Эксплуатация наклонно направленных и пространственно искривленных скважин сопряжена с рядом серьезных технических вызовов. Одной из наиболее острых проблем является преждевременный отказ штанговых скважинных насосных установок (ШСНУ), в частности — отвороты и обрывы насосных штанг. Статистика неумолима: число отказов насосных штанг в наклонно-направленных скважинах в 1.5 раза больше, чем в вертикальных или незначительно искривленных. При этом эксплуатационная надежность работы штанговых колонн в таких условиях на 10-15% ниже по общему фонду и может достигать кратных значений в разрезе групп однотипных скважин.
Причины возникновения отворотов штанг
Проблема отворотов штанг имеет комплексный характер и обусловлена несколькими ключевыми факторами, которые особенно ярко проявляются в искривленных скважинах:
- Пространственный профиль ствола скважины. В искривленных и спиралевидных скважинах неизбежно возникает крутящий момент. Для того чтобы произошел отворот штанг, наличие крутящего момента является обязательным условием. Именно пространственный изгиб ствола служит фактором, провоцирующим скручивание колонны.
- Изгибающие напряжения. Значение напряжений от изгиба насосных штанг в искривленных скважинах сопоставимо со значением напряжений от растяжения. Это создает критические нагрузки в резьбовых соединениях.
- Интенсивное истирание. При большой кривизне ствола наблюдается интенсивное трение штанг о насосно-компрессорные трубы (НКТ). Это приводит к истиранию вплоть до образования длинных щелей в трубах, а также к одностороннему износу муфт и штанг, что ослабляет соединения.
- Высокая обводненность продукции. Увеличение средней обводненности продукции скважин (особенно актуально для Западной Сибири) существенно усиливает коррозионные процессы и увеличивает нагрузки, действующие на колонну штанг.
- Наличие абразивных частиц. В пескопроявляющих скважинах абразив ускоряет износ резьбовых соединений, снижая их способность противостоять крутящим моментам.
Методы предотвращения отворотов и обрывов
Поскольку предотвращение напряжений от изгиба ведет к снижению частоты обрыва штанг, создание благоприятных условий работы ШГН напрямую влияет на увеличение времени наработки оборудования на отказ. На сегодняшний день разработан и успешно применяется целый комплекс мероприятий.
Применение шарнирных соединений
Одним из наиболее эффективных решений является разработка и внедрение конструкций шарнирных соединений для штанг. Такие узлы соединения штанги с муфтой выступают в роли компенсатора упругих деформаций, возникающих при кручении и изгибе штанг. Шарнир позволяет снизить концентрацию напряжений в наиболее уязвимых местах колонны, предотвращая отворот штанг в наклонных и спиралевидных скважинах;
Использование штанговращателей
Для борьбы с односторонним истиранием штанг, муфт и плунжера активно применяются штанговращатели. Их задача — обеспечивать медленное проворачивание колонны штанг и плунжера на выворот при каждом ходе головки балансира.
Современные скважинные штанговые насосные установки оснащаются усовершенствованными штанговращателями, которые:
- Увеличивают срок службы самого механизма за счет обеспечения его плавной работы на всей длине хода балансира.
- Исключают скручивание троса подвески при любых условиях эксплуатации, включая порывистый ветер и работу в сильно искривленных скважинах.
Уточнение методик расчета и подбора штанговых колонн
Повышение эффективности эксплуатации СШНУ невозможно без научного подхода к проектированию колонны. Уточненные методики расчета учитывают:
- Закономерности трения и изнашивания подземного оборудования в скважинах с интенсивным искривлением ствола.
- Влияние обводненности продукции и содержания в ней абразивных частиц.
- Особенности напряженно-деформированного состояния штанговой колонны в конкретном пространственном профиле.
Защита НКТ и штанг в пескопроявляющих скважинах
При эксплуатации пескопроявляющих скважин в сочетании с большой кривизной применяются специализированные установки и защитные оснастки. Использование пластинчатых скребков-протекторов в комплексе со штанговращателями позволяет не только очищать трубы от песка, но и равномерно распределять износ по окружности штанги и муфты, исключая образование щелей в НКТ и локальное ослабление металла.
Отказы УШСН, включающие обрывы и отвороты насосных труб и штанг, наносят значительный экономический ущерб нефтедобывающим компаниям из-за необходимости частых ремонтов (ТКРС). Проблема требует интегрированного подхода: от точного расчета напряженно-деформированного состояния колонны до применения современных технических решений, таких как шарнирные компенсаторы и усовершенствованные штанговращатели. Только комплексный учет кривизны ствола, коррозионных факторов и абразивного износа позволяет существенно повысить наработку на отказ и обеспечить стабильную добычу в часто ремонтируемых наклонно направленных скважинах.