Причини і характер руйнування бурильної колони. Характеристика умов експлуатації замків бурильних труб

Аварії з бурильною колоною - явище досить часте в бурінні свердловин. Характерна їх особливість в тому, що вони відбуваються раптово і порушують технологію і режим проводки свердловин. Аварійний стан наступає як в період буріння (під час безпосереднього поглиблення або розширення свердловини), так і при спуско - підйомних операціях. Особливо важкими є аварії, пов'язані з порушенням цілісності колони при підйомі її з свердловини. Тяжкість аварії залежить від глибини польоту частини колони, що обірвалася.

Більш легкими вважаються аварії, викликані поломками деталей бурильної колони в процесі поглиблення свердловин. Бурильна колона безпосередньо спирається на забій і при порушеннях цілісності падіння і надмірних деформацій труб не відбувається. При достатній кваліфікації бурової бригади вдається швидко приєднати труби, що залишилися, за допомогою мітчика або дзвону і підняти їх на поверхню. При такій аварії зламана деталь бракується. Решта труб після гідравлічного пресування на буровій і ультразвуковій дефектоскопії може працювати далі.

Тяжкість аварії зростає із-за прилипання частини колони, що обірвалася, до стінок свердловини у зв'язку з припиненням циркуляції бурового розчину. Це явище в практиці буріння одержало назву прихвату. Вірогідність прихвату зростає із збільшенням часу нерухомості цієї частини бурильної колони.

Аналіз аварійності в бурінні показує, що близько 60% всіх аварій пов'язане з руйнуваннями бурильної колони. Хоча за останні роки значно підвищився рівень ремонту і експлуатації труб, загальна кількість аварій з бурильною колоною знижується повільно. Очевидно це пов'язано з щорічним зростанням глибин буріння свердловин і відповідним збільшенням статичних і динамічних навантажень.

Всі аварії з бурильними трубами залежно від причин, що їх викликали можна підрозділити на дві групи: аварії, пов'язані з абразивним зносом труб, і аварії через руйнування деталей бурильної колони.

Замки бурильних труб призначені для згвинчування колони бурильних труб. У міру поглиблення долота в породу, колону бурильних труб нарощують шляхом того, що нагвинчують черго ву свічку. Для заміни зношеного долота необхідно підняти колону і розібрати її. Ці операції супроводжуються багатократним згвинчуванням і розгвинчуванням різьбових з'єднань замків бурильних труб. При цьому замковые різьблення у присутності глинистого розчину піддається складному комплексному зношуванню, пластичній деформації, а інколи руйнується.

Основна схема зношування - ковзання двох металевих поверхонь, на які потрапляють тверді частки породи, що захоплюються із забою свердловини промивальною рідиною. Багатократне згвинчування і розгвинчування супроводяться тертям різьбових з'єднань труби і муфти при значній силовій дії у присутності рідини, що містить абразив. У зв'язку з цим на поверхнях тертя різьбових з'єднань замків відбувається зношування одночасно декількох видів, що значно ускладнює виявлення провідного вигляду зношування, визначення критерію оцінки зносостійкості матеріалів замків бурильних труб і пошук шляхів підвищення їх зносостійкості і довговічності.

Систематизація результатів спостережень і аналіз поверхонь тертя замків бурильних труб дозволяють в числі основних причин відмов цих різьбових з'єднань рахувати зношування, ускладнене специфічною схемою навантаження і присутністю на поверхнях тертя рідини і твердих абразивних часток. Зміна умов роботи різьбових з'єднань замків бурильних труб відбивається на характері зношування і зрештою на терміні служби цих деталей.

Присутність абразиву в зоні тертя зумовлює можливість абразивного зношування, а високий контактний тиск - поява задирів і схоплювання з подальшим розривом точкових зв'язків при розгвинчуванні і формуванням специфічного макрорельєфу на взаємодіючих поверхнях. Схоплювання при високому рівні силової дії може досягати таких розмірів, що розгвинчування різьбового з'єднання стає неможливим.

Досить поширена причина скорочення час у роботи замків бурильних труб - місцеве зношування, або так званий «розмив» замкових різьб в результаті виходу промивальної рідини, що містить абразив, через зазори різьбового з'єднання, причому розмив може бути орієнтований або по твірній конуса, або по гвинтовій лінії.

Зношування різьблення наводить до зміни її первинного профілю, а це у свою чергу змінює характер взаємодії поверхонь тертя і силову дію, що обумовлює розвиток зношування, зокрема питому роботу тертя і коефіцієнт тертя. Знос різьбового з'єднання і пов'язана з цим зміна профілю різьблення кратно підвищують питому роботу тертя і зрештою викликають заїдання і схоплювання різьбового з'єднання при згвинчуванні.

Разом із зношуванням різьбових з'єднань замків бурильних труб відбувається викришування, якому передує розвиток втомних тріщин. Крім того, необхідно враховувати, що зношування замків бурильних труб відбувається по зовнішніх і внутрішніх поверхнях при терті замків об стінку свердловини і під впливом потоку промивальної рідини, що містить тверді абразивні частинки.

Спрацювання зовнішньої поверхні бурильного замка може бути рівномірним по колу або одностороннє, а по твірній – замок має бочкоподібну форму, тобто значення спрацювання у торців замка вища, ніж у замковій різьбі.

Поверхня спрацьованих замків бурильних труб має вигляд шліфованої поверхні з наявністю царапин: борозд, глибиною до 0,1-0,2 мм. при ширині 0,3-1,2 мм. в основному і радіальному напруженнях.

У відповідності з умовами роботи, замок піддається наступним видам спрацювання: абразивне спрацювання закріпленим абразивом, абразивне спрацювання переміщаючими абразивними частинками, спрацювання пари тертя “метал замка – метал обсадної колони” в присутності абразивних частинок і бурового розчину, гідроабразивне спрацювання потоком промивальної рідини.

Вибір зносостійких сталей для виготовлення замків бурильних труб ускладнений необхідністю поєднання комплексу високих механічних властивостей, що одночасно забезпечують високий опір зношуванню різних видів, виключають поломку і зім'яття. Ці вимоги можуть бути задоволені при порівняно високих міцнісних характеристик сталі. Вибір сталі 40ХН для виготовлення замків бурильних труб не можна вважати найкращим. На особливу увагу заслуговує режим термічної обробки замків бурильних труб.

Експериментальні дані про зв'язок зносостійкості з іншими механічними характеристиками сталі показують, що для збільшення зносостійкості в умовах тертя ковзання по абразиву і металу необхідно підвищувати показники твердості і міцності до такого рівня, при якому можна виключити руйнування, пов'язані з втомою або крихкістю.

Якщо за умовами роботи не виявлятиметься руйнування, режим термічної обробки або метод поверхневого зміцнення слід призначати таким, аби забезпечити максимальне використання міцнісних характеристик сталі, оскільки при розглянутих видах зношування вищим характеристикам міцності відповідає вища зносостійкість.

Необхідно відзначити, що абразивне зношування устаткування і інструменту вельми поширене, а умови його прояву всілякі. Окрім розглянутих, абразивному зношуванню піддаються деталі багаточисельного бурильного устаткування: турбобурів, роторів, лебідок, вертлюгів, бурових насосів і ін.

При всій відмінності машин і умов їх роботи, при яких виявляється абразивне зношування, ознаки, механізм, основні закономірності і критерії зносостійкості будуть однакові, якщо цей вид зношування є таким, що переважає. Отже, при різних конструктивних особливостях, що впливають на характер навантаження і роботу деталей, схильних до дії абразиву, в характері їх зношування виявлятиметься певна спільність. Ця спільність обумовлена механізмом абразивного зношування, формуванням продуктів зношування в умовах мікроріжучої або багато разів деф ормуючої дії твердої абразивної частки на поверхню тертя [2].

Дата добавления: 2015-06-27