книги / Технологические процессы и технические средства для глубинно-насосной эксплуатации нефтяных скважин
..pdfSд = R2arc cos |
(R − h) |
− (R − h) |
R2 − (R − h)2 , |
(1.1) |
|
||||
|
R |
|
|
|
где R – радиус насосной штанги, мм; h – |
глубина долома, мм. |
|
1.2. Макро-, микроструктура материала насосных штанг, разрушившихся в процессе эксплуатации
Структура материала каждой из разрушившихся штанг из материала 20Н2М, 15Х2НМФ, 38ХМ изучалась в районе фокуса усталостного разрушения, а в отдельных случаях – вдоль тела штанги с применением методов неразрушающего контроля [4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11]. При этом у большинства исследованных штанг 1977–1988 гг. выпуска вблизи поверхности был выявлен обезуглероженный слой глубиной до 0,32 мм по данным микроанализа (табл. 1.3, рис. 1.4), причем глубина этого слоя и степень обезуглероживания (количество ферритной составляющей) у исследованных штанг различны.
При определении глубины обезуглероженного слоя в качестве основного был использован метод «М» по ГОСТ 1763–68. Однако методы, рекомендованные этим стандартом, распространяются только на стали ссодержанием углерода не менее 0,3 %. В исследованных сталях содержание углерода не превышало 0,28 %, поэтому с целью более надежного определения глубины обезуглероживания параллельно был использован метод«МТ» – методпослойногозамерамикротвердости.
После периодического контроля степени обезуглероживания штанг из стали 20Н2М после нормализации в газоплазменных печах ОМЗ и завода им. Октябрьской революции (ЗиОР), проводившегося в течение IV квартала 1989 и I квартала 1990 г., было установлено, что обезуглероживание штанг зависит от режима нормализации и состава атмосферы (рис. 1.5). Поэтому отсутствие заметного обезуглероживания у некоторых штанг после эксплуатации может быть связано как с особенностями технологии, так и с равномерной электрохимической коррозией внешней поверхности штанг при их эксплуатации.
21
22
Таблица 1 . 3
Долговечность и характеристики структуры исследованных штанг из стали 20Н2М, 15Х2НМФ, 38ХМ
|
6 |
|
Характеристикиструктурыповерхностиисердцевины штанг |
||||||
№ |
N·10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Сталь, режим |
глубина |
минимальная |
балл |
балл |
балл |
Твердость |
|||
скважины, |
циклов |
обезуглеро- |
твердость |
аустенит- |
видман- |
полосча- |
сердцевины |
||
нагруже- |
термообработки |
||||||||
образца |
ния |
|
женного |
поверхности |
ного |
штеттовой |
тости |
HV0,2 подлине |
|
|
|
слоя, мм |
HV 0,2, МПа |
зерна |
структуры |
|
образца, МПа |
||
|
|
|
|
||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
2199 |
0,3 |
|
0,208 |
– |
– |
2 А |
1Б |
206 |
|
825 |
2,1 |
20Н2М, |
0,192 |
198 |
– |
0 |
1 Б |
215 |
|
336 |
2,4 |
0,208 |
226 |
– |
0 |
1,5 Б |
243 |
||
предприятие- |
|||||||||
427 |
2,6 |
0,240 |
196 |
– |
1 А |
1Б |
232 |
||
изготовитель |
|||||||||
975 |
3,1 |
0,096 |
155 |
– |
1 А |
0 |
198 |
||
Очёрскиймашзавод |
|||||||||
507 |
4,5 |
0,200 |
167 |
– |
1 А |
0 |
232 |
||
(г. Очёр), |
|||||||||
647 |
4,7 |
0 |
176 |
– |
0 |
3 Б |
210 |
||
годвыпуска1977–1988, |
|||||||||
1057 |
5,2 |
нормализация |
– |
196 |
– |
1 А |
1Б |
232 |
|
512 |
5,4 |
0 |
– |
– |
0 |
2,5 Б |
– |
||
|
|||||||||
281 |
6,3 |
|
0,288 |
187 |
– |
1 А |
0 |
243 |
|
04 |
7,6 |
|
– |
228 |
– |
– |
– |
250 |
|
160 |
7,9 |
|
0 |
185 |
– |
0 |
3 Б |
180 |
|
114 |
9,1 |
20Н2М, |
0,160 |
240 |
– |
1 А |
1Б |
246 |
|
175 |
11,4 |
0,128 |
229 |
– |
2 А |
0 |
243 |
||
предприятие- |
|||||||||
450 |
13,5 |
0,112 |
156 |
– |
0 |
3 Б |
183 |
||
изготовитель |
|||||||||
1033 |
15,0 |
0,256 |
163 |
– |
1,5 А |
1Б |
200 |
||
Очёрскиймашзавод |
|||||||||
574 |
15,6 |
0 |
203 |
– |
0 |
3 Б |
208 |
||
(г. Очёр), |
|||||||||
63 |
16,6 |
0,208 |
201 |
– |
0 |
2,5 Б |
212 |
||
годвыпуска1977–1988, |
|||||||||
210 |
16,7 |
нормализация |
0,240 |
191 |
– |
1 А |
1Б |
206 |
|
813 |
16,6 |
0,240 |
161 |
– |
1 А |
2,5 Б |
214 |
||
|
|||||||||
651 |
11,6 |
|
0 |
187 |
– |
0 |
1,5 Б |
193 |
|
824 |
18,1 |
|
0,144 |
185 |
– |
1 А |
0 |
227 |
23
Окончание табл. 1 . 3
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
8 |
9 |
|
805 |
18,9 |
|
0 |
176 |
– |
0 |
|
1,5 Б |
195 |
|
630 |
21,5 |
|
0,064 |
148 |
– |
0 |
|
2 Б |
157 |
|
172 |
27,9 |
|
0,208 |
164 |
– |
0 |
|
2,5 Б |
208 |
|
513 |
9,1 |
|
0 |
199 |
4 |
– |
|
0 |
269 |
|
2276 |
9,1 |
|
– |
164 |
5 |
– |
|
0 |
252 |
|
399 |
9,7 |
15Х2НМФ, |
0,320 |
168 |
– |
– |
|
0 |
276 |
|
399 |
10,9 |
0,080 |
206 |
– |
– |
|
0 |
303 |
||
предприятие- |
|
|||||||||
764 |
11,1 |
0 |
225 |
4 |
– |
|
0 |
297 |
||
изготовитель штанг |
|
|||||||||
496 |
12,7 |
0,208 |
204 |
– |
– |
|
0 |
269 |
||
машзаводим. |
|
|||||||||
858 |
16,1 |
– |
237 |
4 |
– |
|
0 |
303 |
||
В.И. Ленина (г. Пермь), |
|
|||||||||
786 |
22,5 |
– |
225 |
– |
– |
|
0 |
245 |
||
годвыпуска1977–1988, |
|
|||||||||
817 |
26,9 |
0,272 |
201 |
|
– |
|
0 |
250 |
||
закалкаивысокийотпуск |
|
|
||||||||
1136 |
28,5 |
илинормализация ивы- |
0,208 |
168 |
– |
– |
|
0 |
270 |
|
1082 |
29,0 |
сокийотпуск |
0,256 |
188 |
– |
– |
|
0 |
282 |
|
505 |
29,3 |
0 |
194 |
4 |
– |
|
0 |
270 |
||
|
|
|||||||||
422 |
36,3 |
|
0 |
214 |
4 |
– |
|
0 |
250 |
|
694 |
42,2 |
|
0,240 |
142 |
– |
|
|
0 |
303 |
|
1.3 |
новая |
38 ХМ |
0 |
229 |
Макроструктура– |
ликвацион- |
229 подлине |
|||
ныйквадрат(2 баллапошкале |
образца |
|||||||||
|
|
ГОСТ4543–71, |
|
|
||||||
|
|
|
|
№5 ГОСТ10243–75). |
|
|||||
|
новая |
|
|
235 подлине |
||||||
1.6 |
поставщикпроката |
0 |
229 |
|||||||
Микроструктура– |
ликвацион- |
образца |
||||||||
|
|
«Камасталь» (г. Пермь), |
|
|
||||||
|
|
|
|
ныйквадрат. Характеристика |
|
|||||
|
* |
|
|
241 подлине |
||||||
2.2 |
предприятие-изготови- |
0 |
229 |
|||||||
новая |
микроструктурывразных по |
образца |
||||||||
|
|
тель штангОАО«Мото- |
|
|
||||||
|
|
|
|
травимостизонахпредставлена |
|
|||||
|
|
|
|
241 подлине |
||||||
3.3 |
** |
вилихинскиезаводы» |
0 |
218 |
||||||
новая |
в[11] наоснове источников |
образца |
||||||||
|
|
(г. Пермь), |
|
|
||||||
|
|
|
|
[12, 13] |
|
|
|
252 подлине |
||
3.4 |
новая |
годвыпуска2001 |
0 |
229 |
|
|
|
|||
|
|
|
|
образца |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Примечание. 1*. 9,51·106 циклов нагружения по результатам стендовых ускоренных усталостных испытаний фрагмента из штанги (маркировка 7/8М11D 501628) на воздухе. 2**. 6,51·106 циклов нагружения по результатам стендовых ускоренных усталостных испытанийфрагмента изштанги (маркировка 7/8М11D 501628) на воздухе.
а |
б |
в |
Рис. 1.4. Структура 100-кратного увеличения подповерхностного слоя фрагментов насосных штанг, бывших в эксплуатации (данные НГДУ «Осинскнефть» ПО «Пермнефть»): а, б – штанги насосные со скважин №507 (а) и №647 (б), отработавшие соответственно 4,5·106 и 4,7·106 цикловнагружения, изготовитель Очёрский машзавод (г. Очёр), сталь20Н2М, режим термообработки нормализация, глубина обезуглероженного слоя 0,2 мм (а), 0,0 мм (б); в – насосная штанга со скважины № 817, отработавшая 26,9·106 циклов нагружения, изготовитель машзавод им. В.И. Ленина (г. Пермь), сталь 15Х2НМФ, режим термообработки закалка и высокий
отпуск, глубина обезуглероженного слоя 0,272 мм
Как известно из литературных источников [14, 15], обезуглероженный слой снижает усталостную прочность штанг в условиях знакопеременного нагружения.
При проведении совместных со специалистами кафедр «Металловедение и термическая обработка» и «Сопротивление материалов» Пермского политехнического института исследований было установлено, например, что для скважин, эксплуатирующихся механизированным способом с использованием УСШН, фактором, определяющим остаточный ресурс штанг, является величина обезуглероженного слоя. Обнаруженная зависимость аппроксимирована линейным
24
Рис. 1.5. Глубина обезуглероженного слоя после нормализации материала штанги из стали 20Н2М различных плавок в зависимости от длительности нормализации при 900 оС и состава атмосферы печей:
U– нормализация в газопламенной печи ОМЗ;
{– нормализация в газопламенной печи ЗиОР
уравнением: у = –315,7 х + 272,4, где у – величина разрушающего напряжения при усталостных испытаниях штанг, МПа; х – глубина обезуглероженного слоя, мм.
Наряду с обезуглероженным слоем, у ряда насосных штанг, бывших в эксплуатации, были обнаружены язвы, питинги, вызванные неравномерностью коррозионных процессов. При этом усталостная трещина закономерно локализуется в области очага коррозионного поражения (рис. 1.6), разрушение по этому механизму приводит к заметному снижению долговечности штанг [16].
Представленные результаты исследований (см. рис. 1.6) подкреплены данными промысловых испытаний насосных штанг и лабораторных коррозионно-усталостных испытаний фрагментов насосных штанг ШН19, новых и бывших в эксплуатации, показанными на рис. 1.7 и в табл. 1.4.
25
а |
б |
Рис. 1.6. Микроструктура (а) при трехкратном увеличении и микроструктура (б) при 100-кратном увеличении фрагмента насосной штанги со скважины № 505, отработавшей 29,6·106 циклов нагружения, изготовитель завод им. В.И. Ленина (г. Пермь), сталь 15Х2НМФ, режим термообработки закалка ивысокий отпуск, глубинаобезуглероженного
слоя 0,0 мм (данные НГДУ «Осинскнефть» ПО «Пермнефть»)
Рис. 1.7. Вероятность безотказной работы насосных штанг (без смены колонны) за период с 1987 по 1995 г. в среде добывамой
жидкости: рН < 5, обводненность более 50 %, минерализация более 150 г/л (НГДУ «Осинскнефть» ПО «Пермнефть»)
26
Таблица 1 . 4
Результаты коррозионно-усталостных испытаний фрагментов насосных штанг ШН19, новых и бывших в эксплуатации
Год |
|
Страна, |
|
Срок |
Пределограни- |
Пределограни- |
Способ |
|
Условное |
Марка |
эксплуатации |
ченнойвыносли- |
ченнойвыносли- |
иусловия |
|
||
выпуска |
обозначение |
завод- |
стали |
штанги, |
востипри1·107 |
востипри2·107 |
усталост- |
Примечание |
штанг |
|
изготовитель |
|
млнциклов |
цикловнагруже- |
цикловнагруже- |
ныхиспы- |
|
|
|
|
|
нагружения |
ния, МПа |
ния, МПа |
таний |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
1986 |
19Н6И.672 |
|
|
0 |
80 |
65 |
|
– |
(новыйцех) |
|
|
|
|||||
1987 |
19Н7А.681 |
|
20Н2М |
0 |
75 |
62 |
|
– |
(новыйцех) |
|
Изгиб |
||||||
1987 |
19Н7И.911 |
|
|
0 |
75 |
60 |
– |
|
(старыйцех) |
|
|
свраще- |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
нием |
|
1988 |
19Р8Б.479 |
СССР, |
15Н3МА |
0 |
85 |
80 |
– |
|
(новыйцех) |
всреде |
|||||||
|
|
г. Очёр, |
|
|
|
|
пластовой |
|
|
|
|
|
|
|
скв. 264 |
||
|
|
Очёрский |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
воды |
Долининское |
|
|
|
машзавод |
|
|
|
|
||
|
19Н179.А2 |
20Н2М |
|
|
|
НГДУ |
месторождение, |
|
1972 |
|
53660640 |
58 |
– |
||||
(старыйцех) |
|
«Долина- |
НГДУ |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
нефтегаз» |
«Долина-нефтегаз» |
|
|
|
|
|
|
|
|
ПО«Укрнефть» |
1983 |
19Н3Г.643 |
|
20Н2М |
15396000 |
55 |
45 |
|
– |
(старыйцех) |
|
|
||||||
1983 |
19Н3Г.907 |
|
20Н2М |
15396480 |
53 |
30 |
|
– |
(старыйцех) |
|
|
27
Продолжение табл. 1 . 4
28 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
1985 |
19Н5А.225 |
|
20Н2М |
9333200 |
60 |
45 |
|
|
|
(старый цех) |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
скв. 864 |
|
|
|
СССР, г. Пермь, |
|
|
|
|
|
Осинское |
|
|
19МН4А. |
20Н2М |
|
|
|
|
месторождение |
|
|
1974 |
машзавод |
32659200 |
60 |
– |
|
|||
|
|
СО5Д |
им. В.И. Ленина |
сорбит |
|
|
|
|
НГДУ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
«Осинскнефть» |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ПО«Пермнефть» |
|
|
19ШН7. |
АзССР, |
|
|
|
|
|
НГДУ |
|
|
Заводим. л-та |
20Н2М |
|
|
|
|
||
|
1973 |
34000000 |
68 |
58 |
|
Долина-нефтегаз |
|||
|
|
729А3 |
Шмидта, |
|
|
|
|
|
ПО«Укрнефть» |
|
|
|
СССР, г. Пермь |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
19Н291.А2 |
|
20Н2М |
|
|
|
|
НГДУ «Красно- |
|
1972 |
|
53660000 |
37 |
35 |
|
камскнефть» |
||
|
(старыйцех) |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Изгиб |
ПО«Пермнефть» |
|
|
19Н4Г.150 |
|
20Н2М |
|
|
|
|
|
|
1984 |
|
11664000 |
46 |
44 |
свращени- |
|
||
|
(старыйцех) |
|
|
||||||
|
|
|
СССР, |
|
|
|
|
емвсреде, |
|
|
|
19Н6И.672 |
20Н2М |
|
|
|
|
||
|
1986 |
г. Очёр, |
0 |
56 |
45 |
имити- |
– |
||
|
(новыйцех) |
||||||||
|
|
|
Очёрский |
|
|
|
|
рующей |
|
|
|
19Н7А.681 |
|
|
|
|
|
||
|
1987 |
машзавод |
20Н2М |
0 |
55 |
50 |
действие |
– |
|
|
(новыйцех) |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
серово- |
|
|
|
19Н7И.911 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1987 |
|
20Н2М |
0 |
45 |
40 |
дорода |
– |
|
|
(старыйцех) |
|
|||||||
|
|
|
|||||||
|
1992 |
19Н2А.28Н |
|
20Н2М |
0 |
40 |
37 |
|
– |
|
(новыйцех) |
|
|
Окончание табл. 1 . 4
1 |
2 |
3 |
|
|
|
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
|
|
|
|
9 |
||||||||
|
19Н5И.224Т |
|
|
|
|
|
|
|
|
20Н2Мнормализа- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1985 |
|
|
|
|
|
|
|
|
цияспоследующим |
9331200 |
215 |
208 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(новыйцех) |
|
|
|
|
|
|
|
|
поверхностным |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
упрочнениемТВЧ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1974 |
19МН4А. |
|
|
|
|
|
|
|
|
20Н2М |
32659200 |
58 |
– |
|
Изгибсвраще- |
|
– |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
С05А |
|
|
|
|
|
|
|
|
(сорбитизация) |
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ниемвсреде, |
|
|
|
|
||||
|
19МН4А. |
|
|
|
|
|
|
|
|
20Н2М |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
1974 |
|
|
|
|
|
|
|
|
32659200 |
68 |
35 |
|
|
имитирующей |
|
|
– |
||||||
С05А |
|
|
|
|
|
|
|
|
(сорбитизация) |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
действиесеро- |
|
|
|
|||||||
|
19МП8И. |
|
|
|
|
|
|
|
|
15Х2НМФ |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
1978 |
|
|
|
|
СССР, |
|
|
|
38657600 |
46 |
45 |
|
|
|
|
водорода |
|
|
|
|
– |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
0090 |
|
|
|
|
|
|
|
(сорбитизация) |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
г. Пермь, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
19МП9Г. |
|
|
|
|
|
15X2НМФ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
1979 |
|
|
машзавод |
|
36324800 |
52 |
48 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
– |
||||||
0039 |
|
|
|
(сорбитизация) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
им. |
В.И. Ленина |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
1979 |
19МП9И. |
15Х2НМФ |
36324800 |
60 |
45 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
– |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
0085 |
|
|
|
|
|
|
|
|
(сорбитизация) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
1980 |
19MПOA. |
|
|
|
|
|
|
|
|
15Х2НМФ |
34992000 |
47 |
40 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
– |
0012 |
|
|
|
|
|
|
|
|
(сорбитизация) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
1980 |
19МПОА. |
|
|
|
|
|
|
|
|
15Х2НМФ |
34992000 |
48 |
– |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0007 |
|
|
|
|
|
|
|
|
(сорбитизация) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Изгибсвраще- |
Приусталостных |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
143 |
|
|
|
нием10 фраг- |
лабораторных |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ментоввраст- |
испытаниях |
|||||||
|
|
|
|
|
|
РФ, |
|
|
пристан- |
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
воре3 % NaCl |
фрагментовна- |
|||||||||||
|
ШН22-8000 |
|
г. Ижевск, |
|
|
дартном |
|
|
|
||||||||||||||
2006 |
|
20ХГН1М |
0 |
– |
|
|
|
присиммет- |
сосныхштанг |
||||||||||||||
(Класс Д) |
ООО«Компания |
отклоне- |
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
ИжТехМаш» |
|
|
нииSσ –1 = |
|
|
|
|
|
ричном |
установлено |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
нагружении |
следующее: |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= 18,9 МПа |
|
|
|
|
счастотой |
(см. примечание |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
20 Гц |
ктабл. 1.4) |
29
30
Примечание.
1. При напряжении в месте перехода тела штанги к ее галтели от 160 до 300 МПа фрагменты штанг ШН22 в количестве десяти штук разрушились при следующих условиях:
– максимальное число циклов – 10232500 (160 МПа – фрагмент 1–1);
–минимальное число циклов: 779000 (260 МПа – фрагмент 7–1); 1086800 (300 МПа – фрагмент 4–1); 1636000 (180 МПа – фрагмент 2–1); т.е. установлена анизотропия механических свойств насосных штанг ШН22 из стали 20ХГН1М.
2. Для уточнения природы анизотропии выполнены микро- и макроисследования разрушившихся частей фрагментов, которые представлены в прил. 1:
–семь фрагментов насосных штанг имеют классическое место разрушения;
– три фрагмента насосных штанг (4–1, 6–1, 9–1) имеют не классическое место разрушения.