4.4 Механічні параметри і матеріали для насосних штанг

Згідно специфікації АРІ 11В насосні штанги розрізняють лише за показниками міцності на розтяг.

Вибір матеріалу, методів зміцнення, технологічних методів виготовлення, які підвищують надійність штанги, стандартом не обумовлені і залишені на розгляд виробника. Кінцеві особливо сильно впливають на довговічність роботи штанги, тому при купівлі штанг, які виготовляються за сказаною вище специфікацією AРI 11В цьому необхідно приділяти особливу увагу.

За показниками міцності стандарт АРІ розділяє штанги на класи.

Клас АРІ К - границя міцності при розтязі

590 - 790 Н/мм²,

Клас АРІ С - границя міцності при розтязі

630 - 790 Н/мм²,

Клас АРІ Д - границя міцності при розтязі

790 - 965 Н/мм².

Для виготовлення насосних штанг застосовують такі сталі:

- для класу К за АРІ нікель-молібденові (покращені);

- для класу С за АРІ вуглецево-марганцеві;

- для класу Д за АРІ хромо-молібденові.

Для виготовлення полірованих штоків номенклатурою передбачено сталі: середньовуглецеві, нікельмолібденові, нержавіючі, хромонікелеві. В корозійних середовищах, а в особливо важких умовах задовільно працюють поліровані штоки з хромовим покриттям.

4.5 Аналіз причин руйнування штангових колон

Колона насосних штанг експлуатується в складних умовах і є одним із найбільш слабких елементів установки ШСН. Як уже зазначалось, в умовах свердловини, на неї діє сукупність значних статичних, циклічних і динамічних навантажень. Численність механічних і корозійних факторів обумовлює різні причини відмов в роботі колони насосних штанг.

Спостереження за характером руйнування насосних штанг на різних родовищах підтвердили, що більше 90 % обривів в колоні штанг виникають в результаті корозійно-механічного руйнування, які виникають в результаті таких основних факторів:

- втома металу під дією широкого і різноманітного спектру навантажень;

- корозія металу в агресивних пластових рідинах;

- спрацювання колони штанг і її елементів в результаті сумарного впливу сил тертя (гідродинамічного, граничного та інших); до найбільш суттєвих відносяться сили, що виникають при терті колони штанг із внутрішньою поверхнею НКТ;

- технологічні дефекти металу, а саме: дефекти при виплавленні сталі і прокату заготовки; штампуванню; термічній та механічній обробці;

- механічні пошкодження при зберіганні, транспорту-ванні, проведенні СПО та інших роботах;

- пластичні деформації в результаті прикладення значних зусиль при заклинюванні плунжера та інших ускладненнях;

- невідповідність виробу колони штанг заданим умовам експлуатації (матеріал, діаметр штанг і довжина секцій компоновка низу колони, засоби та способи від корозійно-механічних руйнувань);

- відкладення на штангах парафіно-смоляних речовин і солей та наявність в пластових рідинах механічних домішок.

Як показує досвід експлуатації ШСНУ основні аварії з колоною насосних штанг виникають в результаті руйнування штанг по тілу, різьбі, муфті та їх відкручування в процесі роботи. Основні види аварій, їх долю в загальному об’ємі та в залежності від умов експлуатації приведено в табл. 4.3. Порівняльний аналіз аварій в нормальних і ускладнених свердловинах представлено в табл. 4.4.

В нормальних (не ускладнених) свердловинах в більшос-ті випадків (до 80 %) руйнування колон проходить по тілу штанг. При цьому, практично всі поломки по тілу штанги знаходяться на перехідній ділянці від головки до тіла штанги

Таблиця 4.3 - Характеристика аварій з насосними штангами

Аварії в еле-ментах насо-сних штанг	Число аварій зі штангами в свердловинах, %
	Не ускладнених	В корозійно-активному середовищі	В середовищі із механічними домішками
Обрив штанг: - по тілу штанги - по різьбі - по муфті Відкручування штанг	60-80 17-20 13 10	16-28 72-84 - -	26-39 6-10 22-36 15-46

Таблиця 4.4 - Вплив умов експлуатації на аварійність штангових колон

№ п/п	Характеристика стану свердловини	Перевищення кількості аварій з колоною насосних штанг в порівнянні із їх експлуатацією в умовно нормальних свердлови-нах
1 2 3 4	Нормальні Похило-скеровані та викривлені Свердловини з корозійно-активною продукцією Свердловини в продукції яких містяться механічні домішки	1,0 2,0 - 5,0 2,0 - 15,0 1,5 - 6,0

на віддалі 20 - 250 мм від головки. Встановлено, що визна-чальними параметрами даних руйнувань є режим роботи свердловини та діаметр насосних штанг і не залежить від корозійної активності середовища, механічних факторів, матеріалу та ряду інших умов. Близько 90 % руйнувань по тілу штанги припадає на перехідну ділянку. Поломки по тілу штанги на проміжках, більш віддалених від перехідної ділянки, набагато рідші.

Значне місце при експлуатації штанг в корозійно-активному середовищі, особливо при наявності сірководню, займають аварії в результаті руйнувань різьбових з’єднань (табл. 4.3). До основних причин руйнування різьбових з'єднань слід віднести: неякісне виконання різьб; відсутність контролю за якістю мастила та величиною моменту скручування; недостатня герметичність з’єднання.

Вібрації, коливання, наявність механічних домішок та неякісна технологія монтажу колони штанг приводить до розкручування штанг, що досягають 46 % від обсягу всіх аварій в деяких свердловинах. Для зменшення даного виду аварій необхідно перед монтажем колони детально оглянути різьби і усунути механічні пошкодження, очистити різьби від механічних домішок та інших відкладень, змастити їх ефективним мастилом та скрутити різьбове з’єднання рекомендованим моментом.

Узагальнюючи дані спостережень за роботою колон насосних штанг в свердловинах та результати науково-дослідних робіт в лабораторіях, можна з упевненістю констатувати, що переважна більшість руйнувань пов’язана з корозійною втомою металу. Однак помилково вважати, що корозійно-активне середовище не посилює процес руйнування. Як випливає із даних, приведених в табл. 4.4. В свердловинах з корозійно-активною продукцією аварії зростають в 2,0 - 15 разів збільшують кількість аварій в порівнянні з експлуатацією колони штанг в нормальних свердловинах. При одночасній дії двох факторів – механічного і корозійного, вплив їх на протікання корозійно-втомного руйнування залежить від сукупності і співвідношення вище розглянутих факторів.