Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Современные методы проектирования резьбовых соединений труб нефтегазового сортамента для строительства скважин
ВАК РФ 25.00.15, Технология бурения и освоения скважин
Автореферат диссертации по теме "Современные методы проектирования резьбовых соединений труб нефтегазового сортамента для строительства скважин"
СЕМИН ВЛАДИМИР ИВАНОВИЧ
СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ТРУБ НЕФТЕГАЗОВОГО СОРТАМЕНТА ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА СКВАЖИН
Специальности: 25.00.15. «Технология бурения и освоения скважин» и 05.02.13. «Машины, агрегаты и процессы (нефтегазовая отрасль)»
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Москва 2005 г.
Работа выполнена в Открытом Акционерном Обществе Научно-Производственное Объединение «Буровая техника» - ВНИИБТ
Официальные оппоненты:
доктор технических наук,
Цыбин Анатолий Андреевич;
доктор технических наук, заслуженный
деятель науки и техники России, профессор
Лачинян Леонид Артемьевич;
доктор технических наук
Доможиров Леонид Иванович
Ведущая организация: ООО «Буровая компания ОАО «ГАЗПРОМ»
(ООО «БУРГАЗ»)
Защита состоится 3 ноября 2005 г. в 11 часов на заседании диссертационного Совета Д 520.027.01 при ОАО Научно-производственное объединение «Буровая техника»,
Адрес: 115114, г. Москва, ул. Летниковская, д. 9
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО НПО «Буровая техника»
Автореферат разослан « > сентября 2005 г.
Ученый секретарь диссертационного Совета, кандидат технических наук
Г.П. Чайковский
/5*330
Общая характеристика работы
Актуальность темы
Эффективность научно-технического прогресса зависит не только от наращивания выпуска новой техники и внедрения передовых технологий, но и от лучшего использования имеющихся основных фондов, увеличения съема продукции с каждой единицы оборудования и рабочего инструмента. Поэтому одним из важных направлений развития отечественной экономики является успешное решение проблемы ресурсосбережения и повышения фондоотдачи промышленного оборудования.
В нефтепромысловом оборудовании важным звеном, существенно влияющим на технико-экономические показатели бурения и строительства скважин, являются бурильные, обсадные и насосно-компрессорные (н|к) трубы, эффективная эксплуатация которых в значительной степени зависит от качества и надежности их связующих элементов - конических резьбовых соединений (КРС), высокие технические требования к которым вызваны жесткими условиями их эксплуатации. В процессе эксплуатации КРС испытывают значительные статические и динамические нагрузки: осевое растяжение и сжатие, знакопеременный изгиб, кручение, продольные, поперечные и крутильные колебания, избыточные давления, действующие в условиях повышенных температур и химически агрессивной рабочей среды.
Сборка КРС, как правило, производится с заданным диаметральным натягом и регламентированным крутящим моментом, за счет которых обеспечиваются требуемые эксплуатационные характеристики соединения.
Спецификой работы замкового резьбового соединения (ЗРС) - КРС упорного типа, является многократность свинчивания и развинчивания при проведении спускоподъемных операций (СПО) с бурильной колонной (БК). При свинчивании, в результате действия высоких крутящих моментов и значительных контактных давлений в сопряжении витков (от веса секции
наращиваемых бурильных
замковая резьба
постепенно изнашивается, изменяя свою первоначальную форму и размеры, а ЗРС на определенном этапе эксплуатации перестает отвечать заданным техническим требованиям в отношении статической прочности, сопротивления усталости или герметичности. Это может привести к отказам или аварийным ситуациям с БК, для ликвидации которых требуются значительные материальные затраты, достигающие иногда нескольких млн. руб.
Для обеспечения безаварийной эксплуатации БК и рациональной отработки ЗРС важно иметь оперативные данные о степени износа резьбы и соответствующие техническому состоянию эксплуатационные характеристики замкового соединения. Однако, ввиду неравномерной отработки ЗРС в комплекте бурильных труб, сложности контроля и оценки степени износа конической резьбы и связанного с этим несовершенством системы отбраковки, ресурс многих замковых деталей (ниппеля и муфты) полностью не используется. Нет должного научного обоснования показателя ресурса ЗРС. Указанный в нормативной документации установленный ресурс (1200 свинчиваний по ГОСТ 27834-95) не вполне отвечает современным требованиям, т.к. не дифференцирован по типоразмерам ЗРС, а распространяется на весь размерный ряд бурильных замков и не учитывает конкретных условий их эксплуатации (качество применяемой смазки, длину и массу секции наращиваемых бурильных труб, режим свинчивания и др.), а также многие другие конструктивные и технологические факторы, существенно влияющие на наработку замковой резьбы.
Проблема повышения работоспособности и наиболее полного использования ресурса ЗРС элементов БК в нашей стране остается исключительно актуальной. Ежегодно расходуются десятки тысяч бурильных замков в комплекте с приваренными к ним бурильными трубами, тысячи тонн утяжеленных бурильных труб (УБТ), изготовленных из высококачественной легированной стали (марки 40ХН2МА, 38ХЮМФА, 45ХГМА и др.), а также другого дорогостоящего бурилкрго инструмента с замковой резьбой. Несмотря на работы, пройодимые'-й ббяЖ+й повышения качества эксплуатации
»»и л *
БК, расход труб на метр проходки остается высоким и кратно превышает этот показатель передовых зарубежных стран.
С ростом объема наклонно-направленного и горизонтального бурения, внедрения передовых технологий и режимов проводки скважин повышаются технические требования к КРС нарезных нефтегазопромысловых труб. Эксплуатирующиеся на протяжении многих лет и хорошо зарекомендовавшие себя отечественные конструкции КРС обсадных и н/к труб (ОТТМ, ОТТГ, НКМ и др.) не вполне удовлетворяют современным возросшим техническим требованиям.
Поэтому требуется на базе имеющегося опыта проектирования и эксплуатации отечественных нарезных труб нефтегазового сортамента повысить ресурс, надежность КРС и создать современные конструкции, технические характеристики которых находятся на уровне своих зарубежных аналогов. Для решения актуальных проблем поставлена цель и определены задачи данной диссертационной работы (рис. 1).
Цель работы
Повысить эксплуатационные характеристики и надежность резьбовых соединений труб нефтегазового сортамента за счет разработки новых методов проектирования, контроля и внедрения эффективных технических решений при их производстве и применении, сократить удельный расход нарезных труб, снизить аварийность и поднять технико-экономические показатели работ при бурении и строительстве скважин.
Задачи исследований
1. Определить основные направления в повышении надежности и эксплуатационных характеристик (статической прочности, износостойкости, герметичности и сопротивления усталости) КРС и выявить пути сокращения расхода нарезных труб нефтегазового сортамента.
Актуальные проблемы
Рис. 1 Структура актуальных проблем и пути их решения.
2. Усовершенствовать систему отбраковки бурильных замков на основе разработки надежного критерия оценки и методики контроля степени износа замковой резьбы.
3. Выявить на основе натурных стендовых испытаний конструктивные и технологические факторы, существенно влияющие на наработку замкового соединения и предложить способы повышения ресурса бурильных замков при многократном свинчивании.
4. Установить закономерности, характеризующие наработку замкового соединения при многократном свинчивании, и выдать рекомендации по прогнозированию ресурса бурильных замков для различных условий эксплуатации.
5. Выявить на основе стендовых испытаний натурных образцов закономерности изменения эксплуатационных характеристик (герметичности, сопротивления усталости и статической прочности) замковых соединений в зависимости от конструктивных параметров, качества сборки (крутящего момента свинчивания) и действия внешних силовых факторов (осевого растяжения и изгиба) с учетом степени износа резьбы.
6. Совершенствовать методику расчета и эксплуатации, а также предложить конструктивные и технологические способы повышения надежности и ресурса замковых соединений бурильной колонны.
7. Провести анализ существующих конструкций высокогерметичных резьбовых соединений обсадных и н/к труб. Предложить методы повышения эксплуатационных характеристик КРС.
8. Выработать основные принципы проектирования резьбовых соединений обсадных и н/к труб с высокими эксплуатационными характеристиками.
9. Разработать и внедрить современные конструкции высокогерметичных резьбовых соединений обсадных и н/к труб, спроектированные с использованием конечно-элементного анализа напряженного состояния конической резьбы и уплотнения «металл-металл».
Методы исследований
Для решения поставленных задач применялись современные методы теоретического анализа и экспериментальных исследований. Использовались теории винтовой пары, упругости и пластичности, теории вероятности и математической статистики, моделирование и анализ напряженного состояния КРС с помощью метода конечных элементов (МКЭ). Для экспериментальных исследований натурных образцов резьбовых соединений применялись специальные методики с использованием ряда оригинальных стендов, воспроизводящих реальные условия эксплуатации ЗРС: буровой стенд-скважина - для испытаний ЗРС на многократное свинчивание и герметичность, стенды УП-200 (конструкции ГНТЦ «ЦНИИТМАШ») и СИТУР (ВНИИБТ) -для испытаний ЗРС на усталость при знакопеременном изгибе с осевым растяжением, стенд СИТРИ (ВНИИБТ) - для испытаний КРС на герметичность, статическую прочность при осевом растяжении и поперечном изгибе, а также стенд CMC, изготовленный на базе гидравлического бурового ключа - для испытаний ЗРС на многократное свинчивание с имитацией осевой нагрузки на образец, стенд СРС (ВНИИБТ) - для свинчивания ЗРС с высоким (до 130 кНм) крутящим моментом и осевым растяжением (до 1200 кН).
При решении поставленных задач проводились промысловые испытания разработанных ЗРС бурильных труб (с крупным шагом резьбы МК148х8х1:6, МК122х8х1:6 и с разгружающими резьбу элементами - ЗРК) и новые типы КРС обсадных труб (серии СТТ и ВАРМ).
Научная новизна
1. Предложен новый метод расчета ЗРС бурильной колонны, основанный на рациональном использовании несущей способности бурильного замка и обеспечивающий, с учетом степени износа резьбы, наилучшие эксплуатационные показатели (по герметичности, статической прочности и сопротивлению усталости) соединения.
2. Разработаны критерий и методика оценки степени износа замковой резьбы (Патенты №1434232 и №2238389), на основе которых получена
закономерность изменения критерия отбраковки от количества свинчиваний ЗРС для различных условий эксплуатации (с учетом конструктивных и технологических факторов).
3. Установлена зависимость, отражающая наработку ЗРС от удельного давления в резьбе при свинчивании, которая положена в основу метода оценки и научного прогнозирования ресурса бурильных замков для различных эксплуатационных условий и конструктивного исполнения.
4.Установлена эмпирическая зависимость, характеризующая герметичность замкового соединения от прикладываемого крутящего момента свинчивания, внешней осевой растягивающей нагрузки и изгибающего момента.
5. Из условия герметичности замкового соединения установлена эмпирическая зависимость, характеризующая снижение эффективности крутящего момента свинчивания по мере изнашивания замковой резьбы.
6. Аналитически установлена закономерность, позволяющая прогнозировать герметичность замкового соединения на основе расчетного контактного давления, действующего на упорном торце ЗРС, и учитывающего степень износа резьбы.
7. Установлены критерий и оптимальный режим упрочнения резьбы методом поверхностно-пластического деформирования (ППД) профиля витков, обеспечивающий наиболее высокую эффективность в повышении износостойкости и сопротивления усталости замкового соединения (заявка на изобретение № 93033603, приоритет от 27.05.1996 г.).
8. Разработан химико-механический способ нанесения на коническую резьбу противозадирного медьсодержащего покрытия с помощью станочного приспособления (Патент №2214478).
9. Впервые предложена методика расчета герметичности ЗРС, учитывающая основные эксплуатационные условия и силовые факторы (крутящий момент свинчивания, внешнюю осевую растягивающую нагрузку, изгибающий момент и степень износа резьбы).
10. На основе широкого анализа результатов экспериментальных исследований натурных образцов на усталость установлено оптимальное соотношение податливостей на изгиб расчетных сечений замковых деталей (ниппеля и муфты), обеспечивающее наибольший предел выносливости ЗРС при действии знакопеременных изгибающих нагрузок.
11. Разработаны основные принципы проектирования высокогерметичных резьбовых соединений класса «Премиум» обсадных и насосно-компрессорных труб, отвечающих по техническим требованиям уровню зарубежных аналогов.
Практическая значимость работы
1. Разработана и внедрена в инженерную практику «Методика расчета и эксплуатации замковых резьбовых соединений бурильной колонны» (СТП ВНИИБТ 1023-2004г.), используемая для проектирования современных конструкций ЗРС с обеспечением максимальных показателей эксплуатационных характеристик (статической прочности, сопротивления усталости, герметичности) и с учетом степени износа резьбы.
2. Предложены и внедрены в практику новый критерий и метод раздельного контроля степени износа резьбы замковых деталей (ниппеля и муфты), позволившие повысить надежность ЗРС элементов БК.
3. Разработаны и экспериментально подтверждены новые конструкции разгружающих элементов (ЗРК) для широкого диапазона (80 мм * 241 мм) типоразмеров ЗРС с оптимальным соотношением податливостей на изгиб опасных сечений ниппеля и муфты, позволяющим (на 40...60 %) увеличивать сопротивление усталости замкового соединения по отношению к зарубежным аналогам.
4. Предложена новая конструкция индикатора накопления усталостных повреждений (ИНУП-3), позволяющая непосредственно регистрировать зарождение усталостной трещины и определять предельно допустимое состояние элементов БК по знакопеременным нагрузкам.
5. Разработаны и внедрены оптимальный режим упрочнения конической резьбы методом ППД профиля витков и химико-механический способ
нанесения на резьбу медьсодержащего покрытия, а также рациональный режим химико-термической обработки (карбонитрации) замковых деталей, позволяющие исключить заедание и схватывание резьбы при свинчивании, повысить сопротивление усталости и ресурс КРС.
6. Предложены оптимальные крутящие моменты свинчивания ЗРС, рассчитанные из реально действующей внешней растягивающей нагрузки и обеспечивающие наиболее высокие показатели ЗРС по герметичности, сопротивлению усталости и статической прочности.
7. Результаты исследований включены в отраслевые РД и инструктивные материалы: РД 39-2-961-83 «Инструкция по эксплуатации бурильных труб» (с изменением №1) - ВНИИТнефть, РД 39-2-959-83 «Руководство по предупреждению аварий при бурении скважин» - ВНИИБТ, РД 39-013-90 «Инструкция по эксплуатации бурильных труб»- ВНИИТнефть, «Методические рекомендации по расчету и эксплуатации замковых резьбовых соединений бурильной колонны и забойных двигателей»-ВНИИБТ, СТП-ВНИИБТ 10232004 «Инструкция по расчету и эксплуатации замковых резьбовых соединений бурильной колонны и забойных двигателей».
8. Разработаны, внедрены в производство и эксплуатацию конструкции высокогерметичных КРС класса «Премиум» обсадных (СТТ-114,-120,-140, -194; ВАРМ-140,-146; ВГСО-168 и др.) и н/к (ВАРМ-60,-73,-89,-114) труб, имеющие технические характеристики на уровне лучших зарубежных аналогов и предназначенные для сложных геолого-технических условий строительства скважин.
Реализация работы
Основные результаты исследований и технические решения по проектированию, эксплуатации и контролю КРС внедрены: в ОАО «Тагмет» (обсадные трубы СТТ-114,-120,-140,-194; ВАРМ-140,-146), «Волжский трубный завод» (обсадные трубы ОТТГ-245У), «Челябинский трубопрокатный завод» (обсадные трубы ОТБТ-426), внедряются в ОАО «Орский машзавод» (технология карбонитрации и медьсодержащего покрытия ЗРС) и в
организациях нефтегазового комплекса: «ДООО Астраханьбургаз» (ЗРК и методика контроля ЗРС), ОАО «Ухтанефтегазгеология» (ЗРС с резьбой МК122х8х1:6 и ЗРК), ОАО «Уренгойнефтегазгеология» (упрочнение ЗРС установкой УОР-6), ОАО «Сургутнефтегаз» (карбонитрация ЗРС) и др. Объем выпуска на ОАО «ТАГМЕТ» безмуфтовых обсадных труб с высокогерметичным резьбовым соединением СТТ-114, -120, -140 за период с января 2002 г. по май 2004 г. составил 8198 тонн, а обсадных труб с резьбовым соединением класса «Премиум » ВАРМ-146 с декабря 2003 г. по май 2004 г. превысил 1245 тонн.
Обсадные трубы с высокогерметичным резьбовым соединением ВАРМ и СТТ-114, -120, -140 применяются в ОАО: «Сургутнефтегаз» (скв. №2851, куст 217, Родниковское месторождение), «Оренбургнефть» (скв.№3609, 3613, 3614 Загорское м., №943 Росташинское м.), «Кубаньгазпром» (скв.№213 Кущевское м.),«Славнефть-Красноярскнефтегаз» (скв. К-219 Куюмбинское м.) и др.
Защищаемые положения
1. Новый метод расчета статической прочности, герметичности и оценки сопротивления усталости ЗРС, с учетом степени износа резьбы, обеспечивающий наиболее высокие технические характеристики для конкретных условий эксплуатации (качества сборки и действующих нагрузок).
2. Новый метод оценки и прогнозирования ресурса ЗРС, разработанный на базе аналитических исследований и стендовых испытаний натурных образцов на многократное свинчивание с воспроизведением реальных промысловых условий эксплуатации, учитывающий основные конструктивные и технологические факторы.
3. Метод расчета на прочность с учетом разгружающих элементов и оценки предельных состояний ЗРС при знакопеременном изгибе в реальных условиях эксплуатации, разработанный на основе анализа податливости опасных сечений замковых деталей и результатов стендовых испытаний натурных образцов широкого диапазона типоразмеров (диаметром 80 мм + 241 мм).
4. Закономерности изменения герметичности ЗРС в зависимости от прикладываемого крутящего момента свинчивания, действующих внешних силовых факторов (осевого растяжения и изгиба) и степени износа резьбы.
5. Обоснование, разработку и выбор наиболее эффективных конструктивных и технологических способов повышения эксплуатационных характеристик КРС: новые конструкции разгружающих резьбу элементов (ЗРК), рациональные режимы химико-термической обработки (карбонитрации), оптимальный режим и критерий упрочнения методом ППД профиля витков и технологию
,» антизадирного медьсодержащего покрытия и др.
6. Разработанные современные конструкции высокогерметичных резьбовых соединений класса «Премиум» обсадных и н/к труб: типа СТТ-114,-120,-140,-194; ВАРМ-60,-73,-89,-114; ВАРМ-140,-146; ВГСО-168, предназначенных для сложных геолого-технических условий эксплуатации.
Апробация работы
Основные положения и результаты исследований, составляющие содержание диссертации, докладывались автором и обсуждались на научных конференциях, симпозиумах, семинарах и научно-технических совещаниях по проблемам прочности, разработки и эксплуатации труб нефтегазового сортамента и строительства скважин, а именно:
1. Техническом совещании по координации НИОКР в области разработки и эксплуатации труб нефтяного сортамента (ВНИИТнефть, г. Куйбышев, 1986г.);
2. 3-й конференции «Разработка, производство и применение новых видов трубной продукции» ОАО «Тагмет» (г. Сочи 22-24 июня 2000 г.);
3. IV Международном семинаре «Современные проблемы прочности» им. В.А. Лихачева (г. Старая Русса, 18-22 сентября, 2000г.);
4. 4-й конференции «Разработка, производство и применение новых видов трубной продукции ОАО «Тагмет» (г. Сочи 31.05-02.06.2001г.);
5. Научно-технической конференции «Применение электросварных обсадных труб для строительства скважин на нефтегазовых месторождениях» (г. Выкса, 27-29 июня 2001г.);
6. Техническом совещании в ОАО «Объединенная металлургическая компания» - ОАО «Выксунский металлургический завод» г. Москва, 2001 г.;
7. Научно-технической конференции «Трубы в машиностроении - проблемы и пути их решения предприятиями ТМК» (г. Волжский, 2002 г.);
8. Межотраслевой научно-практический конференции «Технологическое обеспечение работ по промывке, креплению, восстановлению производительности нефтяных и газовых скважин и охране окружающей среды» (гг. Краснодар-Анапа, 2003г.);
9. VI Международном симпозиуме «Современные проблемы прочности» им. В.А. Лихачева (г. Старая Русса, 20-24 октября, 2003г.);
10. Технических совещаниях ОАО «Волгореченский трубный завод - ОАО «Газпром», г. Москва и г.Волгореченск 2003 г.
11. XII Межотраслевой научно-технической конференции «Современное состояние и перспективы развития трубной промышленности РФ» (г. Челябинск, ОАО «РосНИТИ», 21-23 сентября 2004г.);
12. Научно-техническом семинаре «Коррозионно-активные неметаллические включения в углеродистых и низколегированных сталях» ОАО «Северсталь» ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П.Бардина» (г. Череповец, 16-17 февраля 2005 г.).
13. XIII Международной научно-технической конференции «Трубы 2005» (ОАО «РосНИТИ», г.Челябинск, 27-29 сентября 2005 г.).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 46 печатных работ, в том числе 2 главы в книге, 3 патента и научные статьи, список которых представлен в конце реферата. Отдельные вопросы изложены в научно-технических отчетах НИОКР ВНИИБТ за 1984-2004 гг.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 7 глав, основных выводов, списка литературы и Приложений. Объем диссертации составляет 344 страницы машинописного текста, 104 рисунка, 11 таблиц и 19 приложений. Список литературы содержит 189 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность д.т.н., профессору Гусману A.M., д.т.н. Балденко Д.Ф., д.т.н. Белоруссову В.О., д.т.н. Барышникову А.И., д.т.н. Казанцеву А.Г., к.т.н. Газанчану Ю.И., к.т.н. Якубовскому Н.В., к.т.н. Близнюкову В.Ю, Жарову В.Н. за обсуждение, ценные замечания и за помощь, оказанную при подготовке данной работы. Автор чтит светлую память и особенно признателен одному из основоположников теории и практики создания КРС, своему научному руководителю и консультанту Заслуженному деятелю науки и техники РФ, д.т.н., профессору Щербюку Н.Д.
Содержание работы
В введении обоснована актуальность и научно-практическое значение решения проблемы разработки современных конструкций КРС, их рациональной эксплуатации, повышения ресурса, надежности и сокращения удельного расхода нарезных труб нефтегазового сортамента при бурении и строительстве скважин. Подчеркивается, что проблема повышения эксплуатационных характеристик КРС остается весьма актуальной, т.к. существенно влияет на технико-экономические показатели строительства скважин и неразрывно связана с их безаварийностью, долговечностью и безопасностью.
Проблемы прочности и герметичности ЗРС тесным образом связаны с вопросами их качественной сборки. Как показывает практика и результаты исследований, недооценка или неправильный выбор крутящего момента свинчивания в значительной степени снижают эксплуатационные свойства ЗРС. В свою очередь величина крутящего момента существенно зависит от геометрических параметров и состояния рабочих поверхностей резьбы,
которые при эксплуатации значительно изменяются, снижая технические показатели соединения. Качественный контроль степени износа резьбы, адекватная оценка технических характеристик ЗРС и рациональная система отработки бурильных труб являются важными составляющими решения проблемы ресурсосбережения в нефтегазодобывающей отрасли.
Актуальной является проблема разработки и импортозамещения высокогерметичных обсадных и н/к труб с КРС класса «Премиум», необходимых при сложных геолого-технических условиях строительства и эксплуатации скважин. Для решения рассмотренных проблем определены цель и задачи диссертационной работы, представлены основные защищаемые положения и результаты реализации проведенных исследований.
В первой главе анализируются конструкции, условия эксплуатации и необходимость повышения технических характеристик КРС бурильных, обсадных и н/к труб. Рассматриваются основные типы применяющихся резьбовых соединений, преимущества и недостатки отдельных конструкций. Отмечается основное преимущество КРС перед цилиндрической резьбой в обеспечении требуемых эксплуатационных характеристик, заключающееся в возможности получения необходимого напряженного состояния в резьбе и металлическом уплотнении сравнительно простым способом - созданием определенного осевого базорасстояния (натяга) между контрольными плоскостями свинчиваемых деталей (ниппеля и муфты). Важное значение придается качеству изготовления, контроля и сборки, обеспечивающих взаимозаменяемость КРС и оказывающих решающее влияние на надежность колонны труб в процессе строительства и освоения глубоких и наклонно-направленных скважин. Для обеспечения заданных технических характеристик и полной взаимозаменяемости требуется высокая точность изготовления КРС, предусматривающая при серийном производстве применение автоматизированного оборудования с программными средствами и специальной технологической оснастки и контрольно-измерительного инструмента (комплекта конических калибров, накладных приборов и др)
16
Выбор оптимального крутящего момента свинчивания, учитывающего конструктивные параметры и многие технологические факторы, которые могут изменяться в процессе эксплуатации, рассматривается как один из основных аспектов в обеспечении работоспособности и повышении эксплуатационных характеристик КРС.
Отмечается, что повышение ресурса при многократном свинчивании ЗРС элементов БК, качественный контроль степени износа замковой резьбы, определение соответствующих износу эксплуатационных характеристик, обоснование критериев и совершенствование системы отбраковки, способствующие снижению расхода бурильного инструмента - составляют одну из важных нерешенных задач, стоящих перед нефтегазовой отраслью.
В современных условиях при строительстве и освоении наклонно-направленных и горизонтальных скважин выдвигаются повышенные требования к герметичности КРС при сложном нагружении (растяжении и изгибе). Используемые для этих целей отечественные КРС обсадных труб с уплотнением «металл-металл» (типа Olli) не вполне удовлетворяют современным высоким техническим требованиям и нуждаются в конструктивной доработке. Зарубежный рынок трубной продукции предлагает множество типов высокопрочных и высокогерметичных резьбовых соединений класса «Премиум» с уплотнением «металл-металл». Поэтому для решения проблемы импортозамещения требуется разработка и создание отечественных конструкций высокогерметичных соединений, не уступающих по эксплуатационным характеристикам зарубежным аналогам.
Вторая глава посвящена анализу исследований работоспособности КРС бурильных, обсадных и н/к труб. Отмечается, что фундаментальные исследования по повышению эксплуатационных характеристик резьбовых соединений общего машиностроения, выполненные отечественными учеными Биргером И.А., Городецким И.Е., Иосилевичем Г.Б., Кудрявцевым И.В., Когаевым В.П., Морозовым Б.А., Решетовым Д.Н., Савериным М.Н.,
Савериным М.М., Якушевым А.И. и другими., позволили использовать ряд теоретических положений и экспериментальных данных для повышения эксплуатационных характеристик КРС труб нефтегазового сортамента. Однако, существенные различия в конструктивном исполнении, схеме нагружения и условиях эксплуатации не позволяют в полной мере использовать результаты исследований, полученные для резьбовых соединений общего назначения.
Повышению надежности и эксплуатационных характеристик КРС труб нефтегазового сортамента посвящены теоретические и экспериментальные исследования многих отечественных ученых, среди которых необходимо выделить основополагающие работы Саркисова Г.М., Сарояна А.Е., Щербюка Н.Д., Лачиняна JI.A., а также исследования Барышникова А.И., Билыка С.Ф., Газанчана Ю.И., Дубленича Ю.В., Дубровского А.Ф., Еременко Г.Е., Жарова Н.В., Кисельмана M.JI., Ковалева М.К., Копея Б.В., Лаштабега В.И., Лисканича М.В. Мочернюка Д.Ю., Пивоварова И.Ф., Расулова Н.М., Станишевского A.C., Султанова Б.З., Угарова С.А., Файна Г.М., Чернова Б.А., Шищенко С.И., Шнейдерова М.Р., Штамбурга В.Ф., Яковлева Ф.И., Якубовского Н.В., и других.
Из зарубежных ученых следует отметить работы Альтмана Т., Бринигера Д., Фарра А., Гормли Е., Хаука В., Лубинского А., Мансхольта Ф., Ролинса Н., Тришмана Л., Висселя X., Хейвуда Р. Эти и ряд других исследований внесли большой вклад в развитие теории, создание основ расчета, проектирования и решения практических задач, направленных на разработку новых конструкций и техническое совершенствование КРС бурильных, обсадных и н/к труб, а также другого бурильного и скважинного инструмента.
Многими отечественными и зарубежными учеными исследовались вопросы сложного распределения внешней нагрузки по виткам конической резьбы, а также влияние конструктивных параметров и различных технологических факторов на статическую прочность, сопротивление усталости, износостойкость и герметичность резьбового соединения. Однако недостаточно
исследованы эксплуатационные характеристики замковых соединений с учетом степени износа резьбы и установленных критериев отбраковки, а также КРС - в зависимости от напряженного состояния в резьбе и уплотнении
Большой комплекс исследований для широкого диапазона типоразмеров КРС проведен с целью изучения статической прочности и усталости. Эти исключительно важные исследования заложили основы в раскрытие механизма повышения сопротивления усталости замковых соединений при введении в конструкцию специальных разгружающих элементов - ЗРК, увеличивающих предел выносливости натурных образцов до 60%. Однако, проведенные исследования не охватывали используемый на практике верхний диапазон типоразмеров ЗРС с наружным диаметром 203 мм - 241 мм, а также не выявили взаимосвязь эффективности ЗРК с податливостью конструкции. Не установлено также влияние износа резьбы на сопротивление усталости ЗРС.
Значительный объем исследований проведен для решения проблемы обеспечения работоспособности ЗРС элементов БК при многократном свинчивании. Доказывается, что основной причиной, приводящей к потере работоспособности бурильных замков, особенно при турбинном бурении, является изнашивание резьбы ниппеля и муфты в результате многократного свинчивания бурильных при проведении СПО на буровой. На основе теоретических и экспериментальных исследований раскрываются причины и характер изнашивания витков конической резьбы, рассматривается влияние конструктивных и технологических факторов на ее износостойкость, предлагаются пути снижения износа резьбы, критерии отбраковки ЗРС. Однако, экспериментальные исследования проводились в основном на стендах, имитирующих процесс свинчивания-развинчивания и не могли учитывать многие эксплуатационные факторы, существенно влияющие на ресурс ЗРС: центробежные силы и радиальный прогиб труб, возникающие при вращении массы свечи (секции) наращиваемых бурильных труб, и связанный с этим перекос осей ниппеля и муфты в процессе свинчивания, попадание в резьбу под давлением бурового раствора и др.
Наработка ЗРС при свинчивании в значительной степени зависит от многих конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов, влияние которых на ресурс в количественной форме - не вполне определено. Как показывает практика эксплуатации бурильных труб, средний статистический ресурс замковых деталей в промысловых условиях в несколько раз ниже, чем наработка ЗРС на стенде, имитирующем процесс свинчивания на буровой. В связи с этим потребовались дальнейшие исследования ресурса ЗРС в реальных производственных условиях.
Отдельными исследованиями показывается, что одной из наиболее важных является проблема рациональной эксплуатации ЗРС в комплекте бурильных труб. Из-за неравномерной отработки бурильных труб в промысловых условиях степень износа резьбы ЗРС может значительно различаться. Поэтому необходим качественный контроль степени износа замковой резьбы и разработка надежного критерия отбраковки ЗРС с теоретическим и экспериментальным обоснованием его по основным эксплуатационным характеристикам.
В работах, посвященных проблеме обеспечения герметичности замковых соединений наблюдается различие в оценке и критериях. В исследованиях геологоразведочных бурильных труб предлагалось оценивать герметичность ЗРС по измерению утечек рабочей жидкости или удельному расходу бурового раствора в единицу времени. Данная методика исследований не способствовала решению проблемы, т.к. не вполне соответствовала физической сущности герметичности. В отдельных работах для обеспечения герметичности ЗРС предлагалось за счет регламентирования крутящего момента свинчивания создавать на упорных торцах контактное напряжение, в 2-3 раза превышающее рабочее давление бурового раствора. Однако данные рекомендации не дают количественной оценки герметичности соединения при действии различных силовых факторов и не учитывают степень износа резьбы.
Таким образом, анализ опубликованных работ, касающихся разработки и обеспечения работоспособности КРС показал, что ряд важных вопросов (определение показателей назначения для реальных условий эксплуатации, установление фактического ресурса, обоснование критерия отбраковки ЗРС и др.), имеющих важное значение для проектирования и совершенствования, а также сокращения расхода нарезных труб нефтегазового сортамента, требует дальнейшего изучения. На основе анализа предшествующих исследований и нерешенных практических вопросов определена цель и поставлены задачи настоящей работы.
Третья глава посвящена описанию методики комплексных исследований ЗРС на многократное свинчивание, герметичность, сопротивление усталости и статическую прочность натурных образцов с различной степенью износа резьбы при использовании стендового оборудования ОАО НПО «Буровая техника» - ВНИИБТ.
Испытания бурильных замков на многократное свинчивание проведены на буровом стенде-скважине, укомплектованном буровой вышкой ВМ-53 и буровой установкой «Уралмаш-4Э». Стенд позволяет практически полностью воспроизводить СПО и промысловые условия эксплуатации БК с созданием требуемых нагрузок на ЗРС, включая рабочее давление прокачиваемого бурового раствора, осевое растяжение с помощью колонны УБТ, опущенной в скважину и др. Испытания ЗРС с резьбой 3-122 на усталость проведены на стенде СИТУР, позволяющем создавать круговой знакопеременный изгиб с осевым растяжением образца. Образцы с резьбой 3-147 испытывались на усталость на стенде УП-200, позволяющем создавать необходимый знакопеременный изгибающий момент, действующий в горизонтальной плоскости. Испытания натурных образцов с замковой резьбой 3-147 на герметичность и статическую прочность при комплексном нагружении (растяжении и изгибе) проведены на стенде СИТРИ.
Четвертая глава посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям ЗРС на многократное свинчивание с использованием бурового стенда-скважины и стенда CMC, созданного на базе гидравлического ключа. Исследования проведены с целью установления закономерности изнашивания замковой резьбы и для реальной оценки влияния на ресурс ЗРС основных конструктивных параметров (шага, конусности, высоты витка и др.), технологических факторов (качества смазки, твердости материала замка, вида покрытия резьбы и др.) и эксплуатационных условий (длины и массы бурильной свечи, прокачки бурового раствора, скорости свинчивания и др.)
Результаты экспериментальных исследований вместе с аналитическими выводами позволяют прогнозировать наработку замковых соединений для нормальных условий эксплуатации (качественной смазки, стандартной длине секции бурильных труб и др.) и при имеющихся отступлениях от исходных параметров, что является важным обстоятельством при установлении ресурса ЗРС и учете расхода бурильных труб для реальных производственных условий.
Сравнительные испытания бурильных замков на стенде CMC показали, что при свинчивании ЗРС с имитацией нагрузки на резьбу (от веса наращиваемой бурильной свечи), при угловой скорости (8 рад/сек), создаваемой гидравлическим ключом ГК-1, наработка резьбы в 5-6 раз превышает этот показатель, полученный при свинчивании образца в реальных условиях (на буровом стенде-скважине). На основании результатов испытаний делается вывод о том, что для повышения ресурса ЗРС необходимо предпринимать меры по обеспечению соосности ниппеля и муфты при свинчивании и ограничить скорость вращения замковых деталей в рамках технических характеристик гидравлического бурового ключа.
В теоретическом аспекте исследований проведен анализ сопряжения витков резьбы ниппеля и муфты в процессе свинчивания ЗРС. Предложено производить относительную оценку износостойкости соединения по величине удельных давлений, возникающих в сопряжении резьбы замковых деталей на
начальной стадии свинчивания. С этой целью получена зависимость, отражающая изменение площади (Б) взаимного контакта витков резьбы ниппеля и муфты от количества оборотов (ш), совершенных при свинчивании ЗРС:
Г=^Со$а[(0-2А+АР,т)2-(/)-АХ)2], где (1)
£> - диаметр большего основания конуса ниппеля; И - рабочая высота профиля витка; К - конусность резьбы; Ь - длина резьбовой части ниппеля; а- половина угла профиля витка; Р\ - шаг резьбы по длинной стороне профиля витков: Р\= Р(\-К/2 tg а), где Р - шаг резьбы.
Для анализа удельных давлений {в), возникающих при свинчивании в сопряжении витков резьбы ниппеля и муфты от единичной силы, определяется
обратная функция в = ~- Представляя данную функцию графически (рис.2),
г
можно проследить изменение удельных давлений в процессе свинчивания ЗРС на различных стадиях: от момента установки ниппеля в муфту до касания по упорным торцам. Полученная зависимость позволяет производить количественную оценку влияния на величину удельных давлений и износ ЗРС, отдельных конструктивных параметров резьбы и использовать полученные данные при проектировании замковых соединений.
Для выработки критерия оценки степени износа резьбы проведен анализ сопряжения витков после установки ниппеля в муфту до начала свинчивания соединения. Доказывается, что количество оборотов (ш), необходимое для полного свинчивания ЗРС при обычной установке замковых деталей перед их сборкой, не может служить надежным критерием в оценке степени износа замковой резьбы, которым часто пользуются на практике.
а в
Количество оборотов свинчивания
Рис. 2 Изменение удельных давлений в замковой резьбе (3-147)
под действием веса бурильной свечи в процессе свинчивания соединения при различных схемах начального контакта витков:
1 - при первоначальном контакте резьбы ниппеля и муфты по вершинам профиля витков (а-б-в);
2 - при первоначальном контакте резьбы ниппеля и муфты по боковой (длинной) стороне профиля витков (г);
А1-А2 - интервал, соответствующий скольжению контактирующих поверхностей резьбы до взаимного перекрытия витков ниппеля и муфты (а-б-в-г).
Причина этого состоит в том, что в зависимости от взаимного положения заходных витков резьбы ниппеля и муфты в момент установки, критерий Я (расстояние между упорным уступом ниппеля и торцом муфты) замковой пары может принимать значения, изменяющиеся в широких пределах: от максимальной (Ятах) до минимальной величины (#min)- Разность этих
предельных значений вносит значительную (до 30%) погрешность контроля Н и m, т.к. соизмерима с шагом резьбы и определяется из выражения:
Я -Н . ={Р-2а )(l-—-K-tga), где (2)
max mm v вЛ 2
ag - ширина площадки при вершине витка.
С целью получения однозначного результата при проверке степени износа замковой резьбы по критерию Н разработана специальная методика контроля, которая предусматривает нахождение строго определенного взаимного положения резьбы ниппеля и муфты (Патент № 1434232).
Разработанная методика контроля степени износа замковой резьбы позволила установить закономерности и соответствующие графики изменения критерия Н от количества свинчиваний (п) для наиболее представительных типоразмеров бурильных замков при испытании в различных эксплуатационных условиях (рис.3). Полученные зависимости позволяют определить ресурс и количественные показатели, характеризующие влияние различных конструктивных и технологических факторов на наработку резьбы. В частности установлено, что использование качественных смазок (типа Р-416 или Р-507) с металлическим наполнителем повышает ресурс замковой резьбы в 3...4 раза по сравнению с графитной смазкой УСсА (ГОСТ 3333-80). Применение резьбы МК 122 и МК148 с крупным шагом (Р=8 мм) позволяет повысить наработку ЗРС на 60...67% по сравнению соответствующей стандартной замковой резьбой (Р = 6,35 мм).
100
150 200 250
Количество свинчиваний
Рис. 3 Изменение критерия отбраковки (Н) замкового соединения 3-147 при многократном свинчивании.
На основании результатов проведенных экспериментальных исследований на многократное свинчивание ЗРС на буровом стенде-скважине установлено влияние различных конструктивных (шага, конусности, высоты профиля и др.), технологических (твердости замка, вида покрытия резьбы и др.) и эксплуатационных (прогиба и длины секции наращиваемых бурильных труб, качества смазки и др.) факторов на наработку резьбы. Закономерность изменения критерия Н от количества свинчиваний (п) для различных условий испытаний можно представить в виде типового графика показательной функции (без учета начального этапа приработки резьбы):
Я = Я0 -е~сп, где (3)
Н0 - исходное значение критерия у новой резьбы; с - постоянный коэффициент, зависящий от условий испытаний.
Для определения наработки и сравнения по износостойкости ЗРС в конкретных условиях рекомендовано пользоваться разработанными коэффициентами на условия свинчивания, характеризующими интенсивность износа резьбы.
Важно отметить, что ввиду значительной стоимости, продолжительности и невозможности качественного проведения подобных полномасштабных испытаний на промысле, имея пакет результатов наших исследований ЗРС в условиях стенда-скважины, можно проводить экспресс-испытания и устанавливать в кратчайший срок (за 7-10 дней) необходимые характеристики, а также прогнозировать ресурс замковой резьбы и расход бурильных труб, исходя из конкретных условий эксплуатации.
В этой же главе представлен анализ основных причин, влияющих на интенсивность изнашивания замковой резьбы при свинчивании. Определена критическая угловая скорость, при превышении которой теряется устойчивость наращиваемой свечи бурильных труб и происходит радиальный прогиб секции труб, неизбежно приводящий к перекосу осей свинчиваемых замковых деталей и резкому увеличению удельных давлений в сопряжении резьбы. Делается
вывод о целесообразности снижения относительной скорости вращения замковых деталей при свинчивании до величины меньшей, чем расчетная критическая скорость для конкретного типоразмера бурильных труб.
Представлена методика контроля и оценки степени износа замковой резьбы с помощью резьбового шаблона, имеющая большое практическое значение (Патент № 1434232). Методика позволяет производить раздельный контроль и отбраковку резьбы ниппеля и муфты, что исключает вероятность получения при сборке некачественного соединения. Рассматривается оригинальная методика определения «отрицательного» натяга в ЗРС (Патент № 2238389), образующегося в результате изнашивания профиля витков, величина которого может использоваться в качестве косвенной оценки степени износа ЗРС.
В пятой главе представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований работоспособности ЗРС с новым и изношенным профилем витков резьбы по основным эксплуатационным характеристикам: сопротивлению усталости, герметичности и статической прочности.
В результате испытаний установлено, что предел выносливости ЗРС с изношенной до 30% резьбой (по критерию Н) - практически не изменяется, а с изношенной до 50% резьбой - уменьшается не более, чем на 10% по сравнению с новыми изделиями. Результаты усталостных испытаний позволили сделать вывод о том, что при условии использования разработанных и скорректированных крутящих моментов свинчивания, степень износа витков резьбы, не превышающая 50%, не ограничивает работоспособность ЗРС при действии циклических изгибающих нагрузок.
Следует отметить, что впервые комплексные исследования герметичности ЗРС геологоразведочных бурильных труб с учетом их конструкций и условий эксплуатации были проведены в 1978 - 1980 годах профессором Лачиняном JI.A. С учетом этих результатов нами проведены более глубокие комплексные исследования герметичности ЗРС. Известно, что герметичность ЗРС зависит от величины контактных напряжений, действующих на упорных торцах ниппеля и
муфты. При этом распределение контактных напряжений по ширине упорного торца (вследствие конусности резьбы и внецентренного приложения осевой сжимающей нагрузки, вызванной крутящим моментом свинчивания) происходит неравномерно: максимальная величина напряжений отмечается на участке, примыкающем к внутренней полости бурильного замка, а минимальная - на периферии упорного торца. На основании этого строится гипотеза о том, что герметичность ЗРС определяется величиной максимальных контактных напряжений, действующих на внутренней кольцевой части упорного торца.
В результате экспериментальных исследований натурных образцов с новой и изношенной резьбой впервые получена эмпирическая зависимость (рис.4), предельного давления (Рт) закачиваемой жидкости, характеризующего герметичность соединения, от внешней осевой растягивающей нагрузки (ТУ):
Рт =-Л-N + В, где (4)
А - коэффициент пропорциональности; В - постоянная величина.
Полагается, что нарушение герметичности ЗРС наступает при равенстве максимальных контактных напряжений (сгтах), действующих на упорном торце, и внутритрубного давления (Рт) закачиваемой жидкости. Используя зависимость (4) и условие нарушения герметичности соединения, принимая во внимание то, что максимальные контактные напряжения действуют на некоторой кольцевой площадке (/•%), составляющей часть общей площади упорного торца (Рт), а также полагая, что изменение контактных напряжений по ширине последнего от сттах к <гт1п (минимальным напряжениям) подчиняется
линейной зависимости, получено выражение, характеризующее герметичность ЗРС.
Момент затяжки Мсв (кН-м) Степень износа резьбы
16 24 30 % (по Н)
О ® • 0
□ ш ■ 30
А А ▲ 50
2000 3000
Внешняя осевая нагрузка
14,кН
Рис. 4. Герметичность (Р) замкового соединения с различной степенью износа резьбы при крутящем моменте свинчивания (Мсв) и осевом растяжении (И).
Это предельное значение внутритрубного давления (Р,„), которое соответствует началу раскрытия упорного торца ЗРС:
Р... = А
М <т .
аК 2К Х 1 т;
м м
где (5)
Мсд - крутящий момент свинчивания замкового соединения; а -
параметрический коэффициент резьбы, характеризующий условия трения и геометрические размеры соединения, м; Км - коэффициент внешней нагрузки муфты замкового соединения;
а^ТТ¥--'здесь
-I-1 + /Г
2К о м
^-площадь сечения внутреннего канала бурильного замка.
Из выражения (5) определяется осевая растягивающая нагрузка (Ы) на бурильный замок, соответствующая началу раскрытия упорных торцов (принимая Р,=ат!Я=сТш,гЩ-.
М
= (6) аК
м
Получены зависимости, характеризующие изменение осевой нагрузки N от крутящего момента свинчивания, исходя из заданных условий обеспечения герметичности (Рт =20 МПа) ЗРС для различной степени износа резьбы (рис.5).
Выражение (6) позволяет определить значение параметрического коэффициента а и проследить его увеличение в зависимости от степени износа резьбы (рис.б). Коэффициент а, характеризует изменение геометрических параметров (уменьшение приведенного среднего диаметра, увеличение углов профиля резьбы и др.) и коэффициентов трения (// - в резьбе и ц - в упорном торце) в ЗРС с изношенным профилем резьбы. Делается вывод о том, что по мере изнашивания замковой резьбы, для обеспечения заданной герметичности соединения необходимо корректировать (увеличивать) крутящий момент
Условное обозначение Степень износа резьбы (по Н), %
• -
■ 30
♦ 50
А 70
Рвн=20 МПа
-ь
-ь
10 15 20 25 Крутящий момент свинчивания
Мсв, кН м
Рис. 5 Предельная осевая растягивающая нагрузка (К) при крутящем моменте свинчивания (Мсв) из условия герметичности (Рвн) замкового соединения (ЗШК-178) с различной степенью износа резьбы.
* (
О 10 20 30 40 50 60 Сн, %
Степень износа
Рис. 6 Параметрический коэффициент (а) и корректировка крутящего момента свинчивания (Мсв) замкового соединения в зависимости от степени износа резьбы (Си).
свинчивания (Мсв) согласно установленной эмпирической зависимости, отражающей изменение параметрического коэффициента а. Для практического использования предложена классификация ЗРС по степени износа резьбы.
Сравнительные испытания на герметичность одних и тех же образцов с изношенной резьбой на стенде СИТРИ (статическое нагружение образца) и на буровом стенде-скважине (отнулевое циклическое осевое растяжение колонной УБТ с прокачкой бурового раствора) показали, что при одинаковом крутящем моменте свинчивания бурильного замка, в первом виде нагружения для разгерметизации соединения требовалась в 2...2,5 раза большая внешняя осевая растягивающая нагрузка, чем во втором случае. В связи с этим для характеристики герметичности ЗРС, применительно к производственным условиям, рекомендован поправочный коэффициент динамичности (Кд= 2...2,5). Полученные эмпирические закономерности позволяют прогнозировать допустимую внешнюю осевую растягивающую нагрузку (N - вес колонны) на бурильный замок в зависимости от степени износа резьбы из условия обеспечения требуемой герметичности (Р„) ЗРС, свинченного с определенным крутящим моментом (М„), и при принятом коэффициенте динамичности (К9).
При исследовании влияния изгибающего момента (Ми) на герметичность ЗРС установлено, что при совместном действии на испытываемый образец внешней осевой растягивающей нагрузки (УУ) и Ми- последний не изменяет общий характер зависимости (4). При этом отмечается, что предельное внутритрубное давление (/>.„) уменьшается по отношению к исходному значению (без изгиба образца) на величину напряжения, создаваемого в упорном торце изгибающим моментом.
Таким образом, при комплексном нагружении испытываемого образца выражение, характеризующее герметичность ЗРС принимает вид:
М (Г ■ М -К
Р„=л -Я-^ы-/;') , где
йл * » '2К '
и
аК
(?)
м
м
7- осевой момент инерции бурильного замка по сечению упорного торца; Л - радиус конической расточки у торца муфты.
При сопоставлении результатов экспериментальных исследований натурных образцов на герметичность и данных аналитических расчетов контактных напряжений на упорных торцах замковых деталей получено соотношение предельного давления (/»„) и контактных напряжений ак. Соотношение установлено для широкого диапазона значений Мсе и степени износа замковой резьбы и может быть выражено прямой пропорциональной зависимостью с коэффициентом пропорциональности Кг =1,8-2,0. Полученный коэффициент рекомендуется использовать для прогнозирования и оценки герметичности замковых соединений при статическом нагружении.
В результате проведенных комплексных исследований эксплуатационных характеристик натурных образцов из условия статической равнопрочности изношенной замковой резьбы и тела соответствующей бурильной трубы аналитически определена и экспериментально подтверждена предельная степень износа резьбы, составляющая не менее 70% от номинального значения Но. Это обстоятельство позволило в качестве допустимого рекомендовать значение критерия Я, составляющее 50% от его номинальной величины. При этом обеспечивается двукратный запас прочности ЗРС по статическим нагрузкам. Таким образом, эксплуатационной характеристикой, ограничивающей работоспособность бурильных замков является герметичность соединения, которая может быть увеличена за счет корректировки (повышения) крутящего момента свинчивания согласно разработанным рекомендациям и с учетом изменения коэффициента (а) для изношенной замковой резьбы.
В шестой главе представлены разработки, направленные на повышение эксплуатационных характеристик ЗРС. В частности на основе анализа результатов проведенных комплексных исследований эксплуатационных характеристик для ЗРС бурильной колонны предлагается новый метод расчета крутящего момента свинчивания. Натурные испытания ЗРС выявили
35
целесообразность применения наибольшего допустимого Мсв, который способствует повышению эксплуатационных характеристик (герметичности, сопротивления усталости) и в целом надежности (предотвращает при эксплуатации дозатяжку и саморазвинчивание, фреттинг-коррозию и др.) ЗРС с изношенной резьбой.
Для обоснования выдвигаемых предложений по увеличению Мсс представлен анализ применяемых отечественных и зарубежных (ИР-70 АР1) методик расчета крутящего момента. В основе расчета (Мсв) лежит выражение:
<т =5х.-сг где (8)
* Г] Р
<т3 - напряжение в опасном сечении ниппеля от затяжки (приложения Мса) ЗРС; сгт - предел текучести материала бурильного замка; ц - коэффициент запаса прочности; <тр - напряжение в опасном сечении ниппеля от внешней осевой растягивающей нагрузки (веса бурильной колонны).
Крутящий момент свинчивания определяется по известной формуле:
М = а -а-Е , где (9)
св 3 н' 4 '
^ - площадь опасного сечения ниппеля.
С учетом выражения (8) имеем:
М (--а ) (10)
Св НУ ц р' 4 '
Согласно РД 39-013-90 («Инструкция по эксплуатации бурильных труб») сгр рассчитывается из предельно допустимой внешней осевой растягивающей нагрузки (Л^зам шах), которую способен выдержать ниппель бурильного замка, а также с учетом необходимых контактных напряжений (<тк = 2Р„„) на упорном торце для обеспечения герметичности. Однако, на практике внешняя осевая нагрузка на бурильной замок не превышает усилия (#Бтах), соответствующего несущей способности опасного сечения бурильной трубы. Обычно А^, тах > Л^Бтах, поэтому предлагается разницу в прочности ниппеля и бурильной трубы использовать для повышения крутящего момента свинчивания (рис. 7).
36
N,kH
Dj Вес бурильной колонны
30 40
Степень износа резьбы
Мсв принимается согласно:
1. РД 39-013-90: Mcui (из условия N=N3am max, обеспечивая герметичность до т. Si);
2. RP-7G (API): Мсв2=Мсв шю/2 (S2);
3. Предлагаемого варианта: М свз (из условия N=Nrp max, обеспечивая герметичность до т. D3). Ызам шах и Ытр max - внешняя предельно допустимая осевая нагрузка на замок и трубу.
Мс» max - предельно допустимое значение Мсв на бурильный замок.
С%
Рис. 7 Допустимая (из условия герметичности Р вп=20 МПа) внешняя осевая растягивающая нагрузка ( Ы) на замковое соединение (ЗП-178) с бурильной трубой ПК 140 х9-Е в зависимости от степени износа резьбы (С) при свинчивании крутящими моментами М св1; Мсвг; Мсвз.
С учетом выше изложенного выражение, определяющее оптимальный крутящий момент свинчивания ЗРС для элементов БК, примет вид:
Мсв=а^-<тп-Рс-Кн), где (11)
ап - предел текучести материала бурильной трубы; - площадь опасного сечения бурильной трубы; Ки.- коэффициент внешней нагрузки ниппеля.
Представлены практические рекомендации по повышению надежности и ресурса ЗРС за счет рациональной отработки замковых деталей в комплекте бурильных труб, по увеличению ресурса ЗРС за счет использования оптимального режима современной упрочняющей химико-термической обработки (карбонитрации) резьбы. Для повышения сопротивления усталости и износостойкости ЗРС разработаны критерий и оптимальный режим технологии ППД профиля резьбы ниппеля и муфты. С целью увеличения износостойкости, исключения задиров и заеданий соединений рекомендуется оригинальная технология нанесения медьсодержащего покрытия конической резьбы химико-механическим способом с помощью станочного приспособления УМП-2.
Для решения проблемы повышения сопротивления усталости УБТ на основе широкого анализа результатов ранее проведенных испытаний, предложены новые, более эффективные, полученные исходя из разработанной методики расчета, конструкции ЗРК, которые позволяют увеличить предел выносливости замковых соединений УБТ на 40...60% по сравнению с зарубежными аналогами. Впервые представлен метод расчета ЗРС с учетом усталости в широком диапазоне (80 мм * 241 мм) используемых типоразмеров УБТ, основанный на анализе податливостей на изгиб опасных сечений ниппеля и муфты. С целью повышения надежности ЗРС при знакопеременных изгибающих нагрузках разработан новый вид индикатора накопления усталостных повреждений (ИНУП-3), который устанавливается в компоновку низа бурильной колонны (в виде переводника) и в процессе эксплуатации
сигнализирует о начале зарождения усталостных трещин и предельно допустимом состоянии ЗРС по знакопеременным изгибающим нагрузкам.
В проведенных исследованиях решалась задача определения фактического значения параметрического коэффициента а, имеющего большое значение для оценки реального напряженного состояния резьбы в совокупности с упорными торцами и существенно влияющего на работоспособность ЗРС. С этой целью предложена методика расчета осевого усилия (0 и коэффициента трения в резьбе (У) при использовании компьютерной диаграммы, характеризующей изменение величины крутящих моментов свинчивания (Мсд) и развинчивания (Мр) в зависимости от относительного смещения (1) упорных торцов при затяжке ЗРС.
При этом осевое усилие (0, развиваемое в резьбовом соединении от воздействия прикладываемых крутящих моментов определяется:
Р - шаг резьбы; ЧР = —-где </>\ и щ - углы наклона графиков диаграммы
к оси абсцисс (?), соответственно, при свинчивании и развинчивании ЗРС.
Параметрический коэффициент замковой резьбы (а) находится из выражения:
Коэффициент трения (//) в резьбе определяется по формуле:
Таким образом, анализируя диаграмму свинчивания и развинчивания, можно составить характеристику напряженного состояния ЗРС, а также косвенно оценить его работоспособность и качество сборки соединения.
где
Р
а = я(1-Ч)
В этой же главе представлен анализ отечественных и зарубежных конструкций резьбовых соединений обсадных труб. При использовании аналитических программ высокого уровня и современных методов расчета разработаны высокогерметичные резьбовые соединения обсадных труб (класса «Премиум»): серии СТТ-114,-120,-140, -194 и ВАРМ-140,-146, а также ВГСО-168, применяющиеся для наклонно-направленных и горизонтальных скважин со сложными условиями эксплуатации. Для н/к труб разработаны высокогерметичные резьбовые соединения серии ВАРМ-60,-73,-89,-114.
В седьмой главе приведены результаты промысловых испытаний, внедрения и расчет экономической эффективности предлагаемых разработок.
Промысловые испытания ЗРС с крупным шагом и повышенной износостойкостью МК 148x8x1:6 проведены в Альметьевском УБР ПО «Татнефть». Объем внедрения составил 2 комплекта по 150 бурильных труб, использованных при бурении комбинированным способом скважин, глубиной до 1900 м. В результате внедрения замковых соединений с резьбой МК 148 получено увеличение на 67% средней наработки (по количеству свинчиваний) бурильных замков по сравнению со стандартными соединениями (3-147x6,35x1:6). Промысловые испытания замковых соединений с крупным шагом МК 122x8x1:6 проведены совместно с рекомендациями ВНИИБТ по оптимизации ЗРК в Печорской НГРЭ объединения Ухтанефтегазгеология. Объем внедрения УБТ с резьбой МК122 составил 150 комплектов, использованных при бурении комбинированным способом скважин глубиной 4000...5000 м. В результате внедрения получено увеличение межремонтного периода работы УБТ в два раза.
Рекомендации по контролю степени износа замковой резьбы, рациональной эксплуатации и обеспечению работоспособности ЗРС бурильной колонны, разработанные с непосредственным участием автора, включены в межотраслевое РД 39-2-959-83 «Руководство по предупреждению аварий при бурении скважин», в СТП ВНИИБТ 1023-2004 «Методика расчета и
эксплуатации замковых резьбовых соединений бурильной колонны» и внесены в РД 39-2-961-83 (с Изменением №1), РД 39-013-90 «Инструкция по эксплуатации бурильных труб». Расчетный экономический эффект от использования рекомендаций по контролю, рациональной эксплуатации и отбраковке замковых соединений составил 29,2% и 39,4% от стоимости бурильных замков. Расчетный экономический эффект от внедрения замковых соединений бурильных труб с резьбой МК 148x8x1:6 с крупным шагом в Альметьевском УБР ПО «Татнефть» составил 66,6% от стоимости бурильных замков.
Использование в ООО «Бургаз» компании ОАО «ГАЗПРОМ» практических рекомендаций по эксплуатации и контролю ЗРС за период 1999-2003г.г. позволило в 1,5-2 раза сократить аварийность БК при строительстве скважин, что дало экономию материальных затрат в 11,8 млн. руб. в год.
Оптимальные режимы технологии упрочнения впадин замковой резьбы методом ППД внедрены в ОАО «Уренгойнефтегазгеология». Рациональный режим химико-термической обработки (карбонитрации) ЗРС и технология нанесения медьсодержащего покрытия резьбы внедряются в ОАО «Орский машиностроительный завод» и в ОАО «Сургутнефтегаз».
Разработанные с непосредственным участием автора современные высокогерметичные резьбовые соединения обсадных труб класса «Премиум» типа СТТ-114,-120,-140,-194 и ВАРМ-140;-146 производятся в ОАО «ТАГМЕТ» и используются предприятиями нефтяной и газовой отрасли в ОАО «Сургутнефтегаз» (скв. № 2851 куст 217, Родниковское м.), «Оренбургнефть» (скв. №3609, 3613, 3614, Загорское м. и №943 Ростошинское м.), «Кубаньгазпром» (скв. №213, Кущевское м.), «Славнефть-Красноярскнефтегаз» (скв. К-219, Куюмбинское м.) и др.
Объем выпуска безмуфтовых обсадных труб с высокогерметичным КРС типа СТТ только за период с января 2002 г. по май 2004 г. составил 8198 тонн, а
обсадных труб с высокогерметичным КРС типа ВАРМ-146 класса «Премиум» с декабря 2003 г. по май 2004 г. превысил 1245 тонн.
ВЫВОДЫ
1. Предложено новое направление в силовом расчете замковых соединений бурильной колонны, повышающее их надежность и эксплуатационные характеристики за счет наиболее полного использования технических возможностей, выявленных в результате аналитических и экспериментальных исследований натурных образцов с различной степенью износа замковой резьбы на усталость, герметичность и статическую прочность.
2. На основе исследований замковых резьбовых соединений на многократное свинчивание на буровом стенде-скважине в условиях, максимально приближенных к производственным, установлены зависимости, отражающие изменение ресурса бурильных замков от условий эксплуатации, а также основных конструктивных и технологических факторов.
3. Определены показатели основных эксплуатационных характеристик замкового соединения бурильной колонны (статической прочности, сопротивления усталости и герметичности), учитывающие степень износа резьбы. Установлено, что ограничение работоспособности замкового соединения при изнашивании резьбы обусловлено потерей герметичности.
4. Разработан критерий отбраковки бурильных замков при изнашивании резьбы, на основе которого получены количественные показатели, характеризующие влияние основных конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов на наработку замкового соединения при многократном свинчивании. В частности установлено, что значительное влияние на ресурс замковых соединений оказывают: качество смазки (сопоставимый коэффициент ^=3..,4), химико-термическая обработка -карбонитрация (^=4...5), удельное давление в сопряжении резьбы от веса и прогиба наращиваемых бурильных труб (4=5.. .6).
5. На основе аналитических и экспериментальных исследований натурных образцов установлена линейная зависимость герметичности замкового соединения от величины крутящего момента свинчивания, действующих осевой растягивающей нагрузки и изгибающего момента. Полученная зависимость позволяет решать прямую и обратную задачи по определению предельных нагрузок на бурильный замок из условия герметичности соединения.
6. Для заданной герметичности замкового соединения установлена зависимость, отражающая снижение эффективности крутящего момента свинчивания по мере изнашивания резьбы и предполагающая его корректировку в процессе эксплуатации в соответствии с изменением параметрического коэффициента резьбы (а).
7. Установлена аналитическая зависимость, характеризующая влияние удельного давления, действующего в сопряжении резьбы при свинчивании, на ресурс замкового соединения, которая позволяет прогнозировать наработку бурильных замков, исходя из конструктивных параметров резьбы.
8. В результате анализа и обобщения результатов экспериментальных исследований широкого диапазона типоразмеров (80 мм 241 мм) натурных образцов на знакопеременный изгиб установлена эмпирическая зависимость предела выносливости от податливости замковых деталей, которая легла в основу методики прочностного расчета и позволяет оптимизировать конструкцию замкового соединения по усталости.
9. Разработаны технические решения, направленные на повышение эксплуатационных характеристик замковых соединений и включающие:
- новые разгружающие элементы (ЗРК) замковых деталей, увеличивающие в 1,3... 1,5 раза сопротивление усталости соединения при знакопеременном изгибе по сравнению с зарубежными аналогами;
- рациональный режим химико-термической обработки (карбонитрации) резьбы, увеличивающий в 3-4 раза ресурс замковых соединений при многократном свинчивании;
- оригинальную (химико-механическую) технологию и установку для нанесения медьсодержащего покрытия конической резьбы химико-механическим способом, предотвращающего задиры и заедание витков при свинчивании, а также исключающего необходимость приработки соединения после ремонта замковых деталей;
- оптимальный режим технологии упрочнения впадин резьбы методом поверхностно-пластического деформирования с помощью универсальной установки УОР-б, повышающий сопротивление усталости замковых соединений в 1,3... 1,4 раза;
- новую конструкцию индикатора накопления усталостных повреждений (ИНУП-3), позволяющего обнаружить начало зарождения и распространения усталостных трещин в опасном сечении ниппеля и свидетельствующего о предельно допустимом состоянии замкового соединения при знакопеременном изгибе;
- рациональные крутящие моменты свинчивания, обеспечивающие максимальную надежность замковых соединений для конкретных условий эксплуатации (крутящего момента, создаваемого ротором, качества применяемой смазки, осевой растягивающей нагрузки, изгибающего момента, внутритрубного давления рабочей жидкости и др.);
10. На основе современных методов проектирования с использованием программных средств разработаны высокогерметичные резьбовые соединения класса «Премиум» обсадных (серии СТТ-114,-120,-140; ВАРМ-140,-146; ВГСО-168) и насосно-компрессорных труб (ВАРМ-60,-73,-89,-114), позволяющие выполнить программу импортозамещения нарезных труб нефтегазового сортамента.
11. Разработанные конструкции резьбовых соединений труб нефтегазового сортамента, технологических установок по упрочнению и повышению эксплуатационных характеристик соединений, а также практические рекомендации по рациональной эксплуатации, контролю и обеспечению работоспособности КРС внедрены в ООО «Бургаз» компании «ГАЗПРОМ», ПО «Ухтанефтегазгеология», в ОАО «ВНИИТнефть», «Буровая техника»-ВНИИБТ, «ТАГМЕТ», «ВОЛЖСКИЙ трубный завод», «Челябинский трубопрокатный завод», внедряются на ОАО «ОРСКИЙ машиностроительный завод», используются в ОАО «Сургутнефтегаз», «Уренгойнефтегазгеология», «Славнефть-Красноярскнефтегаз», «Оренбургнефть», «Кубаньгазпром», «Нижневартовскнефтегаз» и др.
12 Внедрение указанных мероприятий позволило сократить аварийность (в ООО «Бургаз» в 1,5-2 раза за период 1999-2003г. с экономией связанных с этим материальных затрат в размере 11,8 млн.руб. в год) и повысить эффективность работ при бурении и строительстве скважин, а также снизить долевой объем использования импортной трубной продукции.
Объем выпуска безмуфтовых обсадных труб с высокогерметичным КРС типа СТТ за период с января 2002 г. по май 2004 г. составил 8198т, а обсадных труб типа В АРМ класса «Премиум» с декабря 2003 г. по май 2004 г. - 1245 т.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
Книга
1. Буровые комплексы. Современные технологии и оборудование (Коллектив авторов под общей редакцией Гусмана A.M. и Порожского К.П.). Научное издание. Екатеринбург, УГТА, 2002, 592 с ил.
Глава 12. Бурильная колонна (Семин В.И., Жаров В.Н.), с. 181-192. Глава 17. Обсадные трубы (Семин В.И., Жаров В.Н.), с. 239-250.
Публикации:
2. Семин В.И. Критерий отбраковки замкового резьбового соединения бурильной колонны при многократном свинчивании. - Труды ВНИИБТ, №61,1985, с. 180-189.
3. Щербюк Н.Д., Семин В.И. Промысловые испытания бурильных труб с приваренными замковыми соединениями с резьбой МК 148x8x1:6. - ЭИ, Машины и нефтяное оборудование, 1986, №12, с. 7-12.
4. Щербюк Н.Д., Семин В.И., Газанчан Ю.И., а.с. № 1434232 (от 27.10.87) Способ контроля степени износа витков детали с конической резьбой.
5. Щербюк Н.Д., Чайковский Г.П., Семин В.И., Газанчан Ю.И., Чеблаков Е.А., Ресурс замковых резьбовых соединений бурильных труб при многократном свинчивании. Нефтяное хозяйство, 1987, №1, с. 9-11.
6. Щербюк Н.Д., Семин В.И., Газанчан Ю.И., Барышников А.И. Влияние крутящего момента свинчивания на сопротивление усталости замковых резьбовых соединений. Нефтяное хозяйство №10,1987, с. 20-21
7. Щербюк Н.Д., Семин В.И., Износостойкость замковой резьбы бурильной колонны. Экспресс информация выпуск №10,1990 г., с. 9-15.
8. Семин В.И., Щербюк Н.Д. Способ упрочнения витков детали с конической резьбой. Заявка на изобретение 93033603/02 Публикация 1996.05.27.
9. Щербюк Н.Д, Семин В.И. Контроль крутящего момента свинчивания замковых резьбовых соединений. /НТЖ. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море №8-9,1997, с. 11-13.
Ю.Щербюк Н.Д., Семин В.И. Метод определения осевого усилия при свинчивании замкового резьбового соединения. Нефтяное хозяйство № 4, 1999, с. 35-36.
П.Казанцев А.Г., Кахадзе М.Ж, Семин В.И. Напряженно-деформированное состояние и циклическая прочность замковых резьбовых соединений бурильных труб. Научные труды IV Международного семинара «Современные проблемы прочности» им. В.А. Лихачева (НвГУ, г. Великий Новгород, 2000 г.), 18-22 сентября, г. Старая Русса, т. 1 с. 280-284.
12.Дубровин В.А., Казанцев А.Г., Кахадзе М.Ж. Семин В.И Оценка остаточных напряжений и циклической прочности с учетом больших технологических деформаций. Научные труды V Международного симпозиума «Современные проблемы прочности им. В.А. Лихачева (НвГУ, г. Великий Новгород, 2001г.) 17-21 сентября 2001 г. г. Старя Русса, т.2, с. 217-221.
1 З.Семин В.И., Нуриахметов Ф.Д. Современные конструкции насосно-компрессорных труб с высокопрочными и высокогерметичными резьбовыми соединениями. Новости черной металлургии за рубежом, 2001, приложение №8, с. 1-8.
14.Семин В.И. Лаборатории резьбовых соединений - 40 лет. Бурение №7-8, 2001, с. 49-50.
15.Нуриахметов Ф.Д., Семин В.И. Применение антикоррозийных покрытий при производстве труб в мире. Новости черной металлургии за рубежом, 2001, приложение №8, с. 9-19.
16.Семин В.И., Емельянов A.B. Резьбонарезные станки и установки для производства труб нефтяного сортамента. Новости черной металлургии за рубежом, 2002, Приложение №6., с. 18-23.
17.Семин В.И. Способ контроля отрицательного натяга соединения деталей с конической резьбой. Патент 223889, МПК 7 Е 21 В 17/042, от 05.12.2002 г.
18.Семин В.И. За достойное продолжение дела видного деятеля нефтегазовой промышленности России Николая Давыдовича Щербюка. /НТЖ. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и море. №6, 2003, с.4-5.
19.Семин В.И., Газанчан Ю.И. Повышение сопротивления усталости замковых соединений методом пластической деформации впадин резьбы. /НТЖ. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. №6, 2003, с. 6-11.
20.Семин В.И., Чайковский Г.П. Методика определения эксплуатационного ресурса замковых резьбовых соединений на буровом стенде-скважине. НТЖ. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и море №6, 2003, с. 1517.
21. Семин В.И. Экспериментальные исследования замковых резьбовых соединений на многократное свинчивание на буровом стенде-скважине. НТЖ. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. №6, 2003, с. 18-22.
22.Семин В.И. Исследование герметичности замкового резьбового соединения при осевом нагружении. /НТЖ. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. №6,2003, с. 24-27.
23.Семин В.И. Характер нагружения витков при свинчивании замкового резьбового соединения. /НТЖ. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. №6,2003, с. 33-36.
24.Семин В.И. Контроль и классификация степени износа резьбы замковых соединений бурильной колонны. /НТЖ. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и море №6,2003, с. 37-39.
25.Семин В.И. Высокогерметичные резьбовые соединения насосно-компрессорных труб. /НТЖ. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и море, №6,2003, с. 39-44.
26.Балабанов В.И., Семин В.И., Патент №2214478 (от 20.10.2003 г.). Способ повышения износостойкости резьбовых соединений.
27.Казанцев А.Г., Кахадзе М.Ж., Семин В.И., Газанчан Ю.И. Напряженно-деформированное состояние и циклическая прочность замковых резьбовых соединений бурильных труб. /НТЖ. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и море. №6,2003, с. 28-32.
28.Семин В.И. «Критерии и оптимизация режима поверхностно-пластического упрочнения замковых резьбовых соединений бурильных труб». Научные труды VI Международного семинара "Современные проблемы прочности" им. В.А. Лихачева (НвГУ, г. Великий Новгород, 2003 г.), с. 68-97.
29.Казанцев А.Г., Семин В.И. Расчет напряженно-деформированного состояния и циклической прочности деталей, подвергнутых поверхностному пластическому деформированию. Тяжелое машиностроение, №4, 2003 г. с. 23-26.
30.Семин В.И. Совершенствование конструкций и системы контроля резьбовых соединений труб нефтяного сортамента. /НТЖ. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. №5,2003 г. с. 46-49.
31.Семин В.И. Создание централизованной системы контроля качества калибров для резьбовых соединений труб нефтяного сортамента. /НТЖ. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море, №6, 2004 г, с. 6-8.
32.Семин В.И. Экспериментальные исследования замковых соединений с изношенной резьбой на усталость и статическую прочность. /НТЖ. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море, №6, 2004 г., с. 8-11.
33.Семин В.И. Оперативный контроль степени износа резьбы и отрицательного натяга замкового соединения. /НТЖ. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море № 6,2004 г., с. 11-14.
34.Семин В.И., Газанчан Ю.И., Повышение сопротивления усталости замковых резьбовых соединений утяжеленных бурильных труб большого диаметра. /НТЖ. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море, №6, 2004, с. 15-17.
35.Семин В.И. Аналитическая оценка статической прочности замкового соединения с изношенной резьбой. /НТЖ. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море, №6,2004 г., с. 17-20.
36.Семин В.И. Поверхностное упрочнение замковой резьбы методом карбонитрации. Нефтяное хозяйство №12,2004 г., с. 104-106.
37.Барышников А.И., Семин В.И, Новая технология центрирования обсадных колонн в скважине. /НТЖ. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. №10 , 2004 г., с. 26-28.
38.Семин В.И. Определение ресурса замкового резьбового соединения при многократном свинчивании. /НТЖ. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. №12, 2004 г. с. 11-12.
39.Семин В.И. Современные отечественные конструкции резьбовых соединений труб нефтяного сортамента. Тематический сборник научных трудов ОАО «РосНИТИ» Современное состояние и перспективы развития трубной промышленности Российской Федерации. Материалы XII Межотраслевой научно-технической конференции. РосНИТИ, (21-23 сентября 2004 г. Челябинск-Екатеринбург-2005 г.), с. 88-97.
40.Семин В.И. Противозадирное медьсодержащее покрытие замковой резьбы бурильных труб. /НТЖ. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. №12,2004 г. с. 18-19.
41. Семин В.И. Поверхностное упрочнение замковой резьбы методом карбонитрации. Нефтяное хозяйство №12,2004 г. с. 104-106.
42.Семин В.И. Оптимизация технологии упрочнения замковой резьбы методом поверхностно-пластического деформирования. /НТЖ. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море №1, 2005 г. с. 23-27.
43.Семин В.И. Проектирование высокогерметичных резьбовых соединений обсадных и насосно-компрессорных труб с помощью конечно-элементного анализа. /НТЖ. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море №2,2005 г., с. 25-29.
44.Семин В.И. Анализ герметичности замкового соединения при статическом нагружении с учетом степени износа резьбы. /НТЖ. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море №4,2005 г., с. 13-18
45.Семин В.И. Предельная осевая растягивающая нагрузка на бурильный замок из условия герметичности соединения. /НЖТ. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море №6,2005, с. 19-21.
46.А. Baryshnikov and F. Donati, ENI-Agip; and J. Gazanchan and V. Semin, Russia. Eliminating twist-offs as a cause of drillstring failure. World Oil, №7, 1999 г., с. 81-89.
"7758
РНБ Русский фонд
2006-4 15930
•ч
Подписано в печать 21.09.2005 г. Набор компьютерный. Гарнитура Times New Roman Тираж 100 экз. Заказ № 1104 Печатный салон ООО «Спринт» Москва, Ленинский пр-т, д.6 956-9347
Содержание диссертации, доктора технических наук, Семин, Владимир Иванович
ВВЕДЕНИЕ.
1. КОНСТРУКЦИЯ И УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ БУРИЛЬНЫХ, ОБСАДНЫХ, НАСОСНО-КОМПРЕССОРНЫХ ТРУБ.
1.1 Особенности конструкции и изготовления конических резьбовых соединений.
1.2 Система контроля, взаимозаменяемость и специфика сборки конических резьбовых соединений.
1.3 Условия эксплуатации и характерные отказы замковых резьбовых соединений элементов бурильной колонны.
1.4 Условия эксплуатации и конструкция резьбовых соединений обсадных и насосно-компрессорных труб.
2. АНАЛИЗ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНР1Й РАБОТОСПОСОБНОСТИ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ТРУБ НЕФТЕГАЗОВОГО СОРТАМЕНТА.
2.1 Особенности изнашивания замковой резьбы и повышение ресурса при свинчивании.
2.2 Оценка степени износа и критерий отбраковки замковой резьбы.
2.3 Герметичность замкового резьбового соединения.
2.4 Статическая прочность и сопротивление усталости замкового соединения с изношенным профилем резьбы.
2.5 Постановка задачи исследований.
3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.
3.1 Методика исследований износостойкости замковых резьбовых соединений при многократном свинчивании.
3.2 Методика исследований резьбовых соединений на усталость.
3.3 Методика исследований резьбовых соединений на герметичность и статическую прочность.
4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ БУРИЛЬНЫХ ТРУБ ПРИ МНОГОКРАТНОМ СВИНЧИВАНИИ.
4.1 Анализ взаимодействия витков и оценка наработки замковой резьбы при свинчивании.
4.2 Характер нагружения резьбы при свинчивании замкового соединения.
4.3 Оперативный контроль степени износа замковой резьбы.
4.4 Контроль отрицательного натяга замкового соединения.
4.5 Наработка замковых резьбовых соединений при многократном свинчивании.
4.6 Прогнозирование ресурса замковых соединений в зависимости от условий эксплуатации.
Выводы к главе.
5. ИССЛЕДОВНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЗАМКОВОГО СОЕДИНЕНИЯ С УЧЕТОМ СТЕПЕНИ ИЗНОСА
РЕЗЬБЫ.
5.1 Аналитическая оценка статической прочности замкового соединения с изношенной резьбой.
5.2 Оценка сопротивления усталости замковых соединений с изношенной резьбой.
5.3 Исследование герметичности замкового соединения при осевом нагружении.
5.4 Анализ герметичности замкового соединения с учетом степени износа резьбы.
5.5 Влияние изгибающего момента на герметичность замкового резьбового соединения.
5.6 Предельная осевая растягивающая нагрузка на бурильный замок из условия герметичности соединения с учетом динамики нагружения.
5.7 Комплексная оценка работоспособности замкового соединения с изношенной резьбой.
Выводы к главе.
6. ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ТРУБ НЕФТЕГАЗОВОГО СОРТАМЕНТА
И БУРИЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА.
6.1 Рациональные крутящие моменты свинчивания замковых соединений бурильной колонны с учетом износа резьбы.
6.2 Оптимизация конструкции замковых соединений с учетом сопротивления усталости.
6.3 Оптимизация сборки замкового соединения с учетом сопротивления усталости.
6.4 Оптимизация технологии поверхностно-пластического упрочнения замковой резьбы.
6.4.1 Критерий упрочнения резьбы при ППД и полная диаграмма усталости замкового соединения.
6.4.2 Влияние крутящего момента свинчивания замкового соединения на эффективность упрочнения резьбы.
6.4.3 Универсальная установка УОР-6 обкатки внутренней и наружной замковой резьбы.
6.4.4 Аналитическая оценка эффективности упрочнения замковой резьбы методом ППД.
6.5 Индикатор накопления усталостных повреждений резьбовых соединений бурильной колонны.
6.6 Поверхностное упрочнение замковой резьбы методом карбонитрации
6.7 Противозадирное медьсодержащее покрытие конической резьбы химико-механическим способом.
6.8 Способ определения осевого усилия в резьбе при свинчивании замкового соединения.
6.9 Высокогерметичные резьбовые соединения обсадных и насосно-компрессорных труб.
7. ВНЕДРЕНИЕ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.
ВЫВОДЫ.
Используемая литература.
Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Современные методы проектирования резьбовых соединений труб нефтегазового сортамента для строительства скважин"
Эффективность научно-технического прогресса зависит не только от наращивания выпуска новой техники, но и лучшего использования основных фондов, увеличения съема продукции с каждой единицы действующего оборудования. Решение проблемы сбережения материальных ресурсов и фондоотдачи промышленного оборудования тесно связано с наиболее полным использованием технических возможностей машин и оборудования, а также отдельных узлов и элементов конструкций.
При бурении и освоении нефтяных и газовых скважин важными элементами, в значительной степени определяющими надежность бурильных, обсадных и насосно-компрессорных (н/к) труб, являются резьбовые соединения. В нефтяной и газовой промышленности в основном используются специальные конические резьбовые соединения (КРС) с треугольным и трапецеидальным профилем витков или их модификации. Эксплуатационные характеристики КРС труб, забойных двигателей и бурового инструмента (долот, калибраторов, переводников и др.) в значительной степени влияют на технические показатели бурения и экономическую эффективность строительства скважин.
Ввиду жесткого ограничения габаритов скважины, КРС трубных колонн эксплуатируются в сложных условиях и воспринимают широкий спектр внешних нагрузок (вес колонны труб, избыточные наружное и внутреннее давления, изгиб и кручение колонны и др.), достигающих значительной величины. При этом к КРС предъявляются высокие технические требования в отношении статической и динамической прочности, герметичности, износостойкости и др.
С ростом глубины скважин, увеличением пластовых давлений, внедрением новых технологий и форсированных режимов бурения, требуются более совершенные конструкции КРС с высокими техническими показателями по надежности, долговечности и ресурсу. Решение данных вопросов невозможно без глубоких знаний о закономерностях изменения технических характеристик этих соединений, во многом зависящих от конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов.
В отечественной и зарубежной практике накоплен значительный материал по исследованию основных эксплуатационных характеристик КРС. Однако многие вопросы остаются недостаточно исследованными и научно обоснованными, а также не в полной мере систематизированными в свете выдвигаемых современных требований к КРС.
Исключительно актуальным для отечественной промышленности является низкий эксплуатационный ресурс замковых резьбовых соединений (ЗРС) колонны бурильных труб и другого бурового оборудования и инструмента. В результате из-за преждевременного износа резьбы и упорных поверхностей ежегодно выбраковываются сотни тысяч замковых деталей вместе с приваренными бурильными трубами, а также другого дорогостоящего бурильного инструмента с замковыми резьбами. Десятки тысяч тонн утяжеленных бурильных труб (УБТ), изготовленных из высококачественной легированной стали (марки 40ХН2МА, З8ХНЗМФА, 45ХГМА и др.) и имеющих в своей конструкции наиболее слабый элемент ЗРС - не в полной мере используют свой эксплуатационный ресурс.
Преобладание турбинного бурения в нашей стране обуславливает значительную долю отбраковки бурильных труб по износу и потере герметичности (промыву) замковой резьбы в общей массе списываемого парка труб и другого бурильного инструмента. Неравномерная отработка ЗРС в комплекте бурильных труб приводит к существенному различию в степени износа замковой резьбы. Для более полного использования ресурса - ЗРС требуется более совершенная методика контроля степени износа резьбы и научно обоснованные критерии отбраковки замковых деталей.
До проведения настоящих исследований не установлены сравнительные показатели изнашивания замковой резьбы при проведении СПО с бурильной колонной, а также количественно не определена степень воздействия основных технологических и конструктивных факторов, активно влияющих на эксплуатационный ресурс бурильных замков. Следует отметить, что в стандарте на бурильные замки [31] для всех типоразмеров бурильных замков, независимо от условий эксплуатации, применяемых материалов, оборудования и других технологических факторов, указан единый нормативный показатель ресурса при многократном свинчивании. Проведенные нами экспериментальные исследования показывали, что наработка ЗРС в значительной степени зависит от многих конструктивных (конусности* шага и др.) и технологических (качества смазки, массы бурильной сечи и др.) факторов. Данное обстоятельство дает основание считать, что необходима выработка надежных критериев отбраковки ЗРС и научно обоснованных нормативов наработки резьбы в зависимости от эксплуатационных условий и параметров резьбы, а также многих конструктивных и технологических факторов, включая собственно типоразмер ЗРС.
Решение данной проблемы тесно связано с нормой расхода металла на " метр проходки. Несмотря на многочисленные исследования, направленные на повышение качества эксплуатации бурильных колонн, расход труб на метр проходки в нашей стране остаётся все ещё очень высоким и существенно (в 2-3 раза) уступает уровню передовых зарубежных стран.
В нашей стране актуальной остается проблема герметичности КРС. Значительная часть ЗРС выводится из эксплуатации вследствие промыва соединений, особенно при достижении определенной степени износа резьбы или применении недостаточного крутящего момента свинчивания и совместном действии растягивающих и изгибающих нагрузок. В данной области проведен ряд • исследований [12,58.59], методика которых основана на измерении утечек бурового раствора в промысловых условиях, что не позволяет в достаточной мере раскрыть сущность процесса герметичности, которая тесно связана со степенью износа резьбы и величиной остаточных (после приложения крутящего момента свинчивания и внешних сил) контактных напряжений на упорных торцах. Последние в свою очередь существенно зависят от действующих нагрузок, а также многих конструктивных и технологических факторов, которые трудно поддаются точной регистрации в промысловых условиях.
Актуальной остается проблема сопротивления усталости ЗРС знакопеременным изгибающим нагрузкам. Несмотря на значительные успехи отечественной отраслевой пауки в данной области, в основном благодаря исследованиям, проведенным в ВНИИБТ, остаются нерешенные проблемы, касающиеся оптимизации конструкции ЗРС с точки зрения усталости и выбора наиболее рациональных моментов свинчивания, оптимальных режимов методов упрочнения замковой резьбы, включая поверхностно пластическое деформирование (ППД) впадин резьбы и др.
В связи с совершенствованием и внедрением новых технологий проводки скважин, а также ужесточением условий эксплуатации соединений (высокие давления рабочей жидкости и газа, присутствие агрессивных компонентов и коррозионная среда и др.) выдвигаются новые задачи по разработке и совершенствованию конструкций КРС, отвечающих современным требованиям. Данная проблема касается разработки новых конструкций высокогерметичных соединений обсадных и ц/к труб класса Премиум, высокопрочных и коррозионностойких труб с повышенным сопротивлением смятию и изгибу для выполнения программы импортозамещения трубной продукции. Исследование и разработка новых конструкций КРС неразрывно связана с решением сложных вопросов проектирования, изготовления, контроля конической резьбы и уплотнительных элементов, а также со спецификой технологии сборки подобных соединений.
Повышение технических характеристик КРС труб нефтяного сортамента предполагает сокращение аварийности при проводке и креплении скважин, а также безопасность их эксплуатации. Полномасштабные исследования работоспособности КРС нефтепромысловых труб позволяют оптимизировать отдельные параметры, которые наиболее полно удовлетворяют технологическим принципам изготовления и эксплуатации, а также решают важную проблему сокращения расхода металла на метр проходки.
Большую роль в сокращении непроизводительных затрат времени ' и материальных ресурсов, связанных с устранением осложнений при строительстве скважин из-за потери работоспособности КРС, играет обобщение знаний, накопленного научного материала и опыта предшествующих исследователей." Для этого требуется глубокий анализ и комплексный подход с системным изучением данной проблемы, с привлечением современных средств проектирования, включая наиболее перспективные прикладные программы и методы исследования. Современные исследовательские технологии дают лучшее представление и овладение физическими явлениями изучаемого объекта благодаря использованию всё более совершенных средств и методик исследований. В настоящей работе разработка и совершенствование КРС поводились с привлечением компьютерной техники и программных продуктов, с проведением необходимых инженерных расчетов и анализом локальных механических напряжений с помощью метода конечных элементов (МКЭ). Это позволило моделировать различные проекты и имитировать действующие эксплуатационные условия с получением результатов в кратчайшие сроки.
В предлагаемой работе представлены результаты исследования эксплуатационных характеристик КРС труб нефтяного сортамента jb сочетании с современными испытательными средствами и стендовым оборудованием, позволяющими проверять на натурных образцах работоспособность конструкции, проводить оценку предлагаемых технических решений, моделирование реальных технологических условий или получить подтверждение ожидаемым результатам. Исследования проведены в лаборатории резьбовых соединений ОАО «Буровая техника», имеющей необходимое стендовое оборудование для испытаний КРС на многократное свинчивание, статическую прочность, герметичность при сложном нагружении (растяжении и изгибе), на усталость при знакопеременном изгибе. Особую значимость проведенные исследования приобретают в связи с выполнением работ по тематике, определенной в 1985 году Миннефтепромом (заказ-наряд № 086.0497.87) и предусматривающей использование бурового стенда-скважины, укомплектованного буровой установкой типа «Уралмаш-4Э» с вышкой ВМ-53 и необходимым производственным оборудованием, включая автоматический буровой ключ АКБ-ЗМ, буровой насос У8-6М-2А и др.
Данная работа выполнена с учетом обширного экспериментального и • теоретического материала, накопленного многими учеными и научными сотрудниками лаборатории резьбовых соединений ОАО НПО "Буровая техника"-ВНИИБТ, среди которых необходимо выделить: Заслуженного деятеля науки и техники РФ, д.т.н., профессора Щербюка Н.Д., к.т.н. Якубовского Н.В., к.т.н. Газанчана Ю.И., Бутейкиса В.А., Жарова В.Н. и многих других исследователей, внесших значительный вклад в решение рассматриваемых проблем. При этом автором проанализирован обширный научный материал отечественных и зарубежных ученых, внесших значительный вклад в изучение и решение актуальной задачи - повышения работоспособности резьбовых соединений труб . нефтегазового сортамента и забойных двигателей. Среди отечественных ученых, следует также выделить: Саркисова Г.М., Еременко Т.Е., Сарояна А.Е., Мочернюка Д.Ю., Станишевского А.С., Билыка С.Ф., Ковалева М.К., Штамбурга
В.Ф., Яковлева Ф.И., Лачиияна Л.А., Барышникова А.И., Ярошевского Ф.М., Шнейдерова М.Р., Дубленича Ю.В. и др.
Из зарубежных исследователей необходимо отметить: Хейвуда Р.Б., Клайдинста В.О., Гормли Е.Ф., Фарра А.П., Тришмана Л.Е., Альтмана Т., Висселя Х.Т., Хаука В. и др. Научные труды этих и других исследователей во многом способствовали развитию рассматриваемою направления в неф!миом машиностроении.
Исходя из поставленных задач, автором выносятся на защиту следующие положения и основные результаты:
1. Новый метод расчета статической прочности, герметичности и оценки сопротивления усталости замкового соединения с учетом степени износа резьбы, обеспечивающий наилучшие технические характеристики для конкретных условий эксплуатации и реального веса бурильной колонны (места расположения ЗРС, качества сборки и действующих внешних силовых факторов).
2. Новый метод оценки и прогнозирования ресурса замкового резьбового соединения, разработанный на базе аналитических исследований и стендовых испытаний натурных образцов на многократное свинчивание с воспроизведением реальных промысловых условий эксплуатации, учитывающий основные конструктивные, технологические и эксплуатационные факторы.
3. Метод расчета на прочность и оценки предельных состояний замковых резьбовых соединений при знакопеременном изгибе в реальных условиях эксплуатации, разработанный на основе анализа податливости опасных сечений замковых деталей и результатов стендовых испытаний натурных образцов в широком диапазоне типоразмеров (диаметром до 240 мм).
4. Закономерности изменения герметичности замкового соединения в зависимости от прикладываемого крутящего момента свинчивания, действующих внешних силовых факторов (осевого растяжения и изгиба) и степени износа резьбы.
5. Обоснование, разработку и выбор наиболее эффективных конструктивных и технологических способов повышения эксплуатационных характеристик резьбовых соединений труб нефтяного сортамента: новые конструкции разгружающих замковую резьбу элементов, рациональные режимы химико-термической обработки (карбонитрации) бурильных замков и муфт насосно-компрессорных труб, оптимальный режим и критерий технологии поверхностно-пластического упрочнения витков и антизадирного медьсодержащего покрытия и др.
6. Разработанные современные конструкции высокогерметичных резьбовых соединений класса «Премиум» обсадных и насосно-компрессорных труб: типа СТТ-114, -120, -140, -194, ВАРМ-60, -73, -89, -114; ВАРМ-146, а также высокогерметичных и высокопрочных соединений нового поколения ВГСО-168, предназначенных для особо сложных условий эксплуатации.
Заключение Диссертация по теме "Технология бурения и освоения скважин", Семин, Владимир Иванович
ВЫВОДЫ
1. Предложено новое направление в силовом расчете замковых соединений бурильной колонны, повышающее их надежность и эксплуатационные характеристики за счет наиболее полного использования технических возможностей, выявленных в результате аналитических и экспериментальных исследований натурных образцов с различной степенью износа замковой резьбы на усталость, герметичность и статическую прочность.
2. На основе исследований замковых резьбовых соединений на многократное свинчивание на буровом стенде-скважине в условиях, максимально приближенных к производственным, установлены зависимости, отражающие изменение ресурса бурильных замков от условий эксплуатации, а также основных конструктивных и технологических факторов.
3. Определены показатели основных эксплуатационных характеристик замкового соединения бурильной колонны (статической прочности, сопротивления усталости и герметичности), учитывающие степень износа резьбы. Установлено, что ограничение работоспособности замкового соединения при изнашивании резьбы обусловлено потерей герметичности.
4. Разработан критерий отбраковки бурильных замков при изнашивании резьбы, на основе которого получены количественные показатели, характеризующие влияние основных конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов на наработку замкового соединения при многократном свинчивании. В частности установлено, что значительное влияние на ресурс замковых соединений оказывают: качество смазки (сопоставимый коэффициент ^=3.4), химико-термическая обработка -карбонитрация (^=4.5), удельное давление в сопряжении резьбы от веса и прогиба наращиваемых бурильных труб (^=5.6).
5. На основе аналитических и экспериментальных исследований натурных образцов установлена линейная зависимость герметичности замкового соединения от величины крутящего момента свинчивания, действующих осевой растягивающей нагрузки и изгибающего момента. Полученная зависимость позволяет решать прямую и обратную задачи по определению предельных нагрузок на бурильный замок из условия герметичности соединения.
6. Для заданной герметичности замкового соединения установлена зависимость, отражающая снижение эффективности крутящего момента свинчивания по мере изнашивания резьбы и предполагающая его корректировку в процессе эксплуатации в соответствии с изменением параметрического коэффициента резьбы (а).
7. Установлена аналитическая зависимость, характеризующая влияние удельного давления, действующего в сопряжении резьбы при свинчивании, на ресурс замкового соединения, которая позволяет прогнозировать наработку бурильных замков, исходя из конструктивных параметров резьбы.
8. В результате анализа и обобщения результатов экспериментальных исследований широкого диапазона типоразмеров (80 мм 241 мм) натурных образцов на знакопеременный изгиб установлена эмпирическая зависимость предела выносливости от податливости замковых деталей, которая легла в основу методики прочностного расчета и позволяет оптимизировать конструкцию замкового соединения по усталости.
9. Разработаны технические решения, направленные на повышение эксплуатационных характеристик замковых соединений и включающие:
- новые разгружающие элементы (ЗРК) замковых деталей, увеличивающие в 1,3. 1,5 раза сопротивление усталости соединения при знакопеременном изгибе по сравнению с зарубежными аналогами;
- рациональный режим химико-термической обработки (карбонитрации) резьбы, увеличивающий в 3^-4 раза ресурс замковых соединений при многократном свинчивании;
- оригинальную (химико-механическую) технологию и установку для нанесения медьсодержащего покрытия конической резьбы химико-механическим способом, предотвращающего задиры и заедание витков при свинчивании, а также исключающего необходимость приработки соединения после ремонта замковых деталей;
- оптимальный режим технологии упрочнения впадин резьбы методом поверхностно-пластического деформирования с помощью универсальной установки УОР-6, повышающий сопротивление усталости замковых соединений в 1,3. 1,4 раза;
- новую конструкцию индикатора накопления усталостных повреждений (ИНУП-3), позволяющего обнаружить начало зарождения и распространения усталостных трещин в опасном сечении ниппеля и свидетельствующего о предельно допустимом состоянии замкового соединения при знакопеременном изгибе;
- рациональные крутящие моменты свинчивания, обеспечивающие максимальную надежность замковых соединений для конкретных условий эксплуатации (крутящего момента, создаваемого ротором, качества применяемой смазки, осевой растягивающей нагрузки, изгибающего момента, внутритрубного давления рабочей жидкости и др.);
10. На основе современных методов проектирования с использованием программных средств разработаны высокогерметичные резьбовые соединения класса «Премиум» обсадных (серии СТТ-114,-120,-140; ВАРМ-140,-146; ВГСО-168) и насосно-компрессорных труб (ВАРМ-60,-73,-89,-114), позволяющие выполнить программу импортозамещения нарезных труб нефтегазового сортамента.
11. Разработанные конструкции резьбовых соединений труб нефтегазового сортамента, технологических установок по упрочнению и повышению эксплуатационных характеристик соединений, а также практические рекомендации по рациональной эксплуатации, контролю и обеспечению работоспособности КРС внедрены в ООО «Бургаз» компании «ГАЗПРОМ», ПО «Ухтанефтегазгеология», в ОАО «ВНИИТнефть», «Буровая техника»-ВНИИБТ, «ТАГМЕТ», «ВОЛЖСКИЙ трубный завод», «Челябинский трубопрокатный завод», внедряются на ОАО «ОРСКИЙ машиностроительный завод», используются в ОАО «Сургутнефтегаз», «Уренгойнефтегазгеология», «Славнефть-Красноярскнефтегаз», «Оренбургнефть», «Кубаньгазпром», «Нижневартовскнефтегаз» и др.
12 Внедрение указанных мероприятий позволило сократить аварийность (в ООО «Бургаз» в 1,5-2 раза за период 1999-2003г. с экономией связанных с этим материальных затрат в размере 11,8 млн.руб. в год) и повысить эффективность работ при бурении и строительстве скважин, а также снизить долевой объем использования импортной трубной продукции.
Объем выпуска безмуфтовых обсадных труб с высокогерметичным КРС типа СТТ за период с января 2002 г. по май 2004 г. составил 8198т, а обсадных труб типа В АРМ класса «Премиум» с декабря 2003 г. по май 2004 г. - 1245 т.
Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора технических наук, Семин, Владимир Иванович, Москва
1. Армягов Л.Н. Выбор и исследование основных параметров механизированного бурового ключа в зависимости от типоразмера применяемого инструмента. Ав-т дис. к.т.н. М., 1975.
2. Бабаян С.А. Исследование прочности цилиндрических и конических резьбовых соединений с учетом технологических факторов на примере изделий нефтепромыслового машиностроения. Ав-т дис. д.т.н. наук, Ереван, 1973.
3. Балабанов В.И, Семин В.И., Патент №2214478 (от 20.10.2003 г.). Способ повышения износостойкости резьбовых соединений, с. 2.
4. Барышников А.И. Повышение прочности и долговечности замковых резьбовых соединений бурильной колонны. Ав-т дис. д.т.н., М.1998, 35 с.
5. Барышников А.И., Семин В.И. Новая технология центрирования обсадных колонн в скважине./НТЖ. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. №10 , 2004 г., с.26-28.
6. Барышников А.И. Работоспособность резьбовых соединений бурильной колонны при циклическом нагружении. Ав-т к.т.н., М., 1984, 220 с.
7. Барышников А.И., Измайлова Н.Б Исследование напряженного состояния упорных торцев замковых резьбовых соединений. Сб. науч. тр., Контактное взаимодействие твердых тел, Калинин, КГУ, 1988.
8. Барышников А.И., Измайлова Н.Б. Использование метода конечных элементов при оценке напряженного состояния элементов бурильной колонны. Сб. статей, НПГП «ГЕРС», ВНИГИК, Тверь, 1994, с. 88-91.
9. Барышников А.И., Щербюк Н.Д., Газанчан Ю.И. Работоспособность замковых резьбовых соединений бурильной колонны. Часть 1: Статическое нагружение./НТЖ. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море, №7-8, 1995.
10. Барышников А.И., Щербюк Н.Д, Газанчан Ю.И. Работоспособность замковых резьбовых соединений бурильной колонны. Часть 2: Динамическое нагружение./НТЖ. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море, №9, 1995.
11. Бикчурин Т.Н. Потери промывочной жидкости через резьбовые соединения бурильных труб и замков. Новости нефтяной и газовой техники. 1962, №10, с.10-13.
12. Билык С.Ф. Герметичность и прочность конических резьбовых соединений труб нефтяного сортамента. М.; Недра, 1981, 352 с.
13. Билык С.Ф. Оптимизация конструкций и параметров процесса свинчивания резьбовых соединений нефтепромысловых труб. Ав-т дис. д.т.н., М., 1982, 49 с.
14. Биргер И.А., Иосилевич Г.Б. Резьбовые соединения. М.: Машиностроение, 1973,254 с.
15. Биргер И.А., Иосилевич Г.Б., Ардеев Ж.А. Влияние размеров и формы резьбы на выносливость резьбовых соединений. Вестник машиностроения, 1970, №3.
16. Биргер И.А, Шорр В.Д., Иосилевич Г.Б. Расчеты на прочность деталей машин. Справочник (3-е издание, перераб. и доп.). -М.: Машиностроение, 1979, 702 с.
17. Виноградов В.Н., Сорокин Г.М., Доценко В.А. Абразивное изнашивание бурильного инструмента. М.; Недра, 1980, 202 с.
18. Волков А.С. и др. Бурильные трубы и их соединения (Справочное пособие) М.Гостоптехиздат, 1962, 125 с.
19. Газанчан Ю.И. Исследование усталостной прочности крупных конических резьбовых соединений. Ав-т к.т.н., М., 1975, 163 с.
20. Гаркунов Д.И. Повышение износостойкости деталей машин. М.; Машгиз, 1960, 163 с.
21. Голубев Г.Р., Новиков JI.A. Трение, износ и защита бурильных труб в глубоких скважинах. М.; Недра, 1981, 158 с.
22. ГОСТ 632-80 Трубы обсадные и муфты к ним.
23. ГОСТ 633-80.Трубы насосно-компрессорные и муфты к ним.
24. ГОСТ 3333-80. Смазка графитная. Госстандарт СССР, М.,.
25. ГОСТ Р 50864-96 Резьба коническая замковая для элементов бурильных колонн. Профиль, размеры, технические требования. Госстандарт России, М., 1996 г.
26. ГОСТ 27834-88 Замки приварные для бурильных труб (технические условия). Госстандарт СССР, М., 1988, 22 с.
27. ГОСТ 28487-90 Резьба коническая замковая для элементов бурильной колонны. Госстандарт СССР, М., 1990, 11 с.
28. ГОСТ 5286-75 Замки для бурильных труб. Госстандарт СССР, М., 1975, 24 с.
29. ГОСТ Р 50278-92 Трубы бурильные с приварными замками. Технические условия.
30. ГОСТ 27834-95 Замки приварные для бурильных труб. Межгосударственный стандарт. Минск, 1996 г.
31. ГОСТ 8867-89 Калибры для замковой резьбы. Виды. Основные размеры и допуски. Госстандарт СССР, М., 1989, 15 с.
32. Давыдов Г. А. Исследования и разработка методов повышения износостойкости резьбы замков для геологоразведочных бурильных труб. -Ав-т дис. к.т.н., М., МГРИ, 1973.
33. Джустен М и др. Прогнозирование усталостных разрушений бурильных труб. Нефть, газ и нефтехимия за рубежом., 1985, №10, с. 10-15.
34. Дубленич Ю.В. Исследование влияния конструктивных и технологических факторов на эксплуатационные свойства конических резьбовых соединений турбобуров. Ав-т к.т.н., М., ВНИИБТ, 1973, 152 с.
35. Дубровский А.Ф. Вопросы расчета конических резьбовых соединений. М., "Трансжелдориздат" Труды МЭМИИТа, вып. 60, с.68-92.
36. Емельянов А.В. Новые конструкции резьбовых соединений обсадных труб для нефтегазового комплекса. Бурение и нефть. №11, 2004 г., с.28-31.
37. Емельянов А., Щербаков Б., Сидоренко П. Современные методы расчета процесса испытания и эксплуатации резьбовых соединений обсадных труб ЗАО «ТМК» СЖ Бурение нефть № 5 с 5-8.
38. Казанцев А.Г., Кахадзе М.Ж., Семин В.И., Газанчан Ю.И. Напряженно-деформированное состояние и циклическая прочность замковых резьбовых соединений бурильных труб./НТЖ. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и море. №6, 2003, с.28-32.
39. Казанцев А.Г., Семин В.И. Расчет напряженно-деформированного состояния и циклической прочности деталей, подвергнутых поверхностному пластическому деформированию. Тяжелое машиностроение, № 4, 2003 г. с.23-26.
40. Касимов И.Ф. Исследование резьбовых соединений бурильной колонны. Авт дис. к.т.н., Баку, Индустр. ин-т им. Азизбекова, 1959.
41. Киркач Н.Ф., Тодоров А.А. О распределении нагрузок по виткам резьбы в резьбовых соединениях больших диаметров. Энергомашиностроение, 1973, №6, с. 22-26.
42. Киссельман Л.И., Махунов Н.Г. Некоторые причины разрушения бурильных колонн в глубоких скважинах и пути их устранения. Нефтяное хоз-во, 1976, №2, с. 23-27.
43. Клайдинст В.О. Прочность резьбовых соединений стальных труб. Тр. Американского общ-ва инженеров-механиков «Конструирование и технология машиностроения», сер. В, 1965, №2, с. 25-27.46
- Семин, Владимир Иванович
- доктора технических наук
- Москва, 2005
- ВАК 25.00.15
- Разработка и исследование способов повышения герметичности резьбовых соединений обсадных труб в газовых скважинах
- Исследование и разработка методов прогнозирования износа элементов бурильных и обсадных колонн при строительстве скважин
- Научно-методические и технологические решения по строительству скважин в условиях депрессии с использованием колтюбинговых установок
- Исследование закономерностей процесса распространения силовых импульсов по колонне труб при бурении скважин
- Технология диагностики и ликвидации межколонных газопроявлений в скважинах Уренгойского месторождения