Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современной ситуации в работе механизированного фонда в ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ» 11
1.1. Анализ состояния добычи нефти и структуры запасов в ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ» 11
1.2. Анализ обрывности штанг 24
1.3. Анализ характера разрушения насосных штанг 29
Глава 2 Теоретические исследования напряженного состояния штанговых колонн в наклонно-направленных скважинах 39
2.1. Анализ существующих методик расчета колонны насосных штанг 39
2.1.1 Конструкция насосных штанг 39
2.1.2 Цикл изменения нагрузок действующих на насосные штанги 40
2.1.3 Анализ существующих формул для подсчета усилий в штанговой колонны 41
2.1.4. Формулы для расчета приведенных напряжений 53
2.2 Математическая модель поведения колонны насосных штанг в наклонно-направленных скважинах 54
2.3. Расчет напряжений в штанговой колонне с учётом влияния кривизны скважины и наличия центраторов. Оптимизация штанговой колонны 59
2.3.1. Входные параметры модели и их уточнение 59
2.3.2. Вычисление напряжений в штанговой колонне с учетом влияния кривизны скважины и наличия центраторов 60
2.3.3 Программа функций вычисления напряжений в штангах 63
2.3.4. Отработка методики для уточнения входных параметров расчета.66
2.3.5. Оптимизация компоновки штанговой колонны 72
Глава 3. Методика коррозионно-усталостных испытаний насосных штанг 91
3.1. Существующие методики коррозионно-усталостных испытаний 91
3.2. Методика коррозионно-усталостных испытаний 93
3.3 Материал исследуемых штанг 96
3.4. Выбор коррозионной среды для усталостных испытаний 96
3.5. Методика обработки результатов усталостных испытаний 98
Глава 4 Определение механических характеристик насосных штанг, новых и бывших в эксплуатации 102
4.1. Определение механических характеристик насосных штанг, новых и бывших в эксплуатации 102
4.2. Сравнение характеристик сопротивления коррозионной усталости штанг, бывших в эксплуатации, и новых штанг из стали 15Х2ГМФ 105
4.3. Исследование кинетики развития коррозионно-усталостных трещин107
4.4. Выявление коррозионно-усталостного повреждения штанг 110
4.5. Исследование влияния технологии поверхностного пластического деформирования на повышение усталостной прочности насосных штанг 113
4.5.1. Коррозионно-усталостные испытания новых штанг 113
4.5.2. Влияние упрочняющей дробеструйной обработки на сопротивление усталости новых штанг из стали 15Х2ГМФ 117
4.5.3. Влияние упрочняющей дробеструйной обработки на сопротивление усталости штанг, бывших в эксплуатации 119
4.5.4 Исследование эффективности повторной дробеструйной обработки эксплуатировавшихся штанг 122
4.5.5. Влияние упрочнения обкаткой роликами на сопротивление усталости бывших в эксплуатации насосных штанг 129
Глава 5. Внедрение результатов исследования 134
Список литературы 137
Приложения 143
- Анализ характера разрушения насосных штанг
- Математическая модель поведения колонны насосных штанг в наклонно-направленных скважинах
- Выбор коррозионной среды для усталостных испытаний
- Сравнение характеристик сопротивления коррозионной усталости штанг, бывших в эксплуатации, и новых штанг из стали 15Х2ГМФ
Введение к работе
На сегодняшний день в условиях, когда формирование благосостояния России напрямую зависит от добычи энергоресурсов, наибольшее значение приобретает добыча нефти, однако большая часть известных крупных месторождения открыта еще в 50-70-е годы прошлого столетия. Ввод новых месторождений производится за счет интенсивной разработки шельфовой зоны и ввода в эксплуатацию сравнительно небольших месторождений
Из представленных данных следует, что наиболее распространенным способом добычи нефти являются штанговые скважинные насосы. Большая часть разрабатываемых месторождений находится уже в четвертой стадии разработки характеризующимся постоянным ростом обводненности добываемой продукции. Одновременно с ростом общего фонда скважин и особенно механизированного, значительно возрастают затраты на их ремонт. В ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ» дочернем предприятии нефтяной компании «ЛУКОЙЛ» является крупнейшим нефтедобывающим предприятием в Пермском крае и вторым по объёму добычи в составе ОАО «ЛУКОЙЛ», все крупные месторождения: Шагиртско-Гожанское, Баклановское, Батырбайское, Рассветное, Москудьинское, Уньвинское, Кокуйское, Павловское, Осинское, Шумовское, Красноярско-куединское на долю которых приходится более 60% всего добывающего фонда предприятия, открыты в 50-70-х годах прошлого столетия и находятся также на третьей или четвертой стадии разработки месторождений. Как следствие в нефтяной отрасли России и в ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ» в частности, сложилась неблагоприятная геолого-техническая структура запасов нефти, в которой доля трудноизвлекаемых запасов нефти составляет более 75%, а в ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ» составляет более 95%. В связи, с чем происходит постоянное снижение дебитов добывающих скважин при этом наиболее выгодным способом извлечением нефти из недр становятся скважинные штанговые насосные установки (далее по тексту СІПНУ). В ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ» 69% скважин эксплуатируется СШНУ. Разработка и внедрение новых типов штанговых глубинных насосов [1, 2, 3, 4] позволяют производить добычу продукции при наличии практически при любых осложняющих факторах. В связи с этим остро стоит проблема выбора конструкции и режимов откачки СШНУ, обеспечивающей оптимальный режим в конкретных условиях эксплуатации. Не смотря на значительный прогресс в технике глубинно-насосной эксплуатации насосные штанги остаются одним из наиболее слабых звеньев в работе СШНУ на долю их отказов связанных с их отворотом и обрывом приходится более 20% всех отказов. Насосные штанги работают в сложных условиях при работе на них воздействует множество факторов, таких как: силы механического и гидродинамического трения, коррозионные среды, циклические, вибрационные, инерционные, изгибающие нагрузки, поэтому при разработке методов количественной оценки прогнозирования величин экстремальной нагрузки посвящено множество научных трудов таких известных авторов как: Адонина А.Н., Алиева Ш.Н., Вирновского А.В., Грабовича В.П., Дрэготэску Д., Джонса Д.М., Зубаирова С.Г., Крумана Б.Б., Миллса К., Песляка Ю.А., Пирвердяна A.M., Султанова Б.З., Троицкого В.Ф., Уразакова К.Р., Шарипова А.Х. и др. Влияние условий эксплуатацию на работу насосных штанг довольно полно изложено в работах [5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12]
Анализ промысловых данных [13, 14] позволяет сделать вывод о том, что число отказов насосных штанг в наклонно-направленных скважинах в 1.5 раза больше, чем в вертикальных или незначительно искривленных. Увеличение числа отказов объясняется сложно направленным состоянием штанг и их износом, а также отказам муфт.
Сложно направленное состояние штанг объясняется одновременным действием растягивающих, изгибающих и крутящих напряжений, характерных для насосных штанг в наклонно-направленных скважинах. Применение для подбора штанговых колонн приведенного напряжения не полностью учитывает условия работы штанг в наклонно-направленных скважинах, что приводит к дополнительным отказам. Очевидно, что применяемые в известных расчетных методиках формулы для определения напряжений изгиба штанг и искривлениях ствола скважины чрезмерно упрощены или вообще отсутствуют, но как показала практика, значения таких напряжений могут достигать значительных величин и быть причиной разрушения насосных штанг.
Создание и практическое применение современной методики расчета колонны штанг учитывающей влияние изгибающих нагрузок в наклонно-направленных скважинах позволит правильно подобрать количество и интервалы расстановки центраторов на колонне штанг, на участках набора кривизны, является задачей актуальной, имеющей промышленную ценность.
Целью настоящей работы, является создание и применение методики расчета и подбора колонны штанг для повышения эффективности эксплуатации СІПНУ в наклонно-направленных скважинах, с увеличением межремонтного периода оборудования.
Для этого необходимо было решить основные задачи исследования:
? проанализировать отказы колонны штанг:
? проанализировать существующие методики расчета колонны штанг:
? разработать математическую модель расчета колонны штанг с учетом изгибающих нагрузок возникающих в наклонно-направленных скважинах:
? разработать и применить методику расчета оптимального количества центраторов на одну штангу, оптимального количества и интервалов установки центраторов на штанговую колонну на участках набора кривизны скважины:
? провести стендовые коррозионно-усталостные испытания насосных штанг:
? провести промысловые испытания результатов внедрения исследований, а именно внедрение на искривленных участках наклонно-направленных скважин насосных штанг оборудованных центраторами.
Научная новизна. Разработана и применена математическая модель, которая позволяет рассчитывать колонну штанг с учетом изгибающих нагрузок возникающих в наклонно-направленных скважинах. Практическая ценность. Разработана новая методика расчета оптимального количества центраторов на одну штангу, оптимального количества и интервалов установки центраторов на штанговую колонну на участках набора кривизны скважины. Использование результатов работы позволило на 21 подконтрольной скважине увеличить наработку на отказ до 908 суток, что на 250 суток больше чем на скважинах оборудованных штангами без скребков-центраторов.
Использование трех упрочненных насосных штанг оснащенных скребками-центраторами 6/5 изготовленных по моим рекомендациям заводом ЗАО «Мотовилиха-нефтегазмаш» по упрочнению колонных штанг позволило достигнуть наработки на отказ на сегодняшний день до 784 суток.
За период 2006г по 2009г. на подконтрольных скважинах ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ» были получены следующие результаты:
? на 3% увеличилось количество добытой нефти:
? обрыв штанг сократился на 23.8%:
? снизилось число сложных ремонтов на 23.5%.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы и приложений.
В первой главе проведен анализ современной ситуации в работе механизированного фонда скважин в ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ», рассмотрен анализ состояния добычи нефти и структура запасов, проведен анализ отказов штанговых колонн выявлены основные места отказов насосных штанг, рассмотрен характер разрушения насосных штанг и муфт, рассмотрена актуальность выбранной теме диссертации определены цели и задачи исследований.
Во второй главе проведен анализ существующих методик расчета штанговых колонн, выяснено, что большая часть методик не учитывает или сильно упрощает напряжения изгиба штанговой колонны в наклонно-направленных скважинах. Выбрана наиболее полная математическая модель поведения штанг в наклонно-направленных скважинах. Проведен расчет штанговых колонн в конкретных скважинах с учетом влияния кривизны скважины и наличия центраторов. Проведены расчеты по оптимизации штанговых колонн путем изменения количества ступеней колонны, установки центраторов штанг на участки искривления скважин. Проведен расчет оптимального количества и интервалов установки центраторов на штанговую колонну. Выяснено оптимальное количество центраторов на одну штангу
В третьей главе проведен выбор методики коррозионно-усталостных испытаний насосных штанг, выбран вид нагружения, частота нагружения в различных видах коррозионных сред. Материал используемых образцов выбран исходя из наиболее используемых типов штанг (15Х2ГМФ и 15Х2НМФ). Также рассмотрена, методика проведения усталостных испытаний и методика обработки результатов испытания. В четвертой главе приводятся результаты внедрения исследований, а именно внедрение на искривленных участках наклонно-направленных скважинах насосных штанг оборудованных скребками-центраторами, (пять неподвижных и шесть подвижных) в результате получено увеличение наработки на отказ скважин, снижения количества обрывов насосных штанг на интервалах интенсивного набора кривизны. Внедрены две колонны насосных штанг с муфтами из стали 15Х2ГМФ, отказов по этим колоннам не зафиксировано. В ООО «Мотовилиха-нефтегазмаш» измена технология дробеструйной обработки насосных штанг по нашим рекомендациям.
Работа выполнялась в Российском государственном университете нефти и газа им. И. М. Губкина на кафедре машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности. Экспериментальные работы выполнялись на ОАО «Мотовилихинские заводы» и кафедре сопротивления материалов Пермского государственного технического университета. Практические результаты внедрение на месторождениях ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ».
Анализ характера разрушения насосных штанг
Насосная штанга представляет собой круглый стальной стержень длинною до 8 метров имеющие на концах высаженные головки. Концы головок имеют резьбу для соединения штанг муфтами. Под резьбой на высаженных концах штанги делаются квадратные шейки под ключ. В настоящее время разработаны и внедрены другие типы насосных штанг из композитных материалов, а также непрерывные колонны насосных штанг [23, 24, 25, 26], однако широкого распространения в промысловых условиях они пока не получили. Предназначены насосные штанги для передачи возвратно-поступательного движения от головки балансира станка-качалки к плунжеру глубинного насоса. ГОСТ 13877-80 [27] предусматривает изготовление штанг номинальной длинной до 8000 мм. Для подбора необходимой длины подвески колонны изготовляются укороченные штанги длиной 1000, 1200, 1500, 2000 и 3000 мм. [28] Расчет штанговых колонн должен отражать оптимальное решение трех практически самостоятельных задач: [7] 1. учет основных факторов, обусловливающих величину и характер нагрузок на штанги; 2. подбор расчетных формулы (критерия прочности), в достаточной степени отражающей действительные условия работы штанг; 3. разработка методики определения допускаемых напряжений, обеспечивающих достаточно надежную работу клон штанг при минимальных металлоемкости и стоимости. Особенно сложно определить допускаемое напряжение. Обычно под допускаемым напряжением подразумевают предельное напряжение в опасном сечении делали, при котором последняя вообще не разрушается или деформируется, либо разрушается после истечения определенного срока службы.
По отношению к насосным штангам понятие «допускаемое напряжение» можно применить условно потому, что основной причиной поломок этих деталей является коррозионная усталость металла, при которой разрушение теоретически возможно даже при полном отсутствии нагрузок (разрушении от чистой коррозии). Кроме того, конструирование совершенно «безаварийных» колонн чаще всего экономически невыгодно, так как это приводит к значительному увеличению их массы и повышению нагрузки на наземное оборудование, либо к неоправданно большому расходу легированной стали. Поэтому под допускаемым напряжением для колонн штанг обычно принимают такие напряжения, при которых обрывы хотя и происходят, но не являются серьёзным препятствием для нормальной эксплуатации скважин. При определении допускаемых напряжений для штанг возникают также трудности из-за многообразия условий эксплуатации и рабочих сред. В практике нередки случаи, когда допускаемые напряжения, обеспечивающие нормальную работу штанг в одном или нескольких нефтяных районах.
Оказываются неприемлемыми для условий других месторождений. Цикл действия штангового насоса делится на четыре части. 1. Нагружение штанг весом жидкости, находящейся под плунжером насоса, при движении полированного штока вверх А.С. Вирновский [29] назвал эту часть цикла период начальной деформации (далее по тексту ПНД). Плунжер неподвижен относительно цилиндра насоса, так как любое расхождение их скорости означает, либо начало, либо конец процесса нагружения штанг весом жидкости. Нагнетательный и всасывающий капаны закрыты. В конце периода, после восприятия штангами нагрузки. Возникают свободные колебания штанговой колонны. 2. Движение плунжера вверх. В начале этого периода всасывающий клапан открывается и происходит всасывание жидкости под плунжер. Часть жидкости под плунжером в это время подается на поверхность. Процесс происходит под продолжающиеся колебания штанговой колонны под действием упругости столба жидкости [30] и трения [31] амплитуда этих колебаний уменьшается и к концу периода становится незначительной. 3. Разгрузка штанг и нагружение труб весом жидкости над плунжером - период обратной деформации (далее по тексту ПОД) в это время клапаны насоса закрыты. Как и ПНД, период заканчивается возбуждением свободных колебаний штанговой колонны. 4. Движение плунжера вниз при затухающих колебаний штанговой колонны. Вначале этого периода всасывающий клапан закрывается а нагнетательный открывается. Плунжер со штангами погружается в жидкость вытесняя часть ее на поверхность в выкидную линию. Цикл нагружения и разгрузки повторяется многократно. Наибольший интерес для расчетов представляют максимальное Ртах и минимальное Pmin усилия действующие на точку подвеса насосных штанг. Для их расчета существует ряд формул
Математическая модель поведения колонны насосных штанг в наклонно-направленных скважинах
Модель разработана в Институте механики сплошных сред УО РАН и позволяет производить динамический расчет штанговых колонн в пространственно искривленных скважинах при периодическом законе движения полированного штока.
В рамках данной модели штанговая колонна рассматривается, как тяжелый упругий стержень, диаметром ds, помещенный в искривленный канал диаметром dt, заполненный вязкой жидкостью рис. 2.1
Начало координат находится в верхнем сечении канала. Единственная ось % криволинейной системы координат совпадает с осью канала и направлена вниз. Диаметр этого канала на несколько порядков меньше радиуса кривизны оси канала и соизмерим с диаметром стержня. Будучи ограниченным стенками этого канала, стержень имеет возможность двигаться только вдоль его оси. Верхний конец стержня совершает периодическое движение по заданному закону, а на нижнем -приложена сила, зависящая от направления его движения:
Со стороны жидкости на стержень при его движении действуют силы вязкого сопротивления. Величина этих сил на единицу длины (с учетом знака) может быть вычислена, как где qtQ - составляющая, связанная с движением жидкости внутри канала, Qv - коэффициент гидродинамического сопротивления.
Между стержнем и стенками канала возникают силы прижатия и связанные с ними силы кулонова трения. Силы прижатия стержня к стенкам канала q„ зависят от его текущего напряженно-деформированного состояния, направлены перпендикулярно оси стержня и не имеют осевой составляющей. Величина этой силы на единицу длины равна:
Вдоль оси стержня действует сила трения скольжения, направленная против движения, или сила трения покоя. Величина силы трения на единицу длины при скольжении равна где/- коэффициент трения.
При продольном сжатии стержень находится в состоянии эйлеровой неустойчивости. Однако, будучи ограниченным стенками канала, стержень переходит в новое устойчивое состояние и принимает винтовую форму. В этом случае соотношение между продольной силой и продольной деформацией остается линейным, но с другой жесткостыо, чем при растяжении: Здесь є - продольная деформация, / — момент инерции поперечного сечения стержня, rsc = 2{dt d) - радиус цилиндра, образуемого осью стержня при продольном изгибе. Зависимость силы прижатия от продольного усилия при этом будет квадратичной:
Влияние гидростатического давления на стержень учитывается следующим образом. Делается предположение, что прочность материала не зависит от среднего напряжения. Кроме того, главный вектор и главный момент системы сил, соответствующей наложению всестороннего давления, на участок стержня, равны нулю. Поэтому, прочность, устойчивость и сила прижатия к стенкам канала участка стержня, подвергающегося действию на его боковую поверхность давления р/, при продольной силе N, эквивалентны прочности, устойчивости и силе прижатия для стержня, не подвергающегося действию давления, но при эквивалентной продольной силе: где А — площадь поперечного сечения стержня на рассматриваемом участке. Деформация участка штанги состоит из объемной деформации и деформации от приложения эквивалентной силы Neq. Перемещения, вызванные продольной деформацией от наложения всестороннего давления невелики и, поэтому, в данном случае не учитываются. На наклонных участках на стержень действует архимедова сила, которая влияет на силу его прижатия к стенкам канала.
Основные трудности при расчете напряженно деформированного состояния такой системы возникают в связи с наличием в ней таких нагрузок, как сила трения и сила, действующая на нижний конец стержня. Для вышеупомянутых сил их зависимости от скоростей выражаются многозначными соотношениями, при этом нулевому значению скорости соответствует интервал значений силы. Для подобных систем одной из наиболее корректных является постановка задачи в виде вариационных и квазивариационных неравенств. Вариационная формулировка задачи об определении динамического напряженно-деформированного состояния колонны имеет следующий вид: найти поле перемещений u(t), удовлетворяющее динамическому квазивариационному неравенству Здесь U - пространство кинематически возможных скоростей v, \pAii,v u) — мощность сил инерции, \Cnu,v — и) — мощность сил вязкого сопротивления, c u,v—й) - мощность упругих сил в колонне, t,q y) tq (и) - мощность сил сопротивления в насосе и трения, 1(у и)— мощность постоянных внешних сил, действующих на колонну (сила тяжести, архимедова сила). С помощью дискретизации по времени (схема Ньюмарка), используя метод последовательных приближений и учитывая малость временного шага решение динамического квазивариационного неравенства можно свести к нахождению на каждом временном шаге минимума негладкого функционала. [59]
Выбор коррозионной среды для усталостных испытаний
Используемые в формулах расчетных методик для определения приведенных напряжений в наклонно-направленных скважинах не учитывают или значительно упрощают расчет напряжений изгиба возникающие в штанговой колонне.
Основная часть работ посвященных расчету штанговых колонн в наклонно-направленных скважинах рассчитывает трение насосных штанг о трубы.
Выбранная математическая модель поведения насосных штанг в наклонно направленной скважине показала высокую сходимость с промысловыми данными.
Рассчитаны графические зависимости приведенных напряжений от продольных усилий для различных значений кривизны скважин, показали, что увеличение приведенных напряжений в искривленном участке ствола скважины может быть весьма значительным (в два и более раза) по сравнению со стандартными методиками.
Рассчитано, что при оптимизации штанговых колонн существенное (до 40%) снижение приведенных напряжений в искривленном участке ствола скважины может быть достигнуто путем установки центраторов причем оптимальное расположение центраторов не менее двух метров.
Отсутствие в 50-60 годах прошлого столетия апробированных работ по усталостным испытаниям насосных штанг не позволяло использовать их в качестве критерия для подбора штанговых колонн, в последнее время появилось ряд методических разработок касающихся усталостных испытаний, учитывающих такие факторы, как поверхностное упрочнение, влияние коэффициента асимметрии и т.д. [61, 62, 63]
Наиболее используемые разработки в области усталостных испытаний расширили диапазон факторов учитывающих при лабораторных испытаниях. Для оценки характеристик сопротивления усталости металла в многоцикловой области (число циклов 10 -10) проводят усталостные испытания гладких полированных образцов. Чаще всего испытание производят при изгибе с вращением образцов диаметром 7.5-10 мм [64, 61, 63]требования к изготовлению образцов, их конструкция и методика испытаний изложены в ГОСТ 25.502-79 [62]. В зависимости от требований в точносте и полноте получаемых характеристик применяют либо обычную методику построения кривой усталости по результатам испытаний 10 образцов, либо испытывают достаточно большое количество образцов (50-100 штук), и по результатам строят полные вероятностные диаграммы усталости.
Значения усталостных характеристик натурных деталей обычно меньше значений этих же характеристик гладких лабораторных образцов. Эта разница характеризуется коэффициентом снижения предела выносливости к отражающим влияние всех факторов на сопротивление усталости [65, 66] Коэффициенты входящие в выражение к учитывают влияние на сопротивление усталости следующих факторов: - Концентрацию напряжений; - Масштабный фактор; - Качество обработки поверхности; - Эксплуатационные факторы (коррозия) - Технологический методы упрочнения (дробеструйная обработка. Закалка ТВЧ и пр.) Наиболее интересна работа Р.А. Баграмова [67] по испытанию метровых образцов насосных штанг в коррозионных средах. Данные по расчету приведенных нагрузок в которой хорошо согласуются с промысловыми данными однако расчеты приведенные в этой работе не учитывают изгибающих нагрузок возникающих на искривленных участков скважин значения которых могут достигать значительной величины и проведение исследования по аналогичным условиям на сегодняшний день достаточно проблематично В работе Ю.Н. Лепехина [14] проведены исследования усталости насосных штанг из сталей 20Н2М и 15НЗМА без учета того, что насосные штанги находятся к коррозионной среде. Экспериментально полученные данные сопротивления усталости корректировались коэффициентом снижения выносливости. В работе В.В. Нассонова [68] Проведены испытания образцов рабочей частью 10 мм. из стали 20Н2М в коррозионных средах и на воздухе. Во всех вышеуказанных работах проведены исследования для марок сталей 20Н2М и 15НЗМА для условий Западной Сибири. Необходимость методики коррозионно-усталостной прочности насосных штанг обосновывается следующим: - Отсутствием данных по пределу коррозионной усталости для штанг из сталей 15ХЗГМФ и 15Х2НМФ, производства Моотвилихинские заводы г. Пермь, наиболее применяемые в Пермском нефтяном регионе последние 10 лет. - Отсутствие данных по коррозионно-усталостной прочности насосных штанг для условий Пермского региона - отсутствие данных по снижению коррозионно-усталостной прочности насосных штанг бывших в эксплуатации. - Необходимостью оценки коррозионно-усталостной прочности насосных штанг после проведения упрочнений.
Для определения работоспособности насосных штанг из разных марок сталей разработана методика испытаний на усталость в коррозионной среде. В ее основу положены образцы длиной 450 мм, которые вырезаются непосредственно из насосной штанги и полностью сохраняют конфигурацию и состояние поверхности штанги в пределах наиболее опасного участка с точки зрения разрушения. Применялись образцы, вырезанные из головного участка штанги и цилиндрического тела штанги.
Определение характеристик сопротивления усталости проводилось на машинах конструкции ЦНИИТМАШ (У20), обеспечивающих консольное нагружении при поперечном изгибе с вращением образцов диаметром 19 и 22 мм при симметричном цикле нагружения с частотой 20 Гц.
На рис.3.1 и 3.2 представлены схемы испытаний образцов тела штанг и головных участков соответственно.
Коррозионная среда помещалась в резиновую камеру, которая надевалась на штангу с помощью уплотнителей. Так как течи из камеры в процессе непрерывных усталостных испытаний практически не наблюдалось, состав коррозионной среды оставался неизменным за все время испытаний. На рис. 3.3 приведена фотография одной из усталостных машин. Для определения статических характеристик прочности и пластичности исследуемых материалов штанг применялись испытания на осевое растяжение до разрыва участков штанг длиной 1000 мм и диаметром 19 и 22 мм. Полученные результаты сравнивались с данными, полученными из стандартных испытаний на растяжение лабораторных образцов диаметром 5 мм, выточенных из сердцевин штанг. Сравнение результатов этих двух видов испытаний показало, что предел прочности ов, предел текучести от и относительное сужение в шейке \/ определенные по всему сечению штанги и по ее сердцевине совпадают.
Сравнение характеристик сопротивления коррозионной усталости штанг, бывших в эксплуатации, и новых штанг из стали 15Х2ГМФ
Проведены коррозионно-усталостные испытания новых штанг НШ22 и НИИ 9 из стали 15Х2ГМФ. Протокол испытаний 16 образцов штанг НШ22 и 10 образцов штанг НИИ 9 приведён в таблице 4.2. Статистический анализ показал, что все 26 образцов составляют единую выборку.
Вероятностная диаграмма коррозионной усталости приведена на рис 4.2. Здесь же приведена вероятностная диаграмма коррозионной усталости штанг, бывших в эксплуатации. Средний предел выносливости на базе 10 циклов нагружения новых штанг из стали 15Х2ГМФ составил 187 МПа против 108,8 МПа для штанг, бывших в эксплуатации.
Таким образом, остаточная циклическая прочность штанг из стали 15Х2ГМФ после эксплуатации в скважине в течение 5 и более лет снижается на 40 %.
Проведено исследование кинетики развития коррозионно-усталостного повреждения при испытании образцов штанг. Так как испытания проводились при консольном изгибе, рабочая часть образцов подвергалась неравномерному по его длине нагружению. В связи с этим появилась возможность изучить размеры, форму и плотность образования усталостных трещин при различных уровнях напряжений и разной продолжительности нагружения.
Для выявления коррозионно-усталостных трещин образцы штанг после усталостных испытаний деформировались изгибом в пластическую область. При этом на поверхности штанг с помощью бинокулярного микроскопа обнаруживалась сетка трещин размером 0,2-0,5 мм, плотность которых по длине образца уменьшалась по мере удаления от сечения с максимальным циклическим напряжением. Однако размер трещин практически не зависел ни от уровня напряжений, ни от продолжительности циклического нагружения. Это даёт основание считать, что коррозионно-усталостные трещины возникают на ранних стадиях циклического нагружения, но развиваются чрезвычайно медленно или не развиваются вообще.
Проведена оценка минимального повреждающего напряжения, то есть уровня нагружения, при котором возникают начальные коррозионные повреждения. Для штанг из сталей 15Х2НМФ и 15Х2ГМФ минимальное повреждающее напряжение составляет оценочно 80 МПа.
Было проведено фрактографическое исследование изломов штанг, полученных при коррозионно-усталостных испытаниях.
Установлено, что все изломы усталостные и имеют многоочаговый характер. Протяженные зоны усталости от разных очагов возникают только в случае, если очаги образовались одновременно на достаточном расстоянии друг от друга (по окружности) и на разных, достаточно близких уровнях по оси штанги (рис. 4.3). Коррозионно-усталостные трещины возникают на ранних стадиях усталостного повреждения, имеют достаточно высокую плотность и медленно развиваются до образования магистральной трещины усталости, приводящей к быстрому разрушению. [69, 70, 71] Практически во всех случаях очагом усталостной трещины является группа зародышевых микротрещин - «глазков» (рис. 4.4, 4.5), расположенных достаточно близко по окружности и практически в одной плоскости. Отдельные, не испытывающие влияния поля напряжений соседей, зародышевые микротрещины (рис. 4.6.) имеют правильную эллиптическую форму. Глазок включает собственно раскрывшуюся коррозионно-усталостную трещину темного цвета и нимб - возможно, зону материала перед фронтом трещины с изменившейся структурой. Размер всех выявленных микротрещин не превышает 1 мм в глубину, хотя по мере приближения к первичному излому размер отдельных глазков несколько увеличивается. Для изучения кинетики развития коррозионно-усталостных трещин проведены испытания отполированных образцов на уровне напряжений 260 МПа с периодической остановкой испытательной машины и тщательным обследованием рабочей поверхности с помощью бинокулярного микроскопа МБМ-9. Установлено, что коррозионно-усталостные трещины образуются на ранних стадиях циклического нагружения, медленно развиваются до некоторого критического размера в течение миллионов циклов, а затем интенсивно развиваются с все возрастающей скоростью до полного разрушения образцов . Изучена возможность выявления коррозионно-усталостных трещин длиной 1-2 мм на образцах штанг методами неразрушающего контроля. Рассмотрены основные, применяемые в промышленности, методы контроля: радиационный, ультразвуковой, магнитопорошковый, капиллярный, вихретоковый и визуальный методы. [72, 73, 74] Для выявления дефектов предполагаемого типа наиболее подходящими на данном этапе признаны магнитопорошковый и капиллярный методы. Перечисленные методы были опробованы на образцах, прошедших коррозионно-усталостные испытания. На рис. 4.7 приведена фотография образца при опробовании капиллярного метода. Для подтверждения эффективности метода образец после дефектоскопии подвергался деформированию с целью раскрытия существующих трещин. Опыт показал, что метод обладает высокой чувствительностью, но является трудоемким. Более перспективным представляется магнитопорошковый метод [75], который позволяет выявлять не только дефекты, имеющие выход на поверхность, но и подповерхностные дефекты. Опробование показало, что метод позволяет обнаруживать трещины с достаточной для решения поставленной задачи чувствительностью. На рис. 4.8. приведена фотография образца, содержащего трещины, выявленные с использованием установки фирмы Magnaflux. На рис. 4.9. показан тот же образец с раскрытой деформированием трещиной (увеличение ХІ6). Как показал вышеприведенный анализ коррозионно-усталостная прочность стали за пять лет эксплуатации снижается более чем на 40%. Одной из основных причин ухудшение чистоты поверхности насосных штанг [76] увеличить чистоту поверхности можно методами пластического деформирования. В АзНИИмаше проведены исследования методов поверхностного и объёмного упрочнения глубинно-насосных штанг [77] в лабораторных условиях сравнивались прочностные характеристики (пределы прочности, текучести, усталости, относительное удлинение, сужение) образцов подвергнутых направленному наклепу, осуществляемому путем пластического растяжения, пластическому скручиванию, обкатке роликами, наклепу дробью. По данным авторов все это методы дали улучшение прочностных характеристик. В общем машиностроении вопросами изучения прочности деформированных металлов занимался ряд исследователей [78, 79]. При обработке накаткой, обдувкой дробью, закалкой ТВЧ или другими способами упрочнения в поверхностных слоях возникают сжимающие напряжения (по величине близкие к пределу текучести материала) [80, 81] эти напряжения уравновешиваются небольшими по величине растягивающими напряжениями в теле детали. Повышение усталостной прочности объясняется двумя основными причинами: благоприятным влиянием сжимающих остаточных напряжений и улучшением механических свойств поверхностного слоя в результате наклепа.
