Содержание к диссертации
Введение
1. Конструкция и условия эксплуатации резьбовых соединений бурильных, обсадных, насосно-компрессорныхтруб 14
1.1 Особенности конструкции и изготовления конических резьбовых соединений 14
1.2 Система контроля, взаимозаменяемость и специфика сборки конических резьбовых соединений 26
1.3 Условия эксплуатации и характерные отказы замковых резьбовых соединений элементов бурильной колонны 30
1.4 Условия эксплуатации и конструкция резьбовых соединений обсадных и насосно-компрессорных труб 38
2. Анализ теоретических и экспериментальных исследований работоспособности резьбовых соединений труб нефтегазового сортамента 43
2.1 Особенности изнашивания замковой резьбы и повышение ресурса при свинчивании 45
2.2 Оценка степени износа и критерий отбраковки замковой резьбы 51
2.3 Герметичность замкового резьбового соединения 56
2.4 Статическая прочность и сопротивление усталости замкового соединения с изношенным профилем резьбы 60
2.5 Постановка задачи исследований 66
3. Методика экспериментальных исследований 68
3.1 Методика исследований износостойкости замковых резьбовых соединений при многократном свинчивании 68
3.2 Методика исследований резьбовых соединений на усталость 77
3.3 Методика исследований резьбовых соединений на герметичность и статическую прочность 81
4. Теоретические и экспериментальные исследования резьбовых соединений бурильных труб при многократном свинчивании 86
4.1 Анализ взаимодействия витков и оценка наработки замковой резьбы
при свинчивании 86
4.2 Характер нагружения резьбы при свинчивании замкового соединения 99
4.3 Оперативный контроль степени износа замковой резьбы 111
4.4 Контроль отрицательного натяга замкового соединения 117
4.5 Наработка замковых резьбовых соединений при многократном свинчивании 122
4.6 Прогнозирование ресурса замковых соединений в зависимости от условий
эксплуатации 143
Выводы к главе 150
5. Исследовние эксплуатационных характеристик замкового соединения с учетом степени износа резьбы 152
5.1 Аналитическая оценка статической прочности замкового соединения с изношенной резьбой 152
5.2 Оценка сопротивления усталости замковых соединений с изношенной резьбой 161
5.3 Исследование герметичности замкового соединения при осевом нагружении 168
5.4 Анализ герметичности замкового соединения с учетом степени
износа резьбы 178
5.5 Влияние изгибающего момента на герметичность замкового резьбового соединения 191
5.6 Предельная осевая растягивающая нагрузка на бурильный замок
из условия герметичности соединения с учетом динамики нагружения 198
5.7 Комплексная оценка работоспособности замкового соединения с изношенной
резьбой 204
Выводы к главе 210
6. Повышение эксплуатационных характеристик резьбовых соединений труб нефтегазового сортамента и бурильного инструмента 211
6.1 Рациональные крутящие моменты свинчивания замковых соединений бурильной колонны с учетом износа резьбы 212
6.2 Оптимизация конструкции замковых соединений с учетом сопротивления усталости 221
6.3 Оптимизация сборки замкового соединения с учетом сопротивления усталости 233
6.4 Оптимизация технологии поверхностно-пластического упрочнения замковой резьбы 243
6.4.1 Критерий упрочнения резьбы при ППД и полная диаграмма усталости замкового соединения 246
6.4.2 Влияние крутящего момента свинчивания замкового соединения на эффективность упрочнения резьбы 250
6.4.3 Универсальная установка УОР-6 обкатки внутренней и наружной замковой резьбы 254
6.4.4 Аналитическая оценка эффективности упрочнения замковой резьбы методом ППД 257
6.5 Индикатор накопления усталостных повреждений резьбовых соединений бурильной колонны 270
6.6 Поверхностное упрочнение замковой резьбы методом карбонитрации 276
6.7 Противозадирное медьсодержащее покрытие конической резьбы химико-механическим способом 287
6.8 Способ определения осевого усилия в резьбе при свинчивании замкового соединения 293
6.9 Высокогерметичные резьбовые соединения обсадных и насосно-компрессорных труб 299
7. Внедрение и экономическая эффективность результатов исследований 319
ВЫВОДЫ 328
Используемая литература
- Система контроля, взаимозаменяемость и специфика сборки конических резьбовых соединений
- Оценка степени износа и критерий отбраковки замковой резьбы
- Методика исследований резьбовых соединений на герметичность и статическую прочность
- Оперативный контроль степени износа замковой резьбы
Введение к работе
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 глубоких 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 бурильногр 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 ц/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 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 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 автором 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 А.С., Билыка С.Ф., Ковалева М.К., Штамбурга 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 нефіяном 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 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 (карбоиитрации) 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.
Система контроля, взаимозаменяемость и специфика сборки конических резьбовых соединений
Ввиду массового выпуска бурильных, обсадных и насосно-компрессорных труб резьбовые соединения, использующиеся в нефтяной и газовой отрасли, должны обладать полной взаимозаменяемостью. Поэтому к контролю КРС предъявляется ряд специальных технических требований, в основе которых лежит проверка диаметра резьбы в основной плоскости. Данный контроль проводится рабочими резьбовыми и гладкими калибрами и заключается в определении осевого натяга (Н - кохмплсксного параметра), характеризующего качество конической резьбы (рис. 1.6). По заданному положению основной плоскости (осевому натягу) контролируется проведенный диаметр соединения, который включает в себя диаметральные компенсации погрешностей отдельных элементов резьбы.
Наличие конусности позволяет свинчивать КРС практически при неограниченных погрешностях элементов резьбы. Однако соблюдение натяга по калибрам при изготовлении резьбы гарантирует только свинчиваемость соединения, но не функциональную взаимозаменяемость. Для обеспечения заданных эксплуатационных характеристик требуется дополнительный контроль отдельных параметров резьбы (шага, конусности, половины угла профиля и др.), который проводится с применением специальных накладных приборов (ИВК, ИНК, ШИ и др.), а таклсе с помощью измерения на универсальном микроскопе гипсовых отливок, полученных с профиля резьбы проверяемых изделий. Если пренебречь погрешностями элементов резьбы калибра, которые незначительны по сравнению с изделием, то приведенный диаметр проверяемой резьбы соответствует диаметру резьбы калибра.
Отклонения отдельных элементов резьбы и среднего диаметра вызывают соответствующее изменение натяга - базового расстояния между контрольными плоскостями проверяемых деталей. Для ограничения отклонений натяга, допуски на отдельные элементы резьбы должны быть минимальными. При наличии отклонений элементов резьбы допуск на натяг может быть выдержан за счет соответствующего изменения собственно диаметра (диаметральной компенсации погрешностей). Известны зависимости, по которым можно определить влияние погрешности отдельных элементов конической резьбы на натяг и характер сопряжения витков соединения [164].
Натяг (или зазор) между контрольными плоскостями может иметь как положительную, так и отрицательную величину. В процессе эксплуатации, по мере изнашивания витков, в резьбе, имеющей первоначально положительный натяг, постепенно образуется и прогрессирует отрицательный натяг. Отрицательный натяг в КРС свидетельствует о том, что при подрезке торца муфты или упорного уступа ниппеля на некоторую величину, произойдёт дальнейшее перемещение деталей вдоль оси соединения.
При свинчивании КРС с отрицательным натягохМ в сопряжении витков имеется зазор по одной из сторон профиля, что ухудшает качество сборки, снижает надёжность и негативно влияет на эксплуатационные характеристики резьбового соединения. Поэтому при эксплуатации КРС большое значение . имеет соблюдение установленного натяга в определенном диапазоне, что гарантирует функциональную взаимозаменяемость деталей без нарушения монолитности и напряженного состояния соединения. Положительный натяг в соединении определяется непосредственно после свинчивания деталей «от руки» как расстояние между контрольными плоскостями, принимаемыми в качестве базовых. В замковом соединении - это упорный уступ ниппеля и торец муфты, а в соединении обсадных и насосно-компрессорных труб последний виток резьбы на трубе и торец муфты.
Отрицательный натяг в соединении легко обнаружить по смыканию упорных торцов при свинчивании, однако на практике сложно определить его величину непосредственно измерением. Фактическое значение отрицательного натяга установить после подрезки упорных поверхностей одной или обеих деталей на некоторую заранее неизвестную величину.
В предлагаемой работе представлен оригинальный способ определения отрицательного натяга в коническом соединении без подрезки упорных торцов замковых деталей [112].
Оценка степени износа и критерий отбраковки замковой резьбы
Ресурс замковых деталей, в основном лимитируется изнашиванием замковой резьбы, связанным с проведением значительного количества СПО [88.89].
В процессе эксплуатации, в результате неравномерного распределения нагрузки по виткам замковой резьбы, а также вследствие особенностей сопряжения витков при свинчивании конического соединения, происходит неравномерное изнашивание профиля как по боковым сторонам и его вершине, так и вдоль образующей конуса. То есть имеет место сложное изменение профиля витков в пространстве, что препятствует получению достоверных данных о степени износа резьбы и затрудняет отбраковку замковых деталей.
В работе [91] предлагается определять степень износа витков и отбраковывать замковые детали по установленным наиболее изношенным участкам резьбы ниппеля и муфты. Этот метод контроля требует изготовления специальных шаблонов.
Известен способ контроля степени износа витков конической резьбы при помощи специального резьбового калибра, имеющего укороченный профиль и сокращенное количество витков [34]. Проверка резьбы ведется по изменению величины натяга соединения, полученного при свинчивании калибра с контролируемой замковой деталью (ниппелем или муфтой).
К недостаткам этого способа следует отнести то, что он определяет степень износа профиля и не регистрирует уменьшение его высоты, являющейся одним из факторов, которые влияют на прочность резьбы. Косвенную оценку уменьшения высоты витков при этом трудно производить из-за отсутствия прямой зависимости между степенью износа боковой поверхности профиля и высоты витка. К этому следует добавить то обстоятельство, что изнашивание боковой стороны профиля витков происходит неравномерно, с уменьшением интенсивности от вершины к его основанию. А так как сопряжение при контроле происходит на участке профиля, удаленном от вершины изношенного витка, результат проверки резьбы получается .заниженным.
В работе [61] для контроля степени износа витков замковой резьбы предлагаются приборы (РИО и РИС), работающие на принципе изменения объема жидкости , заполняющей измерительную камеру. Этот метод , обладая достаточно высокой точностью, не позволяет сделать оценку степени износа отдельных, витков резьбы и требует для проведения контроля больших затрат времени и специального оборудования.
Проверка степени износа замковой резьбы с помощью гипсовых (других отливок), по изменению площади сечения и высоты профиля витков, обладая наиболее высокой достоверностью результата контроля, предполагает использование специальных оптических приборов ( проектора, микроскопа и др.) и относится к лабораторным способам контроля.
В практике бурения широко используется приближенный способ оценки степени износа витков замкового резьбового соединения по критерию Н - расстоянию между упорным уступом ниппеля и упорным торцем муфты в момент посадки [83] Этот способ позволяет оперативно производить в целом для конического соединения комплексную оценку степени износа наиболее изношенного участка резьбы как по высоте профиля витка, так и по боковой (длинной) его стороне.
Недостатком этого способа является то, что в зависимости от взаимного положения начальных витков контролируемых деталей, значение Н может изменяться в пределах, соизмеримых с шагом резьбы. В связи с этим определение величины Н по существующей методике, в настоящее время методике не позволяет получить строго фиксированного значения критерия оценки для одной и той же замковой пары.
Другим недостатком данного способа можно считать то, что оценка степени износа резьбы дается в целом замковой паре, а не отдельно взятой детали (ниппелю или муфте). В практике возможны различные комбинации (сочетания) деталей замкового соединения с разной степенью износа витков, в том числе и такие, которые содержат одну из деталей с износом резьбы, превышающим предельно допустимый, а другую - с относительно малой степенью износа витков. В этом случае будет зафиксирована средняя степень износа витков и соединение не будет отбраковано, хотя одна из деталей не работоспособна.
Степень износа резьбы замковой пары оценивается относительно нового изделия по уменьшению расстояния Н, которое характеризует уменьшение высоты профиля витков и определяется из выражения [88]:
Методика исследований резьбовых соединений на герметичность и статическую прочность
Экспериментальные исследования замковых резьбовых соединений на герметичность и статическую прочность проводились с целью определения работоспособности бурильных замков с заданной степенью износа резьбы при приложении различных крутящих моментов свинчивания и действии внешних нагрузок: осевого растяжения и поперечного изгибающего момента.
Испытания натурных образцов замковых соединений ЗШ-178 проводились на стенде СИТРИ (рис. 3.8), где закачкой воды создавалось избыточное внутреннее давление, а гидравлическими цилиндрами с помощью штоков - осевая растягивающая нагрузка и поперечный изгибающий момент.
За предельную герметичность образца принималось максимальное давление жидкости, при котором еще не происходит утечка агента через упорные торцы замкового соединения.
Перед испытаниями резьба новых бурильных замков контролировалась по всем геометрическим параметрам накладными приборами и резьбовыми калибрами. Для замковых деталей с изношенным профилем витков устанавливалась степень износа резьбы по критерию для специально разработанной методике.
При свинчивании замковых деталей применялась графитная смазка УСсА [25].
После установки образца в стенд СИТРИ, при открытом дренажном отверстии (6) производилось заполнение внутренней полости замка водой через заливное отверстие (2) в заглушке (3).
Стенд позволяет создавать различное сочетание величин прикладываемых к образцу нагрузок с помощью гидравлического привода. Нагружение замкового соединения производилось комплексно или раздельно следующими нагрузками: - осевым растягивающим усилием (до 4000 кН), создаваемым силовым гидроцилиндром (7) при действии скалки (5) на внутренний торец заглушки (3) бурильного замка; - поперечным изгибающим моментом (до 50 кН-м) от консольной прикладываемой нагрузки, создаваемой гидроцилиндром (1). - внутренним давлением (до 45 МПа), при закачке жидкости во внутреннюю полость замка насосом высокого давления (9).
Величина прикладываемых к образцу нагрузок определялась по показаниям манометра (10), указывающего давление рабочей жидкости в соответствующей магистрали. Тарировочные данные, показывающие изменение давления жидкости и действующей при этом нагрузки, составляли: при осевом растяжении I МПа соответствует 47 кН; при изгибе I МПа соответствует 24,5 кН;
С целью исключения влияния скалки, предназначенной для создания осевой растягивающей нагрузки, на общую жесткость системы, нагружение образца производилось в следующей последовательности: поперечный изгибающий момент, осевое растяжение, внутреннее давление жидкости.
После нагружения образца требуемым сочетанием силовых факторов, производилась выдержка его под давлением закачиваемой жидкости не менее 30 мин. Испытание образца заканчивалось при появлении утечки жидкости через упорные торцы замкового соединения, характеризующего предельную герметичность соединения.
Для контроля за действием осевой растягивающей нагрузки в торце системы заглушки (3) устанавливался стрелочный индикатор, который показывал удлинение системы.
Величина прогиба образца отмечалась двумя стрелочными индикаторами, установленными вдоль оси образца на заданном расстоянии друг от друга.
На стенде СИТРИ проводились испытания замковой резьбы с изношенным профилем витков на статическую прочность. При этом замковое соединение подвергалось одному виду нагружения - осевому растяжению, создаваемому с помощью силового гидроцилиндра (7).
По результатам испытаний устанавливались зависимости предельной герметичности замкового соединения Рвн., выраженной через давление закачиваемой жидкости, от действия указанных силовых факторов при различной степени износа.
При испытаниях на осевое нагружение определялась предельная нагрузка на растяжение, которую выдерживает бурильный замок, имеющий определенную степень износа резьбы.
Для проведения испытаний на усталость УБТ большого диаметра (210...240 мм) требуется затяжка образцов значительным крутящим моментом свинчивания 60 кН-м...90 кН-м. Для этого использовалась специальная технологическая оснастка (зажимные приспособления) и стенд свинчивания СРС (рис. 3.9). Стенд оснащен аппаратурой слежения за смещением / упорных поверхностей замковых деталей при силовой затяжке соединений. Сигналы с датчика смещения и силового гидроцилиндра обеспечения крутящего момента свинчивания (Мсв) обрабатываются и передаются на компьютер, который выдаёт диаграмму, отображающую зависимость Мсв и Г.
Оперативный контроль степени износа замковой резьбы
Аварийные ситуации с замковыми соединениями, связанные со срывом резьбы и нарушением их герметичности, во многом объясняются несовершенством оперативного контроля степени износа резьбы и отбраковки замковых деталей в промысловых условиях.
Сложность контроля степени износа замковой резьбы обусловлена неравномерным характером изнашивания витков как по высоте и ширине профиля, так и вдоль образующей конуса резьбы ниппеля и муфты.
Известные закономерности изнашивания замковой резьбы позволили использовать в качестве наиболее приемлемого в практическом отношении критерия отбраковки замковых соединений - расстояние Н между упорным уступом ниппеля и упорным торцом муфты в момент посадки, перед свинчиванием (рис. 4.9). Указанный критерий позволяет оперативно производить оценку степени износа витков наиболее изношенного участка резьбы замкового соединения как по высоте профиля, так и по боковой (длинной) стороне. Однако этот способ не обладает требуемой точностью (если не использовать специальные приемы) вследствие разброса (в пределах шага резьбы) значений контролируемого параметра, а также не обеспечивает контроль степени износа резьбы отдельно каждой замковой детали.
С целью повышения достоверности результата контроля степени износа замковой резьбы преложена более совершенная методика проведения контроля и отбраковки замковых деталей, лишенная указанных недостатков [161]. По этой методике оценка степени износа резьбы производится раздельно для ниппеля и муфты с помощью резьбового шаблона, изготовленного в виде ответной замковой детали и установленного в определенном, строго фиксированном, взаимном положении по отношению к проверяемой детали. Это положение находится поворотом (в пределах одного поворота) шаблона, предварительно установленного соосно с деталью, относительно контролируемой резьбы в сторону развинчивания до момента, при котором наблюдается скачкообразное осевое перемещение шаблона под собственным весом в проверяемую деталь.
При повороте шаблона относительно детали происходит скольжение сопряженных витков резьбы сначала по длинной стороне, а затем по вершинам профиля с непрерывным уменьшением площади взаимного контакта витков и, одновременно, увеличением значения Н. Затем достигается такое взаимное положение сопряженных витков резьбы, при котором прекращается их контакт по вершинам профиля и шаблон под действием собственного веса перемещается вдоль оси в контролируемую деталь. При этом значение Н для данной степени износа замковой резьбы уменьшается (скачком) с максимальной величины (Нтах) до минимальной (Hmin). Полученное таким образом значение Н для данной замковой детали (рис. 4.10) сравнивается с аналогичным показателем у нового изделия и по относительному изменению величины Н определяется степень износа резьбы контролируемой детали по формуле: Но-Н С„= но -175 (4.18) Где С„ - степень износа замковой резьбы по критерию Н, %; Н0 - значение критерия Н для замковой резьбы нового изделия, изготовленного по [26] ,мм; Н - значение критерия Н для замковой резьбы контролируемой детали (ниппеля и муфты), мм. Необходимо отметить, что вследствие возможных отклонений элементов замковой резьбы, нормативной документацией [26], значение критерия Н у нового изделия может находиться в определенных пределах. В связи с этим за базовое значение Н0 рекомендуется принимать наиболее вероятную - среднюю его величину. Так, например, для замковой резьбы 3-147 значение, Н0 принимается равным 34,5 мм [84].
Предложенный метод позволяет производить контроль степени износа конической резьбы как раздельно каждой замковой детали, так и в целом соединения. При оценке степени износа замковой резьбы соединения, составленного из бурильных труб (в условиях буровой), последовательность операций сохраняется. После посадки ниппеля наращиваемой свечи в муфту трубы, установленной в роторе, машинным ключом производится относительный поворот замковых деталей в сторону развинчивания до момента, при котором, под действием собственного веса, происходит скачкообразное осевое сближение замковых деталей на величину (5), соизмеримую с шагом резьбы и определяемую по формуле [4.14]:
В момент осевого перемещения ниппеля, относительный поворот замка деталей прекращается, так как дальнейший их разворот приводит к снижению точности проводимого контроля.
С целью исключения влияния перекоса замковых деталей, установленных в заданном взаимном положении, измерение расстояния Н между упорным уступом ниппеля и упорным торцом муфты производится с двух диаметрально противоположных сторон бурильного замка. Искомая величина Н находится как среднее из полученных значений.
В практике бурения вследствие неравномерной отработки замковых соединений в комплекте бурильных труб встречаются детали с различной степенью износа замковой резьбы. Обычно уменьшение площади сечения витков ниппеля и муфты списанных комплектов бурильных труб составляет в среднем 15... 17 % [89]. Однако встречаются замковые детали с гораздо большим уменьшением площади сечения витков резьбы. [77]
Предлагаемая методика посредством осуществления раздельного контроля замковых деталей позволяет исключить из эксплуатации бурильные трубы, степень износа резьбы которых превышает установленные нормы, а за счет получения однозначности результатов проводимых измерений и повышения точности контроля - повысить эксплуатационную надежность бурильных замков и наиболее полно использовать их ресурс.
