Повышение прочности и долговечности замковых резьбовых соединений бурильной колонны тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ
|
Барышников, Анатолий Иванович
АВТОР
|
||||
|
доктора технических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Москва
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
1998
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.02.06
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ-ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ ПО ТЕХНОЛОГИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ "ГНЦ РФ ЦНИИТМАШ"
Р Г Б Оа
На правах рукописи
" - л
БАРЫШНИКОВ Анатолий Ивапович
УДК 620.178.3:352:621.
ПОВЫШЕНИЕ ПРОЧНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЗАМКОВЫХ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ
01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Москва - 1998
Работа выполнена в Научно-исследовательском и проектно-конструкторском институте буровой техники "ВНИИБТ" и в Государственном Научном Центре Российской Федерации Научно-производственное объединение по технологии машиностроения "ГНЦ РФ ЦНИИТМАШ"
Официальные оппоненты: доктор технических наук, Васильченко Г.С.
доктор технических наук, засл. деят. науки и техники России, профессор Лачинян Л.А. доктор технических наук, Цырин Ю.З.
Ведущее предприятие: СКВ "Геотехника"
Защита состоится 1ЭЭ8 г. в ^ час. на заседании
специализированного совета Д.145.03.04 при Государственном Научном центре Российской Федерации Научно-производственное объединение по технологии машиностроения "ГНЦ РФ ЦНИИТМАШ" (109088, г. Москва, ул. Шарикоподшипниковская, д.4).
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГНЦ РФ ЦНИИТМАШ.
Телефон для справок: 275-85-33 Автореферат разослан 1993 г.
Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук
Д.Н. Клауч
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Лктуалытсть^лраблег.ял. С увеличением объема бурения глубоких и сверхглубоких скважин, морского бурения с платформ и буровых судов приобретает первостепенное значение обеспечение работоспособности элементов бурильных колонн. Стоимость бурильных колонн при таких глубинах сопоставима со стоимостью всей буровой установки. С началом использования современных сварных бурильных труб наиболее слабыми элементами бурильной колонны становятся замковые резьбовые соединения (ЗРС), которые являются определяющими в конструкции таких узлов, как бурильные трубы, УБТ, переводники, центраторы, калибраторы, забойные двигатели и буровой инструмент.
Статистические данные показывают, что 60% всех аварий с бурильными колоннами связано с их недостаточной статической прочностью на кручение и циклической долговечностью (сопротивлением усталости их элементов) и в большей части - ЗРС. Так, по данным исследователей, при бурении скважин в Персидском заливе усталостные разрушения резьбовых соединений наблюдались в среднем через каждые 2000 метров проходки и стоимость ликвидации такой аварии составляла около 100.000$. Затраты, связанные с устранением осложнений в скважине при разрушении элементов бурильной колонны, за рубежом оцениваются в сотни миллионов долларов. Так в 1989 г. только в Agip (Италия) такие затраты составили 367.000$ на скважину. После значительного сокращения периода между дефектоскопиями эти затраты уменьшились до 83.000$ при повышении расходов на дефектоскопию до 164.000$.
Трудности проектирования новых конструкций ЗРС и, в особенности, соединений большого диаметра (например, колонн подъемных труб для добычи полезных ископаемых со дна океана) указывают на отсутствие как в нашей стране, гак и за рубежом, единой математической модели оценки влияния основных конструктивных и технологических факторов на прочность и долговечность таких соединений. Как показали настоящие исследования, использование современных математических методов (в частности, метода конечных эелементов - МКЭ) на базе мощных вычислительных комплексов позволяет решить эту проблему.
Наравне с проектированием оптимальных конструкций ЗРС, нерешенной проблемой остается оцедаа их прочности и обеспечение заданной долговечности в процессе эксплуатации, что включает такие вопросы, как
оценка нагрузок, действующих на элементы бурильной колонны в скважине, выбор оптимальных систем отработки и определение степени отработанности отдельных элементов и всей колонны в целом, установление критериев отбраковки и периодичности различных видов неразрушающего контроля. В области нефтяного бурения комплексному решению подобной задачи уделялось незначительное внимание, что объясняется отсутствием апробированных методик и надежной вычислительной техники на буровых, трудностями индикации комплектов труб (и отдельных элементов) и контроля за их перемещениями, необходимостью учета накопления усталости, абразивного износа и т.д. Внедрение современных компьютизированных комплексов геолого-технологических исследований (ГТИ) скважин дает возможность по-новому подойти к решению проблемы создания эффективных систем отработки основных элементов бурильных колонн на буровой. Однако вопросы создания и использования автоматизированных систем оценки и оперативного контроля технического состояния элементов бурильной колонны еще недостаточно изучены. Это, в свою очередь, препятствует эффективному использованию компьютерных станций ГТИ и интерпретации полученных результатов контроля непосредственно на скважине.
Из этого следует, что обеспечение прочности или заданной долговечности ЗРС возможно только при системном подходе к решению данной проблемы. А именно, при разработке и внедрении эффективных систем проектирования, эксплуатации и контроля замковых резьбовых соединений для конкретных условий эксплуатации с использованием современных компьютизированных комплексов.
Теоретические и экспериментальные исследования влияния основных конструктивных и технологических факторов на прочность и долговечность ЗРС; разработка и внедрение наиболее эффективных методов повышения эксплуатационных характеристик ЗРС; научное обоснование и разработка основ комплексных автоматизированных систем контроля технического состояния бурильной колонны с использованием компьютизированных станций ГТИ; разработка современной техники и технологии неразрушающего контроля замковых соединений.
1. Теоретические исследования и оценка влияния конструктивных и технологических факторов на напряженное состояние элементов ЗРС с использованием метода конечных элементов (МКЭ) и создание эффективной модели нагружения, адекватной реальным условиям эксплуатации;
2. Проверка и уточнение основных результатов теоретических исследований путем проведения широкомасштабных натурных испытаний ЗРС;
3. Разработка и внедрение наиболее эффективных методов упрочнения ЗРС, а также основ автоматизированных систем оценки эксплуатационных характеристик существующих конструкций и проектированию новых соединений для заданных условий эксплуатации;
4. Разработка основных требований к неразрушающему контролю ЗРС и метода оценки качества их сборки при эксплуатации;
5. Разработка научных основ систем контроля технического состояния ЗРС при эксплуатации на базе компьютизированных комплексов ГТИ.
1. Разработана эффективная модель ЗРС с использованием МКЭ, и получены параметрические зависимости напряженного состояния его элементов от основных конструктивных и технологических факторов.
2. Установлены зависимости и построены номограммы, определяющие допустимые условия эксплуатации ЗРС при приложении комбинированных нагрузок: крутящего момента свинчивания, растягивающих и крутящих нагрузок. Предложен новый параметр, представляющий собой отношение максимального крутящего момента при приложении максимальной растягивающей нагрузки к оптимальному крутящему моменту свинчивания. Этот параметр позволяет оценивать сопротивление кручению упорных резьбовых соединений при действии растягивающих нагрузок (возможность докрепления или раскрепления ЗРС в скважине).
3. На основе результатов натурных усталостных испытаний ЗРС бурильной колонны разработаны рекомендации по повышению сопротивления усталости существующих конструкций ЗРС: выбор оптимального типоразмера соединений при заданных условиях эксплуатации; расчет оптимальных диаметров зарезьбовых
разгружающих канавок на ниппеле и муфте; ограничение минимального и максимального значений предела текучести материала и т.д.
4. Установлены основные закономерности влияния различных конструктивных и ч технологических факторов на сопротивление усталости ЗРС, позволяющие автоматизировать: проектирование новых ЗРС с заданными (оптимальными) прочностными характеристиками; оценку сопротивления усталости существующих конструкций ЗРС и проведение анализа причин их усталостного разрушения; выбор наиболее эффективных упрочняющих методов.
5. Установлены основные закономерности усталостного повреждения элементов ЗРС при стационарном и нестационарном циклическом нагружении, что позволило обосновать комплекс требований к технике и технологии их неразрушающего контроля.
6. Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден принципиально новый метод контроля качества сборки ЗРС, который впервые дает возможность оперативно оценивать напряженное состояние упорных резьбовых соединений при сборке по величине крутящего момента путем пробного закрепления и раскрепления каждого соединения.
7. Разработаны теоретические основы автоматизированных систем контроля
технического состоянния элементов бурильной колонны на буровой с использованием компьютизированной станций ГТИ.
Разработанные рекомендации и технические решения по проектированию, эксплуатации и контролю ЗРС внедрены в основных нефтегазовых регионах страны, на Дрогобычском экспериментально-механическом заводе спецоборудования (ДЭМЗСО), ВНИИБТ, ВНИИТНнефть, ВНИГИК и СКВ "Геотехника". Результаты иследований использованы при разработке межотраслевых и отраслевых РД, отраслевых учебных материалов, технических заданий на разработку автоматизированных систем и аппаратуры.
Первой апробацией результатов настоящих исследований были промысловые испытания УБТ с новыми ЗРК на ниппеле и муфте в 1983 г. в объединении Ухтанефтегазгеология. В этих экспедициях стандартные соединения УБТ диаметрами 108, 178 и 203 мм упрочнялись оптимальными
ЗРК. Эти конструкции УБТ повышенной эксплуатационной надежности были отмечены медалью ВДНХ СССР на выставке НТТМ-82
Результаты исследований по повышению эксплуатационных характеристик ЗРС бурильной колонны включены в отраслевые стандарты: "Инструкция на конические резьбовые соединения для забойных двигателей", "Типовые технологические инструкции по подготовке к эксплуатации и ремонту бурильных, утяжеленных и ведущих труб в цехах центральных трубных баз производственных объединений Миннефтепрома", "Типовой технологический процесс упрочнения сваркой соединительных элементов утяжеленных и ведущих бурильных труб", "Инструкция по предотвращению аварий в бурении" и "Инструкция по эксплуатации бурильных труб". Разработанные методики расчета ЗРС на сопротивление усталости на основе натурных усталостных испытаний вошли в "Методические рекомендации по расчету и эксплуатации замковых резьбовых соединений бурильной колонны и забойных двигателей".
Результаты исследований характера развития усталостных трещин в ЗРС (скорости развития усталостных трещин, величины отбраковочного критерия и периодичности неразрушающего контроля) были учтены при разработке технических заданий на феррозондовый дефектоскоп замковых резьб (ТЗ 41-03-0158-80) и систему неразрушающего контроля стальных бурильных труб нефтяного сортамента (ТЗ 41-03-0157-80). Эти приборы успешно эксплуатируются при неразрушающем контроле элементов бурильной колонны при бурении нефтяных и газовых скважин. По результатам исследований периодичности контроля резьбовых соединений бурильной колонны были составлены "Временные методические рекомендации по определению периодичности ультразвуковой дефектоскопии стальных бурильных труб для наклонно-направленных скважин Юго-Западного Таджикистана". Эти рекомендации были внедрены в Таджикгеологии и позволили более эффективно обеспечить проводку глубоких скважин в этом регионе.
Результаты исследований и разработка современных систем контроля технического состояния бурильной колонны были использованы при разработке ТЗ на ОКР "Программное обеспечение геолого-технологической подсистемы аппаратурно-методического комплекса "Разрез" (Калинин, ВНИГИК, 1987), "Комплекс аппаратуры и оборудования для геофизических, геохимических, гидродинамических и геолого-технологических исследований
при бурении и испытании поисково-разведочных скважин" (Калинин, ВНИГИК, 1987г.) и технического проекта "Автоматизированной системы технологических исследований при бурении научных скважин с морского судна" (Калинин, ВНИГИК, 1989 г.).
По материалам исследований были подготовлены учебные материалы по "Организации и проведению геолого-технологических исследований скважин", "Оперативному контролю технического состояния бурильной колонны в автоматизированных технологических системах" и "Анализу технологических ситуаций оператором станции СГТ и выработка соответствующих рекомендаций" для института повышения квалификации руководящих работников и специалистов геологической службы страны.
С целью подготовки серийного производства на Дрогобычском экспериментально-механическом заводе спецоборудования (ДЭМЗСО) в 1986-87 гг. были проведены широкомасштабные промысловые испытания УБТ с ЗРК оптимальных размеров. Результаты этих промысловых испытаний показали, что достигнутая максимальная долговечность (наработка) УБТС2-229 и УБТС2-178 с ЗРК оптимального диаметра в 1,7 раза превышает предусмотренную по ТУ51-774-77 для УБТС2 (со стандартными ЗРК) и составила 3700...4200 ч. Эти результаты послужили основанием для внесения изменений в действующее ТУ на производство УБТС2. Получен подтвержденный экономический эффект от серийного производства УБТС2 с оптимальными конструкциями ЗРК на ниппеле и муфте - более 1 млн. долларов США в год.
Вопросы, составляющие содержание диссертации, докладывались автором на многих межотраслевых, отраслевых и региональных конференциях и семинарах, в том числе на 5 международных конференциях SPE/IADC (1994 - 1998) и 2 симпозиумах ASME (1995 и 1997):
• II научно-технической конференции молодых ученых и специалистов КО ВНИИГИС (Калинин, 1981);
• научно-техническом семинаре молодых ученых и специалистов "Особенности бурения, разработки и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений в условиях Западной Сибири" (Тюмень, 1981);
• IX и X научно-технических конференциях молодых ученых и специалистов ВНИИТнефть (Куйбышев, 1982 - 1983);
• XII, XIII и XIV научно-технических конференциях молодых ученых и специалистов ВНИИБТ (Москва, 1982 - 1984);
• Всесоюзном семинаре "Изучение керна, шлама и геолого-технологические исследования нефтегазовых скважин" (Калинин, 1986);
• областных научно-практических конференциях "Разработка аппаратуры для промыслово-геофизических и геолого-технологических исследований на нефтегазовых месторождениях Западной Сибири" (Тюмень, 16-19 марта 1987 г.) и "Состояние и перспективы геолого-геофизических исследований, проводимых в процессе бурения скважин" (Нижневартовск, 4-8 апреля 1987 г.);
• школе передового опыта "Повышение эффективности геофизических исследований глубоких скважин в нефтегазовых провинциях Украины" (Киев, ВДНХ УССР, 21-23 апреля 1987 г.);
• научно-практической конференции "Контактное взаимодействие твердых тел" (Калинин, КПИ, 7-8 апреля 1988 г.);
• Всесоюзной конференции "Механика горных пород при бурении" (Грозный, 1988 г.);
• школе передового опыта по ГТИ (Калинин, 1988 г.);
• семинаре "Новая технология геофизических исследований в нефтегазовых скважинах" (Тюмень, 1990 г.);
• международных конференциях SPE/IADC (Dallas, ТХ, Febr. 15-18, 1994; Amsterdam, NL, 28 Febr. - 2 March, 1995; Dallas, TX, 22-25 Oct. 1995; Amsterdam, NL, 4-6 March, 1997);
• технологических симпозиумах ASME (Houston, TX, Jan.29 - Febr.l, 1995; Houston, TX, Jan. 28-30, 1997);
• 2-ой конференции ARPO Agip (Milan, Italy, 4-6 March, 1998).
Основные положения проведенных исследований опубликованы в 80 печатных работах, в том числе 16 авторских свидетельствах на изобретения и патентах, 3 брошюрах по основным направлениям исследований и диссертации на соискание научной степени кандидата технических наук "Работоспособность резьбовых соединений бурильной колонны при циклическом нагружении". Кроме того, отдельные вопросы исследований изложены в 16 научно-технических отчетах КО ВНИИГИС (1978-1980 гг.), ВНИИБТ (1981-1983 гг.) и ВНИГИК (1984-1991 гг.).
Диссертация состоит из введения, десяти глав, основных выводов и приложения с первичными данными исследований и документами, подтверждающими реализацию работ в промышленности. Работа изложена на 316 страницах машинописного текста, включает 48 таблиц, 215 рисунков, библиографический перечень из 363 наименований и содержит 7 приложений.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе анализируются условия эксплуатации, прочности и долговечности элементов бурильной колонны при бурении нефтегазовых скважин, а также основные этапы совершенствования конструкций ЗРС. На основании анализа фактических данных указывается на низкую надежность ЗРС особенно в сложных геолого-технологических условиях бурения скважин. С момента внедрения (1925 г.) и до настоящего времени замковое соединение с однозаходной конической резьбой обычной формы и углом при вершине 60° остается практически неизменным, что подчеркивает как высокие результаты работы создателей первоначальной конструкции, так и сложность задачи обеспечения работоспособности ЗРС при эксплуатации.
Во второй главе дается краткий критический обзор результатов основных научных исследований резьбовых соединений большого диаметра и, в частности, замковых резьбовых соединений бурильной колонны. Трудами отечественных ученых Александрова М.М., Газанчана Ю.И., Дубленича Ю.В., Крыжановского Е.И., Кудрявцева И.В., Лачиняна Л .А., Лисканича М.В., Песляка Ю.А., Пахмурского Е.К., Саркисова Г.М., Сарояна А.Е., Семина В.И., Султанова Б.З., Угарова CA., Файна Г.М., Чернова Б.А., Штамбурга В.Ф., Щербюка Н.Д., Эр лиха Г.М., Яремийчука P.C. и других, а также работами зарубежных исследователей Altmann Т., Brinigar D.W., Dale В .A., Farr А.Р., Gormley I.F., Hasford I.E., Hauk V., Lubinsky A., Mansholt F., Rollings H.M., Smith J., Trichman L.E., Tsukano У., Weiner H.D. и других создана теория работы бурильной колонны в скважине, методы расчета ее элементов на прочность, начаты работы про проблемам повышения прочности и долговечности ЗРС.
Делается основной вывод о возможности решения данной проблемы путем комплексной постановки и решения задач разработки различных конструктивных и технологических способов упрочнения ЗРС, создания
научных основ их расчета и проектирования, разработки и внедрения систем контроля технического состояния элементов бурильной колонны при эксплуатации. Эффективное решение поставленных задач возможно только с использованием современных компьютизированных комплексов. Приводится перечень первоочередных теоретических и экспериментальных исследований, выполнение которых необходимо для достижения поставленной цели настоящей работы - создание научных основ обеспечения высокой прочности и долговечности элементов бурильной колонны.
Третья глава посвящена описанию методики и программного обеспечения теоретических и экспериментальных исследований. Приведены конструкции испытательных стендов и измерительной аппаратуры, используемых при проведении исследований. Представлены результаты сравнительного опробования различных программных систем по МКЭ. По результатам проведенного анализа выбрана расчетная система "Маге" на базе компьютерной станции IBM RISC System 6000, наиболее полно отвечающей требованиям анализа напряженного состояния ЗРС при воздействии крутящего момента свинчивания, растягивающих, изгибающих и крутящих нагрузок. С использованием этой системы проведена основная часть теоретических исследований ЗРС. Система "Cosmos/M" на базе персональной ЭВМ предложена как модуль в разрабатываемых экспертных системах по расчету и проектированию ЗРС.
В четвертой главе приведены результаты теоретических исследований напряженного состояния элементов ЗРС при воздействии основных эксплуатационных нагрузок с использованием МКЭ.
Наиболее сложной 'задачей анализа напряженного состояния механической конструкции методом МКЭ является создание адекватной модели нагружения, отвечающей реальным условиям нагружения этой конструкции при эксплуатации. В этой главе дается обоснование такой модели для ЗРС при приложении осесимметричной растягивающей нагрузки (двухразмерная модель) и неосесимметричных изгибающих и крутящих нагрузок (упрощенная, трехразмерная модель). Предварительное напряженное состояние модели ЗРС от свинчивания имитируется температурным осевым расширением упорного торца муфты на величину, равную реальной осевой деформация ниппеля и муфты при свинчивании.
Величина осевой деформации ниппеля и муфты при свинчивании определяется экспериментально по диаграмме "момент-вращение". Показан характер и величина пластических деформаций, возникающих в ЗРС при свинчивании и приложении внешних нагрузок. Обоснованы различные программы приложения внешних нагрузок к модели ЗРС с целью устранения влияния первоначальных пластических деформаций на результаты анализа.
В главе приведены результаты анализа напряжений и деформаций различных элементов ЗРС при приложении крутящего момента свинчивания, растяжения, изгиба и кручения. Проведено сравнение коэффициентов внешней нагрузки ниппеля на растяжение (определенных по различным методикам) с результатами анализа ЗРС методом МКЭ и показана необходимость их уточнения. По результатам исследований впервые определены коэффициенты внешних нагрузок для отдельных элементов ЗРС (витка резьбы, участка упорного торца и т.д.). В качестве примера на рис. 1 приведено распределение по виткам резьбы (N,) коэффициента внешних нагрузок на растяжение (Квр) резьбовых соединений NC46 и NC56.
Квр
0,04
0,03
0.02
0.01
о
2
6
е W 12
Номер витка резьбы
14
16
Рис. 1 Распределение коэффициента внешних нагрузок К по виткам резьбы ЫС46 165x70,6 и N056 203,2x71,5 при растяжении: 1 - ИС45; 2 - МС56
Приведенные результаты показывают существенное изменение К,как по длине резьбы, так и для различных конструкций соединений, что позволят использовать этот параметр для анализа и оптимизации конструкций ЗРС. Для практического использования результатов проведенных исследований предложены параметрические зависимости, определяющие характер циклического нагружения элементов стандартных ЗРС в зависимости от изменения его основных геометрических параметров.
В этой главе приведен также анализ работы ЗРС при приложении комбинированных статических нагрузок - крутящего момента свинчивания, растяжения и кручения. Предложенная номограмма (Рис. 2) показывает предельные условия нагружения ЗРС для этого случая: нарушение герметичности, статическое разрушение, развинчивание, докрепление и т.д. Отношение М3/М4 (параметр TMR) дает возможность определять и/или изменять способность ЗРС докрепляться (или раскрепляться) в скважине при приложении крутящего момента и растягивающей нагрузки.
Qp Q1
Предел прочности ниппеля МЗ
: \ Докрепление на пределе \ прочности ниппеля
Допустимая область / \ /
нагружения \ ; Докрепление на пределе \ : / прочности муфты Докрепление \ у ^ при Мсв=М4 \ ;
0 АН Ml М2 Мкр
Рис. 2 Допустимая область нагружения ЗРС при кручении и растяжении
, посвящена результатам теоретических и экспериментальных исследований влияния основных конструктявных и технологических факторов на сопротивление усталости ЗРС.
Важнейшими конструктивными фактора'ми, определяющими сопротивление усталости ЗРС, являются его' наружный и внутренний диаметры, а также диаметры резьбы в опасных сечениях муфты и ниппеля. Результаты исследований влияния масштабного фактора на предел
выносливости ЗРС представлены в работах Щербюка Н.Д., Газанчана Ю.И., Кудрявцева И.В., Дубленича Ю.В. и Чернова Б.А. В этой главе приведены результаты дальнейших исследований масштабных зависимостей пределов выносливости ЗРС при разрушении по муфте или ниппелю.
Впервые обоснована необходимость использования и определен новый параметр ЗРС - фактический коэффициент внешней циклической нагрузки ниппеля на изгиб, определяющий соотношение предельных переменных изгибающих моментов (пределов выносливости) ниппеля без затяжки и при сборке соединения с оптимальным крутящим моментом свинчивания. Получена тесная корреляционная зависимость этого параметра от теоретического коэффициента внешней нагрузки ниппеля на изгиб (Рис. 3), что позволяет оптимизировать конструкцию ниппельной части и оценивать сопротивление усталости нестандартных ЗРС.
Книу
0,3
0,2
ОД ..
Ос >100 мм
У
О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Кни
Рис. 3 Зависимость фактического коэффициента внешней циклической нагрузки ниппеля на изгиб Кии от его теоретического значения Кии
Приведены результаты анализа (с использованием МКЭ) напряженного состояния ЗРС от длины свинчивания, что позволяет оптимизировать этот параметр. Показано определяющее влияние длины свинчивания на сопротивление усталости муфты конусного упорного резьбового соединения. Представлены результаты исследований зависимости характера нагружения ЗРС при приложении циклических нагрузок от величины конусности и обосновывается необходимость проектирования соединений большого диаметра с повышенной конусностью. Оптимизированы
соотношения основных геометрических параметров профилей замковых резьб и условий их сопряжения и показано, что увеличение радиуса впадин резьбы наиболее эффективно для муфтовой части ЗРС. Возникновение значительных пластических деформаций при свшгчивании в первом сопряженном витке резьбы ниппеля (ПСВ) снижает эффективность увеличения радиуса их впадин.
Проанализированы основные типы применяемых ЗРК ниппеля и муфты и показано, что эффективность стандартных ЗРК с увеличением диаметра ЗРС падает. Разработан эффективный метод оценки оптимальных размеров ЗРК с использованием МКЭ. Пересечение зависимостей амплитуды циклических нагрузок для ПСВ резьбы и ЗРК (по результатам анализа МКЭ) при изменении диаметра зарезьбовой канавки определяет условие их равнопрочности, т.е. наибольшее сопротивление усталости ниппеля или муфты (Рис. 4).
Рис. 4 Зависимость Кв$р для ПСВ резьбы и ЗРК муфты (тип ЗМ) при изменении в.ги.А для ИС46 165x70,6 при ¡с=0,336 и бр=0...50 Мпа
Проведенные многочисленные натурные усталостные испытания различных типоразмеров ЗРС и полученные зависимости оптимальных диаметров ЗРК ниппеля и муфты от основных геометрических размеров ЗРС позволили повысить пределы выносливости соединений на 20...50% (Рис. 5) по сравнению со стандартными конструкциями ЗРК. Делается вывод о возможности дальнейшего повышения эффективности ЗРК за счет оптимизации радиуса галтелей и технологии их поверхностного пластического деформирования (ППД).
Рис. 5 Результаты усталостных испытаний соединения 3-147 УБТ 178x80 с оптимальными ЗРК на ниппеле и муфте
Специальный раздел главы посвящен изучению напряженного состояния упорного торца ЗРС при приложении циклических нагрузок. Результаты исследования с использованием МКЭ показали, что напряженное состояние упорных торцев имеет сложный характер и зависит от их размеров и конструкции поверхностей. При наличии фаски контактные напряжения концентрируются на внешней и внутренней стороне торца, где возможно превышение предела текучести материала соединения. При приложении циклических нагрузок контактные напряжения на отдельных участках упорного торца изменяются в зависимости от изменения нагрузок по виткам резьбы и, в свою очередь, конструкция и размеры упорного торца влияют на характер циклического нагружения витков резьбы (Рис. 6). Впервые показана взаимосвязь характера циклического нагружения отдельных участков упорного торца и витков резьбы. Получены зависимости коэффициента внешних нагрузок ПСВ резьбы ниппеля от основных геометрических параметров упорного торца - наружного и внутреннего диаметров.
О 2 4 6 8 10 12 14 ЛГв
Рис. 6. Распределение коэффициента внешних нагрузок по виткам резьбы (Кц,) N056 203,2x71,5 для различных диаметров упорного торца (От)
В следующем разделе главы, тесно связанном с исследованиями крутящего момента свинчивания, приведены фактические данные по влиянию разброса прочностных характеристик выпускаемых элементов бурильной колонны на сопротивление усталости ЗРС при фиксированном крутящем моменте свинчивания. Обоснована необходимость ограничения минимального и максимального значений предела текучести материала и его допустимого изменения в пределах 200 МПа, повышающее эксплуатационную надежность ЗРС.
В разделе, посвященном влиянию крутящего момента свинчивания (Мсе) на сопротивление усталости ЗРС, приводятся результаты теоретических исследований N046 165x71 с использованием МКЭ. Результаты исследований показывают, что эффект влияния Мс> на сопротивление усталости ЗРС определяется пластическими деформациями, возникающими во впадине ПСВ резьбы ниппеля, которые возникают уже при небольших значениях Мсв. Пластические деформации разгружают ПСВ резьбы ниппеля, создавая более равномерное распределение циклических нагрузок на его первые витки. Благоприятное воздействие разгрузки на ПСВ резьбы ниппеля преобладает над отрицательным влиянием на сопротивление усталости средних напряжений затяжки, и этот эффект снижается по мере достижения оптимального момента свинчивания.4 Показана возможность использования МКЭ при оценке оптимальных крутящих моментов свинчивания ЗРС.
В последнем разделе главы приведены результаты исследований влияния условий эксплуатации на сопротивление усталости ЗРС. В процессе бурения циклические нагрузки, разрушающие ЗРС, не являются постоянными и изменяются во времени. Определение долговечности ЗРС при нестационарном режиме нагружения сводится к постоянному контролю за их наработкой в скважине и суммированию для каждого соединения полученной поврежденности. По известной гипотезе Майнера степень повреждения детали пропорциональна отношению числа циклов нагружения п при данной нагрузке к долговечности при этой нагрузке N. Разрушение детали происходит при выполнении условия £п,/.ЛГ,=С, где С=0,5...5,0 - сумма относительных долговечностей, зависящая от свойств материала, конструкции детали и т.д.
С целью определения величины С для ЗРС исследовались четыре основных схемы периодической перегрузки образцов во времени: повышение нагрузки; снижение нагрузки; снижение нагрузки ниже предела выносливости; повышение нагрузки для образца, работавшего с нагрузкой ниже предела выносливости. Результаты этих исследований показали, что для нагрузок выше предела выносливости гипотеза о линейном характере накопления усталостных повреждений для ЗРС полностью подтверждается при С=1,0. Для перегруженных соединений (при С>0,4) предел их выносливости резко снижается. В этом случае суммирование усталости можно вести по всему комплексу действующих на ЗРС циклических нагрузок. Показано, что при предварительной работе ЗРС с нагрузкой ниже предела выносливости происходит их тренировка и при последующей перегрузке выше предела выносливости долговечность соединений возрастает в 1,5...2,0 раза, а предел выносливости повышается на 15...20%.
Различное влияние на сопротивление усталости ниппеля и муфты таких факторов, как крутящий момент свинчивания, коррозионная активность бурового раствора и т.д., определили возможность использования статистических данных их отработки на буровой и результаты натурных усталостных испытаний для оценки влияния технологических факторов на эксплуатациошгую надежность ЗРС. На основе проведенных исследований обоснован оперативный метод оценки влияния техники и технологии бурения на сопротивление усталости элементов бурильной колонны. В качестве статистических данных отработки на буровой предложено использование результатов их периодического неразрушающего контроля.
В шестой главе проведен теоретический анализ экспериментальных исследований ЗРС на герметичность. Большой объем экспериментальных работ, проведенных Н.Д. Щербюком и В.Н. Семиным, позволил провести теоретическое обобщение их результатов. Результаты дополнительных теоретических исследований (с использованием МКЭ) напряженного состошшя упорных торцев NC46 165x71 сопоставлены с данными экспериментальных исследований ЗРС на герметичность. Результаты проведенного анализа показали более сложный характер напряжешюго состояния упорного торца ЗРС, по сравнению с общепринятым в литературе. Контактные напряжения при свинчивании концентрируются на внешней и внутренней поверхности упорного торца и могут превышать предел текучести материала даже при относительно небольших крутящих моментах свинчивания. Возникающая при отдельных перегрузках пластическая деформация на торцах изменяет их геометрию, и при последующей сборке ЗРС с меньшими крутящими моментами свинчивания пик контактных напряжений на внутренней поверхности упорных торцев уменьшается до образования зазора между торцами. На практике такая перегрузка ЗРС создает кольцевые канавки на упорном уступе ниппеля. В этой главе автором уточняются известные экспериментальные зависимости герметичности ЗРС от основных геометрических параметров и условий нагружения соединений.
Седьмая__глава посвящена созданию автоматизировагагых систем
проектирования новых и экспертной оценки существующих конструкций ЗРС. Аналогичные системы, предлагаемые такими фирмами как Adams Engineering Inc. ("Tubular Goods Design") и Prentice Training Company ("Drilling Expert Systems II"), осуществляют только общие эксплуатационные расчеты бурильных колонн, не касаясь одного из наиболее слабых ее элементов - ЗРС. Создание специализированной автоматизированной системы экспертной оценки ЗРС позволит эффективно решать весь комплекс задач, связашгых с проектированием, производством и эксплуатацией ЗРС бурильной колонны. В рамках настоящей работы были разработаны научные основы такой системы - STC EXPERT (Shouldered Thread Connection Expert System), функционирующей на основе предварительно созданных баз данных, которые можно разделить на три основные группы: базы нормативно-технических данных; базы данных
по результатам анализа МКЭ и базы данных по результатам натурных экспериментальных испытаний.
Одной из основных подсистем STC EXPERT является подсистема расчета ЗРС на циклические нагрузки, которая осуществляет оценку прочности существующих конструкций и проектирование новых соединений с использованием результатов проведенных в настоящей работе исследований. В настоящее время основным критерием оценки ЗРС при циклическом нагружении является отношение осевых моментов сопротивления опасных сечений ниппеля и муфты (ПОИ). Соединение, которое имеет ПОИ, близкое к 2,1, считается "сбалансированным" соединением и рекомендуется к использованию. Практический опыт эксплуатации ЗРС показывает, что оптимальная величина ПОИ для сбалансированных ЗРС может варьировать в широких пределах от 1,7 до 4,0 в зависимости от типоразмера соединений и условий бурения. К сожалению, приемлемое значение ПОИ для одних условий бурения может быть недопустимым для других, так как соотношение осевых моментов сопротивления муфты и ниппеля является только одним из факторов, влияющих на сопротивления усталости элементов ЗРС. По мере накопления данных по натурным усталостным испытаниям ЗРС стало возможным определять и прогнозировать сопротивление усталости соединений по муфте и ниппелю, а отношение их пределов выносливости рекомендовать как новый критерий для оценки сбалансированности ЗРС. Отношение пределов выносливости муфты и ниппеля, названное "Прочностным Отношением на Усталость" (ПОУ), показывает реальную способность соединения противостоять циклическим нагрузкам и позволяет выбрать наиболее прочное, сбалансированное (ПОУ=1) соединение для конкретных условий бурения.
В методике, основанной на равенстве предельных изгибающих моментов ниппеля и муфты, использованы многочисленные, обобщенные автором, теоретические и экспериментальные исследования, которые дают более достоверные зависимости равнопрочности соединения от основных его геометрических параметров. На рис. 7 показан пример полученных зависимостей предела выносливости ниппеля и муфты соединений (бс) от их наружного диаметра (Dc ). Представленные данные показывают, что кривые пределов выносливости ниппеля имеют максимум для определенного значения Dc, тогда как пределы выносливости муфты постоянно
увеличиваются с увеличением ее наружного диаметра. Точки пересечения этих зависимостей являются оптимальной комбинацией Сс и с1п для заданных условий эксплуатации и соответствуют сбалансированным соединениям.
бс,
МПа
70
60 4-
50
40 --
30 --
20
ПОУ=1 ПОИ=2,3 ^ F3 / ^¡ггГ, .— Муфта (в воздушной среде) Ниппель ." '
F2 F1 F4 X
i ^ .. •' Муфта (в среде 7%: раствора NaCl) 1
--1-1-1- ! УБТ 203x80 -1—1-1-1-1-1
160 170 180 190 200 210 220 230 240 De, мм Рис. 7 Зависимость предела выносливости соединений NC56 от Dc (dH=80)
Следует отметить, что анализируемое соединение NC56 может иметь две сбалансированных комбинации с различными пределами выносливости соединения (рис. 7, тт. Fj и f^)- Определено, что при конструировании выбор должен быть за геометрическими размерами соединения, обеспечивающими сбалансированность при наибольшем пределе выносливости (т. Fj). Рис. 7 показывает также, что коррозионные условия влияют только на муфтовую часть соединения. В этих условиях соединения NC56 сбалансированны с ПОИ=3,9, что не соответствует рекомендациям АНИ. Разработанная автоматизированная система STC EXPERT использовалась для оценочных расчетов при проектировании ЗРС колонны подъемных труб для добычи полезных ископаемых со дна океана.
Восьмая_1Лава посвящена созданию техники и технологии контроля за работой элементов бурильной колонны на буровой. Обосновываются требования к средствам неразрушающего контроля бурильных труб и ЗРС. Эти требования исходят из закономерностей и особенностей повреждений элементов бурильной колонны при эксплуатации, установле1Шых форм
повреждений тела бурильных труб и замковой резьбы. На основе результатов проведенных исследований развита концепция автоматизированного неразрушающего контроля бурильной колонны в процессе СПО с использованием станций ГТИ и разработана соответствующая аппаратура.
В результате исследований получены основные зависимости, определяющие момент возникновения и характер развития усталостных трещин в резьбе ниппеля и муфты. Установлена средняя скорость развития усталостных трещин в резьбе ниппеля и муфты до глубины 6-8 мм. На основании результатов проведенных экспериментальных исследований разработаны методики определения оптимальной периодичности неразрушающего контроля ЗРС с использованием данных натурных усталостных испытаний и статистического анализа результатов отработки элементов бурильной колонны на буровой.
В этой главе приведены также результаты разработки новых методик контроля качества сборки ЗРС на буровой, как одного из основных факторов, определяющих работоспособность упорных резьбовых соединений. Как показали экспериментальные исследования, фрикционная способность ЗРС (параметр Кс) при свинчивании-развинчивании может изменяться в широких пределах (до 70%) в зависимости от типа смазки, абразивного износа резьбы, технического состояния контактных поверхностей, температуры и т.д. При неизвестном значении Кс возможна неоптимальная сборка ЗРС и, как следствие, их усталостное разрушение, негерметичность, развинчивание или докрепление в скважине. Проведены теоретические и экспериментальные исследования и получены зависимости типа "момент-вращение" для основных типоразмеров ЗРС. На основе проведенных исследований предлагается новый метод оперативного контроля качества сборки ЗРС на буровой с использованием существующего оборудования по свинчивагаио-развинчиваншо бурильной колонны. На основании теоретического анализа и сопоставления экспериментальных диаграмм "момент-вращение" при свинчивании и развинчивании автором получена и экспериментально подтверждена зависимость, определяющая параметр Кс:
Кс =
Мр ,
где:
К„ = — ^ 2 к
Кс - коэффициент, определяющий условие трения в ЗРС при свинчивании;
'Мр - апроксимированное значение максимального крутящего момента развинчивания;
'Мгв - апроксимированное значение максимального крутящего момента свинчивания;
ар " угол наклона диаграммы "момент-вращение" при развинчивании; асв ~ Угол наклона диаграммы "момент-вращение" при свинчивании; Р - шаг резьбы.
Разработанный метод позволяет оценивать фрикционную характеристику ЗРС непосредственно на буровой с использовшшем существующего современного оборудования по свинчиванию-развинчиванию бурильной колонны (например, фирмы \Vetherford). Результаты таких измерений дают возможность оперативно корректировать крутящий момент свинчивания для обеспечения оптимальных напряжений затяжки в соединении. В этом разделе работы приведены также дополнительные результаты исследований болтовых соединений малого диаметра, которые показали возможность и эффективность использования этого метода для контроля качества сборки резьбовых соединений ответственных узлов оборудования общего и тяжелого машиностроения.
В последней главе приведены результаты опытно-промышленной проверки и внедрения основных рекомендаций и технических решений, полученных в настоящей работе. Рекомендации по ЗРК, а также другие результаты исследований, были использованы при разработке отраслевых стандартов: "Инструкция на конические резьбовые соединения для забойных двигателей", "Типовые технологические инструкции по подготовке к эксплуатации и ремонту бурильных, утяжеленных и ведущих труб в цехах центральных трубных баз производственных объединений
Миннефтепрома", "Типовой технологический процесс упрочнения сваркой соединительных элементов утяжеленных и ведущих бурильных труб", "Инструкция по предотвращению аварий в бурении" и "Инструкция по эксплуатации бурильных труб". Разработанные методики расчета бурильной колонны на сопротивление усталости и определения долговечности ее резьбовых соединений в скважине на основе натурных усталостных испытаний вошли в "Методические рекомендации по расчету и эксплуатации замковых резьбовых соединений бурильной колонны и забойных двигателей".
Результаты исследований характера развития усталостных трещин в ЗРС (скорости развития усталостных трещин, величины отбраковочного критерия и периодичности неразрушающего контроля) были использованы при разработке технических заданий на феррозондовый дефектоскоп замковых резьб (ТЗ 41-03-0158-80) и систему неразрушающего контроля стальных бурильных труб нефтяного сортамента (ТЗ 41-03-0157-80). В настоящее время эти приборы успешно эксплуатируются при неразрушаюхцем контроле элементов бурильной колонны при бурении нефтяных и газовых скважин. По результатам исследований периодичности дефектоскопии резьбовых соединений бурильной колонны были составлены "Временные методические рекомендации по определению периодичности неразрушающего контроля стальных бурильных труб". Эти рекомендации были внедрены в . различных регионах страны и позволили более эффективно обеспечить проводку глубоких наклонно-направленных скважин.
Исследования по современным системам контроля технического состояния бурильной колонны были учтены при разработке ТЗ на ОКР "Программное обеспечение геолого-технологической подсистемы аппаратурно-методического комплекса "Разрез" (Калинин, ВНИГИК, 1987) и технического проекта "Автоматизированной системы технологических исследований при бурении научных скважин с морского судна" (Калинин, ВНИГИК, 1989 г.). По материалам исследований для института повышения квалификации руководящих работников и специалистов геологической службы страны были подготовлены учебные материалы по "Организации и проведению геолого-технологических исследований скважин", "Оперативному контролю технического состояния бурильной колонны в автоматизированных технологических системах" и "Анализу
технологических ситуаций оператором станции СГТ и выработка соответствующих рекомендаций".
С целью подготовки серийного производства на Дрогобьгчском экспериментально-механическом заводе спецоборудования (ДЭМЗСО) были проведены широкомасштабные промысловые испытания УБТ с ЗРК оптимальных размеров. Результаты этих промысловых испытаний показали, что достигнутая максимальная наработка УБТС2-229 и УБТС2-178 с ЗРК оптимального диаметра в 1,7 раза превышает предусмотренную по ТУ51-774-77 для УБТС2 (со стандартными ЗРК) и составила 3700...4200 ч. Эти результаты, а также расчет экономической эффективности, послужили основанием для внесения изменений в действующее ТУ на производство УБТС2. На основе проведенных исследований получен экономический эффект от серийного производства на ДЭМЗСО утяжеленных бурильных труб с новой конструкцией ЗРК на ниппеле и муфте - более 1 млн. долларов США в год.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ:
1. Выполнено широкое теоретическое обобщение и решена крупная научная проблема, имеющая большое народно-хозяйствешюе значение разработаны основы систем проектирования, эксплуатации и контроля замковых резьбовых соединений бурильных колонн нефтяного сортамента с целью обеспечения их необходимой прочности для конкретных условий эксплуатации.
2. На основе большого объема конкретных расчетных анализов и экспериментальных подтверждений разработана теоретическая модель (адекватная реальным условиям нагружения) и методика оценки напряженного состояния элементов упорных резьбовых соединений с использованием МКЭ. На базе разработанной модели выявлены основные закономерности влияния различных конструктивных и технологических факторов на напряженное состояние элементов ниппеля и муфты замкового резьбового соединения (первых сопряженных витков резьбы, упорных торцев, основных расчетных сечений, зарезьбовых разгружающих канавок и т.д.). Полученные параметрические зависимости позволяют прогнозировать напряженное состояние основных типов ЗРС при их статическом и циклическом нагружении.
3 На основе проведенного теоретического анализа герметичности и статической прочности ЗРС при приложении комбинированных нагрузок (крутящего момента свинчивания, растяжения и кручения) получены соответствующие зависимости и номограммы, определяющие допустимую область эксплуатации бурильной колонны при действии статических нагрузок. Предложенный коэффициент Т1УГО позволяет оценивать возможность докрепления или раскрепления ЗРС в скважине при действии растягивающих нагрузок, а также проектировать новые элементы бурильной колонны с заданными характеристиками на кручение.
4. На основе широких натурных усталостных испытаний ЗРС бурильной колонны в диапазоне наружного диаметра от 80 до 240 мм, подтверждающих результаты теоретических исследований, предложены эффективные рекомендации по повышению сопротивления усталости существующих конструкций ЗРС (повышающие предел выносливости соединений от 20 до 50%): выбору оптимального типоразмера соединений при заданных условиях эксплуатации; расчету оптимальных диаметров зарезьбовых разгружающих канавок на ниппеле и муфте; ограничению минимального и максимального значений предела текучести материала и т.д.
5. Выявлены основные закономерности влияния различных конструктивных и технологических факторов (диаметра резьбы ниппеля и муфты, длины свинчивания, конусности, профиля резьбы, ЗРК на ниппеле и муфте, крутящего момента свинчивания, нестационарного режима нагружения) на сопротивление усталости ЗРС, позволяющие автоматизировать: проектирование новых ЗРС с заданными (оптимальными) прочностными характеристиками; оценку сопротивления усталости существующих конструкций ЗРС и проведение анализа причин их усталостного разрушения; выбор наиболее эффективных упрочняющих методов.
6. Установлены основные требования к технике и технологии перазрушающего контроля элементов бурильной колонны, на основе которых разработаны и внедрены: феррозондовый дефектоскоп замковых резьб и система неразрушающего контроля стальньсх бурильных труб нефтяного сортамента.
7. Разработан эффективный метод контроля качества сборки упорного резьбового соединения, состоящий в пробном свинчивании-развинчивании соединения, определении фрикционной способности его контактных
элементов и окончательной сборке с необходимым крутящим моментом свинчивания, что впервые дает возможность оперативно оценивать напряженное состояние каждого резьбового соединения при сборке и корректировать рекомендуемый крутящий момент свинчивания.
8. Разработаны теоретические основы автоматизированных систем контроля технического состоянния элементов бурильной колонны на буровой с использованием компьютизированных станций геолого-технологических исследований (ГТИ), позволяющих накапливать и поддерживать в рабочем состоянии информационные архивы прочностных характеристик элементов бурильной колонны, результатов их дефектоскопии, истории нагружения и накопления усталостных повреждений, а также сигнализировать о критическом состоянии отдельных компонентов колонны и необходимости их дефектоскопии.
9. Основные результаты проведенных исследований опубликованы в 80 печатных работах, защищены 16 авторскими свидетельствами на изобретения (в том числе 3 патентами зарубежных стран) и внедрены в практику с подтвержденным экономическим эффектом от серийного производства утяжеленных бурильных труб с оптимальными конструкциями ЗРК на ниппеле и муфте - более 1 млн. долларов США в год.
Брошюры, статьи и тезисы докладов
1. Арнополина Л.А., Барышников А.И., Двоеглазов И.А. Определение периодичности ультразвукового контроля трубных резьб с использованием теории надежности. - Тр. ВНИИТнефть, Куйбышев, 1980, вып. 12, Вопросы эксплуатации нефтепромысловых труб, с. 142-146
2. Периодичность ультразвукового контроля за высаженными концами бурильных труб. /Акимов В.В., Барышников А.И., Двоеглазов И.А. и др./. - РНТС, Бурение, 1930, №10, с. 17-19
3. Методические рекомендации по интерпретации результатов профилеметрии скважин .и оценке прихватоопасности желобов. -/Пятецкий Е.М., Арнополина Л.А., Барышников А.И. и др./, Калинин, КО ВНИИГИС, 1980.
4. Исследование образования и характера развития усталостных трещин в замковых соединениях. /Щербюк Н.Д., Барышников А.И., Газанчан Ю.И. и др./. - РНТС "Бурение", 1981, №1, с. 34-36
5. Барышников А.И. Резьбовые соединения утяжеленных бурильных труб. - Центр, выставка научно-техн. творчества молодежи (НТТМ-82), М.: ВНИИОЭНГ, 1982, 2 с.
6. Щербюк Н.Д., Газанчан Ю.И., Барышников А.И. Вопросы выносливости замковых резьбовых соединений бурильной колонны. - Нефт. х-во, 1982, №4, с. 28-30
7. Щербюк Н.Д., Газанчан Ю.И., Барышников А.И. Расчет утяжеленных бурильных труб на выносливость. - Нефт. х-во, 1982, №9, с. 18-19
8. Барышников А.И. Влияние циклического нагружения на долговечность резьбовых соединений бурильной колонны. - Тр. ВНИИБТ, М., 1983, вып. 57, с. 142-148
9. Барышников А.И., Пятецкий Е.М. Повышение точности определения интенсивности искривления скважин. - Бурение, 1983, №6, с. 11-13
10. Влияние размеров зарезьбовых канавок на сопротивление усталости замковых резьбовых соединений. /Щербюк Н.Д., Газанчан Ю.И., Барышников А.И., Чернов Б.А./ - РНТС "Машины и нефт. оборудование, 1983, №9, с. 21-23
11. Щербюк Н.Д., Газанчан Ю.И., Барышников А.И. Долговечность замковых резьбовых соединений бурильной колонны при роторном способе бурения скважин. - Нефт. х-во, 1983, №3, с. 19-20
12. Щербюк Н.Д., Газанчан Ю.И., Барышников А.И. Сварные конструкции УБТ. - Нефт. х-во, 1983, №4, с. 29-30
13. Барышников А.И. Работоспособность резьбовых соединений бурильной колонны при циклическом нагружении. - Автореф. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук, М,. ВНИИБТ, 1984, 56 с.
14. Типовой технологический процесс сварки соединительных элементов утяжеленных и ведущих бурильных труб. - РД 39-2-1029-84, /Данелянц С.М., Оловяшшшиков В.Ф., Гоголев Ю.С. и др./, Куйбышев, ВНИИТнефть, 1984, 46 с.
15. Барышников А.И., Арнополина Л.А. Исследование технического состояния ствола скважины и оценка проходимости обсадной колонны. -Техн. и технол. геологоразв. работ; орг. пр-ва, Обзор ВИЭМС, 1986, 41 с.
16. Геолого-технологические исследования скважин на нефть и газ в процессе бурения. /Барышников А.И., Быстров Ю.П., Суханов А.А., Шерстнев С.Н./. - Техн. и технол. геол.-разв. работ; орг. пр-ва, Обзор ВИЭМС, 1986, 55 с.
17. Щербюк Н.Д., Газанчан Ю.И., Барышников А.И. Эксплуатация бурильных труб и разрушение резьбовых соединений. - Обзор ВНИИОЭНГ, сер. Бурение, 1986, 58 с.
18. Барышников А.И. Применение автоматизированных систем для управления процессом бурения скважин. - Тез. докл. на Всесоюз. семинаре "Изучение керна, шлама и геолого-технологические исследования скважин", Калинин, 1986
19. Барышников А.И., Арнополина Л.А. Контроль технического состояния скважин в процессе бурения. - Тез. докл. Всесоюз. конф. "Механика горных пород при бурении", Грозный, 1988, стр. 86-87.
20. Бродский П.А., Шерстнев С.Н., Барышников А.И. Состояние и перспективы развития геолого-технологических исследований нефте-газоразведочных скважин. - Тез. докл. Всесоюз. семинара "Изучение керна, шлама и геолого-технологические исследования скважин", Калинин, 1986
21. Кропотов О.Н., Шерстнев С.Н., Барышников А.И. Сб. тез. докл. Всесоюз. семинара "Изучение керна, шлама и геолого-технологические исследования при бурении нефтегазовых скважин". - Калинин, 1986.
22. Шерстнев С.Н., Барышников А.И. О Всесоюзном семинаре "Изучение керна, шлама и геолого-технологические исследования при бурении нефтегазовых скважин". - Геология и разведка, 1986, №12
23. Барышников А.И., Щербюк Н.Д., Газанчан Ю.И. Расчет на выносливость резьбовых соединений бурильных труб при бурении глубоких скважин. -Нефт: х-во, 1986, №4
24. Арнополина Л.А., Барышников А.И. Повышение эффективности оценки технического состояния скважин при комплексировании
профилеметрических и инклинометрических измерений. - Тез. док. шк. пер. опыта "Повышение эффектив. геоф. исслед. глубоких скв. в нефтегаз. провинциях Украины", Киев, ВДНХ УССР, 21-23 апреля, 1987
25. Арнополина Л.А., Барышников А.И., Загайнов А.П. Методические рекомендации по интерпретации результатов радиусометрии. - Калинин, ВНИГИК, 1987.
26. Барышников А.И., Арнополина Л.А. Контроль технического состояния скважины по результатам комплексной обработки инклинометрической и профилеметрической информации на ЭВМ. - Тез. докл. обл. научно-практич. конф. "Разработка аппарат, для промыслово-геоф. и геолого-технол. исслед. на нефтегаз. м-ях Западной Сибири", Тюмень, 16-19 марта, 1987
27. Барышников А.И., Арнополина ЛА. Контроль технического состояния скважины по результатам комплексной обработки инклинометрической и профилеметрической информации на ЭВМ. - Тез. докл. обл. научно-практич. конф. "Состояние и перспективы геолого-геоф. исследований в процессе бурения скважин", Нижневартовск, 4-8 апреля, 1987.
28. Барышников А.И., Арнополина Л А. Повышение точности инклинометрических измерений в скважинах. - Нефт. пр-ть, ЭИ (отеч. опыт), сер. 7, Автомат, и телемех. в нефт. пр-ти, 1987, №8
29. Барышников А.И., Быстров Ю.П., Шерстнев С.Н. Организация и направления развития геолого-технологических исследований скважин в процессе бурения. - Тез. докл. обл. научно-практич. конф. "Разработка аппарат, для промыслово-геоф. и геолого-технол. исслед. на нефтегаз. м-ях Западной Сибири", Тюмень, 16-19 марта, 1987
30. Барышников А.И., Измайлова Н.Б. Контроль качества сборки замковых резьбовых соединений большого диаметра. - Тр. ВНИИТнефть, "Повышение экспл. хар-к нефтепромысловых труб и колонн", Куйбышев, 1987
31. Влияние крутящего момента свинчивания на сопротивление усталости замковых резьбовых соединений. /Щербюк Н.Д., Газанчан Ю.И., Барышников А.И. и др./. - Нефт. хоз-во, 1987, №10
32. Методические рекомендации по расчету и эксплуатации замковых резьбовых соединений бурильной колонны и забойных двигателей.
/Щербюк Н.Д., Газанчан Ю.И., Барышников А.И. и др./. - М., ВНИИБТ,
1987
33. Шерстнев С.Н., Барышников А.И., Быстров Ю.П. Временная техническая инструкция по проведению геолого-технологнческих исследований скважин в процессе бурения. - Мингео СССР, 1987
34. Шерстнев С.Н., Барышников А.И., Быстров Ю.П. Типовое положение об организации геолого-технологических исследований скважин в процессе бурения. - Мингео СССР, 1987
35. Шерстнев С.Н., Барышников А.И., Быстров Ю.П. Методические указания по проведению геолого-технологических исследований скважин в процессе бурения. - Калинин, ВНИГИК, 1987, 111 с.
36. Барышников А.И. Технический контроль скважины и бурового оборудования при оперативных технологических исследованиях. - Тез. докл. шк. перед, опыта по ГТИ, Калинин, 1988
37. Барышников А.И., Измайлова Н.Б. Исследование напряженного состояния упорных торцев замковых резьбовых соединений. - Сб. науч. тр. "Контактное взаимодействие твердых тел", Калинин, КГУ, 1988
38. Измайлова Н.Б., Барышников А.И. Проектирование и расчет замковых резьбовых соединений бурильной колошм с использованием ЭВМ. - Тез. докл. научно-техн. конф. молодых уч. и спец., Калинин, КПИ, 7-8 апр.,
1988
39. Состояние и перспективы технического и методического обеспечения геолого-технологических исследований скважин в Мингео СССР. /Шерстнев С.Н., Быстров Ю.П., Барышников А.И. и др./. - Тез. докл. шк. перед, опыта, Калинин, 1988
40. Шерстнев С.Н., Барышников А.И., Быстров Ю.П. Временная техническая инструкция по проведению геолого-технологических исследований скважин в процессе бурения (2-ое издание). - Мингео СССР, 1988
41. Щербюк Н.Д., Газанчан Ю.И., Барышников А.И. Повышение эксплуатационной надежности бурильной колонны. - Нефт. х-во, 1989
42. Барышников А.И. Оперативный контроль технического состояния бурильной колонны в автоматизированных технологических системах. -
Методические рекомендации. Ин-т повыш. квалиф. руков. работ, и спец. Мингео СССР, М., 1990
43. Барышников А.И. Анализ технологических ситуаций оператором станций СГТ и выработка соответствующих рекомендаций. Методические рекомендации, Ин-т повыш. квалиф. руковод. работ, и спец. Мингео СССР, М„ 1990
44. Барышников А.И., Арнополина JI.A., Загайнов А.П. Выбор комплекса ГИС и его аппаратурного обеспечения для повышения информативности профилеметрических и инклинометрических исследований скважин. -Тез. докл. семинара "Новая технология геофизических исследований в нефтегазовых скважинах", Тюмень, 1990.
45. Барышников А.И., Бысгров Ю.П., Кацонис А.Н. Организация и проведение геолого-технологических исследований скважин. - Учебно-метод. пособие, Ин-т повыш. квалиф. руков. работ, и спец. Мингео СССР, М„ 1990
46. Оперативный контроль технического состояния бурильной колонны в автоматизированных технологических системах. /Барышников А.И., Теплицкий Э.Д., Измайлова Н.Б. и др./. - Тр., ВНИГИК, Тверь. 1990
47. Щербюк Н.Д., Барышников А.И., Измайлова Н.Б. Математическое моделирование замковых резьбовых соединений и использованием метода конечных элементов. - ЭИ, Стр-во нефт. и газ. скв. на суше и море, ВНИИОЭНГ, 1992, №9
48. Барышников А.И., Измайлова Н.Б. Использование метода конечных элементов при оценке напряженного состояния элементов бурильной колонны. - Сб. статей, НПГП "ГЕРС", ВНИГИК, Тверь, 1994, с. 88-91
49. Барышников А.И., Литвинов Ю.С. Контроль качества сборки элементов бурильных и обсадных колонн при технологических исследованиях. - Сб. статей, НПГП "ГЕРС", ВНИГИК, Тверь, 1994, с. 86-88
50.Барьшшиков А.И., Щербюк Н.Д., Газанчан Ю.И. Работоспособность замковых резьбовых соединений бурильной колонны. Часть 1: Статическое нагружение. - НТЖ, Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и море, №7 и 8, 1995
51.Барышников А.И., Щербюк Н.Д., Газанчан Ю.И. Работоспособность замковых резьбовых соединений бурильной колонны. Часть 2: Динамическое нагружение. - НТЖ, Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и море, N* 9, 1995
52.Baryshnikov A., Schenato A., Ligrone A. and Ferrara Р Optimization of Rotary Shouldered Connection reliability and failure analysis. - SPE 27535, SPE/IADC Drilling Conf., Dallas, Febr. 15-18, 1994.
53.Baryshnikov A., Schenato A., Ligrone A. and Ferrara P. Optimization of rotary shouldered connection reliability and failure analysis. Part 1 - Static loading. - Paper SPE 27535 presented in the SPE's Book Order Dept. and Microfiche Collection, 1994.
54.Baryshnikov A., Schenato A., Ligrone A. and Ferrara P. Optimization of rotary shouldered connection reliability and failure analysis. Part 2 -Dynamic loading. - Paper SPE 29151 presented in the SPE's Book Order Dept. and Microfiche Collection, 1994.
55.Ferrara P., Baryshnikov A. A brief discussion on drillimg string vibrations. - Supplement to №4 of D&P Agip News, 1995.
56. Baryshnikov A., Calderony A. and Ligroni A., Ferrara P. A new approach to the analysis of drillstring fatigue behaviour. - SPE 30524, SPEAnnual Conf., Dallas, 22-25 Oct., 1995
57.Baryshnikov A., Ferrara P. and Calderoni A. Downhole tools fatigue resistance for different materials. - Paper presented at the 1995 ASME-ETCE Drilling Technology Symposium, Houston, Jan. 29 - Febr. 1, 1995
58.Baryshnikov A., Ferrara P., Schenato A. and Curioni E. Makeup torque and rotary shouldered connection reliability. - SPE 29352, SPE/IADC Drlling Conference, 28 Febr. - 2 March, Amsterdam, NL, 1995
59.Baryshnikov A., Poli S., Stewart F. and Ferrara P. Downhole tool serviceability under dynamic loads. - SPE 37647, SPE/IADC Driling Conf., Amsterdam, NL, 4-6 March, 1997.
60. Baryshnikov A., Calderony A. and Ligroni A., Ferrara P. A new approach to the analysis of drillstring fatigue behaviour. - SPE Drilling & Completion, June, 1997
öl.Baryshnikov, A., Poli, S., Scherbuk, N. and Gazanchan, J. Downhole tool full-scale fatigue test: experience and practice recommendations. - paper ASME-ETCE Drilling Technology Symposium, Houston, TX, Jan.28-30, 1997.
62.Baryshnikov A., Ferrara P., Toffolo G. and Donati F. Drillstring components serviceability: standards and practices. - 98ACÛ20 Agip paper, 2nd ARPO Convention, Milan, Italy, March 25-26, 1998.
63.Baryshnikov A., Molaschi C., Toffolo G. Trecate 9 drain hole - twist off of drill pipes. Villafortuna Trecate field - October 1997. - D&P News. Drilling, Production and Work-over technical bulletin, Eni-Agip, №8 March, 1998.
64.Baryshnikov A., Donati F., Toffolo G. and Ferrara P. Drillstring components serviceability. - World Oil J., June, 1998.
Авторские свидетельства и патенты
65. Коническое резьбовое соединение бурильных труб. - Авт. свид-во СССР №1036183, /Щербюк Н.Д., Газанчан Ю.И., Барышников А.И. и др./, БИ, 1983, №30
66. Щербюк Н.Д., Барышников А.И., Газанчан Ю.И. Резьбовое соединение бурильных труб. - Авт. свид. СССР, №1002507, БИ, 1983, №9
67. Барышников А.И., Загайнов А.П., Арнополина JI.A. Устройство для определения проходимости обсадной колонны по стволу скважины. -Авт. свид-во СССР, №1201499, БИ, 1985, №46
68. Способ ультразвукового контроля качества сборки замковых резьбовых соединений. - /Мигаль И.Г., Бажалук Я.М., Барышников А.И. и др./. -Авт. свид-во СССР, №1191818, БИ, 1985, №42
69. Барышников А.И. Способ определения верхней границы прихвата бурильной колонны в скважине. - Авт. свид-во СССР №1239293, БИ, 1986, №23
70. Барышников А.И., Арнополина Л.А., Загайнов А.П. Скважинный профилемер. - Авт. свид-во СССР, №1298524, БИ, 1987, №15
71. Барышников А.И., Арнополина Л.А., Загайнов А.П. Способ определения искривления оси скважины. -Авт. свид-во СССР №1305324, БИ, 1987, №15
',. Барышников А.И. Способ определения плотности промывочной
жидкости. - Лвт. свид-no СССР №1373799, БИ, 1988, №6 I. Арнополина Л.А., Барышников А.И. Способ определения места прихвата
колонны. - Авт. свид-во СССР, №1430508, БИ, 1988, №38 . Щербюк Н.Д., Газанчан Ю.И., Барышников А.И. Способ проеггирования замкового конусного резьбового соединения. - Авт. свид. СССР, №1437489, БИ. 1988, №42 . Барышников А.И., Арнополина Л.Л. Способ определения искривления оси скважины. - Авт. свид-во СССР, №1487572 (для служеб. пользования)
. Барышников А.И., Арнополина Л.А. Способ определения искривления
оси скважины. - Авт. свид-во СССР, №1535973, БИ, 1990, №2 . Барышников А.И., Измайлова Н.Б. Способ контроля за наработкой элементов бурильной колонны. - Апт. свид-во СССР, №1714107, БИ, 1992,
№7
. Baryshnikov A., Ferrara P., Calderoni A. Procedimcnto per valutare le caratteristiche di attrito di un giunto filettato. - Italian patent, Ml 94/A 001449,1994, 9 p.
. Baryshnikov A., Ferrara P. and Calderoni A. Procedure for evaluating the friction characteristics of a shouldered threaded connection. - European patent, №95110069.2-2313, 1995, 1U p.
. Baryshnikov A. and Ferrara P. Connessione filettata per materiale tubolare. - Italian patent, MI96A 001567, 1996, 12p.
А. И. Барышников
/"2 С" '
N Ч - О
Государственный Научный центр Российской Федерации Научно-производственное объединение по технологии машиностроения
,, ГН'Ц" РФ. ЦНИИ'ГМАШ
И (рошеаие от" 4°)*
|| Присудил учодую степень ДО 1 " ' На правах рукописи
¡1 НаЧёЛШ*** АНАТОЛИЙ ИВАНОВИЧ
.. .............__....._........
ПОВЫШЕНИЕ ПРОЧНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЗАМКОВЫХ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ
Специальность 01.02.06 Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры
Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук
Москва, 1998
ОГЛАВЛЕНИЕ
1 Введение......................................................................................................................................................................................................................4
2 Условия эксплуатации и особенности ЗРС..........................................................8
2.1 Условия эксплуатации и работоспособность элементов бурильной колонны............................................................................................................................................................................................8
2.2 Особенности и основные этапы совершенствования ЗРС..................................17
3 Обзор исследований работоспособности ЗРС............................................................................................28
3.1 Влияние конструктивных факторов на сопротивление усталости ... 28
3.2 Влияние технологических факторов на сопротивление усталости... 56
3.3 Характер усталостного разрушения элементов ЗРС................................................62
3.4 Статическое нагружение ЗРС........................................................................................................................69
4 Техника и методика исследований..............................................................................................................................85
4.1 Теоретические исследования с использованием МКЭ..............................................85
4.2 Моделирование условий нагружения ЗРС................................................................................93
4.3 Экспериментальные исследования..........................................................................................................101
5 Анализ напряженного состояния элементов ЗРС..........................................................................108
5.1 Напряженное состояние ЗРС при свинчивании................................................................108
5.2 Напряженное состояние ЗРС при растяжении..................................................................120
5.3 Напряженное состояние ЗРС при изгибе и кручении..............................................128
5.4 Параметрические зависимости напряженного состояния ЗРС..................133
5.5 Несущая способность ЗРС при комбинированном нагружении................136
6 Влияние основных факторов на сопротивление усталости ЗРС..........................141
6.1 Диаметр резьбы ниппеля и муфты........................................................................................................141
6.2 Длина свинчивания..........................................................................................................................................................150
6.3 Конусность....................................................................................................................................................................................157
6.4 Профиль резьбы..................................................................................................................................................................161
6.5 Зарезьбовые разгружающие канавки................................................................................................169
6.6 Упорные торцы......................................................................................................................................................................177
6.7 Материал резьбового соединения..............................................................................................................185
6.8 Крутящий момент свинчивания..................................................................................................................189
6.9 Условия нагружения ЗРС......................................................................................................................................195
7 Герметичность ЗРС..................................................................................................................................................................................202
8 Оценка и выбор оптимальных конструкций ЗРС............................................................................209
9 Контроль за работоспособностью ЗРС при эксплуатации................................................222
9.1 Развитие усталостных трещин и периодичность неразрушающего контроля..............................................................................................................................................................................................222
9.2 Технические средства неразрушающего контроля ....................................................241
9.3 Контроль качества сборки....................................................................................................................................245
9.4 Системы отработки и анализ усталостных разрушений......................................261
10 Промысловые испытания и внедрение результатов исследований..................272
11 Основные выводы и рекомендации............................................................................................................................277
Литература................................................................................................................................................................................................................280
Перечень условных обозначений и абревиатур....................................................................................302
ПРИЛОЖЕНИЯ
П1 Основные типы и размеры ЗРК........................................................................................................................................312
П2 Характеристика моделей ЗРС, исследуемых МКЭ........................................................................317
ПЗ Результаты анализа моделей ЗРС с использованием МКЭ..........................................325
П4 Основные прочностные соотношения ЗРС..................................................................................................329
П5 Эскизный проект программного обеспечения подсистемы "Колонна"
ППП ТИМС...................................................................................................... 333
П6 Результаты внедрения основных рекомендаций........................................ 345
П7 Результаты внедрения и расчет экономического эффекта от использования изобретения "Коническое резьбовое соединение бурильных труб" (А.с. №1035183)................................................................. 348
1. Введение
С увеличением объема бурения глубоких и сверхглубоких скважин, морского бурения с платформ и буровых судов, обеспечение работоспособности элементов бурильных колонн приобретает первостепенное значение. Стоимость бурильных колонн при таких глубинах сопоставима со стоимостью всей буровой установки. С началом использования современных сварных конструкций бурильных труб наиболее слабым элементом бурильной колонны становятся упорные резьбовые соединения, которые являются определяющими в конструкции таких узлов, как бурильные трубы, УБТ, переводники, центраторы, калибраторы и одними из основных узлов забойных двигателей и бурового инструмента. К упорным резьбовым соединениям бурильной колонны или замковым резьбовым соединениям (ЗРС) относятся резьбовые соединения (обычно имеющие большой шаг и конусность), в которых наружный и/или внутренний упорный контакт создает предварительное напряженное состояние соединения при свинчивании, обеспечивающее работоспособность бурильной колонны в скважине.
При средней глубине бурения скважин 2000 м количество ЗРС в одной бурильной колонне может быть более 250. Общее количество только действующих буровых установок глубокого бурения в отдельные годы достигает во всем мире 3000, а срок службы ЗРС в различных условиях эксплуатации колеблется от нескольких сотен часов (тяжелые условия эксплуатации) до нескольких лет. Статистические данные показывают, что 80% всех аварий с ЗРС связано с их усталостным разрушением или статическом разрушении при кручении. Так по данным исследователей, при бурении скважин в Персидском заливе разрушения ЗРС наблюдались в среднем через каждые 2000 метров проходки и стоимость ликвидации такой аварии составляла в среднем 100.000 $. При глубоком бурении в Agip (Италия) такие затраты составили 367.000 $, а после значительного сокращения периода между дефектоскопиями затраты, связанные с разрушением элементов бурильной колонны (в основном ЗРС), уменьшились до 83.000 $ и затраты на дефектоскопию составили 164.000 $.
Как показал анализ многолетнего опыта исследования ЗРС с момента его изобретения (1910 г.), существенное сокращение непроизводительных затрат времени, связанных с устранением осложнений в скважине из-за потери работоспособности ЗРС, возможно только при системном подходе к решению этой проблемы. А именно - проектирование оптимальных конструкций
резьбовых соединений для конкретных условий эксплуатации, эффективная эксплуатация существующих конструкций и действенный контроль за работоспособностью соединений с учетом определяющего влияния на это технического состояния самой скважины. В настоящей работе делается первая попытка такой комплексной постановки задачи и ее решения.
Трудности при проектировании новых конструкций ЗРС, в особенности большого диаметра (например, для добычи полезных ископаемых со дна океана) указывает на отсутствие как в нашей стране, так и за рубежом, единой математической модели оценки влияния основных конструктивных и технологических факторов на работоспособность таких конструкций. Как показывает опыт решения аналогичных задач в общем машиностроении, проведение теоретических и экспериментальных исследований с использованием современных математических методов (например, метода конечных эелементов) на базе мощных вычислительных комплексов позволяет решить эту проблему.
Наравне с проектированием оптимальных конструкций ЗРС, очень важной, с точки зрения надежного и наиболее эффективного функционирования резьбовых соединений, является задача их рациональной эксплуатации, которая включает такие вопросы, как выбор оптимальных систем отработки, определение состояний работоспособности отдельных элементов и всей колонны в целом, установление критериев отбраковки и периодичности различных видов неразрушающего контроля. В области бурения скважин решению подобной задачи уделялось значительное внимание. Однако во всех работах в качестве критерия отработанности комплекта принята проходка в метрах на одну трубу или массовый износ на метр проходки, то есть, основное внимание уделялось абразивному износу. Несмотря на некоторые отличия, все разработанные и апробированные системы отработки элементов бурильных колонн основаны на таком изменении местоположения комплектов труб (или отдельных их элементов) в процессе работы колонны, которое обеспечивало бы их равномерный износ. Трудности в индикации комплектов (и отдельных элементов) и контроля за их перемещениями, необходимость учета накопления усталостных повреждений, не позволили до настоящего времени осуществить широкое внедрение какой-либо системы. Использование современных компьютизированных комплексов геолого-технологических исследований (ГТИ) скважин дает возможность по-новому подойти к решению проблемы создания эффективных систем отработки основных элементов бурильных колонн с целью
обеспечения их надежности при эксплуатации. Однако вопросы создания и использования автоматизированных систем оценки и оперативного контроля работоспособности элементов бурильной колонны еще недостаточно изучены. Это препятствует эффективному использованию компьютизированных станций и блоков ГТИ и интерпретации полученных результатов контроля непосредственно на скважине.
При решении указанных проблем в данной работе теоретические и экспериментальные исследования осуществлялись несколькими этапами.
I этап:
• разработка моделей оценки напряженного состояния основных элементов ЗРС нефтяного сортамента с использованием МКЭ;
• проведение теоретических исследований с использованием разработанных моделей по влиянию конструктивных и технологических факторов на напряженное состояние ЗРС при различных видах нагружения;
• проведение экспериментальных исследований адекватности разработанных моделей реальному напряженному состоянию ЗРС;
• разработка автоматизированной системы расчета и проектирования оптимальных конструкций резьбовых соединений.
II этап:
• анализ известных методик рациональной отработки резьбовых соединений в скважине и разработка рекомендаций по их совершенствованию с использованием компьютерных станций ГТИ;
• разработка методики оценки граничных состояний работоспособности отдельных элементов, комплектов или всей колонны в целом, выделения промежуточных состояний работоспособности с пониженными уровнями качества функционирования;
• разработка основ автоматизированной системы контроля за работоспособностью ЗРС в скважине на базе компьютизированных станций ГТИ;
• разработка требований к эффективной системе индикации отдельных комплектов резьбовых соединений бурильной колонны.
III этап:
• разработка методических основ неразрушающего контроля резьбовых соединений в процессе их эксплуатации (установления критериев отбраковки, периодичности различных видов контроля и т.д.);
• разработка требований к автоматизированной системе оценки качества сборки резьбовых соединений;
• разработка и проектирование систем по контролю качества сборки резьбовых соединений.
IV этап:
• проведение промысловых испытаний и внедрение наиболее эффективных разработок.
Представленные результаты теоретических и экспериментальных исследований по указанным проблемам могут служить базой для разработок современных автоматизированных систем по обеспечению работоспособности ЗРС бурильной колонны при бурении скважин различного назначения. Необходимо также отметить, что основные выводы и рекомендации, приведенные в работе, могут быть использованы для различных типов высоконагруженных упорных резьбовых соединений большого диаметра общего машиностроения.
Данная работа последовательно выполнялась с 1978 по 1997 гг. во ВНИГИК НПО "Союзпромгеофизика" (в лабораториях "Неразрушающего контроля бурового оборудования", "Контроля технического состояния скважин" и "Теории и методики технологических исследований скважин"), ВНИИБТ (в лаборатории "Резьбовых соединений") и Agip (в отделе "Современных технологических систем в бурении"). Автор выражает благодарность за оказанную помощь в проведении теоретических и экспериментальных исследований руководителям и ведущим специалистам этих организаций: профессору, д.т.н. Бродскому П.А.; профессору, д.т.н. Щербюку Н.Д.; к.т.н. Газанчану Ю.И. и инж. А. 8сЬепа1о.
2. Условия эксплуатации и особенности ЗРС
2.1 Условия эксплуатации и работоспособность элементов бурильной колонны
Сложные условия эксплуатации бурильной колонны, а также ограничения по наружному и внутреннему диаметрам, создают значительные трудности при проектировании и обеспечении работоспособности ее элементов в скважине. Изучению условий работы, оценки действующих нагрузок и созданию методик определения работоспособности бурильной колонны посвящены многочисленные теоретические и экспериментальные работы [15, 40, 50, 81, 85, 127, 138, 139, 175, 188, 189, 203, 214, 274, 279, 327, 328, 329]. По данным этих исследований из нагрузок, действующих на ЗРС бурильной колонны в скважине, можно выделить наиболее характерные, к которым относятся:
• осевые усилия растяжения от собственного веса колонны;
• усилия растяжения в ниппеле и сжатия в муфте от свинчивания;
• осевые усилия сжатия в нижней части бурильной колонны, возникающие при создании нагрузки на долото за счет веса УБТ;
• крутящий момент, необходимый для вращения колонны и привода долота;
• растягивающие усилия при прокачивании бурового раствора через бурильную колонну и тангенциальные напряжения от перепада давления раствора внутри колонны и в затрубном пространстве;
• переменный изгибающий момент, возникающий при вращении колонны на искривленных участках скважины или потери устойчивости;
• силы трения и динамические нагрузки при проведении СПО;
• динамические усилия (осевые, радиальные и крутящие), связанные с вибрациями бурильной колонны и пульсацией бурового раствора.
Как видно из приведенного перечня, нагрузки, действующие на бурильную колонну в скважине, можно разделить на две большие группы - статические и циклические. Если имеющиеся инструкции по расчету на статику [182] регламентируют конструкции бурильных колонн, и разрушение ЗРС из-за них встречаются крайне редко, то внимание циклическим нагрузкам остается недостаточным. Исключением являются только статические крутящие нагрузки и нагрузки от свинчивания, для которых ЗРС являются наиболее слабыми элементами бурильной колонны.
При проведении спуеко-подъемных операций ЗРС подвергаются многократному свинчиванию-развинчиванию. Вследствие попадания абразивных
частиц на поверхность резьбы, повышенной скорости свинчивания (особенно в случае применения автоматических буровых ключей) вызывает износ витков резьбы. Износ витков увеличивается также в результате недостаточно точного центрирования буровой вышки с ротором и несоблюдения правил посадки ниппеля замка в муфту (свинчивание без облегчения веса свечи с помощью пружины под вертлюжным подшипником крюка, удары и др.). Износ и разрушение замкового соединения может происходить также при недостаточном крутящем моменте свинчивания. По этой же причине нарушается герметичность, возникают промывы соединений. При эксплуатации ЗРС имеют место случаи задиров и заеданий резьбы. Они наблюдаются, как правило, с новыми, плохо приработанными, не бывшими в эксплуатации резьбовыми соединениями. Экспериментами в стендовых условиях и наблюдениями за сост�
