РОЗДІЛ 2
МЕТОДИКА ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ
У відповідності з викладеною постановкою задачі досліджень мета роботи полягає у підвищенні ресурсу колони насосних штанг при видобутку парафінистих нафт. Тому в експериментальних дослідженнях розглядаються питання пов'язані довговічністю елементів штангової колони, обладнаної склопластиковими штангами з скребками-протекторами, важким низом з сталевих штанг, штангообертачем у специфічних умовах експлуатації при видобутку високопарафінистих нафт: шар СПУ на штангах, статичні перевантаження, навантаження стиску і згину.
2.1. Стенди і зразки для дослідження статичного і втомного руйнування насосних штанг
Для визначення роботоздатності склопластикових насосних штанг в умовах дії навантажень згину використана методика натурних випробувань на втому. В її основу покладено випробування спеціального зразка довжиною 395 мм (рис. 2.1), який складається з головки (рис. 2.2) та тіла склопластикової насосної штанги. Зразки навантажують циклічним консольним згином у корозійному середовищі і визначають характеристики втоми на основі побудованої кривої втоми (залежності числа циклів навантаження до руйнування від амплітуди циклічних напружень). Розраховувались також характеристики розсіювання витривалості насосних штанг [32]. Отримані дані використовують для порівняння міцності полімерних штанг у різних середовищах, а також зі сталевими штангами.
Склад матеріалу тіла штанг наступний: ровінг із скляних ниток (ГОСТ 17139-79), смола епоксидна ЕД-20 (ГОСТ 10587-84), отверджувач - ангідрид ізо-метилтетрагідрофталевої кислоти /ізо-МТГФА/ (ТУ 6-02-594-80), поліетиленполіамін /ПЕПА/ (ТУ 6-02-594-80). Механічні властивості матеріалу тіла штанг вказані в таблиці 1.8. Матеріал головки штанги - сталь 20Н2М після нормалізації.
В якості робочого середовища використовували пластову воду зі свердловини НГВУ "Долинанафтогаз": мінералізація 106596 мг/л, рН 7,08; аніони (в мг/л) - 63968 Cl-1, 207 SO4-2, 293 HCO3-1, решта - CO3-2; катіони (в мг/л) - 37512 (К++Na+1, 4008 Ca+2, 608 Mg+2, 50 Fe) та нафту з 10% розчином соляної кислоти.
Зразки випробували на установці ЗКШ-25 [4], принципова схема якої приведена на рис. 2.3.
Рис. 2.1. Ескіз зразка для випробування на втомну міцність склопластикових насосних штанг
Рис. 2.2. Конструкція головки склопластикової штанги ?22 мм
Рис. 2.3. Схема установки для втомних випробувань насосних штанг при циклічному згині
Установка змонтована на рамі 1. В стійках 2 на підшипниках розміщено вал 3, який через муфту 4 з'єднується з електродвигуном 5. До електродвигуна приєднано лічильник обертів 6. Зразок 7 через перехідну муфту 8 з'єднується з валом 3. За допомогою осі 9 і підшипника 11 зразок навантажується вантажем 10. Робоче середовище розміщується в камері 12. Для зменшення вібрації установка розміщена на подушках 13. В момент злому зразка електродвигун автоматично вимикається за допомогою вимикача.
Установка забезпечує проведення досліджень на корозійну втому насосних штанг діаметром 16, 19, 22, 25 мм при частоті навантаження 15,2 Гц.
Для випробування на статичний розтяг і статичний стиск використовувались установка МР-50, випробувальний прес та прилади для контролю деформацій. Ескізи зразків для випробування тіла склопластикової штанги на статичний розтяг показані на рис. 2.4. Зразки вирізались з тіла нової та уживаної склопластикової штанги, яка відпрацювала в свердловині два роки. Зразок для випробування на статичний розтяг з'єднання головки насосної штанги зі склопластиковим тілом діаметром 22 мм показаний на рис. 2.1, а з тілом діаметром 9 мм - на рис. 2.5.
Рис. 2.4. Ескізи зразків для випробування тіла склопластикової штанги на статичний розтяг
Рис. 2.5. Ескіз зразка для випробування з'єднання головки насосної штанги зі склопластиковим тілом на статичний розтяг
З'єднання головки склопластикової штанги з тілом здійснювали на пресі з точністю вимірювання переміщення штампа 0,1 мм.
2.2. Методика визначення тріщиностійкості сталей для насосних штанг
Для визначення характеристик тріщиностійкості сталей для насосних штанг використовувалась методика [74]. Випробування проводились на зразках зі сталі 20Н2М, вирізаних з насосних штанг (рис. 2.6) (l=100 мм, b=10 мм, t=4 мм). Зразки навантажувались консольним згином з частотою 24,2 Гц при температурі 20?С у повітрі та 3% розчині NaCl. При відношенні довжини робочої частини зразка 2Y до його ширини b рівній 1,6 і довжині тріщини 0,2b
де G - модуль зсуву, Па;
? - кут повороту пластини, рад.
На рис. 2.7 показано схему установки УРТ-1 для визначення тріщиностійкості сталей для насосних штанг. Установка складається з корпусу 2, встановленого на гумовий лист 1. На валу електродвигуна 3 встановлено кривошип 6 з втулкою 4, поворотом якої відносно ексцентрика можна регулювати величину ексцентриситету (амплітуду деформації) від 0 до 4 мм. Величину ексцентриситету встановлюють за допомогою індикатора 10. Кривошип через шарнір з'єднується з планшайбою 9, яка обертається на валу, розташованому на підшипниках у вузлі 7. Зразок 8 закріплюється нерухомо при мінімальних показах індикатора за допомогою затискачів 12. Зразок поміщено у камеру 11, здатну переміщуватись вздовж зразка. Кількість циклів навантаження визначають за допомогою лічильника 5. Спостереження за тріщиною в процесі її росту ведеться за допомогою мікроскопу МПБ-2. Точність вимірювання довжини тріщини 0,05 мм.
Для визначення залежності швидкості росту тріщини від амплітуди коефіцієнта інтенсивності напружень в зразку вирощувалась тріщина довжиною 0,5 мм.
Рис. 2.6. Зразок для визначення характеристик тріщиностійкості
Рис. 2.7. Схема установки УРТ-1 для визначення тріщиностійкості сталей
Далі, при амплітуді навантаження, яка відповідає амплітуді КІН 19,5 МПа?м1/2, реєструвалася кількість циклів на