Файл: Щербюк, Н. Д. Резьбовые соединения труб нефтяного сортамента и забойных двигателей.pdf

Г л а в а II

РЕЗЬБОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ БУРИЛЬНЫХ И УТЯЖЕЛЕННЫХ БУРИЛЬНЫХ ТРУБ

УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИИ ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИН

Резьбовые соединения предназначаются для соединения элемен­ тов бурильной колонны: ведущей трубы, бурильных и утяжелен­ ных труб и для присоединения долота. При турбинном способе бурения к колонне бурильных труб присоединяется забойный дви­ гатель — турбобур, а при электробурении — электробур.

Конические резьбовые соединения применяются во всех случаях роторного, турбинного и электробурения.

В процессе бурения на резьбовые соединения бурильной колон­ ны действуют значительные статические и динамические нагрузки, основными из которых являются:

1)собственный вес колонны бурильных труб;

2)вращающий момент ротора, вызывающий напряжения кру­ чения в резьбовом соединении;

3) изгибающий момент, вызываемый искривлением скважины и наличием центробежных сил при вращении бурильных труб.

Резьбовые соединения вместе с колонной подвергаются также продольным, поперечным и крутильным колебаниям. Они испыты­ вают высокие перепады давления.

При проведении спуско-подъемных операций замковые резьбо­ вые соединения многократно свинчиваются — развинчиваются. Многократные свинчивания — развинчивания даже при строгом соблюдении технологии смазки резьбы, вследствие неизбежного по­ падания абразивных частиц на ее поверхность, повышенной скоро­ сти свинчивания (особенно в случае применения автоматических буровых ключей), вызывают износ витков резьбы.

Износ резьбы увеличивается в результате недостаточно точного центрирования вышки с ротором и несоблюдение правила посадки ниппеля замка в муфту (свинчивание без облегчения веса свечи

20

с помощью пружины под вертлюжным подшипником крюка, уда­ ры и др.)- Износ и разрушение замкового резьбового соединения происходят при недостаточном крутящем моменте свинчивания. По этой же причине нарушается герметичность, возникают промы­ вы резьбы.

Вследствие несовершенства конструкции часто разрушается резьбовое соединение бурильных труб с навинченными замками (особенно в роторном бурении). В большинстве случаев разруше­ ние происходит по первому витку резьбы трубы, сопряженной с резьбой замка, т. е. по месту наибольшей концентрации напря­ жений.

В процессе эксплуатации замковых резьбовых соединений слу­ чаются задиры и заедания резьбы. Такие случаи наблюдаются, как правило, с новыми («неприработанными»), не бывшими в эк­ сплуатации резьбовыми соединениями.

Многочисленными экспериментами в стендовых условиях и на­ блюдениями за состоянием резьбовых соединений в эксплуатации установлено, что в течение первых 5— 7 свинчиваний — развинчи­ ваний происходит приработка резьбы. В период приработки новых резьбовых соединений необходимо их свинчивать с особой осто­ рожностью, применяя высококачественную смазку с металлически­ ми наполнителями (цинк, свинец) и соблюдая рекомендуемый кру­ тящий момент свинчивания.

Скорость свинчивания при докреплении замкового соединения не должна превышать 2— 4 об/мин, независимо от размера бурильных труб. Для предохранения от задиров и заеданий, особенно в пе­

ружному диаметру в результате трения о породу или техниче­ скую колонну. Удары о твердые породы ствола скважины могут повредить упорные торцы резьбового соединения, в результате чего нарушается герметичность. При последующем свинчивании без устранения повреждений возможны размыв, усиленный износ тор­ цов и резьбы. В результате износа резьба по профилю заостря­ ется и при дальнейшей эксплуатации возможен срыв резьбового соединения.

Замки бурильных труб подвергаются растяжению, изгибу и кручению. Кроме того, на резьбовое соединение влияет крутящий момент свинчивания. Очень редко растяжение, изгиб или действие знакопеременного изгиба являются причиной разрушения замко­ вых соединений, если крутящий момент свинчивания был выбран правильно. Усталостное разрушение в результате недостаточного крутящего момента свинчивания является одной из причин аварий с замковыми резьбовыми соединениями. Обычно замковое соединенение значительно прочнее на растяжение и изгиб, чем бурильная труба. Поэтому разрушения от этих нагрузок возникают в трубе раньше, чем в замковом соединении.

21

Это также относится к напряжениям кручения. Однако при приложении скручивающих нагрузок замковое резьбовое соедине­ ние ведет себя как винтовой домкрат, создавая высокие растяги­ вающие осевые усилия в ниппеле между упорным уступом и пер­ вым витком резьбы, находящимся в сопряжении. Под действием высоких осевых усилий ниппельная часть замка обычно разруша­ ется по первому полному витку, находящемуся в сопряжении на расстоянии 24 мм от упорного уступа. В результате повышенных сжимающих нагрузок муфтовая часть замка принимает форму ра­ струба. Очень часто бурильные замки не обладают тем сопротив­ лением кручению, которое имеют присоединяемые к ним трубы.

Сопротивление кручению бурильных замков прямо пропорцио­ нально поперечным сечениям муфты и ниппеля. Если учесть, что при свинчивании соединения на упорные торцы передается 60% всей нагрузки, то для равнопрочности площади опасных сечений резьбы ниппеля (на расстоянии 24 мм от упорного уступа) и резь­ бы муфты (на расстоянии 10 мм от меньшего торца ниппеля) должны относиться как 1 :2,5.

Во время эксплуатации (особенно при роторном бурении) износ наружной поверхности муфты замка уменьшает поперечное сече­ ние, а также упорные торцы соединения. Это снижает сопротивле­ ние замкового соединения скручивающим нагрузкам. Нецелесооб­ разно применять резьбовые смазки, обладающие очень низкими ко­ эффициентами трения, также не рекомендуется применение кадмированной резьбы (хотя покрытием резьбы кадмием полностью устраняются задиры и заедания в резьбовом соединении).

Повреждение замковых резьбовых соединений в процессе бу­ рения от кручения возможно в том случае, если вследствие дина­ мических нагрузок при вращении происходит докрепление соеди­ нения под нагрузкой или они докрепляются в результате недоста­ точного крутящего момента свинчивания.

В практике эксплуатации встречаются случаи разрушения резь­ бового соединения вследствие коррозии от действия глинистого раствора и сероводорода. Разрушение происходит в том случае, когда сероводород из нефти и газа попадает в глинистый раствор и растворяется в нем. Для устранения влияния сероводорода обычно применяют соответствующие ингибиторы, нормируют время пребывания колонны бурильных труб в скважине и исполь­ зуют специальные стали.

При бурении со значительной осевой нагрузкой необходимо применять утяжеленные бурильные трубы большой длины, при этом увеличивается число резьбовых соединений.

На рис. 9 показано, что количество аварий с резьбовыми со­ единениями увеличивается с увеличением количества УБТ.

Резьбовые соединения утяжеленных бурильных труб, как и вся колонна, в процессе бурения могут подвергаться знакопере­ менному изгибу. В колонне бурильных труб толщина стенки трубы намного меньше, чем толщина стенки в соответствующем слабом

22

сечении замкового соединения. Поэтому бурильные трубы легче

В резьбовых соединениях утяжеленных бурильных труб момен­ ты сопротивления изгибу поперечных сечений меньше, чем по телу УБТ (см. рис. 10), поэтому наибольшие напряжения изгиба, как правило, приходятся на резьбовые соединения. Эти напряжения могут значительно увеличиться при свинчивании резьбового со­ единения с недостаточным крутящим моментом свинчивания. Особенно тщательно необходимо следить за крутящим моментом свинчивания резьбовых соединений утяжеленных бурильных труб большого диаметра (свыше 203 мм).

Рекомендуемый крутящий момент свинчивания УБТ диаметром 203 мм и выше, с высокопрочными резьбовыми соединениями пре­ вышает 6000 кгс-м . Для их свинчивания требуются машинные ключи повышенной мощности с Мнр> 1 2 000 кгс-м .

Соблюдение оптимального крутящего момента свинчивания резьбовых соединений необходимо также для обеспечения герме­ тичности колонны бурильных труб, выдерживающей перепады дав­ ления до 300 кгс/см2.

РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ КОНИЧЕСКИХ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИИ БУРИЛЬНЫХ ТРУБ

Анализ аварий с бурильными трубами показывает, что в боль­ шинстве случаев разрушение их резьбовых соединений носит уста­ лостный характер. Усталостное разрушение резьбового соединения

23

(от знакопеременного изгиба) происходит во многих случаях по последнему витку трубной резьбы, который находится в сопряже­ нии с резьбой замка. Замковое соединение разрушается, как пра­ вило, по первому сопряженному витку резьбы на расстоянии при­ мерно 24 мм от упорного уступа ниппеля.

В связи с созданием конструкций высокопрочных бурильных труб с приваренными соединительными концами (по высаженной части), а также труб со стабилизирующими поясками, число ава­

ми последний сопряженный виток резьбы на трубе является над­ резом, т. е. концентратором напряжений. Этот надрез значительно уменьшает предел выносливости соединения по сравнению с глад­

прочность соединения при переменных напряжениях может быть повышена на 20— 40% . В стандартной трубной резьбе Р/5=0,136, а в замковой — R /S = 0,1, что значительно ниже оптимального. Для увеличения отношения R /S в трубной резьбе необходимо или уменьшить шаг при сохранении радиуса закругления впадины, или увеличить радиус в определенном соотношении.

В связи с тяжелыми условиями работы бурильных труб в кор­ розионной среде для снижения концентрации напряжений следует применять трубы с приваренными соединительными концами или с коническими стабилизирующими поясками: с внутрь высаженны­ ми концами — ТБВК и наружу высаженными концами — ТБНК-

Разрушение замкового резьбового соединения может произой­ ти вследствие недостаточного или чрезмерного крутящего момента свинчивания. Соединения замков бурильных труб необходимо свинчивать таким крутящим моментом, чтобы при воздействии на них всех видов нагрузок предотвращалось раскрытие стыка по упорному торцу муфты и упорному уступу ниппеля. При этом крутящий момент свинчивания не должен создавать осевую на­ грузку с напряжениями, достигающими или превышающими пре­ дел текучести материала замка.

Замковое резьбовое соединение упорного типа можно рассмат­ ривать как грузовую винтовую пару (рис. 11).

Максимально допустимую растягивающую нагрузку Ртах опре­ деляют, исходя из площади опасного сечения ниппеля по первому полному витку резьбы на расстоянии 24 мм от упорного уступа — Рн и предела текучести от

f’raax = ^HOrT- (II. 1)

В табл. 2 приведены максимальные растягивающие нагрузки для замков по ГОСТ 5286—58, для замков бурильных труб с ко­ ническими стабилизирующими поясками (ТБВК, ТБНК) по

24