1.2.4. Насосно-компрессорные трубы

Из насосно-компрессорных труб (НКТ) составляются колон­ны, спускаемые в скважину. Колонны НКТ могут служить в ос­новном для следующих целей:

• подъема на поверхность отбираемой из пласта жидкости, смеси жидкости и газа или одного газа;

• подачи в скважину жидкости или газа (осуществления тех­нологических про­цессов, интенсификации добычи или подзем­ного ремонта);

• подвески в скважине оборудования;

• проведения в скважине ремонтных, в том числе буриль­ных, работ.

Примеры условных обозначений насосно-компрессорных труб приведены ниже:

трубы из стали группы прочности Е с условным диаметром 60 мм, толщиной стенки 5 мм:

• 60х5-Е ГОСТ 633-80 — для гладких труб;

• В-60х5 ГОСТ 633-80 — для труб с высаженными наружу концами;

• НКМ-60х5 ГОСТ 633-80 — для высокогерметичных труб;

• НКБ-60х5 ГОСТ 633-80 — для высокогерметичных без­муфтовых труб [5, 6].

Насосно-компрессорные трубы в нашей стране изготавли­ваются согласно ГОСТ 633, предусматривающему изготовле­ние гладких труб и муфт к ним, труб с высаженными наружу концами (В) и муфт к ним, гладких высоко­гер­ме­тич­ных труб (НКМ) и муфт к ним, а также безмуфтовых труб (НКБ) с выса­жен­ны­ми наружу концами (рис. 1.2.9). Гладкие трубы проще в изготовлении, но их концы ослаблены нарезанной на них резь­бой. Трубы с высаженными наружу концами имеют одинако­вую прочность по основному телу и у резьбы. Эти тру­бы назы­ваются равнопрочными. Внешний диаметр их муфты больше, чем у труб с гладкими концами (табл. 1.2.14). У НКТ гладких и с высаженными кон­ца­ми резьба (рис. 1.2.10) имеет конусность 1:16, закругленная, с углом профиля 60°. У труб НКМ и НКБ резьба также коническая, но с трапецеидальным про­фи­лем. Резьбовая часть труб с НКМ и НКБ имеет конический гладкий конец, входящий в конус муфтовой части резьбового соединения и создающий допол­нительное уплотнение со­единения (рис. 1.2.11 и 1.2.12). По массе труб допуска­ется отклонение от +6,5 до -3,5% для исполнения труб А (более точное исполне­ние) и от +8 до -6% для исполнения труб Б (менее точное исполнение).

Рис. 1.2.9. Соединение насосно-компрессорных безмуфтовых труб НКБ1

Рис. 1.2.10. Резьбовая часть НКТ с треугольной резьбой

Рис. 1.2.11. Профиль резьбы труб НКБ1 и НКМ

Рис. 1.2.12. Соединение насосно-компрессорных муфтовых труб НКМ

Таблица 1.2.14

Насосно-компрессорные трубы по гост 633

Условный диаметр трубы, мм	Наружный диаметр, мм			Толщина стенки трубы, мм	Внутренний диаметр трубы, мм	Масса (теоретическая) трубы с муфтой, кг/м
	гладкой части трубы	муфты
		гладких труб	труб типа В			гладких труб	труб типа В
27	26,7		42,2	3,0	20,7		1,85
33	33,4	42,2	48,3	3,5	26,4	2,65	2,66
42	42,2	52,2	55,9	3,5	35,2	3,38	3,46
48	48,3	55,9	63,5	4,0	40,3	4,46	4,54
60	60,3	73,0	77,8	5,0	50,3	7,01	7,12
73	73,0	88,9	93,2	5,5	62,0	9,50	9,55
73	73,0	88,9	93,2	7,0	59,0	11,70	11,87
89	88,9	108,0	114,3	6,5	75,9	13,68	13,72
89	88,9	-	114,3	8,0	79,0	-	16,69
102	101,6	120,6	127,0	6,5	88,6	15,80	16,05
114	114,3	132,1	141,3	7,0	100,3	19,13	19,49

Примечание. Длина труб первой группы — 10 м; второй группы — 5,5...8,5 м.

Внутренний диаметр НКТ проверяется шабло­ном длиной 1250 мм с на­ружным диаметром на 2...2,9 мм меньше номи­нального внутреннего диа­метра трубы (меньшее от­клонение для труб неболь­шого диаметра). На толщи­ну стенки установлен ми­нусовый допуск в 12,5% от толщины.

Трубы изготовляются из сталей следующих групп прочности: Д, К, Е, Л, М, Р. Кроме того, НКТ могут изготавливаться из алюминиевого сплава марки Д16Т. Этот сплав имеет предел те­кучести около 300 МПа, предел выносливости 110 МПа. Отно­сительная плотность сплава 2,72. Трубы, изготовленные из алюми­­ниевого сплава, имеют значительно меньшую массу, чем сталь­ные, а прочность их снижается меньше (в 1,25 раз по отноше­нию к группе прочности стали Д, в 1,67 раз — к К и в 1,83 раза — к Е). Таким образом, колонны труб из алюминиевого сплава можно спускать глубже, или они будут иметь большой запас прочности при глубине спуска, одинаковой с глубиной спуска стальных труб.

Трубы из сплава Д16Т обладают и большей коррозионной стойкостью в серо­во­дородсодержащих средах. Особенно повы­шаются их коррозионная стой­кость и износостойкость при тол­стослойном анодировании.

Размеры и масса труб НКБ1 приведены в табл. 1.2.15.

Муфтовое соединение гладких труб НКМ обеспечивает герме­тичность сое­ди­нений при давлении газа до 50 МПа (500 кгс/см²). Прочность соединений сос­тавляет 85...90% прочности по телу трубы, что на 25...35% превышает проч­ность соединений глад­ких насосно-компрессорных труб по ГОСТ 633 [5, 6].

Конструкция конических уплотнительных поверхностей и про­филь резьбы аналогичны применяемым в соединениях труб НКБ1.

При докреплении соединений происходит контакт по внут­ренним упорным торцам.

Таблица 1.2.15

Размеры и масса безмуфтовых труб НКБ1

Условный диаметр трубы, мм	Наружный диаметр, мм	Толщина стенки, мм	Внутренний диаметр, мм	Масса 1 м гладкой трубы, кг	Увеличение массы одной трубы за счет высадки концов, кг	Диаметр высаженной части, мм	Длина высадки, мм
60	60,3	5,0	50,3	6,84	1,8	71	120
73	73,0	5,5	62,0	9,16	2,2	84	125
73	73,0	7,0	59,0	11,39	2,6	86
89	88,9	6,5	759	13,22	3,2	102	125
89	88,9	8,0	72,9	15,98	3,7	104
102	101,6	6,5	88,6	15,22	4,0	116	125
114	114,3	7,0	100,3	18,47	4,8	130	125

Страгивающую нагрузку для труб типа НКМ определяют по телу трубы в опасном сечении, находящемся на расстоянии 12 мм от конца сбега резьбы, по формуле, аналогичной формуле (1.2.2) для обсадных труб типа ОТТМ1.

Наличие у колонн НКТ резьбовых соединений через каждые 8...10 м резко уве­личивает трудоемкость работ на скважине при спуске и подъеме колонн труб.

В настоящее время на многих нефтяных и газовых промыс­лах России находят широкое применение зарубежные насосно-компрессорные трубы. Эти трубы чаще всего выполнены по стан­дарту API (Американского нефтяного института), Spec 5B, Spec 5BC, Spec 5BX [6].

Эти насосно-компрессорные трубы имеют наружный диаметр от 26,7 до 114,3 мм с высаженными концами, без высадки или с раструбом на муфтовом конце трубы. Для соединений насосно-компрессорных труб, наряду с обычной резьбой с конусностью 1:16, углом профиля 60° и шагом 3,175 или 2,54 мм, используют специальные трапецеидальные или упорные резьбы. С целью повы­ше­ния герметичности применяют соединения с дополни­тельными уплотни­тель­ны­ми поверхностями, а также с уплотнительными кольцами из тефлона (фторо­пласта). Для предохране­ния труб от коррозии некоторые фирмы применяют покрытие внутренней поверхности труб пластмассами.

Насосно-компрессорные трубы изготовляют бесшовными из сталей группы прочности Н-40, J-55 (соответствует группе проч­ности Д по ГОСТ 633) и N-80 по стандарту АНИ (специфика­ция 5В), из стали группы прочности Р-105 по спе­ци­фикации 5ВХ АНИ и из стали группы прочности С-75 (соответствует груп­­пам прочности стали К и Е) для скважин с сернистой средой по специ­фикации 5ВС АНИ.

Химический состав сталей группы прочности Н-40, J-55, N-80 (аналог группы прочности стали Е) и Р-105 (группа прочности М) в стандартах не указывается. Типичные химические составы приведены в табл. 1.2.16. В табл. 1.2.17 даны механические свой­ства материалов для насосно-компрессорных труб по API Spec 5В, Spec 5BC, Spec 5BX.

Таблица 1.2.16

Химический состав сталей

Группа прочности стали	Термическая обработка	Содержание углерода, %	Содержание марганца, %	Другие компоненты, %
Н-40	-	0,27...0,37	0,70... 1,00
J-55	-	0,37...0,47	0,80...1,00	-
N-80	Нормализация	0,38...0,48	1,40... 1,70	Мо - 0,15
Р-105	Нормализация и отпуск	0,37...0,45	0,60...0,80	Сr - 0,80
				Ni - 1,30
				Mo - 0,25
		0,20...0,27	2,25...2,75	Мо - 0,15
				V - 0,08
		0,38...0,45	1,40...1,70	Мо - 0,15
				Сr - 0,9

Таблица 1.2.17

Механические характеристики материалов для НКТ по API Spec 5В, 5ВС, 5ВХ

Группа прочности стали	Предел прочности при растяжении, МПа, не менее	Предел текучести при растяжении, МПа, не менее	Наименьшее удлинение при разрыве, %
H-40	420	280	29,5
J-55	520	380	24,0
С-75	660	520	19,5
N-80	700	560	18,5
Р-105	840	730	16,0

Конструкции резьбовых и иных уплотнительных элементов некоторых типов НКТ зарубежного производства изображены на рис. 1.2.13 - 1.2.15 [5, 6].

Рис. 1.2.13. Соединения насосно-компрессорных труб фирмы «Хандрил»:

а — соединение FJ и А-95;

б — соединение CS и РН-6

В последние годы получили применение так на­зы­вае­мые непрерывные наматываемые (безмуфтовые или гиб­кие) трубы длиной до 2500 м, а в некоторых слу­чаях — до 5500 м. Эти трубы выпускают­ся с прокатного стана полной строительной длины (или от­дельными бухтами длиной от 300 до 650 м, кото­рые соеди­няются между собой с помо­щью сты­ко­вой сварки) без промежуточных резьбовых сое­ди­не­ний и сматываются в бухту. Они спускаются в сква­жину со специального агрега­та, обычно смонти­ро­ванного на большегрузной автомашине.

За счет сил трения в протяжном устройстве агрегата колон­на непрерывных труб удерживается в скважине в подвешенном состоянии [7].

Рис. 1.2.14. Соединение насосно-компрессорных труб VAM фирмы «Вал у рек»

Рис. 1.2.15. Насосно-компрессорные трубы с приваренными замками, используемые в качестве бурильных труб малого диаметра (по стандартам АНИ):

1 — сварной шов; 2 — уплотнительное кольцо

Через такую колонну труб можно подавать жидкость в сква­жину для про­мыв­ки песчаных пробок, спускать оборудование для ремонтных и эксплуата­цион­ных работ. Естественно, что при таких непрерывных гибких трубах резко сокращается время спус­ка и подъема колонн, ликвидируются трудоемкие работы по свин­чиванию и развинчиванию резьбовых соединений.

К недостаткам относится громоздкость оборудования для спус­ка и подъема труб, так как радиус изгиба труб на барабане жела­тельно иметь больший для меньшей остаточной деформации труб. Однако работы, проведенные В. Н. Ивановским [2], показали возможность достаточного числа циклов пластичес­кой дефор­мации гибких труб без нарушения их работоспособности. В этом случае диаметр барабана агрегата можно сократить до 2...1,8 м. Остальные технологические трудности решаются в процессе прак­тического применения гибких труб.

Достаточно широко на нефтяных промыслах применялись НКТ, внутрен­няя поверхность которых покрыта стеклом, эпоксидными смолами. Менее распространены эмалированные трубы. Такие по­крытия применяются для защи­ты от отложения парафина на трубах и защиты от коррозии внутренней поверхности труб. Кроме того, они снижают на 20...30% гидравлические сопротивления потоку.

Покрытие стеклом обладает высокой теплостойкостью и дос­таточно проч­но при небольших деформациях труб. На поверх­ности стекла не откладывается парафин. Однако покрытие стек­лом имеет ряд недостатков. Один из них — обра­зование микро­трещин в стекле при покрытии им трубы. В результате образу­ются очаги коррозии металла и местного отложения парафина у трещин. В настоящее время отрабатывается технология покры­тия, уменьшающая тре­щи­нообразование. Второй недостаток — разрушение стекла при деформации труб. Причиной этого слу­жат различные модули упругости металла (0,21·10⁶ МПа) и стек­ла (0,057·10⁶ МПа). Вследствие этого при растяжении металла труб тонкому слою стекла передаются большие усилия, наруша­ющие его целост­ность. Это сказывается при больших глубинах подвески труб и их транспорти­ровке, когда трубы не предохра­нены от изгиба.

Чтобы в стекле не возникали напряжения выше допустимого, необходимо соблюдать следующее условие:

, (1.2.3)

где Р – допустимая нагрузка на трубы, определенная по условию сохранения проч­нос­ти стекла; σ_в.ст – предел прочности стекла; n – запас прочности (прини­маем равным 1,3...1,5); F_ст, F_тр – площади диаметрального сечения слоя стекла и труб, соответственно; Е_ст, Е_тр – соответственно модули упругости стекла и ма­те­риала труб.

Расчеты показывают, что при наиболее прочных марках стекла допусти­мые нагрузки на трубы 73x5,5 мм равны примерно 200 кН. Это означает, что длина колонны остеклованных труб ограничивается прочностью стеклянного покрытия. При спуске на НКТ скважинного центробежного насоса эта длина не должна превышать 1500...1700 м (при запасе прочности 1,3...1,5).

Покрытие труб эпоксидными смолами также хорошо защищает их от отложений парафина. Эпоксидные смолы эластичнее стекла, и при деформации труб смола не растрескивается. Но она имеет свои недостатки. Температура, при которой можно применять смолы, обычно невысокая — не более 60...80⁰С.

В последние годы расширяется применение эмалированных труб. Они обла­дают наиболее прочным покрытием (значительно прочнее стекла), высокой температуростойкостью, морозоустойчивостью и гладкой поверхностью, на которой парафин не откладывается. Для защиты НКТ от агрессивных сред трубы покрываются несколькими слоями эмали. Технология нанесения эмали значительно сложнее технологии покрытия стеклом и эпоксидной смолой.

Покрытие труб эмалями, стеклом и эпоксидной смолой рассматривается как эффективное средство борьбы с отложением парафина. Конкретный вид покрытия необходимо выбирать в зависимости от условий эксплуатации.

Общий недостаток покрытий в том, что внутренняя поверхность муфто­во­го соединения труб остается незащищенной. В этом месте можно устанавливать эластичные проставки, перекрывающие незащищенное место, или протектор­ные кольца, потенциал материала которых таков, что кольца корродируют сами, защищая от коррозии близко расположенные участки трубы. Однако применение таких мер создает дополнительные трудности.