Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние работ в области протекторной защиты 15
1.1. Актуальность работ по обеспечению протекторной защиты труб при бурении нефтяных и газовых скважин 15
1.2. Условия работы и основные виды отказов протекторов в эксплуатации 27
1.3. Анализ результатов НИР и ОКР в области протекторной защиты 34
1.4. Задачи исследования 52
Глава 2. Разработка методов и технических средств для исследования и испытания резиновых протекторов 55
2.1. Неразрушающие методы исследований напряженно-деформированного состояния, защищающей способности и усилий сдвига резиновых протекторов 58
2.2. Метод ускоренного определения способности напряженных резин сопротивляться разрушению в агрессивных средах при повышенных температурах и наличии концентраторов напряжения 70
2.3. Машина МЙ-2В для ускоренных испытаний материалов, моделей и образцов, вырезанных из готовых изделий, на истирание в условиях, близких к эксплуатационным 74
2.4. Высокотемпературный стенд НВСПК-І для испытания протекторов в режимах враща тельного бурения 80
Глава 3. Основные результаты исследований резиновых протекторов бурильных труб 85
3.1. Исследование напряженно-деформированного состояния резиновых протекторов 85
3.2. Исследование влияния конструктивных, физико-механических и эксплуатационных факторов на основные показатели работоспособности резиновых протекторов 89
3.3. Экспериментальная оценка эффективности применения протекторов в качестве средства защиты труб от износа 104
Глава 4. Повышение эффективности протекторов бурильных труб 117
4.1. Совершенствование конструкций резиновых протекторов 117
4.2. Разработка новой конструкции резинометал-лического протектора 120
4.3. Результаты испытаний протекторов новых типов 123
4.4. Повышение теплостойкости и прочности протекторных резин 135
4.5. Методика расчета и предварительной оценки эффективности протекторов различных типов 144
4.6. Универсальный резиновый протектор бурильных труб 149
4.7. Общая классификация средств протекторной защиты 152
4.8. Рациональные области применения резиновых и резинометаллических протекторов 155
4.9. Экономическая эффективность применения протекторов новых типов 162
Выводы и основные результаты работы 167
Литература I71
Приложение
- Условия работы и основные виды отказов протекторов в эксплуатации
- Метод ускоренного определения способности напряженных резин сопротивляться разрушению в агрессивных средах при повышенных температурах и наличии концентраторов напряжения
- Исследование влияния конструктивных, физико-механических и эксплуатационных факторов на основные показатели работоспособности резиновых протекторов
- Методика расчета и предварительной оценки эффективности протекторов различных типов
Введение к работе
Огромные запасы нефти и природного газа позволяют развивать нефтяную и газовую отрасли промышленности высокими темпами, последовательно улучшать топливно-энергетический баланс страны, обеспечивать высокоэффективным сырьем потребность всех отраслей народного хозяйства,
В соответствии с основными направлениями развития нефтяной и газовой отраслей промышленности в ближайшем десятилетии планируется увеличение объемов работ по проводке глубоких скважин в сложных геологических условиях на освоенных месторождениях, в новых труднодоступных районах Севера, Западной Сибири и Средней Азии, а также в щельфовых зонах морей и океанов.
Газонефтедобывающая отрасль промышленности является одной из наиболее металлоемких отраслей народного хозяйства. Достаточно сказать, что свыше 20 % всех стальных труб, не считая труб газонефтепроводного назначения, выпускаемых в стране, идет на строительство нефтяных и газовых скважин.
Развитие буровых работ за рубежом на протяжении многих лет тормозится нехваткой труб, в основном из-за недостатка стали. Например, 7 % всей стали, производимой в США, приходится на трубы,из них 2/3 на нефтегазовую промышленность.
Проблема снижения металлоемкости нефтяных и газовых скважин всегда находилась под постоянным вниманием ученых и прак- тиков-нефгяников, благодаря чему расход металла на один метр проходки в течение последних лет не увеличивается, несмотря на рост средней глубины бурения скважин в целом по Союзу,
Современное глубокое бурение связано с необходимостью ре-
шения ряда сложных проблем, в которых определяющее место занимают мероприятия по повышению надежности и долговечности нефтебурового оборудования, по снижению металлоемкости и аварийности скважин.
В зоне контакта бурильных труб с обсадной колонной, возникающего в процессе бурения и спуско-подъемных операций, происходит сложный и малоизученный процесс. Основная трудность в изучении этого процесса заключается в том, что совершаемая в скважине работа трения является функцией большого числа факторов. К ним относятся смазывающие и абразивные свойства промывочных буровых растворов, физико-механические свойства трубных сталей, режимы движения бурильных труб в обсадной колонне, контактные прижимающие усилия, а, следовательно, вес труб и пространственное искривление ствола скважины.
Интенсивный износ обсадных колонн, связанный с вращением бурильного инструмента и большим числом спуско-подъемных операций, особенно на участке интенсивного искривления ствола скважины, требует применения эффективных средств протекторной защиты. Протекторы, выступая за нарулшыи диаметр замковых соединений бурильных труб, предотвращают их жесткий контакт со стенками обсадной колонны и, постоянно изнашиваясь сами, значительно снижают интенсивность износа обсадных труб и практически полностью исключают износ бурильных замков.
Инструкциями по эксплуатации отечественных нефтегазопромыс-ловых труб и практическими рекомендациями Американского нефтяного института предусматривается обязательное оснащение бурильных труб при работе в обсадных колоннах соответствующими предохранительными кольцами - протекторами бурильных труб.
/
В настоящее время внедряется ГОСТ 6365-74 на резиновые протекторные кольца, разработанный ВНИИКТИРПом взамен ГОСТ 6365-52, в основе которого была заложена конструкция Беттиса (патент СССР В II565, класс 5а 17/10, от 23.05.1928г.). В основу ГОСТ 6365-74 заложена конструкция протектора СевКавНИПИнефти в виде толстостенной цилиндрической резиновой втулки с фасками на торцах. Материал протектора - резина ИРП-І385 на основе бутадиеннитрильно-го каучука СКН-26 М, разработанная НИИШом и рассчитанная на работу в среде бурового раствора при температуре до 100 С,
В последние годы все более широкое развитие получает метод бурения наклонно-направленных скважин кустовым способом, при котором значительно возрастает количество спуско-подъемных операций в условиях повышенных значений контактных прижимающих усилий. Это, в свою очередь, вызывает более интенсивный износ обсадных колонн при поступательном движении бурильной колонны.
Увеличение глубин бурения в сложных геологических условиях, характеризующихся значительными искривлениями ствола скважины, приводит к возрастанию значений контактных прижимающих усилий с одновременным повышением температурного градиента. Наличие острых уступов в стыках обсадных труб, вследствие их разностенности и отсутствия фасок (1,5-2x45 по ГОСТ 632-64) является одной из основных причин механических повреждений резиновых протекторов и последующего за разрушения, а также смещения протекторов с места установки в результате ударов об острые торцы обсадных труб-. По этой же причине происходит процесс интенсивного (желобообразно-го) изнашивания обсадных колонн при отсутствии средств протекторной защиты.
Результаты испытаний^езиновых протекторов, имеющих правиль-
ную цилиндрическую форму, проводившихся в процессе разработки ГОСТ 6365-74, показали, что основными видами отказов этих протекторов является их разрыв и смещение с места установки по вышеуказанным причинам.
Постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР от 12,03. 1981г. Jfc 261 и0 мерах по техническому перевооружению и улучшению организации буровых работ на нефть и газ" предусматривается создание и освоение производства специальных протекторных колец, рассчитанных на работу при температуре 150 С, для защиты от износа бурильных и обсадных колонн, начиная с 1985г. в количестве I млн.штук ежегодно.
Таким образом, в настоящее время ставится задача дальнейшего повышения эффективности стандартных резиновых протекторных колец по ГОСТ 6365-74, которая заключается в совершенствовании их конструкции и улучшении свойств резины с целью удовлетворения требований современного глубокого бурения.
Для решения указанной задачи необходимы соответствующие методы и технические средства для исследовательских работ и испытаний, которые позволили бы разработать более эффективные методы расчета и сравнительной оценки протекторов различных типов по их защищающей способности в лабораторных условиях и, в конечном итоге, за короткий срок создать перспективные отечественные конструкции и материалы протекторов бурильных труб.
Целью настоящей диссертационной работы является разработка методов исследований и повышение эффективности резиновых протекторов за счет совершенствования их конструкции и физико-механических свойств материала на основе комплексного изучения,закономерностей процессов, происходящих в них при эксплуатации.
Анализ основных видов -отказов резиновых протекторов, име-
ющих правильную цилиндрическую форму : потеря защищающей способности, смещение с места установки и разрыв в процессе работы в скважине - позволил определить объем необходимых исследований по изучению влияния конструктивных, физико-механических и эксплуатационных факторов на их защищающую способность и вероятность наступления того или иного вида предельного состояния.
Учитывая разнообразие и большое количество факторов, оказывающих влияние на работоспособность резиновых протекторов в скважине, был разработан следующий комплекс методов, методик и технических средств для проведения лабораторных испытаний :
М 38 40552-75 "Методика определения взаимосвязи исходных и рабочих конструктивных размеров радиально-деформированных резиновых изделий" ;
М 38 40551-75 "Методика определения удельного усилия сдвига радиально-деформированной резиновой оболочки" ;
М 38 40550-75 "Методика определения удельного контактного давления радиально-деформируемой резиновой оболочки на деформирующее контртело";
М 38 40546-75 "Методика ускоренного определения способности напряженных резин сопротивляться разрушению в агрессивных средах при повышенных температурах и наличии концентраторов напряжения" ;
М 38 40547-75 "Методика статического исследования физико-механических и геометрических параметров контакта резиновых элементов фрикционных пар, работающих в абразиве", и прибор для проведения указанных исследований - "Контактно-оптический де-формациометр" ;
М 38 40553-75 "Методика ускоренного определения способности резин сопротивляться истиранию в условиях, близких к
\o
эксплуатационным" и "Машина МЙ-2В для ускоренных испытаний полимеров на истирание в условиях, близких к эксплуатационным" ;
7) Высокотемпературный стенд БВСПК-І для комплексных испытаний протекторов в режиме вращательного бурения.
В результате использования вышеуказанных методов и методик исследования были проведены следующие экспериментальные работы :
исследовано напряженно-деформированное состояние резиновых протекторов и определено основное уравнение, описывающее деформационное поведение протекторных резин в различных видах напряженного состояния, т.е. при различных, практически возможных значениях степени натяга ;
исследовано влияние конструктивных (высоты, толщины и степени натяга резиновых протекторов), физико-механических (прочности при растяжении, относительного удлинения, сопротивления раздиру) и эксплуатационных (времени хранения, времени действия статической деформации растяжения от натяга, т.е. периода нахождения на бурильных трубах, температуры, среды и наличия механических повреждений наружной поверхности - порезов) на защищающую способность, величину предельного сдвигающего усилия и вероятность разрыва протекторов в скважине ;
изучен механизм защищающего и амортизирующего действия резиновых протекторов в режимах поступательного движения в процессе выполнения спуско-подъемных операций и вращательного бурения и получены экспериментальные данные по сравнительному износу фрикционных пар "стальной бурильный замок - обсадная колонна" и "резиновый протектор - обсадная колонна"*.
Результаты проведенных исследований послужили основой при
разработке инженерной методики расчета рабочих и исходных раз-
меров резиновых протекторов и предварительной оценки их технико-экономической эффективности по защищающей способности и величине предельного приведенного сдвигающего усилия.
Ускоренный метод определения прочности напряженных резин, работающих в условиях повышенных температур, агрессивности рабочей среды и при возможных механических повреждениях наружной поверхности позволил изучить механизм разрыва резиновых протекторов в скважине и сделать вывод о том, что основным физико-механическим показателем, влияющим на механическую прочность резиновых протекторов, является стандартизированный показатель сопротивления резины на раздир при растяжении.
Исследования, приведенные на разработанной машине МИ-2В для ускоренных испытаний фрикционных пар в условиях, близких к эксплуатационным, по определению количественной сравнительной оценки эффективность применения резиновых протекторов при движении по обсадной колонне, позволили установить, что основное назначение протекторов, как средства защиты труб от износа, заключается не только в роли подшипников скольжения при вращении, а, главным образом, в роли упругих амортизаторов при спусках и подъемах бурильной колонны.
Разработанные методики расчета и испытаний на прочность могут быть использованы при разработке других резиновых изделий, работающих в напряженно-деформированном состшянии, а машина МЙ-2В для исследований и оценки различных изделий и материалов, работающих в условиях фрикционного контакта.
Использование результатов проведенных исследований позволило создать перспективные конструкции натяжных резиновых протекторов типа "Браслет" ТУ 38 4056-72 и совершенно разгруженных от собственных напряжений (приклеиваемых) типа "Бочка" ТУ 38
4057-72, обладающих повышенными показателями работоспособности.
Волжским заводом РТИ была изготовлена промышленная партия протекторов новых типов "Браслет" и "Бочка" в количестве 500 шт из серийной (ИРП-І385) и опытных марок резин, имеющих повышенные физико-механические показатели прочности и теплостойкости.
Протекторы новых типов успешно выдержали промысловые испытания в сложных эксплуатационных условиях на буровых предприятиях треста "Крымнефтегазразведка" Мингеологии, объединения "Краснодарнефтегаз" Миннефтепрома и объединения "Кубаньгазпром" Мингазпрома, показав наработку, в среднем, до 2000 часов общего времени нахождения в скважине.
В качестве завершающего этапа работ по повышению эффективности и унификации типажа резиновых протекторов была создана новая конструкция универсального резинового протектора бурильных труб (ЇЇБТ) на основе расчета и синтеза положительных элементов, ранее разработанных и успешно испытанных, конструкций типа "Браслет" и "Бочка".
Протектор ПБТ находится в настоящее время в стадии освоения Волжским заводом РТИ.
В результате анализа данных лабораторных испытаний на теплостойкость опытных и применяемых марок протекторных резин и статистического анализа физико-механических показателей, полученных при изготовлении опытно-промышленных партий протекторов новых типов,а также исследования опытных резин разработанным методом определения прочности в условиях, близких к эксплуатационным, была определена перспективная марка резины(Б-75)с точки зрения прочности и теплостойкости(до 150С).Резина Б-75 в настоящее время осваивается Волжским заводом РТЙ в промышленном производстве.
\ъ
Предварительные расчеты показали, что экономический эффект от внедрения протекторов новых типов за счет повышенной удельной проходки (согласно методике ВНИИБТ) составляет 20 руб. на один протектор без учета капитальных затрат на эксплуатацию и ремонт скважины, а также без учета экономии средств от снижения металлоемкости скважины, аварийности и осложнений, процесса глубокого бурения.
Материалы диссертационной работы докладывались на заседаниях секции "Бурильные трубы" и пленарных совещаниях по координации НИР и ОКР в области труб нефтяного сортамента во ВБИИТнефти (г.Куйбышев), на Всесоюзном совещании по вопросу "Состояние разработки и внедрения протекторных колец для защиты бурильных и обсадных труб от износа" во ВБИИКРнефти (г.Краснодар), в Краснодарском УБР объединения "Кубаньгазпром", в производственном отделе по технологии буровых работ ордена Трудового Красного Знамени объединения "Краснодарнефтегаз", в производственном ордена Ленина объединении "Грознефть" (г.Грозный), на техническом совещании научных работников проблемной лаборатории по бурению на мантию Земли ВНИИБТ (г.Москва), на заседании секции бурения Ученого Совета СевкавНИПЙнефти (г.Грозный), на Всесоюзной конференции молодых специалистов в НИИ резиновой промышленности (г.Москва), на заседании НТС ВНИКТИРП (г.Волжский), на секции технологии резины научной конференции Волгоградского политехнического института (г.Волгоград).
Работа трижды заслушивалась на научных семинарах во ВНИИ-ГАЗе в процессе ее выполнения.
диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, выводов и основных результатов. Работа включает 12.6 стр.машино-писного текста, 38 рисункое», 21 таблиц, список использованной
литературы, насчитывающий 116 наименований. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 6-ти реферативных научно-технических сборниках, в 4-х информационных листках, в двух обзорах зарубежной литературы и зарегистрировано в качестве 2-х изобретений. За создание машины МИ-2В "Для ускоренных испытаний полимеров на истирание в условиях, близких к эксплуатационным", получен диплом 1-й степени Волгоградской областной выставки достижений изобретателей и новаторов производства.
ІБ-
Условия работы и основные виды отказов протекторов в эксплуатации
Условия работы бурильных и обсадных труб в скважине отличаются своей сложностью и многообразием факторов, влияющих на интенсивность износа. Удельные давления, прижимающие бурильный инструмент к обсадной колонне, могут изменяться от 0 до 150 МПа (1500 кгс/см2) и более. Скорость скольжения изменяется в интервале 0-3 м/сек. Температура промывочной жидкости может изменяться от 5 до 200 С при давлениях в скважинах, достигающих 70 МПа (700 кгс/см ). Применяемые промывочные жидкости могут быть на водной или нефтяной основе. Использование утяжелителей различ личных марок приводит к колебаниям размеров абразивных частиц в промывочной жидкости в пределах 100-400 мк. При прижимающих нагрузках Рпр= 30 Кн (3000 кгс) максимальные контактные напряжения для всех сочетаний новых бурильных труб и обсадных колонн изменяются в пределах от 70 до 150 МПа, при значениях Рпр= 2,5 Кн (250 кгс) соответственно от 20 до 45 МПа [7].
При вращении колонна бурильных труб приобретает форму пространственной спирали переменного шага (рис.1.3). Вектор пути трения при бурении, когда одновременно осуществляется и осевое перемещение бурильного инструмента, направлен по винтовой линии в сторону забоя скважины, В этом случае происходит относительно равномерное изнашивание обсадной колонны.
Установленные закономерности подтверждают, что в процессе выполнения спуско-подъемных операций бурильные трубы касаются стенок обсадной колонны преимущественно своими замковыми соединениями, но при определенном искривлении ствола скважины и достаточном прижимающем усилии тело бурильной трубы также входит в контакт с обсадной колонной \_\\k ] .В этом случае происходит процесс желобообразного изнашивания обсадной колонны [І4І,
В зоне соединения двух обсадных труб очень часто образуется уступ вследствие их разностенности и большого зазора между торцами. Замковые соединения бурильных труб, переходя из одной обсадной трубы в другую, преодолевают этот барьер и изнашивают его. Опорные торцы бурильных замков выполнены под прямым углом к наружной поверхности замков. Торцы обсадных труб должны иметь фаски 1,5-2,0x45 (по ГОСТ 632-64), размер которых недостаточен для обеспечения плавного входа замка в трубу. Все это вызывает удар и разрушение торцовых частей труб [7,15].
При движении породоразрушающего и другого инструмента в обсадной колонне, спуске геофизических приборов и в ряде других случаев на внутренней поверхности обсадных труб появляются порезы различной формы и глубины. Изучение состояния обсадных колонн после их подъема из скважин, говорит о широком распространении этого вида повреждений. Глубина порезов может колебаться от 1,4 до 5,18 мм[20-22],
Вышеуказанные факторы и параметры механического взаимодействия бурильных и обсадных колонн определяют условия работы протекторов бурильных труб. В таблице I.I (см.приложение) приведены условия и результаты испытаний резиновых протекторов цилиндрической формы, проводившихся в процессе разработки ГОСТ 6365-74 на резиновые предохранительные кольца бурильных труб. Из таблицы I.I следует, что основными видами отказов резиновых протекторов являются их разрывы ( Р ) и смещение ( С ) с места установки. Нетипичные случаи значительного износа (И) в сильно искривленных (до 16 ) скважинах и набухания (Н) протекторов при газопроявлениях в аварийных оитуациях лишь подтверждают указанное положение. Отсутствие закономерности в оценке конструкций ( К )» материала ( М ) и дополнительных средств закрепления протекторов на месте установки - приклейки ( Кл) является следствием значительного различия условий испытаний, проводившихся в разные периоды времени.
Защищающая способность протекторов в процессе эксплуатации характеризуется степенью его радиальной деформации ( Є ) под действием контактных прижимающих усилий ( Рпр), предотвращающей жесткий контакт бурильных замков или тела бурильной трубы с обсадной колонной.
Потеря защищающей способности может наступить при деформации протектора до наружного диаметра бурильного замка (вкр)
при критических значениях прижимающих усилий ( Рпр ), например, на участках резкого искривления ствола скважины ; при смещении (С) протектора с места установки под действием осевых сдвигающих усилий ( Рсд ), а также в случаях локального разрыва (Р) или износа (И) вследствие значительных механических повреждений наружной поверхности протектора.
Разрывы (Р) резиновых протекторов могут происходить в результате комплексного воздействия статической деформации растяжения (натяга), химической активности рабочей среды, температу-ры ( 1 С ) и механических повреждений - порезов, вырывов, являющихся концентраторами напряжений.
Смещение (С) резиновых протекторов может явиться следствием потери усилий натяга в результате процесса релаксации напря o С ) И времени ( Т1 ) действия статической деформации растяжения за период нахождения протекторов на бурильных трубах.
Вероятность смещения протекторов в результате их сбивания в процессе выполнения спуско-подъемных операций, а также разрывов, вследствие механических повреждений, зависит от объема работы в обсадной колонне, числа замковых соединений, прошедших по стыковому участку резкого изменения кривизны ствола скважины, величины прижимающих усилий, разность толщины стенок соединяемых обсадных труб, фактического состояния обсадной колонны, состояния центровки системы "вышка-ротор-устье скважины" и может быть предварительно оценена при пробных рейсах небольших контрольных партий протекторов в скважину.
Количество спуско-подъемных операций (СПО), выполненных за период испытания или эксплуатации протекторов, отражает характер и частоту приложения к ним осевых механических воздействий.
Учитывая температурно-временную зависимость физико-механических свойств высокоэластичных материалов, каким является резина, на эксплуатационные показатели работоспособности резиновых протекторов должны оказывать существенное влияние следующие временные факторы : время старения резины в процессе хранения (Tj ) протекторов с момента изготовления до начала эксплуатации ; время совместного воздействия среды, температуры и статической деформации растяжения (натяга), т,е. общее время нахождения протекторов в скважине ; время суммарного физико-механического воздействия на протекторы при их передеформации под действием прижимающих усилий в процессе вращения бурильной колонны, т.е. время вращения в скважине.
Учитывая взаимосвязь конструктивных особенностей и специфических свойств материала резиновых протекторов, удерживаемых на бурильных трубах за счет усилий натяга, для успешного осуществления протекторной защиты воздействию вышеуказанных эксплуатационных факторов должно быть противопоставлено оптимальное сочетание комплекса исходных конструктивных и физико-механических параметров резиновых протекторов.
Метод ускоренного определения способности напряженных резин сопротивляться разрушению в агрессивных средах при повышенных температурах и наличии концентраторов напряжения
Протекторы, как уже рассматривалось в главе І, в процессе эксплуатации находятся в предварительно натянутом на бурильную трубу состоянии, подвергаются воздействию высоких температур, химически активных буровых растворов и различного рода механическим повреждениям (порезы, вырывы и др.), являющимся концентраторами напряжений.
Известные методы исследований концентрации напряжений, с успехом применяющиеся для пластичных и хрупких материалов (по-ляризационно-оптический метод, метод местных напряжений сопротивления материалов и метод расчета по теории трещин), [71 - 77І, оказались не пригодны для исследования и количественной оценки механизма разрушения резиновых протекторов в силу.специфики свойств резины, как вязко-упругого материала (рис.2.3), хотя и показали, что различие МП резин оказывает влияние на изменение величины коэффициента концентрации напряжений.
В качестве проверки целесообразно разработки и применения специальных методов испытаний, резиновых проекторов, к которым относится "Метод ускоренного определения способности напряженных резин сопротивляться разрушению в агрессивных средах при повышенных температурах и наличии концентраторов напряжения (М 38 40546-75) [ 73 ] , были предприняты попытки использовать известные теории и методы испытаний по определению влияния концентраторов напряжений на вероятность разрыва резиновых протекторов при работе в скважине.
На поляризационно-оптической установке "Карл-Цейс" - 300, имеющейся в СевКавНИПИнефти, были проведены экспериментальные исследования по определению коэффициента концентрации напряжений на плоских моделях из оптически анизатропного материала-полиуретана СКУ-7, по своим упругим свойствам подобного протекторной резине ИИІ-І385. Б качестве объектов исследования использовались плоские образцы (100x25x2 мм) с остроугольным (30) порезом глубиной 5мм, R = ОД мм и полукруглым вырезом глубиной также 5 мм, R = 5мм, нанесенных в середине образца. Аналогичные исследования были проведены и с образцами из протекторных резин на электронной разрывной машине во ВШКТИРПе.
После группирования и усреднения результатов целого ряда параллельных экспериментов были рассчитаны методами фотоупругости, местных напряжений сопротивления материалов и по теории трещин значения коэффициентов концентрации напряжений на раз личных ступенях растяжения и построены графические зависимости, характеризующие влияния формы механического повреждения и степени натяга на изменение величины коэффициентов концентрации напряжений исследуемых марок резин. Для удобства сравнения различных методов оценки полученные графические зависимости совмещены на рис.2.3.
Из графика следует, что значения коэффициентов концентрации напряжений, определенные различными существующими методами и расчитанные по теории местных напряжений и теории трещин не согласуются между собой и поэтому не могут быть приняты в качестве объективной оценки разрывной прочности различных протекторных резин.
В настоящее время в СССР и за рубежом в самых различных областях промышленности разрабатываются и успешно применяются специальные методы ускоренных испытаний натурных изделий или их макетов, основанные на моделировании основного вида предельного состояния испытываемого изделия, позволяющие производить экспресс-оценку и прогнозирование работоспособности его в эксплуатации [79-82].
Для исследования механизма разрыва протекторов в скважине в случае механических повреждений и изучения влияния на него различных конструктивных, физико-механических и эксплуатационных факторов был разработан специальный метод испытаний, основанный на моделировании данного вида предельного состояния в лабораторных условиях М 38 40546-75.
Данный метод вытекает из температурно-временной. зависимости прочностных свойств вые око эластических материалов.
Исследование влияния конструктивных, физико-механических и эксплуатационных факторов на основные показатели работоспособности резиновых протекторов
В результате экспериментальных исследований защищающей способности модельных (макетных) образцов, проведенных на контактно-оптическом деформаціїометре (рис.2.1) но методике М 38 30547-75, было установлено, что абсолютная радиальная деформация 6 резиновых протекторов под действием прижимающих усилий Рпр удовлетворительно (+ 2fo) описывается графически (рис.3.2) параболическими кривыми, аналитическое представление которых имеет вид
Коэффициенты А и & сложным образом зависят от конструктивных, физико-механических и эксплуатационных факторов. Использование дшшого эмпирического уравнения (3.9), параметры которого определялись с помощью метода наименьших квадрантов, позволило апроксимировать полученные семейства деформационных кривых в виде унифицированной объемной диаграммы (рис.3.3а), характеризующей зависимость относительной деформащш е/о от степени натяга Л под действием прижыакжщх усилий.
Значения пршашаюпдах усилий, полученные при исследованиях модельных (макетных) образцов, могут быть использованы как приведенные при сравнительной оценке защищающей способности натурных образцов протекторов существующие и новых типов и размеров. В качестве безразмерного критерия геометрического подобия в этом случае необходигло использовать значения относительной деформации в/о.
Сравнительную оценку защищающей способности протекторов любого типа и размера необходимо производить по одному параметру - величине критического приведенного принимающего усилия, которое соответствует радиальной деформации протектора на критическую величину 0Кр , т.е. до наружного диаметра замковой муфты сізм.
Абсолютная критическая деформация рассчитывается по формуле Относительная критическая деформация определится из соотношения
Показано экспериментально, что напряженные (натяжные) резиновые протекторы (Л =1,63) имеют повышенную ( в 1,5 -2,0 раза) защищающую способность, т.е. меньшую относительную радиальную деформацию, по сравнению с не напряженными, например приклеиваемыми или резинометаллическими (Л =1,0), при тех же значениях прижимающих усилий (рис.3.2, 3.3а),
Различие физико-механических свойств как напряженных, так и не напряженных резиновых протекторов слабо влияет на их защищающую способность (рис.3.36). На рис.3.3 в приведены зависимости относительной радиаль ной деформации 6/ 5 модельных (макетных) образцов, имеющих различную высоту, выраженную в долях внутреннего диаметра протектора, под действием прижимающих усилий. При прочих равных условиях низкие резиновые протекторы С Нпр = cf-rp ) имеют в 3 раза меньшую защищающую способность по сравнению с высокими ( Нпр = 2,0 drp ). На рис,3.2 показано также влияние временных факторов -времени хранения и времени действия статической деформации растяжения (времени нахождения протекторов на бурильном инструменте) на защищающую способность напряженных (Л =1,63) и ненапряженных (Л =1,0) резиновых протекторов. Время хранения готовых изделий свыше 2-х лет в 1,5-2,0 раза снижает защищающую способность напряженных резиновых протекторов, а нахождение таких протекторов на бурильном инструменте в течение 8 месяцев снижает их защищающую способность более чем в 2,0 раза, Усилие натяга характеризуется величиной удельного контактного давления лРк протектора на бурильную трубу. Контактное давление, в свою очередь, является функцией степени деформации Л , толщины Олр и модуля сдвига G материала протектора.
Усилие сдвига F является силой статического трения покоя, которая зависит от величины удельного контактного давления дРк, площади посадочной поверхности $ и коэффициента трения покоя і , На значения коэффициента трения оказывают влияние микро-, макрогеометрия и состояние контактной поверхности.
Для исследования усилии натяга и сдвига модельных (макетных) образцов резиновых протекторов использовались "Методики определения удельных контактных давлении и усилий сдвига радиально-деформированной резиновой оболочки" (М 38 40550-75 и М 38 40551-75). В качестве критерия физического подобия для перехода от модели к натуре в данном исследовании определялся равновесный модуль сдвига С отечественных протекторных резин. Для определения конкретных значений модуля сдвига использовалась предложенная И.В. Дамаскиным, А.И. Чистяковым, Б.Х. Ав-рущенко и В.А; Лепетовым [70] эмпирическая формула (2.8), которая после произведенных математических преобразований имеет следующий вид
Методика расчета и предварительной оценки эффективности протекторов различных типов
Конструкция ранее разработанных и испытанных резиновых протекторов типа "Браслет" была просчитана на ЭВМ с целью исключения незначительной выпуклости его наружной поверхности в средней напряженной части протектора в надетом на бурильную трубу состоянии. В результате расчетов элементов протектора в соответствии с вышеприведенной методикой изменилась его исходная форма и появились дополнительные элементы в виде раструбов и кольцевых канавок.
Универсальный резиновый протектор бурильных труб (ПВТ) (рис.4.9а) представляет собой резиновую втулку, внутренняя поверхность которой в средней части (1) цилиндрическая, а концевые участки (2) имеют форму раструба, за счет чего обеспечивается различная степень натяга протектора в надетом на бурильную трубу состоянии. Средняя часть (I) протектора, имеющая максимальный натяг, прочно закрепляет его в любом месте установки на бурильной трубе. Концевые участки С?) протектора, имеющие минимальный натяг на торцах, мало напряжены и хорошо сопротивляются ударным воздействиям при спусках и подъемах бурильной колонны, а также надежно защищают напряженную среднюю часть за счет того, что в рабочем состоянии ПБТ имеет правильную цилиндрическую форму (рис.4.96;.
Цилиндрическая форма протектора обеспечивается благодаря наличию раструбов (2) и кольцевых канавок (3) на внутренней поверхности ПБТ в раструбной части. В случаях предполагаемого выхода ІШГ в открытый ствол скважины кольцевые канавки заполняются клеевым составом при надевании протекторов, что гарантирует постепенный полный износ его на трубе без локальных разрывов и исключает осложнения процесса бурения. Указанными свойствами обеспечиваются универсальность и повышенные показатели надежности протекторов данного типа в эксплуатации. Применение ПБТ при бурении скважин глубиной 4500-5500 м, с кривизной ствола до 10, удельным весом бурового раствора до 2 гр/см3 в неизношенных обсадных колоннах обеспечивает выполнение не менее 60 спуско-подъемных операций и более 1000 часов вращения и 2000 часов общего времени нахождения в скважине. Условное обозначение универсальных резиновых протекторов - для бурильных труб 0 114 мм при работе в обсадных ко-лоннах с внутренним диаметром (Эк гпіп ) не менее 210 мм -- ПБТ-ІІ4-2І0 ; - для бурильных труб 0 140 мм при работе в обсадных ко-лоннах с внутренним диаметром С D к гп і n ) не менее 245 мм-ЛБТ-І40-245 и т.д. Основные размеры НЕТ, рассчитанные для наиболее ходовых диаметров обсадных колонн Преимущества, которыми обладают различные средства протекторной защиты - защищающие, стабилизирующие и амортизирующие свойства, указывают на перспективность их применения в современном глубоком бурении и необходимость уже в настоящее время разработки их общей классификации. Классификация необходима, в первую очередь, для систематизации разработок в данной области, для дифференцированного разграничения областей примєнеїшя протекторов того или иного типа и последующей количественной оценки их технико-экономической эффективности. Анализ состояния работ в области протекторной защиты в СССР и за рубежом, детальное изучение результатов исследований и промысловых данных позволили нам сформулировать следующие основные признаки классифицирования средств протекторной защиты. (К средствам протекторной защиты отнесены все устройства, назначение которых состоит в разобщении непосредственного контакта бурильных замков и труб со стенками обсадных колонн или открытого ствола скважины). Кдассифицируемые признаки : I; преимущественная область применения (обсадная колон на-I, открытый ствол-її) ; 2) износостойкий материал фрикционной пары иолимер-1, металл-2) ; 3; способ установки на бурильном инструменте (.неподвижно-Д свободно- Б ) ; 4) место установки (непосредственно на теле трубы - а, на замках или специальных переводниках - 8 ) ; 5) основные типы конструкций (чисто резиновые -Р , резино-металлические - РМ , комбинированные и сборные - К , чисто металлические - М ) ; и далее, протекторы каждого типа подразделяются на равновид-ности АДВ,Г ... L , различающиеся конструктивными и физико-механическими параметрами. Графически схема классификации представлена на рис.4.10. В дальнейшем, по мере накопления опыта применения различных средств протекторной защиты в процессе глубокого бурения, включая сильно искривленные, наклонные и направленные сішажинн, предложенная схема классификации должна быть дополнена и конкретизирована следующими основными условиями эксплуатации : - глубина бурения сішажинн, определяющая значения усилий натяжения ( Рн ) бурильной колонны ; - интенсивность искривления ствола сішажинн, определяющая величину контактных прижимающих усилий ( Рпр) и, соответственно, величину критической радиальной деформации протекторов ( вкР ) ; - температура и физико-химический состав промывочных буровых растворов, определяющие физико-механические показатели износоустойчивого материала протекторов ; - компановка обсадных колонн и бурильного инструмента, а также их конструктивные параметры, оказывающие непосредственное влияние на характер их взаимодействия при вращении и скольжении. Не исключено, что вышеперечисленные условия эксплуатации могут быть дополнены современными требованиями глубокого бурения на нефть и газ. 4.8. Рациональные области применения резиновых и резинометаллических протекторов [l09] По мнению зарубежных исследователей [П4,11б] необходимо устанавливать протекторы возле замковых соединении во всех случаях, когда интенсивность искривления ствола скважины вызывает возникновение контактных прижимающих усилий ( Рпр ) от натяжения (, Рн ) бурильной колонны fip= (500-1000 фунтов) 2,2-4,4 Кн .В случаях резкого искривления ствола скважины необходимо устанавливать дополнительные протекторы в середине длины бурильной трубы, чтобы предотвратить контакт "сталь-сталь" бурильной и обсадной колонн. Эксплуатация замковых соединений с износостойким покрытием допускается только в открытом стволе скважины. Однако, сколько-нибудь обоснованного разграничения областей применения чисто резиновых напряженных и резинометаллических разъемных протекторов пока не было предложено. Результаты последних исследований в данной области позволяют произвести предварительную сравнительную оценку и разграничение областей применения протекторов двух указанных типов по следующим параметрам
