книги / Технологические процессы и технические средства для глубинно-насосной эксплуатации нефтяных скважин

ГЛАВА 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИЧИН ПРЕЖДЕВРЕМЕННОГО РАЗРУШЕНИЯ НАСОСНЫХ ШТАНГ ОТЕЧЕСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА ДЛЯ НЕФТЕДОБЫЧИ

Для установления причин преждевременного разрушения насосных штанг производства Очёрского машзавода (г. Очёр, Пермская обл.), машиностроительного завода им. В.И. Ленина (г. Пермь, Пермская обл.) 1977–1988 гг. выпуска и штанг ОАО «Мотовилихинские заводы» 2001 г. выпуска были взяты разрушившиеся их части с сохранившейся поверхностью усталостного разрушения. При этом основной объем исследований выполнен на штангах из стали 20Н2М производства Очёрского машзавода (ОМЗ) и стали 15Х2НМФ производства машзавода им. В.И. Ленина (г. Пермь). Отобранные штанги отмечались различной длительностью нахождения в эксплуатации: срок службы штанг ОМЗ из нормализованной стали 20Н2М составил от одного месяца (0,3·106 циклов) до 108 месяцев (27,9·106 циклов); штанги машзавода им. В.И. Ленина из термоулучшенной стали 15Х2НМФ находились в эксплуатации от 35 месяцев (9,1·106 циклов) до 122 месяцев (42,2·106 циклов). Также представлены исследования штанг из стали 38ХМ, 20ХГН1М, стали 45 и 40Х.

1.1. Механические характеристики, химический состав материала насосных штанг, преждевременно разрушившихся в процессе эксплуатации

Вобщей сложности было исследовано 39 насосных штанг.

Втабл. 1.1 приведены данные по химическому составу материала исследованных штанг. Несмотря на завышенные концентрации углерода в материале некоторых штанг (особенно штанг машзавода им. В.И. Ленина), в целом химический состав материалов, пред-

11

ставленных в табл. 1.1, соответствует их марочному составу. При этом никакой закономерной связи между повышенной концентрацией углерода, а также наличием повышенного или пониженного содержания других элементов в материале штанги, например в стали 20Н2М и 15Х2НМФ, с их долговечностью не установлено. Как следует из табл. 1.1, средняя долговечность штанг (сталь 20Н2М) производства Очёрского машзавода составила 10,82·106 циклов нагружения, а долговечность штанг (сталь 15Х2НМФ) производства машзавода им. В.И. Ленина составила 20,99·106 циклов нагружения.

Определяющим, как следует из результатов обобщенных исследований, представленных в табл. 1.1 и на рис. 1.1, является наличие и процентное содержание легирующих элементов в материале насосной штанги.

Рис. 1.1. Вероятность безотказной работы партии насосных штанг из стали 15Н3МА за период с 2.09.88 г. по 30.10.95 г.

(НГДУ «Осинскнефть» ПО «Пермнефть»), изготовитель Очёрский машзавод, режим термообработки нормализация, маркировка 19Р8Б, 479 (новый цех). Химический состав, содержаниеэлементов вматериале штанги(мас. %): С– 0,1–0,8; Si – 0,1; Мn – 0,4–0,7;

Р – 0,025; S – 0,025; Ni – 0,5–3,0; Мо – 0,2–0,3

16

Стандартные механические свойства материала каждой разрушившейся штанги были определены по результатам испытаний одного образца на растяжение и одного образца на удар, вырезанных из головки штанги [1, 2]. Полученные результаты представлены в табл. 1.2.

Таблица 1 . 2

Долговечность и механические свойства материала исследованных штанг из стали 20Н2М, 15Х2НМФ, 38ХМ

17

Окончание табл. 1 . 2

Примечание. 1. – отклонение от требований ГОСТа и требований Американского нефтяного института (АНИ). 2** 6,51·106 циклов нагружения по результатам стендовых ускоренных усталостных испытаний фрагмента из штанги (маркировка 7/8М11D 501628) на воздухе.

По данным табл. 1.2 стандартные механические свойства, характеризующие 39 штанг 1977–1988 гг. выпуска и 3 штанги 2001 г. выпуска, оказались ниже требований ГОСТ 13877–80 (29 отклонений в 21 штанге) и требований стандарта АНИ (два отклонения в трех

18

штангах), а именно: 12 отклонений в штангах 1977–1988 гг. выпуска по величине ударной вязкости; 6 отклонений в штангах 1977–1988 гг. выпуска и 2 отклонения в штангах 2001 г. выпуска по величине условного предела текучести σт; 4 отклонения в штангах 1977–1988 гг. выпуска по величине предела прочности σв. Как следствие, пониженные механические свойства насосных штанг также являются причиной преждевременного разрушения отдельных штанг.

Данное положение подтверждено промысловыми результатами работы штанг 1977–1988 гг. выпуска, представленными на рис. 1.2 и 1.3.

Рис. 1.2. Показателидолговечности насосныхштанг взависимости от суточного дебита скважины и технологии ее изготовления: { – насосная штанга, изготовитель Очёрский машзавод (г. Очёр), сталь 20Н2М, режим термообработки нормализация (старый цех); U – насосная штанга, изготовитель Очёрский машзавод (г. Очёр), сталь 20Н2М, режим термообработки нормализация (новый цех); S – насосная штанга, изготовитель машзавод им. В.И. Ленина (г. Пермь), сталь 15Х2НМФ, режим термообработки закалка

ивысокий отпуск

Втех случаях, когда напряжение в зоне долома превышает величину предела прочности материала насосной штанги, происходит

ееразрушение и величина остаточного несущего сечения штанги

19