Прогнозування довговічності елементів бурильної колони із урахуванням критерію подібності втомного руйнування

Abstract

Дисертацію присвячено забезпеченню працездатності елементів бурильної колони шляхом оцінки їх напружено-деформованого стану і прогнозування довговічності із урахуванням критерію подібності втомного руйнування. Запропоновано новий підхід до оцінювання напружено-деформованого стану бурильної колони на криволінійних ділянках свердловини, який дає можливість визначити місце виникнення реакції стінки свердловини з елементами бурильної колони та розподіл напружень по їх довжині на криволінійних ділянках стовбура. Запропоновано спосіб перерозподілу нормальних напружень у замкових різьбових з’єднаннях елементів бурильної колони шляхом відхилення кроку різьби. Удосконалено пристрій для вимірювання зусиль у колоні бурильних труб, особливістю якого є використання тензометричного принципу роботи вузла перетворення деформацій та електронного блоку їх реєстрації. Удосконалено метод застосування критерію подібності втомного руйнування до різьбових з’єднань елементів бурильної колони на основі їх скінченно-елементного аналізу. Встановлено залежність між величиною коефіцієнту перевантажування Qol та швидкістю розвитку втомних тріщин для сталі 40ХН. Розроблено метод оцінки втомної довговічності елементів бурильної колони з урахуванням їх загального та локального напружено-деформованого стану.

Диссертация посвящена обеспечению работоспособности элементов бурильной колонны путем оценки их напряженно-деформированного состояния и прогнозирования долговечности с учетом критерия подобия усталостного разрушения. В ходе исследований проанализированы промышленные данные по аварийности бурильных колонн на предприятии БУ "Укрбургаз" за период с 2007 по 2010 год, которые подтвердили, что количество разрушений, обусловленных накоплением усталостных повреждений, все еще остается значительным. Основными причинами разрушений являются осложнения горно-геологических условий бурения скважин и необходимость совершенствования существующих методов и средств оценки напряженно-деформированного состояния и усталостной долговечности элементов бурильной колонны. По результатам аналитических расчетов предложен новый подход к оценке напряженно-деформированного состояния элементов бурильной колонны путем объединения методов "гибкой нити" и "деления отрезков пополам". Это позволило учесть влияние осевой составляющей веса бурильной колонны на положение точек ее контакта со стенкой скважины. Приведены результаты разработки усовершенствованной конструкции устройства для измерения усилий в колонне бурильных труб, что позволяет определить усилия, возникающие в процессе бурения скважин. Основным отличием усовершенствованного устройства является тензометрический принцип узла преобразования деформаций и наличие блока регистрации деформаций, выполненного в виде аналого-цифрового преобразователя, с электронным носителем информации. При незначительной стоимости этого устройства обеспечивается существенное увеличение количества полученных и сохраненных данных по нагруженности бурильной колонны. По результатам аналитических исследований с использованием выведенных И. А. Биргером и С. А. Бабаяном соотношений, предложен способ перераспределения нормальных напряжений по длине замковых соединений элементов бурильной колонны путем отклонения шага резьбы. С целью практической реализации отклонения шага резьбы элементов бурильной колонны предложено нанесение гальванического покрытия на ее поверхность, что позволило произвести корректировку шага резьбы в пределах нескольких микрон с целью получения равномерного распределения напряжений по ее длине и частичное восстановление изношенных витков. По результатам исследований лабораторных образцов, вырезанных из соответствующих натурных объектов, усовершенствован метод оценки параметров усталостной прочности соединений элементов бурильной колонны. Метод основан на критерии подобия усталостного разрушения (L - периметр опасного сечения в месте концентратора, м; - относительный максимальный градиент напряжений) натурного образца и его модели, предложенном С. В. Серенсеном и В. П. Когаевым. В отличие от ранее существующих, в данном методе используется конечно-элементный анализ, для определения относительного градиента напряжений во впадине резьбы, что позволяет избежать сложных аналитических расчетов. Также выполнена оценка влияния величины перегрузки на кинетику усталостного повреждения образцов из стали 40ХН. Полученные результаты позволяют учитывать влияние величины коэффициента перегрузки Qol на скорость распространения трещин в резьбовых соединениях элементов бурильной колонны, изготовленных из соответствующей стали. По результатам проведенных исследований разработан метод оценки усталостной долговечности элементов бурильной колонны, включающий макрооценку напряженно-деформированного состояния бурильной колонны, аналитическую или экспериментальную оценку напряженно-деформированного состояния в ее опасных сечениях, метод обеспечивает прогнозирование усталостной долговечности элементов колонны по уточненным максимальным напряжениям или по результатам испытаний соответствующих образцов-вырезок.

The dissertation research is oriented at prediction of the drill string elements life time with consideration of the fatigue failure similarity criterion based on the improved evaluation methods and techniques of the stress-strain state and fatigue strength. As a result of the research, the analytical evaluation method of stress-strain stress of the drill string elements on the well curves sections was improved; it makes it possible to determine the reaction spot of the wellbore wall with drill string elements and stress distribution along their length on the wellbore curved section. The method of normal stress redistribution in the pipe thread joints of the drill string elements was further developed using a thread pitch deviation. The device for stress measurement in the drill string was improved, its characteristic features is based on application of the strain-measuring operating principle of the strain transformation unit and electronic unit for their recording. The method of the fatigue failure similarity criterion application was improved; it used for the pipe thread joints of the drill string elements based on their finite elements analysis. The dependency of overloading ratio value Qol and the fatigue crack velocity for 40ХН steel grade was determined. The method was developed to evaluate the fatigue life of the drill string elements, considering their general and local stress-strain state.