряжения, при сортировке втанг на группы

по величине предела выносливости. Для этого необходимо раарабо-

8

тать нерааруааюциЯ зкслресс-метод нахождения предела выносливости.

Вторая глава посвящена разработке методов решения поставленных задач. Для установления зависимости долговечности вгганг от условий нагруяенип решено провести испытания стандартных образцов для усталостных испытаний и штанг длиной 1,2 м в лабора-торгах условиях. Полученные закономерности уточнялись потом с учетом статистического ¡анализа отказов штанг на промыслах. При испытании насосют штанг обеспечивался при их завинчивании в захваты крутящий иомент, рекомендуемый при эксплуатации. Для выбора режимов нагруженяя проведен подробный анализ промысловых данных о ренкмах эксплуатация втанг, построены распределения обводненности, динамических уровней, напряжений в штангах, кривизны сквязшн я других факторов.

Выполнен критический анализ известных неразруяающих методов контроля предела выносливости. Критерии отбора: точность, помехозащищенность, быстрота, возможность контроля нтанг, покрытых окалиной, нефтью, солями или парафином. Предел выносливости связан с закономерность*) накопления в стали микропластических деформаций. Существующие методы неразруиагацего контроля предела выносливости мало пригодны для контроля штанг, так как

I

либо требуется тщательная очистка поверхности, либо мало точность. За основу для разработки метода контроля решено использовать измерение переменной составляющей магнитной индукции при создании с изделии постоянного магнитного поля и переменных механических напряжений.

Третья глава посвящена методике проведения эксперимента и обработке его результатов. Проанализированы донные о поставках в Тюменскую область насосных штанг. Для испытаний выбраны нор-

9

мализованные штанги из стали ¿¿0Н2М, выпускаемые Очерским машиностроительным заводом.

Для выбора коррозионных сред проанализированы данные лабораторий НГДО о составе и свойствах нефтей и пластовых вод из скважин, оборудованных штанговыми скважинными насосами. Учтено ожидаемое смещение нефтедобыващих районов на Север Западной Сибири в ввод в эксплуатацию нефтеносных пластов с большей глубины. Состав и свойства нефти: ¿~ 0,858; ^^ 4,3; хлор. соли 30 мр/г; сера 0,6%; асфальгены 2,2%; силикагелевые смолы 1,5%; парафин 3%. Состав жидкости, имитирующей пластовые воды, приведен ниже (мг/л). ЛаСВ- 10630, 5400, ¿СОЯ- 3500,

ЛйфС£2 -980, ЛфСНЩ. 197, ЛаЗ - 5, 3,

р)/ -7,7. Температура коррозионной среды 65°С, обводненность 10, 30 и 95%. Испытания выполнены при стационарном нагружении непрерывно до разрушения образца. Коэффициенты асснметрми цикла 0,05; 0,1; 0,3 и 0,6. Частота нагрунения около 8 Гц. Растягивающие нагрузки создали установками ЦД-20Пу (для образцов) и Цда-200 (для штанг). Для испытаний выбрены образцы тип Л по ГОСТ 25.502-79 с диаметром рабочей части 10 ш и штанги длиной 1,2 м, диаметром 19 мм. При выборе количества образцов для испытаний и уровней нагрузки исходили из рекомендаций стандартов на усталостные испытания и обработку их результатов. Испытаны обраацы без дефектов и с дефектами в виде одностороннего надреза глубиной 0,5 мм с радиусом при вершине 0,1 мм, равномерного растяжения до остаточной деформации 2% и одностороннего изгиба до поверхностной дефощации 0,1%. По результатам испытаний для левой ветви кривой усталости рассчитаны линейные уравнения регрессии. Расчетные кривые приведены на рисунке I. Кривые усталости построены по большому количеству точек, на-

10

пример кривая I по 59-ти точкам, а кривая 3 по 45-ти точкам. Для всех случаев коэффициенты корреляции находятся в пределах 0,82-0,92, выборочные средние квадратичные отклонения 0,13-0,20. Полученные результаты подтвердили независимость предела ограниченной выносливости насостъ'х штанг в коррозионной среде от статической прочности металла, что позволило выбрать для испытаний штанги одной партии (одно значение , , ^ и др.). Результаты испытаний позеолягт оценить влияние дефектов на долговечность образцов. Равномерное удлинение до остаточной деформации 2% не ухудшает сопротивление усталости. Неравномерная пластическая деформация

РисЛ.Кравае усталости норгалазованных образцов из стали 20н2:Л. 1-обводн. 10м, 2-обводя. 30%, З-о бводн .95,?, 4-о бводн. 10% надрэ з, о-обводн.55? изгиб,¿-обводи.95;? надрез.Р

порядка 0,12 недопустима, так как уменьшает долговечность в 3...4 раза (кривая 5 рисЛ). Надрез или трещина глубиной 0,5 им (кривые 4 и 6 рис.1) уменьшает долговечность в 8...10 раз. Сравнивая долговечность образцов без надреза и с надрезом можно сделать вывод, что период зарождения и развития трещины до глубины 0,5 мм составляет 80-90^ полной долговечности. Результаты усталостных испытаний насосных штанг приведены на рис.2. Коэффициенты корреляции 0,76-0,86, выборочные средние квадратичес-кие отклонения 0,17-0,22.

Сопоставляя результаты испытаний атанг с литературнкми данными о влиянии коэффициента асимметрии цикла (Л?) на сопротивление усталости в коррозионных средах, сделан вывод, что для

Рис.2.Результаты усталостных испытаний штанг длиной 1,2ы при различите коэ$фщиентах асимметрии цикла.

А 7 л

долговечностей 10 -10 циклов при л^О амплитуда разрушающих напряжений зависит очень слабо от величины коэффициента асимметрии цикла. Предложено эмпирическое выражение для оценки влияния на предел ограниченной выносливости.

где б* - предел ограниченной выносливости при Л? =0, (эа - амплитуда напряжений, Л? - коэффициент асимметрии.

Известно, что снижение частоты нагружения уменьшает циклическую долговечность в коррозионной среде. Для количественной оценки этого явления собраны н проанализированы разрозненные данные о изменении долговечности при снижения частоты нагружения и сопоставлены долговечности итанг при частотах нагруженяя 8 Гц и 0,13 Гц. Результаты представлены в ввде зависимости относительного изменения няпрптенпП /от относительного изменения частоты ^ /^ для баз порядка 10^-10^ циклов. ( и /д пределы ограниченной выносливости на базах

С л

10-10 циклов при частотах нагрукения ). Прз

этом учтены ограничения, что при частотах ниже 0,05-0,08 Гц влияние частоты нивелируется. Рассчитано уравнение регрессии вида а* У-¿Я

фСфЪ/фЬ)* ж- (/г/А), С£)

и дэЕерителыгью интервалы с уровнем значимости 0,05 для его коэффициентов. Выборочные дисперсии коэф{«циентов уравнения

л _ £ .

соответственно равны -8,04'Ю"6; ^ ■= 4,26*ГО"6,

коэффициент корреляции А =-(0,977)0,991).

Полученные результаты и промысловые данные об отказах штанг позволили подучить эмпирическую функцию распределения

13

долговсчностей штанг, приведенную на рисунке 3. При других величинах обводненности вид зависимостей аналогичен.

На основании работ о влиянии формы цикла нагрузки на сопротивление усталости в коррозионной среде сделан вывод, что при трапецийдальном или прямоугольном циклах нагрузки усталостная долговечность штанг может быть значительно повышена по сравнению с циклом, близким к синусоидальному.

РЛ

ÍO

7,9

5

3 г

1 ¥ ЦА ¥

Рис.3.Зависимость вероятности разруаюнля ü-ыя метровых штанг из стала 20H2jí от количества циклов нагрузки и амплитуды напряжений.обводненность более 60Í,частота нагрухения 6 мшГЧ

Разработанный метод ускоренного нахождения предела выносливости основан на свяаи »той величины с пределами микротекучести при статическом и циклическом нагружении. В отличии от

/~50МПа á ---

Л-AÓ

У

/ / /

У

У

У

^25 ~

3 О 7 В 9 7 t¿ ft5 2

J\ft цикл.

ранее известных, разработанный метод позволяет контролировать штанги, покрытые окалиной, нефтью или парафином. Основой метода является зависимость магнитных свойств от величины пластической деформации.

После выбора оптимального режима неразрушаюцего контроля проведено сопоставление результатов усталостных испытаний и неразрушаюцего метода. Определение механических характеристик при растяжении выполнено согласно ГОСТа 1497-73. Образцы тип 1У, короткие, диаметр рабочей части 10 мм. Испытано по 5 образцов от каждой плавки. Разброс характеристик описывается нормальным законом распределения, коэффициенты вариации ( У) соответственно равны: для -4,?Î; 6/ - 6,IJt, У - 5,6jt;

- 8.IÏ. Усталостные испытания и обработка их результатов выполнены согласно ГОСТов 25.502-79 и 25.504-82. Найдены значения пределов выносливости для вероятности разрушения 50Î и вычислены доверительные интервалы средних значений для вероятности 95Ï. Для неразрушаюцего метода контроля получены средние значения напряжений, при которых резко меняются магнитные свойства, и также рассчитаны доверительные интервалы для Р 0,95. Для усталостных испытаний с разрушением образцов доверительный интервал равен 30 ЫПа, а для неразрузащего метода +20 НПа., Для образцов из нормализованных сталей 20H2U и 15НЗЫА с 525-

700 Ш1а неразрупцищий метод дает результаты, совпадающие с прямым, разрушающим методом. ЫеньпшЯ размер доверительного интервала для неразрушающего метода не означает, что он точнее обычных усталостных испытаний, ведь в случае неразрушающего метода мы фиксируем изменение магнитных параметров в некотором интервале напряжений, а не величину предела выносливости. Коэффициент корреляции мекду пределами выносливости, полученными раа-

15

рушащим методам, ревел 0,92-0,95.

Время испытаний при нерааруаавцем методе контроля сокращается в 8-10 рая, и, что семое главное, не требуется доводить до разрушения 15...20 образцов или штанг, измерения можно проводить не 2...3 образцах или штангах, нагрукая их до (1.1... 1,2) (предела выносливости). Разработанный метод контроля позволяет также бесконтактным способом измерять величину пластической деформация, то есть использоваться для отбраковки штанг по »тому крятериг. Метод пригоден не только для контроля ят&нг. При использовании накладных датчиков проведен контроль напряжений в сваркой форме и участке трубы, нагружаемой гидравлическим давлением с переменной составляющей.

В четвертой главе описана иетодика расчета штанговых колонн для условий Западной Сибиря я выполнен технико-акономи-ческяй анализ работ. Задаваясь конструкцией штанговой колонны рассчитываем распределение усилий по её длине. Дяя расчета усилий на вертикальных и наклонных участках использована обце-пркнятвя методика, при ходе рниз методика Я.Г.Чичерова, С.Н.Лепехина и В.П.Столбоюй, учитывающая увеличение сил трения за счет спирального изгиба низа колонны я для расчета усилий в местах набор* кривизны исполъэов&на методика В.С.Евченко, Н.П.За-хврченко я Н.С.Ыаринина. Сравнивая результаты расчетов и замеров усилий установлено, что распределение отношения расчетного усилия к фактическому описывается нормальным законом, выборочное среднеквадратическое отклонение «У =0,07. Предложено выражение для учета повреадающего действия изгиба:

в»- -&»)/Г&т<гг у€гЛ7

где - приведенное амплитудное напряжение с учетом изгиба,

16

(За - амплитудное напряжение без учета изгиба, СЭ/па* - максимальное напряжение в штанге, (Ьи - напряжение от изгиба. Напряжение изгиба рассчитывают для условия изгиба атанги по радиусу кривизны скважины. Коэффициент концентрации напряжений в области головок штанг принят равным 1,1.

В интервалах набора кривизны существуют колебания темпов набора кривизны относительно среднего значения. Для количественной оценки этого явления проведено исследование кныинограми скважин (твбл.П.

Таблица I

Неоднородность темпов набора кривизны

Источник изменчивости | Вед распределения

Группа сквежин. Средние тем- Усеченное нормальное ( пы набора кривизны. х - 1,1 град/10м;

* 0,25; А 2,2

Скважина. Колебания темпов Усеченное нормальное набора кривизны относитель- _ т

но среднего значения. — 0,048

х I - 0,048

Перепады кривизны между со- Экспоненциальное седними участками интервала

набора кривизны. Р . I - б ~(2,3х-0,23)

Подсчитав распределение повреждающих напряжений по длине колонны можно определить количество обрывов штанг в период наработки от <Ло до циклов. При этом вероятность разрувзная

штанги в первый год эксплуатации от заводских и приобретенных при транспортировке а монтаже дефектов прмнкиают равной 10"а для штанг Очерского завода и импортных и 5*10~а для штанг Бакинского и Пермского заводов, а вероятность разрушения штанги после второго года службы от остаточных дефектов приникают рав-

17

ной 2*10 В дальнейшем количество обрывов иггонг на интервале наработки циклов определяют по формуле:

• л с (Р< -Я>)+п£ Ро (Рм -Р0'), (5)

где /77|' - количество обрывов штанг на С -ом участке при наработке от */То до циклов, - количество штанг

на втом участке, Рг - вероятность разрушения штанги при наработке Л^ , Ро - вероятность разрушения итангп при наработке

.Го , Д, - вероятность разрушения новой штанги,^^ - вероятность разруглния новой втанги при наработке После расчета напряжений в жтаигах по всей длине колонны (с учетом повреждающего действия изгиба) их величина сравнивается с допустимой, Например при обводненности менее 40% рекомендуется вилл к туда напряжений 35-40 Ша, а при обводненности боле«? 60% -25-30 (Ша. Ыенывая величина предельных напряжений рекомендуется при обводненности около 100%, в зонах набора кривизны, при длинах колонны более 1200 м, при использовании больного количества штанг вавода имени Виидта. В остальных случаях можно рекомендовать большую величину допустимых напряжений. Уменьшение напряжений менее 20 Ш1а нецелесообразно.

Для облегчения практического использования разработанной методики произведен расчет колонн штанг для типичных условий Западной Сибири, а его результаты офодалсшы в виде таблиц. Колонны штанг рассчитаны на срок зкеплуатации 6 лет, после чего штанги необходимо заменить. В втом случае можно ограничиться прогорочным расчетом напряжений в верхнем сечении колонны, сравнивая напряжения с допустимым. Например, при обводненности менее 40% и интенсивности набора кривизны 1-1,5 град/10 м рекомендуется амплитуда напряжений не более 35 ИПа, при обводненности более

18

30 МПа. При сочетании интенсивности набора кривизны 1,5-2,5 град/10и и обводненности более 60Х рекомендуется амплитуда напряжений менее 25 Ша. Для проверки разработанной методики проведен расчет количества обрывов птанг в зависимости от срока эксплуатации для НГДУ "Стрежевойнефть" и "Черногорнефть". Получено удовлетворительное совпадение расчетных и фактических данных, например для НГДУ "Черногорнефть" по расчетам за 1987 г. 110-124 обрывов, а фактически 139.

Сведения о влиянии дефектов на долговечность отанг позволили оценить эффективность дефектоскопии штанг. Дефектоскопия штанг выгодна только при совыесдепии со спуско-подъеындон операциями при подземном ремонте. Рекомендуемое в литературе продолжение эксплуатации штанг с трещиной до подрастания ее до критического размера недопустимо, равно как и периодическая дефектоскопия штанг в стационарных условиях. Это вызвано тем, что трещину глубиной менее 1-1,5 мм. дефектоскоп не обнаружит, а штанга с такой трещиной разрушится через 220 суток с вероятностью 90%. При совмещении дефектоскопии штанг со спуско-подъемными операциями и 80%-ой вероятности обнаружения трещины глубиной 1,5 мы удастся предотвратить около 84% обрывов отанг.

На I января 1989 г. разработанные конструкции вт&нгошх колонн эксплуатируются в 45-ти скважинах НГДО "Черногорнефть" ПО Нижневартовскнефтегаз. Расчет экономического аффекта выполнен согласно РД 39-0147035-202-86. Затраты на подземный ремонт скважины уменьшились на 630 рублей в год. Простой скважины уменьшается в среднем на 1,5 суток, что увеличивает годовую добычу нефти на 10 тонн, что может дать Западной Сибири 150 тыс. тонн нефти в год.

ВЫВОДЫ И ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Штанговуп колонну необходимо проектировать по критерию допустимого количества обрывов штанг за определенный срок экс-плуагации, так как величина безопасных напряжений при эксплуатации насосных штанг в течение 5-6-ти лет значительно меньше указанных в нормативных документах и осуществимых при эксплуатации.

2. При максимальных напряжениях менее 150 ЫПа долговечность штанг чрезвычайно слабо зависит от величины коэффициента асимметрии цикла и определяется амплитудой напряжений, частотой нагружения и коррозионной активностью среда.

3. Однородная пластическая деформация до 2% не уменьшает циклическую долговечность штанг в коррозионных средах. Неоднородная пластическая деформация порядка 0,1% и более, а также трещина глубиной более I ы недопустимы, так как вызывают разрушение гганг через 80...150 суток эксплуатации. Разработан бесконтактный метод нерезруяающего контроля величины пластической деформации штанг, не требующий очистки поверхности от парафина, солей и прочих немагнитных покрытий.

4. При использования насосных штанг с защитными покрытиями, позволяющими получить близкие значения усталостной долговечности на воздухе и в коррозионной среде, целесообразно разбиение ятанг на группы по величине предела выносливости, что позволит дяя большинства штанг увеличить допустимые напряжения в 1,3...1,5 раза. Разработана методика для нераэрушающей ускоренной оценки предела йыносливости сталей, что сокращает продолжительность испытаний в 10...15 раз по сравнению со стандартами разрушающими испытаниями и позволяет проводить конт-

роль непосредственно на штангах.

5. Впервые установленная и количественно описанная зависимость вероятности разрушения втанг от условий и продолжительности их эксплуатации с учетом совместного действия растягивающих и изгибающих напряжений позволяет выбирать величину предельных усилий для насосных ютанг в зависимости от кривизны скважины, частоты нагружения, обводненности среды и допустимого количества обрывов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ОТРАЖЕНО В ПУБЛИКАЦИЯХ:

1. В.В.Нассонов. Предельные напряжения для насосных штанг в условиях Западной Сибири. Аннотация выступлений на Всесоюзной ярмарке идей и разработок 1987 г. в г.Нижневартовске. Номер по каталогу Р 099003.

2. В.В.Нассонов. Способ измерения динамичности нагрувенмя итанговых колош. Аннотации выступлений на Всесоюзной ярмарке идей и разработок 1967 г. в г.Нижневартовске. Номер по каталогу Р 099004.

3. В.В.Нассонов. Повьавение надежности колонн нтанг глубинных насосов. Тезисы докладов Третьей всесоюзной конференции по динамике, прочности и надежности нефтепромыслового оборудования г.Баку, 1983, с.72.

4. В.В.Нассонов, Л.Г.Царченко, Анализ отказов штанговых насосных установок Западно-Сургутского месторождения. Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции Нефть и гаа Западной Сибири. Проблемы добычи и транспортировки г.Ткшень, 1985, с.135.

5. В.В.Нассонов, В.Ф.Новиков. Неразруааюцее определенно предела выносливости нагнитоупругим методом. "Заводская лаборатория", 1984, в 8, с.62-64.

6. В.В.Нассонов, В.Ф.Новиков, В.H.Пермяков. Определение повреждения в трубник сталях магнитными методами. Тевйен докладов Республиканской научно-технической конференции Проблемы освоения Западно-Сибирского топливно-энергетического комплекса. г.Уфа, 1982, с.25.

7. В.В.Нассонов, В.Ф.Новиков. A.c.* 794469, бпл.1, 1981.

8. В.В.Нассонов, В.Ф.Новиков. A.c.* 934354, бил.26, 1982.

9. В.В.Нассонов, В.Ф.Новиков. A.c.* 945743, бюл.27, 1982.

10.В.В.Нассонов, В.Ф.Новиков. A.c.* 998S33, бее права открытой публикации.

11.В.В.Нассонов, В.Ф.Новиков. A.c.* I07I954, бил.5, 1984.

12.В.В.Нассонов. 0 влиянии частоты нагружения на сопротивление усталости в коррозионной среде типа морской воды. Физико-химическая механика материалов, 1988, * I, с.122-123.

13.Г.В.Молчанов, В.В.Нассонов, А.В.Локтев. Прогнозирование количества обрывов итанг в НГДУ "Черногорнефть". Тез.докл. П всесоюзной конференции "Нефть и газ Западной Сибири" г.Тюмень; 1969, с.172.

14.В.В.Нассонов. Предельные напряжения для насосных штанг в условиях Западной Сибири. Проблемы освоения нефтегазовых ресурсов Западной Сибири. Межвузовский сборник научных трудов. Тюмень, 1989, стр. 141-144.

Соискатель В Нассонов В.В.

22

к,,..„Tv imiiMirr-nr«!- v; / et т trr