Моделирование и оптимизация процесса восстановления насосных штанг

2
Оглавление
Введение........................................................ 5
1. Техническая постановка задачи восстановлении насосных штанг.............................................................. 10
1.1. Условия эксплуатации насосных штанг и основные требования к
их работоспособности............................................... 10
1.2. Факторы, влияющие на коррозионно-усталостную прочность насосных штанг..................................................... 17
1.2.1. Деформационное упрочнение................................... 19
1.2.2. Накопление повреждённое™ за счёт пластической деформации 22
1.2.3. Остаточные напряжения....................................... 24
1.3. Способы повышения коррозионно-усталостной прочности 28
1.3.1. Обкатка роликами............................................ 28
1.3.2. Дробеструйная обработка..................................... 32
1.3.3. Закалка токами высокой частоты (ТВЧ)........................ 33
1.3.4. Пластическое скручивание.................................... 36
1.4. Техническая постановка задачи совершенствования системы управления процессом восстановления насосных штанг в условиях неопределенности................................................... 40
1.5. Выводы........................................................ 47
2. Экспериментальное исследование случайного характера распределения кривизны и упругопластнческих свойств материала штанги................................................... 50
2.1. Измерение кривизны штанг после эксплуатации .................. 56
2.2. Исследование упругопластических свойств материала штанг после эксплуатации................................................. 62
3
2.2.1. Методика определения упругопластических свойств материала путём измерения твёрдости............................................ 62
2.2.2. Способы измерения твердости............................... 64
2.2.3. Испытание на растяжение................................... 70
2.2.4. Связь между твёрдостью и характеристиками механических свойств.............................................................. 74
2.2.5. Исследование твёрдости материала штанг после эксплуатации.. 80
2.3. Исследование продольных и сдвиговых деформаций штанг в процессе восстановления.............................................. 84
2.4. Статистическая обработка экспериментальных данных........... 95
2.4.1.Теоретические основы статистической обработки
экспериментальных данных......................................... 95
2.4.2. Статистическое исследование измерений..................... 101
2.5. Выводы......................................................... 118
3. Математическое моделирование процесса восстановлении штанги с учётом неоднородною распределения уиругопластнческнх свойств материала................................ 119
3.1. Общая постановка задачи упругопластического деформирования штанги.............................................................. 119
3.2. Упрощенная модель растяжения и кручения шганш.................. 125
3.3. Проверка адекватности модели и анализ результатов.............. 135
3.4. Выводы......................................................... 157
4. Оптимизация и совершенствование системы управлении процессом восстановлении насосных штанг............................. 158
4.1. Техническая постановка задачи стохастической оптимизации процесса восстановления насосных штанг.............................. 158
4.2. Математическая постановка задачи стохастической оптимизации 163
4.3. Алгоритм решения задачи стохастической оптимизации............. 172
4
4.4. Анализ результатов......................................... 174
4.5. Схема адаптивного управления процессом восстановления насосных штанг.................................................. 183
4.6. Выводы....................................................... 191
Заключение........................................................ 192
Библиографии.................................................... 193
5
Введение
В настоящее время эксплуатационные службы нефтедобывающих предприятий веб больше внимания уделяют поиску современных технологий восстановления подземного оборудования, особенно насосных штанг.
Наиболее распространенным способом добычи нефти в нашей стране является эксплуатация нефтяных скважин с использованием скважинных штанговых насосных установок (СШНУ) [1, 8, 42, 51, 75, 78).
Число скважин, оборудованных СШНУ. на территории России превышает 70 тыс. Отбор нефти штанговыми насосами применяется на глубинах до 3500 м и среди других способов оказывается более рентабельным.
Современные установки работают при неблагоприятных условиях внешней среды и подвергаются воздействию высоких статических и динамических нагрузок. Одним из наименее надежных элементов насосной установки считается штанговая колонна, представляющая собой, последовательность насосных штанг, скрепленных резьбовыми соединениями посредством соединительных муфт. При эксплуатации скважин аварии, связанные с колонной штанг являются причиной около 40% от общего числа ремонтов подземного оборудования (8).
После планового или аварийного ремонта отработавшие штанга заменяются на новые. При этом старые штанги отправляются в переплавку или выбрасываются.
За прошедшие годы на складах, базах и рядом с месторождениями скопилось большое количество штанг, бывших в эксплуатации, что является еще одним источником экологической опасности в и без того неблагополучных регионах. Вторичное использование штанг позволило бы значительно снизить затраты на добычу нефти и практически решить проблему утилизации. Поэтому разработка технологии восстановления работоспособности бывших в
6
эксплуатации насосных штанг является важной и актуальной проблемой современной нефтедобывающей промышленности России.
Существующая на сегодняшний день технология восстановления, разработанная на одном из предприятий ОАО “Мотовилихинские заводы” совместно с ОАО “ПермНИПИнефть”, позволяет одновременно править и упрочнять тело насосной штанги, бывшей в эксплуатации. Процесс восстановления предполагает продольную пластическую деформацию насосной штанги до определённой величины, а затем кручение штанги, находящейся в напряжённом состоянии. Частично в результате этого происходит правка штанги, а также деформационное упрочнение материала и выравнивание первоначально неоднородных пластических свойств по длине штанги. Но главное, в результате кручения происходит формирование благоприятного поля остаточных напряжений, существенно повышающих прочность штанги как конструкции. Назначение параметров процесса правки и упрочнения экспериментальным путём сопряжено с рядом трудностей, связанных с различием применяемых материалов, видов термической обработки, размеров насосных штанг и разбросом механических свойств по длине штанг.
Кроме того, необходимо учитывать, что существенное влияние на работоспособность насосных штанг в условиях циклического нагружения и воздействия коррозионной среды оказывают остаточные напряжения, возникающие после восстановления. В свою очередь, остаточные напряжения зависят от режимов восстановления и упругопластических свойств материала штанга.
Таким образом, целями настоящей работы являются построение математической модели упругопластического деформирования насосных штанг в процессе воссстаиовления и совершенствование системы управления процессом с учётом неоднородного случайного распределения начальных свойств по длине.
7
Исходя из поставленных целей, можно сформулировать следующие задачи исследования:
1) установление основных факторов, влияющих на рабочие характеристики насосной штанги, и способов повышения прочности;
2) исследование влияния начальных свойств насосных штанг на процесс их восстановления;
3) математическое моделирование сложного упругопластического деформирования неоднородного длинномерного стержня;
4) оптимизация процесса восстановления насосных штанг;
5) совершенствование системы управления процессом восстановления насосных штанг, бывших в эксплуатации.
При решении поставленых задач были получены результаты, составляющие научную новизну работы:
- определены законы случайного распределения характеристик начальных свойств по длине для трёх групп насосных штанг;
- разработана математическая модель сложного упругопластического деформирования длинномерного стержня с учётом начальной неоднородности пластических свойств материала и истории нагружения;
- поставлена и решена задача стохастической оптимизации процесса восстановления для группы штанг;
Практическая ценность работы заключается в следующем:
- разработана математическая модель процесса восстановления, позволяющая исследовать влияние параметров процесса на прочностные свойства штанга;
- по результатам исследований получены оптимальные параметры процесса восстановления для трёх наиболее распространённых групп насосных штанг;
8
- модернизированная система управления процессом восстановления насосных штанг проходит апробацию на одном из Комплексов правки, упрочнения и дефектоскопии насосных штанг КШ - 02.
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы (90 источников), содержит 100 рисунков и 50 таблиц, изложена на 207 страницах.
В первой главе представлен обзор литературы, посвящённой проблемам эксплуатации насосных штанг, факторам, влияющим на коррозионно -усталостную прочность (КУП) насосных штанг и способам повышения КУП. Кроме того, рассмотрен процесс восстановления насосных штанг, бывших в эксплуатации, совершенствованию которого посвящена работа.
Вторая глава посвящена разработке методик экспериментальных исследований начальных характеристик насосных штанг, исследованию начальных характеристик трёх групп насосных штанг, бывших в эксплуатации, и установлению законов распределения характеристик по длине штанг. Исследовано также влияние случайного распределения упругопластических свойств материала на процесс деформирования штанги при восстановлении.
В третьей главе приведена математическая постановка задачи сложного упругопластического деформирования штанги с неоднородным распределением механических свойств по длине, описана аналитическая модель растяжения и кручения штанги. Обсуждаются результаты решения тестовых задач и адекватность модели реальному процессу восстановления насосных штанг.
В четвёртой главе представлены техническая и математическая постановки задачи оптимизации процесса восстановления насосных штанг в условиях неопределенности, описан алгоритм и анализируются результаты решения задачи стохастической оптимизации (ЗСО), определены оптимальные режимы восстановления для трёх групп штанг. Кроме того, в этой главе
9
приведена и анализируется схема модернизированной системы управления (адаптивного управления) процессом восстановления насосных штанг.
В заключении приведены основные результаты и выводы по работе.
Автор выражает искреннюю благодарность и признательность профессору В.Ю. Столбову за плодотворное научное сотрудничество в течение последних четырёх лет, профессору П.В. Трусову за ценные рекомендации и замечания, высказанные в процессе работы над диссертацией и профессору М.Б. Гитману за методическую помощь и высококвалифицированные консультации, а также
А. Беланкову, А. Борматову, В. Кочурову, М. Фоминых за оказанную техническую помощь при проведении расчетов и подготовке рукописи, и всем сотрудникам кафедры “Математическое моделирование систем и процессов" ПГТУ за доброжелательное отношение и интерес, проявленный к работе.
Особые слова благодарности адресуются П.П. Надымову и А.Ь. Рогову за постоянную поддержку и техническую помощь при проведении научных иссследований.
10
1. Техническая постановка залами восстановления насосных штанг
1.1. Условия эксплуатации насосных штанг и основные требования к их
работоспособности
Насосные штанги конструктивно представляют собой стальные стержни круглого сечения (рис. 1.1) диаметром 13-28 мм и длиной 8 или 9 м, изготовляемые из круглого проката разных марок сталей согласно ГОСТ 13877 - 80 (21) или по наиболее распространенному западному стандарту АР1 (87). На концах штанг на горизонтально-ковочных машинах формируют утолщённую часть (головку) и после соответствующего вида термической обработки нарезают резьбу для соединения штанг между собой.
Рис. 1.1. Насосная штанга: I - ниппель; 2 - торец упорного бурта; 3 - бурт упорный; 4 - квадратная шейка; 5 - подэлеваторный бурт; б - галтель высадки;
7 - тело штанги
Для массового производства насосных штанг в настоящее время согласно ГОСТ 13877 - 80 используются малолегированные стали марок 20Н2М, 30ХМА, 15НЗМА, 15X211МФ и углеродистая сталь 40. Кроме того, допускается применение других марок сталей для изготовления штанг на основе самостоятельно разработанных технических условий.
11
Наибольшее распространение у нефтедобытчиков получили штанги производства ОАО “Мотовилихинские заводы” (завод нм. В.И. Ленина), г. Пермь из сталей марок 15Х2НМФ и 15Х2ГМФ, и ОАО “Очсрский машзавод”, г. Очёр, Пермская область из стали марки 20Н2М. В большом количестве также используются штанги завода им. Лейтенанта Шмидта, г. Баку, республика Азербайджан из стали 20Н2М. В последнее время получили распространение штанги производства Серовского металлургического комбината. Каждый завод имеет свои особенности в технологии изготовления. Например, на ОАО “Мотовилихинские заводы" и ОАО “Очёрский машзавод” параллельно работают по два производства насосных штанг (“новое” и “старое”). На Серовско.м металлургическом комбинате применяют уникальную технологию холодной сварки тела и головок штанги. Кроме различных технологий изготовления штанг заводы применяют прокат различных производителей, который может отличаться не только маркой стати, но и качеством.
Стандарт АР1 вообще не регламентирует производителям материалы для изготовления стальных штанг, а лишь указывает на соответствие механических свойств материалов группам прочности насосных штанг в зависимости от условий эксплуатации.
Среди иностранных насосных штанг в нашей стране наибольшее распространение получили румынские штанги, встречаются также игганги производства Австрии, США, Канады и Японии.
Насосные штанги, скреплённые с помощью соединительных муфт, образуют штанговую колонну, осуществляющую кинематическую связь между станком-качалкой, установленным на поверхности земли, и плунжером глубинного насоса, находящегося в скважине (рис. 1.2).
12
Отработанные штанги
Рис. 1.2. Схема добычи нефти штанговыми насосами
Штанговые колонны работают в тяжёлых условиях знакопеременного циклического нагружения, усугублённого коррозионной средой. При ходе плунжера насоса вверх нагрузка на колонну складывается из собственного веса штанг, веса жидкости, сил трения и инерции. 11ри ходе вниз нагрузка снижается и напряжения в штангах обусловлены весом, силами трения и инерции. Кроме того, в этом случае в нижней части колонны (примерно на 1/8 её длины считая от насоса) возникают сжимающие напряжения, вызванные силами трения плунжера о цилиндр и гидравлическим сопротивлением прохождению откачиваемой жидкости через нагнетательный клапан насоса (1). Эти усилия при определённых условиях (например, отложения парафина, неорганических солей на поверхности насосно-компрсссорных труб или искривлённость ствола) вызывают продольный изгиб нижних штанг, ограниченный стенками труб (77]. При этом значения нагрузок в зависимости от условий работы штанги могут изменяться в широком диапазоне, например, в точке подвеса при ходе вверх растягивающая нагрузка может достигать 60,5 кН (8], а возникающая у насоса при ходе вниз сжимающая нагрузка может достигать 3,3 -3,9 кН [44].
13
Влияние переменных нагрузок на прочность и долговечность насосных штанг усиливается из-за коррозионной активности рабочей среды, содержащей минерализованную пластовую воду. Очень часто в её составе присутствуют агрессивные газы СО2 и ЬЬБ, реже - кислород [70].
Совместное воздействие переменных напряжений и электрохимической коррозии на металл приводит к значительному снижению его усталостной прочности по сравнению с некоррозионными условиями. Практически все обрывы штанг связывают с коррозионной усталостью материала [44, 49, 75, 7В,].
Данные наблюдений о местах расположения поломок в штангах показывают, что обрывы по телу штанг составляют более 60 % от общего числа аварий. Отличие составляют месторождения, продукция которых содержит сероводород, где преимущественно наблюдаются обрывы по резьбе [20]. Оставшаяся часть обрывов приходится на квадратную шейку, резьбовую часть, а в некоторых случаях связана с отворотами соединительных муфт.
Известно, что независимо от диаметра штанг, материала, вида термической обработки, уровня рабочих напряжений, степени обводнённости и коррозионной активности добываемой жидкости более 90 % поломок в теле штанг происходит на участках длиной 200 - 250 мм, прилегающих к головкам. Причины таких поломок, скорее всего, связаны с конструктивной особенностью насосных штанг. Данная зона является переходной между зоной повышенной жёсткости (головки соседних штанг, соединённые муфтой) и зоной пониженной жёсткости (тело штанги), поэтому в ней локализуются напряжения от изгиба вследствие работы штанг в искривленных или наклонно-направленных скважинах [44, 76], а также напряжения от эксцентриситета головки и тела штанга. Кроме того, в пределах этого участка, а иногда и далее находится так называемая зона термического влияния от нагрева концевых частей штанг под высадку головок и граница области высоких пластических деформаций при высадке головки, что приводит к значительной неоднородности физико-механических свойств по длине штанга.
14
Другими причинами поломок по телу могут быть уменьшение сечения вследствие износа в сильно искривленных или наклонно-направленных скважинах, уменьшение сечения вследствие коррозионного разъедание тела штанги, дефекты материала, некачественная высадка головки, механические повреждения при транспортировке и спуско-подъсмных операциях, пластическая деформация вследствие попытки извлечь заклиненный плунжер (при этом на штанге образуется шейка, характерная для поломок при статической нагрузке).
В общем случае работоспособность колонны штанг определяется в первую очередь качеством материала, качеством изготовления каждой штанги, адекватной условиям добычи компоновкой колонны, соблюдением правил обращения со штангами при эксплуатации, а также соблюдением условия не превышения допускаемых напряжений. Эти условия в основном отражены и формализованы в ГОСТе на новые насосные штанги.
Сложнее обстоит дело со штангами, которые уже работали в составе скважинной штанговой насосной установки (СШНУ) и по ряду причин (плановый или аварийный ремонт скважины) оказались на поверхности. Огсутствие нормативно-технической документации по работе со штангами, бывшими в эксплуатации, массовое многократное использование и широкое применение различных технологий восстановления и инспекции штанг заставляют обращаться к требованиям, которые установлены ГОСТом на новые штанги. Если при восстановлении свойств бывших в эксплуатации насосных штанг можно вплотную приблизиться к установленным этим ГОСТом или превысить их, то есть все основания предположить, что восстановленные штанги будут работать в тех же условиях не хуже новых. В связи с этим необходимо внимательно изучить требования, предъявляемые ГОСТом к новым штангам.
ГОСТ определяет минимально допустимые (кроме твердости) значения определённых механических характеристик материала насосных штанг для соответствующей марки стали и термической обработки. Контроль
15
характеристик осуществляется на стандартных образцах, вырезанных из сердцевины штанги. При этом проверяются временное сопротивление разрыву, предел текучести, относительное удлинение, относительное сужение, ударная вязкость и твердость. Следует отметить, что образцы обычно вырезаются только в одном месте по длине штанги - в зоне термического влияния.
Кроме высоких требований к механическим характеристикам материала, к штангам предъявляются следующие требования:
1) Высокая надёжность.
Вероятность безотказной работы штанг за 5 млн. циклов /(5х 106), определяемая у штанг в количестве 1000 шт., изготовляемых в течение квартала, по числу их обрывов должна быть не менее 0,995, для штанг, упрочнённых поверхностной закалкой токами высокой частоты (ТВЧ) - не менее 0.996.
Вероятность безотказной работы штанг вычисляется следующим образом:
где К - количество штанг из партии более 1000 штук;
т - количество обрывов за время наработки штанг 71(5х 10е).
Время наработки штанг в данной скважине (без учёта простоев) определяется как:
V Ю6
ТО*10‘) = Т440„ »• где и - число качаний в минуту.
2) Условие не превышения допустимых приведённых напряжений. Величина приведенного напряжения <7^, в штангах должна быть не выше
допустимого напряжения о*, которое зависит от марки стали, вида термической обработки и условий эксплуатации по коррозионной активности продукции скважины, т.е.
(1.1)
где ^ = , (1.2)
16
где <т„ЙХ - максимальное напряжение в теле штанг за цикл нагружения;
<7, - амплитуда напряжения в теле штанги за цикл нагружения, определяемая по формуле
где сг^п - минимальное напряжение в теле штанги за цикл нагружения.
Допустимые напряжения определяются в зависимости от материала, вида термической обработки, диаметра штангового насоса и коррозионной активности среды и приведены в ГОСТе. Однако в действительности допустимые напряжения могут оказаться завышенными или заниженными для разных нефтедобывающих районов и поэтому уточняются в процессе эксплуатации реальных штанговых колонн для каждого района [1, 42, 78].
3) Требования по кривизне и соосности.
Кривизна тела штанги, характеризуемая стрелой прогиба, должна быть не более 3 мм на 1 м длины, а на участках тела штанги длиной 1 м, примыкающих к каждой головке - не более 1 мм. Допускается несоосность резьбовой части (ниппеля) и тела штанги не более 1,5 мм на длине 200 мм от торца штанги.
4) Требования по состоянию наружной поверхности.
Допускаются без зачистки мелкие риски и отпечатки в пределах половины допуска на диаметр тела штанги (около 0,5 мм), а также раскатанные загрязнения и пузыри глубиной не более 0,2 мм.
5) Требования к микроструктуре определяют наибольший размер зерна, зависящий от материала и условии термической обработки.
Таким образом, из анализа условий эксплуатации и видов поломок насосных штанг следует, что основной причиной их разрушения являегся коррозионная усталость, вызванная циклическим нагружением и воздействием агрессивной среды. При этом на прочность насосных штанг существенное влияние оказывает неоднородность механических свойств по объёму штанги, связанная с технологией изготовления новых штанг и технологией упрочнения восстановленных штанг. Поэтому при оценке усталостной прочности штанги
17
необходимо рассматривать её как некоторую конструкцию, свойства которой неоднородны по объёму и зависят от многих факторов: завода-изготовителя, материала, условий эксплуатации и технологии упрочнения (для восстановленных штанг) и т.п. К сожалению, существующий ГОСТ на новые насосные штанги практически устанавливает требования только на характеристики материала штанги, не учитывая неоднородность распределения механических свойств по объёму штанга. Поэтому на каждом месторождении приходится проводить испытания конкретных штанг и определять истинные значения допустимого напряжения а*, входящего в критерии усталостной прочности (1.1). Обычно эти значения меньше табличных, приведённых в ГОСТе, «сто связано с испытаниями штанг в составе колонны, а не на образцах. Тем самым неявным образом учитывается неоднородность механических свойств и допустимые напряжения определяются для самого опасною участка штанга, где обычно и происходит обрыв.
Однако такой подход неприменим для разработчиков технологии восстановления и упрочнения штанг, которым необходимо учитывать влияние неоднородности механических свойств на прочность штанги на стадии разработки технологии. Для этого требуется изучить и выявить основные факторы, влияющие на усталостную прочность штанги, а также попытаться модифицировать критерий прочности (1.1) с учётом этих факторов.
1.2. Факторы, влияющие на коррозионно-усталостную прочность
насосных шганг
В предыдущем парафафе были рассмотрены условия эксплуатации насосных штанг и требования, предъявляемые к ним. Условия знакопеременного циклического нафужения, усугубленного коррозионной средой, приводят к понижению усталостной прочности материала насосных штанг [1, 42, 49, 78].
18
Существует несколько гипотез, объясняющих механизм коррозионной усталости:
1) электрохимическая (Ю.А. Эванс, Г.В. Акимов, А.В. Рябченков, Л.А. Гликман, Н.Д. Томашов и др.) [2, 16, 73, 65, 85];
2) адсорбционно-электрохимическая (Г.В. Карпенко, П.А. Ребиндер,
В.И. Лихтман и др.) [35,36,37];
3) коррозионно-механическая теория (В.В. Романов и др.) [64].
Однако единого мнения о механизме коррозионной усталости в настоящее время не существует. Нет единого мнения и о причинах изменения сопротивления усталости после пластической деформации, что особенно важно с точки зрения восстановления насосных штанг. В настоящее время известно несколько теоретических работ, в которых расматриваются следующие вопросы:
1) влияние микронеоднородности механических свойств, приводящее к возникновению ориентированных микронапряжений [10];
2) связь предельной прочности и остаточных ориентированных микронапряжений [84];
3) связь предела выносливости и степени наклепа металла [ 17].
Разнообразие посвящённых данной теме работ позволяет говорить о
сложности и многообразии процессов, протекающих в металле при предварительной пластической деформации, а также заключить, что на предел выносливости предварительно деформированных металлов влияет большое количество факторов. К данному выводу подводят также результаты работы [45], где в качестве причин, изменяющих сопротивление усталости, называются тип кристаллической решетки, энергия дефекта упаковки и степень деформации, которая определяет как наклеп и пластичность металла, так и характер остаточных напряжений.
Наиболее теоретически обоснованное, а также подтверждённое результатами многочисленных экспериментальных исследований объяснение связи предварительного пластического деформирования и усталостной