Втомні властивості бурильних труб при екстремальних режимах буріння свердловин

Динаміка зміни коефіцієнту поперечної деформації наклепаного матеріалу мала характер протилежний зміні модуля пружності. Він спочатку зростає (до р  3%), а потім залишається на практично постійному рівні. Величина максимальної зміни залежить, як і в попередньому випадку, від знаку пластичної деформації. Так, наклеп розтягом збільшує даний коефіцієнт при розтягу р на  10%, а при стиску с на  15%.

Встановлена нестабільність зміни пружних властивостей сталі після наклепу. Через певний проміжок часу вихідні властивості матеріалу поновлюються.

Враховуючи той факт, що більшість поломок деталей бурильних колон має характер корозійно-втомного руйнування, останньому приділяється значна увага в сучасних наукових дослідженнях. Однак в них практично випущене питання вивчення впливу різного роду екстремальних навантажень при бурінні на втомні властивості бурильних труб. Тому зразкам надавались різні величини ППД (до 25%). При деформуванні до 22% границя втоми сталі групи міцності Д зростає. Найбільший ефект спостерігається при  = 5…10%. Однак він не перевищував 20% від вихідного значення -1.

Ефект пластичної деформації, в основному рівномірної, який викликає підвищення втомної міцності, зростає із збільшенням здатності матеріалу до деформаційного зміцнення при статичному розтягу. Встановлені залежності дають можливість запропонувати ввести в технологічний процес виготовлення деталей операцій пластичного деформування з метою підвищення їх довговічності.

Прогнозування ресурсу бурильних труб, ніпелів, муфт здійснюється без врахування нерегулярності навантажень. В той же час експлуатаційний спектр згинаючих моментів, діючих на бурильну трубу в свердловині, може мінятися в широких межах. До числа експлуатаційних факторів, які сприяють розвитку різних зовнішніх дефектів, полегшують розвиток тріщин відносяться також рідкі робочі середовища. Такі дослідження проведені на сталі 40ХН.

Як видно з рис. 1 для зразків, тренованих в повітрі, при малих амплітудах в’язкість руйнування спочатку зростає, а при великих – падає. Якщо тріщина наведена при малих амплітудах, то наступне старіння приводить рівень К1с до “ювенільних” значень. Очевидно, що підвищенню опору поширення тріщини сприяє наклеп матеріалу в вершині тріщини. Наступне старіння знімає залишкове напруження в матеріалі в вершині тріщини і повертає рівень в’язкості руйнування до вихідних значень. Тренування зразків при підвищених рівнях амплітуди приводить до зниження значень К1с, що пов’язано з пошкодженням матеріалу в вершині тріщини. Це підтверджується наступним старінням, яке не повертає параметри тріщиностійкості матеріалів в вихідне положення. В той же час зразки, треновані в розчині олеїнової кислоти з наступним старінням, показали стабільний рівень в’язкості руйнування при всіх амплітудах навантажень. Подібний вплив на характер наклепу при циклічних навантаженнях проявила також дистильована вода.

Приведені вище дані свідчать про повне усунення впливу циклічного наклепу і старіння на величину К1с в випадку, коли тріщину створюють в присутності середовища. Це означає, що внаслідок зменшення під впливом середовища ефективної поверхневої енергії різко знижується пластична деформація матеріалу попереду фронту тріщини.

При наведенні тріщини в розчині олеїнової кислоти час утворення її більший, ніж в повітрі, а тривалість навантаження, необхідного для поширення тріщини на критичну глибину, дещо зменшується. Ріст часу зародження тріщини в розчині олеїнової кислоти пояснюється тим, що хімічно неактивна рідина охороняє матал від зовнішнього корозійно діючого середовища, а адсорбційний ефект масла проявляється в пластифікуючому впливі на матеріал в зоні конструктивного концентратора на стадії зародження тріщини. Що стосується періоду поширення тріщини при циклічному навантаженні, то тут в зв’язку з більш жорсткими умовами навантаження проявляється окрихчуюча дія середовища, яка полегшує ріст магістральної втомної тріщини.

Більш радикальною є дія води. В цьому випадку значно скорочується як період утворення тріщини, так і період її поширення. Ці висновки підтверджені результатами електроннофрактографічних досліджень.

Довговічність елементів бурильних колон залежить не тільки від втомної міцності матеріалів, але й від їх зносостійкості. В цьому випадку дуже актуальним є питання раціонального вибору температури відпуску сталі: надто високе її значення приводить до зниження твердості і, як наслідок, зносостійкості, а надто низьке – до зниження в’язкості та втомної міцності. Для сталі 40ХН, з якої на Дрогобицькому долотному заводі виготовляють бурильні замки, встановлено, що найбільш оптимальне поєднання показників втомної міцності та зносостійкості замків буде забезпечуватись при їх температурі відпуску 650-670К. На заводі цей термічний процес здійснюють при  760К. Отже, зниження температури відпуску замків на  100К призведе не тільки до покращення їх механічних властивостей і зносостійкості, але й до здешевлення термічної операції.

Дані рекомендації впроваджені в технологічний процес виготовлення замків.

В четвертому розділі приведені результати оцінки працездатності бурильних труб за КДВР. Спочатку вивчили вплив ППД розтягом на короткочасну та циклічну тріщиностійкість термообробленої сталі 40ХН (температура відпуску 763К).

Аналіз кривих навантаження зразків розтягом свідчить, що критичний КІН Кс не відповідає вимогам щодо реалізації плоскодеформованого стану і його не можна вважати характеристикою матеріалу. Що ж стосується конкретних значень Кс, то можна визначити незначне зниження короткочасної тріщиностійкості зразків, які попередньо пластично деформували розтягом до  = 2%. Так значення Кс для зразків у вихідному стані становило 114 МПа•м1/2, а на попередньо