Файл: Мамедов, А. А. Нарушения обсадных колонн при освоении и эксплуатации скважин и способы их предотвращения.pdf

точные напряжения снимаются. У аварийных труб групп проч­

катными заводами труб, где стали групп прочности Д и К, если трубы не подвергаются термообработке [3].

Относительное сужение материала обсадных труб не нор­ мируется ГОСТ 632—64. В то же время в ГОСТ 631—63 для труб групп прочности Д, К и Е указано минимально допусти­ мое значение величины относительного сужения, равное 40%.

зующие пластичность обсадных труб не входят в формулы, ис­ пользуемые для расчета допустимых нагрузок, и выбор нижней границы пластичности материала не связывают непосредственно с прочностью труб. Поэтому норму, установленную для относи­ тельного сужения материала бурильных труб, можно условно распространить и на обсадные трубы.

Если обратиться к значениям относительного сужения мате­ риала аварийных обсадных труб, можно увидеть, что нет ни одной аварийной трубы, величина относительного сужения ма­ териала которой была бы меньше 40%. Как правило, величины относительного сужения значительно превосходят эту норму, доходя до 67%, а средняя величина относительного сужения аварийных труб составляет 49,2%.

Из приведенного выше анализа можно сделать вывод, что аварийные обсадные трубы, разрушившиеся под действием внутреннего давления, обладают достаточно высокими механи­ ческими свойствами и удовлетворяют требованиям ГОСТ 632-64. По механическим свойствам они не отличаются от се­ рийных труб, выпускаемых трубопрокатной промышленностью. Все общепринятые дополнительные характеристики материала аварийных труб также аналогичны соответствующим характе­

В работах [5, 83, 90] на основе промысловых данных указано, что аварийные обсадные трубы не претерпевают пластической деформации перед разрушением или в процессе разрушения, и сделан вывод о хрупком характере разрушения труб.

Регламентируемые ГОСТ 632—64 механические свойства материала обсадных труб не определяют их склонность к хруп­ кому разрушению. Отсутствие непосредственной связи между механическими свойствами материала и предельной нагрузкой при хрупком разрушении указывает на несоответствие разрушаю­ щих давлений прочности аварийных труб.

152

В заключение следует отметить, что механизм разрушения труб от внутреннего давления в настоящее время изучен недо­ статочно, не найдены параметры, характеризующие склонность труб к разрушению.

МЕХАНИЗМ ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ ОБСАДНЫХ ТРУБ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВНУТРЕННЕГО ДАВЛЕНИЯ

Условиями, способствующими хрупкому разрушению метал­ лических изделий, являются низкие температуры в процессе их эксплуатации, высокие скорости нагружения, а также наличие концентраций напряжений типа трещин. Так как обсадные трубы эксплуатируются при относительно высокой температуре и медленно меняющемся давлении, причиной их хрупкого раз­ рушения могут быть только концентрации напряжений, т. е. тре­ щины.

Г. И. Баренблатт считает, что на практике в большинстве случаев хрупкие разрушения происходят за счет развития, хотя

ималых, но макроскопических дефектов [10].

Впроцессе эксплуатации эти начальные трещины появляются

под действием циклически изменяющихся нагрузок, при пере­ грузке макроскопических участков материала, длительном на­ гружении и т. д.

При эксплуатации обсадных труб отсутствуют указанные при­ чины появления начальных трещин. Учитывая высокую пла­ стичность материала обсадных труб, выпускаемых в настоящее время, и хрупкость их аварийных разрушений, можно утверж­ дать, что начальные трещины у них всегда возникают в про­

технологии металлургического производства в трубах появля­ ются несплошности в виде плен, закатов, волосовин и т. д.

Так как начало хрупкой трещине дает макроскопический дефект, имевшийся в трубе до нагружения, то из двух мате­ риалов с одинаковой величиной предела текучести лучшим для производства обсадных труб определенной группы прочно­ сти должен быть признан тот, который обладает большей со­ противляемостью распространению трещины.

Способность материала сопротивляться распространению трещины характеризуется так называемой плотностью эффек­ тивной поверхностной энергии, т. е. работой, которую необ­ ходимо затратить на создание трещины с единичной пло­ щадью поверхности излома.

Для определения плотности эффективной поверхностной энергии материала используют формулы, полученные с помо­ щью теории Гриффитса, связывающей разрушение реальных тел с имеющимися в них дефектами. Теория Гриффитса исхо­

153

дит из энергетических представлений. Ее основа — закон о ми­ нимальности потенциальной энергии системы, находящейся в равновесии.

Связь между критическими значениями напряжений, раз­

Для равномерно растягиваемой тонкой пластины с трещи­ ной, расположенной перпендикулярно направлению действия силы, решение уравнения (271) привело к формуле

Величины а, р и /, удовлетворяющие этому уравнению, яв­ ляются критическими.

Другим методом для определения зависимости между кри­ тическими значениями напряжений, размеров трещины и плот­ ности эффективной поверхностной энергии является силовой: метод, основанный на современных физических представлениях о разрушении. Этот метод развит профессором Г. И. Баренблаттом [9].

При симметричном относительно оси трещины нагружении

где г — расстояние от вершины трещины в направлении ее рас­ пространения; к = ]/ пЕр для плоского напряженного состоя­ ния или к= у для плоской деформации; а* (г, 6) — напря­

жения, перпендикулярные направлению распространения тре­ щины.

Силовой и энергетический методы не противоречат друг другу. В случае, если для решения определенной задачи при­ годны оба метода, результаты оказываются совпадающими.

Силовой метод позволил решить значительное количество сложных задач. Так, например, для диска с трещиной, сжи­ маемого точечными силами по оси трещины, получена следую­ щая формула [42]:

154

где Р — разрушающая сила; h — толщина диска; R — радиус

/2

диска; е= — ; 2/ — длина трещины;

С. Я. Ярема и М. П. Саврук определили напряженное со­ стояние цилиндрической оболочки с трещиной при симметрич­ ном нагружении [84]. Для нейтральной поверхности оболочки дополнительные напряжения, связанные с наличием продоль­ ной трещины (при равенстве нулю действующих моментов) в полярных координатах имеют вид

чем с увеличением склонности материала к хрупкому разру­ шению величина плотности эффективной поверхностной энер­ гии уменьшается.

155

В настоящее время не определены значения плотности эф­ фективной поверхностной энергии для материала обсадных:, труб различных групп прочности. Определение величины плот­ ности эффективной поверхностной энергии особенно необходи­ мо для высокопрочных труб, применяемых в глубоких сква­ жинах.

Описанный выше механизм разрушения обсадных труб и формулы, связывающие разрушающие нагрузки с размерами дефектов, свидетельствуют, что для установления степени при­ годности труб к эксплуатации необходимо проведение дефекто­ скопии труб перед спуском их в скважину.

МЕТОДЫ ДЕФЕКТОСКОПИИ ОБСАДНЫХ ТРУБ И ПРОБЛЕМЫ, ВОЗНИКАЮЩИЕ ПРИ ЕЕ ПРИМЕНЕНИИ

Известно несколько методов обнаружения дефектов, осно­ ванных на различных физических принципах: ультразвуковой,, магнитный, капиллярный, рентгеновский.

В ультразвуковом методе используется явление отражения части пучка ультразвуковых колебаний при переходе через границу двух сред. Вводя в контролируемое тело ультразвуко­ вые колебания и воспринимая с помощью специальной аппара­ туры получаемые отражения, можно обнаружить дефекты, на­ ходящиеся на значительном расстоянии от поверхности изде­ лия. Относительная мощность отраженного пучка зависит от

156