Введение к работе
1.1. Актуальность.
В настоящее время в связи с развитием буровых технологий, усложнений условий бурения возрастают цены на буровое оборудование. Среди множества факторов, определяющих технико-экономические показатели проводки и эксплуатации скважин, важное место занимает надежность работы бурового оборудования и инструмента, в частности бурильных труб. Имеющаяся тенденция к увеличению глубины скважин, а также к бурению наклонно-направленных и горизонтальных скважин, которая в свою очередь влечет за собой увеличение стоимости затрат при ликвидации аварий.
Надежность работы бурильных труб определяется правильной эксплуатацией, своевременным контролем и исключением из работы труб, имеющих недопустимые дефекты.
Наиболее эффективными методами в комплексе неразрушающего контроля легкосплавных бурильных труб являются вихретоковый и ультразвуковой методы неразрушающего контроля.
Несмотря на наличие разнообразной аппаратуры для дефектоскопии, существует настоятельная необходимость создания более совершенных приборов и методик. Требуется создать сканирующую аппаратуру, которая позволяла бы получать картинку состояния стенки трубы находящейся в скважине, определять толщину стенки трубы и выделять различные дефекты; необходимо разработать методику и аппаратуру для дефектоскопии неразъемного трубного соединения в зонах конического стабилизирующего пояска и трапецеидальной трубной резьбы на предмет выявления поперечных усталостных трещин. Создание и усовершенствование аппаратуры и методики вихретоковой и ультразвуковой дефектоскопии необходимо для повышения достоверности изучения состояния легкосплавных бурильных труб, получения информации, пригодной для обоснованной оценки и планирования остаточного ресурса по безаварийной работе данных труб.
1.2. Состояние проблемы.
Оборудование на современных буровых эксплуатируется с нагрузкой, близкой к критической. Высокие температуры, напряжения, вибрации, агрессивные среды - все это в совокупности приводит к деградации металла, появлению и развитию несплошностей и в конечном итоге разрушению объекта.
Одним из наиболее ответственных объектов на буровой являются бурильные трубы. Это объясняется тем, что это связующее звено между наземным и подземным буровым оборудованием выполняет следующие функции: передача вращения от ротора к долоту; восприятия реактивного момента забойного двигателя; подвода промывочной жидкости к турбобуру при турбинном бурении, к долоту и забою скважины при всех способах бурения; создание нагрузки на долото; подъема и спуска долота, турбобура, телесистемы; проведение вспомогательных работ (проработка, расширение и промывка скважины, испытание пластов, ловильные работы, проверка глубины скважины и т.д.). И как следствие, работа бурильных труб происходит при высоких температурах и давлении, присутствуют вращение и различные экстремальные нагрузки.
Компоновка и вес бурильной колонны существенным образом влияют на технико-экономические показатели проводки скважин, на формирование сил сопротивления и определяют уровень нагрузок на элементы буровой установки.
Алюминиевые сплавы обладают рядом ценных физико-механических свойств, выгодно отличающих их от сталей - основного материала для изготовления бурильных труб.
К таким свойствам труб из алюминиевых сплавов следует отнести: низкий удельный вес; пониженное значение модулей продольной упругости и сдвига; технологичность при изготовление труб экструзией; коррозионную стойкость в агрессивной среде и в первую очередь, в H2S и СОг; немагнитные и виброгасящие свойства; высокое облегчение в растворах различной плотности; легкая разбуриваемость (т.е. возможность разрушения долотами и фрезами). Эти свойства определяют основную эффективность применения легкосплавных бурильных труб в составе бурильных колонн при проводке скважин на нефть и газ. Разрушения такого объекта приводит к тяжелым последствиям.
Наиболее велика опасность разрушения по основному телу трубы и в зоне неразъемного трубного соединения. Помимо температурного воздействия и изгибающих усилий, они испытывают дополнительные знакопеременные напряжения в процессе бурения и подвергаются повышенной коррозии эрозии вследствие использования в агрессивных средах.
В результате воздействия всех этих факторов в легкосплавных бурильных трубах, возникают нарушения сплошности металла в виде различных дефектов и трещин. Для предотвращения подобных разрушений применяют технологию защиты основного тела путем увеличения основного тела трубы за счет протекторного утолщения, для защиты неразъемного резьбового соединения применяется технология увеличения длины бурильного замка за счет конического стабилизирующего пояска, данные трубы называются легкосплавными бурильными трубами повышенной надежности (ЛБТПН). Применение вышеупомянутых видов технологий показало высокую эффективность, и позволило существенно повысить их эксплуатационную надежность. Однако практика эксплуатации ЛБТПН выявила факт возникновения и развития усталостных трещин в зонах трубной резьбы и конического стабилизирующего пояска, а так же появление различного рода дефектов в зоне основного тела трубы. Существующими средствами неразрушающего контроля (НК) дефекты в зонах трубной резьбы и конического стабилизирующего пояска не выявляются из-за отсутствия непосредственного доступа к разрушающемуся участку алюминиевой части трубы находящейся под стальным замком.
А так же для обеспечения бездефектной эксплуатации и повышения надежности использования ЛБТПН необходимо проводить своевременную и полную дефектоскопию основного тела трубы. Существующие аналоги позволяют проводить неразрушающий контроль лишь в условиях ремонтных баз, а так же требуют значительных временных затрат на оценку состояния. Использование существующих аналогов для проведения НК непосредственно на буровых предприятиях зачастую затруднительно или полностью невозможно ввиду отсутствия условий для проведения неразрушающего контроля, например на дальних буровых.
1.3. Цель работы и задачи исследования.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности оценки технического состояния легкосплавных бурильных труб нефтегазовой отрасли в процессе эксплуатации на основе разработки современной сканирующей аппаратуры вихретоковой и ультразвуковой дефектоскопии с расширенными функциональными возможностями.
Основные задачи исследований:
выбрать совокупность методов и схем неразрушающего контроля легкосплавной бурильной трубы в процессе ее эксплуатации;
разработать математические модели для описания физических процессов в процессе контроля бурильной трубы;
провести исследование различных схем возбуждения и считывания информации при вихретоковой дефектоскопии тела бурильной трубы и измерения ее геометрических параметров;
исследовать влияние мешающих факторов при вихретоковой дефектоскопии бурильных труб и определить способы их подавления;
разработать конструкцию и определить параметры вихретоковых преобразователей с повышенной селективной чувствительностью к характерным дефектам, развивающимся в процессе эксплуатации бурильных труб;
разработать вихретоковые средства НК алюминиевых бурильных труб в процессе каротажа;
исследовать выявляемость усталостных дефектов в неразъемном соединение в зоне трубной резьбы и стабилизирующего пояска на основе ультразвукового метода НК различными схемами про-звучивания;
разработать методики контроля трубной резьбы и зоны пояска, а также соответствующие макеты сканирующих устройств для реализации УЗК-контроля труб находившихся в эксплуатации при профилактических работах;
разработать ультразвуковые средства НК неразъемного соединения алюминиевой бурильной трубы.
1.4. Методы исследования:
Теоретические исследования выполнены на основе математического моделирования методом конечных элементов с использованием программной среды ANSYS на ПК. В экспериментальных исследованиях применялись стенды, обеспечивающие перемещение вихретоковых и ультразвуковых преобразователей в различных направлениях. При исследованиях взаимодействия вихретокового преобразователя с образцом ЛБТПН использовалась сертифицированная компьютерная система
«Комвис ЛМ». В исследованиях при использовании вихретокового сканера использовался сертифицированный дефектоскоп «ЗОНД ВД-96». В исследованиях при использовании ультразвуковых сканеров использовался сертифицированный дефектоскоп УДС2-52 «ЗОНД-2». Достоверность результатов подтверждена сопоставлением теоретических расчетов с результатами экспериментов.
1.5. Научная новизна работы заключается в следующем:
разработана расчетная модель, на основе метода конечных элементов, для анализа электромагнитного взаимодействия вихретокового преобразователя, расположенного во внутренней полости алюминиевой части трубы, с дефектами типа трещин;
теоретически и экспериментально исследована функция распределения электромагнитного поля в ближней и дальней зонах при возбуждении вихревых токов короткой возбуждающей катушкой, размещенной соосно с контролируемой трубой в ее внутренней полости, позволившая определить оптимальную зону установки измерительных катушек;
теоретически и экспериментально исследовано взаимодействие различных конфигураций ультразвуковых пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП) с зоной неразъемного трубного соединения алюминиевой бурильной трубы, что позволило определить оптимальные зоны установки ПЭП для получения удовлетворительного сигнала от дефектов с минимальной величиной мешающих сигналов;
определена группа ПЭП для контроля различных зон неразъемного трубного соединения алюминиевой бурильной трубы на предмет выявления поперечных усталостных трещин, на основе которых сформулированы технические требования для изготовления УЗ сканеров для контроля зоны неразъемного трубного соединения;
определены близкие к оптимальным конструктивные параметры первичных преобразователей и режимов контроля, для выявления трещин различной ориентации, измерения толщины стенки в основном теле трубы вихретоковым методом и выявления усталостных трещин в зоне неразъемного трубного соединения ультразвуковым методом.
1.6. Практическая ценность работы заключается в том, что:
Разработан высокоэффективный вихретоковый преобразователь, обеспечивающий надежное выявление трещин различной ориентации и коррозионных поражений, как с внутренней, так и с внешней стороны трубы находящейся в эксплуатации;
Разработаны сканеры УКР-1, УКР-2, УКП-1 для УЗК зоны неразъемного трубного соединения алюминиевой бурильной трубы, зон трубной резьбы и конического стабилизирующего пояска, как с наружной, так и с внутренней стороны трубы;
Разработаны методики ВТ и УЗ контроля алюминиевой бурильной трубы, позволяющие проводить неразрушающий контроль сканерами «Труботест ВД - 2008», УКР-1, УКР-2, УКП-1, разработанными на основе приведенных результатов работ.
1.7. Реализация и внедрение результатов работы:
Результаты работы использованы при создании макетного образца вихретокового сканера «Труботест ВД - 2008» выпущенного научно- учебным центром «КАСКАД» при Московском государственном университете приборостроения и информатики. К настоящему времени макет сканера прошел испытания в ОАО «Славнефть-Мегионнефтегаз» в г. Мегион и находится на доработке в ООО «Нефтегазгеофизика» для проведения совместных испытаний комбинированного прибора для скважинной дефектоскопии;
Результаты работы использованы при создании ультразвуковых сканеров УКР-1, УКР-2, УКП-1 выпускающихся ЗАО «Фирма «ЗОНД». К настоящему времени данные сканеры проходят опытную эксплуатацию в условиях производственных подразделений компании Weatherford в г. Нижневартовск и в г. Ноябрьск при содействии ОАО «Славнефть-Мегионнефтегаз» в г. Мегион и ООО «Сервисная буровая компания» в г. Ноябрьск.
1.8. Апробация работы.
Основные результаты работы доложены и обсуждены на XVI Российской конференции по не-разрушающему контролю и диагностике (г. Нижний Новгород, 2008 г.), на 7-ой Международной выставке и конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (Москва, 2008 г.), на XVIII международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» (г. Алушта, 2009 г.), на Международной
научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, технике и образовании» (г. Таба, Египет, 2009 г.).
1.9. Публикации.
По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, две из которых в журналах, признанных ВАК научными изданиями по профилю защищаемой диссертации («Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии» и «Приборы»). Список опубликованных работ приведен в автореферате.
1.10. Структура и объем диссертации.
