Розвиток наукових основ забезпечення працездатності колон бурильних і насосно-компресорних труб на ділянках свердловин із геометричними недосконалостями

Abstract

Дисертація присвячена вирішенню важливої науково-технічної проблеми забезпечення працездатності колон бурильних і насосно-компресорних труб на ділянках похило-скерованих і горизонтальних свердловин із геометричними недосконалостями у вигляді локальних перегинів та каверн (жолобів) на стінках. В роботі набув подальшого розвитку метод оцінки впливу розмірів каверн (жолобів) на напружено-деформований стан бурильної колони враховуючи особливості її контакту зі стінками прямолінійних і криволінійних ділянок свердловин за дії як поперечних так і осьових зусиль. Вперше, запропоновано методи та лабораторне обладнання для встановлення напружено-деформованого стану колон бурильних і насосно-компресорних труб у свердловинах із довільною просторовою кривиною. Запропоновано конструкцію та виготовлено пристрій для промислового дослідження навантажень і напружень, яких зазнають колони бурильних труб під час експлуатації на викривлених ділянках свердловин. Для прогнозування довговічності елементів колон бурильних і насосно-компресорних труб набув подальшого розвитку С-критерій опору втомі шляхом використання локальних напружень перед фронтом тріщини та обгрунтовано застосування в кінетичному рівнянні кривої втоми еквівалентного напруження, що враховує як нормальну так і дотичну його складові. Для визначення параметрів втомної міцності елементів бурильних і насосно-компресорних труб за випадкового навантажування, розроблено та виготовлено силову головку, яка забезпечує перехід між рівнями блоку навантаження без зупинки випробувань.

Диссертация посвящена решению важной научно-технической проблемы обеспечения работоспособности колонн бурильных и насосно-компрессорных труб на участках наклонно-направленных и горизонтальных скважин с геометрическими несовершенствами в виде локальных перегибов их осей и каверн (желобов) на стенках. В частности, получили дальнейшее развитие математическая модель и методы для анализа напряженно-деформированного состояния бурильной колонны, состоящей из неограниченного количества участков с различными геометрически- весовыми характеристиками, в стволе скважины с каверной (желобом) и горизонтальном стволе значительной длины. В расчетах есть возможность учитывать действие как перерезывающих, так и осевых усилий, а также принимать во внимание необходимое количество реакций со стенкой скважины. Впервые, на основании механики стержней, разработана математическая модель, соответствующие методы и лабораторное оборудование для оценки напряженно-деформированного состояния колонн бурильных и насосно-компрессорных труб в пространственной постановке, что позволяют установить форму их упругой оси, криволинейные координаты, величину и направление реакций стенки скважины в местах локальных перегибов и искривления ее оси с произвольной интенсивностью изменения зенитного и азимутального углов. Важной особенностью предложенного подхода является использование результатов инклинометрии и профилеметрии скважины в качестве исходных данных для задания ее геометрических параметров использующихся в расчетах. Предложена конструкция и изготовлен образец устройства для промышленного исследования нагрузок и напряжений, которые испытывают колонны бурильных труб при эксплуатации на искривленных участках скважин. Дополнительно, разработана методика обработки показаний данного устройства с целью их интерпретации в значения изгибающего момента.

Dissertation is about solving of important scientific-technical problem of ensuring the operability of columns of drill and pumping pipes in the directed and horizontally well sections with geometrical imperfections in the form of local curvature (dog-legs) and defects of boreholes wall in the form of cavern. Method of evaluation of influence of dimensions of defects of borehole wall on stress-deformed state of drill string was gotten development. This method considers features of contact between drill string and borehole walls in rectilinear and curvilinear well sections under the tangential and axial loadings. Methods and laboratory equipment for determination of stress-deformed state of columns of drill and pumping pipes in wells with three dimensional curvature is proposed first time. Device for research loads and stresses in the drill pipes during their working in the curvilinear well sections is designed and made. C-criteria of fracture for prediction of drill and pumping pipes fatigue life was developed by the using of local stresses before front of fatigue crack. Also using of equivalent stress that considers normal and tangential stresses, in S-N curve with three parameters is substantiated. Special power mechanism that ensures change between levels of loading block without pause of test for determination of fatigue strength parameters for elements of drill and pumping pipes under the irregular loading was designed and produced.