Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса 6
1.1. Анализ причин отказов колонн НКТ при различных способах добычи нефти и выявление частоты их проявления 6
1.2. Недостатки отечественной и зарубежной нормативной документации, определяющей качество НКТ, и обоснование требуемого качества НКТ в различных условиях эксплуатации 20
1.3. Обоснование преимуществ НКТ с внутренним полимерным покрытием. Цель и задачи исследования 26
1.4. Выводы по главе 1 30
Глава 2. Разработка методологии создания нормативной базы, определяющей качество внутреннего полимерного покрытия НКТ 32
2.1. Анализ действующей отечественной и зарубежной нормативной документации, определяющей качество полимерного покрытия труб, и ее недостатки 32
2.2. Разработка основных принципов создания нормативной базы, определяющей качество внутреннего покрытия НКТ в различных условиях эксплуатации, и методики формулирования технических требований к покрытию НКТ для конкретного месторождения на ее основе 40
2.3. Разработка методики выбора оптимальной конструкции внутреннего полимерного покрытия НКТ 83
2.4. Выводы по главе 2 87
Глава 3. Разработка методов и технических средств контроля соответствия фактического качества внутреннего полимерного покрытия нкт требуемому качеству 89
3.1. Анализ существующих методов контроля качества полимерного покрытия нефтегазопроводных труб и обоснование необходимости разработки новых методов контроля качества внутреннего покрытия НКТ 89
3.2. Разработка метода контроля относительного изменения адгезионной прочности внутреннего покрытия НКТ на двух базах времени испытаний при комплексном воздействии модельной среды, повышенной температуры и давления 107
3.3. Разработка метода контроля диэлектрической сплошности внутреннего покрытия НКТ при поперечном изгибе в условиях комплексного воздействия модельной среды и повышенной температуры 116
3.4. Разработка метода контроля диэлектрической сплошности внутреннего покрытия НКТ при действии контактной нагрузки на их наружную поверхность 119
3.5. Разработка метода контроля сопротивления сдвигу отложений АСП и минеральных солей относительно поверхности внутреннего покрытия НКТ 122
3.6. Выводы по главе 3 125
Глава 4. Разработка корпоративной нормативной документации, определяющей качество внутреннего полимерного покрытия нкт при эксплуатации скважин уэцн на месторождениях западной сибири 127
4.1 Анализ специфики условий работы колонн НКТ в скважинах, эксплуатируемых УЭЦН, на месторождениях Западной Сибири 127
4.2. Разработка и внедрение на предприятиях, осуществляющих внутреннюю изоляцию НКТ, технических условий на внутреннее полимерное покрытие НКТ, применяемых при добыче нефти УЭЦН 128
4.3. Выводы по главе 4 131
Выводы 131
Список используемой литературы 135
Приложения 143
- Недостатки отечественной и зарубежной нормативной документации, определяющей качество НКТ, и обоснование требуемого качества НКТ в различных условиях эксплуатации
- Разработка основных принципов создания нормативной базы, определяющей качество внутреннего покрытия НКТ в различных условиях эксплуатации, и методики формулирования технических требований к покрытию НКТ для конкретного месторождения на ее основе
- Разработка метода контроля относительного изменения адгезионной прочности внутреннего покрытия НКТ на двух базах времени испытаний при комплексном воздействии модельной среды, повышенной температуры и давления
- Разработка и внедрение на предприятиях, осуществляющих внутреннюю изоляцию НКТ, технических условий на внутреннее полимерное покрытие НКТ, применяемых при добыче нефти УЭЦН
Введение к работе
Трубопроводная система, используемая для транспорта к потребителю извлекаемых из пласта нефти и газа, включает в себя три взаимосвязанных и последовательно расположенных звена: колонна насосно-компрессорных труб (НКТ) в добывающих скважинах, предназначенная для транспорта нефти или газа от забоя к устью скважины; промысловые трубопроводы, используемые в технологических системах сбора и предварительной подготовки нефти и газа; - магистральные трубопроводы, предназначенные для поставки нефти и газа потребителю.
В рассмотренной единой трубопроводной системе колонны НКТ являются одним из наиболее ответственных звеньев, от безаварийной работы которой зависит себестоимость добычи нефти и газа.
Колонны НКТ в скважинах помимо основной функции - подъема продукции скважины на поверхность, выполняют ряд других не менее важных функций: транспортирование в скважину технологических сред; подвеска в скважине оборудования для выполнения ряда технологических операций; проведение в скважине ремонтных работ.
В процессе эксплуатации НКТ подвергаются интенсивной электрохимической коррозии, корозионному растрескиванию, коррозионной усталости, сульфидному растрескиванию, образованию твердых отложений минеральных солей и асфальтосмолопарафинов (АСП) на их внутренней поверхности, коррозионно-механическому износу в паре трения с муфтами насосных штанг и центраторами, что обусловливает их частые отказы или низкую эффективность работы.
Накопленный опыт эксплуатации НКТ в различных условиях показывает, что одним из перспективных направлений предотвращения указанных процессов является применение полимерных покрытий. Правильно подобранные материалы и конструкции покрытий на их основе
5 защищают металл от разрушения в коррозионно-активных и сорбционно-активных средах, предотвращают образование отложений ДСП и минеральных солей, защищают от износа, снижают гидравлическое сопротивление и др.
Наряду с этим имеется достаточно много примеров низкой эффективности и ограниченного срока службы используемых покрытий, необоснованных значительных материальных затрат на их применение. Сложившаяся ситуация объясняется отсутствием нормативной базы, определяющей качество внутреннего покрытия НКТ в соответствии с его назначением, методики разработки подобной нормативной базы, методики выбора оптимальной конструкции покрытия для конкретных условий эксплуатации. Поэтому решение указанных вопросов является актуальной проблемой.
Недостатки отечественной и зарубежной нормативной документации, определяющей качество НКТ, и обоснование требуемого качества НКТ в различных условиях эксплуатации
Согласно ГОСТ Р ИСО 9000-2008 «качество - степень соответствия совокупности присущих характеристик требованиям», где «требование -потребность или ожидание, которое установлено, обычно предполагается или является обязательным». Данное определение относится к качеству процесса, а не к его результату. Например, если характеристики выпускаемой продукции соответствуют предъявляемым требованиям (даже если эти требования неграмотные и не обусловливают требуемое качество данной продукции в соответствии с ее назначением), то процесс производства обладает требуемым качеством. Но данное упрощенное определение качества процесса не выражает сущность самого понятия «качества».
Качество любого объекта, включая НКТ — потребительская сущность этого объекта, обусловливаемая его назначением и описываемая определенной совокупностью свойств данного объекта, показателями по каждому свойству, нормами на эти показатели, обеспечивающими выполнение объектом своего назначения. Назначение объекта включает в себя функции, выполняемые этим объектом, условия и продолжительность выполнения этих функций. На рис. 1.1 приведена структурная схема описания требуемого качества НКТ [ 30 ].
В настоящее время требуемое качество используемых в РФ НКТ определяется отечественным стандартом ГОСТ Р 52203-2004 [ 31 ] и стандартом Американского нефтяного института API 5 СТ [ 32 ] (Приложение І). В указанных стандартах сформулированы в виде технических требований необходимые, по мнению авторов этих стандартов, свойства НКТ, показатели этих свойств, нормы на показатели, допускаемые отклонения от норм и соответствующие методы испытаний.
Бессистемное изложение в этих стандартах технических требований на многочисленных страницах" затрудняет анализ их соответствия назначению НКТ.
В комплексе требуемых свойств НКТ, приведенных в ГОСТ Р 52203-2004, к свойствам тела НКТ относятся: изогнутость, овальность, металлоемкость, сопротивление сплющиванию, сплошность стенки, прочность, твердость, сопротивление удару, вредные примеси, микроструктура стали. К свойствам поверхностного слоя внутренней полости НКТ относится сопротивление сульфидному растрескиванию.
В требованиях ГОСТ Р 52203-2004 (см. Приложение 1) отсутствует ряд важных свойств тела НКТ, обеспечивающих его способность выполнять свое назначение в различных условиях эксплуатации. Это, в частности, касается ряда физико-химических и физико-механических свойств: сопротивления электрохимической коррозии, коррозионной усталости, коррозионному растрескиванию (КР), сульфидному растрескиванию, коррозионно-механическому изнашиванию (при эксплуатации скважин УСШН), сцепление с твердыми отложениями АСП и минеральных солей. В комплексе требуемых свойств НКТ, содержащихся в рассматриваемом стандарте, также отсутствует шероховатость внутренней поверхности, определяющая гидравлическое сопротивление НКТ [ 29, 33,34].
Аналогичные недостатки присущи стандарту API SPEC 5СТ (США) [29, 33, 34]. Исключение составляет содержащееся в этом стандарте требование к сопротивлению материала НКТ сульфидному растрескиванию, т.е. статической усталости при наводороживании. Однако показатель этого свойства является необоснованным, т.к. не связан с механизмом и скоростью разрушения стали при наводороживании [ 29, 33, 34 ].
Выявленные недостатки технических требований к свойствам тела НКТ, содержащихся в отечественных и зарубежных стандартах, обусловливают несоответствие качества НКТ, изготовленных в соответствии с этой документацией, их назначению.
Поэтому совершенствование действующей нормативно-технической документации, определяющей требуемое качество тела НКТ в различных условиях эксплуатации, является актуальной проблемой.
В табл. 1.6 представлен предлагаемый комплекс требуемых свойств и показателей свойств тела НКТ различного назначения. [33,35].
Данный комплекс требуемых свойств целесообразно разбить на две группы: требуемые свойства тела НКТ, исключая свойства поверхностного слоя во внутренней полости; требуемые свойства поверхностного слоя во внутренней полости НКТ [ 33, 35].
К первой группе относятся следующие свойств тела НКТ: геометрические (форма, размеры) и физико-механические (сплошность стенки, деформируемость, металлоемкость, прочность) [ 33, 35 ].
Вторая группа включает в себя следующие свойства поверхностного слоя внутренней полости: физико-химические (сцепление с твердыми отложениям АСП и минеральных солей, стойкость в эксплуатационной среде, проницаемость по отношению к эксплуатационной среде), физико-механические (дефектность поверхности, износостойкость в паре трения с муфтой и центратором колонны штанг), микрогеометрические свойства поверхности (шероховатость) [ 33, 35 ].
Подобный дифференцированный подход к свойствам тела НКТ в его объеме и на внутренней поверхности позволяет создать оптимальную многослойную конструкцию НКТ с требуемым градиентом свойств по толщине, используя для ее изготовления биметаллы и различные виды покрытий.
Разработка основных принципов создания нормативной базы, определяющей качество внутреннего покрытия НКТ в различных условиях эксплуатации, и методики формулирования технических требований к покрытию НКТ для конкретного месторождения на ее основе
В соответствии со сформулированными в разделе 1.2. требованиями к качеству внутренней поверхности НКТ для различных условий эксплуатации внутреннее покрытия НКТ должно выполнять ряд функций и в большинстве случаев несколько функций одновременно.
В табл. 2.3 приведены функции, выполняемые внутренним покрытием НКТ различного назначения.
К числу основных функций внутреннего покрытия НКТ относится защита сталей, используемых для изготовления НКТ, от коррозии, коррозионного растрескивания и коррозионной усталости в электрохимически активной продукции добывающих скважин, а таюке от сульфидного растрескивания в сероводородсодержащей продукции скважин.
Согласно действующей отечественной и зарубежной нормативной документации и литературных данных [ 23, 44, 46, 47, 48, 49 ] выполнение покрытием функции защиты от электрохимической коррозии, коррозионного и сульфидного растрескивания, коррозионной усталости обеспечивается следующим комплексом его свойств: внешней дефектностью, адгезией покрытия к изолируемой поверхности стали, диэлектрической сплошностью, проницаемостью по отношению к эксплуатационной среде и ее отдельным компонентам, геометрическими размерами (толщиной).
Внешняя дефектность покрытия позволяет на стадии контроля его качества визуально оценить допустимость использования этого покрытия для защиты металла от коррозии и выполнения ряда других функций.
Адгезия покрытия к поверхности металла затрудняет адсорбцию среды на поверхности металла, а, следовательно, предотвращает процесс коррозии. Молекулы воды, кислорода и электролита могут контактировать с металлом только на участках, на которых отсутствует адгезионная связь. Чем больше число центров адгезии, тем меньше подобных участков остается на металле и тем меньше возможностей для развития коррозионного процесса. Взаимодействие активных функциональных групп пленкообразующего с активными центрами на поверхности металла, приводящее к образованию прочных и устойчивых связей, способствует уменьшению реакционной способности металла; в результате изменяется энергетическое состояние поверхности металла под покрытием, происходит его пассивация, обусловленная адсорбционными и хемосорбционными процессами. Металлы, защищенные полимерным покрытием, приобретают более положительный стационарный потенциал, затрудняется течение анодной реакции ионизации металла, снижается плотность тока анодной поляризации, что обусловливается наличием адгезионных связей. Силы адгезии препятствуют образованию на границе раздела металл— покрытие продуктов коррозии.
Диэлектрическая сплошность, характеризующая отсутствие сквозных дефектов в покрытии, определяет барьерное действие покрытия по отношению к эксплуатационной коррозионно-активной среде.
Геометрические размеры покрытия обусловливают его барьерное действие по отношению к эксплуатационной коррозионно-активной среде.
Для каждой конструкции покрытия существует определенная, так называемая критическая толщина, при которой сопротивление в порах покрытия становится близким сопротивлению самого покрытия. Для обеспечения эффективного защитного действия покрытия необходимо, чтобы толщина полимерного слоя была больше критической.
Согласно современных представлений о механизме противокоррозионного действия полимерного покрытия металла торможение электрохимического процесса коррозии металла под покрытием обусловлено комплексом факторов: изоляционными, электроизоляционными, адгезионными свойствами покрытия, его способностью замедлять диффузию и перенос коррозионно-активных агентов к металлической поверхности, пассивировать или электрохимически защищать металл.
Существенное значение в механизме противокоррозионного действия покрытий имеет их ионная проницаемость, зависящая от свойств и структуры полимерной пленки. Покрытие представляет собой полупроницаемую мембрану, обладающую избирательной проницаемостью, т.е. способностью не в одинаковой степени пропускать через себя ионы различного заряда. Избирательная проницаемость покрытия для ионов одного знака объясняется тем, что в результате сорбционных процессов или диссоциаций каких-то групп внутри пленки покрытия появляются прочно связанные заряды, которые стимулируют проникновение в нее ионов противоположного знака и выталкивают одноименные ионы. Наличие преимущественной катионной проводимости свидетельствует об отрицательном заряде пленки, а преимущественная анионная проводимость — о положительном заряде. При уменьшении концентрации электролитов, соприкасающихся с пленкой покрытия, ее избирательная проводимость, увеличивается.
Значительное влияние на процесс коррозии, коррозионного растрескивания и коррозионной усталости стали под покрытием оказывает скорость проникновения ионов через пленку полимера. Наряду со свободной диффузией ионов, обусловленной разностью концентрации растворов, ионы могут проникать через покрытие в результате миграции, вызванной наличием электрического поля, так как между участками металла с покрытием различной толщины или между покрытыми и непокрытыми участками возникает заметная разность потенциалов, усиливающая миграцию ионов. Важным фактором для развития процесса коррозии является скорость отвода ионов железа в раствор, зависящая от их способности проникать через пленку покрытия.
Разработка метода контроля относительного изменения адгезионной прочности внутреннего покрытия НКТ на двух базах времени испытаний при комплексном воздействии модельной среды, повышенной температуры и давления
Разработанный метод [ 82, 83 ] предусматривает контроль относительного изменения адгезии внутреннего полимерного покрытия НКТ на двух базах времени испытаний в условиях комплексного воздействия на покрытие эксплуатационной среды, давления среды и повышенной температуры с обеспечением на ограниченной базе времени лабораторных испытаний ускоренного проникновения модельной среды к поверхности контакта покрытие — металл через искусственно созданный в покрытии дефект в виде канавки до металла, опоясывающей контролируемый участок покрытия.
Разработанный метод [ 82, 83 ] предусматривает использование образцов в виде сегментов, вырезанных из изолированной НКТ.
При контроле адгезии покрытия из жестких материалов методом нормального отрыва грибка контролируемые участки покрытия размером 15 х 20 мм должны быть ограничены канавкой шириной 2 мм, прорезанной до металла и имеющей форму прямоугольника (рис.3.8).
При контроле адгезии покрытия из эластичных материалов методом отслаивания полосы этого покрытия - контролируемый участок покрытия в виде полосы шириной 20мм должен быть ограничен канавками шириной 2 мм., прорезанными по обе стороны выделенной полосы покрытия до металла и имеющими форму прямолинейных прорезей (рис. 3.9).
Создание искусственных сквозных дефектов в виде канавок, прорезанных до металла по границам контролируемых участков, позволяет обеспечить ускоренное проникновение модельной среды к границе раздела полимер-металл и, как результат этого, объективно оценить устойчивость адгезионных связей в эксплуатационной среде на ограниченной базе времени испытаний в лабораторных условиях.
Необходимость создания искусственных дефектов обусловлена также тем, что в реальных условиях эксплуатации НКТ с покрытием высока вероятность образования локального сквозного дефекта в покрытии, что может привести к быстрому отслаиванию покрытия на всей поверхности НКТ при недостаточной устойчивости в эксплуатационной среде адгезионных связей покрытия со сталью.
Испытания образцов в условиях комплексного воздействия модельной среды, повышенной температуры и давления среды проводят в следующей последовательности. Образцы устанавливают в автоклав (рис.3.10), заполняют рабочую камеру автоклава соответствующей модельной средой (3%-ный водный раствор NaCl), после чего создают в автоклаве требуемые значения давления и температуры. После выдержки образцов в автоклаве на двух базах времени 70 сут и 100 сут сбрасывают давление в автоклаве, охлаждают модельную среду до комнатной температуры, извлекают образцы из автоклава, протирают фильтровальной бумагой и производят контроль адгезионной прочности.
При контроле адгезии покрытия из жестких материалов методом отрыва грибка к выделенному кольцевой канавкой участку покрытия приклеивают после испытаний в автоклаве грибок (рис.3.11). В качестве грибка используется сегмент, вырезанный из НКТ без покрытия. В средней части грибка имеется резьбовое отверстие для крепления хвостовика. НКТ из которой вырезается грибок имеет тот же диаметр, что НКТ, из которого вырезается образец с испытываемым покрытием, для обеспечения минимального зазора в сопряжении грибка с поверхностью покрытия. Размеры грибка соответствуют размерам участка покрытия, выделенного кольцевой канавкой.
Образец, с приклеенным грибком устанавливают в приспособление (рис. 3.12), и закрепляют хвостовик грибка в специальном зажиме, после чего зажимают хвостовики приспособления и специального зажима в зажимах разрывной машины, оснащенной термокамерой. Образец прогревают до температуры соответствующей температуре испытаний в автоклаве и производят механические испытания на отрыв с контролем величины усилия отрыва и характера разрушения покрытия при отрыве.
При контроле адгезии покрытия из эластичных материалов методом отслаивания полосы покрытия после испытаний в автоклаве предварительно отслаивают прорезанную до испытаний в автоклаве полосу покрытия от стальной пластины на длине 25 мм от одного из торцов.
Образец с частично отслоенной полосой покрытия устанавливают в приспособление (рис. 3.13), закрепляют отслоенный конец полосы покрытия в зажиме специальном, после чего зажимают хвостовики приспособления и зажима специального в зажимах разрывной машины. Образец прогревают до температуры соответствующей температуре испытаний в автоклаве и производят механические испытания на отслаивание с контролем усилия отрыва и характера разрушения покрытия при отслаивании.
Разработка и внедрение на предприятиях, осуществляющих внутреннюю изоляцию НКТ, технических условий на внутреннее полимерное покрытие НКТ, применяемых при добыче нефти УЭЦН
На основании проведенного анализа условий работы и причин отказов НКТ на месторождениях ОАО «ТНК-Нижневартовск» были разработаны по заданию ЗАО «Управление по ремонту труб» (г. Нижневартовск) ОАО «Трубная металлургическая компания» и внедрены на предприятии заказчика Технические условия «Насосно-компрессорные трубы с внутренним защитным покрытием, формируемым на НКТ с муфтой и НКТ без муфты» (Приложение III).
ЗАО «Управление по ремонту труб» осуществляет внутреннюю изоляцию НКТ покрытием из эпоксидных порошковых красок отечественного и зарубежного производств.
Согласно техническому заданию, полученному от ЗАО «Управление по ремонту труб», разрабатываемое ТУ должно распространяться на покрытие, предназначенное для защиты НКТ от электрохимической коррозии и предотвращения образования значительных отложений минеральных солей на их внутренней поверхности при регламентированном сроке службы покрытия 5 лет.
Технические условия включают следующие разделы: Раздел 1. «Общие положения». В данном разделе рассмотрен предмет и область применения технических условий, период действия, порядок внесения изменения и нормативные ссылки.
Раздел 2. «Технические требования к НКТ, подлежащим внутренней изоляции». В данном разделе приведен сортамент изолируемых труб, требования к геометрической точности труб, требования к внутренней изолируемой поверхности НКТ с муфтой, к изолируемой поверхности НКТ, к изолируемой поверхности муфты.
Раздел 3. «Технические требования к материалам, используемым для формирования внутреннего покрытия НКТ».
Лакокрасочные материалы, используемые для формирования внутреннего покрытия НКТ и муфт к ним, должны отвечать требованиям ТУ, на изготовление этих материалов, и обеспечивать получение внутреннего покрытия, отвечающего требованиям приведенных, в данных технических условиях.
Соответствие свойств применяемых материалов требованиям ТУ на их изготовление гарантируется Поставщиками материалов, подтверждается сертификатами качества и результатами входного контроля у Потребителя по данным техническим условиям. Раздел 4. «Технические требования к внутреннему покрытию НКТ».
Данный раздел содержит требования к длине поверхности трубы, на которую наносится покрытие, к толщине грунтовочного и покрывного слоя покрытия, к допустимым дефектам покрытия и способу его ремонта. В таблице 2 указанных Технических условий приведены контролируемые свойства внутреннего покрытия, показатели свойств, нормы на них и методы испытаний. Раздел 5. «Требования безопасности и охраны окружающей среды».
В данном разделе содержатся требования по допуску лиц к работам по нанесению полимерного покрытия на НКТ, к спецодежде и средствам индивидуальной защиты персонала, к контролю предельно допустимых выбросов в атмосферу при нанесении покрытия.
Раздел 6. «Контроль качества НКТ с покрытием». В разделе содержатся правила приемки и контроля НКТ с покрытием, методы контроля и гарантии качества.
Раздел 7. «Маркировка, упаковка, транспортирование и хранение». В разделе рассмотрены правила маркировки, требования к упаковке, к хранению, погрузке и транспортированию НКТ с внутренним покрытием. Раздел 8. «Приложения». В разделе содержатся методики и технические средства контроля показателей свойств внутреннего полимерного покрытия НКТ, определяющих его требуемое качество.
В разработанных Технических условиях впервые сформулированы технические требования к внутреннему покрытию НКТ, исходя из назначения покрытия, включающего защиту металла НКТ от коррозии и коррозионного растрескивания в электрохимически активной продукции добывающих скважин, защиту металла НКТ от статической усталости в сероводородсодержащей продукции добывающих скважин, защиту внутренней полости НКТ от образования значительных отложений АСП и минеральных солей, снижение гидравлического сопротивления НКТ.
