Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

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

..pdf

Скачиваний:

Добавлен:

13.11.2023

Размер:

23.69 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 23 / 303 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

Sд = 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.

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

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.

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

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.

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»)

Таблица 1 . 4

Результаты коррозионно-усталостных испытаний фрагментов насосных штанг ШН19, новых и бывших в эксплуатации

Год		Страна,		Срок	Пределограни-	Пределограни-	Способ
Год	Условное	Страна,	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		–
1986	(новыйцех)			0	80	65		–
1987	19Н7А.681		20Н2М	0	75	62		–
1987	(новыйцех)		20Н2М	0	75	62	Изгиб	–
1987	19Н7И.911			0	75	60	Изгиб	–
1987	(старыйцех)			0	75	60	свраще-	–
							нием
1988	19Р8Б.479	СССР,	15Н3МА	0	85	80	нием	–
1988	(новыйцех)	СССР,	15Н3МА	0	85	80	всреде	–
		г. Очёр,					пластовой
		г. Очёр,						скв. 264
		Очёрский						скв. 264
		Очёрский					воды	Долининское
		машзавод					воды	Долининское
	19Н179.А2	машзавод	20Н2М				НГДУ	месторождение,
1972	19Н179.А2			53660640	58	–	НГДУ	месторождение,
1972	(старыйцех)			53660640	58	–	«Долина-	НГДУ
							нефтегаз»	«Долина-нефтегаз»
								ПО«Укрнефть»
1983	19Н3Г.643		20Н2М	15396000	55	45		–
1983	(старыйцех)		20Н2М	15396000	55	45		–
1983	19Н3Г.907		20Н2М	15396480	53	30		–
1983	(старыйцех)		20Н2М	15396480	53	30		–

Продолжение табл. 1 . 4

28	1	2	3	4	5	6	7	8	9
	1985	19Н5А.225		20Н2М	9333200	60	45
	1985	(старый цех)		20Н2М	9333200	60	45
									скв. 864
			СССР, г. Пермь,						Осинское
		19МН4А.	СССР, г. Пермь,	20Н2М					месторождение
	1974	19МН4А.	машзавод	20Н2М	32659200	60	–		месторождение
		СО5Д	им. В.И. Ленина	сорбит					НГДУ
									«Осинскнефть»
									ПО«Пермнефть»
		19ШН7.	АзССР,						НГДУ
			Заводим. л-та	20Н2М					НГДУ
	1973		Заводим. л-та	20Н2М	34000000	68	58		Долина-нефтегаз
		729А3	Шмидта,						ПО«Укрнефть»
			СССР, г. Пермь						ПО«Укрнефть»
			СССР, г. Пермь
		19Н291.А2		20Н2М					НГДУ «Красно-
	1972	19Н291.А2			53660000	37	35		камскнефть»
	1972	(старыйцех)			53660000	37	35		камскнефть»
								Изгиб	ПО«Пермнефть»
		19Н4Г.150		20Н2М				Изгиб
	1984	19Н4Г.150			11664000	46	44	свращени-
	1984	(старыйцех)			11664000	46	44	свращени-
			СССР,					емвсреде,
		19Н6И.672	СССР,	20Н2М				емвсреде,
	1986	19Н6И.672	г. Очёр,		0	56	45	имити-	–
	1986	(новыйцех)	г. Очёр,		0	56	45	имити-	–
			Очёрский					рующей
		19Н7А.681	Очёрский					рующей
	1987	19Н7А.681	машзавод	20Н2М	0	55	50	действие	–
	1987	(новыйцех)	машзавод	20Н2М	0	55	50	действие	–
								серово-
		19Н7И.911						серово-
	1987	19Н7И.911		20Н2М	0	45	40	дорода	–
		(старыйцех)						дорода
		(старыйцех)
	1992	19Н2А.28Н		20Н2М	0	40	37		–
	1992	(новыйцех)		20Н2М	0	40	37		–

Окончание табл. 1 . 4

19Н5И.224Т

20Н2Мнормализа-

1985

цияспоследующим

9331200

215

208

(новыйцех)

поверхностным

упрочнениемТВЧ

1974

19МН4А.

20Н2М

32659200

–

Изгибсвраще-

–

С05А

(сорбитизация)

ниемвсреде,

19МН4А.

20Н2М

1974

32659200

имитирующей

–

С05А

(сорбитизация)

действиесеро-

19МП8И.

15Х2НМФ

1978

СССР,

38657600

водорода

–

0090

(сорбитизация)

г. Пермь,

19МП9Г.

15X2НМФ

1979

машзавод

36324800

–

0039

(сорбитизация)

им.

В.И. Ленина

1979

19МП9И.

15Х2НМФ

36324800

–

0085

(сорбитизация)

1980

19MПOA.

15Х2НМФ

34992000

–

0012

(сорбитизация)

1980

19МПОА.

15Х2НМФ

34992000

–

0007

(сорбитизация)

Изгибсвраще-

Приусталостных

143

нием10 фраг-

лабораторных

ментоввраст-

испытаниях

РФ,

пристан-

воре3 % NaCl

фрагментовна-

ШН22-8000

г. Ижевск,

дартном

2006

20ХГН1М

–

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)

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.

<<< < Предыдущая 1 23 / 303 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги