5.6.6 Методи розрахунку насосних штанг
На даний час розроблено декілька методик розрахунку колон насосних штанг на міцність, суть яких зводиться до визначення напружень в найбільш небезпечному перерізі колони і співставленні їх з допустимими. Тривалий час працездатність колон насосних штанг оцінювання на статичну міцність. Для цього спочатку визначали максимальні напруження розтягу у верхньому перерізі кожної ступені колони насосних штанг і порівнювали їх з допустимими на розтяг, дотримуючись умови рівноміцності всіх колон:
,
(5.110)
σmax i - максимальне значення напруження розтягу у верхньому перерізі і-ої колони насосних штанг;
[σp] - допустиме напруження на розтяг для матеріалу насосних штанг.
Подібний підхід до розрахунку колон насосних штанг ще і тепер застосовується в нафтопромисловій практиці США.
Раскін Р.М., Баграмов Р.А. запропонував розрахунок колони штанг відповідно до умови:
,
(5.111)
де σa - амплітудне значення напружень;
[σa] - допустимі амплітудні напруження циклу, які рекомендується визначати з врахуванням коефіцієнтів запасу міцності n = 1 - 2, причому більше його значення приймається при розрахунках нижньої частини колони насосних штанг із-за менш спрямованих умов їх експлуатації.
Методики розрахунку колони насосних штанг за максимальним напруженням розтягу і за амплітудним напруженням циклу базується на одному параметрі, і тому не враховують асиметрії циклу навантаження, яка змінюється з глибиною свердловини. Тому вони не можуть забезпечити рівноміцність багатоступінчастої колони насосних штанг.
В зв’язку з цим Держстандартом введена методика розрахунку багатоступінчастої колони насосних штанг на міцність за величиною приведеного напруження σпр. Максимальне значення досягається у верхній насосній штанзі кожної ступені:
σпр=
,
(5.112)
З дотриманням умови:
σпр
[σпр],
(5.113)
Це не що інше як залежність Одінга:
,
(5.114)
яку використав російський вчений Вірновський А.С. для розрахунку насосних штанг.
ГОСТ 13877-96 регламентує величину допустимого приведеного напруження в насосних штангах залежно від використовуваної марки сталі, її термічної обробки і умов експлуатації, які характеризуються корозійною активністю продукції свердловини і діаметром ШСН. На даний час вони встановлені лише для декількох марок сталей, які найбільш використовуються для виготовлення насосних штанг тому, що для цього потрібна велика кількість промислових даних про руйнування НШ в процесі експлуатації. У зв’язку з цим розрахунок НШ з нових матеріалів та при суттєвій зміні механічних характеристик в результаті різної термомеханічної обробки не представляється можливим.
Таким чином, колони НШ розраховують на міцність. Однак розроблені для цього методики розрахунку не здатні забезпечити оцінку працездатності колони насосних штанг з моменту зародження корозійно-втомної тріщини, яка є основною причиною обривів.
Розроблений метод оцінки працездатності колон НШ з врахуванням опору матеріалу поширенню в ньому корозійно-втомної тріщини і нові методології оцінки напружено-деформованого стану тіла з тріщиною з допомогою коефіцієнта інтенсивності напружень.
Така оцінка є насправді потрібна і дуже важлива тому, що більшість обривів колон насосних штанг в процесі експлуатації обумовлена зародженням і розвитком магістральної корозійно-втомної тріщини до критичного розміру. Однак для цього потрібна розробка принципово нових стосовно насосних штанг, методів розрахунку та наявність відповідних даних про статичну та циклічну корозійну тріщиностійкість матеріалів, з яких вони виготовляються.