Введение к работе
Актуальность темы. В последнее время коррозионная активность нефтепромысловых сред повсеместно увеличилась, что привело к существен-ному снижению средней наработки лифтовых колонн, собранных из насосно-компрессорных труб (НКТ).
Участились случаи нарушения герметичности лифтовых колонн по причине сквозной язвенной коррозии по телу и по резьбовым соединениям.
На месторождениях ОАО «Томскнефть», ООО «РН-Ставропольнефтегаз»
и других месторождениях трубы разрушаются в течение двух-трех месяцев. Происходят катастрофические разрушения с обрывом лифтовых колонн (полеты) в результате критического утончения стенки труб и муфт из-за углекислотной язвенной коррозии, а также из-за растрескивания в сульфидсодержащей среде. Основным фактором, определяющим преобладающий механизм
и кинетику развития коррозионно-механического разрушения труб нефтяного сортамента, является концентрация растворенных газов H2S и СО2.
Несмотря на относительно большой объем исследований по сульфид-ному коррозионному растрескиванию под напряжением и углекислотной коррозии, проблемы повышения коррозионной стойкости стальных труб при воздействии этих двух видов наиболее опасного коррозионно-механического разрушения остаются нерешенными и являются актуальными.
Необходима разработка новых сталей повышенной коррозионной стой-кости для производства насосно-компрессорных труб, работающих в тяжелых условиях современных месторождений. Основой таких разработок является анализ причин, механизма и кинетики развития разрушения широко применяемых материалов. Необходимо определить факторы, влияющие на низкую длительность эксплуатации насосно-компрессорных труб и соответственно направления работ по разработке новых сталей.
Объект исследования: стали, используемые для изготовления насосно-компрессорных труб, и их эксплуатационные свойства.
Предмет исследования: установление связей между составом, структурой и свойствами сталей для изготовления насосно-компрессорных труб с целью повышения их эксплуатационных характеристик.
Цель работы заключается в повышении эксплуатационных характе-ристик насосно-компрессорных труб на основе выбора состава и структуры стали, увеличивающих их прочность и коррозионную стойкость.
Задачи исследования:
-
Разработать методику периодического мониторинга состояния насосно-компрессорных труб по глубине скважины в условиях реальной эксплуа-тации.
-
Провести сравнительный анализ процессов накопления повреждаемос-ти используемых в настоящее время насосно-компрессорных труб при лабораторных и промысловых испытаниях в средах, насыщенных H2S и СО2.
-
Определить рациональный состав стали, обеспечивающий высокую коррозионную стойкость к растрескиванию в сульфидсодержащей среде и углекислотной коррозии.
-
Выбрать режимы термической обработки насосно-компрессорных труб, обеспечивающие сочетание высоких механических свойств и корро-зионной стойкости материала в средах, насыщенных H2S и СО2.
-
Провести промысловые испытания насосно-компрессорных труб из предлагаемой стали.
Методы исследования. В процессе лабораторного анализа и промысло-вых испытаний использован комплекс исследований, включающий световую, просвечивающую и сканирующую электронную микроскопию, рентгено-структурный фазовый и локальный рентгеноспектральный химический анализы, механические испытания, коррозионные испытания на стойкость
к водородной и общей углекислотной коррозии. Все испытания проведены
в специализированных лабораториях на аттестованном оборудовании по стандартизированным российским и международным методикам. Результаты измерений обработаны с применением программных пакетов Microsoft Office.
Достоверность и обоснованность научных результатов обеспечиваются корректным применением основных положений материаловедения для описания физических закономерностей процессов разрушения металла насосно-компрессорных труб, сходимостью результатов лабораторных и промысловых (натурных) испытаний, а также положительными результатами внедрения в производство.
На защиту выносятся:
-
Результаты промысловых испытаний и лабораторных исследований развития разрушения металла насосно-компрессорных труб в средах с повы-шенным содержанием H2S и СО2.
-
Методика мониторинга состояния материала насосно-компрессорных труб в процессе эксплуатации.
-
Сравнительный анализ строения, состава и структуры продуктов углекислотной коррозии на поверхности насосно-компрессорных труб из традиционно используемых сталей (марок 35Г2С и 30ХМА) и предложенной стали марки 15Х5МФБЧ.
-
Закономерности и особенности формирования структуры и свойств при термической обработке стали 15Х5МФБЧ.
-
Химический состав и технология термической обработки стали 15Х5МФБЧ, обеспечивающие сочетание высоких механических свойств
и коррозионной стойкости к растрескиванию в сульфидсодержащей среде
и углекислотной коррозии. -
Результаты промысловых испытаний насосно-компрессорных труб из стали 15Х5МФБЧ.
Научная новизна:
-
Показано, что при эксплуатации насосно-компрессорных труб меха-низм и кинетика развития водородного растрескивания под напряжением определяются количеством, формой и расположением неметаллических включений. Кинетика углекислотной коррозии определяется составом, строением и адгезией продуктов коррозии, образующихся на поверхности труб в процессе эксплуатации.
-
Выявлена идентичность механизмов развития разрушения насосно-компрессорных труб в средах с повышенным содержанием H2S при эксплуатации и в лабораторных условиях.
-
Установлена связь скорости общей и язвенной углекислотной кор-розии, состава и строения продуктов коррозии со структурой и составом металла насосно-компрессорных труб.
-
Показано, что продукты углекислотной коррозии, образовавшиеся на трубах из сталей 30ХМА и 15Х5МФБЧ в процессе эксплуатации, сохраняют форму и расположение карбидной фазы стали и содержат в 3-7 раз больше Cr и Mo, чем легированная сталь, что определяет защитные свойства слоя корро-зионных отложений к язвенному разрушению.
Практическая значимость:
-
Разработанная методика контроля состояния насосно-компрессорных труб лифтовых колонн в процессе эксплуатации позволила уменьшить число случаев катастрофического разрушения (полета) лифтовой колонны, затраты на ремонт скважин и снизить потери добычи нефти. На месторождениях Коми предотвращено 7 полетов подвесок насосно-компрессорных труб, в том числе на высокодебитных скважинах Баяндыского месторождения.
-
Результаты лабораторных испытаний, подтвержденные промысловыми данными, позволяют научно обоснованно выбирать марку стали насосно-компрессорных труб с учетом условий эксплуатации конкретных место-рождений (скважин).
-
Предложенные режимы термообработки насосно-компрессорных труб из стали 15Х5МФБЧ обеспечили сочетание высоких механических свойств
с высокими показателями стойкости к растрескиванию в сульфидсодержащей среде, а также уменьшение скорости язвенной углекислотной коррозии
в 10 и более раз по сравнению с применяемыми сталями.
Реализация результатов работы
Трубы из предложенной марки стали 15Х5МФБЧ испытывались на Возейском месторождении ООО «ЛУКОЙЛ-Коми» в нефтяной добывающей скважине № 1177. После 540 и 855 суток эксплуатации опытная подвеска не имела проявлений язвенной коррозии при содержании СО2 в извлекаемом флюиде 350 мг/л. Средняя наработка насосно-компрессорных труб из используемых марганцовистых и хромомолибденовых сталей в этих условиях не превышает 230 суток.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены и обсуждались на международных научных конференциях: «Актуальные проблемы прочности» (Витебск, Беларусь, 2010, 2012 гг.), «Актуальные проблемы прочности» (Харьков, Украина 2011 г.), «Физика прочности и пластичности материалов» (Самара, Россия, 2012 г.), «Фазовые превращения и прочность кристаллов» (Черноголовка, Россия, 2012 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 печатных работ, из них 6 в изданиях, рекомендованных ВАК, и 3 патента РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы из 105 наименований
и трех приложений. Работа изложена на 165 страницах основного текста, включает 42 рисунка и 7 таблиц.
