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

Чтобы проверить правильность получаемых значений р для материала труб и применимость разработанной методики, экс­ перименты проводили параллельно на патрубках из насосно­ компрессорных труб и плоских образцах (дисках). Методика проведения экспериментов и теоретические расчетные форму­ лы для определения р с помощью дисков детально разработа­ ны и опробированы в [42]. Патрубки из насосно-компрессорных труб и диски были изготовлены из одинакового материала и подвергнуты термообработке по одному и тому же режиму. В процессе термообработки происходило значительное упроч­ нение материала.

Разработка методики проведения экспериментов

Для проведения экспериментов был создан стенд, позво­ ляющий испытывать патрубки на внутреннее давление (рис. 37). Стенд включал плунжерный насос i, компенсатор 2,

предназначенный для уменьшения колебаний давления в си­ стеме во время работы насоса, и приспособление 3, на котором монтировались разрушаемые патрубки. Перед манометром 4 располагался демпфер 5, предохраняющий манометр от по­ вреждений при скачкообразном падении давления в системе в момент разрушения патрубка. Демпфер представлял из себя резьбовую втулку с ввернутым в нее штифтом. При разруше­ нии патрубка стрелка манометра, двигавшаяся вначале быст­ ро, в конце шкалы замедляла свое движение и в нулевое по­ ложение возвращалась плавно.

170

Схема приспособления для разрушения патрубков пред­ ставлена на рис. 38. Внутрь испытываемого отрезка трубы 1 помещен стержень 2. По каналу стержня (2) жидкость, пода­ ваемая насосом, поступает в полость между стержнем и па­ трубком. Полость герметизируется с помощью распорных ко­ лец 3, манжет 4 и гаек 5.

Рис. 38. Приспособление для разрушения внутренним давле­ нием патрубков с трещиной

В процессе испытания патрубки доводили до разрушения, при этом фиксировали разрушающее давление. Работа велась с насосно-компрессорными трубами диаметром 60,3 мм с тол­ щиной стенки 5 мм, изготовленными из трубной стали марки 36Г2С. Выбор диаметра был сделан из соображений удобства проведения экспериментов. Учитывали также общность техно­ логии изготовления труб нефтяного сортамента, близость отно­ шений диаметра и толщины стенки у труб диаметрами 60,3; 146 и 168 мм, а также аналогичность применяемого материала.

В средней части отрезка трубы по одной из образующих создавалась трещина. Методику создания трещины разработа­

зуются переменные нагрузки, приводящие к усталостному раз­ рушению, распространяющемуся на часть сечения образца. Применяют также пластическое деформирование материала до появления в нем вязких надрывов [13]. Кроме того имеются методы создания трещин в процессе испытания. При этих ме­ тодах трещины получают разрушением хрупких участков об­ разцов.

Из перечисленных способов получения искусственных тре­ щин приемлемым для труб оказался метод вязких надрывов. Получение усталостной трещины вдоль одной образующей свя­ зано с преодолением значительных технических затруднений. Инсценирование трещины в процессе испытания не дает воз­ можности установить ее первоначальные размеры [88].

7* 171

ле осуществления взрыва в вершинах надреза появились тре­ щины нужной длины. В качестве заряда использовался дето­ нирующий шнур ДШВ.

Для получения трещины большой длины надрез наносился фрезерованием. В остальных случаях с этой целью использо­ вали сверление и запиливание лобзиком. Режим специальной

чтобы получить хрупкое разрушение патрубков по возможно­ сти при меньшей длине трещины. Режим завершающей термо­

ках изнутри закрывали стальной пластинкой, изогнутой в со­ ответствии с кривизной внутренней полости трубы. На пла­ стинку с помощью клея наклеивали лоскут плоской резины. Длину и ширину резинового лоскута выбирали большими, чем соответствующие размеры стальной пластины. Перед началом испытания резину и стальную пластину удерживали на внут­ ренней поверхности патрубка клеем. Во время испытания гер­ метизация достигалась благодаря высокому давлению, созда­

с искусственными дефектами различной длины. Патрубки раз­

растала до 40—42 Rc.

Длины трещин и давления, при которых произошли разру­ шения патрубков, приведены в табл. 21.

Патрубки разрушались по образующей, вдоль которой располагалась первоначальная трещина. При этом вершины

172

Для подтверждения сказанного приведем результаты изу­ чения распределения близкой к р характеристики материала труб — ударной вязкости. Образцы Менаже для определения ударной вязкости вырезали из тела трубы в тангенциальном направлении так, что каждый следующий образец распола­ гался вплотную к предыдущему. Расстояние между образца­

вершины трещины. Поэтому все сказанное относительно распре­ деления величины ударной вязкости может быть отнесено к величине р. В связи с этим, становится понятным происхождение разброса, полученного при определении р материала с помощью патрубков, вырезанных из разных участков трубы, с трещина­ ми, хаотически расположенными по ее периметру.

На рис. 41, где по оси абсцисс отложена длина трещины, а по оси ординат — разрушающее давление, в виде квадрати­ ков представлены результаты испытания патрубков. При этом показаны также результаты, относящиеся к патрубкам, у ко­

висимостью (304). Обращает на себя внимание близость экс­ периментальных точек к теоретической кривой при Х<2,7 см, а также чередование знаков отклонения точек от кривой, что свидетельствует о применимости выбранной методики прове­ дения экспериментов.

175

Определение плотности эффективной поверхностной энергии материала труб с помощью плоских образцов

С целью проверки приемлемости разработанной методики определения плотности эффективной поверхностной энергии материала труб проведено также испытание образцов, имею­ щих форму диска, по известной методике i[42].

Для этого использовали трубы размером 146X12 мм из той же стали марки 36Г2С, из которой были изготовлены насосно­ компрессорные трубы. Диски диаметром 45 мм и толщиной 5 мм вырезали так, как пока­ зано на рис. 42. Таким обра­ зом, марка стали и толщина

прессорных труб. Согласно ме­ тодике в центре каждого дис­ ка просверливали отверстие диаметром 3 мм. В диамет­ рально противоположных точ­ ках отверстия делали радиаль­ ные запилы остро заточенным надфелем.

Так как величина плотности эффективной поверхностной энергии должна зависеть от направления распространения тре­

щины, то запилы делали по диаметру диска, совпадающему с образующей поверхности трубы, что соответствует расположе­ нию искусственной трещины в испытывавшихся ранее патрубках.

После закалки и отпуска диски подвергали переменному по величине сжатию. В результате сжатия в вершинах надрезов появлялись усталостные трещины, длина которых зависела от длительности нагружения. Переменное по величине сжатие дисков осуществляли на машине Шеппер, снабженной вибра­ тором. Экстремальные нагрузки составляли 2,5 и 9 тс. Число циклов, необходимое для создания трещин разной длины, из­ меняли от 30 000 до 50 000 при частоте колебаний 4 Гц. Диски с созданными в них трещинами показаны на рис. 43.

После создания трещин диски окончательно термообрабатывали по режиму: закалка от 1000° С в воде с выдержкой при этой температуре 1 ч; отпуск при 180° С в течение 1 ч, охлаж­ дение на воздухе. Следует отметить, что режим окончательной термообработки дисков-также не отличается от соответствую­ щего режима термообработки патрубков. Испытание дисков состояло в разрушении их сжатием. Для этого использовали машину типа «Шеппер». Нагружение дисков отвечало схеме,

176

Сравнивая средние значения плотности эффективной по­ верхностной энергии закаленной и отпущенной стали марки 36Г2С, полученные при испытании патрубков и дисков, можно увидеть, что они близки друг к другу. Имеющееся различие невелико, составляет 2,0 кг*см/см2 и находится в пределах ошибки измерения.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ ТРУБ С ДЕФЕКТОМ И РАЗРАБОТКА КРИТЕРИЕВ ДЛЯ ДЕФЕКТОСКОПИИ ОБСАДНЫХ ТРУБ

По разработанной и опробированной методике определена плотность эффективной поверхностной энергии материала труб наиболее распространенных групп прочности Д и К. Используя полученные значения плотности эффективной поверхностной энергии материала можно найти критерии, позволяющие раз­ браковывать обсадные трубы с помощью дефектоскопической аппаратуры.

Определение плотности эффективной поверхностной энергии материала труб групп прочности Д и К

Искусственные трещины создавали взрывом. Предвари­ тельно в патрубках фрезеровали надрезы, в вершинах которых при взрыве появлялись трещины. Затем патрубки герметизи­ ровали, для чего на их внутреннюю поверхность в зоне трещи­ ны накладывали металлические и резиновые прокладки. В про­ цессе испытания фиксировали внутреннее давление, при кото­ ром начиналось распространение трещины.

Все патрубки испытывали в состоянии поставки, без до­ полнительной термообработки. Изучению подвергали трубы размером 146X11 мм, групп прочности Д и К. Выбор изучав­ шегося материала обусловлен широким использованием ука­ занных труб при компоновке эксплуатационных колонн неф­ тяных и газовых скважин.

На наружную поверхность патрубков перед испытанием нанесли две поперечные риски, отмечавшие концы искусствен­ но созданного дефекта. С повышением внутреннего давления края трещины постепенно расходились, а ее концы приобрета­ ли форму острых углов с вершинами на рисках. После того как давление достигло критической величины, трещина начи­ нала медленно распространяться в обе стороны, пересекая риски. Затем движение ее концов убыстрялось. Распростране­ ние трещины прекращалось после того, как патрубки оконча­ тельно разрушались. Осмотр изломов показал, что их поверх­ ность располагается перпендикулярно поверхности патрубков. Изломы не имеют кристаллических участков. Скосы по краям изломов почти полностью отсутствуют.

178

Для расчета плотности эффективной поверхностной энер­ гии материала труб была использована формула (304).

В эту зависимость помимо р и 1, измеренных в процессе экспериментов, входит также величина .остаточных напряжений (Л. Поэтому у всех патрубков, подготовленных к испытанию, были определены остаточные напряжения. Остаточные напря­ жения определяли на образцах с толщиной стенки 11 мм по ме­ тодике [25]. От каждого патрубка отрезали по три кольца высо­ той 12 мм.

После измерения наружных диаметров кольца разрезали на фрезерном станке и производили повторное измерение диамет­ ров. Значение gi определяли по формуле (297). Результаты расчетов остаточных напряжений для патрубков приведены в

Д в несколько раз превосходят остаточные напряжения, кото­ рые обнаружены у труб группы прочности К. Это различие в ве­ личинах Gi связано с тем, что трубы группы прочности К про­ ходят нормализацию, а трубы группы прочности Д поставля­ ются в состоянии проката. При нормализации происходит сня­ тие остаточных напряжений у труб группы прочности К, тогда как у труб группы прочности Д сохраняются остаточные напря­ жения, создающиеся в процессе проката.

179