книги / Технологические процессы и технические средства для глубинно-насосной эксплуатации нефтяных скважин

Продолжают ступенчатое нагружение с последующим снятием нагрузки в области пластической деформации штанги, в которой фиксируют инструментально непропорциональное пластическое удлинение штанги от приложенной нагрузки, но не более предела прочности материала штанги. После этого разгружают насосную штангу и подготавливают ее для дефектоскопии. Производят продольное намагничивание штанги постоянным током до насыщения при одновременном измерении уровня сигнала магнитных полей рассеяния путем одновременного перемещения намагничивающей и измерительной систем от начала штанги до ее конца, получая тем самым еще одну дефектограмму.

В результате пластического непропорционального удлинения штанги от изменения нагрузки, превышающей максимальное нагружение штанги в скважине, но не более предела прочности материала штанги, в теле штанги, например бывшей в эксплуатации, при наличии дефекта несплошности происходит явное, видимое раскрытие трещины и пластическая деформация поперечного сечения штанги, наиболее пораженного дефектом несплошности, что при дефектоскопии приводит к резкому увеличению амплитуды сигнала с выхода измерительных катушек.

При наличии дефекта типа неоднородности структуры в результате пластического непропорционального удлинения штанги в указанных пределах наблюдается образование, например, шейки, диаметр которой меньше диаметра участка штанги за пределами дефекта. Поэтому при проведении дефектоскопии происходит уменьшение магнитной проводимости в зоне дефекта и, как следствие, резкое увеличение амплитуды сигнала с выхода измерительных катушек. Для бездефектных штанг уровень сигнала с выхода измерительных катушек как по эксплуатационной дефектограмме, так и по дефектограмме после пластической деформации штанги остается неизменным.

Сравнивая уровни выходного сигнала при эксплуатационном и ступенчатом нагружении насосной штанги, судят о возможности дальнейшего использования насосной штанги для глубинно-насосной

141

эксплуатации. Увеличение амплитуды выходного сигнала вследствие пластического непропорционального удлинения насосной штанги при нагрузке не более предела прочности материала штанги говорит о том, что штанга дефектная и непригодна длядальнейшей эксплуатации.

Реализован данный способ с использованием устройства для неразрушающего контроля протяженных ферромагнитных изделий, кон- кретно-насосных штанг [5], фрагмент которогопредставлен нарис. 2.7.

Рис. 2.7. Общий вид устройства для осуществления способа неразрушающего контроля протяженных ферромагнитных изделий, конкретно-насосных штанг(механизмнагруженияштангинаданном рисунке не представлен): 1 – растягивающая машина; 2 – захват для закрепления головки насосной штанги; 3 – насосная штанга;

4 – подвижная платформа при наличии намагничивающих и измерительных обмоток; 5 – намагничивающая обмотка; 6 – измерительная обмотка; 7 – ферромагнитный диск; 8 – гибкая тяга; 9 – барабан с гибкой тягой

Устройство, представленное на рис. 2.7, содержит универсальную растягивающую машину 1 с захватами 2, в которых размещается контролируемая штанга 3, платформу 4 и расположенную на ней намагничивающую систему в виде двух согласно включенных намагничивающих обмоток 5, размещенных коаксиально насосной штанге 3, а также измерительную систему в виде дифференциально включенных измерительных обмоток 6, которые размещены коаксиально

142

штанге 3 между обмотками 5 и разделены между собой ферромагнитным диском 7.

По результатам выполненных исследований, представленным на рис. 2.8, было установлено, что материал ферромагнитного диска, его геометрические размеры и размещения определяют чувствительность устройства для осуществления неразрушающего контроля протяженных ферромагнитных изделий, например насосных штанг.

Рис. 2.8. Чувствительность устройства для осуществления способа неразурушающего контроля взависимости оттолщиныматериала иего геометрии: 1 – шихтованный ферромагнитный диск, размещенный между измерительными катушками; 2 – массивный ферромагнитный диск, наружный диаметр 150 мм; 3 – массивный ферромагнитный диск, наружный диаметр 110 мм; 4 – массивный неферромагнитный диск

Устройство содержит также гибкую тягу 8, уложенную на барабан 9 и предназначенную для перемещения платформы 4.

С использованием устройства, представленного на рис. 2.7, способ неразрушающего магнитоиндукционного контроля протяженного ферромагнитного изделия на примере насосной штанги реализуется следующим образом. Размещают насосную штангу 3 горизонтально и производят нагружение насосной штанги 3 до величины минималь-

143

ного ее нагружения в скважине. Производят дальнейшее нагружение насосной штанги 3 от величины минимального до величины максимального ее нагружения в скважине, одновременно с момента нагружения насосной штанги 3 от величины минимального ее нагружения перемещают вдоль штанги намагничивающую и измерительную системы. Уменьшают механическую нагрузку насосной штанги 3 от величины максимального до величины минимального ее нагружения вскважине, продолжая при этом перемещать намагничивающую и измерительную системы вдоль штанги 3.

После этого производят повторное нагружение насосной штанги от величины минимального до величины максимального ее нагружения в скважине. Одновременно перемещают вдоль штанги 3 от ее конца до начала обмотки 5 и 6 намагничивающей и измерительной систем. Затем уменьшают механическую нагрузку насосной штанги 3 от величины максимального до величины минимального ее нагружения в скважине, продолжая при этом перемещать обмотки 5, 6 вдоль штанги 3. При обратном перемещении от конца насосной штанги 3 до ее начала двух согласно включенных обмоток 5 намагничивающей системы, подключенных к источнику питания таким образом, что магнитное поле совпадает с направлением перемещения, производят продольное намагничивание насосной штанги 3 постоянным полем при величине питающего тока Iр, выбранного из условия 0 < Iр < Iн, где Iн – ток насыщения.

Регистрируют уровень сигнала обмотками 6 измерительной системы во время их перемещения от конца насосной штанги 3 до ее начала и сравнивают результаты измерений при прямом и обратном перемещении указанных систем, а по результатам сравнения судят о природе дефектов: либо несплошность, либо неоднородность структурынасосной штанги 3.

Устройство, реализующее данный способ, работает следующим образом.

Насосную штангу 3 укладывают в захваты 2 универсальной растягивающей машины 1 (см. рис. 2.7). Нагружают штангу 3 до величины минимального нагружения ее в скважине (F1 = 1000 кГс) при по-

144

мощи универсальной растягивающей машины 1. Продолжают нагружение предварительно растянутой штанги 3 до величины максимального ее нагружения в скважине (F1 = 3000 кГс) и одновременно с момента нагружения штанги (F1 = 1000 кГс) намагничивают насосную штангу 3. Продольное намагничивание штанги 3 осуществляют путем перемещения на платформе 4 расположенных коаксиально к насосной штанге 3 обмоток 5. Передвижение платформы 4 осуществляют с помощью гибкой тяги 8, уложенной на барабан 9, а намагничивание производят постоянным магнитным полем обмоток 5 намагничивающей системы до насыщения, при этом магнитное поле в теле штанги от каждой обмотки 5 совпадает с направлением движения этих обмоток 5. После достижения нагружения насосной штанги 3 величины, соответствующей максимальному ее нагружению в скважине (F2 = 3000 кГс), снимают постепенно механическую нагрузку до величины, соответствующей минимальному нагружению штанги 3 в скважине (F1 = 1000 кГс), при этом процесс перемещения обмоток 5 и, следовательно, процесс намагничивания штанги 3 продолжается непрерывно до тех пор, пока платформа 4 не займет конечное положение. Изменение нагрузки по длине насосной штанги 3 и во времени определяется величиной 500 кГс на длине 1 м за 0,5 с. Возможны и другие варианты изменения растягивающей нагрузки, когда максимальное нагружение может приходиться не на середину длины насосной штанги 3.

Таким образом, благодаря тому, что насосную штангу 3 нагружают и разгружают во время перемещения обмоток 5 и 6 намагничивающей и измерительной систем, обеспечивается постоянный одинаковый прогиб насосной штанги 3 на каждом участке нахождения этих обмоток, тем самым обеспечиваются одинаковые условия для измерения уровня сигнала. Поскольку намагничивание производят магнитным полем, имеющим направление, совпадающее с направлением перемещения обмоток 5 и 6 намагничивающей и измерительной систем, обеспечивается наиболее полное промагничивание насосной штанги 3. Это достигается благодаря тому, что происходит втягивание внутрь обмоток 5 магнитных силовых линий основного

145

потока на входе первой и на выходе второй обмоток 5 намагничивания, вызывающее уменьшение длины потока намагничивания.

Измерение магнитного поля рассеяния, эквивалентного дефекту, составляющие которого представлены на рис. 2.9, осуществляется посредством двух обмоток 6 измерительной системы, которые размещены коаксиально к насосной штанге 3 между обмотками 5, разделены между собой ферромагнитным диском 9 и включены по дифференциальной схеме, при этом выход обмоток 6 подключен, например, на вход быстродействующего регистратора. Обмотки 6 перемещаются вдоль штанги одновременно с обмотками 5 намагничивающей системы.

Рис. 2.9. Магнитное поле рассеяния (его составляющие) дефектов несплошности насосной штанги

146

При попадании дефекта в зону первой обмотки 6 измерительной системы (рис. 2.10) происходит перераспределение основного магнитного потока. Величина потока, обтекающего дефект и ответвляющегося в ферромагнитный диск 7, уменьшается, и векторная

сумма потоков Ф1 + Ф2 в диске 7 не равна нулю, вследствие чего на выходе первой измерительной обмотки 6 появляется ЭДС (двухполярный импульс).

Рис. 2.10. Распределение магнитного потока, пронизывающего насосную штангу, при входе дефекта несплошности в зону ферромагнитного диска измерительной системы

Рис. 2.11. Распределение магнитного потока, пронизывающего насосную штангу, при входе участка штанги с неоднородной структурой в зону первой обмотки измерительной системы

147

При попадании дефекта несплошности в зону ферромагнитного диска 7 векторная сумма потоков Ф1 + Ф2 равна нулю, и сигнал на выходе измерительных обмоток 6 отсутствует. В дальнейшем, при вводе дефекта несплошности в зону второй измерительной обмотки 6 в ферромагнитном диске 7, возникает ненулевая векторная сумма потоков Ф1 + Ф2 и во второй измерительной обмотке 6 наводится ЭДС (двухполярный импульс). Благодаря встречному включению измерительных обмоток 6 импульсы ЭДС первой и второй обмоток 6 совпадают по фазе, и на вход регистратора поступает полярный суммарный импульс. Импульсы другой полярности срезаются полупроводниковым диодом.

Таким образом, магнитное поле рассеяния над дефектом несплошности видоизменяет путь прохождения силовых линий, охватывающих измерительные обмотки 6 и входящих в ферромагнитный диск 7. Изменение длины силовой линии обусловлено геометрическими размерами дефекта: величиной раскрытия дефекта, площадью поперечного сечения и протяженностью дефекта [5].

Дефектограмма насосной штанги, включающая импульсы от ее концевых элементов (торца штанги, упорного бурта, подэлеваторного бурта), дефекта, нарушающего сплошность ее тела, и характеристика распределения остаточного магнитного поля в границах головки насосной штанги представлены на рис. 2.12, 2.13.

С использованием искусственных дефектов, например кольцевых ферромагнитных вставок, пропилов (аналог поперечной трещины), глухих отверстий, было установлено предельное расстояние от торца штанги по направлению к ее телу, равное 265 мм (указанное расстояние установлено для комплекса КШ-01, условный диаметр штанги ШН22), причем при величине расстояния <265 мм и при рабочем (номинальном) токе намагничивающей системы выявить дефекты, нарушающие ее сплошность, не представляется возможным.

Объясняется такое положение влиянием размагничивающего фактора, особо проявившегося в разомкнутой цепи, на примере насосной штанги с концевыми элементами при неразрушающем магнитоиндукционном способе ее контроля. Физически это явление объясняется

148

тем, что в открытой магнитной цепи, которая включает ферромагнитную насосную штангу с концевыми элементами, заканчивающихся наружной резьбой, возникает размагничивающее поле Но, направленное навстречу внешнему полю Нв, созданному намагничивающей системой. Поэтому действующее поле Н в штанге определяется как разница Н = Нв – Но.

Следовательно, для неразрушающего контроля концевых элементов штанги магнитное поле намагничивающей системы должно в четыре раза превысить существующее поле, создаваемое действующей системой [61].

В ходе исследований было установлено, что обеспечить необходимую величину магнитного поля с использованием существующей конструкции устройства для неразрушающего контроля протяженных ферромагнитных изделий с концевыми элементами не представилось возможным, исходя из геометрических особенностей исполнения насосных штанг – с одной стороны и наличия ограничений, касающихся габаритных размеров механизмов для транспортировки изделия по ходу технологического процесса и перемещения устройства вдоль изделия, – с другой стороны. Рассматриваемые технические решения позволяют выделить, наряду с дефектами несплошности, также и дефекты неоднородности структуры насосной штанги 3, схематично представленные на рис. 2.11, 2.14. Выделение дефектов неоднородности структуры основано на относительном сравнении непрерывно и локально изменяющихся магнитных проницаемостей участков, расположенных в зоне первой и второй обмоток 5 системы намагничивания, так как магнитная проницаемость участка зависит от объемного содержания феррита, перлита, сорбита, мартенсита в структуре изделия.

При входе дефекта типа неоднородности структуры насосной штанги 3 в поле катушек 5 намагничивания происходит перераспределение встречно направленных частичных магнитных потоков Ф1 и Ф2 основного магнитного потока, ответвляющихся в ферромагнитный диск 7 (см. рис. 2.11, 2.14). Векторная сумма потоков рассеяния Ф1 + Ф2 связана со структурой участка насосной штанги 3 в пределах

150