ІНДИКАТОРИ КОНТРОЛЮ ТЕХНіЧНОГО СТАНУ ЕЛЕМЕНТіВ БУРИЛЬНОї КОЛОНИ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

-------------------□ □------------------------

У статті запропоновано оптимальну конструкцію індикаторів контролю замкових різьбових з’єднань, для яких встановлено характеристики опору втомі та залежності напружень в небезпечному перерізі індикатора від згинальних навантажень на різьбові з’єднання бурильної колони

Ключові слова: індикатор контролю, замкове різьбове з’єднання

□------------------------------------□

В статье предложена оптимальная конструкция индикаторов контроля замковых резьбовых соединений, для которых установлены характеристики сопротивления усталости и зависимости напряжений в опасном сечении индикатора от изгибающих нагрузок на резьбовые соединения бурильной колонны Ключевые слова: индикатор контроля, замковое резьбовое соединение

□------------------------------------□

The paper proposes an optimal design of indicators for monitoring locking threaded connections, which established the characteristics of fatigue resistance, and voltage dependence in a dangerous section of the display of the bending loads on the drill string threaded connections Keywords: control indicator, castle screw connections

-------------------□ □------------------------

УДК 622.24.053

ІНДИКАТОРИ КОНТРОЛЮ ТЕХНІЧНОГО СТАНУ ЕЛЕМЕНТІВ БУРИЛЬНОЇ

КОЛОНИ

А. П . Джус

Кандидат технічних наук, доцент Кафедра нафтогазового обладнання Національний технічний університет нафти і газу вул. Карпатська, 15, м. Івано-Франківськ, Україна,

76019

Контактний тел.: 098-959-45-05 E-mail: andriy_dzhus@i.ua О.М. Лисканич

Провідний інженер Науково-виробнича фірма «Еквідко» вул. Шашкевича, 4, офіс 5, м. Івано-Франківськ,

Україна, 76000 Контактний тел.: 095-319-25-59 E-mail: olyskanych@rambler.ru

1. Вступ

Ефективним резервом зменшення матеріальних витрат у процесі буріння свердловин є раціональна експлуатація бурильної колони, що забезпечує, з одного боку, безаварійну її роботу, а, з іншого, - найповніше використання закладеного в її конструкцію ресурсу.

Здійснення прогнозної оцінки довговічності бурильної колони безпосередньо пов’язане з визначенням кількісних характеристик експлуатаційного навантаження на різьбові з’єднання при бурінні свердловини.

2. Аналіз літературних даних та постановка задачі

Питанням вивчення умов роботи нарізних труб нафтового сортаменту, характеру і причин відмов елементів трубних колон, розробки їх нових конструкцій присвячено багато праць вітчизняних та зарубіжних вчених [1, 2, 3]. В результаті їх аналізу встановлено, що визначальним для забезпечення надійності бурильної колони є визначення величини і характеру розподілу навантажень, що діють на елементи бурильної колони у процесі спорудження свердловин і залежать від стану стовбура свердловини, інтенсивності його викривлення, властивостей пробурюваних порід, режиму буріння тощо.

У зв’язку із дією на бурильну колону широкого спектру циклічних навантажень, визначені розрахунковим методом показники довговічності її елементів є недостатньо точними. Одними з перспективних і

прийнятних у цьому випадку методів прогнозування довговічності є методи, які базуються на використанні таких засобів оцінки рівня навантажень, як індикатори [4, 5].

Використання індикаторів можливе у двох режимах. Першим варіантом є постійне супроводження і контроль за станом індикатора довговічності контрольованого об’єкта. Другим варіантом є зняття за допомогою індикатора даних про рівень навантаженості супроводжуваного елемента, за яким відтак розраховується залишковий ресурс останнього. Саме цей варіант є більш доцільним при контролі прогнозованої довговічності елементів бурильної колони.

Для отримання з допомогою індикаторів достовірної інформації про рівень навантаженості супроводжуваних ними елементів, потрібно провести дослідження, спрямовані на вивчення напруженого стану індикаторів за умов дії ряду експлуатаційних чинників. Також здійснити на достатньому теоретичному та експериментальному рівні обґрунтування удосконалених методів визначення втомних характеристик індикаторів і застосування їх у промислових умовах.

3. Опис вирішення задачі

В ході теоретичних досліджень проведено обгрунтування моделі напружено-деформованого стану індикаторів шляхом аналізу впливу конструктивних особливостей на їх напружений стан в згвинченому замковому різьбовому з’єднанні та оцінки закономір-

© А.

ностей контактної взаємодії пари індикатор - ніпель різьбового з’єднання.

Дослідження напруженого стану об’єктів із декількох елементів, що утворюють цілісну конструкцію після взаємної деформації деяких із них, є дуже складним завданням. Його розв’язання шляхом моделювання вимагає наявності значних потужностей використовуваної техніки та подальшої експериментальної перевірки отриманих результатів. Саме такою є конструкція різьбового з’єднання, що містить індикатор.

З метою спрощення цієї проблеми та забезпечення вірності результатів розв’язку попередньо проведено теоретичні дослідження існуючого аналога індикатора [4]. Для нього взаємодію із елементами різьбового з’єднання замінено сукупністю діючих навантажень та обмежень переміщень. Беручи до уваги конструкцію індикатора, попередньо здійснено дослідження впливу його конструктивних особливостей на напружений стан в перерізах концентратора напружень.

Результати досліджень засвідчили, що при проектуванні оптимальної конструкції індикатора необхідно врахувати, як вплив умов його контакту з внутрішньою поверхнею ніпеля різьбового з’єднання, так і особливості формування його напружено-дефор-мованого стану під дією зовнішніх навантажень.

Таким чином, за результатами теоретичних досліджень розроблена комп’ютерна модель індикатора, яка завдяки співвідношенню конструктивних розмірів забезпечуватиме напруження в небезпечному перерізі індикатора на рівні напружень небезпечного перерізу самого різьбового з’єднання.

З використанням програмного продукту ANSYS отримана картина розподілу еквівалентних та осьових напружень для існуючих конструкцій індикаторів. Враховуючи результати теоретичних досліджень та комп’ютерного моделювання розроблена оптимальна конструкція індикатора.

Під час перевірки поставлених до конструкції індикатора вимог, особливу увагу приділено визначенню оптимального розташування ділянки контакту індикатор - ніпель з метою досягнення в небезпечному перерізі індикатора напружень того ж рівня, що і в небезпечному перерізі різьбового з’єднання. Визначаль-

ним при формуванні напруженого стану індикатора, вмонтованого в замковому різьбовому з’єднанні, є навантаження, з яким різьбове з’єднання діє на нього внаслідок радіальної деформації внутрішньої поверхні ніпеля. Величина діючого навантаження залежить як від конструктивних, так і експлуатаційних чинників. Що стосується конструктивного чинника, то він визначається параметрами індикатора. Експлуатаційним чинником, що визначає рівень зовнішнього навантаження на індикатор, є момент згвинчування замкового з’єднання. Зважаючи на те, що діапазон оптимальних моментів згвинчування визначається з умов міцності замкових різьбових з’єднань, вплив зазору в парі індикатор - ніпель на напружений стан в перерізах, близьких до концентратора напружень, досліджено за оптимальних моментів згвинчування.

За результатами досліджень моделі запропонованої конструкцію індикатора для випадків виконання його з різними за величиною зовнішніми діаметрами контактуючої поверхні встановлено залежності напружень в околіі концентратора від величини зазору для замкових різьбових з’єднань різних типорозмірів. Приклад такої залежності наведений для замкового різьбового з’єднання З-121 при згвинчуванні його з моментом Мзгв=18 кНм (рис. 1).

Монтажний зазор в парі індикатор-ніпель, ми

Рис. 1. Залежність напружень в околі концентратора індикатора від зазору в парі індикатор — ніпель до згвинчування з’єднання

а) б)

Рис. 2. Дослідження залежності напруженого стану індикатора в замковому різьбовому з’єднанні З-121 від моменту згвинчування (а) та моменту згину (б): 1, 2, 3 — давачі осьових деформацій; 4, 5 — давачі колових деформацій

Результати експериментальних досліджень замкових різьбових з’єднань З-121 зафіксували сприйняття індикатором навантажень зумовлених як згвинчуванням (рис. 2а), так і наступним згинанням (рис. 2б) різьбового з’єднання. Цим самим підтвердили з точністю до 10% результати теоретичних досліджень та достовірність оцінки напружено-деформованого стану індикаторів замкових різьбових з’єднань на основі їх тривимірної моделі [6].

Таким чином на основі проведених досліджень розроблено індикатор, конструкція якого з достатньою точністю відтворює картину напруженого стану небезпечного перерізу замкового різьбового з’єднання за умов дії зовнішніх силових чинників.

З метою визначення параметрів опору втомному руйнуванню індикаторів при їх випробуванні в режимі напружень, що виникають під час експлуатації в свердловинах, розроблено конструкцію пристрою та підтверджена його працездатність.

Для дослідження втомних характеристик індикаторів розроблена спеціальна їх конструкція, проілюстрована прикладом індикатора для різьбового з’єднання З-121 обважнених бурильних труб діаметром 146 мм (рис. 3).

Рис. 3. Конструкція зразка індикатора різьбового з’єднання З-121 для випробування на опір втомі

Рис. 4. Загальний вигляд вузла навантажування

Випробування на опір втомі проводилися на верстаті 1К62 з допомогою розробленого вузла навантажування (рис. 4) при використанні спеціального пристрою цангового типу. Завдяки цьому випробування здійснювались за умови асиметричного на-

вантажування знакозмінним моментом згину на достатній в статистичному аспекті кількості зразків індикаторів.

За результатами випробування індикаторів, розроблених для різьбових з’єднань обважнених бурильних труб, виготовлених у відповідності до ГОСТ 5286-85, визначені їх характеристики опору втомі (табл. 1).

Таблиця 1

Характеристики опору втомі індикаторів

Типо- розмір інди- катора Зам- кова різьба Границя витри- валості °-1, МПа N0, млн. цикл К т А Кіль- кість зраз- ків

ІК-146 З-121 20,2 2,9 11,976 4,9313 97,596 9

ІК-178 З-147 18,6 4,0 10,434 5,1197 87,484 7

ІК-203 З-171 17,8 5,0 9,7 5,2935 82,78 7

На основі отриманих характеристик опору втомі індикаторів та залежностей напружень в небезпечному перерізі індикатора від згинальних навантажень на різьбові з’єднання, є можливим визначення еквівалентної навантаженості елементів низу бурильної колони в експлуатаційних умовах.

На основі методу „доламування” [7] запропоновано методику оцінки навантаженості різьбових з’єднань обважнених бурильних труб, що підвищує вірогідність визначення за допомогою індикаторів їх залишкової довговічності в конкретних умовах проводки свердловин.

Для включення індикатора до складу низу бурильної колони використовується перехідник з різьбовими частинами, що відповідають типорозміру відповідних обважнених бурильних труб (рис. 5).

Рис. 5. Перехідник з індикатором: 1 — індикатор;

2 — перехідник; 3 — монтажна втулка

Індикатор встановлюється в перехіднику до контакту виступа в торець ніпеля, і різьбове з’єднання згвинчується з оптимальним моментом. При цьому відбувається радіальна деформація ніпеля різьбової ділянки з’єднання, і при заданих зазорах забезпечується деформація ніпелем зовнішньої поверхні товстостінних елементів індикатора. Завдяки цьому кільцева виточка сприймає зовнішні навантаження, що діють на різьбове з’єднання.

Після встановлення індикатора в різьбове з’єднання обважнених бурильних труб забезпечується його відпрацювання в експлуатаційних умовах до необхідного числа циклів навантажування пп. Довговічність, розрахована методом „доламування” є достатньо точною у випадку попереднього напрацю-вання до 30% загальної довговічності. Оскільки нас цікавлять навантаження, які зумовлюють в індикаторі напруження, більші за його границю витривалості, то максимальне необхідне число циклів навантажування пп в експлуатаційних умовах становить для ІК-146 0,87 млн. циклів, ІК-178 - 1,2 млн. циклів, ІК-203 - 1,5 млн. циклів.

За наявності необхідної інформації оптимальні значення числа циклів напрацювання в експлуатаційних умовах визначаються за методикою визначення навантажень, які діють на елементи низу бурильної колони внаслідок її просторової деформації в пробуреному стовбурі і різноманітних коливань. Рівень визначених аналітичним шляхом навантажень може бути заниженим, тому встановлення періоду попереднього напрацювання індикатора на основі аналітично визначених навантажень призведе до збільшення пп, що є позитивним в даному вип а дк у.

величин параметрів пп, пк, ок та кривої втоми індикатора, можливим стає визначення еквівалентного експлуатаційного навантаження, що діє на індикатор в умовах свердловини за схемою поданою на рис. 6. Відклавши число циклів пк напрацьованих індикатором при навантаженні, що відповідає напруженню ок від лівої частини кривої втоми і провівши через цю точку пряму, паралельну даній частині кривої, отримаємо (при фіксуванні на ній числа циклів пп навантажування в експлуатаційних умовах) точку, яка визначає рівень еквівалентних напружень, що виникають в індикаторі в умовах свердловини.

Для аналітичного опису використано рівняння лівої частини кривої втоми, яка в напівлогарифміч-ній системі координат зображена прямою лінією. Згідно зі схемою, наведеною на рис. 6, для ділянки 2 - 3, яка є паралельною лівій частині кривої втоми, справедлива рівність:

+ К■ =°к + к■ ^(^-Пк) ,

(1)

де оп - еквівалентна амплітуда напружень в експлуатаційних умовах, МПа; Пп - еквівалентне число циклів навантажування в експлуатаційних умовах, млн. цикл; ок - амплітуда напружень при доламуванні в стендових умовах, МПа; N - число циклів до руйнування при амплітуді напружень ок , млн. цикл; пк - число циклів навантажування в стендових умовах до руйнування зразка за амплітуди напружень ок в процесі доламування, млн. цикл.

Еквівалентні напруження, що виникають в індикаторі в умовах свердловини, визначатимуться за формулою:

озг = о + К •

эгв г

,(КГ - Пг )

, МПа.

(2)

Для спрощення системи користування розробленою методикою вираз (2) записано з використанням характеристик опору втомі індикаторів

озг = о + К ■

10

, при Пк < N.

(3)

Рис. 6. Схема методу оцінки навантаженості індикаторів

Вийнявши індикатор із різьбового з’єднання при черговому підійманні бурового інструменту, його піддають випробуванню до зруйнування в стендових умовах за навантаження, що забезпечує виникнення в небезпечному перерізі напружень згину ок. Індикатор доводять до втомного руйнування із фіксацією числа циклів навантажування пк. За наявності

За залежністю напружень згину від згинального навантаження, отриманою на основі досліджень моделей індикаторів, визначається рівень еквівалентних згинальних навантажень, що діють на контрольовані замкові різьбові з’єднання обважнених бурильних труб в експлуатаційних умовах. Залежність має такий вигляд:

мЭКв = а <в, кНм,

(4)

де а - експериментально визначений коефіцієнт, який для замкового різьбового з’єднання З-121 становить а = 0,514, для З-147 а = 0,929, для З-171 а = 1,395 , о^в - еквівалентні напруження,

п

п

А-о

К

- П

п

п

її

що виникають в індикаторі в умовах свердловини, МПа.

Використовуючи отримані значення згинального навантаження М”в, середній ресурс Т роботи замкових різьбових з’єднань обважнених бурильних труб в конкретних умовах буріння свердловин визначається за формулою:

4. Висновки

Т = -

М" ■ N0

(мз

■ п ■ 60

, год,

(5)

де М-1 - значення границі витривалості різьбового з’єднання, що визначається амплітудою циклічного згинального моменту, кНм;

N,5 - абсциса точки перегину на кривій втоми замкових різьбових з’єднань обважнених бурильних труб, цикл.; п - середня частота обертання стола ротора, об/хв.;

т - показник нахилу кривої втоми замкових різьбових з’єднань обважнених бурильних труб.

У випадку експлуатації обважнених бурильних труб за умов дії навантажень менших їх границі витривалості ресурс роботи визначається за критерієм зношування.

На основі комп’ютерної тривимірної моделі індикаторів та аналітичного дослідження впливу на напруження в небезпечному перерізі індикатора його конструктивних параметрів та особливостей контакту пари індикатор - ніпель, розроблено оптимальну конструкцію індикаторів та встановлені співвідношення між напруженим станом в перерізах індикаторів і зовнішнім навантаженням, що діє на замкові різьбові з’єднання бурильної колони.

Обгрунтовано методику визначення параметрів втомного руйнування індикаторів під час їх випробування на втому без закріплення у відповідних замкових різьбових з’єднаннях при напруженнях, що виникають в експлуатаційних умовах, та отримати криві втоми індикаторів для обважнених бурильних труб діаметрами 146, 178, 203 мм.

Запропоновано методику експериментальної оцінки за допомогою індикатора навантаженості різьбових з’єднань обважнених бурильних труб, що зазнають дії статичних та динамічних навантажень, рівень та характер яких по довжині колони змінюється і залежить від багатьох чинників, яка підвищує оперативність контролю їх залишкової довговічності в конкретних умовах проводки свердловин.

Література

1. Мочернюк, Д.Ю. Исследование и расчет резьбовых соединений труб, применяемых в нефтедобывающей промышленности /

Д.Ю. Мочернюк. - М. : Недра, 1970. - 126 с.

2. Саркисов, Г.М. Расчеты бурильных и обсадных колонн / Г.М. Саркисов. - М. : Недра, 1971. - 208 с.

3. Сароян, А.Е. Бурильные колонны в глубоком бурении / А.Е. Сароян. - М. : Недра, 1979. - 231 с.

4. Школьник, Л.М. Методика усталостных испытаний / Л.М. Школьник. - М. : Металлургия, 1978. - 302 с.

5. Пат. 62007 Україна, МПК Е 21 В 17/042. Різьбові з’єднання бурильних труб / Лисканич М.В. та ін. ; патентовласник ВАТ «Ук-

рнафта» - № 200605396; заявл. 17.05.2001 ; опуб. 15.12.2003, Бюл. № 12. - 4с : ил.

6. Пат. 79493 Україна, МПК Е 21 В 17/042. Різьбове з’єднання бурильних труб / Джус А.П. ; патентовласник ІФНТУНГ - №

200605396 ; заявл. 24.03.2005; опуб. 25.06.2007, Бюл. №9. - 4с : ил.

7. Лисканич, М. Експериментальне обгрунтування достовірності результатів теоретичних досліджень напруженого стану індика-

торів втоми / Михайло Лисканич, Андрій Джус // Науковий вісник ІФНТУНГ. - 2010. -№2(24). - С. 101-106.

З