Втомні властивості бурильних труб при екстремальних режимах буріння свердловин - Автореферат

Сучасна наука про міцність і руйнування матеріалів розробляє теоретичні основи процесів деформування та руйнування тіл в екстремальних умовах експлуатації, якими можуть бути, наприклад, свердловинні умови (разові та циклічні перевантаження, фізико-хімічна дія агресивних середовищ, високих тисків і підвищених температур), наявність в трубах гострих концентраторів напружень - різьб і тріщин, тощо. Таким чином дисертаційна робота, спрямована на встановлення закономірностей впливу екстремальних режимів буріння свердловин на втомні властивості елементів бурильної колони, має не тільки наукову актуальність, але й важливе народногосподарське значення. Тематика роботи є частиною планових державних науково-дослідних програм з розвитку нафтопромислового комплексу України і базується на результатах держбюджетних науково-дослідних робіт “Наукові обгрунтування раціональних режимів роботи та вибір основних параметрів бурового обладнання”, номер державної реєстрації №0195U026337, які входять в координаційний план Міністерства освіти “Наукові основи розробки нових технологій видобутку нафти і газу, газопромислового обладнання, поглибленої переробки нафти і газу з метою одержання високоякісних моторних палив, мастильних матеріалів, допоміжних продуктів і нафтохімічної сировини”. Мета роботи полягає у встановленні закономірностей впливу таких екстремальних режимів буріння свердловин як разових і циклічних перевантажень, робочого середовища, наявності тріщин на втомні властивості елементів бурильної колони. Оцінити вплив величини амплітуди циклічних навантажень, разових перевантажень і робочих середовищ на конструктивну міцність елементів бурильних колон з тріщинами.Прогнозування ресурсу бурильних колон здійснюється, як правило, без врахування нерегулярності навантаження. В процесі буріння ротором, а також при спускопіднімальних операціях бурильні труби і замки взаємодіють із стінками свердловини, що приводить до зношування елементів бурильної колони, а часті операції згвинчування-розгвинчування викликають зношування різьби. Аналіз відмов елементів бурильної колони вказує на спільність процесів їх руйнування, незалежно від умов навантаження: руйнування матеріалів починається з зародження тріщин і його характер залежить від опору їх поширенню. Оскільки корозійно-втомні дослідження елементів бурильної колони показали, що вони значну частину ресурсу працюють з тріщинами, то методи та критерії механіки руйнування знаходять тут все ширше застосування. Оскільки бурильна колона при роботі в свердловині контактує з буровим розчином, який в більшості випадків є агресивним середовищем, останнім часом посилено вивчаються механізми корозійно-втомного руйнування її елементів.Наступне старіння знімає залишкове напруження в матеріалі в вершині тріщини і повертає рівень вязкості руйнування до вихідних значень. В той же час зразки, треновані в розчині олеїнової кислоти з наступним старінням, показали стабільний рівень вязкості руйнування при всіх амплітудах навантажень. Приведені вище дані свідчать про повне усунення впливу циклічного наклепу і старіння на величину К1с в випадку, коли тріщину створюють в присутності середовища. Ріст часу зародження тріщини в розчині олеїнової кислоти пояснюється тим, що хімічно неактивна рідина охороняє матал від зовнішнього корозійно діючого середовища, а адсорбційний ефект масла проявляється в пластифікуючому впливі на матеріал в зоні конструктивного концентратора на стадії зародження тріщини. Що стосується періоду поширення тріщини при циклічному навантаженні, то тут в звязку з більш жорсткими умовами навантаження проявляється окрихчуюча дія середовища, яка полегшує ріст магістральної втомної тріщини.Пластична деформація сталі групи міцності Д має сильний вплив на її механічні властивості та приводить до зміни її пружних характеристик (модуля пружності, коефіцієнта Пуассона, границі пропорціональності). Ефект рівномірної пластичної деформації, який викликає підвищення циклічної довговічності, зростає із збільшенням здатності матеріалу до деформаційного зміцнення при розтягу. При оцінці конструктивної міцності елементів бурильних колон з тріщинами необхідно враховувати не тільки вихідний рівень вязкості руйнування, але й здатність матеріалів до експлуатаційного окрихчення, обумовленому наклепом і пошкоджуваністю металу в вершині тріщини при циклічних і разових перевантаженнях, а також деформаційним старінням. Результатами механічних випробувань і електроннофрактографічного аналізу показано, що ріст втомних тріщин в сталях групи міцності Д і 40ХН в присутності рідких робочих середовищ супроводжується суттєвим пониженням мікропластичної деформації метеріалу порівняно з повітрям. Найвідчутніший вплив ППД полягає в суттєвому підвищенні опору втомному росту тріщини за низьких припорогових рівнів циклічного навантаження.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Пластична деформація сталі групи міцності Д має сильний вплив на її механічні властивості та приводить до зміни її пружних характеристик (модуля пружності, коефіцієнта Пуассона, границі пропорціональності). Зміни носять нестабільний характер: через певний проміжок часу вихідні властивості матеріалу поновлюються. Ефект рівномірної пластичної деформації, який викликає підвищення циклічної довговічності, зростає із збільшенням здатності матеріалу до деформаційного зміцнення при розтягу. Найбільший ефект спостерігається при e = 5…10%. Показана доцільність введення в технологічний процес виготовлення деталей операції пластичного деформування з метою підвищення їх втомної міцності.

При оцінці конструктивної міцності елементів бурильних колон з тріщинами необхідно враховувати не тільки вихідний рівень вязкості руйнування, але й здатність матеріалів до експлуатаційного окрихчення, обумовленому наклепом і пошкоджуваністю металу в вершині тріщини при циклічних і разових перевантаженнях, а також деформаційним старінням. Результатами механічних випробувань і електроннофрактографічного аналізу показано, що ріст втомних тріщин в сталях групи міцності Д і 40ХН в присутності рідких робочих середовищ супроводжується суттєвим пониженням мікропластичної деформації метеріалу порівняно з повітрям.

Встановлено, що ППД термічно зміцненої сталі 40ХН в незначній мірі знижує її статичну тріщиностійкість. Найвідчутніший вплив ППД полягає в суттєвому підвищенні опору втомному росту тріщини за низьких припорогових рівнів циклічного навантаження. Цей вплив зумовлений виключно зміною закриття втомної тріщини.

Сумарний вплив ППД і навантаження практично в чотири рази зменшують короткочасну тріщиностійкість сталі бурильної колони. Спостерігається перехід від руйнування в умовах плоского напруженого стану до руйнування за плоскої деформації. Можливе наводнювання матеріалу в робочому середовищі здатне істотно підвищити швидкість росту втомної тріщини. Найбільшого зменшення конструктивної міцності наводненого матеріалу можна сподіватися в місцях концентрації напружень, раніше пластично деформованих. ППД робить сталь сильно чутливою до водневого розтріскування, що особливо небезпечно в умовах довготривалого навантаження. З урахуванням цього чинника довговічність бурильної колони на стадії стабільного підростання втомної тріщини може зменшитись на порядок.

Виходячи з концепції фізичної границі втоми для термічно зміцненої сталі 40ХН запропонована гранична температура відпуску, яка забезпечує поєднання найвищих показників втомної міцності та зносостійкості. Дана рекомендація впроваджена в технологічний процес виготовлення бурильних замків на Дрогобицькому долотному заводі.

Показано, що розроблена д. т. н. Гладким Я. М. методика оцінки зносостійкості інструментальних матеріалів за результатами випробування на циклічну тріщиностійкість дозволяє також якісно порівнювати опір зношування сталей елементів бурильних колон і може бути рекомендована для оцінки їх зносостійкості.

Розроблений розрахунковий метод прогнозування залишкового ресурсу бурильних труб з тріщинами при їх циклічному навантаженні з позиції dk -моделі. Запропонований спрощений метод такого розрахунку, який може бути використаний в інженерній практиці.

Випробуваннями термічно зміцненої сталі 40ХН показаний суттєвий вплив її структурного стану на параметри вязкості руйнування. Високий відпуск зразків унеможливлював проведення оцінки тріщиностійкості за К1с, тому в даному випадку доцільно користуватися показником dk. Встановлений ефект зниження величини dk під впливом води. З пониженням температури відпуску спад dk в середовищі посилюється порівняно з випробуваннями на повітрі.

Електроннофрактографічний аналіз зломів показав суттєві відмінності в мікромеханізмі поширення тріщин в зразках з різним структурним станом і в присутності рідкого робочого середовища.

Встановлено, що довговічність титанових зразків з тріщинами вздовж волокна майже в пять раз вища, ніж в зразках з тріщинами поперек волокна. Тобто, зафіксоване явище “зворотньої”анізотропії, на відміну від прямої, характерної для сталей. Цим пояснюється низька корозійно-втомна міцність титанових бурильних труб. При випробуваннях у воді ріст тріщини полегшується. Приймаючи до уваги високу корозійну стійкість технічного титану, такий результат пояснюється з позиції водневої концепції впливу води. Старіння високоміцного титанового сплаву після циклічного навантаження призводить до суттєвого зниження його тріщиностійкості, а зниження вязкості руйнування під дією води не таке суттєве, як в сталі аналогічної міцності.

1. Петрина Д.Ю. Вязкість руйнування високоміцних титанових сплавів // Матеріали доповідей III Міжнар. симпоз. “Некласичні проблеми теорії тонкостінних елементів конструкцій та фізико-хімічної механіки композиційних матеріалів”. - Івано-Франківськ: ІФДТУНГ, ІППММ НАН України. - 1995. - С. 47-49.

2. Петрина Д.Ю. Тріщиностійкість титанових бурильних труб // Методи і засоби технічної діагностики: збірник матеріалів XII міжнародної міжвузівської школи-семінару. - Івано-Франківськ. - 1995. - С. 151-153.

3. Застосування високоміцних сталей як конструкційного матеріалу деталей бурових доліт / Є.І. Крижанівський, Ю.Д. Петрина, Т.В. Павленко, Д.Ю. Петрина та ін. // Розвідка та розробка нафтових і газових свердловин. Серія: Нафтогазопромислове обладнання. - 1996. - №33. - С. 30-44.

4. Петрина Д.Ю. Оцінка експлуатаційної надійності елементів бурильних колон за показниками тріщиностійкості // Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ. Серія: Нафтогазопромислове обладнання. - 1997. - №34. - С. 78-82.

5. Крижанівський Є.І., Шацький І.П., Петрина Д.Ю. Оцінка довговічності бурильних труб з позицій dk - моделі // Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ. Серія: Нафтогазопромислове обладнання. - 1997. - №34. - С. 3-8.

6. Крижанівський Є.І., Петрина Д.Ю. Вплив характеру попереднього навантаження на властивості сталей групи міцності Д // Методи і засоби технічної діагностики: збірник праць міжнародної міжвузівської школи-семінару. - Івано-Франківськ. - 1997. - С. 212-215.

7. Крижанівський Є.І., Петрина Д.Ю. Вплив експлуатаційних факторів на тріщиностійкість елементів бурильних колон // Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ. Серія: Нафтогазопромислове обладнання. - 1998. - №35. - С. 10-16.

8. Крижанівський Є.І., Петрина Д.Ю., Боднарчук О. В. Тріщиностійкість замків бурових труб // Наукові нотатки: Міжвузівський збірник (за напрямком “Інженерна механіка”). - Луц. держ. тех. ун-т. - 1998. - Вип. 4. - С. 115-126.

9. Kryzhanivsky Y.I., Ivasiv V.M., Petryna D.Y. Research of fatigue cracks spread kinetics in drillinq pipes // The international meeting of the carpathian region specialists in the field of worm gears. Scientific bulletin. Serie C, Volume XII. - Baja Mare. - 1998. - P. 109-115.

10. Крижанівський Є.І., Петрина Д.Ю. Вплив осьового розтягуючого навантаження на втомні властивості сталей групи міцності Д // Науковий вісник інституту менеджменту та економіки. - Івано-Франківськ. - 1999. - С. 94-97.

11. Крижанівський Є.І., Цирульник О.Т., Петрина Д.Ю. Вплив попереднього пластичного деформування розтягом на тріщиностійкість конструкційної сталі бурильної колони // Машинознавство. - 1999. - №4. - С. 14-17.

12. Крижанівський Є.І., Цирульник О.Т., Петрина Д.Ю. Вплив наводнювання та попереднього пластичного деформування сталі на її тріщиностійкість // Фіз. -хім. механіка матеріалів. - 1999. - №5. - С. 67-71.

13. Крижанівський Є.І., Петрина Д.Ю. Оцінка зносостійкості елементів бурильних колон за кінетичними діаграмами втомного руйнування // Розвідка та розробка нафтових і газових свердловин. Серія: Нафтопромислове обладнання. - 1999. - №36. - С. 9 - 14.