Підвищення експлуатаційної надійності бурильної колони в умовах вібраційного навантажування - Автореферат

Як показує практика, аварійність бурильної колони, зумовлена здебільшого втомним зруйнуванням різьбових зєднань, в усіх нафтогазовидобувних країнах є високою незалежно від досконалості техніки і рівня розвитку технології буріння. Це призводить до спотворення показників довговічності бурильної колони, а в багатьох випадках через втрату монолітності її найнавантаженішого елементу - різьбового зєднання - до значного зниження характеристик опору втомі. Таким чином, визначення умов забезпечення монолітності бурильної колони в різьбових зєднаннях під дією вібраційного навантаження в процесі експлуатації та обґрунтовування теоретичних засад оцінювання накопичення втомних пошкоджень зєднань за допомогою індикаторів з метою підвищення надійності і більш повного використання ресурсу бурильної колони, є актуальною проблемою, що має важливе народногосподарське значення. Встановити значення параметрів вібрацій бурильної колони, які призводять до втрати її монолітності в різьбових зєднаннях, та умов виникнення цих вібрацій під час буріння свердловин. Наукова новизна визначається такими положеннями: - вперше розроблена динамічна модель замкового різьбового зєднання бурильної колони, яка дає змогу описати зміну коефіцієнта тертя в згвинченому зєднанні, зумовлену вібрацією бурильної колони, особливостями конструкції зєднання, умовами його складання;Показано, що вібрації бурильної колони за певних умов призводять до зміни її монолітності в різьбових зєднаннях, а отже, до значного зниження характеристик опору втомі. Питаннями розробки і застосування різних конструктивних і технологічних способів підвищення працездатності бурильної колони в різьбових зєднаннях, розроблення методів і засобів, спрямованих на зниження рівня навантаженості колони, удосконалення методик розрахунку бурильної колони на змінні згинальні навантаження, що спираються на результати натурних стендових випробувань на втому її елементів, підвищення ефективності використання засобів неруйнуючого контролю колони присвячені роботи багатьох вчених. Встановлено також, що нехтування вібрацією бурильної колони як режимом навантажування на її замкові різьбові зєднання призводить до заниження показників довговічності колони, а в багатьох випадках, за інтенсивних вібрацій, розрахунок на міцність і надійність втрачає сенс, бо відбувається втрата монолітності бурильної колони в різьбових зєднаннях, отже, значне зниження характеристик опору втомі. Тільки явищем втрати монолітності різьбовими зєднаннями пояснюється те, що під час вібрації, не дивлячись на дотримання вимог щодо умов попереднього згвинчування зєднань З-147, З-161, З-171 відповідних типорозмірів ОБТ, 65…85% аварій колони, повязаних з втомним зруйнуванням різьб, відбулися через їх поломку по небезпечному перерізу ніпеля, а не муфти, як це мало місце під час їх стендових випробувань на втому. У другому розділі підкреслюється, що існують дві категорії причин виходу з ладу бурильної колони через раптові відмови різьбових зєднань, які визначають її надійність: втомне зруйнування зєднань та втрата ними монолітності під час інтенсивних вібрацій.Вперше на основі розробленої моделі різьбового зєднання бурильної колони в умовах вібраційного навантаження встановлені закономірності зміни коефіцієнта тертя в згвинченому зєднанні, що дало змогу оцінити вплив вібрацій на монолітність бурильної колони в різьбових зєднаннях з урахуванням їх конструктивних особливостей. Встановлено, що втрата монолітності бурильної колони в різьбових зєднаннях відбувається в діапазоні частот 7,5...40 Гц внаслідок зниження частоти коливань колони або коли амплітуда змушувальної сили, що генерується парою “долото - порода”, не є меншою 25% від сили попереднього затягнення різьби. Базуючись на дослідженнях впливу параметрів вібраційного навантаження на монолітність бурильної колони в різьбових зєднаннях, встановлено, що в умовах інтенсивних вібрацій під час буріння свердловин за допомогою вибійних двигунів монолітність і стабільність показників опору втомі замкових різьбових зєднань ОБТ забезпечується у випадках попереднього їх згвинчення з оптимальними крутними моментами, які викликають напруження в небезпечному перерізі ніпеля в межах . Встановлено, що для замкових різьбових зєднань ОБТ і індикаторів правомірно використовувати скоректовану лінійну гіпотезу підсумовування втомних пошкоджень, коефіцієнт відносних довговічностей в якій залежить від конструктивних особливостей вказаних елементів і приймає середні значення в межах з розсіюванням, яке характеризується середньоквадратичними відхилами в діапазоні , що підвищує точність оцінювання показників надійності бурильної колони.Стабільність затягування різьбових зєднань елементів бурильної колони // Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ. (Особистий внесок - ідея, аналіз результатів дослідження, формування висновків, участь автора - 50%). Накопичення втомних пошкоджень в елементах бурильної колони при імовірнісних розрахунках довговічності // Розвідка і розробка нафтових і газових родов

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ ВИКЛАДЕНИЙ У ТАКИХ ДРУКОВАНИХ ПРАЦЯХ:

На основі виконаних теоретичних та експериментальних досліджень розвязана важлива науково-технічна проблема підвищення експлуатаційної надійності та більш повного використання ресурсу бурильної колони шляхом забезпечення її монолітності в умовах вібраційного навантаження, а також розроблення і запровадження методу оцінки накопичення втомних пошкоджень зєднань з використанням індикаторів.

Основні результати роботи полягають в наступному.

1. Вперше на основі розробленої моделі різьбового зєднання бурильної колони в умовах вібраційного навантаження встановлені закономірності зміни коефіцієнта тертя в згвинченому зєднанні, що дало змогу оцінити вплив вібрацій на монолітність бурильної колони в різьбових зєднаннях з урахуванням їх конструктивних особливостей.

2. Встановлено, що втрата монолітності бурильної колони в різьбових зєднаннях відбувається в діапазоні частот 7,5...40 Гц внаслідок зниження частоти коливань колони або коли амплітуда змушувальної сили, що генерується парою “долото - порода”, не є меншою 25% від сили попереднього затягнення різьби. Це дало змогу визначити високу імовірність втрати монолітності бурильної колони в різьбах компоновки низу під час буріння свердловин вибійними двигунами для значень сил попереднього затягнення замкових різьб ОБТ, нижчих від оптимальних.

3. Базуючись на дослідженнях впливу параметрів вібраційного навантаження на монолітність бурильної колони в різьбових зєднаннях, встановлено, що в умовах інтенсивних вібрацій під час буріння свердловин за допомогою вибійних двигунів монолітність і стабільність показників опору втомі замкових різьбових зєднань ОБТ забезпечується у випадках попереднього їх згвинчення з оптимальними крутними моментами, які викликають напруження в небезпечному перерізі ніпеля в межах .

4. Встановлено, що для замкових різьбових зєднань ОБТ і індикаторів правомірно використовувати скоректовану лінійну гіпотезу підсумовування втомних пошкоджень, коефіцієнт відносних довговічностей в якій залежить від конструктивних особливостей вказаних елементів і приймає середні значення в межах з розсіюванням, яке характеризується середньоквадратичними відхилами в діапазоні , що підвищує точність оцінювання показників надійності бурильної колони.

5. З метою створення теоретичних засад проектування ІНВП замкових різьбових зєднань бурильних труб проведені дослідження, в результаті яких: - встановлені умови, завдяки яким в індикаторі і небезпечному перерізі замкового зєднання під дією зовнішніх навантажень виникають номінальні напруження однакового рівня, а саме: наявність зазора по довжині поверхонь контакта пари “індикатор - ніпель” величиною, більшою за деформацію індикатора як тонкостінної оболонки; контакт поверхонь пари відбувається у вузькій зоні по всьому периметру кола, місце розташування якої знаходиться між середнім перерізом і вільним кінцем індикатора;

- удосконалена методика вибору характеристик опору втомі індикаторів шляхом визначення основних геометричних параметрів концентратора напруження, що дозволяє уточнити діапазон регулювання границі витривалості і обмеженої довговічності індикаторів.

6. Удосконалені конструкції індикаторів різьбових зєднань ОБТ діаметром 146, 178, 203 мм шляхом оптимізації їх розмірів і умов контакту пари “ніпель - індикатор” та проведені їх стендові випробування на втому разом зі зєднаннями, за якими визначені параметри кривих втоми з імовірністю руйнування до 95% та з похибкою 4%, на основі чого розроблена методика визначення навантаженості замкових зєднань і ФРД бурильної колони в конкретних умовах буріння свердловин, високу ефективність якої підтверджено результатами промислової апробації на підприємствах ВАТ "Укрнафта".

7. Розроблена методика розрахунку надійності за показниками довговічності бурильної колони (системи) на основі характеристик опору втомі різьбового зєднання (елемента) і умов його навантаженості під час експлуатації, яка базується на експериментально визначених параметрах опору втомі натурних зразків бурильної колони, що дає змогу мінімізувати затрати на контроль відмов колони, не зменшуючи його точності.

8. Встановлено, що обчислення довговічності бурильної колони під час експлуатації за умови визначення амплітуди змінного згинального моменту на її різьбові зєднання за аналітичними залежностями забезпечує вірогідність неруйнування з імовірністю не більше 70%, а за допомогою індикаторів - з імовірністю 95% і більше.

9. Результати теоретико-експериментальних досліджень та промислової апробації втілені в стандарт підприємства ВАТ “Укрнафта” СТП 20.0015390.040-2000 “Методика розрахунку різьбових зєднань бурильної колони в умовах вібраційного навантаження”, впровадження якої в бурових організаціях ВАТ “Укрнафта” дало змогу більш повно використати ресурс різьбових зєднань і збільшити міжремонтний період експлуатації ОБТ в 1,5…1,6 рази.