Лекция 11. Аварий с элементами колонны бурильных труб

Многочисленными теоретически­ми исследованиями и практикой доказано, что аварии вследствие поломки элементов бурильной колонны вызваны в основном уста­лостью металла.

Явления усталости возникают главным образом под действием следующих основных переменных нагрузок: изгиба, колебаний бу­рильной колонны, крутильных ударов.

Усталость металла ускоряют следующие факторы:

1) дефекты материала труб – расслоение и структурная неодно­родность металла, незаметные (на глаз) инородные включения в ме­талле и конструктивные дефекты, т.е. резкие переходы в сечении, острые надрезы, царапины и т.д.;

2) малые радиусы закругления восьминиточных резьб (трубных);

3) применение безупорного со­единения трубы с замком или соединительной муфтой;

4) неблагоприятные геологиче­ские и технологические условия бурения и нарушения запроекти­рованных режимов бурения.

К таким неблагоприятным условиям относятся:

- частое переслаивание пород, различных по крепости, крутые углы падения пластов;

- работа колонн в средах с агрессивными химическими до­бавками (соли, кислоты, щелочи), способствующими возникновению коррозии;

- работа бурильной колонны в скважинах, имеющих по стволу большие каверны, особенно при роторном бурении;

- несоответствие размера долота диаметру бурильных труб;

- несоответствие типа долота крепости разбуриваемых пород;

- возникновение резонанса при совпадении частоты колебаний ко­лонны от пульсации давления на выкидной линии насоса с частотой собственных колебаний колонн;

- эксплуатация бурильной колон­ны в состоянии чрезмерного сжатия, т.е. при бурении без УБТ или с УБТ незначительной длины, тог­да как вес УБТ должен превы­шать нагрузку на долото на 25%;

- установка над УБТ труб груп­пы прочности Е, К, а также ЛБТ;

- применение труб несоответст­вующего класса для бурения на данной глубине;

- вмятины на трубах от инород­ных тел (шарошек, долот, креп­ких пород и т.д.);

- эксцентричность вышки, рото­ра по отношению к скважине.

Перечисленные факторы спо­собствуют возникновению аварий, вызванных:

- в ведущих трубах поломкой по телу и срывом трубной резьбы;

- в бурильных трубах поломка­ми и по телу на участках с номи­нальной толщиной стенки, в кон­цевых утолщениях, в зоне сварно­го шва и трубной резьбы, а также срывом резьбы, соединяющей тру­бу с бурильным замком;

- в бурильных замках поломка­ми по телу на участках, заключен­ных между резьбовыми концами и в зоне замковой резьбы ниппеля или муфты, а также срывом по замковой резьбе;

- в УБТ и переводниках полом­ками по телу в зоне замковой резьбы и срывом по замковой резьбе;

- в соединительных муфтах по­ломкой по телу.

Кроме этого, встречаются ава­рии, вызванные развинчиванием резьб в замковых соединениях бу­рильных замков, УБТ, переводни­ков и ведущих труб.

Поломки по телу

Поломки по телу характерны для всех видов труб (ведущих, бурильных и утяжеленных) и эле­ментов (бурильных замков, пере­водников и соединительных муфт), соединяющих их в ко­лонну.

Ведущие трубы

применяются цельные и сборной конструкции. Цельная ведущая труба на концах имеет высадки, на которых вверху нарезается внутренняя замковая левая резь­ба, а на нижнем конце — наружная замковая правая резьба.

Ведущая труба сборной конст­рукции состоит из квадратной штанги и переводников. На кон­цах квадратной штанги нарезается наружная коническая резьба с ша­гом 8 ниток на длине 25,4 мм и конусностью 1:16 с левым на­правлением резьбы вверху и с пра­вым направлением нарезки резь­бы внизу. На резьбы соответствен­но навинчиваются переводники под замковую резьбу.

С цельными ведущими трубами отмечены единичные аварии. Они, как правило, вызваны длительной работой с ведущей трубой без де­фектоскопических проверок. По­ломки приходятся на тело в зоне резьбы ниппеля и очень редко по муфте.

Ведущие трубы сборной конст­рукции ломаются в зоне кониче­ской резьбы и, за редким исклю­чением, на участке, прилегающем к ней. Поломка приходится на первый виток полного сопряже­ния резьбы, обычно на 5-6 нитке от торца ведущей трубы. Развитию усталости и последующей полом­ке трубы способствует несовер­шенство конструкции соединения ведущей трубы с переводником. На ускоренное развитие усталости этого узла влияют переменные нагрузки, неравномерный характер распределения которых по резьбе приводит к концентрации напря­жений во впадинах и отклонению элементов резьбы.

Бурильные трубы.

Буровые предприятия оснащаются бурильными трубами как с прива­ренными соединительными конца­ми, так и сборной конструкции, изготовляемыми из стали или лег­ких сплавов.

Бурильные трубы с приварен­ными соединительными концами во время эксплуатации ломаются по сварному шву и телу.

Распространенная причина ава­рий с трубами по сварному шву и телу - промывы в местах наличия дефектов (посторонние включе­ния в металле, расслоения, рако­вины и т.д.). Аварии с трубами в виде поломок их по сварным швам могут быть вызваны также недоброкачественным изготовле­нием труб, т.е. отсутствием соос­ности трубы и привариваемого по­лузамка, низкой ударной вязко­стью сварного шва по сравнению с ударной вязкостью металла тру­бы, что объясняется образованием (в большинстве случаев в сварном соединении) окисных пленок, трудностью получения высокока­чественной термической обработ­ки сварного шва, недостаточной площадью сварного шва по срав­нению с площадью сечения труб. Основная причина многих аварий со сломом труб по сварным швам и телу - использование труб не по назначению, например бурение с применением труб III класса в ин­тервалах, где по расчетам следует устанавливать трубы I и II классов или бурить роторным способом с трубами типа ТБПВ. Если крутящие моменты очень велики, то возможно разрушение труб по спирали и в поперечном направ­лении.

Спиральный слом труб возни­кает в скважинах, диаметр кото­рых не более чем на 100мм пре­вышает диаметр бурильных труб, причем чаще всего слом приходит­ся на обсаженный участок скважи­ны. При спиральном сломе труба разрушается по винтовой линии. Он возникает от поперечной тре­щины на поверхности трубы и имеет усталостный характер. На­правление спирали совпадает с на­правлением вращения бурильной колонны. Угол подъема спирали составляет приблизительно 45° к оси трубы, что соответствует наи­большим нормальным напряжени­ям при кручении.

Широко распространен попереч­ный излом труб, вызванный кон­центрацией напряжений в местах повреждений особенно от работы клиньями ПКР, а также на участ­ках с дефектами проката. В зоне сварки и ее термического влияния развивается усталость металла, приводящая к поперечному изло­му труб. В поперечном направле­нии трубы ломаются и от скручи­вания в результате приложения чрезмерных крутящих моментов. В месте слома труба имеет форму скручивания по спирали, однако ломаются трубы по спирали и в поперечном направлении в основ­ном при ликвидации аварий.

В продольном направлении тру­бы ломаются, как правило, из-за дефектов изготовления труб, т.е. при наличии в теле трубы раковин и других дефектов, а также из-за нарушения режима проката и термообработки, которые образуют значительные внутренние напряже­ния, приводящие к усталостным поломкам.

Бурильные трубы сборной кон­струкции, имеющие на концах утолщения с конической резьбой, широко применяются, хотя конст­рукция их неудачна. Помимо по­ломок, присущих трубам с приваренными замками (промыва труб в зоне дефектов, разрушения по спирали и в поперечном направле­нии), бурильным трубам сборной конструкции свойственны полом­ки, приуроченные к утолщениям и нарезке трубной резьбы на концах труб.

Технология изготовления труб с утолщениями на концах не поз­воляет достигнуть равномерного охлаждения трубы во время за­калки, и, как следствие, образу­ются мелкие трещины, направлен­ные вдоль и поперек трубы, кото­рые способствуют ускоренному развитию усталости. В соединении труба - замок концентрируются большие напряжения со знакопе­ременными нагрузками. Наиболь­шие напряжения концентрируются около первого витка резьбы на трубе, находящегося в полном сопряжении с резьбой бурильного замка. Такая концентрация напря­жений в соединении замок - труба и наличие микротрещин от закал­ки трубы приводят во время рабо­ты к поломкам, приуроченным к этому участку трубы.

Сломы по утолщенному концу происходят и на других участках резьбы, находящихся рядом с пер­вым витком полного сопряжения. Увеличение толщины стенки тру­бы в зоне резьбы не предохраняет от распространения трещин в теле трубы, а как бы увеличивает время работы трубы до излома. Для труб из легких спла­вов (ЛБТ) сборной конструкции характерны аварии, присущие стальным трубам сборной конст­рукции. Помимо этого, для них свойственно развитие эрозии вблизи муфт соединений, которые при ослаблении их прочности при­водят к разрушению.

Эрозия возникает под действи­ем турбулентного движения про­мывочной жидкости в зоне муф­товых и замковых соединений, где внутренняя поверхность более шероховата, чем в остальной части трубы. Кроме того, конструкция муфтовых и замковых соедине­ний труб способствует образова­нию местных сопротивлений, а следовательно, и более сложному характеру движения жидкости, которая интенсивно размывает трубу на этом участке. Кроме того, ЛБТ ломаются из-за несвоев­ременного выявления износа тела трубы.

Бурильные замки и соедини­тельные муфты разрушаются по телу при ликвидации аварий вследствие приложения значитель­ных нагрузок. Концы разрушен­ных деталей имеют увеличенные диаметры и воронкообразную форму. Такие аварии происходят в основном с бурильными замка­ми диаметром 118мм и менее, а также с соединительными муфта­ми диаметром 140мм и менее. Разрушение муфт и замков по те­лу в поперечном направлении от­мечается также при неправильной их термической обработке: торцы сломанных деталей в поперечном направлении обладают мелкозер­нистой структурой.

В утяжеленных бурильных трубах и переводниках так же, как и

в бурильных замках, отламывают­ся кольца ниппеля и муфты. При­чины этих поломок аналогичны причинам слома замковых дета­лей по резьбе и труб по утолщен­ному концу.

Срыв резьбы

Наиболее часто аварии происходят из-за срыва замковой резьбы в бу­рильных замках, УБТ и перевод­никах.

Основные причины разрушения замковых резьбовых соедине­ний - их размыв и износ

после многократного свинчивания и развинчивания. При работе на забое бурильная колонна подвер­гается различным знакоперемен­ным напряжениям, отчего одна часть резьбового соединения пере­мещается по другой. Нагрузки, пе­редаваемые на резьбу, зависят от степени жесткости и плотности свинчивания. Недокрепление со­единения способствует интенсив­ному перемещению плоскостей резьбы относительно друг друга, что ускоряет износ резьбы.

На износ резьбы влияют так­же качество и давление промывоч­ной жидкости в момент прокачки. Чем больше давление в жидкости и чем больше в ней инородных тел, обладающих абразивными свойствами, тем скорее изнашива­ется резьба. В результате размыва плоскость соприкосновения вит­ков резьбы уменьшается, увеличи­ваются силы, действующие на ослабленную резьбу, и она разру­шается. Неотцентрированный фо­нарь вышки, а также недоброка­чественная смазка труб способст­вуют ускорению износа резьб при свинчивании.

Большое число аварий с утяже­ленными бурильными трубами происходит также вследствие раз­рушения резьбовых соединений, поскольку они работают в более тяжелых условиях, чем замковые соединения бурильных труб. К то­му же резьбовые соединения в УБТ менее прочны, чем в замках, переводниках и долотах.

Аварии в результате заедания или ослабления прочности резьбы при размыве возникают реже, так как места размыва на внешней части тела соединяемых элементов можно легко обнаружить.

Резьбовые соединения разруша­ются вследствие заедания трубной резьбы под действием на нее уве­личенных нагрузки и температу­ры, возникающих на поверхности резьбы в процессе свинчивания и работы замка в скважине.

Разрушения резьбовых соедине­ний также могут быть вызваны не­соответствием размеров элемен­тов резьбы (особенно по конусно­сти), поскольку значительные от­клонения размеров приводят к не­равномерному распределению на­грузки по ее виткам и, следова­тельно, к интенсивному износу.

Падение колонны труб в скважину

Падение бурильных колонн в скважину в основном происходит вследствие нарушения технологи­ческих требований к спуску и подъему колонны, а также в ре­зультате неисправностей спуско-подъемного инструмента и меха­низмов.

Наиболее часто встречаются сле­дующие нарушения и неисправ­ности:

1) подъем бурильной колонны на одном штропе;

2) несоответствие грузоподъем­ности элеватора массе колонны и наличие трещин в верхней про­ушине;

3) слабое крепление защелки элеватора завода "Красное Сормо­во", в результате чего при отходе элеватора от муфты защелка открывается, и колонна падает в скважину;

4) несовершенство конструк­ции защелки подъемного крюка;

5) поломка боковых серег и ствола крюка;

6) неисправность тормозной си­стемы - разрыв тормозной ленты и тормозного шкива, чрезмерный износ тормозных колодок, отклю­чение гидродинамического тормо­за, износ шарнирных соединений тормозной системы, заклинивание тормозного рычага, неисправность предохранительного устройства тормозного рычага, нарушение резьбового соединения натяжных болтов тормозной ленты;

7) слом и разрушение сопряже­ний элементов бурильной колон­ны во время спускоподъемных операций вследствие динамиче­ских напряжений, возникающих при резкой посадке колонны на ротор или на уступ;

8) работы штропами несоответ­ствующей грузоподъемности и при наличии износа выше нормы.

В процессе эксплуатации по­ломки и разрушения сопряжений элементов бурильной колонны происходят в местах ослабленной прочности трубы или соединения.

Нарушение трудовой и техно­логической дисциплины; недоста­точная автоматизация спускоподъ­емных операций (отсутствие АКБ, клиньев, встроенных в ротор, кон­структивные недостатки элеваторов и защелок крюка), отсутствие достаточного опыта членов буро­вой бригады - главные причины, приводящие к падению колонн в скважину.

Таким образом, можно отме­тить, что аварии происходят не только из-за недостатков конст­рукции бурильных труб, но и в ре­зультате слабого технического надзора и недостаточной квалифи­кации работников. Это приводит к несвоевременной профилактике бурильных колонн, слабому креп­лению замковых соединений, не­удовлетворительной сборке бу­рильных колонн, спуску их в скважину с недопустимой сработкой отдельных элементов, плохо­му состоянию поверхностного оборудования, несоответствию прочности колонны условиям бу­рения, слабому учету работы бу­рильных колонн.

ОСН1 [стр.165-173], ДОП 1 [стр.30-38]

Контрольные вопросы:

1. Какие факторы ускоряют усталость металла?

2. Назовите поломки по телу труб и их причины.

3. Из-за чего могут возникнуть разрушения резьбовых соединений?

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: