СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ НАСОСНО-КОМПРЕССОРНЫХ ТРУБ
METHOD OF PRODUCING BIMETAL STRING

Изобретение относится к изделиям трубной продукции, а именно к насосно-компрессорным трубам, изготовляемым из конструкционных материалов (сталей).
Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению являются патент РФ на изобретение №2338053 «Способ ремонта насосно-компрессорных труб» (1) и патент РФ на полезную модель №71755 «Насосно-компрессорная труба» (2).
В нефтяной промышленности РФ находятся в эксплуатации около 170 тысяч нефтяных скважин (см. журнал «Нефтегазовая вертикаль» №15, 2014). Эксплуатационный фонд насосно-компрессорных труб (НКТ) составляет примерно 3,5 млн тонн. В процессе эксплуатации НКТ, под воздействием механических нагружений (от собственного веса труб, веса добывающего продукта, сил трения, возникающих от соприкосновения штанг насосных, совершающих возвратно-поступательное движение внутри канала НКТ с внутренней поверхностью труб) и коррозионных процессов под воздействием агрессивных составляющих (сероводород, углекислота и т.д.), содержащихся в составе добываемого флюида, изнашиваются и подлежат замене.
Количество ежегодно заменяемых изношенных НКТ составляет примерно 250 тыс. тонн на общую сумму превышающую 10 млрд. рублей. Затраты на замену изношенных труб возможно уменьшить за счет увеличения эксплуатационного ресурса НКТ.
2
При решении указанной задачи - увеличение эксплуатационного ресурса НКТ, следует учитывать, что трубы должны иметь как высокую прочность (до 90 кгс/мм), так и достаточную коррозионную стойкость, а эти свойства, как известно из технической литературы, противонаправлены друг другу - при повышении прочностных характеристик труб, неизбежно снижаются их коррозионные свойства. Двуединая задача - повышение прочностных характеристик НКТ и увеличение их коррозионной стойкости, что в совокупности обеспечивает значительное увеличение эксплуатационного ресурса труб и на этой основе снижение материальных и финансовых ресурсов в нефтедобыче, решается созданием биметаллической насосно-компрессорной трубы.
Известный способ изготовления биметаллической лейнированной насосно-компрессорной трубы (ЛНКТ) состоит в следующем:
- бывшую в эксплуатации насосно-компрессорную трубу очищают от асфальтосмолопарафинистых отложений (АСПО), окалины и других загрязнений внутренней поверхности НКТ с применением обжига труб при температуре 400-450°С и последующей зачисткой внутренней поверхности дробеструйной обработкой;
- изготовляют электросварную тонкостенную трубу (лейнер);
- наносят на ее наружную поверхность клей-герметик;
- вводят лейнер в канал очищенной НКТ;
- совместно деформируют лейнер и НКТ раздачей с таким расчетом, чтобы был выбран полностью межтрубный кольцевой зазор (между внутренней поверхностью НКТ и наружной поверхностью лейнера), а совместная деформация лейнера и НКТ (раздачей) составила 0,2-0,3% от исходного наружного диаметра НКТ;
- создают условия для полимеризации клея-герметика;
- НКТ и лейнер надежно склеиваются друг с другом и работают как труба с монолитной стенкой.
В описании патента на изобретение (1) дается указание, что для беспрепятственного (свободного) введения лейнера в канал НКТ наружный диаметр лейнера должен быть на 5 мм меньше внутреннего диаметра НКТ, а изготовление лейнера осуществляют по специальным техническим условиям. Однако в указанных патентах и другой доступной технической литературе не приводятся технические требования к качеству лейнеров, а они имеют большое значение для беспрепятственного ведения процесса деформации лейнера раздачей, осуществляемого в холодном состоянии. Особое значение имеет уровень пластичности лейнера и его способность к деформированию без разрушения основного металла и сварного соединения. Общая деформация лейнера (раздачей) состоит из двух слагаемых - сначала за счет деформации выбирается кольцевой зазор между минимальным внутренним диаметром НКТ и наружным диаметром лейнера, который согласно (1), может составлять до 5 мм, а затем, за счет последующей деформации, выбирается кольцевой зазор между максимальным и минимальным диаметрами НКТ. Размер этого кольцевого зазора определяется допускаемыми отклонениями номинальных размеров диаметра и толщины стенки НКТ согласно ГОСТ Р 52203-2004 (3).
Поясним это на примере.
Пример 1
Расчет возможной разницы между минимальным и максимальным значением внутреннего диаметра НКТ выполнен на примере труб с диаметром 73×5,5 мм.
Согласно ГОСТ 52203-2004 (3) предельное допускаемое отклонение наружного диаметра бесшовных НКТ составляет ±0,8 мм. Предельные - минимальное и максимальное отклонения значения толщины стенки НКТ соответственно: составляют от -12,5% и до +6,0% от номинального ее значения (5,5 мм). С учетом изложенного, максимальный и минимальный наружный диаметр НКТ (при номинальном значении 73 мм) принимает значения: 73,8 мм и 72,2 мм. Максимальная толщина стенки (при номинальном значении 5,5 мм) составит:
Smax=5,5×1,06=5,8 мм,
где 1,06 - коэффициент, учитывающий максимальное допустимое утолщение стенки НКТ (+6,0%).
Минимальное значение толщины стенки НКТ 73×5,5 мм составляет
Smin=5,5-5,5×0,125=4,8 мм,
где 0,125 - коэффициент, учитывающий максимальное утонение толщины стенки НКТ (-12,5%).
Максимальное и минимальное значения внутреннего диаметра НКТ 73×5,5 мм определяются по формулам
где Dнар.max и Dнар.min - максимальный и минимальный значения наружного диаметра НКТ;
Smin и Smax - минимальное и максимальное значения толщины стенки НКТ.
Подставив соответствующие значения размеров труб и допускаемых отклонений в формулы [1] и [2], получим:
- максимальное значение внутреннего диаметра НКТ 73×5,5 мм
dвн.max=73,8-2×4,8=64,2 мм,
- минимальное значение внутреннего диаметра НКТ 73×5,5 мм
dвн.min=72,2-2×45,9=60,4 мм,
- максимальная разница между максимальным и минимальным значениями внутреннего диаметра НКТ 73×5,5 мм составляет:
Δ=64,2-60,4=3,8 мм.
На основании изложенного делается вывод: чтобы обеспечить плотное прилегание наружной поверхности лейнера к внутренней поверхности НКТ и склеивание этих поверхностей лейнера и НКТ, общее максимальное увеличение диаметра лейнера при его раздаче в процессе лейнирования
- должно составить 5 мм, чтобы выбрать первоначальный кольцевой зазор между внутренним (минимальным) значением диаметра НКТ и наружным диаметром лейнера и 3,8 мм, чтобы выбрать разницу между максимальным и минимальным значениями внутреннего диаметра НКТ 73×5,5 мм.
Таким образом, общая необходимая деформация раздачей (увеличение диаметра) лейнера в процессе лейнирования составляет - 8,8 мм, что составляет 15% от номинального наружного диаметра лейнера (57 мм).
Электросварные тонкостенные трубы изготовляются по стандартам ГОСТ №№10704, 10706, 10707, 11068 [4-7] из углеродистых, низколегированных и нержавеющих сталей марок: 10, 20, 10Х12Н10Т, 10Х17Н13М2Т и др. В качестве одного из основных требований к качеству электросварных труб указанными стандартами установлено техническое требование - испытание труб на раздачу, в пределах от 6% до 12%. Некоторые стандарты на изготовление электросварных труб (например ГОСТ 10706) требований на раздачу вообще не устанавливают.
Сравнение максимальной нормы раздачи стандартизированных электросварных труб, установленной действующими стандартами [4-7] в пределах от 6 до 12% и необходимой раздачей лейнера - 15% при лейнировании НКТ, обеспечивающей надежное скрепление лейнеров и НКТ, приводит к однозначному выводу - электросварные трубы, изготавливаемые по действующим стандартам, не могут быть применимы в качестве лейнеров. Изготовление лейнеров должно осуществляться по специальным техническим условиям, содержащим в качестве основного технического требования к качеству электросварных труб их высокие пластические свойства, подтверждаемые испытанием лейнеров раздачей с установлением нормы раздачи - увеличение диаметра лейнеров на 18% от их номинального значения.
Техническую возможность изготовления тонкостенных электросварных труб с высокими пластическими свойствами подтвердили экспериментально.
Пример 2
При изготовлении рулонной стали, используемой для производства тонкостенных электросварных труб для лейнирования НКТ, обеспечили снижение в ее химическом составе содержание серы с 0,040% по ГОСТ 1050-88 до 0,006% и фосфора с 0,035% до 0,010%. Изготовленные из этой рулонной стали тонкостенные электросварные трубы (50 штук) подвергли термической обработке по режиму - нагрев до 820-830°С, выдержка при этой температуре - 10 мин. И охлаждение на воздухе. Из труб изготовили 20 образцов и произвели их испытание раздачей. Все образцы выдержали испытание раздачей с увеличением их исходного диаметра на 18%.
Изготовленные 50 лейнированных НКТ по предложенной технологии признаны годными для применения в промысловых условиях добычи нефти. Разрушение лейнеров не наблюдалось.
Технический результат от применения заявленного объекта заключается в возможности беспрепятственного ведения процесса раздачи электросварных труб при лейнировании НКТ, что достигается повышением пластичности металла лейнера за счет подбора его химического состава - вредных примесей серы не более 0,006% и фосфора не более 0,010%.
Экономический результат обеспечивается за счет снижения затрат, связанных с лейнированием НКТ, по сравнению с затратами при изготовлении новых насосно-компрессорных труб.