ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСТАЛОСТНОГО ИЗНОСА БУРИЛЬНЫХ ТРУБ

DETERMINATION OF FATIGUE WEAR OF DRILLING PIPES

Yavorsky Nikita Sergeevich

Student, Department of Oil and Gas Well Drilling, Tyumen Industrial University,

Russia, Tyumen

АННОТАЦИЯ

Бурильные трубы – один из основных элементов строительства скважин. В процессе бурения происходит их износ под влиянием различных факторов. Из-за неэффективных методов контроля текущего состояния труб возникает риск аварий и осложнений, связанных с промывами и сломами бурильных труб. Для своевременного определения критического износа бурильных труб необходимо использовать методики, учитывающие нагрузки, которые он испытывает в процессе строительства скважин. В качестве такой методики предлагается использовать методику на основе механики разрушения.

ABSTRACT

Drilling pipes are one of the main elements of well construction. During the drilling process, they wear out due to various factors. Due to ineffective methods of monitoring the current condition of the pipes, there is a risk of accidents and complications related to washing and breaking of the drilling pipes. To determine the critical wear of the drilling pipes in a timely manner, it is necessary to use methods that take into account the loads they experience during well construction. One such method is based on fracture mechanics.

Ключевые слова: усталостный износ; механика разрушений; эквивалентные напряжения; бурильные трубы; крутящий момент; бурение; износ.

Keywords: fatigue wear; fracture mechanics; equivalent stresses; drill pipes; torque; drilling; wear.

Бурильные трубы – один из основных элементов строительства скважин. В процессе бурения происходит их износ под влиянием различных факторов. Из-за неэффективных методов контроля текущего состояния труб возникает риск аварий и осложнений, связанных с промывами и сломами бурильных труб.

На сегодняшний день нет какой-либо общей утвержденной методики расчета износа бурильных труб. В справочном руководстве [1] описывается формула, в которой определяется условный износ труб в килограммах исходя из метров проходки по скважине (1):

;                                                 (1)

а – удельная норма расхода металла труб за 1 метр проходки (кг/м);

с – коэффициент буримости для данного района буровых работ;

δ – коэффициент, учитывающий влияние способа бурения и наклона ствола скважины на износ труб (турбинный для вертикальных = 1; турбинный для наклонно-направленных = 1,35; роторный = 1,65); l – проходка в интервале одной их секций колонны, м;

n – число секции бурильных труб, которая участвовала в бурении интервала l;

k – коэффициент, учитывающий увеличение износа труб по мере роста глубины скважины (2):

;                                                        (2)

H_i – глубина интервала, м.

Одна из проблем расчета износа бурильного инструмента - большое количество различных факторов, влияющих на этот износ и разный характер и степень влияния этих факторов на износ.

Одной их главных причин износа бурильных труб является наличие осевых, радиальных, изгибающих и вибрационных напряжений в процессе бурений и спуско-подъемных операций.

При большой кривизне наклонно – направленных скважин часто создаются усилия изгиба, которые могут превзойти прочность колонны бурильных труб в месте искривления. В процессе вращения бурильных труб в искривленных стволах скважин усталостные напряжения накапливаются до тех пор, пока не наступит усталостное разрушение. При эксплуатации оборудования не должны превышаться расчётные пределы напряжений. Остаточное динамическое воздействие критического искривления стволов скважин и его связь с усталостным напряжением колонны бурильных труб затрудняют определение безопасных для работы пределов напряжений.

Эксцентрический износ колонны бурильных труб может быть также вызван биением ее при критической скорости вращения и нагрузке на долото. В результате этого создаются условия, при которых бурильные трубы или замковые соединения (либо и те, и другие) находятся в непрерывном контакте с породой или обсадными трубами в процессе бурения.

Различные значений этих параметров при бурении делают оценку степени износа по метрам проходки и часам циркуляции несостоятельной, поскольку по проходке или циркуляции невозможно оценить степень износа бурильной трубы на конкретном интервале.

Износ в процессе работы бурильной трубы является усталостным, поскольку он носит накопительный характер в виде микротрещин и деформаций трубы.

Главный специалист по бурению в АО «ССК» Фомин О.И. в своей статье «ССК: Усталостное разрушение бурильных труб, его прогнозирование и профилактика» предлагает использовать для оценки усталостного износа параметр предельного количества циклов оборота бурильной трубы [2]. Для этого используется диаграмма Веллера, демонстрирующая зависимость предельного числа оборотов до разрушения от максимального напряжения изгиба и группы прочности металла (Рисунок 1).

Рисунок 1. Диаграмма зависимости числа оборотов до момента разрушения бурильной трубы от напряжения изгиба

Несмотря на удобство и простоту реализации вышеуказанной методики авторами статьи «Оценка остаточного ресурса бурильных труб при сложном напряженном состоянии» отмечаются ее недостатки: не учитывается влияние на усталостную долговечность при касательных напряжениях, а также существенное рассеяние расчетных долговечностей при низких изгибающих напряжениях [3].

Вместо нее они предлагают методику, основанную на механике разрушения твердых тел, и учитывающую все напряжения, возникающие в колонне бурильных труб через расчет эквивалентного напряжения.

Основные положения механики разрушения:

1) в процессе изготовления и эксплуатации под действием внешних факторов и различных механизмов деградации в материале возникают и развиваются дефекты;

2) комплексной характеристикой сопротивления усталости металлов и сплавов является кинетическая диаграмма усталостного разрушения (КДУР) (Рисунок 2).

Рисунок 2. Кинетическая диаграмма усталостного разрушения (КДУР)

Наибольший интерес представляет участок II – линейный участок, описываемый степенной зависимостью П. Париса. Период стабильного роста трещины (5·10-5<dl/dN<10-3 мм/цикл). Стадия циклической текучести (негомогенной деформации), в которой наблюдается негомогенная пластическая текучесть материала, аналогично деформации Людерса-Чернова при статической деформации.

В данной методике для бурильных труб определяется, что критический износ возникает тогда, когда глубина полуэллиптических трещин достигает толщины стенки трубы. В ходе преобразований получена формула, определяющая предельное количество циклов оборота бурильной трубы, позволяющая рассчитать для любых значений нормальных и касательных напряжений для труб разных марок стали количество оборотов трубы до достижения критического износа.

Особенностью предложенного метода является то, что для прогнозирования усталостной долговечности определенного элемента бурильной трубы при сложном напряженном состоянии достаточно иметь параметры уравнения П. Париса, полученные по результатам испытаний образцов материала используя стандартную методику. Как слабую сторону разработанной методики выделим упрощенную модель для определения коэффициента интенсивности напряжений у вершины трещины. Как видим, расчет не учитывает влияние замковой или трубной резьбы на величину КИН. Из этого следует, что использование изложенной методики предпочтительнее для прогнозирования остаточного ресурса бурильных труб при условии их разрушения вблизи высадки.

Список литературы:

1. Трубы нефтяного сортамента. Справочное руководство / Н. Н. Борзов, М. А. Гусейнов, И. Ф. Пивоваров [и др.]. — Москва : Недра, 1976. — 504 с.
2. Фомин О.И. ССК: Усталостное разрушение бурильных труб, его прогнозирование и профилактика // ROGTEC. - 2018. - С. 62-79.
3. Копей Б.В. Оценка остаточного ресурса бурильных труб при сложном напряженном состоянии / // Технологический аудит и резервы производства. - 2019. - № 1 - С. 62-79.