Городецкий Александр Степанович Директор ЗАО «ТД «МЗ»

Ануфриев Олег Николаевич Главный специалист ЗАО «ТД «МЗ»

О СОСТОЯНИИ Б/У НАСОСНЫХ ШТАНГ

По завершении определенного срока службы любого изделия из металла, работающего в условиях циклических и динамических нагрузок, наступает вероятность его обрыва по причине развития усталостных микротрещин — как невидимых внутренних, так и видимых наружных. И насосные штанги в этом отношении исключения не составляют.

На стендах для проверки ШН, настроенных на порог отбраковки, равный полю допуска на диаметр штанг, выявляются только явные трещины и поверхностные дефекты (рис. 2). Более мелкие поверхностные микротрещины, которые есть у всех б/у ШН, можно увидеть только при кратном увеличении (рис. 3). И чем дольше работает штанга в скважине, тем их больше.

Критерия отбраковки б/у ШН по микротрещинам не существует. В то же время любая микротрещина в ШН с большим сроком эксплуатации (более 5 лет) в процессе дальнейшего использования изделия может стать очагом развития трещины и обрыва штанги. Именно в этом заключается ответ на вопрос, почему спуск в скважину проверенных на дефектоскопе и признанных годными б/у штанг оборачивается незапланированными обрывами. Насосные штанги б/у, даже после проверки их на дефектоскопе не могут быть 100%-но годными: их поверхность покрыта микротрещинами и существует риск и их обрыва.

Вероятность обрывов ШН ежегодно возрастает и после 10 лет эксплуатации достигает 100%. В большинстве нефтяных компаний при анализе штангового фонда действует система светофора: 5-7 лет эксплуатации — зеленый свет, можно использовать, 7– 10 лет — желтый, внимание, и более 10 — лет-красный, использовать нельзя. При этом анализ используемого штангового фонда скважин НК России показывает, что доля насосных штанг, которые отработали более 10 лет и находятся в зоне «красного цвета», составляет 50-60% от общего числа.

ОБ УХУДШЕНИИ СТРУКТУРЫ НАСОСНОЙ ШТАНГ ПОД ВЛИЯНИЕМ КОРРОЗИОННОЙ СРЕДЫ

На насосные штанги, находящиеся в скважине, действуют следующие неблагоприятные факторы (рис. 4):

• Циклические знакопеременные нагрузки: напряжения изгиба, растяжения, кручения, сжатия и трения. Все эти виды нагрузок действуют на насосные штанги при работе их в скважине постоянно и в комплексе;
• Осложненные условия добычи нефти в скважине, связанные с искривленностью ствола скважины, наличием песка, асфальтосмолопарафиновых отложений (АСПО), высокого газового фактора, высокой температуры и давления;
• Наличие и постоянный рост коррозионной активности добываемой жидкости с присутствием в попутно добываемой воде ионов солей, щелочей, кислот, а также ионов водорода, который повышает хрупкость металла. Все эти элементы за годы эксплуатации ШН в скважине путем диффузии проникают во внутреннюю структуру металла и разрушают ее, вытесняя и замещая элементы на атомном и молекулярном уровне, понижают прочностные свойства штанги, ускоряя процесс старения металла.
• Находящиеся в скважине насосные штанги подвергаются следующим видам коррозии металла:
• Химическая или электрохимическая коррозия, протекающая в среде электролитов, которая всегда создается там, где присутствует жидкость и механически взаимодействуют между собой изделия из металла;
• Газовая коррозия, которая идет в металле, находящимся в газожидкостной смеси с повышенным газовым фактором. Процесс ускоряется и осложняется высокими температурами;
• Подземная коррозия, протекающая в пластовой жидкости в закрытом объеме под высоким давлением.

Все перечисленные виды коррозии воздействуют на насосную штангу в комплексе.

Дополнительно по виду воздействия комплексной агрессивной среды, принимающей участие в процессе разрушения структуры металла, различают:

• Коррозию в металле под напряжением (под нагрузкой) — растяжением, сжатием и т.д.;
• Коррозию при трении металла о металл (эрозию металла) (рис. 5).

Все эти перечисленные коррозионные условия работы насосных штанг в скважине в разы увеличивают скорость старения структуры металла и снижают параметры его надежности. Комплексное воздействие негативных нагрузок и условий эксплуатации на насосную штангу в скважине начинается на атомном и молекулярном уровне, а с годами и наработанными циклами визуально проявляется на поверхности штанги. Однако в большинстве случаев по внешнему виду поверхность б/у насосных штанг, если нет видимых эрозионных разъеданий поверхности, меняется не слишком заметно. В результате и создается иллюзия ее 100%-ной годности.

О РЕМОНТЕ Б/У ШНВ ЗА ВОДСКИХ УСЛОВИЯХ

Несмотря на отсутствие даже в зарубежной практике создания из старых насосных штанг новых, в России по согласованию с нефтяными компаниями течение последних 5-6 лет такие виды ремонта ШН в заводских условиях появились и проводятся.

В частности, это ремонт с отрезкой головок штанг. При таком ремонте штанг головки штанг отрезаются и на «старом теле» штанги, выковываются новые (рис. 6). При этом размер штанг уменьшается с 8000 мм до 7800 мм. ОАО «Мотовилихинские заводы» всегда выступало против ремонта ШН с отрезкой головок штанг по целому ряду причин.

Во-первых, при ремонте штанг с отрезкой головок усталостные микротрещины на теле штанги и старение металла с элементами коррозии и его диффузии после эксплуатации в скважине никуда не исчезают. Полный цикл термообработки (нормализация, отпуск) на таких штангах провести невозможно, так как режимы термообработки для разных марок сталей разные, и какой вид термообработки проводить на «обезличенных» штангах после отрезки головки штанги, никто не знает. Поэтому на всех таких штангах усредненно проводится отпуск. Какие свойства у этих штанг после этого получились, какая структура зерна в зоне высадки новой головки — неизвестно. При отпуске насосных штанг снимаются только напряжения, а прочностные свойства не задаются. По этой причине нет гарантий надежности таких штанг.

Во-вторых, свойства у этих ремонтных штанг получаются разные, а чтобы понять какие они, надо исследовать механические свойства каждой штанги, порезав ее на образцы. При серийном производстве в печь идут штанги одной марки и одной плавки. Поэтому, изрезав на образцы штангу, вышедшую из печи с заданными температурными режимами, в начале термообработки и в конце, можно по положительным результатам исследования металлургической лаборатории дать заключение о годности по механическим свойствам всей партии (500-1000) штанг.

В-третьих, «гибридные штанги» с новой головкой со старым телом получаются с разными прочностными характеристиками, в результате чего колонны в скважинах получаются не равнопрочными, с разными приведенными напряжениями, что значительно повышает риск обрывов штанг в скважине и увеличивает стоимость этого ремонта.

Второй вид ремонта — ремонт б/у ШН калибровкой. Старая б/у штанга, после отрезки головки штанги (также происходит обезличивание штанги, так как срезается заводская маркировка штанги) перекатывается с диаметра 22 м на 19 мм. Новой штанги при этом также не получается. Вышеперечисленные проблемы с диффузией, коррозией и старением металла, которые были накоплены в структуре старой штанги за годы ее эксплуатации в условиях агрессивной среды скважины, «закатываются» при этом виде ремонта внутрь новой гибридной штанги и остаются там, чтобы при нагрузках, быть очагом развития трещин и обрывов.

Давать гарантию гибридным штангам с непонятными свойствами, полученным при таких видах ремонта, и в качестве которых специалисты завода не уверены — не в принципах «Мотовилихи». Поэтому, несмотря на неоднократные просьбы от НК, такие виды ремонта насосных штанг на заводе не проводятся.

СООТНОШЕНИЕ ЗАТРАТ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ Б/У ШТАНГ И ПОКУПКЕ НОВЫХ

Бесспорно, на первый взгляд, при повторном использовании старого фонда б/у насосных штанг вновь, получается существенная экономия средств. Однако при этом мы забываем о том, что получил Потребитель (НГДУ)? А получил он следующее:

Насосные штанги с новой высаженной головкой со старыми проблемами по структуре тела штанги, накопленными в процессе предыдущей эксплуатации, и с непонятными прочностными свойствами. На выходе получена обезличенная штанга, где исчезло клеймение плавки металла . Из какой марки стали сделана штанга — неизвестно. Клеймится эта ШН буквой Р — «ремонтная» (рис. 7).

Вероятность обрывов гибридных штанг в несколько раз больше, чем у новых. Обрывы таких штанг в скважине ведут к незапланированным затратам, которые складывается из стоимости работ бригады КРС (150-200 тыс. руб.) и стоимости простоя скважины (1-2 недели упущенной выгоды). В итоге получается, что все расходы НК на такой ремонт старых насосных штанг с транспортировкой штанг к месту ремонта и обратно в НГДУ и дополнительные затраты, связанные с обрывностью в скважинах, соизмеримы с затратами на покупку колонны новых штанг.

Расчеты в таких используемых нефтяниками программных комплексах для подбора колонн на промыслах, как «Автотехнолог» (РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина), «НАСОС» (БашНИПИнефть) и др., для этих ШН будут вестись «интуитивно». Для гибридных насосных штанг с разными прочностными свойствами невозможно правильно задать характеристики, поскольку их прочностные показатели неизвестны. И это также приводит к значительному увеличению обрывности колонн.

Опыт использования б/у штанг в НК «ТНК-ВР», «Татнефть», «Удмуртнефть», «ЛУКОЙЛ» позволяет судить об очень коротком жизненном цикле ремонтных ШН по сравнению с новой штангой. Специалисты этих НК идут на ремонт ШН по одной причине — в силу необходимости осваивать деньги выделенные, на дефектацию и текущий ремонт штанг, хотя это экономически не целесообразно.

В результате таких ремонтов, в погоне за низкой ценой ремонтной штанги по сравнению с новой, Потребитель получает не то, что ему нужно на самом деле. Если эти методы ремонта штанг по восстановлению их прочностных параметров — правильные, то почему они не используются в мировой практике? За рубежом старое оборудование сдается в металлолом для переплавки, а Потребителю возвращается новое оборудование, годное по всем показателям.

ВЫВОДЫ

Косметические ремонты б/у ШН с отрезкой головки штанг и методом калибровки штанг с большего диаметра на меньший, а также правка штанг растяжением в условиях НГДУ на поверочных стендах, не устраняют ни усталость, ни старение металла. Потребитель, получая продукцию после таких ремонтов и проверок, гарантий по работе такого «нового» оборудования не получает, а получает проблемы и риски.

«Мотовилиха» предлагает свое решение проблемы по использованию б/у насосных штанг. ЗАО «ТД «МЗ» проводит ремонт штанг с заменой б/у ШН на новые. То есть старые насосные штанги, привозимые на завод, бракуются на 100% по цене металлолома и обмениваются на такое же количество новых штанг по меньшей стоимости (за вычетом стоимости металлолома). Металлолом идет на дальнейшую переплавку.

Устранить дефектность, усталость, старение металла, накопленные годами, в результате вышеперечисленных воздействий, можно только одним методом — переплавкой металла, получением нового проката и ковкой новой насосной штанги. Только в этом случае восстанавливаются все прочностные свойства металла и из него можно получить прокат для штанг со всеми гарантийными и ресурсными показателями. Другого способа из старых отработанных штанг создать новые не существует. Ранее в НК существовала практика, когда насосные штанги после 5-7 лет эксплуатации и 2-3 «полетов» штанг в скважине браковались и заменялись новыми. И эта практика была правильной. Если этого не делать, то вероятность обрывов насосных штанг в скважине будет стремительно расти.

Для получения нового проката на ОАО «Мотовилихинские заводы» используется следующая технология. Выплавка металла для штангового проката производится в электропечи по передовым технологиям, которые включают продувку инертными газами, раскисление синтетическими шлаками, разливку непрерывным способом (рис. 8). Скоростной экспресс-анализ металла в процессе выплавки и доводки стали в печи-ковше позволяет оперативно контролировать химический состав расплава, выплавлять сталь суженного химического состава с пониженным содержанием неметаллических включений и растворенных газов.

Один из вариантов обмена штанг предполагает доставку б/у штанги с нефтепромыслов автотранспортом. Далее б/у штанга сдается на металлолом, а в штанговом цехе взамен грузится новая штанга (рис. 9).

По такой схеме ЗАО «ТД МЗ» несколько лет работает с дочерними компаниями «ЛУКОЙЛа» и ООО «Башнефть-добыча». Эта схема позволила НК избавиться от металлолома, и взамен получить новые штанги со всеми гарантиями.