腐蚀油井抽油杆杆柱组配方法研究

2018-09-10 08:13孙喆
大东方 2018年4期
关键词:古德曼杆柱油杆

孙喆

摘 要:目前采油厂杆断躺井居高不下(42井次/月),成为制约躺井的最主要因素。本文对现场影响最严重的抽油杆腐蚀疲劳断裂进行了分析,发现目前杆柱设计、校核方法在腐蚀油井已经明显不适应,为此提出了新的设计、校核办法,并在现场试验应用了25口井,效果良好。

关键词:抽油杆杆柱组配;抽油杆腐蚀疲劳;断裂韧度;抽油杆杆柱等寿命匹配原则

一、目前杆柱设计方法评价

(1)古德曼校核方法的原理

古德曼假设:1)、用A3C古德曼直线代替A3dC材料实际疲劳极限曲线;2)、对称循环疲劳极限等于材料抗拉强度的三分之一(抗拉强度取下限);3)、假设抽油杆是无缺陷。

基于上面的三条假设,古德曼校核图版是一个偏于安全的疲劳评价办法,更多的是抽油杆杆柱设计的一个必要条件,而非一个充分条件。

抽油杆校核公式:

a、最大许用负荷据改进的古德曼应力图公式:

PA=(a·T·F+b·Pmin)· SF,(N)

SF—使用系数(宁海、胜坨油田油层矿化水为盐水,D级杆和高强度El级杆为O.9,C级杆为0.65)

b、抽油杆应力范围百分数:

w=(Pmax-Pmin)/(PA-Pmin)X100%≤100%

只要满足应力范围<100%,即认为抽油杆杆柱是可靠地,可以循环107。但这是一种理想环境下的校核,实际生产中抽油杆会因为各种原因存在缺陷,而且在复杂的腐蚀工况下抽油杆寿命也明显偏短。

(2)胜利采油厂抽油杆失效的特点

1)抽油杆失效与应力大小存在明显关系,应力范围大于60%后,杆断失效概率明显增加。

2)腐蚀工况下,低应力断裂问题

2012年抽油杆大调查:全部358口井中,有腐蚀描述的共211口井,占58.9%,大调查的数据证明,胜利采油厂抽油杆腐蚀现象普遍存在。而腐蚀断裂,主要变现为一种低应力断裂。

以ST3-5-144油井为例。抽油杆组合:25mm*1178.94m,机型:R16-7.3-37HF(900),理论最大负荷:88.1KN,理论最小负荷:43.62KN,理论应力范围:64.47%,最大负荷差:7KN,最小负荷差:-11.4KN,实际应力范围:64.46%。

该井抽油杆为2013年大修杆,使用319天后断裂,形貌为典型的腐蚀疲劳断裂。

该井67根本体上部断裂,断裂处的最大负荷=44.527+24.46=68.987KN;名义应力σ =136.23MPa;D级杆抗的拉强度793MPa;断裂处应力为抗拉强度的17%;

D级杆的疲劳强度264MPa;断裂处应力为疲劳强度的51.5%;失效时的循环次数9X105。

失效表现为:1、远低于设计寿命;2、低应力失效;3、应力集中处断(腐蚀坑)。

(3)传统疲劳设计的不适应性

第二次世界大战时,美国近五千艘全焊接自由轮,发生过一千多起脆性破坏事故。其中238艘完全报废。当时大量研究工作都以传统的力学性能指标为依据,采用了足够大的安全系数,但依然不能解决问题。

这些事故和采油厂抽油杆失效存在共同的特点:1)、设计时采用了较大的安全系数,依然脆断严重;2)、脆断处宏观应力小于材料的屈服强度;3)、脆断从应力集中处开始,特别是缺口和裂纹;4)、厚截面、高变形速度,易引起脆断。

二、腐蚀油井抽油杆设计、校核办法研究

(1)断裂力学基本观点

观点一:抗裂纹发育的能力是由材料本身决定的。断裂韧度是材料的一种崭新力学性能,它反映了材料抵抗裂纹开裂扩展的能力,是由材料本身决定的。

观点二:裂纹扩展是由于缺陷引起的,且存在门槛值。当裂纹尖端应力强度大于ΔKth时,裂纹开始发育。相同应力下,材料的ΔKth的大小决定了允许存在腐蚀坑的大小。

观点三:抽油杆的寿命主要受腐蚀坑产生的时间影响。当裂纹尖端应力强度大于ΔKth时,裂纹开始发育,一旦裂纹发育,裂纹发育速率是原先的100倍以上。

裂纹扩展时间一般在几个月,因此抽油杆的寿命主要取决于腐蚀坑产生的时间。

(2)腐蚀油井杆柱校核及组配办法研究

描述裂纹尖端应力场强弱的力学参数量称为应力强度因子K1。

σ:名义应力

Y1:正则系数,无量纲

a:裂纹尺寸

当裂纹增加到一定尺寸或名义应力达到一定水平时,裂纹就会起裂并失稳扩展。

裂纹起裂扩展时的K1值完全由材料性质决定的常数,记为K1c,即:断裂韧度。

根据该理论:正常油井生产时,必须满足K1当材料一定时,K1c的大小是确定不变的。1)、应力越大,允许存在腐蚀坑就越小;2)、腐蚀坑越大,允许存在的应力就越小。

抽油杆杆柱上、下部分,腐蚀工况的不同造成上、下部分寿命的不同。

以ST2-4C310油井为例。

该井下行阻力25.2KN,上部和下部最大负荷相差58.11KN。最上端应力144.7MPa,最下端应力39.2MPa。

a上/a下=39.22/144.72=1/13.6。

即下端腐蚀速率是上端的13.6倍时,上、下端寿命相等。实际情况,下端腐蚀速率远远高于上端腐蚀速率。

由22mm加粗到25mm后,应力降低,允许腐蚀坑增大1.7倍,寿命增加570天。因此,为实现上下寿命匹配,腐蚀油井下部抽油杆应该加大尺寸。

三、抽油杆降应力试验情况

(1)降低抽油杆使用应力

由25mm增大到28mm后抽油杆应力范围降低20%左右。通过增大抽油杆直径可以有效降低应力范围。

(2)提高抽油杆抗腐蚀能力

KH级抽油杆性能:KH级抽油杆的技术指标,即:在力学性能上要满足H级抽油杆的要求,在耐腐蝕性上满足K级抽油杆的水平要求。针对胜利采油厂井况,选择了KH高强度防腐杆进行试验。KH高强度防腐杆主要是调高了Ni的含量到1.65-2.0%,有效提高其抗腐蚀性能。

(3)降应力试验效果评价

目前,KH杆在井应用25口,以大泵应用为主。目前最长在井292天,效果继续观察中。

以ST2-6-295为例。自2010-9-6改83泵以来,已经杆断14井次,平均杆断周期101天。改用28mm杆后,应力范围明显下降,目前有效期达到230天。

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