Підвищення експлуатаційної надійності трубних і штангових колон для буріння та видобування нафти і газу - Автореферат

Отже, проблема підвищення експлуатаційної надійності трубних і штангових колон для буріння та видобування нафти вимагає розвязку комплексу задач з розроблення ефективних методів оцінки корозійно-втомної довговічності та залишкового ресурсу колон за їх експлуатаційною навантаженістю, що і є метою даної дисертаційної роботи. Уперше розроблено чотирипараметричне рівняння кривої корозійної втоми, яке відрізняється запропонованим рівнянням нижньої гілки та дає змогу проводити розрахунок назначеного ресурсу елементів трубних і штангових колон з урахуванням корозійно-втомного пошкодження за дії характерних для елементів колон циклів напружень з амплітудами, нижчими за умовну границю корозійної витривалості. Уперше розроблено розрахунково-експериментальний метод оцінки залишкового ресурсу трубних і штангових колон за допомогою запропонованої системи рівнянь для визначення еквівалентних за пошкоджуючою дією напружень та кількості циклів навантажування, який дає змогу розрахувати залишковий ресурс елементів колон за результатами досліджень натурних зразків з різним ступенем накопиченого корозійно-втомного пошкодження. Удосконалено розрахунково-експериментальний метод оцінки навантаженості трубних і штангових колон за допомогою індикаторів навантаження, який ґрунтується на використанні закономірностей кінетики зниження границі витривалості індикаторів, виділенні певної кількості рівнів амплітуд напружень і визначенні за запропонованою системою рівнянь на кожному рівні еквівалентної за пошкоджуючою дією кількості їх циклів, що дає змогу проводити поточну інтегральну оцінку навантаженості колон. Удосконалено метод підсумовування втомних пошкоджень елементів трубних і штангових колон за випадкового навантажування, особливістю якого є використання окремих коефіцієнтів впливу на відхилення від лінійної гіпотези накопичення пошкодження багаточастотності та розподілу амплітуд на окремих частотах, що дає змогу врахувати дані чинники під час розрахунків експлуатаційної надійності трубних і штангових колон.У першу чергу, це повязано з навантаженістю трубних і штангових колон, яка характеризується великою складністю як по довжині, так і в часі. Навантажування штангової колони (ШК), на відміну від навантажування БК, не має чітко вираженого блокового характеру, особливо при роботі у малодебітних свердловинах, характерних для України. На основну детерміновану складову ваги колони штанг (з вагою і без ваги суміші в колоні насосно-компресорних труб) накладається вібраційна, практично випадкова, складова з великим розкидом значень як амплітуд, так і частот. Тому питання розроблення методів, які б дозволили враховувати складність процесу навантажування при розрахунках довговічності, має велику наукову і практичну цінність. Другий розділ присвячено розробці методик та засобів експериментального дослідження навантаженості та довговічності трубних і штангових колон.У результаті проведення теоретичних і експериментальних досліджень отримано нове вирішення науково-технічної проблеми підвищення експлуатаційної надійності трубних і штангових колон для буріння та видобування нафти, яке ґрунтується на закономірностях кінетики накопичення корозійно-втомного пошкодження елементів колон і розроблених методах оцінки їх навантаженості, довговічності та залишкового ресурсу. Розглянуто сучасний стан проблеми підвищення експлуатаційної надійності трубних і штангових колон для буріння та видобування нафти і газу. Розроблено удосконалені засоби вимірювання навантажень у верхній частині штангової колони (Патент України № 21964) і в бурильній колоні (Патент України № 20126). Так, 90% розподілу циклів напружень у верхній частині штангової колони займають напруження з коефіцієнтом асиметрії більше 0,6 і амплітудами менше 20 МПА. Удосконалено метод підсумовування втомних пошкоджень елементів трубних і штангових колон за випадкового навантажування, особливістю якого є використання окремих коефіцієнтів впливу на відхилення від лінійної гіпотези накопичення пошкодження багаточастотності та розподілу амплітуд на окремих частотах, що дає змогу врахувати дані чинники під час розрахунків експлуатаційної надійності трубних і штангових колон.

Основний зміст роботи

У результаті проведення теоретичних і експериментальних досліджень отримано нове вирішення науково-технічної проблеми підвищення експлуатаційної надійності трубних і штангових колон для буріння та видобування нафти, яке ґрунтується на закономірностях кінетики накопичення корозійно-втомного пошкодження елементів колон і розроблених методах оцінки їх навантаженості, довговічності та залишкового ресурсу.

1. Розглянуто сучасний стан проблеми підвищення експлуатаційної надійності трубних і штангових колон для буріння та видобування нафти і газу. Відмічено, що домінантними і найбільш небезпечними відмовами колон є корозійно-втомні пошкодження їх елементів. У першу чергу це повязано з тим, що колони підлягають впливу нестаціонарного навантажування з дуже складною структурою. Встановлено, що для надійної та ефективної роботи колон для буріння та видобування нафти необхідним є проведення більш детальної оцінки навантаженості і розроблення досконалих методів прогнозування їх довговічності та залишкового ресурсу.

2. Розроблено удосконалені засоби вимірювання навантажень у верхній частині штангової колони (Патент України № 21964) і в бурильній колоні (Патент України № 20126).

Досліджено експлуатаційне навантажування колон на діючих свердловинах. Встановлено, що особливостями експлуатаційного навантажування колон є складний асиметричний процес з великою кількістю випадкових високочастотних низькоамплітудних складових. Так, 90% розподілу циклів напружень у верхній частині штангової колони займають напруження з коефіцієнтом асиметрії більше 0,6 і амплітудами менше 20 МПА. Для бурильної колони коефіцієнти асиметрії перевищували R=0,5 для циклів навантажування при довжинах БК 190 і 500 м, а при довжині колони 1570 м перевищували 0,7. Під час СПО амплітуди всіх приведених напружень є нижчими за s-1, але при довжині колони 1580 м вони вже близькі до 0,9 s-1. Під час прихоплення приведені амплітуди напружень перевищують відповідні границі витривалості елементів колони вже при довжині 500 м.

3. Розраховано локальні напруження згину в елементах колон на викривлених ділянках із урахуванням сили розтягу і параметрів викривлення осі свердловини. Визначено напруження у поперечному перерізі бурильних труб ТБПК 127 (товщина стінки 8 мм) у криволінійному стовбурі свердловини діаметром 295,3 мм. Збільшення відстані від нейтрального перерізу до початку криволінійної ділянки від 250 м до 300 м за роторного буріння призводить до зростання амплітуди напруження згину від 9,5 МПА до 40,2 МПА. Показано, що низькоамплітудне навантаження розтягу внизу штангової колони призводить до локального високоамплітудного напруження згину на викривлених ділянках. Так, якщо амплітуда напруження розтягу в експлуатаційних умовах досягає всього 0,9 МПА, то амплітуда напруження згину на ділянці з кутом викривлення 20? і радіусом 50 м - 78,3 МПА. Таким чином, локальні циклічні напруження згину можуть бути основною причиною корозійно-втомного руйнування колон на викривлених ділянках.

4. Удосконалено метод підсумовування втомних пошкоджень елементів трубних і штангових колон за випадкового навантажування, особливістю якого є використання окремих коефіцієнтів впливу на відхилення від лінійної гіпотези накопичення пошкодження багаточастотності та розподілу амплітуд на окремих частотах, що дає змогу врахувати дані чинники під час розрахунків експлуатаційної надійності трубних і штангових колон.

Удосконалено метод схематизації випадкового процесу навантажування, який полягає у визначенні екстремумів за поетапного згладжування процесу шляхом заміни висхідних розмахів на їх середні значення і дає змогу врахувати розподіл амплітуд у часі та багаточастотність випадкового процесу навантажування трубних і штангових колон. Проведено апробацію методу на змодельованих двочастотних і експлуатаційних випадкових процесах навантажування елементів колон.

Удосконалено метод приведення асиметричних циклів напружень з середнім напруженням розтягу до симетричних з використанням запропонованих кусково-лінійних рівнянь для оцінки чутливості матеріалу до асиметрії циклів, що дає змогу проводити розрахунок довговічності елементів трубних і штангових колон в умовах дії типового для них низькоамплітудного асиметричного навантаження. Проведено апробацію методу за результатами корозійно-втомних досліджень зразків, виготовлених з матеріалу бурильних замків, яка підтвердила відповідність теоретичних викладок з експериментом.

5. Розроблено чотирипараметричне рівняння кривої корозійної втоми, яке відрізняється використанням системи рівнянь для визначення параметрів її правої гілки і запропонованого коефіцієнта впливу корозійного середовища та дає змогу під час розрахунку довговічності елементів трубних і штангових колон враховувати накопичене корозійно-втомне пошкодження за дії циклів напружень з амплітудами, нижчими за умовну границю корозійної витривалості. Проведено апробацію рівняння для оцінки залишкового ресурсу штангової колони за результатами корозійно-втомних досліджень натурних зразків штанг.

Розроблено розрахунково-експериментальний метод оцінки залишкового ресурсу трубних і штангових колон з використанням запропонованої системи рівнянь для визначення еквівалентних за пошкоджуючою дією амплітуд циклів напружень та кількості циклів навантажування і дає змогу розрахувати залишковий ресурс елементів колон за результатами досліджень натурних зразків з різним ступенем накопиченого корозійно-втомного пошкодження. Експериментально визначено параметри кінетичних кривих корозійної втоми насосних штанг. Проведено оцінку залишкового ресурсу насосних штанг після 8 років експлуатації.

Удосконалено розрахунково-експериментальний метод оцінки навантаженості трубних і штангових колон за допомогою індикаторів навантаження, який ґрунтується на використанні закономірностей кінетики зниження границі витривалості індикаторів, виділенні певної кількості рівнів амплітуд напружень і визначенні за запропонованою системою рівнянь на кожному рівні еквівалентної за пошкоджуючою дією кількості їх циклів, що дає змогу проводити поточну інтегральну оцінку навантаженості колон.

Досліджено накопичення втомних пошкоджень матеріалу бурильних труб (сталь групи міцності "Д") за блокових навантажувань зі ступенями, які спричиняють напруження, близькі до границі витривалості матеріалу. Доведено необхідність врахування послідовності навантажування для розрахунків на втомну довговічність елементів колон, які працюють в умовах випадкового навантажування з високою часткою низьких напружень спектру.

Проведено випробування натурних зразків бурильної труби ТБВ 140?11 "Л" за багатоступеневого навантажування з метою оцінки впливу послідовності рівня експлуатаційного навантаження на довговічність різьбового зєднання труби. Визначено вплив форми блоку навантаження на довговічність конструкції. Найменшу довговічність отримано за схеми навантажування з послідовним зменшенням амплітуди, середню - за постійної роботи в ускладнених умовах, найбільшу - за схеми навантажування з послідовним збільшенням амплітуди. Імовірність неруйнування при переході зі схеми навантажування з послідовним збільшенням амплітуди до схеми навантажування з послідовним зменшенням амплітуди падає з 0,95 до 0,23.

1. Схематизація випадкового навантажування методом вкладених циклів / Є.І. Крижанівський, В.М. Івасів, В.І. Артим, В.М. Нікітюк // Науковий вісник ІФНТУНГ. - 2002. - № 2. - С.47-54.

2. Дослідження кінетики втомного пошкодження матеріалу бурильних труб в умовах блокового навантажування / В.М. Івасів, Я.Т. Федорович, В.І. Артим, В.В. Гладун, П.В. Пушкар // Науковий вісник ІФНТУНГ. - 2003. - № 1. - С. 39-43.

3. Розрахунок втомної довговічності замкового зєднання бурильних труб 3-147 при багатоступеневому навантажуванні/ В.М. Івасів, В.І. Артим, М.М. Яворський, Я.І. Козак, П.В. Пушкар // Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ. - 2003. - № 2. - С. 116-120.

4. Використання локальних моделей для оцінки залишкового ресурсу магістральних трубопроводів / В.М. Івасів, В.І. Артим, В.М. Нікітюк, О.М. Козак // Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій / Під заг. ред. В.В. Панасюка - Львів: Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, 2004. - С. 557-562.

5. Артим В. Моделювання накопичення втомних пошкоджень при випадковому навантажуванні / Володимир Артим, Петро Пушкар // Авиационно-космическая техника и технология. - 2004. - № 1. - С 19-24.

6. Методи визначення стійкості неорієнтованих КНБК з двома ОЦЕ / В.М. Івасів, В.І. Артим, І.І. Чудик, М.М. Яворський // Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ. - 2004. - № 2 (11). - С. 20-24.

7. Методика оцінки втомної довговічності та залишкового ресурсу великогабаритних деталей з допомогою локальних моделей / В.М. Івасів, В.І. Артим, Т.І. Смоляк, О.М. Козак, В.М. Нікітюк // Вісник Тернопільського державного технічного університету. - 2005. - № 1. - С. 19-24.

8. Івасів В.М. Оцінка впливу параметрів двочастотного процесу навантажування на довговічність деталей машин / В.М. Івасів, В.І. Артим, П.В. Пушкар // Вібрації в техніці та технологіях. - 2004. - № 5 (37). - С. 113-116.

9. Урахування напружень низького рівня при розрахунках довговічності деталей машин / В.М. Івасів, В.І. Артим, П.В. Пушкар, О.М. Козак // Машинознавство. - 2003. - № 12. - С. 17-20.

10. Рачкевич Р.В. Визначення функції К-тарування для різьбових зєднань бурильних труб / Р.В. Рачкевич, В.І. Артим, А.В. Козлов // Науковий вісник ІФНТУНГ. - 2005. - № 1 (10). - С. 82-87.

11. Визначення залишкового ресурсу насосних штанг в типових умовах експлуатації / В.І. Артим, В.М. Івасів, Я.Т. Федорович, П.В. Пушкар // Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ. - 2005. - № 2. - С. 79-82.

12. Удосконалення експериментального дослідження навантаження колони насосних штанг / В.М. Івасів, В.Р. Харун, П.В. Пушкар, В.І. Артим, І.С. Атаманчук // Науковий вісник ІФНТУНГ. - 2005. - № 3. - С. 31-35.

13. Оцінка експлуатаційної навантаженості та її вплив на довговічність насосних штанг / В.М. Івасів, В.І. Артим, В.Р. Харун, П.В. Пушкар // Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ. - 2005. - № 4. - С. 77-81.

14. Івасів В.М. Удосконалена методика прогнозування залишкового ресурсу деталей у типових умовах експлуатації / В.М. Івасів, В.І. Артим, П.В. Пушкар // Машинознавство. - 2005. - № 10. - С. 43-46.

15. Аналіз відмов колон насосних штанг в НГВУ "Надвірнанафтогаз" / П.В. Пушкар, Я.Ю. Павлюк, Т.Б. Матвіїшин, В.І. Артим // Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ. - 2006. - № 1. - С. 116-120.

16. Модель багатоциклового корозійно-втомного пошкодження деталей машин / В.М. Івасів, В.І. Артим, В.В. Гладун, Р.О. Дейнега // Механічна втома металів. Під ред. Трощенка В.Т. / Праці колоквіуму. - Тернопіль, 2006. - С. 198-203.

17. Артим В. Контактні зусилля в колоні насосних штанг у свердловинах складного профілю з урахуванням розтягу / Володимир Артим // Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ. - 2007. - № 3. - С. 56-59.

18. Артим В. Урахування корозійного чинника при оцінці довговічності насосних штанг/ Володимир Артим // Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ. - 2007. - № 4. - С. 140-143.

19. Артим В. Інтегральна оцінка навантаженості відповідальних обєктів нафтогазової промисловості за допомогою індикаторів навантаження / Володимир Артим // Нафтогазова енергетика. - 2007. - № 4. - С. 76-80.

20. Рачкевич Р.В. Визначення положення бурильної колони у криволінійному стовбурі свердловини / Р.В. Рачкевич, В.І. Артим, А.А. Козлов // Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ. - 2007. - № 4. - С. 88-91.

21. Рачкевич Р.В. Визначення напружень у бурильній колоні з урахуванням особливостей взаємодії зі стінкою криволінійного стовбура / Р.В. Рачкевич, В.І. Артим, А.А. Козлов // Науковий вісник Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу. - 2008. - № 1. - С. 32-39.

22. Вплив локальних напружень на довговічність різьбових зєднань бурильних труб / В.І Артим, Р.В. Рачкевич, В.В. Гриців, С.І. Гладкий // Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ. - 2009. - № 1. - С. 29-31.

23. Артим В. Оцінка навантаженості бурильної колони під час спуско-піднімальних операцій / Володимир Артим // Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ. - 2009. - № 4. - С. 26-32.

24. Артим В. Оцінка довговічності колони насосних штанг в умовах корозійної втоми з урахуванням низькоамплітудних напружень / Володимир Артим // Науковий вісник Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу. - 2009. - № 4. - С. 57-62.

25. Артим В. Оцінка пошкоджуючої дії асиметричного навантаження на елементи бурильних і штангових колон / Володимир Артим // Нафтогазова енергетика. - 2009. - № 2. - С. 12-18.

26. Урахування корозійного чинника при розрахунку довговічності деталей машин / Р.О. Дейнега, В.І. Артим, Р.В. Рачкевич, В.В. Гриців // Вісник Тернопільського державного технічного університету. - 2009. - № 4. - С. 12-18.

27. Артим В.І. Дослідження втомної довговічності натурних зразків бурильних труб ТБВ за багатоступеневого навантажування / В.І. Артим, І.М. Гойсан // Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ. - 2010. - № 1. - С. 46-52.

28. Пат. 21964 Україна, МПК G01V 13/00. Пристрій для вимірювання навантаження підвіски колони штанг / Пушкар П.В., Харун В.Р., Артим В.І., Івасів О.В.; патентовласник ВАТ "Укрнафта". - № u 2006 11528; заявл. 01.11.2006; опуб. 10.04.2007, Бюл. № 4. - 6 с.

29. Пат. 21126 Україна, МПК E21B 19/00, G01L 1/00. Пристрій для вимірювання зусиль в колоні бурильних труб / Івасів В.М., Артим В.І., Козлов А.А., Чудик І.І., Юрич А.Р.; патентовласник ІФНТУНГ.- № u 2006 07356; заявл. 03.07.2006; опуб. 15.01.2007, Бюл. № 1. - 4 с.

30. Пат. 18066 Україна, МПК G01N 3/00, G01M 3/00. Процес визначення залишкового ресурсу нафтогазопроводів та збільшення нормативного терміну їх експлуатації за результатами дослідження вирізаних дефектних ділянок / Івасів В.М., Говдяк Р.М., Івченко О.Г., Лопушанський А.Я., Кравець О.А., Дрогомирецький М.М., Василюк В.М., Ільницький Р.М., Артим В.І.; патентовласник ІФНТУНГ.- № u200605396; заявл. 17.05.2006; опуб. 16.10.2006, Бюл. № 10. - 6 с.

31. Врахування напружень низького рівня при розрахунках довговічності деталей машин / В.М. Івасів, В.І. Артим, П.В. Пушкар, О.М. Козак // Зб. матеріалів 6 Міжнародного симпозіуму українських інженерів-механіків. - Львів. - 2003. - С. 53-56.

32. Fatigue reliability calculations with accounting low stresses / В.М. Івасів, В.І. Артим, О.М. Козак, В.В. Гладун // Зб. матеріалів Міжнародної наукової конференції. - м. Бая-Маре, Румунія. - 2003. - С. 163-168.

33. Артим В. Моделювання накопичення втомних пошкоджень при випадковому навантажуванні / Володимир Артим // Міжнародна науково-технічна конференція "Інтегровані компютерні технології в машинобудуванні - ІКТМ-2003": Тези доповідей. - Харків: Національний аерокосмічний університет, 2003. - С.74.

34. Calculation of fatigue damages upbuilding for complicating loading processes/ О. Karpash, V. Ivasiv, V. Artym, Р. Pushkar // Зб. матеріалів Міжнародної наукової конференції. - Бая-Маре, Румунія. - 2004. - С. 355-360.

35. Ivasiv V. The Account of Complexity of Loading at Meaning of Reliability of Parts of Machines/ V. Ivasiv, V. Artym, R. Ilnitskiy / 2nd International Symposium on Hydrocarbons & Chemistry. - Ghardaїa: Algeria. - 2004. - P. 84.

36. Харун В.Р. Використання математичної моделі для визначення технічного стану ШСНУ в умовах експлуатації / В.Р. Харун, В.І. Артим, О.В. Прозур // Міжнародна науково-технічна конференція "Інтегровані компютерні технології в машинобудуванні - ІКТМ-2005": Тези доповідей. - Харків: Національний аерокосмічний університет, 2005. - С. 145-146.

37. Reliability Research of Pump Rods under Wear-Fatigue Conditions/ V. Artym, Р. Pushkar, Y. Fedorovych, R. Karpyk // Зб. матеріалів Міжнародної наукової конференції. - м. Бая-Маре, Румунія. - 2006. - С. 21-26.

38. Урахування корозійного чинника при розрахунку довговічності деталей машин / Р.О. Дейнега, В.І. Артим, Р.В. Рачкевич, В.В. Гриців // Міжнародна науково-практична конференція "Пошкодження матеріалів під час експлуатації, методи його діагностування і прогнозування": Праці конференції. - Тернопіль: Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя, 2009. - С. 283-288.

Размещено на .ru