Лекция 5. Сталь для труб и насосных штанг

В бурении и эксплуатации нефтяных и газовых скважин применяются специальные бурильные, обсадные и насосно-компрессорные трубы, а также насосные штанги.

Бурильные трубы.Как известно, бурильная колонна состоит из бурильных труб, соединенных при помощи резьбовых замков, рабочей штанги, утяжеленных бурильных труб, устанавливаемых над долотом или турбобуром, и переводников. Бурильные трубы изготовляют из специальной стали: углеродистой и легированной марок 36Г2С и 38ХНМ.

При изготовлении бурильных труб основным видом термической обработки является нормализация. В таблице 5.1 приведены механические свойства основных марок стали трубного сортамента, полученные после нормализации. Как видно из таблицы, предел текучести стали этих марок не превышает 550 МПа. Необходимо учесть, что после нормализации наблюдается значительный разброс механических свойств по длине трубы Из таблицы видно, что нормализация не устраняет полностью неоднородность механических свойств тела трубы, полученную в результате прокатки. Разброс значений механических свойств увеличится еще больше при изготовлении труб с высаженными концами.

Таблица 5.1 - Механические свойства стали основных марок трубного сортамента после нормализации

Наиболее эффективный способ повышения прочности бурильных труб — закалка с последующим высоким отпуском. Такая обработка позволяет получить трубы из простой углеродистой стали с прочностью не ниже, чем у нормализованных труб, изготовленных из легированной стали. Кроме того, закалка с высоким отпуском снижает порог хладноломкости. Для стали марки 36Г2С, наиболее широко применяемой при производстве бурильных труб, оптимальный режим термической обработки, обеспечивающий высокие механические и технологические (обрабатываемость) свойства, следующий: закалка с 820—840 °С в масле, отпуск при 550—570 °С, охлаждение — в воде. При этом на стандартных образцах обеспечиваются механические свойства: σ _в > 1000 МПа, σ _т, > 820 МПа, δ > 15%, ψ > 60 %. Исследование опытных бурильных труб из стали марки 36Г2С после закалки и отпуска по оптимальному режиму показало, что в пределах одной трубы наблюдается некоторый разброс механических свойств, например: различие между свойствами в теле трубы и в высаженном конце. Для устранения неоднородности механических свойств по длине трубы рекомендуется — перед закалкой с высоким отпуском проводить отжиг или нормализацию.

Сталь марки 38ХНМ после принятой в настоящее время на трубных заводах нормализации обладает следующими свойствами: σ _в >750 МПа, σ _т > 550 МПа, δ > 12 %, φ > 40 %. После закалки с 820—840 °С в масле и отпуска при 500—520 °С эта сталь имеет: σ _в > 1200 МПа, σ _т > 1050, δ > 15 %, φ 55 %. Производство бурильных труб с повышенными механическими свойствами позволит снизить общий вес колонны, а также повысит их эксплуатационную надежность, увеличит скорость и глубину бурения. Замки и переводники для бурильных труб изготовляют из стали марки 40ХН. Замки и переводники бурильных труб подвергают закалке с 820—840 °С и высокому отпуску при температуре 560—660 °С.

Многократное свинчивание и развинчивание замков бурильной колонны, а также абразивный износ резьбы струей промывочной жидкости и истирание наружной поверхности о стенки скважины или обсадные трубы приводят к быстрому выходу их из строя. Для предохранения резьбовых соединений от заеданий производится фосфатирование замковой резьбы у муфт и ниппелей или цинкование резьбы и упорных уступов у ниппелей. Утяжеленные бурильные трубы (ТБУ) с нарезанными концами и штанги бурильные квадратные изготовляют из стали 36Г2С. Для повышения прочности утяжеленных бурильных труб и увеличения износостойкости резьбы следует применять термическую обработку, которая должна состоять из закалки в масле с 820—840 °С и высокого отпуска при температуре 560—600 °С.

Для бурильных труб раструбы и ниппеля (соединительные концы, приваренные в стык) изготовляют из стали марок 45 или 40Х. Приваривают концы на мощных стыкосварочных машинах, после чего сварной шов подвергают термической обработке. Во избежание искажения профиля резьбы соединительных концов термической обработке подвергают только сварные швы, а не всю трубу. Кроме того, нагрев может вызвать изменение механических свойств стали соединительных концов, которые перед приваркой уже подвергались закалке и высокому отпуску. Местная термическая обработка сварного шва производится за счет нагрева ацетилено-кислородным пламенем или за счет индукционного нагрева. Термическая обработка сварного шва состоит из нормализации с температуры 880—900 °С, или из нормализации и высокого отпуска при температуре 550 °С. Такая обработка дает значительное улучшение микроструктуры шва и повышает ударную вязкость.