В процессе эксплуатации нефтяных и газовых скважин, оборудованных штанговыми глубинными насосами (ШГН), одной из наиболее частых и критических проблем является отворот насосных штанг. Эта авария приводит к остановке добычи, необходимости проведения сложных и дорогостоящих подземных ремонтов (ПРС) и снижению ресурса скважинного оборудования. Несмотря на то, что отвороты могут возникать по ряду причин (усталостное разрушение резьбы, некачественное свинчивание, коррозия), одним из главных и наиболее коварных факторов является кривизна скважины.
Физика процесса: как кривизна приводит к отворотам
В идеально вертикальной скважине штанговая колонна подвергается преимущественно осевым растягивающим нагрузкам от собственного веса и веса жидкости. Однако в искривленных скважинах, а также в скважинах с пространственным искривлением ствола, картина кардинально меняется.
При прохождении участков набора кривизны (зенитного угла) или азимутального искривления колонна штанг изгибается. В результате возникают следующие негативные факторы:
- Изгибающие моменты: В местах перегиба ствола скважины штанги испытывают поперечные изгибающие нагрузки. Резьбовое соединение, будучи наиболее слабым звеном колонны, концентрирует в себе эти напряжения.
- Знакопеременные нагрузки: При ходе штанговой колонны вверх и вниз происходит так называемый «переклюв» — смена зоны растяжения и сжатия в изогнутом участке. Это создает циклические знакопеременные напряжения, которые многократно ускоряют усталость металла резьбы.
- Силы трения: Из-за прижатия штанг к стенкам обсадной колонны на участках искривления возникают значительные силы трения. Они не только увеличивают осевую нагрузку, но и создают крутящий момент, стремящийся раскрутить соединение.
Механизм самопроизвольного отворота
Отворот штанги — это не просто «откручивание» от вибрации, а сложный механический процесс, спровоцированный кривизной; Он развивается в следующей последовательности:
- Концентрация напряжений: В резьбовом соединении на участке набора кривизны напряжения распределяются неравномерно. Первые витки резьбы (ближе к муфте) перегружаются.
- Микроподвижки (fretting): Под действием знакопеременных изгибающих нагрузок витки резьбы совершают микроскопические перемещения относительно друг друга. Это разрушает смазку и оксидную пленку, приводя к истиранию и схватыванию металла.
- Снижение натяга: Из-за износа и пластических деформаций витков резьбы усилие предварительной затяжки (натяг) падает.
- Раскручивание: Как только сила трения в резьбе падает ниже критического уровня, крутящий момент от сил трения штанг о трубы при их движении, а также крутильные колебания, возникающие при посадке плунжера, приводят к постепенному повороту ниппеля относительно муфты и полному отвороту;
Особенности влияния профиля скважины
Участки набора кривизны (Зенот)
Здесь отвороты наиболее вероятны. Интенсивность искривления (градусы на 10 или 100 метров) напрямую коррелирует с риском аварии. Чем выше темп набора угла, тем сильнее изгиб штанг и тем быстрее произойдет усталостное разрушение и ослабление резьбы.
Участки стабилизации (горизонтальные участки)
На пологих и горизонтальных участках штанги лежат на нижней стенке НКТ. Отвороты здесь происходят реже, но возможны из-за сильного продольного изгиба нижней части колонны (особенно в режиме сжатия при ходе вниз) и сильного абразивного износа.
Пространственное искривление (Азимут)
Если скважина не просто уходит вниз, но и «крутится» в пространстве, штанговая колонна работает на скручивание. Это создает дополнительные касательные напряжения в резьбовых соединениях, работающие на отворот.
Методы предотвращения отворотов штанг в искривленных скважинах
Борьба с отворотами требует комплексного подхода, начиная от проектирования профиля скважины и заканчивая правильным подбором оборудования.
- Применение штанг с высаженными концами (ВК): Такие штанги имеют увеличенный диаметр тела в месте перехода к резьбе, что значительно повышает их усталостную прочность на изгиб.
- Использование центраторов (скребков-протекторов): Установка центраторов на штанги в местах искривления снижает силы трения о трубы и предотвращает локальный изгиб штанги, распределяя нагрузку на большую длину.
- Применение роторных (вертлюжных) штанг: В скважинах с высокой кривизной и сильным пространственным искривлением использование штанг, способных проворачиваться вокруг своей оси без закручивания всей колонны, радикально снижает риск отворотов.
- Жесткое соблюдение технологии свинчивания: В условиях кривизны любой недозатянутый элемент выкрутится в первые же часы работы. Необходимо использование автоматических ключей со строгим контролем момента свинчивания.
- Использование качественных резьбовых смазок: Специальные смазки с цинковым или свинцовым наполнителем предотвращают схватывание металла и снижают коэффициент трения в резьбе, обеспечивая надежный натяг.
- Оптимизация режима откачки: Снижение скорости движения штанговой колонны (числа качаний и длины хода) уменьшает инерционные нагрузки и силы трения на участках перегиба.
Кривизна скважины — это агрессивная среда для работы штанговой колонны. Изгибающие, знакопеременные и крутильные нагрузки, возникающие на участках искривления ствола, неизбежно ведут к снижению несущей способности резьбовых соединений и их самопроизвольному отвороту. Понимание физики этого процесса позволяет специалистам нефтегазовой отрасли применять превентивные меры: от установки центраторов и использования штанг с высаженными концами до жесткого контроля момента свинчивания. Только индивидуальный подход к конструкции колонны с учетом профиля каждой конкретной скважины способен минимизировать риски и обеспечить безаварийную эксплуатацию фонда.