Втомні властивості бурильних труб при екстремальних режимах буріння свердловин

Івано-Франківський державний технічний університет нафти і газу

 

Спеціальність 05. 05. 12 – Машини нафтової та газової промисловості

 

УДК 622. 24. 053

Петрина Дмитро Юрійович

 

Івано-Франківськ – 1999

 

Дисертація є рукопис.

Робота виконана в Івано-Франківському державному технічному університеті нафти і газу, Міністерство освіти України.

Науковий керівник: доктор технічих наук, професор Крижанівський Євстахій Іванович, Івано-Франківський державний технічний університет нафти і газу, ректор.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, доцент Копей Богдан Володимирович, Івано-Франківський державний технічний університет нафти і газу, професор кафедри нафтового обладнання; кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Студент Олександра Зеновіївна, Фізико-механічний інститут НАН України, старший науковий співробітник відділу корозійно-водневої деградації та захисту матеріалів.

Провідна установа: ВАТ “Український нафтогазовий інститут”, Міністерства енергетики України.

Захист відбудеться 30 березня 2000 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д20. 052. 04 в Івано-Франківському державному технічному університеті нафти і газу за адресою: 76019, Україна, м. Івано-Франківськ, вул. Карпатська, 15.

 

 

Актуальність теми. Вирішення важливої державної проблеми забезпечення паливно-енергетичного комплексу сировиною вимагає для цієї галузі розробки і впровадження високоефективного устаткування, а також розвитку наукових методів його оптимальної експлуатації. Ефективність експлуатації та будівництва свердловин залежить в значній мірі від якості трубного господарства.

Сучасна наука про міцність і руйнування матеріалів розробляє теоретичні основи процесів деформування та руйнування тіл в екстремальних умовах експлуатації, якими можуть бути, наприклад, свердловинні умови (разові та циклічні перевантаження, фізико-хімічна дія агресивних середовищ, високих тисків і підвищених температур), наявність в трубах гострих концентраторів напружень – різьб і тріщин, тощо. Тому створювати нове обладнання необхідно з врахуванням цих чинників.

Особливу небезпеку, з точки зору руйнування елементів бурильної колони, складають змінні напруження, які приводять до розвитку втомних процесів. Сумарна доля аварійних відказів бурильних колон в загальному балансі аварій при бурінні свердловин складає біля 70%. Це, в першу чергу, пов’язано з відсутністю належного контролю за дефектністю елементів бурильних колон і недостатніми знаннями закономірностей росту втомних тріщин в деталях свердловинного обладнання. Руйнування колони створює аварійні ситуації, для ліквідації яких часто витрачаються значні кошти та затрати часу.

Таким чином дисертаційна робота, спрямована на встановлення закономірностей впливу екстремальних режимів буріння свердловин на втомні властивості елементів бурильної колони, має не тільки наукову актуальність, але й важливе народногосподарське значення.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тематика роботи є частиною планових державних науково-дослідних програм з розвитку нафтопромислового комплексу України і базується на результатах держбюджетних науково-дослідних робіт “Наукові обгрунтування раціональних режимів роботи та вибір основних параметрів бурового обладнання”, номер державної реєстрації №0195U026337, які входять в координаційний план Міністерства освіти “Наукові основи розробки нових технологій видобутку нафти і газу, газопромислового обладнання, поглибленої переробки нафти і газу з метою одержання високоякісних моторних палив, мастильних матеріалів, допоміжних продуктів і нафтохімічної сировини”. Цей план входить в національну програму “Нафта і газ України до 2010 року”.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягає у встановленні закономірностей впливу таких екстремальних режимів буріння свердловин як разових і циклічних перевантажень, робочого середовища, наявності тріщин на втомні властивості елементів бурильної колони.

Для досягнення мети були поставлені такі задачі.

1.Встановити закономірності впливу пластичної деформації на пружні та втомні характеристики сталей бурильних труб при найпростіших режимах однократних перевантажень.

2.Оцінити вплив величини амплітуди циклічних навантажень, разових перевантажень і робочих середовищ на конструктивну міцність елементів бурильних колон з тріщинами.

3.Дослідити вплив попереднього пластичного деформування (ППД) розтягом і наводнювання на короткочасну та циклічну тріщиностійкість термообробленої сталі 40ХН.

4.Встановити кореляційний зв’язок між втомною міцністю та зносостійкістю матеріалів бурильних труб.

5.Провести оцінку працездатності бурильних труб з позиції  -моделі.

6.Вивчити вплив циклічного навантаження, робочого середовища та старіння на механічні властивості титанових сплавів з метою використання їх для виготовлення бурильних труб.

Наукова новизна. На основі експериментальних досліджень дістали подальший розвиток наукові методи визначення механічних характеристик попередньо пластично деформованих сталей бурильних труб.

Вперше встановлений вплив величини амплітуди циклічних навантажень, разових перевантажень і робочих середовищ на короткочасну та циклічну тріщиностійкість сталей елементів бурильної колони.

Дістала подальший розвиток модель порівняльної оцінки зносостійкості інструментальних матеріалів за кінетичними діаграмами втомного руйнування (КДВР) стосовно сталей елементів бурильної колони.

Вперше розроблений розрахунковий метод прогнозування залишкового ресурсу бурильних труб з тріщинами при їх циклічному навантаженні з позиції  -моделі, дана оцінка короткочасної тріщиностійкості за  -критерієм.

Сформульовані основні причини низької корозійно-втомної міцності титанових бурильних труб.

Практичне значення одержаних результатів. Запропоновано при оцінці конструктивної міцності елементів бурильної колони враховувати не тільки вихідний рівень в’язкості руйнування, але й здатність матеріалів до експлуатаційного окрихчення, пов’язаного з підростанням тріщини та впливом робочого середовища.

Для термічно зміцненої сталі 40ХН запропонована оптимальна температура відпуску, яка забезпечує поєднання найвищих показників втомної міцності та зносостійкості. Ця рекомендація впроваджена в технологічний процес виготовлення бурильних замків на Дрогобицькому долотному заводі.

Використана методика порівняльної