ВВЕДЕНИЕ.
Эффективность научно-технического прогресса зависит не только от наращивания выпуска новой техники, но и лучшего использования основных фондов, увеличения съема продукции с каждой единицы действующего оборудования. Решение проблемы сбережения материальных ресурсов и фондоотдачи промышленного оборудования тесно связано с наиболее полным использованием технических возможностей машин и оборудования, а также отдельных узлов и элементов конструкций.
При бурении и освоении нефтяных и газовых скважин важными элементами, в значительной степени определяющими надежность бурильных, обсадных и насосно-компрессорных (н/к) труб, являются резьбовые соединения. В нефтяной и газовой промышленности в основном используются специальные конические резьбовые соединения (КРС) с треугольным и трапецеидальным профилем витков или их модификации. Эксплуатационные характеристики КРС труб, забойных двигателей и бурового инструмента (долот, калибраторов, переводников и др.) в значительной степени влияют на технические показатели бурения и экономическую эффективность строительства скважин.
Ввиду жесткого ограничения габаритов скважины, КРС трубных колонн эксплуатируются в сложных условиях и воспринимают широкий спектр внешних нагрузок (вес колонны труб, избыточные наружное и внутреннее давления, изгиб и кручение колонны и др.), достигающих значительной величины. При этом к КРС предъявляются высокие технические требования в отношении статической и динамической прочности, герметичности, износостойкости и др.
С ростом глубины скважин, увеличением пластовых давлений, внедрением новых технологий и форсированных режимов бурения, требуются более совершенные конструкции КРС с высокими техническими показателями по надежности, долговечности и ресурсу. Решение данных вопросов невозможно без
глуооких знаний о закономерностях изменения технических характеристик этих соединений, во многом зависящих от конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов.
В отечественной и зарубежной практике накоплен значительный материал по исследованию основных эксплуатационных характеристик КРС. Однако многие вопросы остаются недостаточно исследованными и научно обоснованными, а также не в полной мере систематизированными в свете выдвигаемых современных требований к КРС.
Исключительно актуальным для отечественной промышленности является низкий эксплуатационный ресурс замковых резьбовых соединений (ЗРС) колонны бурильных труб и другого бурового оборудования и инструмента. В результате из-за преждевременного износа резьбы и упорных поверхностей ежегодно выбраковываются сотни тысяч замковых деталей вместе с приваренными бурильными трубами, а также другого дорогостоящего бурильного инструмента с замковыми резьбами. Десятки тысяч тонн утяжеленных бурильных труб (УБТ), изготовленных из высококачественной легированной стали (марки 40ХН2МА, 38ХНЗМФА, 45ХГМА и др.) и имеющих в своей конструкции наиболее слабый элемент ЗРС - не в полной мере используют свой эксплуатационный ресурс.
Преобладание турбинного бурения в нашей стране обуславливает значительную долю отбраковки бурильных труб по износу и потере герметичности (промыву) замковой резьбы в общей массе списываемого парка труб и другого бурильног.о инструмента. Неравномерная отработка ЗРС в комплекте бурильных труб приводит к существенному различию в степени износа замковой резьбы. Для более полного использования ресурса - ЗРС требуется более совершенная методика контроля степени износа резьбы и научно обоснованные критерии отбраковки замковых деталей.
До проведения настоящих исследований не установлены сравнительные показатели изнашивания замковой резьбы при проведении СПО с бурильной колонной, а также количественно не определена степень воздействия основных технологических и конструктивных факторов, активно влияющих на эксплуатационный ресурс бурильных замков. Следует отметить, что в стандарте на бурильные замки [31] для всех типоразмеров бурильных замков, независимо от условий эксплуатации, применяемых материалов, оборудования и других технологических факторов, указан единый нормативный показатель ресурса .при многократном свинчивании. Проведенные нами экспериментальные исследования показывали, что наработка ЗРС в значительной степени зависит от многих конструктивных (конусности* шага и др.) и технологических (качества смазки, массы бурильной сечи и др.) факторов. Данное обстоятельство дает основание считать, что необходима выработка надежных критериев отбраковки ЗРС и научно обоснованных нормативов наработки резьбы в зависимости от эксплуатационных условий и параметров резьбы, а также многих конструктивных и технологических факторов, включая собственно типоразмер ЗРС.
Решение данной проблемы тесно связано с нормой расхода металла на метр проходки. Несмотря на многочисленные исследования, направленные на повышение качества эксплуатации бурильных колонн, расход труб на метр проходки в нашей стране остаётся все ещё очень высоким и существенно (в 2-3 раза) уступает уровню передовых зарубежных стран.
В нашей стране актуальной остается проблема герметичности КРС. Значительная часть ЗРС выводится из эксплуатации вследствие промыва соединений, особенно при достижении определенной степени износа резьбы или применении недостаточного крутящего момента свинчивания и совместном действии растягивающих и изгибающих нагрузок. В данной области проведен ряд исследований [12,58.59], методика которых основана на измерении утечек
бурового раствора в промысловых условиях, что не позволяет в достаточной мере раскрыть сущность процесса герметичности, которая тесно связана со степенью износа резьбы и величиной остаточных (после приложения крутящего момента свинчивания и внешних сил) контактных напряжений на упорных торцах. Последние в свою очередь существенно зависят от действующих нагрузок, а также многих конструктивных и технологических факторов, которые трудно поддаются точной регистрации в промысловых условиях.
Актуальной остается проблема сопротивления усталости ЗРС знакопеременным изгибающим нагрузкам. Несмотря на значительные успехи отечественной отраслевой науки в данной области, в основном благодаря исследованиям, проведенным в ВНИИБТ, остаются нерешенные проблемы, касающиеся оптимизации конструкции ЗРС с точки зрения усталости и выбора наиболее рациональных моментов свинчивания, оптимальных режимов методов упрочнения замковой резьбы, включая поверхностно пластическое деформирование (ППД) впадин резьбы и др.
В связи с совершенствованием и внедрением новых технологий проводки скважин, а также ужесточением условий эксплуатации соединений (высокие давления рабочей жидкости и газа, присутствие агрессивных компонентов и коррозионная среда и др.) выдвигаются новые задачи по разработке и совершенствованию конструкций КРС, отвечающих современным требованиям. Данная проблема касается разработки новых конструкций высокогерметичных соединений обсадных и н/к труб класса Премиум, высокопрочных и коррозионностойких труб с повышенным сопротивлением смятию и изгибу для выполнения программы импортозамещения трубной продукции.
Исследование и разработка новых конструкций КРС неразрывно связана с решением сложных вопросов проектирования, изготовления, контроля
10
конической резьбы и уплотнительных элементов, а также со спецификой технологии сборки подобных соединений.
Повышение технических характеристик КРС труб нефтяного сортамента предполагает сокращение аварийности при проводке и креплении скважин, а также безопасность их эксплуатации. Полномасштабные исследования работоспособности КРС нефтепромысловых труб позволяют оптимизировать отдельные параметры, которые наиболее полно удовлетворяют технологическим принципам изготовления и эксплуатации, а также решают важную проблему сокращения расхода металла на метр проходки.
Большую роль в сокращении непроизводительных затрат времени ' и материальных ресурсов, связанных с устранением осложнений при строительстве скважин из-за потери работоспособности КРС, играет обобщение знаний, накопленного научного материала и опыта предшествующих исследователей.' Для этого требуется глубокий анализ и комплексный подход с системным изучением данной проблемы, с привлечением современных средств проектирования, включая наиболее перспективные прикладные программы и методы исследования. Современные исследовательские технологии дают лучшее представление и овладение физическими явлениями изучаемого объекта благодаря использованию всё более совершенных средств и методик исследований. В настоящей работе разработка и совершенствование КРС поводились с привлечением компьютерной техники и программных продуктов, с проведением необходимых инженерных расчетов и анализом локальных механических напряжений с помощью метода конечных элементов (МКЭ). Это позволило моделировать различные проекты и имитировать действующие эксплуатационные условия с получением результатов в кратчайшие сроки.
В предлагаемой работе представлены результаты исследования эксплуатационных характеристик КРС труб нефтяного сортамента jb сочетании с
11
современными испытательными средствами и стендовым оборудованием, позволяющими проверять на натурных образцах работоспособность конструкции, проводить оценку предлагаемых технических решений, моделирование реальных технологических условий или получить подтверждение ожидаемым результатам. Исследования проведены в лаборатории резьбовых соединений ОАО «Буровая техника», имеющей необходимое стендовое оборудование для испытаний КРС на многократное свинчивание, статическую прочность, герметичность при сложном нагружении (растяжении и изгибе), на усталость при знакопеременном изгибе. Особую значимость проведенные исследования приобретают в связи с выполнением работ по тематике, определенной в 1985 году Миннефтепромом (заказ-наряд № 086.0497.87) и предусматривающей использование бурового стенда-скважины, укомплектованного буровой установкой типа «Уралмаш-4Э» с вышкой ВМ-53 и необходимым производственным оборудованием, включая автоматический буровой ключ АКБ-ЗМ, буровой насос У8-6М-2А и др.
Данная работа выполнена с учетом обширного экспериментального и теоретического материала, накопленного многими учеными и научными сотрудниками лаборатории резьбовых соединений ОАО НПО "Буровая техника"-ВНИИБТ, среди которых необходимо выделить: Заслуженного деятеля науки и техники РФ, д.т.н., профессора Щербюка Н.Д., к.т.н. Якубовского Н.В., к.т.н. Газанчана Ю.И., Бутейкиса В.А., Жарова В.Н. и многих других исследователей, внесших значительный вклад в решение рассматриваемых проблем. При этом двтором проанализирован обширный научный материал отечественных и зарубежных ученых, внесших значительный вклад в изучение и решение актуальной задачи - повышения работоспособности резьбовых соединений труб . нефтегазового сортамента и забойных двигателей. Среди отечественных ученых, следует также выделить: Саркисова Г.М., Еременко Т.Е., Сарояна А.Е., Мочернюка Д.Ю., Станишевского A.C., Билыка С.Ф., Ковалева М.К., Штамбурга
12
В.Ф., Яковлева Ф.И., Лачиняна Л.А., Барышникова А.И., Ярошевского Ф.М., Шнейдерова М.Р., Дубленича Ю.В. и др.
Из зарубежных исследователей необходимо отметить: Хейвуда Р.Б., Клайдинста В.О., Гормли Е.Ф., Фарра А.П., Тришмана Л.Е., Альтмана Т., Висселя Х.Т., Хаука В. и др. Научные труды этих и других исследователей во многом способствовали развитию рассматриваемою направления в нефхмном машиностроении.
Исходя из поставленных задач, автором выносятся на защиту следующие положения и основные результаты:
1. Новый метод расчета статической прочности, герметичности и оценки сопротивления усталости замкового соединения с учетом степени износа резьбы, обеспечивающий наилучшие технические характеристики для конкретных условий эксплуатации и реального веса бурильной колонны (места расположения ЗРС, качества сборки и действующих внешних силовых факторов).
2. Новый метод оценки и прогнозирования ресурса замкового резьбового соединения, разработанный на базе аналитических исследований и стендовых испытаний натурных образцов на многократное свинчивание с воспроизведением реальных промысловых условий эксплуатации, учитывающий основные конструктивные, технологические и эксплуатационные факторы.
3. Метод расчета на прочность и оценки предельных состояний замковых резьбовых соединений при знакопеременном изгибе в реальных условиях эксплуатации, разработанный на основе анализа податливости опасных сечений замковых деталей и результатов стендовых испытаний натурных образцов в широком диапазоне типоразмеров (диаметром до 240 мм).
4. Закономерности изменения герметичности замкового соединения в зависимости от прикладываемого крутящего момента свинчивания, действующих
13
внешних силовых факторов (осевого растяжения и изгиба) и степени износа резьбы.
5. Обоснование, разработку и выбор наиболее эффективных конструктивных и технологических способов повышения эксплуатационных характеристик резьбовых соединений труб нефтяного сортамента: новые конструкции разгружающих замковую резьбу элементов, рациональные режимы химико-термической обработки (карбонитрации) бурильных замков и муфт насосно-компрессорных труб, оптимальный режим и критерий технологии поверхностно-пластического упрочнения витков и антизадирного медьсодержащего покрытия и др.
6. Разработанные современные конструкции высокогерметичных резьбовых соединений класса «Премиум» обсадных и насосно-компрессорных труб: типа СТТ-114, -120, -140, -194, ВАРМ-60, -73, -89, -114; ВАРМ-146, а также высокогерметичных и высокопрочных соединений нового поколения ВГСО-168, предназначенных для особо сложных условий эксплуатации.
14
1. КОНСТРУКЦИЯ И УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ КОНИЧЕСКИХ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ БУРИЛЬНЫХ, ОБСАДНЫХ И НАСОНО-
КОМПРЕССОРНЫХ ТРУБ.
1.1 Особенности конструкции и изготовления конических резьбовых соединений.
В процессе строительства и освоения нефтяных и газовых скважин используются бурильные, обсадные и насосно-компрессорные (н/к) трубы, имеющие в своей конструкции конические резьбовые соединения (КРС),. с помощью которглх при применении специального оборудования и технических средств (буровых установок) составляются одноименные колонны. Резьбовые соединения бурильных труб, использующихся для бурения скважин, должны обеспечивать: быстроту сборки, высокое сопротивление растягивающим, изгибающим и скручивающим нагрузкам, необходимую герметичность (до 20 МПа), динамическую прочность при знакопеременном изгибе и износостойкость при многократном свинчивании. От соединений обсадных труб применяющихся для крепления скважин, требуется высокая герметичность (до 70 МПа), сопротивление растягивающим, изгибающим и сминающим нагрузкам. Соединения н/к труб, служащих для подъема добываемых продуктов из скважины, должны обеспечивать высокую герметичность (до 120 МПа), противостоять растягивающим и изгибающим нагрузкам, а также надежно свинчиваться. В отдельных случаях от КРС требуется высокая коррозионная стойкость и работоспособность в агрессивной среде (с присутствием H2S, CO2 и
ДР-)-
Основу практически всех резьбовых соединений труб нефтяного сортамента, а также другого бурильного и скважинного инструмента составляет коническая резьба треугольного или трапецеидального профиля (или их модификация), которая при сборке деталей с заданным диаметральным натягом,
15
обеспечивает соединительному узлу необходимые эксплуатационные свойства: герметичность, статическую и динамическую прочность, износостойкость и др.
Накладываемые ограничения по габаритам (наружному и внутреннему диаметрам) и толщине стенки на нефтепромысловые трубы, в совокупности с широким спектром действующих в скважине статических и динамических нагрузок предопределяют жесткие условия эксплуатации КРС. При этом разное назначение и определенная специфика эксплуатации обуславливают некоторые конструктивные отличия в КРС бурильных, обсадных и н /к труб.
Элементы бурильной колонны (бурильные трубы, переводники, долото, калибраторы и др.) собираются с помощью замковой резьбы [28], имеющей треугольный профиль витков (рис. 1.1) с крупным шагом (5,08 или 6,35 мм), конусностью 1:4 или 1:6 и значительной высотой (3,095 мм; 3,293 мм и др.).
В сборе конструкция, состоящая из ниппеля и муфты (рис. 1.2) и имеющая сопряжение по наружным упорным торцам составляет замковое резьбовое соединение (ЗРС), которое в процессе эксплуатации должно обеспечивать заданные технические требования (рис. 1.3):
- необходимую статическую прочность и сопротивление усталости при действии растягивающих, сжимающих и изгибающих нагрузок и крутящих моментов;
- быстроту сборки;
- требуемую герметичность;
- высокую износостойкость при многократном свинчивании, а также другие технические свойства.
Обсадные и насосно-компрессорные трубы [23,24] имеют муфтовые или безмуфтовые конструкции КРС, в основе которых лежит резьба треугольного или трапецеидального профиля (рис. 1.4), с небольшой конусностью (1:16; 1:12 и др.), шагом (3,175 мм; 5,08 мм и др.) и высотой профиля (2,375 мм; 1,6 мм). Для
Ось резьбового соединений
90' Линия параллельная^
оси резьбы
Ось резьбового соединения
а)
б)
Рис. 1.1 Профиль и параметры замковой и метрической конической (МК и РКТ) резьбы (а) и уплотнительной конической (МКУ) резьбы (б).
О\
17
Ниппель
15,875
плоскость
Муфта
Рис. 1.2 Параметры ниппеля и муфты замкового резьбового соединения.
2U
10
Рис. 1.3 Геометрические параметры замкового резьбового соединения. Fh и Fm - площади опасных сечений ниппеля (н) и муфты (м); L - длина рабочей части резьбы; D и d - диаметры.
оо |
