image
energas.ru

Территория Нефтегаз № 6 2017

Добыча нефти и газа

01.06.2017 10:00 Разработка стенда для имитационного механического моделирования процессов деформирования резьбовых соединений насосно-компрессорных труб в агрессивных средах
Показано, что при добыче нефти и газа, а также при ремонте скважин насосно-компрессорные трубы (НКТ) подвергаются деструктивному воздействию сероводородсодержащих сред, снижающих основные механические характеристики металла лифтовых колонн. Комплексное действие процессов многократного деформирования резьбовых поверхностей ниппеля и муфты НКТ в ходе спускоподъемных операций и воздействие агрессивных сред в зоне их локального контакта способствуют ускоренному разрушению оборудования. Этот деструктивный эффект требует мониторинга при эксплуатации, а также поиска способов и методов оценки повышения работоспособности НКТ при деформировании коррозионно-механического характера. Анализ существующих на сегодняшний день конструкций испытательных стендов для проведения комплексных исследований процессов деформирования резьбовых соединений нефтепромысловых труб в агрессивных средах показал, что эти механизмы весьма металлоемки. В большинстве случаев исследования проводятся в реальных производственных условиях на скважинах и требуют существенных производственных затрат на проведение работ. В статье рассматриваются основные эксплуатационные факторы, влияющие на работоспособность резьбовых соединений НКТ в нефтегазовых скважинах. Для обоснованного моделирования основных параметров при ускоренных ресурсных испытаниях в агрессивных средах производится их оценка по величине и характеру действия. В настоящей статье также приводятся основные конструктивные элементы предложенного технического решения, позволяющие практически реализовать запатентованный механизм для проведения актуальных разнонаправленных работ по исследованию работоспособности НКТ при многократном свинчивании-развинчивании в сероводородсодержащей среде. Описываются особенности и характеристики материалов элементов, приводятся параметры испытательных образцов НКТ.
Ключевые слова: стенд, механическое моделирование, свинчивание-развинчивание, насосно-компрессорные трубы, резьбовые соединения, деформирование, изнашивание, сероводородсодержащая среда.
Ссылка для цитирования: Юшин Е.С., Быков И.Ю. Разработка стенда для имитационного механического моделирования процессов деформирования резьбовых соединений насосно-компрессорных труб в агрессивных средах // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2017. № 6. С. 30–35.
Открыть PDF


Долговечная и высоконадежная работа колонн НКТ в нефтегазовых скважинах зависит в основном от режима нагружения, степени воздействия на металл труб и агрессивности добываемого флюида. Колонны НКТ при эксплуатации подвержены вредному воздействию различных химических веществ и многокомпонентных растворов, асфальтосмолопарафиновых отложений, солей, а также высокоминерализованных пластовых вод и добываемых высокосернистых нефтей.

Многолетний опыт эксплуатации нефтедобывающих скважин показывает, что рост числа аварий характерен для скважин, обводненность которых превышает 80–90 %. Такие среды могут содержать значительное количество сероводорода H2S, клеток сульфатвосстанавливающих (СВБ) и тионовых бактерий, с действием которых связывается до 80 % коррозионных повреждений НКТ. В процессе жизнедеятельности клетки СВБ превращают сульфаты и сульфиты в сероводород H2S, подкисляют минерализованную пластовую среду и способствуют повышению ее коррозионной активности.

При статическом нагружении НКТ в сероводородсодержащих средах проявляются процессы водородного абсорбционного охрупчивания (водородной усталости), а также сульфидного растрескивания металла лифтовых колонн при наводороживании, ведущие к снижению его прочности во времени. Наводороживание стали НКТ приводит к изменению механических характеристик пластичности и прочности, таких как относительное удлинение и сужение, пределы текучести и кратковременной прочности, ударная вязкость [1, 2].

Резьбовые соединения НКТ в процессе эксплуатации воспринимают различные нагрузки и активно изнашиваются, что приводит к потере герметичности лифтовой колонны и снижению ее несущей способности. Достижение предельного состояния резьбовых соединений колонн НКТ в процессе эксплуатации обусловливается прежде всего деформацией износа сочленяемых поверхностей резьб ниппеля и муфты.

При эксплуатации НКТ отбраковка выполняется в основном по величине натяга резьбы трубы и муфты. И как показывает промысловый опыт, главной причиной ускоренного износа и разрушения трубных резьбовых соединений при выполнении подземных ремонтов скважин наряду с металлургическим фактором является нарушение технологии ведения спускоподъемных операций (СПО) колонны.

1.png 

В частности, к таким основным причинам можно отнести:

  • несоблюдение соосности резьб ниппеля и муфты НКТ при свинчивании (отсутствие центра мачты);

  • недостаточное количество смазочного материала в месте контакта трубных элементов или его полное отсутствие;

  • незачищенные сопрягаемые поверхности резьб от абразива при проведении СПО;

  • докрепление резьбового соединения при свинчивании с недопустимо превышенным моментом;

  • раскрепление соединения при схватывании резьбы с повышенным страгивающим моментом (при этом существует вероятность «неотворота» НКТ, развинчиваемых, как правило, путем кратковременного «снятия» сил трения приложением ударных нагрузок);

  • превышение осевых нагрузок при расхаживании прихваченной лифтовой колонны в случае возникновения аварии.

Соблюдение вышеуказанных технологических предписаний при осуществлении СПО снижает вероятность разрушения резьбовых соединений НКТ на начальных стадиях эксплуатации, однако многократность механического процесса при совместном действии агрессивных газонасыщенных и коррозионно-абразивных сред не менее активно способствует интенсивному выкрашиванию металла сочленяемых трущихся резьбовых поверхностей ниппеля и муфты и, как следствие, раннему достижению предельного состояния.

Одним из приоритетных направлений развития в области рациональной и эффективной технологии эксплуатации НКТ является исследование работы резьбовых соединений «ниппель – муфта» при многократном свинчивании-развинчивании. Стоит отметить, что значительно упрощают такие научно-исследовательские изыскания модельные стендовые испытания, не требующие наличия полномасштабного металлоемкого промыслового оборудования и каких-либо дополнительных производственных затрат.

1_1.png

Известно, что при комбинировании теории подобия при моделировании с выводами, полученными в ходе проведения экспериментов или математическим путем из уравнений движения, можно добиться существенных научных и практических результатов. В постановке опытов таких исследовательских работ важно правильно выбирать параметры, их число должно быть минимальным, и вместе с тем взятые параметры должны отражать в наиболее удобной форме основные эффекты.

В связи с изложенным исследования изнашивания соединительных элементов лифтовых колонн в сероводородсодержащих средах весьма актуальны и имеют научную и практическую значимость. Однако аналитический обзор показывает, что существующие экспериментальные стенды [3–6] по оценке изнашивания резьб нефтепромысловых труб достаточно металлоемки и в некоторых случаях требуют существенных затрат на проведение работ.

1_1_1.png

Основой проектируемого экспериментального стенда [7, 8] для оценки работоспособности резьбовых соединений НКТ в сероводородсодержащих средах является ключ-автомат АПР2-ВБМ (рис. 1), предназначенный для свинчивания-развинчивания НКТ при подземном ремонте скважин. Основная техническая характеристика ключа-автомата АПР2-ВБМ представлена в таблице.

Механизм оснащен инерционным устройством реверсивного привода, позволяющим увеличить момент на водиле при развинчивании НКТ, а также при свинчивании НКТ большого диаметра.

Проектируемый на базе ключа АПР2-ВБМ стенд позволяет исследовать:

  • работоспособность резьбовых соединений НКТ в коррозионных средах;

  • эффективность упрочняющих резьбовых покрытий;

  • смазочные композиции для повышения ресурса резьб НКТ;

  • эффективность методов закалки резьб НКТ;

  • воздействие физических полей на работоспособность резьб НКТ.

К исследованию работоспособности в сероводородсодержащих средах приняты образцы резьбовых соединений НКТ с треугольным профилем условным диаметром 73,0 мм и толщиной стенки 5,5 мм (рис. 2).

Технический результат, выраженный представленной конструкцией, заключается в возможности проведения модельных испытаний в режиме многократного свинчивания-развинчивания образцов резьбовых соединений «ниппель – муфта» НКТ в коррозионно-абразивных средах с возможностью одновременного создания осевой нагрузки на резьбу.

1_1_2.png

Моменты свинчивания и развинчивания, крепления и раскрепления НКТ регламентируются общими рекомендуемыми значениями согласно нормативным документам, и при использовании автоматических ключей для работы с НКТ этот эксплуатационный параметр можно воспроизвести и соблюсти в конструкции проектируемого стенда.

Известно, что в процессе наращивания колонны свинчиваемая НКТ находится в подвешенном состоянии, а распределение осевого усилия на резьбу при стыковке, как правило, регулируется степенью сжатия пружины крюка (разгрузка на муфту составляет примерно 10 % от массы трубы). Далее производятся центровка в целях соблюдения соосности и последующее свинчивание с осевым усилием при полной разгрузке на муфту (масса всей НКТ). При развинчивании же резьбового соединения создается произвольное осевое усилие (также составляющее примерно 10 % от массы НКТ), направленное в противоположную сторону и создающее натяг.

Из этого следует, что в процессе модельных испытаний необходимо создать максимальную осевую нагрузку от массы свинчиваемых НКТ (при проектировании стенда принята осевая имитируемая нагрузка от массы одной НКТ, так называемой однотрубки). К примеру, для гладкой НКТ с условным диаметром 73,0 мм, толщиной стенки 5,5 мм и длиной 10 м (масса одного погонного метра составляет 9,2 кг) этот показатель в приближении должен быть равен 900 Н. Представленным требованиям отвечает силовая пружина 1086-0904 ГОСТ 13772-86 сжатия № 75 (рис. 3) со следующими параметрами:

  • диаметр витка d = 4,5 мм;

  • наружный диаметр D = 34 мм;

  • длина пружины в свободном состоянии l0 = 103,6 мм;

  • шаг пружины в свободном состоянии t = 10,76 мм;

  • длина пружины при рабочей деформации l2 = 58,51 мм;

  • сила при рабочей деформации F2 = 800 Н;

  • длина пружины при максимальной деформации l3 = 47,25 мм;

  • сила при максимальной деформации F3 = 1000 Н.

Представленная силовая пружина соответствует требованиям как по необходимым нагрузочным характеристикам, так и по соображениям обеспечения диаметрального размера под поверхность опорной крышки 6 (рис. 2) экспериментального стенда. Также исходя из внутреннего диаметра d силовой пружины 9 и размеров испытательного образца НКТ можно определить и размерные геометрические характеристики центрального стержня 2, опорной крышки 6 и донной заглушки 7. Основные проектируемые элементы стенда для испытания образцов резьбовых соединений гладких НКТ 73,0 x 5,5 представлены на рис. 4.

Центральный стержень и донная заглушка выполняются из коррозионностойких материалов для обеспечения их сопротивляемости деструктивному действию сероводородсодержащих сред, заполняющих внутреннюю полость испытуемого образца НКТ. Для герметизации сопряжения донной заглушки с внутренней поверхностью образца НКТ в дополнение могут быть использованы уплотнительные материалы.

Таким образом, подобраны элементы экспериментального стенда для его дальнейшего создания и проведения исследований по оценке работоспособности резьбовых соединений «ниппель – муфта» при свинчивании-развинчивании в сероводородсодержащих средах. Это позволяет осуществить модельные исследования процесса ускоренного изнашивания резьб НКТ без использования громоздкого и металлоемкого оборудования в условиях, максимально приближенных к промысловым, а также без существенных производственных затрат.

Основная техническая характеристика ключа-автомата АПР2-ВБМ

Technical characteristics of the APR2-VBM automatic tong

Параметр 

Parameter

Значение параметра 

Value

Максимальный крутящий момент, кН.м 

Maximum torque, kN.m

4,5

Условные диаметры захватываемых НКТ, мм: 

Nominal diameters of pipes, spinned-up and uncoupled by the tongs:

• гладких 

smooth

• высаженных 

upset

 

 

 

48; 60; 73; 89

 

48В; 60В; 73В; 89В

Потребляемая мощность, кВт, не более 

Maximum power consumption, kW

3,0

Частота вращения водила, с-1 (об/мин) 

Drive carrier rotation frequency, s-1 (rpm)

0,85 (51)

Передаточное число червячного редуктора 

Worm gear reduction rate

28

Грузоподъемность спайдера, т 

Spider load capacity, t

80

Количество вариантов набора маховиков 

Combinations of flywheels

4

Привод ключа 

Tong’s drive

Электрический инерционный взрывобезопасный с питанием от промысловой сети 

Electric, intertidal and explosion proof , field grid power feed

Двигатель привода 

Driving motor

Электродвигатель АИМ100 S4 У2,5 n = 1430 об/мин, напряжение 380 B 

Electric motor АИМ100 S4 У2,5 n = 1430 rpm, voltage: 380 V

Управление приводом 

Drive control

Кнопочный пост и магнитный пускатель 

Button control station and magnetic starter



← Назад к списку


im - научные статьи.