СЕМИН ВЛАДИМИР ИВАНОВИЧ 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 Semin VLADIMIR IVANOVICH SOVREMENNYYe METODY PROYEKTIROVANIYA rez\'bovykh SOYEDINENIY TRUB neftegazovogo sortamenta DLYA

Краткое содержание

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 ОГ1Г) 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 ДА., 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 А.С., 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 посвяшена 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.