ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ УПРОЧНЕНИЯ И НАНЕСЕНИЯ ЗАЩИТНЫХ УПЛОТНИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ ПОКРЫТИЙ НА РЕЗЬБЫ НАСОСНО-КОМПРЕССОРНЫХ ТРУБ.

Существующая в настоящее время технология изготовления резьб насосно-компрессорных труб НКТ не удовлетворяет современным эксплуатационным требованиям по надежности и ресурсу работы в условиях промысловой добычи нефти.

Резьбовое соединение «резьба ниппеля трубы — резьба муфты» в процессе эксплуатации подвергается коррозионно-агрессивному воздействию и одновременно значительным механическим нагрузкам, циклическому изгибу и кручению, абразивному износу, приводящие к ухудшению уплотнительных свойств резьбового соединения (нарушение герметичности, уменьшение натяга) и, как следствие, к преждевременному выводу трубопроводной системы из эксплуатации, что сопровождается значительными временными потерями и финансовыми издержками. В зависимости от условий эксплуатации НКТ ресурс работы и надежность резьбового соединения «резьба ниппеля — резьба муфты» различна.

Так, например, резьбовое соединение «труба — муфта» стальной насосно- компрессорной трубы (НКТ) выдерживает в среднем пять — шесть спускоподъемных операций, затем герметичность резьбового соединения нарушается и насосно-компрессорную трубу необходимо выводить из эксплуатации.

Каждый досрочный подъем колонны насосно-компрессорных труб связан не только с большими временными и производственными затратами, но и выводом скважины из эксплуатации, то есть прекращением добычи нефти.

Попытки решить указанную проблему с использованием традиционных технологий в течение многих лет не приводили к успеху, так как требовалось получить соединение «резьба ниппеля трубы — резьба муфты», поверхности которых, исходя из условий эксплуатации, должны обладать взаимно противоположными свойствами, то есть с одной стороны быть износостойкими, а с другой уплотнительными. Чтобы резьбовые поверхности НКТ и муфты обладали высокой износостойкостью по отношению к абразивному износу, они должны иметь высокую твердость, а с другой стороны резьбовое соединение «труба-муфта» должно обладать высокими уплотнительными свойствами, чтобы обеспечивать герметичность соединения, то есть поверхности резьбы ниппеля трубы и муфты должны быть «мягкими» и иметь низкое значение твердости.

Кроме того, решение данной проблемы усугубляется требованием высокой коррозионной стойкости поверхности резьб, так как пластовые среды скважины содержит растворы кислот, щелочей, сероводорода.

При сборке колонн при промысловой добыче нефти нанесение резьбоуплотнительной смазки на резьбу часто проводится с нарушением установленных норм расхода. Недостаток смазки или ее отсутствие приводит к преждевременному износу резьбового соединения.

На рис. 1 показан внешний вид резьбы ниппеля НКТ после эксплуатации.

Рис. 1. Внешний вид резьбы НКТ после эксплуатации.

Другой проблемой при эксплуатации насосно-компрессорной трубы, является обрыв НКТ по резьбе или зоне сбега резьбы ниппеля НКТ.

Одной из основных причин обрыва колонны по 3. 5 нитке резьбы НКТ или по зоне сбега резьбы являются следующие причины:

• При нарезании резьбы на ниппеле НКТ возникают аксиальные и касательные растягивающие напряжения, которые, складываясь с эксплуатационными напряжениями, могут превысить предел текучести и привести к разрушению НКТ.
• Агрессивная среда, воздействуя на резьбы НКТ, вызывает различные виды коррозии, которые снижают усталостную прочность металла.
• Технологическая наследственность и физическое старение трубной стали также могут оказывать негативное влияние на преждевременное разрушение НКТ по резьбе или зоне сбега резьбы.

С целью увеличения ресурса работы и повышения надежности в эксплуатации резьбового соединения «резьба ниппеля трубы — резьба муфты» необходимо произвести улучшение механических и коррозионных свойств трубной стали в зоне ниппеля НКТ.

Повышение механических и коррозионных свойств резьбы ниппеля НКТ возможно путем лазерного упрочнения трубной стали и нанесения защитного полимерного покрытия на резьбы ниппеля НКТ.

Необходимо отметить, что защитное полимерное покрытие на резьбах НКТ выполняет следующие функции:

• исключает фреттинг-коррозию за счет разделения поверхности резьб НКТ и муфты
• гасит вибрационные колебания
• если резьба муфты подверглась химико-термической обработке (фосфатирование, цинкование), то полимерное покрытие исключает электрохимическую коррозию
• выполняет роль твердой смеси в условиях сухого трения
• повышает уплотнительные свойства резьбового соединения «резьба ниппеля НКТ-резьба муфты»

1. Поверхности «резьба ниппеля — резьба муфты» подвержены сильной коррозии, в результате уплотнительные свойства резьбового соединения нарушаются и герметичность соединения падает.
2. При сборке колонны в условиях промысловой добычи нефти нанесение резьбоуплотнительной смазки на резьбу часто проводится с нарушением установленных правил, что приводит к преждевременному абразивному износу резьбового соединения.
3. Сильная коррозия и различные виды износа поверхности трубы приводит к тому, что количество «свинчиваний-завинчиваний», которое выдерживает резьбовое соединение «труба-муфта» в среднем составляет пять — шесть спускоподъемных операций.
4. Обрыв колонны по резьбе или зоне сбега резьбы НКТ.

Нанесенное защитное полимерное покрытие на резьбы НКТ выполняет следующие служебные функции:

1. Защитные функции:

• 1.1 Повышение коррозионной стойкости к агрессивным пластовым жидкостям и сероводороду.
• 1.2 Разделение поверхности резьбы НКТ и поверхности резьбы муфты полимерной прослойкой позволяет исключить фреттинг-коррозию и электрохимическую коррозию.

2. Полимерное покрытие в паре трения «резьба ниппеля — резьба муфты» НКТ после лазерной обработки выполняет функцию твердой смазки.

3. Повышение уплотнительных свойств резьбового соединения «резьба трубы — резьба муфты» НКТ, то есть сохранение герметичности резьбового соединения.

4. Повышение числа спускоподъемных операций до 40 и более раз.

5. Демпфирует вибрационные колебания колонны.

• Покрытие должно быть прочносцепленным с основой, сплошным, равномерным, гладким. Не допускается наличия вздутий, раковин, трещин, наростов, отслоений.
• Покрытие должно сохранять свои эксплуатационные свойства при температуре от −60 до +250ºС.
• Толщина покрытия должна быть не менее 20 и не более 50 мкм.
• Шероховатость Rz не более 20 мкм.
• Адгезионная прочность по методу решетчатых надрезов, балл — 1 по ГОСТ
• Сохранение защитных свойств после выдержки в 3% NaCl при 20ºС, 40ºС и 60ºС, в нефти при 60ºС в течение 1000 ч.

1. Лазерная очистка поверхности резьб НКТ.
2. Лазерное упрочнение поверхности резьб НКТ и зоны сбега резьбы НКТ.
3. Нанесение защитного полимерного слоя на поверхность резьб НКТ.
4. Лазерное спекание (полимеризация) полимерного слоя и формирование покрытия.
5. Контроль и диагностика полимерного покрытия.

Лазерная очистка резьбы НКТ от органических и неорганических загрязнений, остатков СОЖ позволяет одновременно получить энергетически активированную поверхность близкую к ювенильной, что увеличивает значение адгезии наносимого полимерного покрытия с поверхностью резьбы НКТ.

Назначение технологической операции: повышение уровня адгезии полимерного покрытия к поверхности резьбы НКТ, повышение коррозионной стойкости поверхности, уменьшение уровня подпленочной коррозии.

Внешний вид процесса лазерной очистки поверхности показан на рис. 2.

Рис.2. Внешний вид процесса лазерной очистки поверхности.

На рис. 3 показан внешний вид резьбы ниппеля НКТ до и после лазерной очистки.