Удосконалення методів прогнозування ресурсу елементів бурильної колони

Abstract

Дисертацію присвячено вирішенню проблем забезпечення надійної експлуатації елементів бурильної колони шляхом удосконалення методів прогнозування їх ресурсу. Розроблено тривимірну модель різьбового з’єднання із повним відтворенням його конструктивних та технологічних параметрів, що дає змогу оцінювати напружено-деформований стан із використанням імітаційного моделювання. Удосконалено метод прогнозування ресурсу бурильних труб на основі С-критерію шляхом врахування локальних напружень, що виникають у різьбовому з’єднанні бурильної труби, визначених за результатами моделювання. Проведено експериментальні дослідження кінетики втомних тріщин матеріалу бурильних труб із урахуванням пікових навантажень. Проведено експериментальні дослідження довговічності натурних зразків різьбових з'єднань геологорозвідувальних бурильних труб. Удосконалено метод прогнозування довговічності бурильних труб із урахуванням експлуатаційних навантажень. Проведено експериментальні дослідження корозійно-електрохімічної поведінки трубної сталі в середовищі бурового розчину.

Диссертация посвящена решению проблеме обеспечения надежной эксплуатации элементов бурильной колонны путем усовершенствования методов прогнозирования их ресурса. Проведен анализ аварийности при бурении скважин БУ «Укрбургаз» за период с 2003 по 2008 годы, который подтверждает, что аварии, связанные с элементами бурильной колонны, являются доминирующими. Усовершенствован аналитический метод оценки нагрузки витков резьбы замкового резьбового соединения, путем учета его конусности. В результате получено дифференциальные уравнения для определения нагрузки по виткам резьбы для основных схем нагрузки замкового резьбового соединения бурильных труб. Разработано трехмерную модель резьбового соединения с полным воспроизведением его конструктивных и технологических параметров, что позволяет оценивать напряженно-деформированное состояние с использованием имитационного моделирования. На основе разработанной модели проведено моделирование и получены характер распределение осевых напряжений в замковом резьбовом соединении 3-42 геологоразведочных бурильных труб от приложенного момента свинчивания. Усовершенствован метод прогнозирования ресурса бурильных труб на основе С-критерия путем учета локальных напряжений, возникающих в резьбовом соединении бурильной трубы. По результатам расчетов усталостного ресурса резьбовых соединений бурильных труб СБТ-50 получены зависимости величины С -критерия от относительной наработки. Проведены экспериментальные исследования кинетики усталостных трещин материала бурильных труб с учетом пиковых нагрузок. Анализ результатов выявил, что существует три варианта поведения трещины после перегрузки, которые отличаются по скорости дальнейшего роста трещины: стабильное ускорение, кратковременное ускорение с последующим переходом на скорость, которая была до момента перегрузки, стабильное торможение. В большинстве испытаний произошло существенное ускорение роста трещины во всем диапазоне исследуемых глубин. Проведены экспериментальные исследования долговечности натурных образцов резьбовых соединений геологоразведочных бурильных труб. Установлено, что изменение программы блочной нагрузки образцов с такой, что имитирует типичные условия работы бурильной колонны на осложненные уменьшает относительную долговечность почти в 2 раза. Усовершенствован метод прогнозирования усталостного ресурса бурильных труб с учетом эксплуатационных нагрузок. На основе результатов усталостных исследований труб ТБН-73х9-К установлено наличие разрыва кривой усталости между малоцикловой и багатоцикловой областями. Определены параметры сопротивления усталости для кривой усталости без и с учетом разрыва. Обоснована целесообразность использования кривых усталости с разрывом между малоцикловой и багатоцикловой областями для прогнозирования долговечности бурильных труб в условиях комплексного воздействия высоких и низких напряжений. Проведены экспериментальные исследования коррозионно-электрохимического поведения трубной стали в среде бурового раствора и влияние поверхностной защитной пленки машинного масла на коррозионные процессы. Показано, что пленка машинного масла на поверхности образца из стали 36Г2С существенно влияет на коррозионный процесс, замедляя его. Разработаны средства для обеспечения надежной эксплуатации элементов бурильной колонны. Результаты проведенных исследований показали эффективность использования в компоновке бурильной колонны разработанной упругой муфты при прохождении локально искривленных или кавернозных участков ствола скважины. Теоретические и экспериментальные результаты исследований использованы при разработке руководящего документа: «Методика прогнозирования долговечности бурильной колонны и ее элементов в осложненных условиях бурения », внедренной в Стрыйском ОБР. Комплексный учет теоретических и экспериментальных исследований, основанных на закономерностях кинетики накопления усталостного повреждения элементов бурильной колонны, позволил усовершенствовать методы прогнозирования их долговечности и остаточного ресурса.

The thesis is devoted to solving problems of reliable operation of the drill string elements by improving methods of forecasting their resource. The three-dimensional model of the threaded joint with full reproduction of its design and process parameters, which allows evaluating the stress-strain state using simulation modeling has been developed. The method of predicting of the drill pipe resource on the basis of C-criterion by taking into account the local stresses arising in the threaded joint drill pipe, determined by the simulation results has been improved. Experimental researches of the kinetics of fatigue cracks of the drill pipe material have been conducted by taking into account peak loads. Experimental researches of the longevity of full-scale specimen of the threaded connections of the drill pipes have been conducted. The method of predicting the longevity of the drill pipes including operating load has been improved.