Диаметр НКТ и характеристики труб в нефтяной промышленности

Насосно-компрессорная труба может выглядеть одним из самых простых элементов скважины: стальная труба, резьба, муфта. На практике ошибка в ее подборе способна изменить гидравлический режим, увеличить нагрузку на подъемное оборудование, осложнить ремонт и сократить срок службы всей колонны.

Особенно часто внимание сосредотачивают на диаметре НКТ. Логика кажется очевидной: чем больше проходное сечение, тем легче движется жидкость. В реальной скважине этого недостаточно. Вместе с диаметром приходится учитывать толщину стенки, массу колонны, прочность стали, резьбовое соединение, давление, глубину спуска, кривизну ствола, коррозионную активность среды и способ эксплуатации.

Поэтому вопрос «какой диаметр НКТ выбрать» фактически означает: какая конструкция трубной колонны обеспечит нужный режим работы скважины без чрезмерных гидравлических потерь и недопустимых механических нагрузок.

Что такое НКТ и зачем они нужны в скважине

НКТ, или насосно-компрессорные трубы, – это трубы, которые спускают внутрь обсадной колонны нефтяной или газовой скважины для транспортирования пластовой продукции и выполнения технологических операций.

По данным учебных материалов Санкт-Петербургского горного университета, НКТ используют для добычи жидкости и газа, нагнетания рабочих сред в скважину, подвески насосного и технологического оборудования и проведения ремонтных операций.

При добыче нефть, вода и газ перемещаются к поверхности преимущественно по внутренней полости колонны НКТ. При закачке направление потока меняется: вода, газ или технологическая жидкость движутся с поверхности к пласту.

НКТ одновременно выполняют несколько функций. Они формируют управляемый канал движения среды, воспринимают собственный вес и дополнительные нагрузки от оборудования, участвуют в компоновке подземной части скважины и позволяют отделить рабочий поток от пространства между трубами и эксплуатационной колонной.

Именно сочетание гидравлических и механических задач делает правильный выбор трубы критически важным.

Какой диаметр НКТ бывает

В российской практике одним из основных нормативных документов остается ГОСТ 633-80 «Трубы насосно-компрессорные и муфты к ним. Технические условия». По данным Росстандарта, стандарт действует и распространяется на стальные бесшовные НКТ нескольких конструктивных типов, применяемые при эксплуатации нефтяных и газовых скважин.

ГОСТ 633-80 предусматривает условные диаметры от 27 до 114 мм. В сортамент входят размеры 27, 33, 42, 48, 60, 73, 89, 102 и 114 мм. Возможность изготовления конкретного размера зависит от типа трубы и толщины стенки.

Здесь возникает первая важная деталь: условный диаметр не всегда буквально совпадает с фактическим наружным диаметром трубы.

Например, НКТ условным диаметром 60 мм имеет наружный диаметр 60,3 мм. Для трубы 89 мм фактический наружный размер составляет 88,9 мм, для 102-миллиметровой – 101,6 мм, для 114-миллиметровой – 114,3 мм. Это нормированные размеры, а не производственная погрешность.

Наружный, внутренний и условный диаметр: что не следует путать

При подборе НКТ специалист работает как минимум с тремя близкими по смыслу величинами.

Условный диаметр используется для обозначения типоразмера.

Наружный диаметр определяет габарит самой трубы. Он важен при оценке возможности спуска через обсадную колонну, пакер, подвеску и другие элементы скважинной компоновки.

Внутренний диаметр определяет фактическое проходное сечение. Именно он непосредственно влияет на скорость движения жидкости, гидравлическое сопротивление и возможность спуска инструментов внутрь колонны.

Для простой трубы внутренний диаметр связан с наружным диаметром и толщиной стенки:

d = D − 2s,

где d – внутренний диаметр, D – наружный диаметр, s – толщина стенки.

Поэтому две трубы с одинаковым наружным диаметром могут иметь разный внутренний проход.

Классический пример – НКТ 73 мм. При толщине стенки 5,5 мм ее внутренний диаметр составляет 62 мм. При толщине 7 мм проход уменьшается до 59 мм. Наружный габарит почти не меняется, гидравлические и прочностные свойства колонны становятся другими.

Основные размеры НКТ по ГОСТ 633-80

В таблице приведены типовые размеры тела труб. Для отдельных конструктивных исполнений сортамент отличается, поэтому при проектировании необходимо обращаться к таблицам конкретного типа НКТ.

Размеры соответствуют сортаменту ГОСТ 633-80; для диаметра 27 мм приведены параметры трубы с высаженными наружу концами. Трубы 89 × 8 мм также предусмотрены не для всех конструктивных типов.

Таблица хорошо показывает, почему обозначения «НКТ-73» недостаточно для полноценного технического описания. Нужно как минимум знать толщину стенки и конструкцию соединения.

Почему НКТ 73 мм встречается особенно часто

Размер 73 мм удобен тем, что занимает промежуточное положение между сравнительно малым и большим проходным сечением. Он подходит для большого числа традиционных компоновок добывающих скважин и совместим со значительным ассортиментом скважинного оборудования.

Однако понятие «стандартный диаметр» не должно превращаться в автоматический выбор.

Для скважины с небольшим дебитом чрезмерно большая НКТ может быть невыгодна с точки зрения режима движения жидкости. При высоком расходе слишком малое проходное сечение увеличивает гидравлические потери.

Размер 73 мм широко представлен и в учебно-производственной практике: например, на полигоне Санкт-Петербургского горного университета среди образцов нефтепромыслового оборудования используются НКТ диаметрами 48, 60, 73 и 89 мм.

Это хорошо иллюстрирует реальные диапазоны, с которыми специалист регулярно сталкивается при эксплуатации и ремонте скважин.

Как диаметр НКТ влияет на работу скважины

Внутренний диаметр определяет площадь проходного сечения. При одинаковом расходе жидкости уменьшение прохода повышает скорость потока.

Рост скорости увеличивает потери давления на трение. Для длинной колонны длиной в несколько километров эффект накапливается по всей глубине.

Представим высокодебитную скважину. Если внутренний проход выбран слишком малым, насос вынужден преодолевать дополнительное гидравлическое сопротивление. Часть энергии расходуется не на полезный подъем продукции, а на преодоление трения в колонне.

Увеличение диаметра способно уменьшить эти потери. Российские отраслевые исследования рассматривают замену НКТ диаметром 73 мм на 89 мм именно как один из способов снижения гидравлических потерь на высокодебитных объектах. Конкретная экономическая граница зависит от характеристик скважины и не может переноситься с одного месторождения на другое без расчета.

Значит ли это, что самая широкая труба всегда лучше? Нет.

Большой диаметр увеличивает массу и наружный габарит колонны, предъявляет другие требования к внутрискважинному оборудованию и сокращает свободное кольцевое пространство между НКТ и эксплуатационной колонной. Выбор остается компромиссом между гидравликой, механической прочностью и конструктивными ограничениями.

Толщина стенки: прочность ценой проходного сечения

Увеличение толщины стенки повышает площадь металлического сечения трубы и позволяет воспринимать более серьезные нагрузки при прочих равных условиях. Одновременно сокращается внутренний диаметр.

У НКТ 73 мм переход от стенки 5,5 к 7 мм уменьшает внутренний диаметр с 62 до 59 мм и повышает массу одного метра с 9,2 до 11,4 кг. Для колонны длиной несколько километров разница в собственной массе уже становится существенной.

Поэтому нельзя рассуждать по принципу «толще – надежнее».

Дополнительный металл действительно дает запас по определенным видам нагрузки. При этом тяжелая колонна сильнее нагружает верхние трубы и подвеску, а уменьшение внутреннего диаметра меняет гидравлический режим.

Правильная толщина стенки определяется расчетом, а не стремлением получить максимальный запас во всех направлениях.

Какие нагрузки испытывают НКТ

Колонна работает в значительно более сложных условиях, чем обычный наземный трубопровод.

На нее действует собственный вес, давление жидкости внутри трубы и снаружи, температура, продольное растяжение и сжатие, изгиб в искривленных участках ствола. Дополнительные нагрузки появляются при спуске оборудования, посадке пакеров, проведении технологических операций и ремонте.

Для определения расчетных характеристик нефтегазовых труб в российской нормативной базе применяется ГОСТ 35016-2023. Стандарт содержит формулы и подходы к расчету свойств обсадных, насосно-компрессорных и других труб нефтегазового назначения и действует в России с декабря 2023 года.

Особенно важна нагрузка на верхний участок колонны. Он удерживает массу расположенных ниже труб и оборудования. Чем глубже спуск, тем более внимательно оценивают растягивающие напряжения и характеристики резьбовых соединений.

В наклонных и горизонтальных скважинах добавляется контакт со стенками, возрастает роль трения и изгиба. Поэтому одинаковая колонна может иметь достаточный запас прочности в вертикальной скважине и менее благоприятные условия работы в сложном пространственном стволе.

Группы прочности НКТ

Диаметр и толщина стенки ничего не говорят о свойствах самой стали.

ГОСТ 633-80 предусматривает изготовление труб из сталей нескольких групп прочности: Д, К, Е, Л, М и Р. С переходом к более высокой группе изменяются нормируемые механические характеристики материала. Стандарт устанавливает, в частности, требования к пределу текучести, временному сопротивлению и относительному удлинению.

Например, минимальный предел текучести для группы Д существенно ниже, чем для групп М или Р. Это позволяет проектировщику подбирать материал в зависимости от глубины, давления и механических нагрузок.

Более высокая прочность сама по себе тоже не является универсальным преимуществом. Необходимо учитывать не только статическую несущую способность, также пластичность, коррозионные условия, особенности соединения и характер эксплуатации.

Для нефтегазовых труб действует и более широкий ГОСТ 31446-2017, который устанавливает требования к обсадным и насосно-компрессорным трубам, размерам, группам прочности, механическим свойствам, контролю и исполнению концов. Росстандарт указывает, что документ действует с 1 июля 2018 года.

Типы НКТ по конструкции

ГОСТ 633-80 предусматривает несколько конструктивных вариантов.

Гладкие трубы имеют постоянный наружный диаметр тела и соединяются муфтами. Зона резьбы ослабляет поперечное сечение конца трубы, что необходимо учитывать при расчете.

Трубы с высаженными наружу концами имеют локально увеличенное сечение металла в зоне соединения. Такое решение позволяет компенсировать ослабление при нарезании резьбы.

Гладкие высокогерметичные трубы НКМ используют специальное соединение с повышенными требованиями к герметичности.

Безмуфтовые трубы НКБ с высаженными наружу концами соединяются без обычной наружной муфты. Конструкция позволяет уменьшить наружный габарит соединения относительно некоторых муфтовых вариантов.

Сортамент стандарта показывает, что не всякий диаметр можно заказать в любой конструкции. Например, труба условным диаметром 27 мм предусмотрена в исполнении с высаженными наружу концами, тогда как высокогерметичные и безмуфтовые варианты начинаются с больших размеров.

Почему диаметр муфты иногда важнее диаметра самой трубы

При проверке возможности спуска нельзя ориентироваться только на наружный диаметр тела НКТ.

У обычной муфтовой колонны соединение имеет больший наружный габарит. Например, для гладкой НКТ 73 мм ГОСТ 633-80 указывает наружный диаметр муфты 88,9 мм. Для НКТ 89 мм муфта имеет наружный диаметр 108 мм.

Это принципиально важно в местах с ограниченным проходом.

Если оборудование имеет внутренний диаметр лишь немного больше тела трубы, колонна может пройти до первой муфты и остановиться. Поэтому при компоновке проверяют максимальный наружный размер соединения, а не только цифру, стоящую в обозначении НКТ.

То же относится к внутреннему проходу. Ограничивающим местом способна стать не гладкая часть трубы, а участок резьбового соединения или установленный внутри элемент оборудования.

Резьбовое соединение как критическая зона

Большинство колонн состоит из десятков или сотен отдельных труб. Значит, надежность всей системы зависит от большого числа резьбовых соединений.

Соединение должно одновременно передавать осевую нагрузку и сохранять герметичность под давлением. Неправильное свинчивание, загрязнение резьбы, повреждение витков или несоблюдение установленного момента способны стать причиной негерметичности или механического разрушения.

Для испытаний резьбовых соединений обсадных и насосно-компрессорных труб в России действует отдельный ГОСТ Р ИСО 13679-2016. Его применение связано с проверкой работоспособности соединений при различных видах нагружения.

Практический вывод простой: техническая характеристика НКТ — это не только свойства металлического тела. Колонна настолько надежна, насколько надежны ее наиболее нагруженные соединения.

Как давление связано с диаметром и толщиной стенки

Труба должна выдерживать внутреннее давление без разрушения и наружное давление без недопустимой потери устойчивости.

При увеличении внутреннего давления металл испытывает окружные напряжения. На сопротивляемость влияют наружный диаметр, толщина стенки и механические свойства стали.

ГОСТ 633-80 устанавливает испытательные гидростатические давления для различных типоразмеров и групп прочности. Например, нормативные значения отличаются для труб одинакового диаметра из сталей разных групп и для НКТ с разной толщиной стенки.

Переносить эти значения напрямую в проект как универсальное разрешенное рабочее давление нельзя. Условия испытания новой трубы на заводе и состояние многократно эксплуатировавшейся колонны различаются.

При расчете реальной скважины дополнительно учитывают износ, коррозию, температуру, сочетание нагрузок, коэффициенты запаса и требования проектной документации.

Что происходит при неправильном выборе диаметра

Слишком маленькое проходное сечение увеличивает скорость потока и потери давления. Для механизированной добычи это может означать дополнительную нагрузку на систему подъема.

Слишком большое сечение тоже способно создать нежелательный режим. В газожидкостном потоке изменение скорости влияет на структуру движения фаз и способность потока выносить жидкость. В скважинах с механизированной добычей диаметр необходимо согласовывать с насосным оборудованием и расчетным дебитом.

Одновременно крупная НКТ занимает больше места внутри эксплуатационной колонны. Уменьшается кольцевой зазор, возникают дополнительные ограничения по пакерам, кабелям, клапанам и другим элементам компоновки.

Поэтому выбор между 60, 73 и 89 мм нельзя делать по одному параметру.

Как выбирают диаметр НКТ

При инженерном подборе оценивают одновременно несколько групп факторов.

Хороший подбор начинается с гидравлического расчета и заканчивается проверкой прочности и совместимости всей компоновки.

Именно всей компоновки. Труба может идеально подходить по расчетному расходу и оказаться непригодной из-за слишком крупной муфты или недостаточного прохода для инструмента.

НКТ при фонтанной добыче

При фонтанной эксплуатации пласт обладает достаточной энергией для подъема продукции.

Диаметр НКТ влияет на потери давления от забоя к устью и на структуру газожидкостного потока. Слишком узкая колонна создает повышенное сопротивление. Чрезмерное увеличение диаметра способно снизить скорость потока.

Задача проектировщика — найти проход, при котором скважина работает устойчиво в ожидаемом диапазоне дебитов и давлений.

Причем параметры меняются во времени. Пластовое давление снижается, обводненность увеличивается, газовый фактор меняется. Выбранная при вводе скважины колонна должна учитывать не только первый месяц работы, также прогнозируемый режим эксплуатации.

НКТ при насосной эксплуатации

При использовании погружных насосов колонна НКТ служит каналом подъема продукции и одновременно частью механической компоновки.

Для установок с погружным центробежным насосом необходимо обеспечить требуемую пропускную способность и совместимость с оборудованием. При штанговой добыче внутри НКТ перемещается колонна насосных штанг, поэтому внутреннее пространство используется не только жидкостью.

Трение штанг о внутреннюю поверхность труб особенно важно в искривленных скважинах. Оно может ускорять локальный износ.

Поэтому две скважины с одинаковым дебитом способны потребовать разных конструкций НКТ из-за различий в способе добычи и траектории.

Коррозия и отложения: почему внутренний диаметр со временем меняется

Табличный внутренний диаметр относится к геометрии трубы. В реальной эксплуатации эффективное проходное сечение может уменьшаться.

На внутренней поверхности способны образовываться солевые и асфальтосмолопарафиновые отложения. Одновременно металл подвергается коррозии и эрозионному воздействию.

В результате возникают два разных процесса. Отложения уменьшают проходное сечение, повышая гидравлическое сопротивление. Коррозия уменьшает остаточную толщину металла, снижая прочностной запас.

Для осложненных условий применяют защитные покрытия и специальные материалы. Например, «Удмуртнефть» сообщала о промысловых испытаниях НКТ с эпоксидно-фенольным покрытием для противодействия коррозии и асфальтосмолопарафиновым отложениям.

Выбор покрытия тоже требует анализа среды. Универсальной защиты, одинаково эффективной при любом составе продукции и температуре, не существует.

Почему НКТ приходится контролировать и ремонтировать

Трубы работают циклически: их спускают, эксплуатируют, извлекают при ремонте, проверяют и при пригодности могут использовать повторно.

Каждая операция создает дополнительное воздействие на тело трубы и резьбу. Возможны истирание, местная потеря толщины стенки, коррозионные повреждения и деформация соединений.

Неразрушающий контроль позволяет выявлять дефекты без разрушения самого изделия. Российские федеральные нормы относят к таким работам дефектоскопию, измерение размеров и толщинометрию, а также контроль свойств объекта.

Масштаб задачи хорошо виден на примере нефтесервисной инфраструктуры: «Роснефть» указывает среди направлений деятельности предприятий ремонт сотен тысяч единиц НКТ в год, а также дефектоскопию оборудования и нанесение полимерных покрытий.

То есть НКТ – не одноразовая расходная деталь. Это технический объект с собственным жизненным циклом.

Почему масса НКТ важна не меньше диаметра

При сравнении двух типоразмеров легко увидеть только разницу в проходе. Для расчета колонны важна и масса.

Один метр НКТ 60 × 5 мм имеет массу тела около 6,8 кг. У трубы 73 × 5,5 мм – 9,2 кг, у 89 × 6,5 мм – 13,2 кг.

На одном метре разница выглядит небольшой. На колонне длиной 3000 м речь идет уже о десятках тонн металла.

Причем верхние трубы воспринимают вес нижней части колонны. Добавляются вес оборудования, динамические воздействия, температурные деформации и перепады давления.

Поэтому увеличение диаметра для снижения гидравлических потерь обязательно проверяют на механическую допустимость.

Кому точно стоит изучать подбор и характеристики НКТ

Подробное понимание конструкции НКТ требуется не только инженеру, который непосредственно составляет компоновку скважины.

Повышение квалификации по эксплуатации нефтяных и газовых скважин, нефтегазопромысловому оборудованию и расчету колонн НКТ особенно полезно следующим специалистам:

• инженерам по добыче нефти и газа, которые выбирают режим эксплуатации и анализируют причины снижения дебита;
• технологам нефтегазодобывающих предприятий, участвующим в подборе внутрискважинного оборудования;
• мастерам и специалистам текущего и капитального ремонта скважин, которые работают со спуском, подъемом и дефектацией труб;
• инженерам-механикам, отвечающим за надежность оборудования;
• специалистам по промышленной безопасности и технической диагностике;
• работникам служб коррозионного мониторинга;
• молодым специалистам нефтегазовых предприятий, которым необходимо научиться читать сортамент, маркировку и расчетные характеристики НКТ.

Подобная подготовка должна выходить за рамки запоминания стандартных диаметров. В программе важно разбирать расчет допустимой длины колонны, прочность резьбовых соединений, внутреннее и наружное давление, влияние кривизны ствола, гидравлические потери, коррозионный износ и подбор труб для осложненных условий.

Показательно, что учебные программы Тюменского индустриального университета по оборудованию для добычи нефти отдельно предусматривают изучение конструкции НКТ по ГОСТ, материалов и групп прочности, маркировки, расчетов при подборе и эксплуатации, труб для осложненных скважин и покрытий.

Такой набор компетенций отражает реальную производственную задачу: специалист должен не просто узнать НКТ-73 по маркировке, а понимать, почему именно эта труба находится в конкретной скважине и где проходит граница ее безопасной эксплуатации.

Почему цифры на трубе нельзя рассматривать по отдельности

Диаметр НКТ – одна из центральных характеристик колонны, хотя сам по себе он почти ничего не решает.

НКТ 73 мм может иметь разную толщину стенки, конструкцию концов и группу прочности. Две трубы с одинаковым телом способны отличаться соединениями. Увеличение внутреннего прохода уменьшает потери давления, одновременно меняет массу и геометрию компоновки. Более толстая стенка повышает способность воспринимать определенные нагрузки, одновременно сокращает проход.

Поэтому профессиональный подбор начинается не с вопроса «60, 73 или 89 мм?», а с режима, в котором должна работать скважина.

Сначала определяют необходимую пропускную способность и особенности движения продукции. Затем проверяют давление, глубину, температуру и нагрузки. После этого оценивают наружные габариты, соединения, оборудование и условия коррозии. И только совокупность этих данных превращает размер трубы из строки сортамента в инженерно обоснованное решение.

В нефтяной скважине НКТ работает на протяжении километров, поэтому небольшая ошибка в характеристиках многократно усиливается длиной колонны. Именно здесь несколько миллиметров действительно способны иметь производственное значение.

Популярные статьи в категории:

01.12.2020

105464

Экологические проблемы нефтяной промышленности

10.10.2020

47841

Как работают зарубежные нефтяники?

17.07.2020

7397

Как стать геологоразведчиком?