колонне вверх от места наибольшей деформации, печать

Если же место наибольшей деформации приходится на муфтовое соединение и смятие от этого места распространя­ ется вниз (рис. 8.3, б), то на донной части печати будет отпечаток торца смятой трубы. В таком случае надо помнить, что мятая труба работает как уипсток, и все спускаемые в скважину инструменты будут отклоняться ею за пределы к о ­ лонны. При проведении работ по выправлению колонны следует избегать инструментов с твердосплавными наплавка­ ми.

Грушевидные оправки (рис. 8.4) - это прочные инструмен­ ты обтекаемой формы, которые проталкивают внутри смя­ той трубы и извлекают назад с помощь ясса. Обычно на скважину завозят набор оправок различного диаметра. Их спускают поочередно, начиная с наименьшей. За один рейс проход в зоне смятия расширяют на несколько миллиметров

упрочненных роликов с направляющим конусом (рис. 8.5). Выправление колонны грушевидными или роликовыми оп ­ равками связано с большими нагрузками, и в аварийную к о ­ лону всегда следует включать яссы и УБТ, так как инструмен­ ты зависают и заклиниваются в зоне смятия.

Прежде чем приступить к откачке жидкости из скважины или другим операциям, способствующим росту избыточного наружного давления, необходимо укрепить выправленную колонну. Для этого можно провести цементирование ц0д дав­ лением или перекрыть зону смятия хвостовиком.

8.4. РАЗРУШЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ

Исследования большого количества аварий с трубами, проведенные в Азинмаше, привели к заключению, что разрушение труб обычно носит усталостный характер. Явления усталости в трубах возникают в результате Действия переменных нагрузок, к которым относятся переменный и з­

гиб, крутильный удар и колебания бурильной колонны. Ос­ новной фактор, приводящий к образованию переменных на­ пряжений, знакопеременный изгиб, возникающий при вра­ щении колонны (А.Е. Сароян).

Крутильный удар появляется в тех случаях, когда прекра­ щает вращаться долото, что сопровождается скручиванием труб с последующим внезапным освобождением долота, вы­ зывающим раскручивание колонны труб. Крутильный удар, как правило, наблюдается при работе долотом режущего ти ­ па, при быстром увеличении нагрузки на долото, а также при переходе долота из мягкой породы в крепкую, что сопро­ вождается иногда заклиниванием долота с последующим его освобождением.

Колебания колонны в значительной степени зависят от уравновешенности элементов бурильной колонны (трубы, бурильные замки, турбобур и др.), однородности разбурива­ емой породы, от пульсации промывочной жидкости, работы долота и др.

А.Е. Сароян считает, что в результате усталостного разру­ шения возникают и постепенно развиваются трещины. Когда трещина достигает значительного размера, сечение трубы уменьшается, что в свою очередь приведет к увеличению на­ пряжений, а в дальнейшем и слому всего сечения, который может произойти при наличии одних лишь статических нагрузок. Типичным признаком большинства сломов является наличие в изломе двух зон: зоны усталости и зоны заключи­ тельного разрушения. Первая зона соответствует постепен­ ному развитию трещины от усталости и характеризуется относительно гладкой (мелкозернистой) поверхностью. Вто­ рая зона имеет крупнозернистую поверхность, соответству­ ющую разрушению металла под действием постоянных на­

грузок.

Для развития явления усталости необходимы переменные напряжения выше предела выносливости.

Условиями, способствующими возникновению и развитию трещин усталости, являются различные дефекты материала (расслоения, структурная неоднородность), резкие переходы в сечении (нарезка, запилы) и т.д.

Анализ аварийности с бурильными трубами показал, что при роторном бурении 85-90 % аварий происходит с резьбо­ выми соединениями бурильных труб, бурильных замков и других элементов колонны. Данные (в %) по аварийности бу­ рильных труб в роторном бурении (Д.С. Касум-заде и др.) следующие.

Как видим, аварии с трубами происходят в основном вследствие слома или срыва резьбы.

В роторном бурении наиболее часто встречается разруш е­ ние трубы в резьбовом соединении по утолщенному месту, составляющее 60-70 % от общего числа аварий. В отдельных случаях число это доходит до 90 %.

Срыв резьбы происходит в результате деформации раз­ рушения резьбового соединения из-за износа резьбы, размы ­ ва соединения прокачиваемой промывочной жидкостью, за ­ едания резьбы.

В турбинном бурении количество сломов доведено до ми­ нимума, и выход труб из строя происходит, как правило, по причине износа резьбовых соединений, а также размыва резьб и тела труб.

Сломы в турбинном бурении наблюдаются преимущест­ венно в нижней части колонны и в соединениях турбобура в результате воздействия переменных нагрузок, возникающих в процессе работы турбобура.

При отсутствии тяжелого низа усталостные разрушения концентрируются в сжатой части колонны, т.е. на том участ­ ке колонны, где действуют наибольшие переменные нагруз­ ки. Использование на практике тяжелого низа достаточной длины в сочетании с оптимальным размером долота приводит к резкому сокращению усталостных разрушений бурильных труб и их соединений.

Усталостные разрушения наблюдаются также в растянутой части колонны, работающей в обсаженном стволе скважины.

В этом случае усталостные разрушения возникают вследст­ вие эксцентричного вращения труб в скважине, сопровожда­ ющегося ударами труб о стенки обсадной колонны; искрив­ ления ведущей трубы, приводящего к слому бурильных труб на длине до нескольких сотен метров от устья, а также к слому ствола и переводника вертлюга; нарушения соосности оси вышки и скважины И других причин.

Скручивание бурильных труб в результате воздействия

крутящего момента встречается очень редко и наблюдается в трубах, сечение которых сильно ослаблено коррозийным действием промывочной жидкости на внутренней поверхнос­ ти труб.

Слом труб по утолщенному концу

Эти разрушения происходят по нарезанной части трубы. Наблюдается поперечный слом трубы по пер­ вому витку резьбы, находящемуся в сопряжении с буриль­ ным замком.

Сломы утолщенного конца трубы происходят также и в других сечениях, расположенных на различных участках резьбы, или одновременно в нескольких сечениях.

Отмечается выкрашивание отдельных витков резьбы. Зна­ чительное число сломов в утолщенном конце трубы, несмот­ ря на то что толщина трубы в этом месте в 1,5-2 раза больше толщины тела трубы, объясняется влиянием нарезки, являющейся местом концентрации напряжения.

В резьбовом соединении ведущей трубы с переводником наиболее часто ломается конец штанги по первому витку резьбы.

Отсутствие упора в резьбовом соединении труб и штанг приводит к тому, что в опасном сечении полностью действует изгибающий момент, возникающий в процессе вращения бу­ рильной колонны.

Воздействие переменных нагрузок в сочетании с концент­ рацией напряжения во впадинах резьбы обусловливает уста­ лостный характер сломов. Разрушению способствует также и то, что нагрузки, действующие по виткам резьбы, в результа­ те приложения осевых сил и изгибающих моментов, носят неравномерный характер.* Неравномерность эта увеличивает­ ся при наличии отклонений по элементам резьбы, особенно по конусности.

Слом труб по телу

В практике бурения наблюдаются два вида сломов по телу трубы. Один из них представляет собой по­ перечный излом тела трубы, имеющий усталостный харак­ тер.

Причинами, приводящими к концентрации напряжений на отдельных участках поверхности трубы, являются различные повреждения, направленные перпендикулярно к оси трубы. К

ним относятся клейма, наносимые на поверхности трубы; поперечные риски, возникающие в результате работы клинь­ ями, особенно при вращении труб ротором; дефекты прока­ та на поверхности труб.

Другой вид слома представляет собой разрушение трубы в виде спирали, встречающееся при бурении в обсаженном стволе скважины или в узкой скважине. Направление спира­ ли обычно правое, что совпадает с направлением вращения стола ротора. Спиральный слом начинается всегда с попереч­ ной трещины на поверхности трубы.

Угол подъема спирали составляет приблизительно 45° к оси трубы, что соответствует направлению плоскости, в к о ­ торой действуют наибольшие нормальные напряжения, воз­ никающие при кручении.

Спиральный слом, как правило, не связан с деформацией, наблюдаемой в процессе изготовления и правки труб, когда поступательное движение трубы сочетается обычно с левым

еевращением.

Впромысловой практике наблюдались случаи спирального слома с левым направлением спирали, однако при этом тру­ бы имели левую резьбу и вращение их было левым (против часовой стрелки).

Сломы происходят в бурильных трубах, изготовленных путем контактно-стыковой сварки соединительного конца (замковой части) с трубой. Использование труб, у которых сварка соединительного конца произведена по телу трубы (не

Слом резьбового соединения бурильного замка и утяжеленных бурильных труб

Разрушение резьбового соединения по своему виду А.Е. Сароян делит на две группы: выкрашивание отдель­ ных витков и слом конуса ниппеля или муфты (раструба).

Наиболее многочисленным видом разрушения резьбы яв­ ляется выкрашивание отдельных витков, наблюдаемое на различных участках резьбы вдоль образующей конуса. При выкрашивании отдельных витков трещины усталости, обра­ зованные во впадинах смежных витков, распространяются в глубь тела резьбы до их взаимного пересечения, что приво­ дит к слому части витков. Чаще всего выкрашивание витков происходит на участках, расположенных у болыДег0 иди меньшего диаметра конуса, т.е. у первых или последних вит­

ков. При одновременном разрушении ряда витков степень разрушения уменьшается в направлении от крайних витков, находящихся в сопряжении, к середине.

Это в значительной степени объясняется неравномерным распределением нагрузки по виткам резьбы и отклонением по конусности ниппеля и муфты. Нагрузка, действующая вдоль оси резьбового соединения, находящегося в скважине, распределяется по виткам резьбы неравномерно: больше у крайних витков, находящихся в сопряжении, и уменьшается к середине.

Кроме осевых сил, на замковое соединение действует и з­ гибающий момент, имеющий переменный характер и равный моменту, действующему на бурильную колонну. Последний приводит к возникновению на поверхностях витков нагру­ зок, неравномерно распределенных вдоль резьбы. При этом под действием изгибающего момента нагрузки по окружнос­ ти витка также распределяются неравномерно: наибольшее значение они имеют в осевом сечении замка, в плоскости изгиба, и наименьшее - в плоскости нейтрального слоя.

Реже встречается слом конуса ниппеля, имеющий вид вы ­ крашивания отдельных участков конуса или отлома конуса в форме кольца, что объясняется характером распределения осевых сил и изгибающих моментов по длине резьбы. При этом усталостные трещины, образуясь у впадины резьбы, распространяются в глубь сечения; в некоторых случаях пе­ реходят ступенчато от одного витка к другому.

Ширина отломанных колец конуса ниппеля бывает раз­ личной: начинается от одного последнего витка и доходит до отлома всего конуса по первому витку, находящемуся в со­ пряжении (у большого основания).

Слому конуса в резьбовом соединении способствуют от­ клонения по конусности ниппеля и муфты, особенно разно­ именные, что приводит к увеличению нагрузки на крайних витках резьбы.

В значительной мере на разрушение резьбы влияет сте­ пень ее износа.

При изготовлении замковой резьбы с отрицательным на­ тягом наличие зазора по одной стороне профиля резьбы в свинченном соединении создает возможность относительного движения (скольжения) соприкасающихся сторон профиля при знакопеременном изгибе, что приводит к износу профи­ ля и в дальнейшем способствует его разрушению.

Изготовление резьбы с положительным натягом, при ко ­ тором профиль резьбы соприкасается по двум сторонам с

одновременным доведением упорного уступа ниппеля и упор­ ного торца муфты до соприкосновения в процессе принуди­ тельного крепления замкового соединения, предотвращает относительное перемещение (скольжение) сторон профиля при знакопеременном изгибе колонны, что уменьшает износ резьбы, а следовательно, и разрушение витков резьбы.

Реже наблюдается отлом тела муфты замка в виде кольца или всей резьбовой части по последнему витку резьбы. Более редкие случаи отлома тела муфты по сравнению с ниппелем объясняются ее большей жесткостью.

Размыв резьбового соединения и тела трубы

Размыв резьбы представляет один из часто встречающихся разрушений резьбового соединения в резуль­ тате действия прокачиваемой жидкости. Разрушение соеди­ нения вследствие размыва происходит в замковом соедине­ нии и в соединении трубы с бурильным замком.

Чтобы возник размыв, необходим зазор, по которому могла бы двигаться жидкость, и перепад давления между по­ лостью труб и кольцевым зазором.

Истечение жидкости может происходить как в направле­ нии образующей конуса, так и в направлении винтовой ли­ нии. Встречается и комбинированное истечение жидкости: по образующей и винтовой линиям.

Размыв резьбы по образующей происходит вследствие волнообразного движения жидкости по виткам в направлении зазора, который образуется вдоль образующей конуса. При размыве резьбы по винтовой линии разрушается несколько витков, расположенных в месте выхода промывочной жид­ кости. На остальных витках не отмечается заметных следов размыва, что объясняется отсутствием резких изменений в направлении движения жидкости по винтовой линии.

Если размыв соединения произошел с выходом струи че­ рез тело детали, навинченной на трубу, зазор может быть только на части длины резьбы. При этом прокачиваемая жидкость, встречая на своем пути сопротивление, изменяет направление течения, что создает завихрение; в результате разрушаются тело трубы и детали.

Зазор в соединении может образоваться по причинам тех­ нологического и эксплуатационного порядка.

Причины технологического порядка следующие: несоответствие средних диаметров резьбы, заключающееся

в увеличении диаметра муфты и в уменьшении его у ниппеля на узком участке вдоль длины резьбы, что связано с техноло­ гией резьбофрезерования;

перекос упорных торцов и уступов вследствие неправиль­ ной подрезки;

значительное отклонение у отдельных элементов резьбы, особенно по конусности и шагу, а также овальность резьбы, исключающая правильность сопряжения.

Причины эксплуатационного порядка следующие: свинчивание резьб с поврежденными упорными торцом и

уступом, с не очищенной от засохшего глинистого раствора резьбой, недокрепление резьб, что приводит к нарушению правильности сопряжения;

нарушение герметичности вследствие заедания резьбы, о т­ винчивания соединения в процессе бурения и сработки резьбы;

применение некачественной смазки; недостаточное значение крутящего момента свинчивания

соединений.

Размыв тела трубы может быть вызван дефектами на вну­ тренней поверхности трубы (глубокие закатанные плены, крупные раковины и др.), нарушающими сплошность по­ верхности и связанными с технологией изготовления труб.

Наблюдается размыв бурильной трубы, расположенной у устья, в которую вставляется фильтр при турбинном бурении. Струя промывочной жидкости, выходящая из отверстий фильтра, воздействует на внутреннюю поверхность трубы, в результате возникает размыв.

У труб с приваренными соединительными концами отме­ чается размыв по сварному шву. При этом размыв появляет­ ся с образованием трещины усталостного характера по свар­ ному шву или с наличием значительного внутреннего грата после сварки, на участке которого наблюдается завихрение промывочной жидкости, способствующее размыву.

Срыв резьбы

Срыв резьбы наблюдается в 8-ниточном резь­ бовом соединении бурильных труб, соединении переводника с корпусом турбобура, замковой резьбе бурильных и утяже­ ленных труб.

Срыв резьбы, как правило, происходит в результате зна­ чительного износа или размыва резьбового соединения.

Износ замковой резьбы возникает вследствие многократ­ ного свинчивания-развинчивания замкового соединения, свя­

занного со спуском и подъемом бурильного инструмента; вращения бурильной колонны, а также колебаний ее, вы ­ званных работой забойного двигателя, долота и др.

На поверхности резьбы, подвергнувшейся сильному изно­ су, срабатываются обе стороны профиля резьбы. В замковом соединении больше срабатывается короткая сторона профи­ ля, т.е. та, которая расположена ближе к упорному уступу ниппеля, вследствие того, что короткая сторона в процессе работы соединения в скважине является рабочей стороной и воспринимает основную часть нагрузки.

На рис. 8.6 показан ниппельный конец утяжеленной трубы после срыва резьбы.

Переменные нагрузки расслабляют соединения, что созда­ ет возможность перемещения одной детали резьбового со­ единения по другой. Этому в большой степени способствует недостаточная затяжка соединения перед спуском в скважи­ ну. Относительное смещение деталей свинченного соединения приводит к постепенному износу поверхности витков и в дальнейшем к уменьшению высоты витка.

Глубина резьбы равна приблизительно 2,2 мм, в то время как глубина резьбы нового соединения составляет 3,74 мм (см. рис. 8.6).

Вотдельных случаях срыву способствуют значительные отклонения элементов резьбы, особенно по конусности,^ко­ торые приводят к увеличению неравномерности распределе­ ния нагрузки по виткам резьбы и в дальнейшем к значитель­ ному износу резьбы в процессе работы.

Врезультате износа площадь соприкосновения витков

резьбы уменьшается, а следовательно, при одних и тех же осевых нагрузках увеличиваются напряжения по виткам резьбы с последующим ее срывом.

Воронкообразные деформации замкового соединения

Воронкообразные деформации возникают в результате значительного увеличения наружного Диаметра муфты. При этом наблюдается также деформация упорного уступа ниппеля.

Проведенными наблюдениями было установлено, что ос­ новной причиной, приводящей к воронкообразным Дефор­ мациям, является значительный крутящий момент, особенНо в процессе отвинчивания труб, прихваченнв*Х в скважинах, при капитальном ремонте скважин.

Значительный крутящий момент создает осевую сжимаю­ щую силу в резьбовом соединении, приводящую к последую­ щей деформации деталей замков.

Разрушение бурильных замков и муфт бурильных труб по телу

В процессе бурения или капитального ремон­ та скважин наблюдаются продольные и поперечные трещины по телу замковых деталей и муфт бурильных труб. Этот вид разрушения является следствием приложения значительных усилий, приводящих к довинчиванию деталей замка или муфт на трубы или неправильной термообработки (наличие зака­ лочных трещин, высоких закалочных напряжений).

верхности сопряжения трубы с замковой деталью (особенно на участке контакта торца трубы с внутренним уступом дета­ ли), обеспечивают герметичность соединения.

Применяются соединения с блокирующим пояском других конструкций, в которых резьба выполняется цилиндрической и конической. В некоторых конструкциях отсутствует кон ­ такт торца трубы с внутренним уступом замковой детали.

Конструкция соединения с блокирующим пояском кроме бурильных труб используется также для соединения ведущих труб с переводником (рис. 8.8). Промысловые испытания со ­ единений ведущих труб с блокирующим пояском показали их высокую работоспособность.

Увеличение глубин скважин и возросшие нагрузки, дейст­ вующие на бурильную колонну, привели к необходимости по­ вышения механических свойств элементов бурильной колон­ ны. Предел текучести бурильных труб превышает 1050 Н /мм2. С целью увеличения прочности бурильные замки изготовля­ ются из хромоникелевых и хромомолибденовых сталей.

Значительное влияние на работу бурильной колонны ока­ зывает уравновешенность ее вращающихся частей. В ротор­ ном бурении особое значение приобретает уравновешенность утяжеленных труб. С этой целью рекомендуется производить

муфту и визуальный осмотр резьбы

значительно повысить их уравновешенность, а тем самым увеличить надежность работы труб и резьбовых соединений. В турбинном бурении важна уравновешенность вращающихся частей турбобура, позволяющая уменьшить вибрации забой­ ного двигателя в процессе работы. Когда для борьбы с ис­ кривлениями скважины между турбобуром и долотом уста­ навливается утяжеленная труба, высокая степень уравнове­ шенности трубы оказывает существенное влияние на умень­ шение вибрации турбобура.

В качестве успешной профилактики сломов бурильных труб можно рекомендовать опыт нефтяников Ставрополь­ ского края, обобщенный в виде табл. 8.1.