Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Предмет исследования и сущность научной задачи 9
1. 1 Анализ дефектов обсадных колонн 9
1.2 Анализ технологии ремонта обсадных колонн стальными продольно-гофрированными пластырями на основании патентной и научно-технической литературы 16
1.3 Характеристика продольно-гофрированных труб, применяемых для изготовления стальных пластырей 21
1.4 Анализ способов и режимов сварки для соединения гофрированных пластырей 29
1.5 Цель и задачи исследований 37
Глава 2 Разработка теоретических основ и технологических особенностей сварки продольно -гофрированных труб 38
2 1 Теоретические исследования параметров движения электрода при сварке криволинейных поверхностей пластыря 38
2.2 Математическое моделирование сварочной дуги 41
2.2.1 Основные уравнения моделей сварочной дуги 43
2.2.2 Граничные условия уравнений моделей 47
2.2.3 Методы решения систем уравнений 50
2.3 Особенности сварки тонкостенных стальных продольно- гофрированных труб 52
2.3.1 Основные параметры дуги, определяющие форму шва при электродуговой сварке 56
2.4 Алгоритм выбора режимов и геометрических параметров сварных швов ручной электродуговой и полуавтоматической сварки в среде защитных газов на открытых площадках 63
2.5 Выводы 76
Глава З Экспериментальные исследования сварки продольно - гофрированных пластырей над устьем нефтяных и газовых скважин 77
3.1 Выбор способов и режимов сварки . 77
3.2 Методика и результаты исследований механических свойств сварных соединений 80
3.2.1 Результаты исследований механических свойств сварных соединений 84
3.3 Химический и структурный анализ сварных швов и основного металла 89
3.3.1 Результаты химического и структурного анализа сварных швов и основного металла 91
3.4 Испытания свойств сварного соединения после пластической деформации (дорнирования) 96
3.4.1 Результаты испытаний свойств сварного соединения после пластической деформации 97
3.5 Гидравлические испытания сварных образцов 100
3.5.1 Результаты гидравлических испытаний сварных образцов. 102
3.6 Испытания влияний корня и усиления шва на свойства сварных соединений, выполненных ручной дуговой сваркой 103
3.6.1 Результаты испытания влияний корня и усиления шва на свойства сварных соединений 104
3.7 Испытания свойств сварного соединения гладкостенных труб, из которых изготавливаются продольно- гофрированные трубы 106
3.7.1 Результаты испытания свойств сварного соединения гладкостенных труб 107
3.8 Исследование влияния типа соединения продольно-гофрированных труб на усилия при лорнировании 109
3.9 Выводы 111
4 Глава 4 Разработка оснастки и технологического процесса сварки продольно - гофрированных пластырей над устьем скважины 112
4.1 Разработка технологической оснастки и оборудования для сварки пластырей длиной до 50 м 112
4.2 Экспериментальная технология ремонта обсадных колонн металлическими пластырями из сварных секций длиной более 50 м над устьем скважины 114
4.2.1 Особенности изготовления мерных гофрированных секций 114
4.2.2 Экспериментальная проверка технологии сборки, сварки секций над устьем скважины и установки сварных пластырей длиной более 50 м 116
4.3 Анализ силовых характеристик при установке сварных продольно-гофрированных пластырей 128
4.4 Исследование возможности установки пластырей с отрицательным натягом , 136
4.4.1 Методика проведения экспериментов 136
4.4.2 Результаты проведения экспериментов 138
4.5 Рекомендации для разработки технологического процесса ремонта нефтяных и газовых скважин сварными пластырями 144
4.6 Выводы 146
Основные выводы 148
Список использованных источников 150
Приложение 1 компьютерная программа «сварка» 162
- 1 Анализ дефектов обсадных колонн
- Теоретические исследования параметров движения электрода при сварке криволинейных поверхностей пластыря
- Выбор способов и режимов сварки
- Разработка технологической оснастки и оборудования для сварки пластырей длиной до 50 м
Введение к работе
Актуальность темы. Ремонт нефтяных и газовых скважин с целью герметизации обсадных колонн является актуальной проблемой в нефтегазодобывающей отрасли. Немалая часть фонда скважин нуждается в проведении ремонтно-изоляционных работ, направленных на восстановление их герметичности. Некоторые нефтяные и газовые скважины имеют дефекты большой протяженности (до 100м). В связи с этим принципиально новой, актуальной задачей является разработка технических средств и технологии сборки, сварки и установки сварных пластырей для ремонта обсадных колонн над устьем скважины.
В увеличении добычи нефти и газа немаловажную роль играют вопросы повышения качества и снижение стоимости ремонтных работ, направленных на восстановление герметичности обсадных колонн имеющие дефекты большой длины.
Тенденция к увеличению глубины скважины, интенсификация технологических процессов добычи нефти и газа значительно сокращают срок службы нефтяных и газовых скважин. В скважинах образуются различного рода негерметичности, многие из которых представляют цепочки дефектов большой длины. Поэтому необходимо разработать более совершенные технические методы, которые направлены на получение качественно новых способов восстановления герметичности обсадных колонн. Одним из перспективных способов ремонта нефтяных и газовых скважин является установка сварных продольно - гофрированных пластырей. Однако применение этого способа соединения стальных пластырей ограничено тем, что ремонтно — восстановительные работы ведутся на открытых площадках в различных климатических регионах. В этих условиях необходимо исследовать влияние атмосферных воздействий на процесс сварки и качество сварного соединения. Кроме того, сложность формы пластыря значительно затрудняет технологический процесс сварки над устьем скважины.
Цель работы. Разработка технологии сварки и установки продольно-
гофрированных пластырей большой длины (до 100м) при ремонтно-изоляционных работах в процессе бурения и эксплуатации нефтяных и газовых скважин.
Объектом диссертационного исследования являются нефтяные и газовые скважины.
Предметом исследования является совершенствование методов ремонта обсадных колонн, обеспечивающих необходимое качество и снижение стоимости при строительстве, освоении и эксплуатации скважин.
Научную новизну и теоретическое значение работы представляют впервые разработанные автором:
- научно обоснован и разработан новый технологический процесс
производства сварных продольно-гофрированных пластырей при ремонте
обсадных колонн над устьем нефтяных и газовых скважин;
- впервые разработаны теоретические основы ремонта обсадных колонн
сварными пластырями, заключающиеся в использовании математической
модели, полученной автором, оценки свойств столба дуги, в зависимости от
положения электрода, при сварке труб сложного профиля (криволинейного
профиля пластыря);
- научно обоснована и разработана программа выбора режимов и
геометрических параметров сварных швов стальных пластырей
электродуговой сварки при ремонте обсадных колонн над устьем нефтяных и
газовых скважин (Свидетельство об официальной регистрации программы на
ЭВМ №20044612128).
Практическая ценность работы заключается в:
- разработке технологии сварки и установке сварных продольно-
гофрированных пластырей большой длины (до 100 м) при ремонте нефтяных
и газовых скважин на открытых площадках;
разработке алгоритма и компьютерной программы расчета геометрии сварного шва и рациональных режимов электродуговой сварки для обеспечения качества и герметичности сварных швов стальных пластырей, с учетом климатических воздействий над устьем скважины;
определении рациональных величин зазоров между полостью обсадной
7 трубы и гладкой трубой-пластырем, для обеспечения отрицательного натяга при восстановлении герметичности обсадных колонн, имеющих дефекты большой протяженности;
- разработке нормативного документа «Инструкция по сварке стальных
продольно-гофрированных пластырей»;
- использовании результатов теоретических и экспериментальных
исследований, выполненных автором, в учебном процессе при изучении
дисциплин: «Технология машиностроения», «Техника и технология добычи
нефти»,
Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 8-ми научных статьях и использовано при разработке нормативных документов:
1) «Инструкция по сварке стальных продольно-гофрированных
пластырей»;
2) внедрены на предприятиях ОАО «Краснодарнефтегаз Бурение», ОАО
«Краснодарнефтегазремонт», ОАО «Сургутнефтегаз» и в учебный процесс
КубГТУ, акты внедрения в приложении.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованных источников и приложений.
В первой главе проведен анализ дефектов обсадных колонн, проведен анализ способа ремонта нефтяных и газовых скважин стальными продольного фрироваными пластырями на основании патентной и научно - технической литературы, рассмотрены недостатки этого способа, приведена характеристика продольно-гофрированных труб, применяемых для изготовления стальных пластырей, и способов их установки на дефектные участки обсадных колонн. Также здесь рассмотрены различные виды сварки, с помощью которых можно соединять продольно-гофрированные трубы.
Вторая глава посвящена разработке теоретических основ и технологических особенностей соединения продольно - гофрированных труб при сварке криволинейных поверхностей пластыря. Разработана математическая модель сварочной дуги, изложены особенности сварки
8 тонкостенных труб, разработан алгоритм выбора режимов и геометрических параметров сварных швов ручной электродуговой и полуавтоматической сварки в среде защитных газов.
В третьей главе проведены экспериментальные исследования сварки продольно-гофрированных пластырей при ремонте нефтяных и газовых скважин, получены результаты исследований механических свойств сварных соединений, проведен химический и структурный анализ сварных швов и основного металла. Также исследованы свойства сварного соединения после пластической деформации (дорнирование), проведены гидравлические испытания сварных образцов и влияний корня и усиления шва на качество установки пластыря, проводились исследования влияния типа соединения продольно-гофрированных труб на усилия при дорнировании.
Четвертая глава посвящена разработке оснастки и технологического процесса сварки продольно-гофрированных пластырей над устьем скважины. Проведены исследования возможности установки пластырей с отрицательным натягом и даны практические рекомендации для разработки технологического процесса ремонта нефтяных и газовых скважин сварными пластырями.
В выводах изложены основные научные результаты проведенных исследований по теме диссертационной работы.
В приложениях представлены впервые разработанная компьютерная программа на языке «Паскаль» расчета оптимальных параметров и свойств металла шва в зависимости от режимов дуговой сварки конструкций на открытых площадках по определению геометрических размеров сварного шва, инструкция по сварке стальных продольно-гофрированных пластырей и акты внедрения результатов исследования.
Настоящая работа выполнена на кафедре «Технология машиностроения» в соответствии с госбюджетной темой 4.3.01 — 5, 47 «Совершенствование технологических процессов производства и ремонта
машин».
1 Анализ дефектов обсадных колонн
Изучению видов и причин нарушения обсадных колонн уделено большое внимание как в отечественной, так и в зарубежной литературе [15, 16]. Используя литературные данные и практический опыт, все основные факторы, определяющие потерю герметичности обсадные колонны, можно разделить на 4 группы: геологические, технико-экономические, физико-механические и субъективные. Проанализируем физико-механический фактор. В работе М.Л Кисельмана [51] схема классификаций повреждений обсадных колонн выглядит следующим образом: 1) дефекты металлургического производства; 2) дефекты, возникающие при нарушении правил загрузки, перевозки, разгрузки и хранения труб; 3) дефекты, появляющиеся в процессе эксплуатации. Обсадные колонны в период многолетней службы в скважинах испытывают действия многих сил, под действием которых образуются дефекты. В процессе спуска в скважину на колонну действуют растягивающая сила собственного веса труб и жидкости, находящейся в них; силы инерции колонны и жидкости; сила трения о стенки скважин; гидродинамические силы, возникающие при вытеснении жидкости и др. На участках искривления ствола скважины на колонну действует также изгибающий момент [8, 13, 65].
При закачке цементного раствора в обсадную колонну появляется растягивающая сила от веса жидкости, а при продавке - растягивающая сила от высокого внутреннего давления. Кроме того, в этих процессах возникают и гидродинамические силы, особенно при большой скорости течения жидкости в кольцевом пространстве. На колонну действует также внутреннее и внешнее давление жидкости.
В процессе освоения и эксплуатации нефтяных скважин внутреннее давление в эксплуатационной колонне значительно снижают. В этом случае возникает избыточное наружное давление, которое может привести к смятию колонны. Кроме того, вследствие повышения температуры колонны от нагрева газа и жидкости, в верхней части ее могут возникнуть осевые напряжения сжатия с последующим продольным изгибом, что приводит к появлению внутренних напряжений в металле труб.
Промежуточные колонны во время бурения, а эксплуатационные колонны при испытании, капитальных ремонтах скважин испытывают действия силы трения от работы бурильного инструмента (долота, замков) и подземного оборудования (муфт, насосно-компрессорных труб, канатов и др.) [65, 120]. Обсадные колонны на протяжении многолетней службы подвергаются также воздействию агрессивной среды, что вызывает коррозию металла.
Рассмотрим дефекты, образующиеся от вышеперечисленных факторов, а) Смятие обсадных колонн при бурении и освоении скважин Появление полного горного давления текучих пород, неравномерное нагружение трубы, износ стенки промежуточной обсадной колонны в процессе длительной работы в ней буровой колонны, снижение прочности и герметичности крепи в результате некачественного цементирования и т.д. существенно снижают предел прочности металла труб, что приводит к появлению различного рода дефектов [8, 65].
Кроме того, в процессе бурения допускают некоторые отклонения от проектных решений: изменяют конструкцию скважины в сторону уменьшения прочности труб, увеличивают плотность бурового раствора, меняют компоновки бурильного инструмента и др. В результате этого при бурении возникают осложнения и аварии, одним из которых является смятие обсадных колонн (таблица 1.1).
Смятие обсадных колонн приводит к длительным простоям, недоведению забоя до проектной глубины, ликвидации скважины по техническим причинам. Практика показывает, что при проводке скважин с вышеуказанным дефектом происходят сильные затяжки и посадки инструмента, связанные с вытеканием пластичной глины в скважину, газопроявления, поглощения бурового раствора, некачественная цементировка скважин, не перекрытие проектных глубин обсадными колоннами, межколокное сообщение [65]. б) Нарушение фильтровой части обсадных колонн Анализ промысловых данных показывает, что из всех видов дефектов, выводящих скважину из строя, нарушение фильтровой части обсадных колонн при освоении и эксплуатации скважин наиболее распространено. Изучение причин нарушений свидетельствует, что фильтровая часть колоны при освоении нарушается в процессе перфорации, а при эксплуатации скважин - разрушением пород призабойной зоны и последующим выносом их жидкостью на поверхность. Установлено, что в процессе перфорации из-за действия больших гидродинамических давлений в обсадных трубах фильтровой части колонны возникают трещины или трубы вовсе разрушаются (таблица 1.1) [16]. Механизм разрушения труб зависит от многих факторов: вида и типа применяемого перфоратора, материала и размеров труб, условия перфорации и т.д. В процесс эксплуатации, когда продуктивный горизонт состоит из слабоцементированных пород и отбор жидкости из скважины сопровождается выносом их на дневную поверхность, в фильтровой части колонны происходит, ее отвод. Изгиб труб с последующим смятием происходит в самом фильтре (в длинных фильтрах), а отвод колонны — выше фильтра (в коротких фильтрах). В процессе эксплуатации изгиб или отвод колонны в зоне фильтра связан с возникновением дополнительной нагрузки и ее действием на обсадную колонну, что приводит к появлению дефекта. в) Нарушение герметичности обсадных колонн При анализе аварий с обсадными колоннами рассмотрим аварии с нарушением герметичности эксплуатационных колонн при освоении и эксплуатации скважин. Нарушение герметичности колонн происходит в результате разрыва трубы в теле по образующей, слома колонны и неплотности резьбовых соединений (таблица 1.1). Известно, что работа эксплуатационной колонны в период освоения в эксплуатации скважины связана с созданием в колонне значительных внутренних давлений (при освоении), а также возникновением дополнительных температурных усилий. Последние, действуя на эксплуатационную колонну, в некоторых случаях могут привести к нарушению герметичности колонн. В результате закачки воды в пласт обсадная колонна охлаждается и в ее трубах возникает дополнительное осевое растягивающее усилие, которое в отдельных моментах может вызвать слом колонны или срыв муфтовых соединений [8, 13, 65].
Теоретические исследования параметров движения электрода при сварке криволинейных поверхностей пластыря
Продольно-гофрированный пластырь имеет сложную геометрическую форму, затрудняющую процесс сварки. Этот процесс представляет собой движение электрода с постоянно меняющимся углом наклона к поверхности пластыря. Поэтому необходимо определить зависимость угла наклона электрода от его положения на поверхности гофры, в процессе сварки, который должен оставаться постоянным и составлять 60 - 70 [23]. Рассмотрим траекторию движение электрода по поверхности гофры (рисунок 2.1). Рисунок 2.1- Схема движения электрода Периметр пластыря (путь движения электрода) может быть рассчитан [15] по методике, применяемой для звездообразных труб. Для пластырей с п гофрами длину периметра определяют по формуле: Ln = (R + kh) (2р + а)тт/180 (2.1) где п- количество гофр; R- радиус выступов и впадин; к- коэффициент, учитывающий положение нейтрального слоя при изгибе; h- толщина стенки пластыря; а - угол между соседними выступами; /?- угол, определяющий длину дуги впадины (рисунок 2.2) Для описания изменения угла наклона электрода используем тригонометрическую функцию [77]. Геометрическую форму пластыря можно описать функцией j = cosx. 1_ 2 3 Рисунок 2.2 - Поперечный профиль пластыря 1-обсадная колонна; 2-гофрированный пластырь до установки; 3-гофрированный пластырь после установки. Для описания зависимости угла наклона электрода от его расположения на поверхности гофры используем уравнение касательной к графику функции у = COSX. График функцииу = cosx(развертка пластыря) изображен на рисунке 2.3. Y у=Да)+Г(а)(х-а) _ 1 \ y=cos X v\ / \ / S -1- Рисунок 2.3-График функции у = cosx Значение производной функции у= f(x) в точке х=а равно угловому коэффициенту касательной к графику функции у=/(х) в точке х=а. Функция у= f(x) дифференцируема в точке х=а, значит, в этой точке к графику можно провести касательную, которая должна составлять с электродом угол 60 — 70 .[20]. Уравнение касательной к графику функции у=/(х) в точке х=а имеет вид: y = f{a)+f{a$x-a) (2.2) Производная/ (х)= к= tga представляет собой угловой коэффициент касательной к графику функции y—f(x) в точке х а. Подставляя в формулу (2.2) функцию y-cosx, получим уравнение касательной к поверхности гофры: у = cos(a) - sin(a)(x - а) (2.3) где а- точка проведения касательной к графику функции; Подставляя в уравнение 2.3 любое значение х, получим уравнение и угол наклона касательной в любой точке гофры и, следовательно, угол наклона электрода. В процессе сварки координаты движения электрода с течением времени изменяются. При равномерном движении числовое значение средней скорости электрода имеет вид [87, 111]: тМ 0 (2А) 2 » 1 Длину пути, пройденного электродом по поверхности гофры за промежуток времени от tx до t2 можно выразить интегралом: і s Jv( )eft (2.5) t і где tl9t2- промежутки времени при движении по криволинейной траектории; v(t)- скорость электрода в момент времени t; dt - производная времени. Таким образом, перемещение электрода определяется выражением t і s = ГУ(Ґ)ІҐ , скорость электрода при его движении по криволинейной г 1 1 h поверхности пластыря выражается уравнением vcp = —— [v(/)fifr, уравнение кривой пластыря у =со$ х и уравнение касательной у cos(a) — sin(a)(jc - а). При сварке стальных продольно-гофрированных пластырей электрод движется по криволинейной траектории. При этом положение столба дуги относительно поверхности пластыря постоянно меняется. Известно [59, 64], что влияние на процесс сварки оказывает длина дуги, которая определяется расстоянием от свариваемой поверхности до электрода. По мнению автора, для качественной оценки этих изменений целесообразно рассмотреть математическую модель сварочной дуги, расчетные формулы которых могут явиться основой для выбора рациональных режимов сварки [19, 76, 88]. 2.2 Математическое моделирование сварочной дуги В сварочных дуговых процессах явление в прианодной области разряда играют исключительно важную роль, поскольку от них во многом зависят доля передачи энергии разряда аноду и, соответственно, характер нагрева и проплавлення основного металла [84]. Положение столба разряда в пространстве и анодного пятна на изделие обычно весьма стабильно, что положительно сказывается на формировании шва. Тем не менее, при сварке криволинейной поверхности блуждание анодного пятна возможно, так как угол наклона столба разряда к поверхности может меняться. Так же при несовпадении кромок двух свариваемых пластырей может наблюдаться отклонение анодного пятна в сторону металла меньшей толщины, где плавление и образование паровой фазы более интенсивно. Все эти факторы оказывают существенное влияние на качество сварного шва и образование грата. Сопоставление плазмы, совокупность ее параметров во многом определяют физико-технологические свойства дуговых разрядов [6]. К основным параметрам токонесущей плазмы относят напряженность электрического поля Е, потенциал пространства /0, концентрацию заряженных частиц к, вид функции распределения частиц по скоростям или по энергиям. Так, зная функцию распределения, можно определить различные усредненные параметры компонентов плазмы. В случае термодинамического равновесия функция распределения по скоростям является максвелловской: /С?) = [т/(2яТ)]1 ехр[- mv2/(2T)] (2.6) где Т- температура плазмы; т- масса частицы; v- скорость частицы. Максвелловская функция распределения зависит лишь от модуля скорости, т.е. от энергии s=mv2/2: /О?) = (2/ V T2 ехр(-в/Г) (2.7) Нормировка функции распределения электронов по энергии (ФРЭЭ) принимает вид: \/{єУІєдє = \ (2.8) о Функция распределения может зависеть также от времени и координат f(y, r,t), характеризуя распределение частиц по скоростям в нестационарной и неоднородной плазме [113]. Обладая малой массой частиц, электронный газ наиболее восприимчив к внешним воздействиям. Если функция распределения атомов и ионов по скоростям почти всегда близка к максвелловской, то функция распределения электронов в неравновесной плазме может существенно отличаться от равновесной. Даже в сравнительно слабом электрическом поле возможны «отрыв» температуры электронов Те от температуры ионов г. и атомов Та и резкое отличие ФРЭЭ от максвелловской [92]. Неравновесность ФРЭЭ может приводить к весьма существенным изменениям свойств плазмы. Следует отметить, что при неравновесной функции распределения определение температуры электронов Те теряет всякий смысл [68, 86] .В этом случае более корректно определение средней энергии электронов Б, вычисляемой по формуле ттах є = fe(s)ds (2.9) о Равновесная и двухтемпературная модели плазмы широко используются при исследовании сварочной дуги [53, 125]. Рассмотрим основные уравнения этих моделей и метод их решения и некоторые результаты, полученные при моделировании открытой сварочной дуги. На основании полученных данных можно установить связь внутренних параметров дуги с внешними параметрами установки как вольтамперную характеристику дуги, полную выделяемую мощность в дуге и мощность в анод-металл от токов дуги и т.д. С помощью разработанной методики также можно решать задачи аналитического конструирования сварочной дуги и определения оптимального и согласованного режима работы дуги с источником питания, что в свою очередь влияет на качественное формирование сварного шва.
Выбор способов и режимов сварки
С целью выбора рационального способа сварки секции из продольно-гофрированных труб над устьем скважины были проанализированы наиболее распространенные способы сварки. Выбранный способ сварки должен обеспечивать необходимые свойства металла шва и переходной зоны сварного соединения, герметичность, правильную форму шва, отсутствие в нем дефектов, а также должен быть экономичным для промысловых условий.
Наиболее равномерное формирование сварного шва и плавный переход от наплавленного металла к основному достигается при легко управляемых ручных сварочных процессах и при механизированном способе сварки. Из ручных сварочных процессов наилучшим в этом отношении является ацетиленокислородная сварка, аргонодуговая, затем - электродуговая сварка промышленными электродами с обмазкой. Управляемость ручным процессом сварки ухудшается по мере увеличения скорости сварки. При механизированной сварке, в среде аргона, углекислого газа или порошковой проволокой, качество сварных соединений тонкостенных трубопроводов получаем стабильным, малозависящим от квалификации и практических навыков сварщиков. Ацетиленокислородная сварка имеет существенный недостаток — образование большой зоны термического влияния, что крайне нежелательно для сварки пластырей из тонкостенных гофрированных труб. Наиболее целесообразным способом сварки является аргонодуговая, но при этом виде сварки используется дорогостоящий и дефицитный газ — аргон.
На основании анализа различных способов сварки пришли к заключению, что в настоящее время для соединения секций пластыря из. тонкостенных продольно-гофрированных труб целесообразно исследовать возможность применения ручной электродуговой сварки, полуавтоматической в среде углекислого газа и порошковой проволокой. В связи с вышеизложенным для сварки продольно-гофрированных труб была разработана специальная оснастка и технологический процесс с учетом особенностей сварки. При отработке рационального технологического процесса ручной электродуговой сварки продольно-гофрированных труб применялись различные способы разделки кромок: под углом 30, 45, 60 и без разделки. Опыты показали, что разделка кромок приводит к прожогам и образованию грата, который отрицательно влияет на процесс раздачи (дорнирования), хорошее формирование шва, отвечающее предъявленным требованиям, было получено без разделок кромок. В проведенных экспериментах применялись электроды: УОНИ-13 /45, УОНИ-13 65, АНО-3, АНО-6, МР-3 и ОЗС-3 диаметром 3 и 4 мм [9, 122]. Опыты показали, что хорошее качество сварного шва можно получить, применив электроды марки АНО-6, МР-3 или ОЗС-3 диаметром 3 мм. 1) Газовая ацетил єно кислородная сварка При газовой ацетиленокислородной сварке гофрированных труб применялся однослойный шов. Сварка производилась левым способом. Угол наклона мундштука горелки к поверхности гофры составлял 25. При сварке использовались горелки с мундштуком № 2 (расход газов ацетилена 300...310 л/час и кислорода 340...350 л/час). Скорость сварки - 3 м/час. Диаметр присадочной проволоки равен 2,5 мм. После сварки можно рекомендовать проковку металла шва при температуре 800-900 С. 2) Ручная дуговая сварка Для образования сварного соединения использовались штучные электроды с качественным покрытием (ГОСТ 9467-75). Диаметр электрода изменяется в пределах 2...3 мм. Сварка гофрированных труб выполнялась постоянным током обратной полярности. Шов однослойный. Сварка производилась углом вперед. При сварке гофр диаметром 146 мм наилучшее формирование шва происходит на режимах: диаметр электрода- 3 мм, сила сварочного тока 130А, скорость сварки - 10 м/час. Таблица 3.1-Технологические свойства электрода МР-3 и рекомендуемые режимы сварки [95] Тип электрода Род тока Предел прочностинаплавляемого металла, Н/мм2 Коэффициентнаплавки, гА-час Режимы сварки Ісв, А и, В VCB, м /час Э-46 Постоянный и переменный 460-540 7-8 80-110 30 3 Ручная дуговая сварка позволяет получать швы с полным проваром тонкостенных труб при незначительном усилении шва. Обладая хорошей маневренностью, имеет большие преимущества перед газовой сваркой по производительности и стоимости изготовления сварного соединения. 3) Полуавтоматическая сварка в среде углекислого газа Особенностью процесса является применение постоянного тока обратной полярности и сварочной легированной проволоки типа Св08Г2С. Для сварки использовались полуавтоматы типа ПДГ-508 и А-929 и проволоки диаметром 1,6 мм и 1,2 мм. Лучшее формирование шва достигалось при сварке проволокой диаметром 1,2 мм. Скорость сварки однослойного шва 9,0-11,2 м/час. Режимы сварки: сварочный ток — 125 А, напряжение дуги 20 В, расход газа 9 л/мин. Качество швов лучше, чем при ручной дуговой и газовой сварке, а стоимость изготовления одного стыка значительно меньше. Сварка производилась углом вперед. Угол наклона горелки относительно поверхности гофры составлял 5 — 15. Анализ предварительных испытаний сварки тонкостенных труб применяемых для изготовления пластырей показал, что наиболее рациональным способом является ручная дуговая сварка. Для получения качественного соединения ручная дуговая сварка должна производиться постоянным током обратной полярности на следующих режимах: JCB=130 А, Цд св О В и VCB=1 Ом/час, с использованием электродов типа Э-46 или Э-42 марки МР-3 диаметром 3 мм. При полуавтоматической сварке в среде углекислого газа сварка должна производиться на режимах: JCB=75 А, ид св=18 В, VCB=11,2 м/час, с использованием сварочной проволоки Св08Г2С диаметром 1,2 мм.
Разработка технологической оснастки и оборудования для сварки пластырей длиной до 50 м
Технологическая оснастка для сварки пластырей длиной до 50 метров включает в себя центратор, бронзовые подвижные направляющие, мерные закладные прокладки, устройство для лорнирования, штанги.
Центратор предназначен для центрирования двух продольно-гофрированных труб и установки необходимого зазора между их торцами перед сваркой над устьем скважины. Он представляет собой сварную конструкцию, состоящую из двух полуцилиндров, закрепленных на оси. Полуцилиндры могут свободно раскрываться на оси до необходимого угла. Внешний вид центратора показан на рисунке 4.1. Закрепление центратора на гофрированных трубах осуществляется двумя стяжными болтами. Для совпадения кромок стыкуемых гофр используются подвижные упоры центратора. Поворотом болтов прижимают упоры к наружной поверхности гофр и производят их совмещение до выпуклым поверхностям. С помощью механизма устанавливается зазор между торцами труб путем подъема верхней секции.
Для формирования корня шва, исключения прожогов, образования внутренних наплывов и предохранения штанги от приварки к пластырю применялись бронзовые подвижные направляющие (рисунок 4.2). Рисунок 4.1 - Центратор для центрирования продольно -гофрированных труб 1 - стойка, 2 - стержень, 3 - винт, 4 - шов сварной, 5 - гайка, 6 -пластырь, 7 - полукольцо сменное, 8 - хомут, 9,10 - болт и гайка 114 бронзовая втулка пластырь Рисунок 4.2 - Центрирование двух секций с помощью бронзовых втулок (прокладок) Штанги предназначены для сборки пластыря из гофрированных сварных секций. Все элементы технологической оснастки были проверены на работоспособность в лабораторных условиях. 4.2 Экспериментальная технология ремонта обсадных колонн металлическими пластырями из сварных секций длиной более 50 м над устьем скважины 4.2.1 Особенности изготовления мерных гофрированных секций Сборка пластыря необходимой длины производится из мерных 9-метровых, продольно-гофрированных труб, последние свариваются в горизонтальном положении. Перед сваркой концы продольно-гофрированных труб защищались на длине 50 мм наждачной бумагой от следов коррозии, масел, грязи, пыли и краски. Подготовленные трубы укладывались и выставлялись в горизонтальном положении на специальных стойках (рисунок 4.3).Схема сборки продольно-гофрированных труб перед сваркой в горизонтальном положении длинной до 18 м 1-механизм вращения; 2-труба; 3-подвижная опорная стойка; 4-стойка с вращающейся опорой; 5-технологическая втулка 116 Сборку труб в секции производили как с одним периметром (404 мм и 404 мм), так и с разными, например, 410 мм и 404 мм. Такие опыты проводили с целью определения влияния смещения кромок на механическую прочность и технологичность соединения. Опыты показали, что наличие отклонений выступов или впадин гофр на величину 1,5 мм усложняет сборку и сварку, а в случае наличия отклонения более 1,5 мм — не позволяет получить качественные сварные соединения. Технологическая последовательность и режимы сварки выбирались в соответствии с оптимальными параметрами, полученными в экспериментах (глава 3). Наружная поверхность сварных 9-метровых секций покрывалась в два слоя гуммировочным составом на основе нитрита по ТУ 38.10518-77. Концы секций на длине 300 мм составом не покрывались. В таком виде сварные секции готовы для доставки на буровую скважину. 4.2.2 Экспериментальная проверка технологии сборки, сварки секций над устьем скважины и установки сварных пластырей длиной более 50 м Мерные продольно-гофрированные секции длиной 9 м были изготовлены из двух труб ручной электродуговой сваркой в горизонтальном положении в стационарных условиях. Сварка осуществлялась на специальных подставках по разработанной в лаборатории технологии. Характеристика гофрированных труб, условия и режимы сварки приведены в таблице 4.1. Перед сваркой концы труб с различными периметрами (410 мм и 404 мм) проводили с целью определения влияния смещения кромок на механические свойства сварных соединений. После сварки двух продольно-гофрированных труб в секцию усиление шва было снято углошлифовальным инструментом до величины 1 мм. Таблица 4.1 - Режим сварки гофрированных труб 3ко Периметр составляющих труб, мм Эскиз (длина сварки составл. Величина смещения кромок,мм Режимы сварки Характеристика обработк и шва ю ipyO, Mj 3, А мм Vм/час 1 2 3 4 5 б 7 8 9 1 1-1==404 1-2==410 1,5 150 4 7 Усиление шва. Отжиг АК с последующим охлаждением на воздухе Электрод АНО-б. Нормализация сварного шва проводилась в такой последовательности: ацетиленокислородным пламенем шов и зона термического влияния нагревались до температуры 720-75 0С, затем охлаждение на воздухе. Наружная поверхность сваренной секции покрывалась в два слоя гуммировочным составом на основе нитрита по ТУ 38.10518-77. В процессе экспериментальных испытаний применялось оборудование и инструменты, входящие в комплект буровой, устройство для установки пластырей в колонне Д 146-1. После подготовки скважины к проведению эксперимента была спущена колонна, состоящая из 16 обсадных труб длиной 194 м, 86 м диаметром 130 мм. С целью проверки герметичности сварных швов пластыря в обсадной колонне были введены следующие дефекты: в 8-й и 10-й обсадной трубе ацетиленокислородной горелкой прорезаны щели длиной 560мм х 4мм (рисунок 4.4). Перед установкой сварного пластыря были проверены: сварочное оборудование и материалы, технологическая оснастка и правильность сборки первых двух секций. Затем установили центратор на столе обсадной колонны. Режим и технологическая последовательность сварки и обработки выполнялась в соответствии с оптимальными параметрами, полученными в экспериментах (глава 3). Схема и порядок спуска пластыря показаны на рисунке 4.5, 4.6. Глубина спуска нижнего торца пластыря была 180 м, 32 м, т.е. 14 м, 56 м от башмака колонны.
