Повышение прочности и долговечности замковых резьбовых соединений бурильной колонны

• Автор: Барышников, Анатолий Иванович
• Шифр специальности: 01.02.06
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1998
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 382 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ

1 Введение
2 Условия эксплуатации и особенности ЗРС
2.1 Условия эксплуатации и работоспособность элементов бурильной колонны
2.2 Особенности и основные этапы совершенствования ЗРС
3 Обзор исследований работоспособности ЗРС
3.1 Влияние конструктивных факторов на сопротивление усталости
3.2 Влияние технологических факторов на сопротивление усталости
3.3 Характер усталостного разрушения элементов ЗРС
3.4 Статическое нагружение ЗРС
4 Техника и методика исследований
4.1 Теоретические исследования с использованием МКЭ
4.2 Моделирование условий нагружения ЗРС
4.3 Экспериментальные исследования
5 Анализ напряженного состояния элементов ЗРС
5.1 Напряженное состояние ЗРС при свинчивании
5.2 Напряженное состояние ЗРС при растяжении
5.3 Напряженное состояние ЗРС при изгибе и кручении
5.4 Параметрические зависимости напряженного состояния ЗРС
5.5 Несущая способность ЗРС при комбинированном нагружении
6 Влияние основных факторов на сопротивление усталости ЗРС
6.1 Диаметр резьбы ниппеля и муфты
6.2 Длина свинчивания
6.3 Конусность
6.4 Профиль резьбы
6.5 Зарезьбовые разгружающие канавки
6.6 Упорные торцы
6.7 Материал резьбового соединения
6.8 Крутящий момент свинчивания
6.9 Условия нагружения ЗРС
7 Герметичность ЗРС
8 Оценка и выбор оптимальных конструкций ЗРС
9 Контроль за работоспособностью ЗРС при эксплуатации
9.1 Развитие усталостных трещин и периодичность неразрушающего контроля
9.2 Технические средства неразрушающего контроля
9.3 Контроль качества сборки
9.4 Системы отработки и анализ усталостных разрушений
10 Промысловые испытания и внедрение результатов исследований
11 Основные выводы и рекомендации

Литература
Перечень условных обозначений и абревиатур
ПРИЛОЖЕНИЯ
П1 Основные типы и размеры ЗРК
П2 Характеристика моделей ЗРС, исследуемых МКЭ
ПЗ Результаты анализа моделей ЗРС с использованием МКЭ
П4 Основные прочностные соотношения ЗРС
П5 Эскизный проект программного обеспечения подсистемы ’’Колонна”
ПППТИМС
П6 Результаты внедрения основных рекомендаций
П7 Результаты внедрения и расчет экономического эффекта от использования изобретения ’’Коническое резьбовое соединение бурильных труб” (A.c. №1035183)

1. Введение
С увеличением объема бурения глубоких и сверхглубоких скважин, морского бурения с платформ и буровых судов, обеспечение работоспособности элементов бурильных колонн приобретает первостепенное значение. Стоимость бурильных колонн при таких глубинах сопоставима со стоимостью всей буровой установки. С началом использования современных сварных конструкций бурильных труб наиболее слабым элементом бурильной колонны становятся упорные резьбовые соединения, которые являются определяющими в конструкции таких узлов, как бурильные трубы, УБТ, переводники, центраторы, калибраторы и одними из основных узлов забойных двигателей и бурового инструмента. К упорным резьбовым соединениям бурильной колонны или замковым резьбовым соединениям (ЗРС) относятся резьбовые соединения (обычно имеющие большой шаг и конусность), в которых наружный и/или внутренний упорный контакт создает предварительное напряженное состояние соединения при свинчивании, обеспечивающее работоспособность бурильной колонны в скважине.
При средней глубине бурения скважин 2000 м количество ЗРС в одной бурильной колонне может быть более 250. Общее количество только действующих буровых установок глубокого бурения в отдельные годы достигает во всем мире 3000, а срок службы ЗРС в различных условиях эксплуатации колеблется от нескольких сотен часов (тяжелые условия эксплуатации) до нескольких лет. Статистические данные показывают, что 80% всех аварий с ЗРС связано с их усталостным разрушением или статическом разрушении при кручении. Так по данным исследователей, при бурении скважин в Персидском заливе разрушения ЗРС наблюдались в среднем через каждые 2000 метров проходки и стоимость ликвидации такой аварии составляла в среднем 100.000 $. При глубоком бурении в Agip (Италия) такие затраты составили 367.000 $, а после значительного сокращения периода между дефектоскопиями затраты, связанные с разрушением элементов бурильной колонны (в основном ЗРС), уменьшились до 83.000 $ и затраты на дефектоскопию составили 164.000 $.
Как показал анализ многолетнего опыта исследования ЗРС с момента его изобретения (1910 г.), существенное сокращение непроизводительных затрат времени, связанных с устранением осложнений в скважине из-за потери работоспособности ЗРС, возможно только при системном подходе к решению этой проблемы. А именно - проектирование оптимальных конструкций

ударная вязкость 883...981 кДж/м2, твердость НВ 286...302 (накатка резьбы производилась на установках ВНИИТМЕТМАШ). На рис. 3.6 представлены полученные зависимости предела выносливости от радиуса закругления впадины резьбы и угла профиля нарезанных и накатанных резьб. Из представленных данных видно, что увеличение радиуса закругления впадины резьбы с 0,4 до 0,9 мм повышает предел выносливости нарезанной резьбы на 60%, а с 0,6 до 0,9 мм -на 36%. Предел выносливости накатанной резьбы повышается как с увеличением радиуса закругления впадины, так и при изменении угла профиля резьбы. Наибольший предел выносливости 268 МПа получен при испытании накатанной резьбы с радиусом закругления впадины 0,9 мм и углом профиля 90°; меньший (на 10%) с углом профиля 60°. При этом увеличение радиуса закругления впадины накатанной резьбы повышает предел выносливости также, как и нарезанной, на 36%.
Рис. 3.6 Зависимость предела выносливости вала турбобура диаметром 80 мм от радиуса закругления впадины резьбы с углом профиля 30°, 60° и 90°
Были проведены также натурные усталостные испытания ЗРС на образцах соединений турбобуров (Dc=195 мм и dK=145 мм) с резьбой МК 177x6x1:6 и РКТ 177x5,08x1:16 и радиусом закругления впадин резьбы соответственно 0,85 и 0,50 мм [266]. Результаты этих испытаний при Мсв=24,5 кН-м, представленные на рис. 3.7, показывают, что с увеличением г на 70% предел выносливости соединения повысился на 17%. Разрушение резьбовых соединений происходило