ОБЗОР НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ПО ПРОБЛЕМАМ ОБРЫВА ШТАНГ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ СКВАЖИН ШСНУ - Анализ причин обрывов штанговых колонн при эксплуатации скважин, оборудованных ШСНУ, на примере Илькинского месторождения НГДУ "Туймазанефть"

Одной из главных проблем при эксплуатации месторождений скважинными штанговыми насосными установками (ШСНУ) являются обрывы штанг и насосно-компрессорных труб (НКТ), являющиеся серьезными авариями, на ликвидацию которых требуются большие материальные и трудозатраты. Данная проблема обозначилась с самого начала применения ШСНУ [1].

Основными характеристиками насосных штанг являются: диаметр по телу штанги и прочностная характеристика штанги - величина приведенного допускаемого напряжения [2].

В процессе работы штанги испытывают значительное напряжение. Штанги воспринимают нагрузки, которые в процессе работы передаются на головку балансира станка качалки, такие как: статические нагрузки от силы тяжести штанг и жидкости, а также силы трения плунжера в цилиндре и штанг о трубы; силы инерции движущихся масс жидкости и штанг; ударные нагрузки; усилия от вибрации колонны штанг [3]. Определяющими факторами при выборе колонны штанг для обычных условий являются максимальная нагрузка и возможные колебания нагрузки.

На насосные штанги, находящиеся в скважине, действуют следующие неблагоприятные факторы [4]:

    * Циклические знакопеременные нагрузки: напряжения изгиба, растяжения, кручения, сжатия и трения. Все эти виды нагрузок действуют на насосные штанги при работе их в скважине постоянно и в комплексе; * Осложненные условия добычи нефти в скважине, связанные с искривленностью ствола скважины, наличием песка, асфальтосмолопарафиновых отложений (АСПО), высокого газового фактора, высокой температуры и давления; * Наличие и постоянный рост коррозионной активности добываемой жидкости с присутствием в попутно добываемой воде ионов солей, щелочей, кислот, а также ионов водорода, который повышает хрупкость металла.

На эксплуатационную надежность штанговых колонн влияет большое количество факторов [5]:

    - длина хода; - число качаний; - глубина спуска насоса; - коэффициент подачи и т. д.

Производительность глубинного насоса зависит от длины хода полированного штока и числа качаний и увеличивается с ростом этих величин. Очевидно, увеличение длины хода и числа качаний способствует росту напряжения в штангах. Возникающие в штангах растягивающие напряжения снижают предел прочности [6,7].

Кроме того, увеличение числа качаний вызывает ускорение усталости штанг. Поэтому число качаний и длину хода необходимо выбирать так, чтобы они удовлетворяли условиям надежности штанг. Особую роль в снижении эксплуатационной надежности штанг играют дефекты их поверхностных слоев [8,9].

По завершении определенного срока службы любого изделия из металла, работающего в условиях циклических и динамических нагрузок, наступает вероятность его обрыва по причине развития усталостных микротрещин -- как невидимых внутренних, так и видимых наружных. И насосные штанги в этом отношении исключения не составляют [10,11].

Критерия отбраковки б/у ШН по микротрещинам не существует. В то же время, любая микротрещина в ШН с большим сроком эксплуатации (более 5 лет) в процессе дальнейшего использования изделия может стать очагом развития трещины и обрыва штанги. Именно в этом заключается ответ на вопрос, почему спуск в скважину проверенных на дефектоскопе и признанных годными б/у штанг оборачивается обрывами. Насосные штанги б/у, даже после проверки их на дефектоскопе не могут быть 100%-но годными: их поверхность покрыта микротрещинами и существует риск и их обрыва [12,13].

Усталостные трещины образуются также по следующим причинам [14]:

    1. Наличие на поверхности штанг механических повреждений от ударов металлическими предметами. На дне риски создается концентрация напряжения согласно экспоненциальному закону и развивается трещина. 2. Появление перенапряжений в поверхностном слое металла, возникших вследствие изгиба штанги при ее транспортировке или спуско-подъемных операциях.

Из-за усталости металла происходит почти 100% обрывов. Промысловые наблюдения показали, что 50% обрывов штанг происходит по резьбе. На обрывы в резьбе также влияет крутящий момент, прилагаемый при затяжке резьбы во время спуска штанг в скважину [15,16].

Причиной большого количества обрывов штанг является существующая технология их производства и, как следствие, низкое качества штанг. Изготовление стандартной насосной штанги производится высадкой головки штанги при высокотемпературном нагреве в 5 переходов. Это приводит к снижению технической характеристики штанг из-за нарушений исходной микроструктуры металла и соосности головки штанг, вызывающие дополнительные изгибающие моменты при их эксплуатации, а так же к повышению стоимости производства [17,18].

Одним из основных направлений увеличения МРП УШСН является повышение надежности насосных штанг, в том числе совершенствование системы их технического обслуживания и ремонта, а так же оптимизацией работы штанговых колонн. В процессе эксплуатации штанговая колонна подвергается совместному воздействию циклических знакопеременных нагрузок и коррозионной среды. В наклонно направленных скважинах наряду с продольными динамическими нагрузками на штанги действуют дополнительные силы трения, изгибающие и скручивающие нагрузки которые обусловлены геометрией скважины. Отсюда, детали, подвергающиеся длительной повторно-переменной нагрузке, разрушаются при напряжениях, значительно меньших предела прочности материала при статическом нагружении, чем и обусловлено неконтролируемое коррозионно-усталостное разрушение штанг [19,20]. Таким образом, мероприятия, направленные на сокращение числа обрывов насосных штанг, можно квалифицировать на две категории - предупреждающие причину обрыва и предупреждающие сам обрыв. К первой категории следует отнести повышение качества штанг (включая качество материала, технологию производства и заводскую дефектоскопию штанг), улучшение состояния их транспорта, хранение и эксплуатацию [20,21].

В качестве достойной и экономически оправданной альтернативы обычным насосным штангам (НШ) являются непрерывные колонны насосных штанг COROD. В отличие от колонн обычных НШ в штанговых колоннах COROD всего два резьбовых соединения. Кроме того, за счет отсутствия в них муфт снижается контактная нагрузка и увеличивается рабочее пространство лифтовой колонны, а также уменьшается и вес всей подвески [22,23].

С целью устранения продольного изгиба нижней части колонны штанг, применяют утяжеленный низ. Собирается он из сплошных трубчатых штанг большого сечения и состоит из секций длиной 4 - 5 м [24].

С большим количеством осложнений возникающим при эксплуатации ШСНУ можно бороться при помощи замены стандартных металических штанг на штанги из стеклопластика. Они обладают рядом преимуществ перед металлическими аналогами. По итогам ОПР в скважинах в ОАО "Удмуртнефть" стеклопластиковые штанги рекомендованы к применению в добывающих скважинах ОАО "НК-Роснефть", осложненных коррозией [25,26].

В настоящее время разрабатываются стеклопластиковые и углепластиковые насосные штанги для использования в скважинах с коррозионно - активной средой. Конструкция аналогична стальным штангам, т. е. есть гладкое тело штанги и высаженная часть с резьбой. Основная особенность стеклопластиковых штанг - их малая масса: при одинаковой прочности они в 3 - 4 раза легче стальных, но в 2 - 3 раза эластичнее. Обычно их используют в глубоких скважинах или в скважинах с высококоррозионной пластовой жидкостью [27,28].

Одним из наиболее эффективных методов борьбы с обрывами штанг является оптимизация работы скважин. Технология SALT позволяет повысить производительность насоса за счет реализованной в СУ функции автоматической настройки ШГН. Бездатчиковая технология механизированной добычи (SALT) -- запатентованный метод, основанный на векторном управлении частотой (VLT) привода со встроенным программным обеспечением для управления насосом [29,30].

Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что в настоящее время проблема обрывности штанг является одной из важных проблем в нефтедобывающей сфере, поскольку основной фонд скважин, на последней стадии разработки месторождений, эксплуатируются штанговыми насосными установками.

Похожие статьи




ОБЗОР НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ПО ПРОБЛЕМАМ ОБРЫВА ШТАНГ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ СКВАЖИН ШСНУ - Анализ причин обрывов штанговых колонн при эксплуатации скважин, оборудованных ШСНУ, на примере Илькинского месторождения НГДУ "Туймазанефть"

Предыдущая | Следующая