Осложнения и аварии при строительстве нефтяных и газовых скважин

Усталость материала, возникшая в процессе длительной эксплуатации под действием различных нагрузок, меняющихся по направлению и значениям, также может стать причиной разрушения конструкций, механизмов, деталей.

Причиной может стать применение технических средств, функциональные возможности которых не соответствуют установленным требованиям при выполнении намеченных работ; а также использование машин и механизмов с системой управления и контроля, не соответствующих психофизическим возможностям человека.

Технологические факторы:

нарушение рациональных параметров режима бурения (расход промывочной жидкости, осевая нагрузка, давление, частота вращения долота);

нарушение параметров процесса бурения (сжимающие и растягивающие нагрузки на БК, крутящий момент на долоте, несоблюдение скоростей СПО);

несоблюдение рациональной последовательности правил крепления скважины;

неправильный выбор типа промывочной жидкости, использование которой не обеспечит выполнение гидростатических, гидродинамических и других функций;

неточное знание геологических и гидродинамических условий, свойств флюидов в разбуриваемых горизонтах;

некачественная подготовка ствола скважины к геофизическим исследованиям к спуску обсадных колонн.

Организационные причины:

низкая квалификация исполнителя буровых работ;

низкая исполнительская дисциплина технического персонала, допускающая возможность отклонения от проекта на строительст-

151

во скважины, регламентов, режимно-технологических карт, инструкции по эксплуатации бурового оборудования и инструмента;

невыполнение профилактических мероприятий по предупреждению аварий, осложнений;

неудовлетворительное материально-техническое снабжение;

несоответствие длительности вахты и их сменности естественному биологическому режиму организма человека;

неудовлетворительные бытовые условия жизни буровой бригады в вахтовом городке.

3.4.Виды аварий

3.4.1.Аварии с элементами бурильной колонны

Кавариям с элементами бурильной колонны относятся:  поломка ведущей трубы и УБТ;

 поломка по телу бурильной трубы, ее сварному шву, ее резь-

бовой части;

поломка элементов бурильной колонны (переводника, калибратора, центратора, расширителя и т.д.).

Причиной аварии с бурильной колонной и ее элементами является усталость металла, которая возникает главным образом под действием следующих основных переменных нагрузок: колебаний бурильной колонны, изгиба, крутильных ударов, растяжения, сжатия.

Усталость металла ускоряют следующие факторы:

дефекты материала труб (структурная неоднородность металла и расслоение), конструктивные дефекты, резкие переходы в сечении, царапины, острые надрезы, являющиеся очагами концентраций напряжений;

применение безупорного соединениятрубы с замкоми муфтой;

некачественная сборка бурильных труб (несоосность резьбовых соединений и труб), неудовлетворительное крепление замков, неправильный выбор натяга резьбы;

152

использование в работе элементов бурильной колонны с повышенным износом и скрытыми дефектами;

механические повреждения клиньями ПКР, ключами, породой, посторонними предметами в скважине;

коррозионное повреждение элементов бурильной колонны (кислотная сероводородная, полиминеральная агрессия);

превышение крутящего момента при свинчивании резьбовых соединений;

создание осевой нагрузки на долото частью веса бурильной колонны;

несоответствие соотношения диаметров долота, УБТ, забойных двигателей и диаметра бурильных труб;

несоответствие типа долота крепости разбуриваемых пород;

работа бурильной колонны в скважинах, имеющих большие каверны, особенно при роторном бурении;

возникновение резонанса при совпадении частоты колебаний бурильной колонны от пульсаций давления на выкиде насосов с частотой собственных колебаний колонны;

применение труб несоответствующего класса при бурении на данной глубине;

эксцентричность вышки, ротора по отношению к оси скважины;

резкие посадки при спуске;

неблагоприятные геологические условия бурения – частое переслаивание пород, различных по крепости, большие углы падения пластов;

нарушение запроектированных режимов бурения.

Указанные причины вызывают поломку ведущих труб по телу

ивосьминиточной резьбе, бурильных труб по утолщенному концу

ителу с переменной толщиной и по конусной части бурильных замков, УБТ по телу и присоединительной резьбе.

153

3.4.2.Виды поломок и разрушений бурильных труб

иэлементов бурильной колонны

Бурильные трубы. На рис. 18 представлены виды аварий с бурильными трубами, на рис. 19 – слом по телу трубы.

Рис. 18. Виды аварий с бурильными трубами:

1 – износ по телу трубы; 2 – слом по телу трубы, размыв тела трубы; 3 – слом по сварному шву; 4 – разрушение по телу муфт и замков; 5 – слом в утолщенном конце резьбы (третья–пятая нитки); 6 – износ резьбового соединения, промыв витков резьбового соединения

Рис. 19. Слом по телу трубы

154

Поперечный слом по телу трубы происходит вследствие различных повреждений, приводящих к концентрации напряжений на отдельных участках поверхности труб, которые вызывают усталостные напряжения в металле.

К повреждениям труб относятся вмятины от инородных тел (породы, шарошек, «сухарей», попадающих в кольцевое пространство), поперечные риски и трещины.

Слом по телу трубы может происходить в результате комбинации натяжения и момента вращения.

При этом на тело трубы действуют следующие нагрузки:

растяжение;

изгибающая нагрузка;

момент кручения (от ротора, верхнего привода, реакция от забойного двигателя).

Обычно местом разрушения становится участок тела трубы, имеющий указанные выше повреждения и дефекты.

Порыв бурильных труб от растяжения происходит при достижении предельно допустимой нагрузки (рис. 20).

Слом в результате скручивания

155

В продольном направлении трубы ломаются из-за дефектов изготовления труб (наличия в теле трубы раковины, расслоений), а также из-за нарушения режима проката и термообработки, при которых образуются внутренние напряжения, приводящие к усталостным поломкам.

Причины аварий бурильных труб сборной конструкции. Бурильные трубы сборной конструкции, имеющие на концах утолщения (высадку – внутреннюю или внешнюю), на которых нарезается коническая резьба, широко применяются, хотя конструкция их имеет определенные недостатки.

Кроме поломок, присущих трубам с приваренными замками (промыв труб в зоне дефекта, разрушение в продольном и поперечном направлениях, а также по спирали), бурильным трубам сборной конструкции свойственны поломки, приуроченные к утолщениям и местам нарезки трубной резьбы на концах труб.

Технология изготовления труб сборной конструкции не позволяет достигнуть равномерного охлаждения во время закалки, как следствие образуются мелкие трещины, направленные вдоль и поперек тела трубы, которые способствуют ускоренному развитию усталости металла, так как являются очагами концентрации напряжений. В соединении труба – замок также концентрируются большие напряжения от знакопеременных нагрузок. Наибольшие напряжения концентрируются около первого витка резьбы, находящегося в полном сопряжении с резьбой бурильного замка. Такая концентрация напряжений в соединении замок – труба и наличие микротрещин приводят во время работы к поломкам, приуроченным к этому участку трубы.

156

Увеличение толщины стенки трубы в зоне резьбы не предохраняет от распространения трещин в теле трубы, но несколько увеличивает время работы трубы до излома.

Аварии со срывом резьбы элементов бурильной колонны.

Большое число аварий происходит по причине срыва замковой резьбы в бурильных замках, УБТ и переводниках.

Вокруг замков и муфт, при помощи которых соединяются бурильные трубы, создаются зоны концентраций напряжений. При знакопеременных нагрузках, действующих на бурильную колонну, наибольшие напряжения концентрируются около первого витка резьбы на трубе, находящегося в полном сопряжении с резьбой бурильного замка. Слом по утолщенному концу трубы происходит и в других сечениях, расположенных на других участках трубы, или одновременно в нескольких сечениях. Но наибольшее число сломов приходится на первый полносопряженный виток резьбы. Эта часть резьбы является наиболее опасным местом.

Процесс нарезания резьбы способствует образованию мест концентрации напряжений в теле трубы, особенно при малых радиусах закругления. При действии большого числа циклических нагрузок в местах концентрации напряжений образуются трещины. Чем меньше радиус закругления, тем больше возможность образования трещины при прочих равных условиях. Исходя из этого в трубных резьбах происходит больше изломов, чем в замковых, так как крупная резьба, соединяющая замковый ниппель и замковую муфту, не образует резких переходов. Кроме того, соединение ниппель – муфта происходит при определенном натяге до упорного контакта. А при соединении трубы с замком трубной резьбой упор отсутствует и на участках перехода резьбы от полного сопряжения к неполному концентрируются опасные напряжения. Имеет место также слом в утолщенном конце трубы, который приходится в основном на третью–пятую нитки резьбы от сбега ее на трубе. На аварийной трубе остается от трех до пяти ниток резьбы.

Одной из основных причин аварий из-за разрушения и срыва резьбовых соединений является износ после многократного свинчивания и развинчивания. В процессе работы резьбовые соедине-

157

ния бурильной колонны подвергаются различным знакопеременным нагрузкам. При этом одна часть резьбового соединения перемещается по другой. Величина относительного перемещения зависит от жесткости и плотности зоны свинчиваний. Недокрепление резьбового соединения способствует перемещению витков резьбы относительно друг друга, что значительно ускоряет износ резьбы. На износ резьбы влияет также качество бурового раствора и его давление при прокачке по бурильной колонне. Большие значения давления бурового раствора имеют место при турбинном бурении с гидромониторными долотами. Чем больше давление бурового раствора и содержание в нем твердой фазы, обладающей абразивными свойствами, тем скорее изнашивается резьбовое соединение.

В результате износа плоскость соприкосновения витков резьбы уменьшается, увеличиваются зазоры и абразивный буровой раствор под действием большого перепада давления начинает двигаться по резьбовому соединению с большой скоростью – происходит размыв витков резьбы. При размыве резьбовых соединений выделяются две зоны:

зона прохождения жидкости через зазоры винтовой линии;

зона истечения жидкости, или зона разрушения.

Первая зона характеризуется изменением высоты профиля резьбы и наличием разрушений по винтовой линии первых двух витков. Во второйзонепроисходит разрушение тела трубы потоком раствора.

Разрушение резьбовых соединений и их преждевременный износ могут происходить из-за несоответствия размеров элементов резьбы (особенно по конусности), так как значительное отклонение размеров приводит к неравномерному распределению нагрузки по виткам резьбы и, следовательно, к интенсивному износу.

Разрушение по телу муфт и замков. Причинами разрушений могут быть превышение допустимых нагрузок (особенно имеет место при ликвидации аварий) и неправильная термообработка. Разрушение от напряжений, превышающих допустимые, происходит как вдоль, так и поперек тела муфт и замков. Вначале образуются трещины, потом разрушается тело муфты или замка. Приложение

158

значительных усилий, превышающих допустимые, приводит к слому в первую очередь тех соединительных муфт, прочность которых ослаблена усталостными напряжениями, повышенным износом или коррозией металла. Соединительные муфты разрушаются в основном в средней части. Характер слома муфт и факторы, ускоряющие слом, те же, что и при сломе трубы по трубной резьбе. Отличие лишь в том, что в бурильных трубах на утолщенных концах резьба наружная, а у муфт внутренняя.

Отличаются случаи продольных и поперечных разрушений замков и соединительных муфт вследствие неправильной термообработки. Поперечные сломы замковых деталей происходят по впадине первой нитки резьбы ниппеля и на участке, заключенном между резьбовыми концами муфты или ниппеля. Могут происходить также продольные сломы по образующей. Разрушения от неправильной термообработки опознаются по характеру слома и по периоду возникновения. Места слома в поперечном направлении имеют мелкозернистую структуру. Аварии с такими соединениями происходят обычно в начале эксплуатации – при первых двух-трех спусках.

Размыв бурильных труб и элементов бурильной колонны по телу. Размыв бурильной трубы по телу происходит из-за наличия дефектов на ее внутренней поверхности, нарушающих однородность. К таким дефектам относятся раковины, плены, включения инородных материалов и другие повреждения, связанные с технологией изготовления труб. Возникновение аварии от размыва труб ускоряется совместным действием усталостных напряжений в металле и коррозии. Дефекты в теле трубы являются местами концентрации напряжений. Под действием циклических нагрузок в этих местах образуются трещины, которые размываются буровым раствором. Кроме этого, в местах дефекта на стенке трубы меняется направление движения раствора, образуются завихрения, и труба начинает интенсивно разрушаться. Наблюдаются случаи, когда на наружной поверхности трубы образуются кольцевые выемки в местах перехода к муфтовой части замка.

159

У труб с приваренными соединительными концами размывы происходят по трещинам усталостного характера, которые возникают в основном вблизи сварного шва. На этих участках образуются завихрения бурового раствора, способствующие размыву и разрушению тела трубы.

Усталостный слом тела трубы. На рис. 22 приведен пример усталостного слома тела трубы.

Усталостный слом происходит при многократном действии циклических нагрузок различных комбинаций (растяжения, сжатия, вращающего момента, изгиба, внешнего и внутреннего давления). При этом с каждым циклом нагрузок могут увеличиваться существующие трещины и порезы, а также образовываются новые. Слом происходит на участке тела трубы, имеющей указанные дефекты и в интервале зажима роторны ми клиньями. Порезы от клинового зах вата являются причиной 30–35%-ного

слома бурильных труб, так как приводят к уменьшению толщины стенки трубы и образованию многочисленных участков концентрации напряжений.

Трещина зарождается в некотором микроскопическом объеме, который называется очагом усталостного разрушения, и разрастается по трубе и соединительным элементам.

Знакопеременный изгиб является основным фактором, приводящим к образованию остаточных напряжений во время вращения бурильной колонны. Явления усталостного разрушения развиваются также в результате крутильных ударов и колебаний бурильной колонны. Крутильный удар характерен для роторного бурения, особенно при бурении долотами режуще-истирающего типа, которые требуют приложения большего вращающего момента.

160