Втомні властивості бурильних труб при екстремальних режимах буріння свердловин

Показана доцільність введення в технологічний процес виготовлення деталей з деформаційно зміцнюючого матеріалу операцій пластичного деформування з метою підвищення їх втомної міцності.

Запропонована методика спрощеного розрахунку залишкового ресурсу бурильних труб з тріщинами при їх циклічному навантаженні з позиції  -моделі, яка може використовуватися в проектно-конструкторських організаціях і технологічних службах, що здійснюють експлуатацію бурильних труб.

Особистий внесок здобувача. Основні положення та результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. Зокрема: визначені пружні та втомні характеристики сталей бурильних труб при однократних перевантаженнях [6, 10]; розроблена методика досліджень кінетики поширення тріщин на циліндричних зразках [7, 2]; проведена оцінка впливу величини амплітуди циклічних навантажень, разових перевантажень і робочих середовищ на тріщиностійкість сталей бурильних труб [7, 4, 9]; визначена короткочасна та циклічна тріщиностійкість термообробленої сталі 40ХН після ППД розтягом і наводнювання [11, 12]; проведена оцінка зносостійкості елементів бурильних колон за КДВР [13]; визначена фізична границя втоми сталі 40ХН і встановлена її гранична температура відпуску [3]; проведена оцінка циклічної та статичної тріщиностійкості бурильних труб з позиції  -моделі [5, 8]; вивчена тріщиностійкість титанових сплавів [1, 2]. Прийнята особиста участь у всіх лабораторних дослідженнях і впровадженні.

Апробація результатів дисертації. Найбільш суттєві результати роботи доповідались на ІІІ-му міжнародному симпозіумі “Некласичні проблеми теорії тонкостінних елементів конструкцій та фізико-хімічної механіки композиційних матеріалів” (Івано-Франківськ, 1995) ; ХІІ і ХIV міжнародній міжвузівській школі-семінарі “Методи і засоби технологічної діагностики”, Івано-Франківськ, 1995, 1997 рр. ; міжнародній конференції університету в Бая-Маре (Румунія, 1998) ; науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу університету, Івано-Франківськ, 1996-1999 рр.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 13 статей і 4 тези науково-технічних конференцій.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п’яти розділів, висновків, списку літератури, який містить 167 найменувань і додатків. Основний текст викладено на 133 сторінках, в тому числі 9 таблиць, 40 рисунків та додатки на 3 сторінках.

 

 

Вступ. У вступі обгрунтована актуальність теми дисертації, показаний зв’язок роботи з науковими програмами, визначені мета та задачі досліджень і вказані наукова новизна та практичне значення отриманих результатів.

В першому розділі показано, що на колону бурильних труб діють найрізноманітніші навантаження, які визначають її складний напружений стан. Руйнування колони створює аварійні ситуації, для ліквідації яких часто витрачаються значні кошти і затрати часу. Тому вивченню стану аварійності бурильних колон, що обумовлений відмовами її елементів, присвячена велика кількість досліджень. Серед вітчизняних вчених найбільш відомі роботи Л. А. Баштаннікова, С. Ф. Білика, Ю. В. Дубленича, В. М. Івасіва, О. М. Карпаша, Б. В. Копея, Є. І. Крижанівського, М. В. Лисканича, В. І. Похмурського, М. О. Северинчика, Ю. С. Сичова, Б. О. Чернова та інших.

З точки зору руйнування елементів бурильної колони особливу небезпеку складають змінні напруження, які приводять до розвитку втомних процесів. Прогнозування ресурсу бурильних колон здійснюється, як правило, без врахування нерегулярності навантаження. В той же час експлуатаційний спектр згинаючих моментів, діючих на бурильну трубу в свердловині, може мінятися в широких межах. Крім того, короткотермінове збільшення статичного навантаження досягає іноді 40-50% і більше, що приводить не тільки до додаткового накопичення втомних пошкоджень в бурильних трубах, але й до втомного (в тому числі малоциклового) і крихкого руйнування.

В процесі буріння ротором, а також при спускопіднімальних операціях бурильні труби і замки взаємодіють із стінками свердловини, що приводить до зношування елементів бурильної колони, а часті операції згвинчування-розгвинчування викликають зношування різьби. Отже, проблема забезпечування зносостійкості елементів бурильної колони є також дуже актуальною.

Аналіз відмов елементів бурильної колони вказує на спільність процесів їх руйнування, незалежно від умов навантаження: руйнування матеріалів починається з зародження тріщин і його характер залежить від опору їх поширенню. Ці закономірності вивчає механіка руйнування. Основні положення цієї науки дістали широкий розвиток на Україні завдяки працям В. В. Панасюка, О. М. Романіва, О. Є. Андрейківа, С. Є. Ковчика, Г. М. Никифорчина та інших. Оскільки корозійно-втомні дослідження елементів бурильної колони показали, що вони значну частину ресурсу працюють з тріщинами, то методи та критерії механіки руйнування знаходять тут все ширше застосування. Однак такі дослідження знаходяться в зародковому стані.

Прогнозування залишкового ресурсу деталей машин найкраще здійснюється за допомогою КДВР. При побудові моделі зношування як процесу розвитку тріщин Я. М. Гладким запропонований обгрунтований перехід від кінематичних рівнянь втомного руйнування до рівнянь інтенсивності розвитку тріщин. На основі даної моделі ним запропонована методика оцінки зносостійкості інструментальних матеріалів за КДВР, яка дозволяє якісно порівнювати опір зношуванню матеріалів. Це питання дуже актуальне для матеріалів бурильних труб, оскільки їх працездатність визначається як втомною міцністю, так і зносостійкістю.

Оскільки бурильна колона при роботі в свердловині контактує з буровим розчином, який в більшості випадків є агресивним середовищем, останнім часом посилено вивчаються механізми корозійно-втомного руйнування її елементів. Однак ресурс труб з тріщинами в робочих середовищах практично не оцінювали. В той же час корозійні середовища можуть суттєво змінювати швидкість росту втомних тріщин і циклічну тріщиностійкість в цілому. Водень – це один з чинників, який найбільш різко пришвидшує ріст втомних тріщин. Однак механізми впливу водню на циклічну тріщиностійкість матеріалів