Введение к работе
Актузлышехь_лра5лмь1, 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, соединешіи 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 эелеменгов - МКЭ) на базе мощных вычислительных комплексов позволяет решить эту проблему.
Наравне с проектированием оптимальных конструкций ЗРС, нерешенной проблемой остается оценка их прочности и обеспечение заданной долговечности в процессе эксплуатации, что включает такие вопросы, как
4 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.
Цель работы;
Теоретические и экспериментальные исследования влияния основных конструктивных и технологических факторов на прочность и долговечность ЗРС; разработка и внедрение наиболее эффективных методов повьппения 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.
-
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;
-
Проверка и уточнение основных результатов теоретических исследований путем проведения широкомасштабных натурных испытаний ЗРС;
-
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;
-
Разработка основных требований к неразрушаю щему контролю ЗРС и метода оценки качества их сборки при эксплуатации",
-
Разработка научных основ систем контроля технического состояния ЗРС при эксплуатации на базе компьютизированных комплексов ГТИ.
-
Разработана эффективная модель ЗРС с использованием МКЭ, и получены параметрические зависимости напряженного состояния его элементов от основных конструктивных и технологических факторов.
-
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).
-
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.
-
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.
-
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.
-
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 Дрогобьгчском 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
7 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 упрочнеїшя 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 агшаратурно-методического комплекса "Разрез" (Калинин, ВНИГИК, 1987), "Комплекс аппаратуры и оборудования для геофизических, геохимических, гидродинамических и геолого-технологических исследований
8 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.
Апробация полученных результатов:
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.).
Структура и объем работы:
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 наименовании и содержит 7 приложений.
