Современные методы проектирования резьбовых соединений труб нефтегазового сортамента для строительства скважин

Эффективность научно-технического прогресса зависит не только от наращивания выпуска новой техники, но и лучшего использования основных фондов, увеличения съема продукции с каждой единицы действующего оборудования. Решение проблемы сбережения материальных ресурсов и фондоотдачи промышленного оборудования тесно связано с наиболее полным использованием технических возможностей машин и оборудования, а также отдельных узлов и элементов конструкций.

При бурении и освоении нефтяных и газовых скважин важными элементами, в значительной степени определяющими надежность бурильных, обсадных и насосно-компрессорных (н/к) труб, являются резьбовые соединения. В нефтяной и газовой промышленности в основном используются специальные конические резьбовые соединения (КРС) с треугольным и трапецеидальным профилем витков или их модификации. Эксплуатационные характеристики КРС труб, забойных двигателей и бурового инструмента (долот, калибраторов, переводников и др.) в значительной степени влияют на технические показатели бурения и экономическую эффективность строительства скважин.

Ввиду жесткого ограничения габаритов скважины, КРС трубных колонн эксплуатируются в сложных условиях и воспринимают широкий спектр внешних нагрузок (вес колонны труб, избыточные наружное и внутреннее давления, изгиб и кручение колонны и др.), достигающих значительной величины. При этом к КРС предъявляются высокие технические требования в отношении статической и динамической прочности, герметичности, износостойкости и др.

С ростом глубины скважин, увеличением пластовых давлений, внедрением новых технологий и форсированных режимов бурения, требуются более совершенные конструкции КРС с высокими техническими показателями по надежности, долговечности и ресурсу. Решение данных вопросов невозможно без глубоких знаний о закономерностях изменения технических характеристик этих соединений, во многом зависящих от конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов.

В отечественной и зарубежной практике накоплен значительный материал по исследованию основных эксплуатационных характеристик КРС. Однако многие вопросы остаются недостаточно исследованными и научно обоснованными, а также не в полной мере систематизированными в свете выдвигаемых современных требований к КРС.

Исключительно актуальным для отечественной промышленности является низкий эксплуатационный ресурс замковых резьбовых соединений (ЗРС) колонны бурильных труб и другого бурового оборудования и инструмента. В результате из-за преждевременного износа резьбы и упорных поверхностей ежегодно выбраковываются сотни тысяч замковых деталей вместе с приваренными бурильными трубами, а также другого дорогостоящего бурильного инструмента с замковыми резьбами. Десятки тысяч тонн утяжеленных бурильных труб (УБТ), изготовленных из высококачественной легированной стали (марки 40ХН2МА, З8ХНЗМФА, 45ХГМА и др.) и имеющих в своей конструкции наиболее слабый элемент ЗРС — не в полной мере используют свой эксплуатационный ресурс.

Преобладание турбинного бурения в нашей стране обуславливает значительную долю отбраковки бурильных труб по износу и потере герметичности (промыву) замковой резьбы в общей массе списываемого парка труб и другого бурильного инструмента. Неравномерная отработка ЗРС в комплекте бурильных труб приводит к существенному различию в степени износа замковой резьбы. Для более полного использования ресурса — ЗРС требуется более совершенная методика контроля степени износа резьбы и научно обоснованные критерии отбраковки замковых деталей.

До проведения настоящих исследований не установлены сравнительные показатели изнашивания замковой резьбы при проведении СПО с бурильной колонной, а также количественно не определена степень воздействия основных технологических и конструктивных факторов, активно влияющих на эксплуатационный ресурс бурильных замков. Следует отметить, что в стандарте на бурильные замки [31] для всех типоразмеров бурильных замков, независимо от условий эксплуатации, применяемых материалов, оборудования и других технологических факторов, указан единый нормативный показатель ресурса при многократном свинчивании. Проведенные нами экспериментальные исследования показывали, что наработка ЗРС в значительной степени зависит от многих конструктивных (конусности* шага и др.) и технологических (качества смазки, массы бурильной сечи и др.) факторов. Данное обстоятельство дает основание считать, что необходима выработка надежных критериев отбраковки ЗРС и научно обоснованных нормативов наработки резьбы в зависимости от эксплуатационных условий и параметров резьбы, а также многих конструктивных и технологических факторов, включая собственно типоразмер ЗРС.

Решение данной проблемы тесно связано с нормой расхода металла на «метр проходки. Несмотря на многочисленные исследования, направленные на повышение качества эксплуатации бурильных колонн, расход труб на метр проходки в нашей стране остаётся все ещё очень высоким и существенно (в 2−3 раза) уступает уровню передовых зарубежных стран.

В нашей стране актуальной остается проблема герметичности КРС. Значительная часть ЗРС выводится из эксплуатации вследствие промыва соединений, особенно при достижении определенной степени износа резьбы или применении недостаточного крутящего момента свинчивания и совместном действии растягивающих и изгибающих нагрузок. В данной области проведен ряд • исследований [12,58.59], методика которых основана на измерении утечек бурового раствора в промысловых условиях, что не позволяет в достаточной мере раскрыть сущность процесса герметичности, которая тесно связана со степенью износа резьбы и величиной остаточных (после приложения крутящего момента свинчивания и внешних сил) контактных напряжений на упорных торцах. Последние в свою очередь существенно зависят от действующих нагрузок, а также многих конструктивных и технологических факторов, которые трудно поддаются точной регистрации в промысловых условиях.

Актуальной остается проблема сопротивления усталости ЗРС знакопеременным изгибающим нагрузкам. Несмотря на значительные успехи отечественной отраслевой пауки в данной области, в основном благодаря исследованиям, проведенным в ВНИИБТ, остаются нерешенные проблемы, касающиеся оптимизации конструкции ЗРС с точки зрения усталости и выбора наиболее рациональных моментов свинчивания, оптимальных режимов методов упрочнения замковой резьбы, включая поверхностно пластическое деформирование (ППД) впадин резьбы и др.

В связи с совершенствованием и внедрением новых технологий проводки скважин, а также ужесточением условий эксплуатации соединений (высокие давления рабочей жидкости и газа, присутствие агрессивных компонентов и коррозионная среда и др.) выдвигаются новые задачи по разработке и совершенствованию конструкций КРС, отвечающих современным требованиям. Данная проблема касается разработки новых конструкций высокогерметичных соединений обсадных и ц/к труб класса Премиум, высокопрочных и коррозионностойких труб с повышенным сопротивлением смятию и изгибу для выполнения программы импортозамещения трубной продукции. Исследование и разработка новых конструкций КРС неразрывно связана с решением сложных вопросов проектирования, изготовления, контроля конической резьбы и уплотнительных элементов, а также со спецификой технологии сборки подобных соединений.

Повышение технических характеристик КРС труб нефтяного сортамента предполагает сокращение аварийности при проводке и креплении скважин, а также безопасность их эксплуатации. Полномасштабные исследования работоспособности КРС нефтепромысловых труб позволяют оптимизировать отдельные параметры, которые наиболее полно удовлетворяют технологическим принципам изготовления и эксплуатации, а также решают важную проблему сокращения расхода металла на метр проходки.

Большую роль в сокращении непроизводительных затрат времени ' и материальных ресурсов, связанных с устранением осложнений при строительстве скважин из-за потери работоспособности КРС, играет обобщение знаний, накопленного научного материала и опыта предшествующих исследователей." Для этого требуется глубокий анализ и комплексный подход с системным изучением данной проблемы, с привлечением современных средств проектирования, включая наиболее перспективные прикладные программы и методы исследования. Современные исследовательские технологии дают лучшее представление и овладение физическими явлениями изучаемого объекта благодаря использованию всё более совершенных средств и методик исследований. В настоящей работе разработка и совершенствование КРС поводились с привлечением компьютерной техники и программных продуктов, с проведением необходимых инженерных расчетов и анализом локальных механических напряжений с помощью метода конечных элементов (МКЭ). Это позволило моделировать различные проекты и имитировать действующие эксплуатационные условия с получением результатов в кратчайшие сроки.

В предлагаемой работе представлены результаты исследования эксплуатационных характеристик КРС труб нефтяного сортамента jb сочетании с современными испытательными средствами и стендовым оборудованием, позволяющими проверять на натурных образцах работоспособность конструкции, проводить оценку предлагаемых технических решений, моделирование реальных технологических условий или получить подтверждение ожидаемым результатам. Исследования проведены в лаборатории резьбовых соединений ОАО «Буровая техника», имеющей необходимое стендовое оборудование для испытаний КРС на многократное свинчивание, статическую прочность, герметичность при сложном нагружении (растяжении и изгибе), на усталость при знакопеременном изгибе. Особую значимость проведенные исследования приобретают в связи с выполнением работ по тематике, определенной в 1985 году Миннефтепромом (заказ-наряд № 086.0497.87) и предусматривающей использование бурового стенда-скважины, укомплектованного буровой установкой типа «Уралмаш-4Э» с вышкой ВМ-53 и необходимым производственным оборудованием, включая автоматический буровой ключ АКБ-ЗМ, буровой насос У8−6М-2А и др.

Данная работа выполнена с учетом обширного экспериментального и • теоретического материала, накопленного многими учеными и научными сотрудниками лаборатории резьбовых соединений ОАО НПО «Буровая техника» -ВНИИБТ, среди которых необходимо выделить: Заслуженного деятеля науки и техники РФ, д.т.н., профессора Щербюка Н. Д., к.т.н. Якубовского Н. В., к.т.н. Газанчана Ю. И., Бутейкиса В. А., Жарова В. Н. и многих других исследователей, внесших значительный вклад в решение рассматриваемых проблем. При этом автором проанализирован обширный научный материал отечественных и зарубежных ученых, внесших значительный вклад в изучение и решение актуальной задачи — повышения работоспособности резьбовых соединений труб. нефтегазового сортамента и забойных двигателей. Среди отечественных ученых, следует также выделить: Саркисова Г. М., Еременко Т. Е., Сарояна А. Е., Мочернюка Д. Ю., Станишевского А. С., Билыка С. Ф., Ковалева М. К., Штамбурга.

В.Ф., Яковлева Ф. И., Лачиияна Л. А., Барышникова А. И., Ярошевского Ф. М., Шнейдерова М. Р., Дубленича Ю. В. и др.

Из зарубежных исследователей необходимо отметить: Хейвуда Р. Б., Клайдинста В. О., Гормли Е. Ф., Фарра А. П., Тришмана Л. Е., Альтмана Т., Висселя Х. Т., Хаука В. и др. Научные труды этих и других исследователей во многом способствовали развитию рассматриваемою направления в неф! миом машиностроении.

Исходя из поставленных задач, автором выносятся на защиту следующие положения и основные результаты:

1. Новый метод расчета статической прочности, герметичности и оценки сопротивления усталости замкового соединения с учетом степени износа резьбы, обеспечивающий наилучшие технические характеристики для конкретных условий эксплуатации и реального веса бурильной колонны (места расположения ЗРС, качества сборки и действующих внешних силовых факторов).

2. Новый метод оценки и прогнозирования ресурса замкового резьбового соединения, разработанный на базе аналитических исследований и стендовых испытаний натурных образцов на многократное свинчивание с воспроизведением реальных промысловых условий эксплуатации, учитывающий основные конструктивные, технологические и эксплуатационные факторы.

3. Метод расчета на прочность и оценки предельных состояний замковых резьбовых соединений при знакопеременном изгибе в реальных условиях эксплуатации, разработанный на основе анализа податливости опасных сечений замковых деталей и результатов стендовых испытаний натурных образцов в широком диапазоне типоразмеров (диаметром до 240 мм).

4. Закономерности изменения герметичности замкового соединения в зависимости от прикладываемого крутящего момента свинчивания, действующих внешних силовых факторов (осевого растяжения и изгиба) и степени износа резьбы.

5. Обоснование, разработку и выбор наиболее эффективных конструктивных и технологических способов повышения эксплуатационных характеристик резьбовых соединений труб нефтяного сортамента: новые конструкции разгружающих замковую резьбу элементов, рациональные режимы химико-термической обработки (карбонитрации) бурильных замков и муфт насосно-компрессорных труб, оптимальный режим и критерий технологии поверхностно-пластического упрочнения витков и антизадирного медьсодержащего покрытия и др.

6. Разработанные современные конструкции высокогерметичных резьбовых соединений класса «Премиум» обсадных и насосно-компрессорных труб: типа СТТ-114, -120, -140, -194, ВАРМ-60, -73, -89, -114- ВАРМ-146, а также высокогерметичных и высокопрочных соединений нового поколения ВГСО-168, предназначенных для особо сложных условий эксплуатации.

ВЫВОДЫ.

1. Предложено новое направление в силовом расчете замковых соединений бурильной колонны, повышающее их надежность и эксплуатационные характеристики за счет наиболее полного использования технических возможностей, выявленных в результате аналитических и экспериментальных исследований натурных образцов с различной степенью износа замковой резьбы на усталость, герметичность и статическую прочность.

2. На основе исследований замковых резьбовых соединений на многократное свинчивание на буровом стенде-скважине в условиях, максимально приближенных к производственным, установлены зависимости, отражающие изменение ресурса бурильных замков от условий эксплуатации, а также основных конструктивных и технологических факторов.

3. Определены показатели основных эксплуатационных характеристик замкового соединения бурильной колонны (статической прочности, сопротивления усталости и герметичности), учитывающие степень износа резьбы. Установлено, что ограничение работоспособности замкового соединения при изнашивании резьбы обусловлено потерей герметичности.

4. Разработан критерий отбраковки бурильных замков при изнашивании резьбы, на основе которого получены количественные показатели, характеризующие влияние основных конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов на наработку замкового соединения при многократном свинчивании. В частности установлено, что значительное влияние на ресурс замковых соединений оказывают: качество смазки (сопоставимый коэффициент ^=3.4), химико-термическая обработкакарбонитрация (^=4.5), удельное давление в сопряжении резьбы от веса и прогиба наращиваемых бурильных труб (^=5.6).

5. На основе аналитических и экспериментальных исследований натурных образцов установлена линейная зависимость герметичности замкового соединения от величины крутящего момента свинчивания, действующих осевой растягивающей нагрузки и изгибающего момента. Полученная зависимость позволяет решать прямую и обратную задачи по определению предельных нагрузок на бурильный замок из условия герметичности соединения.

6. Для заданной герметичности замкового соединения установлена зависимость, отражающая снижение эффективности крутящего момента свинчивания по мере изнашивания резьбы и предполагающая его корректировку в процессе эксплуатации в соответствии с изменением параметрического коэффициента резьбы (а).

7. Установлена аналитическая зависимость, характеризующая влияние удельного давления, действующего в сопряжении резьбы при свинчивании, на ресурс замкового соединения, которая позволяет прогнозировать наработку бурильных замков, исходя из конструктивных параметров резьбы.

8. В результате анализа и обобщения результатов экспериментальных исследований широкого диапазона типоразмеров (80 мм 241 мм) натурных образцов на знакопеременный изгиб установлена эмпирическая зависимость предела выносливости от податливости замковых деталей, которая легла в основу методики прочностного расчета и позволяет оптимизировать конструкцию замкового соединения по усталости.

9. Разработаны технические решения, направленные на повышение эксплуатационных характеристик замковых соединений и включающие:

— новые разгружающие элементы (ЗРК) замковых деталей, увеличивающие в 1,3. 1,5 раза сопротивление усталости соединения при знакопеременном изгибе по сравнению с зарубежными аналогами;

— рациональный режим химико-термической обработки (карбонитрации) резьбы, увеличивающий в 3^-4 раза ресурс замковых соединений при многократном свинчивании;

— оригинальную (химико-механическую) технологию и установку для нанесения медьсодержащего покрытия конической резьбы химико-механическим способом, предотвращающего задиры и заедание витков при свинчивании, а также исключающего необходимость приработки соединения после ремонта замковых деталей;

— оптимальный режим технологии упрочнения впадин резьбы методом поверхностно-пластического деформирования с помощью универсальной установки УОР-6, повышающий сопротивление усталости замковых соединений в 1,3. 1,4 раза;

— новую конструкцию индикатора накопления усталостных повреждений (ИНУП-3), позволяющего обнаружить начало зарождения и распространения усталостных трещин в опасном сечении ниппеля и свидетельствующего о предельно допустимом состоянии замкового соединения при знакопеременном изгибе;

— рациональные крутящие моменты свинчивания, обеспечивающие максимальную надежность замковых соединений для конкретных условий эксплуатации (крутящего момента, создаваемого ротором, качества применяемой смазки, осевой растягивающей нагрузки, изгибающего момента, внутритрубного давления рабочей жидкости и др.);

10. На основе современных методов проектирования с использованием программных средств разработаны высокогерметичные резьбовые соединения класса «Премиум» обсадных (серии СТТ-114,-120,-140- ВАРМ-140,-146- ВГСО-168) и насосно-компрессорных труб (ВАРМ-60,-73,-89,-114), позволяющие выполнить программу импортозамещения нарезных труб нефтегазового сортамента.

11. Разработанные конструкции резьбовых соединений труб нефтегазового сортамента, технологических установок по упрочнению и повышению эксплуатационных характеристик соединений, а также практические рекомендации по рациональной эксплуатации, контролю и обеспечению работоспособности КРС внедрены в ООО «Бургаз» компании «ГАЗПРОМ», ПО «Ухтанефтегазгеология», в ОАО «ВНИИТнефть», «Буровая техника"-ВНИИБТ, «ТАГМЕТ», «ВОЛЖСКИЙ трубный завод», «Челябинский трубопрокатный завод», внедряются на ОАО «ОРСКИЙ машиностроительный завод», используются в ОАО «Сургутнефтегаз», «Уренгойнефтегазгеология», «Славнефть-Красноярскнефтегаз», «Оренбургнефть», «Кубаньгазпром», «Нижневартовскнефтегаз» и др.

12 Внедрение указанных мероприятий позволило сократить аварийность (в ООО «Бургаз» в 1,5−2 раза за период 1999;2003г. с экономией связанных с этим материальных затрат в размере 11,8 млн руб. в год) и повысить эффективность работ при бурении и строительстве скважин, а также снизить долевой объем использования импортной трубной продукции.

Объем выпуска безмуфтовых обсадных труб с высокогерметичным КРС типа СТТ за период с января 2002 г. по май 2004 г. составил 8198 т, а обсадных труб типа В АРМ класса «Премиум» с декабря 2003 г. по май 2004 г. — 1245 т.