Механизированная добыча нефти с помощью штанговых глубинных насосов (ШГН) регулярно сталкивается с различными видами отказов оборудования. Одной из самых распространенных и затратных аварий является обрыв или отворот насосных штанг. Ликвидация подобных последствий требует значительных материальных затрат, времени и привлечения специализированных бригад подземного ремонта скважин (ПРС). В данной статье мы подробно рассмотрим природу этого явления, его главные причины и эффективные методы профилактики.
Что такое отворот насосных штанг?
Отворот штанг — это самопроизвольное развинчивание резьбового соединения насосных штанг в процессе работы скважинного насоса. В отличие от обрыва (разрыва тела штанги по металлу), при отвороте целостность самой штанги сохраняется, но нарушается целостность колонны из-за разъединения муфты и ниппеля. Тем не менее, в промысловой практике оба вида отказов часто приводят к одному и тому же результату — падению части колонны на забой и необходимости сложного извлечения (ловильных работ).
Основные причины отворота насосных штанг
Анализ отказов оборудования показывает, что причин для самопроизвольного развинчивания может быть несколько. Как правило, это комплексное воздействие различных факторов:
Крутящий момент и силы сопротивления
Согласно исследованиям (в частности, работе Ф. Г. Халимова, С. Г. Зубаирова и др.), главной причиной отворотов является крутящий момент, возникающий в колонне штанг. При ходе плунжера вниз возникают силы сопротивления движению, которые приводят к деформации колонны штанг. В результате этого штанги начинают закручиваться. Если шаг резьбы и направление закручивания совпадают, а усилия недостаточно для удержания соединения в затянутом состоянии, происходит отворот.
Истирание колонны штанг о колонну НКТ
При эксплуатации в искривленных скважинах колонна штанг постоянно трется о насосно-компрессорные трубы (НКТ). Это приводит к:
- Износу тела штанги, что снижает ее прочность;
- Износу резьбовых соединений, что критически ослабляет фиксацию муфты на ниппеле;
- Износу сухарей и плашек, участвующих в фиксации и передаче усилий.
Недостаточный вес штанг в верхнем интервале
Часто отвороты и обрывы происходят в верхнем интервале колонны. Это связано с тем, что веса нижерасположенных штанг может быть недостаточно для преодоления сил трения и сопротивления при ходе плунжера вниз. В таком случае полированный шток может оставаться неподвижным, в то время как нижележащая часть колонны испытывает сильные продольные и крутильные деформации, приводящие к развинчиванию.
Нарушение технологии сборки и спуска
Некачественное свинчивание резьбовых соединений на поверхности перед спуском в скважину — одна из частых причин отворота. Недотяг или перетяг резьбы, отсутствие смазки, попадание песка или грязи в резьбу приводят к тому, что соединение не способно выдерживать знакопеременные нагрузки в скважине.
Отказ защитных устройств (ЗДД)
Отказы или отсутствие защитных устройств (например, ЗДД — защитных устройств от довинчивания/отворота) также ведут к авариям. Если штатная защита не срабатывает, колонна остается один на один с разрушающими крутящими моментами.
Влияние кривизны ствола скважины
Отдельно стоит выделить профиль ствола скважины. Слишком большая кривизна ствола приводит к тому, что штанговая колонна работает в условиях экстремальных изгибающих нагрузок. Возникают слишком большие динамические усилия, которые способствуют как обрыву, так и отвороту. В таких скважинах износ резьбовых соединений происходит в разы быстрее, чем в вертикальных.
Профилактика отворотов насосных штанг
Предотвращение аварий всегда экономически выгоднее их ликвидации. Профилактические меры должны носить системный характер:
Экспресс-диагностика и мониторинг
Одним из важнейших шагов является внедрение систем экспресс-диагностики обрыва-отворота штанг на скважинах, оборудованных ШГН. Своевременное выявление изменений в динамограмме позволяет остановить станок-качалку до того, как произойдет полное развинчивание и падение колонны.
Контроль качества сборки
- Соблюдение момента свинчивания: Использование автоматических ключей с контролем крутящего момента исключает человеческий фактор.
- Очистка и смазка: Перед свинчиванием резьба должна быть тщательно очищена от механических примесей и смазана специальной резьбовой смазкой.
- Браковка: Штанги с изношенной, смятой или поврежденной резьбой должны быть безвозвратно удалены из колонны.
Оптимизация режима работы и конструкции колонны
- Применение центраторов (скребков-протекторов) для снижения трения штанг о НКТ в искривленных участках;
- Установка вращателей штанговой колонны для равномерного износа;
- Расчет и подбор веса штанг для обеспечения надежного хода плунжера вниз без «зависания»;
- Снижение динамических нагрузок за счет оптимизации длины хода и числа качаний.
Применение современных материалов и защит
Использование штанг с улучшенными механическими характеристиками, высокопрочных резьбовых соединений, а также надежных ЗДД (защитных устройств от довинчивания/отворота) существенно снижает риск аварий. В некоторых случаях оправдано применение штанг с левой резьбой в определенных интервалах для компенсации направления крутящего момента.
Отворот насосных штанг, это серьезная проблема, которая напрямую влияет на рентабельность нефтедобычи. Статистика показывает, что из 53 отказов на типовом фонде скважин, значительная часть приходится именно на износ резьбовых соединений и отвороты. Успешная борьба с этим явлением требует комплексного подхода: от строгого соблюдения технологии сборки на поверхности до глубокой диагностики и применения современных защитных устройств на забое. Только грамотная профилактика способна свести к минимуму потери от простоя скважин и затраты на ремонтные работы.