книги из ГПНТБ / Мамедов, А. А. Нарушения обсадных колонн при освоении и эксплуатации скважин и способы их предотвращения

ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ НАРУШЕНИИ ОБСАДНЫХ КОЛОНН ПУТЕМ ДЕФЕКТОСКОПИИ ТРУБ

Промысловые исследования показывают, что значительная часть аварий с обсадными колоннами вызывается действием внутреннего давления при низком качестве труб.

Разрушение труб происходит в упругой области в резуль­ тате дефектов металлургического происхождения: наличия в теле труб плен, закатов, трещин и т. д. Попадание дефектных труб на нефтепромыслы можно объяснить невыполнением тре­ бования ГОСТ 632—64 об отсутствии дефектов в трубах и ма­ лой эффективностью существующей системы контроля труб.

Для определения пригодности обсадных труб при эксплуа­ тации необходимо осуществлять эффективный контроль их пу­ тем дефектоскопии.

ОБЗОР И АНАЛИЗ ПРОМЫСЛОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

В работе С. А. Ширин-Заде на основе изучения аварийной статистики приведены виды нагрузок, вызывающие нарушения обсадных колонн, и относительные количества нарушений, со­ ответствующих этим нагрузкам. Установлено, что под дейст­ вием внутреннего давления произошло 43,6% всех нарушений.

На внутреннее давление, как на одну из основных причин нарушения обсадных колонн, указано в работе [48], где рассмот­ рены 24 случая аварий, происшедших при освоении и эксплуа­ тации газовых и газоконденсатных скважин. Из них в пяти слу­ чаях произошло разрушение обсадных труб по образующей под действием внутреннего давления, что составляет 21% от об­ щего количества.

Все 12 нарушений обсадных колонн, описанных в работе [44], также являются следствием разрушения обсадных труб, нагру­ женных внутренним давлением.

Примеры разрушения обсадных труб от внутреннего давле­ ния приведены также в работах [5, 16, 35, 83, 88]. В этих рабо­ тах, помимо основных сведений о размерах и прочности мате­ риала аварийных труб, указаны: внутреннее давление, при кото­ ром произошло разрушение; внутреннее давление, при котором напряжения в теле трубы достигают предела текучести мате-

150

риала, соотношение этих давлений, а также вид операции, при выполнении которой труба разрушилась.

Из указанных работ видно, что разрушению подвергаются ■обсадные трубы всех наиболее применяемых групп прочности: Д, К, Е. Аварийные трубы имеют диаметры 146 и 168 мм, тол­ щины стенок от 7 до 14 мм, что соответствует размерам экс­ плуатационных колонн.

Обращают на себя внимание величины давлений, при кото­ рых происходят разрушения аварийных труб: расчетные давле­ ния в 2—4 раза превосходят разрушающие. Имеются также трубы, у которых отношение расчетного давления к разрушаю­ щему равно 5,8; 7,7; 8,6; 12,0.

В связи с тем, что нагрузки, вызывающие аварии с обсад­ ными трубами, относительно малы, при изучении разрушив­ шихся труб всегда возникало предположение о низких прочно­ стных свойствах их материала. Для проверки правильности это­ го предположения из аварийных труб в продольном направле­ нии вырезали образцы, с помощью которых определялись ме­ ханические свойства материала. Наибольший интерес пред­ ставляют значения предела текучести, так как последний вхо­

удлинения материала аварийных труб с значениями относи­ тельного удлинения для материала труб, отобранных случайно из серийной продукции, то можно увидеть, что отклонения от норм стандарта имеются <в обоих случаях.

При изучении причин разрушения аварийных труб помимо характеристик, обусловленных стандартом, как правило, до­ полнительно определяются величины окружных остаточных на­ пряжений и относительного сужения материала.

Для указанных аварийных обсадных труб также определили значения окружных остаточных напряжений. Величины окруж­ ных остаточных напряжений этих труб имеют большие рас­ хождения. Так, например, у труб группы прочности Е из стали марки 38ХНМ величины окружных остаточных напряжений не превосходят 300 кгс/см2. Это объясняется тем, что указанные трубы проходят термическую обработку, благодаря чему оста­

151

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

размеров дефекта и от его расположения по отношению к на­ правлению распространения ультразвуковых колебаний.

Магнитный метод дефектоскопии основан на рассеивании магнитного поля около дефекта, расположенного на поверхно­ сти магнитопровода. Поэтому, намагничивая изделия с плав­ ными линиями контура и отыскивая места выхода магнитного

мой детали. На поверхности детали наводятся вихревые токи. Если в детали имеется дефект, выходящий на поверхность, со­

окраске, если в жидкость добавлен краситель, или по свечению в ультрафиолетовых лучах, если в жидкость добавлен люми­ нофор.

Капиллярный метод требует сравнительно больших трудо­ вых затрат и громоздких приспособлений.

Рентгеновский метод дефектоскопии состоит в просвечива­ нии изделий рентгеновскими лучами различной жесткости. С помощью этого метода надежно выявляются пустоты, края которых не прижаты друг к другу. .

Для контроля обсадных труб могут быть использованы все описанные методы дефектоскопии.

Первым серийным отечественным прибором, предназначен­ ным для обнаружения несплошностей в обсадных трубах, был переносный электроиндуктивный дефектоскоп ПЭД-1. Этот токовихревой прибор позволяет обнаруживать дефекты, выхо­ дящие на внутреннюю поверхность обсадных труб. Создан также аналогичный прибор для контроля наружной поверхно­ сти обсадных труб.

Выявление дефектов по всей толщине стенки труб можно осуществлять ультразвуковым дефектоскопом марки УКТ-1А.

Опрессовку труб, нашедшую широкое применение при их контроле, можно также рассматривать как один из видов де­ фектоскопии. Как вид дефектоскопии, опрессовка обладает не­ достатками. Она менее производительна, чем, например, электромагнитный или ультразвуковой методы дефектоскопии.

157

Кроме того, возможности опрессовки ограничены давлением, вызывающим в теле трубы напряжения, по величине прибли­ жающиеся к пределу текучести материала. Последний недо­ статок особенно существенен, так как способность трещин уве­ личиваться при ударах и других перегрузках вызывает необ­ ходимость отбраковывать трубы с некоторым запасом проч­ ности.

Применение дефектоскопии для контроля обсадных труб выдвигает ряд проблем. Прежде всего это проблемы необходи­ мой чувствительности аппаратуры и идентификации ее показа­ ний размерам дефектов.

Чувствительность методов дефектоскопии различна. С уве­

при осмотре невооруженным глазом количество труб, у кото­ рых обнаруживаются плены, колеблется от 0,7 до 1,8%. Ис­ пользование дефектоскопа, позволяющего находить несплош-

эксплуатации непригодных труб или к неоправданному выбра­ ковыванию значительной их части.

Указанные выше проблемы, возникающие при дефектоско­ пии, были отчетливо выявлены в процессе контроля обсадных труб с помощью дефектоскопа ПЭД-1. Обсадные трубы для проверки были предоставлены УРБ Азнефтеразведка. Трубы

•отбирали из различных партий, поступающих для опрессовки. Всего было проверено 80 труб различных размеров и групп прочности.

В процессе датчик прибора помещали в полость трубы и продвигали по всей ее длине. Когда датчик достигал дефект­ ного места, на экране прибора появлялся характерный сиг­ нал. Сигнал исчезал после того, как датчик выходил за пре­ делы участка трубы, содержащего дефект. На трубах у начала и конца дефектных участков ставили метки. Расстояние между

•метками служило предварительной оценкой длины дефекта. Дефекты обнаружили у семи труб разных размеров. Отмеченные при контроле участки труб были вырезаны и

обследованы. Во всех отобранных патрубках обнаружили де­ фекты металлургического происхождения (типа трещин). Все дефекты выходили на внутреннюю поверхность труб. Непо­ средственное измерение длины дефектов производили по их следу на поверхности труб.

Чтобы определить глубину проникновения дефекта в теле трубы, из средней по длине дефекта части трубы вырезали кольцо, которое шлифовали и подвергали макротравлению.

158

Глубину дефекта измеряли на шлифе в радиальном направ­ лении.

Размеры обнаруженных с помощью прибора дефектов при­ ведены в табл. 19.

Т а б л и ц а 19

разрезки трубы и измеряемые после разрезки, близки друг к

ДРУГУДля выявления соответствия между показаниями дефекто­

скопа и глубиной проникновения дефекта в тело трубы прове­ ли специальные опыты. С этой целью на Азербайджанском тру­ бопрокатном заводе им. В. И. Ленина отобрали 10 заведомо дефектных патрубков с расслоениями, выходящими на внут­

настройки (усиление по вертикали и горизонтали, зазор между

прибора и фиксировали получаемые при этом показания. Сиг­ налом о наличии в трубе дефекта служит появление пики на экране осциллоскопа, имеющегося в электронном блоке прибора. Дефектограммы, соответствующие выбранным ме­ стам, переносили на кальку, где измеряли высоту и ширину

159