Файл: Пустовойтенко И.П. Предупреждение и ликвидация аварий в бурении.pdf

Г Л А В А I I

АВАРИИ И ИХ ПРИЧИНЫ

§ 1. АВАРИИ С ВЕДУЩИМИ И БУРИЛЬНЫМИ ТРУБАМИ, ЗАМКАМИ, МУФТАМИ, УБТ И ПЕРЕВОДНИКАМИ

Наибольшее число аварий с элементами бурильной колонны происходит вследствие усталостных разрушений металла [64], воз­ никающих при частом изменении величины нагрузки и направления ее действия. Так как не все элементы бурильной колонны нагру­ жены одинаково, усталостное разрушение металла возникает в более напряженно работающих местах. Усталостные изломы под­ готавливаются скрыто и наступают без всякого видимого измене­ ния размеров и форм элементов бурильной колонны.

Внешне разрушение металла проявляется в возникновении тре­ щин ультрамикроскопических размеров. Трещина зарождается в некотором микроскопическом объеме, называемом очагом уста­ лостного разрушения, и разрастается по сечению изделия. Явление усталостного разрушения возникает в результате действия знако­ переменного изгиба, крутильных ударов и колебаний бурильной колонны. Знакопеременный изгиб является основным фактором, приводящим к образованию остаточных напряжений во время вра­ щения бурильной колонны. Крутильный удар характерен для ротор­ ного бурения, особенно при работе с долотами режуще-скалываю­ щего типа. Удар при вращении бурильной колонны появляется в момент остановки долота на забое, когда привод (ротор на по­ верхности) еще продолжает его вращать. В результате этого колонна скручивается и затем раскручивается. Чем больше вре­ мени долото остается без движения, тем сильнее крутильные удары. Эти удары наблюдаются при работе с лопастными долотами, при резком увеличении осевой нагрузки на долото, при переходе до­ лота из мягких пород в твердые и при заклинивании долота. Во всех случаях вращение долота прекращается. Длительность

13

заклинивается меньше, чем при разбуривании подобного интер­ вала лопастными долотами.

Колебания бурильной колонны, возникающие главным образом при бурении шарошечными долотами, зависят от степени однород­ ности и твердости разбуриваемых пород, пульсации бурового рас­ твора, соответствия типа и диаметра долот разбуриваемым породам, компоновки бурильной колонны и ряда других факторов. Перека­ тывание шарошек вызывает вертикальное перемещение центра тяжести долот, которое передается бурильной колонне. Чем тверже порода, тем колебания колонны интенсивнее. В мягких породах перекрывание шарошек сопровождается значительной деформа­ цией породы, поэтому периодических резковыраженных вертикаль­ ных перемещений долота не происходит. Если долота подобраны неправильно или параметры режима бурения не соответствуют механическим свойствам проходимых пород, продольные переме­ щения влияют на прочность бурильной колонны. С уменьшением числа зубьев на венцах шарошек их шаг увеличивается, вслед­ ствие чего вертикальные перемещения бурильной колонны возра­ стают.

При бурении в твердых породах долотами, предназначенными для разбуривания пород средней твердости, вибрация долот зна­

колебания бурильной колонны. Колебания происходят и вслед­ ствие неравномерной подачи бурового раствора при работе порш­ невых насосов. В результате пульсации давления на выкиде насоса бурильная колонна получает дополнительные вынужденные про­

напряжения в нижней части бурильной колонны и переменные растягивающие напряжения в верхней растянутой части. Это су­ щественно отражается на прочности труб.

Кроме указанных основных нагрузок, на развитие усталостных разрушений м-еталла труб влияют технологические и конструктив­ ные факторы. Возникновение усталостных разрушений ускоряется, если структура металла неоднородна и на наружной поверхности детали имеются резкие переходы в сечении, острые надрезы, не­ глубокие царапины, расслоения, незаметные на глаз инородные тела, включения и т. д.

При изучении прочности бурильных труб Т. Н. Корнев [29] пред­ ложил ввести в расчеты дополнительную характеристику — предел выносливости, т. е. то напряжение, при котором материал, не раз­

14

При неправильном подборе параметров режима бурения и кон­ структивных недостатках элементов бурильной колонны, а также при неблагоприятных геологических и технологических особен­ ностях бурения возникает много причин, вызывающих усталостные разрушения металла. Задача производственников и конструкто­

разрушений металла является нарушение определенного порядка расположения атомов в металле. При повторно-переменных на­ грузках будет все больше нарушаться нормальное положение ато­ мов, а следовательно, нарушится и структура металла. Значитель­ ные цикличные напряжения в дальнейшем приводят к еще боль­ шему нарушению связей между атомами, к образованию разрывов, изменению однородности металла, разрыхлению атомной решетки и неисправимым повреждениям, которые в конечном итоге вызы­ вают образование микроскопических, а затем и видимых трещин, окончательно разрушающих металл.

Металлурги работают над созданием сплавов для бурильных труб, отличающихся улучшенной структурой. Конструкторы создают трубы без резких переходов в сечениях. Однако трубы еще не соответствуют тем требованиям, которые предъявляются к ним в связи с резким увеличением глубин бурения. Большой процент аварийности с элементами бурильных колонн требует напряженной работы как металлургов и конструкторов, так и бурильщиков.

Несовершенство конструкций труб и резьбовых соединений, скрытые дефекты, образующиеся при изготовлении труб, отсут­ ствие на буровых предприятиях приборов, повседневно контроли­ рующих состояние элементов бурильных колонн, — все это может быть причиной аварии с бурильной колонной. Однако основными причинами аварии с элементами бурильных колонн являются на­ рушения технологии проходки скважин и правил эксплуатации бурильных колонн и их составных частей.

Слом труб по утолщенному концу

Вокруг замков и муфт, при помощи которых соединяются бу­ рильные трубы, создаются зоны концентраций напряжений. Соеди­ нение замок—труба является более жестким, чем соединение труба—муфта. Это соединение работает подобно стержню, жестко зажатому в одном месте. Если, например, требуется сломать про­ волоку, то один ее конец жестко зажимают, а другой резко пере­ гибают. Излом, как правило, приходится на участок начала резких перегибов. Так приблизительно происходит и с трубой.

При знакопеременных нагрузках, действующих на бурильную колонну, наибольшие напряжения концентрируются около первого витка резьбы на трубе, находящегося в полном сопряжении с резь­ бой бурильного замка. Сломы по утолщенному концу трубы

15

происходят и в других сечениях, расположенных на различных участках резьбы, или одновременно в нескольких сечениях. Однако наибольшее число аварий приходится на первый виток полного сопряжения резьбы. Эта часть резьбы является наиболее опасным местом. Нижний участок бурильной колонны испытывает наиболь­ шую нагрузку, следовательно, подвергается более высоким напря­ жениям.

Резьба в свою очередь способствует образованию трещин в теле трубы, особенно при малых радиусах закругления. Чем меньше радиус закругления, тем больше возможность образования трещин при прочих равных условиях. Там, где резьба имеет острые углы,

вметалле образуются ультрамикроскопические трещины. Поэтому

втрубных резьбах наблюдается больше изломов, чем в замковых резьбах. Увеличение толщины стенки трубы путем высадки не пре­

и местом возникновения интенсивных разрушений, где начавшееся

Крупная резьба, соединяющая замковый ниппель и замковую муфту, не образует резких переходов. При соединении трубы с замком трубной резьбой упор отсутствует, поэтому на участке перехода резьбы от полного сопряжения к неполному концентри­ руются опасные напряжения. В этом месте действует изгибающий момент. Таким образом, сочетание переменных нагрузок и концент­ рации напряжений способствует распространению усталостных

трубе остается от 3 до 5 ниток резьбы. При изучении сломов по торцу труб наблюдаются две зоны разрушения (рис. 2). Первая зона 1 является зоной предварительного разрушения и соответ­

по нескольким виткам и в наиболее ослабленном из них про­ исходит слом. У таких труб явно видны следы размыва и кор­ розии.

Во всех элементах бурильной колонны возникают усталостные напряжения, величина которых зависит от условий работы колонны на отдельных ее участках и соблюдения буровой бригадой правил эксплуатации бурильных колонн.

Ниже описаны характерные нарушения технологии эксплуата­ ции бурильных колонн и конструктивные недостатки их, способ­ ствующие распространению начавшегося трещинообразования, а следовательно, и ускоряющие слом элементов колонн.

16