Втомні властивості бурильних труб при екстремальних режимах буріння свердловин

Проведений аналіз впливу матеріалів, їх структурного стану на втомні властивості бурильних труб. Для багатьох матеріалів в залежності від їх структури, характеристик деформаційного зміцнення та динаміки процесу втоми механічні характеристики можуть різко відхилятися в сторону як більш низьких, так і більш високих значень. Це пояснюється різними швидкостями навантаження і, головним чином, різним станом матеріалу біля фронту тріщини внаслідок появи при циклічному навантаженні залишкових напружень і розвитку втомного пошкодження. Для матеріалів бурильних труб такі дослідження не проводились. Не до кінця вияснені причини непридатності титанових сплавів для виготовлення бурильних труб.

В кінці розділу виконане обгрунтування вибору напрямків досліджень, на основі якого сформульовані задачі досліджень.

В другому розділі описані матеріали і методика досліджень. В роботі використовувались зразки, виготовлені з сталі групи міцності Д і 40ХН, які широко використовуються для виготовлення елементів бурильних колон. Підлягали випробуванням також зразки із сталей 20ХНЗА і 50ХН, що розширило діапазон сталей за вмістом вуглецю і дало можливість вивчити вплив останнього на характер руйнування деталей бурового обладнання. З метою вияснення причин непридатності використання титанових сплавів як конструкційного матеріалу бурильних труб були вибрані різні за міцністю сплави ВТ1-0 і ВТ8.

Короткочасні статичні випробування на розтяг проводили на машині УМ-5А з автоматичним записом діаграми навантаження в координатах “навантаження-переміщення активного захвату”, який здійснювався через тензометричний динамометр на самопишучому електронному потенціометрі. Швидкість деформації 0, 6 мм/с. Визначали механічні характеристики В, 0, 2 і . Завдяки наявності самопишучого електронного потенціометра була можливість здійснювати ППД зразків з наперед заданими параметрами. Дію довготривалого природного старіння імітували через нагрів зразків до 425К з витримкою протягом 2 год.

Оцінку в’язкості руйнування сталей проводили на балочних зразках з односторонньою тріщиною (чотирьохточковий розтяг) і на циліндричних зразках з кільцевою тріщиною (розтяг). Для нанесення тріщин на балочних зразках використовували спеціальну установку з приводом від відцентрового вібратора. Зовнішню кільцеву тріщину створювали в вершині кільцевого концентратора циліндричного зразка при круговому низькочастотному згині на модернізованій машині типу НУ-5 (частота навантаження 49 циклів за хвилину). На цій же машині проводили втомні випробування з метою вивчення кінетики поширення тріщин на циліндричних зразказ методом маркування. Випробування на втомну міцність здійснювали при чистому круговому згині на машинах ИМА-5 (частота 50 Гц).

Робочими середовищами служили 3% -ний розчин олеїнової кислоти в вазеліновому маслі та дистильована вода.

Для випробувань на циклічну тріщиностійкість сталей використовували призматичні зразки у вигляді балки з одностороннім бічним надрізом. Експерименти проводили на випробувальних установках із жорстким типом навантаження за допомогою кривошипно-шатунного механізму. Запис розмаху зусилля навантаження здійснювали на потенціометрі КСП-4. Зразки випробували при віднульовому циклі навантаження. Частота циклічного навантаження звичайно становила  = 10 Гц. Спостереження за ростом тріщини та вимірювання її довжини проводили за допомогою мікроскопів МПБ-2 з похибкою заміру не більше 0, 01мм. За експериментальними результатами будували КДВР.

При дослідженні циклічної тріщиностійкості враховували ефект закриття тріщини (ЗТ), який полягає в замиканні берегів тріщини позаду її вершини протягом певної частини позитивного циклу навантаження. Оцінку ЗТ здійснювали за допомогою відомої методики, розробленої Романівим О. М. і Никифорчиним Г. М., яка полягає в реєстрації зміни зусилля на зразку і переміщенні берегів тріщини приблизно на рівні її вершини в циклі навантаження.

Наводнюванню підлягали призматичні зразки з краєвим концентратором напружень і виведеною з нього втомною тріщиною. Використовували електролітичний спосіб наводнювання, шляхом його катодної поляризації. Джерелом струму служить випрямляч, зразок виступає катодом, а пластинова спіраль – анодом. Специфіка наводнювання залежала від виду механічних випробувань. У випадку досліджень короткочасної тріщиностійкості зразки із попередньо наведеною тріщиною на протязі трьох годин піддавали катодній поляризації у розчині NaOH з pH = 12, 7 при густині струму 0, 01 А/м2. Безпосередньо після закінчення наводнювання зразки навантажували розтягом. Враховуючи велику тривалість експериментів на циклічну тріщиностійкість і можливість десорбції водню за час випробувань на повітрі, зразки наводнювали в цьому випадку за три години до початку, а також впродовж циклічного навантаження. Для цього використовували відповідно сконструйовану електрохімічну камеру, яка охоплювала робочу частину зразка з тріщиною і давала можливість візуально слідкувати за зміною її довжини. Електроліт і густина струму катодної поляризації ті ж, що застосовано для оцінки впливу попереднього наводнювання на короткочасну тріщиностійкість.

Для оцінок якості структури зразки після термообробки підлягали систематичному контролю за твердістю та мікроструктурному аналізу. Електроннофрактографічний аналіз зламів зразків проводили на мікроскопі УЭМ-100 із застосуванням пластико-вугільних реплік.

Третій розділ присвячений вивченню впливу характеру навантаження та робочого середовища на втомні властивості матеріалів бурильних труб.

В зв’язку з різноманіттям даних про закономірності накопичення пошкоджень при різних режимах програмного навантаження, проведенню складних програмних випробувань повинні передувати попередні дослідження закономірностей накопичення пошкоджень в металах при найпростіших режимах однократних перевантажень, де в чистому виді можна дослідити вплив різних факторів на ці закономірності. Такі спрощення необхідні, як крок до розуміння більш складних явищ.

Дослідження проводили на зразках, виготовлених з сталі групи міцності Д. Пластична деформація сталі веде до значної зміни початкової (квазілінійної) ділянки діаграми при повторному розтягу. Модуль пружності суттєво зменшується, а коефіцієнт поперечної деформації збільшується. Вплив пластичної деформації проявляється незалежно від знаку напружень,