CC BY
64ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ
УДК 622.242+620.197
О.О. Штырев, инженер, кафедра машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности, лаборатория конструирования полимерных покрытий нефтегазового оборудования и сооружений, РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, e-mail: olegshtyr91@gmail.com
причины разрушения тела бурильных труб при эксплуатации и преимущества бурильных труб с внутренним защитным покрытием
систематизированы опасные дефекты в теле бурильных труб, возникающие при эксплуатации бурильной колонны и вызывающие ее отказы. проанализирован механизм процессов, приводящих к возникновению этих дефектов, и выявлены потребительские свойства тела бурильных труб, предотвращающие возникновение или интенсивное развитие этих процессов. обоснованы преимущества бурильных труб с внутренним полимерным покрытием. показано, что необходимым условием обеспечения эффективности и надежности бурильных труб с внутренним полимерным покрытием является разработка методологии формулирования технических требований к этому покрытию в соответствии с его назначением, методов и технических средств контроля соответствия фактического качества применяемых покрытий этим требованиям.
ключевые слова: бурильные трубы, коррозия, защитные покрытия, механизмы разрушения.
В процессе эксплуатации бурильная колонна подвергается одновременному воздействию статических и циклических нагрузок, коррозионно-активно-го и сорбционно-активного бурового раствора го значительным содержанием механических примесей до 1,5% и температурой до 240 0С [1], протекающего со скоростью до 6 мД по внутренней полости бурильной колонны, что обуславливает возникновение и последующее интенсивное развитие
в материале элементов колонны бурильных труб различных по механизму процессов, вызывающих образование опасных дефектов в теле бурильных труб, приводящих к частым отказам элементов бурильной колонны. Накопленный опыт эксплуатации бурильных колонн в нефтегазовой отрасли показывает, что наибольшее число отказов характерно для бурильных труб, расположенных в верхней части колонны.
наиболее характерными причинами возникновения отказов бурильных труб являются:
• износ внутренней поверхности бурильных труб в виде сквозных каверн, являющихся результатом воздействия потока бурового раствора, содержащего большое количество механических примесей;
• раковины на внутренней поверхности бурильных труб, возникающие вследствие точечной коррозии стали при воздействии бурового раствора, обладающего высокой коррозионной активностью, что приводит к зарождению усталостных трещин в теле бурильной трубы;
• трещины на внутренней поверхности бурильных труб в переходной зоне между телом трубы и ее высадкой, являющиеся результатом протекания процесса коррозионной усталости при эксплуатации бурильных труб, вследствие одновременного воздействия переменных нагрузок и коррозионно-активного бурового раствора. Значительная часть компонентов бурового раствора обуславливает его высокую электрохимическую активность по отношению к сталям, используемым для производства бурильных труб, что приводит к развитию интенсивной элек-
90
№ 12 декабрь 2014 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
ANTICORROSIVE PROTECTION
трохимической коррозии. Преимущественно на внутренней поверхности бурильных труб развивается точечная коррозия. Основная причина развития именно этого процесса разрушения заключается в том, что отдельные компоненты бурового раствора пассивируют внутреннюю поверхность бурильных труб, создавая защитную пленку, в которой возникают локальные дефекты, одной из основных причин которых является воздействие потока бурового раствора, содержащего механические примеси. Поэтому одним из важных требований,предъявляемых к материалу поверхностного слоя внутренней полости бурильных труб, является его сопротивление коррозионно-механи-ческому разрушению. Прокачиваемый по внутренней полости бурильных труб буровой раствор, содержащий механические примеси, вызывает интенсивное разрушение внутренней поверхности бурильных труб вследствие гидроабразивного изнашивания стали. При этом скорость гидроабразивного изнашивания стали труб существенно зависит от природы механических примесей, размера частиц. В составе буровых растворов имеется глина и неотфильтрованные частицы шлама, размер частиц которых определяется степенью очистки. При встрече под углом ак твердой частицы, содержащейся в потоке бурового раствора, двигающемся со скоростью 4,5-6,8 м/с, с внутренней поверхностью бурильных труб частица внедряется в поверхностный слой металла, проходя некоторый путь трения. Износ металла происходит в результате срезания микростружек с поверхности (абразивное изнашивание) или отрыва отдельных частиц металла вследствие циклического контактного нагружения поверхностного слоя ме-
талла абразивными частицами, содержащимися в буровом растворе (усталостное изнашивание). Относительная доля каждого из указанных процессов изнашивания определяется физико-механическими свойствами материала и твердой частицы, углом атаки твердой частицы по отношению к изнашиваемой поверхности металла [2]. Поскольку колонна бурильных труб имеет малые углы искривления, доля абразивного износа металла бурильных труб абразивными частицами значительно больше. Содержащиеся в составе буровых растворов поверхностно-активные вещества (ПАВ) снижают сопротивление стали гидроабразивному износу вследствие существенного снижения ее свободной поверхностной энергии,что обуславливает значительное изменение прочностных характеристик стали. Поэтому одним из важных требований, предъявляемых к материалу поверхностного слоя внутренней полости бурильных труб, является его сопротивление гидроабразивному износу при малых углах атаки абразивных частиц, содержащихся в буровом растворе, по отношению к поверхности металла и одновременном воздействии на нее электрохимически и адсорбционно активной среды. Попадающий в циркулирующий буровой раствор из пласта сероводород вызывает наводороживание стали, что обуславливает при одновременном действии постоянной механической нагрузки на бурильную колонну сульфидное растрескивание стали, т.е. ее статическую усталость, обуславливающую изломы по телу труб. Наиболее опасны при наводороживании растягивающие напряжения, возникающие в бурильных трубах под действием веса бурильной колонны. Развитие трещин при этом происходит перпендикулярно к плоскости действия напряжений. Для торможения данного процесса металл тела бурильных труб должен обладать способностью сопротивляться наводо-роживанию.
Совместное воздействие на бурильные трубы повторно-переменных нагрузок и электрохимически активной среды вызывает изломы бурильных труб вследствие коррозионной циклической усталости.
Механизм коррозионной усталости стали при совместном воздействии на нее бурового раствора и циклической нагрузки достаточно сложен, в значительной степени определяется режимом нагружения, величиной действующих напряжений, видом напряженного состояния, химическим составом и структурой стали, составом контактирующего с ней бурового раствора. Процесс коррозионной усталости в электрохимически активных средах обычно протекает в три стадии. Первая стадия охватывает период до возникновения трещины, в течение которого образуются специфические коррозионные элементы и возникают зародыши трещин. Вторая стадия характеризуется значительной потерей прочности из-за развития коррозионно-усталостных трещин. Третья стадия представляет собой чисто механическое разрушение оставшегося сечения конструкции при напряжениях, превышающих предел прочности металла. Анализ усилий, действующих в различных сечениях по длине колонны бурильных труб, показывает, что наибольшие переменные напряжения действуют в верхних сечениях колонны. Эти напряжения растягивающие, они изменяются по асимметричному циклу. Коррозионная усталость развивается при любом уровне максимального напряжения цикла, что обусловлено непрерывным протеканием электрохимического процесса коррозии,ослабляющего сопротивление стали бурильных труб циклической нагрузке. Для предотвращения данного процесса разрушения бурильных труб сталь, используемая для их производства, должна обладать способностью сопротивляться коррозионной усталости в электрохимически активных средах. Рассмотренные процессы разрушения тела бурильных труб и их взаимосвязи со свойствами поверхностного слоя внутренней полости бурильных труб обуславливают необходимость разбиения требуемых механических и физико-химических свойств материала тела бурильной трубы на две группы: • свойства материала поверхностного слоя внутренней полости бурильных труб;
ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ № 12 декабрь 2014
91
ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ
• свойства материала тела бурильных труб под поверхностным слоем. Подобное разбиение потребительских свойств материала тела бурильных труб на две группы позволяет оценить экономическую целесообразность и техническую возможность производства тела бурильных труб из одного материала или совокупности материалов, определяющих требуемый градиент свойств по толщине стенки бурильной трубы.
к свойствам материала поверхностного слоя тела бурильных труб относятся следующие:
• стойкость в эксплуатационной среде и способность защищать тело бурильной трубы под поверхностным слоем от коррозионного разрушения в течение нормативного срока службы;
• сопротивление разрушению при воздействии циклических нагрузок в эксплуатационной среде в течение нормативного срока службы;
• стойкость в сероводородсодержащей среде и способность защищать тело бурильной трубы от сульфидного растрескивания в течение нормативного срока службы;
• сопротивление воздействию потока абразивосодержащей жидкости в
течение нормативного срока службы бурильной трубы.
При наличии поверхностного слоя бурильных труб с указанными свойствами материал тела бурильных труб под поверхностным слоем должен обеспечивать:
• сопротивление тела бурильной трубы излому при действии статической нагрузки, обусловленной весом колонны бурильных труб, воздействующим на бурильную трубу;
• сопротивление тела бурильной трубы растрескиванию и излому при действии динамических нагрузок. Проведенное разбиение требуемых свойств тела бурильных труб на две группы убедительно свидетельствует о целесообразности производства бурильных труб с внутренним покрытием, свойства которого должны обеспечивать требуемые свойства поверхностного слоя тела бурильных труб.
В этом случае требуемые свойства материала тела бурильных труб под поверхностным слоем обеспечиваются сталями, используемыми в соответствии с действующими стандартами для производства бурильных труб. В настоящее время для внутренней полости бурильных труб используются разнообразные виды покрытий из металлов, неметаллических материалов
органической и неорганической природы или их сочетания. В отечественной и зарубежной нефтегазовой промышленности накоплен положительный опыт применения бурильных труб с внутренним полимерным покрытием, свидетельствующий, что полимерные покрытия позволяют существенно повысить эффективность за счет снижения гидравлического сопротивления и срок службы бурильных труб по сравнению с трубами серийного производства без покрытия. Наряду с этим имеется достаточно много примеров низкой эффективности и ограниченного срока службы используемых покрытий, необоснованных значительных материальных затрат на их применение. Подобное противоречие объясняется несоответствием действующих технических требований к защитному покрытию внутренней поверхности бурильных труб назначению этого покрытия.
В результате дискредитируется одно из перспективных направлений повышения эффективности и надежности бурильных труб. Поэтому задача разработки методологии формулирования технических требований к внутреннему полимерному покрытию бурильных труб, методов и технических средств их контроля является актуальной.
М.: Недра, 2007. - 375 с.
Литература:
1. Каталог буровых растворов. - Уфа: НПП «БУРИНТЕХ», 2014.
2. Протасов В.Н. Теория и практика применения полимерных покрытий в оборудовании и сооружениях нефтегазовой отрасли. -
UDC 622.242+620.197
0.0. Shtyrev, Engineer, Department of oil and gas machines and equipment, Laboratory of oil and gas equipment and structures polymer coating design, Gubkin Russian State University of Oil and Gas, e-mail: olegshtyr91@gmail.com
Causes of drill pipe body destruction during the operation and advantages of drill pipes with internal protective coating
Hazardous defects in the drill pipes bodies, initiating during the drilling stem operation and causing its failures, are systemized. Mechanism of the processes, causing these defects, is analyzed. Drill pipe body consumer properties, preventing appearance or intensive development of such processes, are identified. Advantages of drill pipes with internal polymer coating are substantiated. It is demonstrated that the essential prerequisite to ensure efficiency and reliability of the drill pipes with internal polymer coating is development of methods of statement of the technical specifications to this coating in accordance with its purpose, as well as methods and technical means of control over compliance of the actual quality of the applied coatings with these requirements.
Keywords: drill pipes, corrosion, protective coatings, destruction mechanisms. References:
1. Katalog burovykh rastvorov (Drilling fluids catalogue). -Ufa: Research and Production Enterprise BURINTEKH, 2014.
2. Protasov V.N. Teoriya i praktika primeneniya polimernykh pokrytiy v oborudovanii i sooruzheniyakh neftegazovoi otrasli (Theory and practice of polymer coatings application in the equipment and structures of the oil and gas industry). - Moscow: Nedra, 2007. - 375 p.
92
№ 12 декабрь 2014 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
