книги / Трубы нефтяного сортамента

Испытательные давления для бурильных труб и колонн уста­

наВ.1JТваются руковод.ством бурового преДПРИЯТIIЯ исходя IIЗ усло­ вий рэботы БУРП.1ЬНОЙ КО.l0ННЫ. Если исключить случаи осложне­ HlIiI, Сl351занных с выбр{)сами, уходом глинистого раствора II др., то целостность и геР:VlеТIIЧНОСТЬ бурильной колонны могут быть на­

рушеI-JЫ в результате возникновения разности гидростаТlIчеСКIIХ

давле:-IИЙ ВНУТрИ колонны и в затрубном пространстве. Разность давлений возникает при прокачивании через колонну ГЛИНI~ТОГО

раствора в процессе бурения. Наибольшая ее величина определя­

ется дzвлением на выкиде, которое развивают применяющиеся бу­

ровые насосы. Обычно эти давления не превышают 30 МПа.

Испытуемые трубы выдерживают под давлением в течение 15- зо с. Ест! не обнаруживается течи или потения, трубы признаются

годными.

Для испытания свечей имеется несколько схем. На рис. 5.1 при­ ведена схема гидроиспытаний бурильных свечей, разработанная ПО «Саратовнефтегаз».

Арматура для опрессовки бурильных труб на буровой состоит

из трех основных узлов: пьедестальной муфты 1, сменной соедини­ те.ТIЬНОИ головки 11 и опрессовочной ГОЛОВКII 11[.

ПьедестальнуlO .муфту изготавливают из муфты замка ЗШ-178. В средней части муфты вваривается патрубок 3 для присоединения

нагнетате.1ЬНОЙ линии цементировочного агрегата. Замковой резь­

бой муфта обращена вверх, а в нижней части привариваются за­ глушка 2 и П.lита 1 с отверстиями для креплеНIIЯ муфты к. полу

буровой.

_

В заЗI!СИМОСТИ от размера испытуемых труб в пьедестальную

муфту ввпнчивается сменная соединительная головка JJ соответст­

вующего размера.

Соединительная головка состоит из переводника 4, в который

ввинчена 11 прпварена направляющая труба 5. На направляющую трубу свободно насажена закрепительная муфта 6, которая навин­

чивается на ниппель испытуемой бурильной свечи. Резиновая про­

кладка 7 служит для герметизации свечи снизу. Сверху труба гер­ меТIIзируется при помощи опрессовочной головки JJJ, которая ввин­

чивается в муфту испытуемой свечи.

Опрессовочная головка (рис. 5.2) состоит из корпуса 6 с укоро­

ченной замковой резьбой. В нижней части корпуса вмонтировано сеД,10 клапана 1 с клапаном тарельчатого типа 2 для спуска возду­

ха, вытесняемого по мере заполнения свечи технической водой.

Снаружи на корпус устанавливается стопорное устройство 3, рабо­

таЮЩ'С2 по Принципу обгонной муфты. Стопорное устройство состо­ ит ИЗ обоймы с шарнирными рычагами, трех роликов 4, находящих­ ся в J\.lJ!НОВИДНЫХ пазах обоймы, и шести ПРУЖIlН с толкателями.

В корпус 6 вставляется шток 7 с пружиной 5. Пружина штока под­

жимается гайкой. В верхней части корпуса навинчена и зафиксиро­ вана головка-КО.1пак 8. На верхнем конце штока 7 имеется стакан

9, который вместе с корпусом вращается на пальце 10 при отвин­

чивании бури.1ЬНОЙ свечи.

6* 3ак. 471

171

Рис. 5.1. Схема гидроиспытаний бурильных свечей

r

Рис. 5.2. Опрессовочная головка

Опрессовочная головка подвешивается на боковых рогах подъ­

е'много крана при помощи подвески 11 и двух скоб 12. Подвеска шарнирно соединена с пальцем 10.

Процесс испытаний. Испытание бурильных труб в буровой сов­

мещается с подъемом бурильного инструмента из скважины. Оп­

рессовка производится цементировочным агрегатом.

Кронблок с подвешенной и отрегулированной на боковых рогах

172

опрессовочной головкой и с элеватором на штропахподается вниз;.·

Элеватор надевается на поднимаемую из скважины трубу, и опрес­ совочная головка вручную ввинчивается в муфту трубы. Перед., ввинчиванием головки рычаги обоймы поднимаются в вертикаль­ ное положение. После навинчивания головки рычаги сразу же ус-· танавливаются.в горизонтальное положение. Затем бурильные тру­ бы поднимают на длину одной свечи и свечу отвинчивают обычным способом. При отвинчивании свечи корпус опрессовочной ГОЛОВКR вращается вместе со свечой, при этом стопорное устройство не пре­

пятствует вращению головки, так как ролики отходят в ШИрОКУI()

часть клиновидных пазов.

Отвинченную бурильную свечу торцом ниппеля устанавливают на резиновую прокладку упорного торца направляющей трубы оп­

рессовочной головки (см. рис. 5.1). Закрепительная муфта навин­

чивается на ниппель свечи. По установленному сигналу включает­

ся аргегат, вода заполняет свечу и вытесняет воздух через откры­

тый клапан головки. Когда уровень воды дойдет до клапана, Olfi

под давлением воды закрывается и удерживается в закрытом по-­

ложении в течение всего времени испытания свечи, т. е. 15-30 с..

В герметичности испытуемой свечи убеждаются по постоянству

давления в системе. В случае негерметичности свечи стравливают'

давление до НУШf и визуальным осмотром -определяют MeCTn-

утечки.

По окончании испытания открывают кран на агрегате и слива­ ют отработанную воду. За время опорожнения свечи рабочий от­ винчивает закрепительную муфту. После этого свеча приподнима­

ется и ниппелем устанавливается на шайбу предохранительнога

вкладыша, предварительно вставленного в муфту очередной тру­

бы, сидящей на роторе в клиньях. Далее бурильную свечу, уста­

новленную в предохранительный вкладыш, вращают ключом АКБ по часовой стрелке. Испытание свечой в буровой производится С

разрешения Госгортехнадзора.

Крепление труб в буровых

Надежность бурильной колонны в значительной степени опреде­

ляется прочностью и герметичностью резьбовых соединений. Со­

блюдение этих условий в буровых в основном зависит от момента затяжки замкового соединения и применения надлежащей смазки~

Момент затяжки замкового соединения бурильных труб следует рассчитывать из условия нераскрытия стыка соединения (упорного

торца муфты и уступа ниппеля замка) от осевых растягивающих нагрузок в верхней части колонны и изгибающего момента в ниж­ ней.

Момент затяжки определяют по формуле

(5.1)

17~

D cp -

где	Q:з - усилие затяжки, J,H;	d c - диаметр сечения, расположен­
ного на раССТОЯНИII 1/3 длины ниппе.1Я, считая от большего диачет­
ра,	1\1; D cp - средний диаметр	площади контакта упорного торца

муфтьf и уступа ниппеля, м; УС - угол подъема резьбы; (f - угол

трения, принимаемый равным 7>; МО - момент, необходимый д.'IЯ

свинчивания замка на величину натяга резьбы, кН· м.

Наибольшее усилие затяжки для бурильного замка труб, рас­ положенного у устья скважины, рассчитывается (в кН) из условия

нераскрытия стыка от осевых раСТЯГIIваЮЩIlХ' нагрузок из выра­

жения [14]

	(5.2)
где р - давление в колонне, МПа; Г" -	площадь соприкосновения
уступа ЮIПшtля и торца муфты, м2 ; РШil"S. -	максимальный допусти­
мый вес колонны у устья скважины, кН; (J..o=F2/(F 1+F2 ). Здесь

Е! - П.l0щадь сечения ниппе.1Я по первому ПО.1НОМУ витку, находя­

щемуся в сопряжении; Г2 -					площадь упорного торца	муфты.
Предельная допускаемая					осевая нагрузка (в кН)	определится
J;IЗ выражения
	Qи - 2,2·1O~ р Fо n					(5.3)
Ртах = -'-'-'---'----'-----''---
		n(1+0,1а)
где Qи -		осевая	нагрузка на ниппель, соответствующая преде.'lУ
текучести,		кН; n - коэффициент запаса прочности,				равный 1,5;
(J..=F~I.I (Fи+Fм)			[14];
						(5.4)
		Dcp	,
	1 + 2т '1']		ctg (~+ <р)

где Ь - толщина стенки ниппеля по впадине первого витка, нахо­ дящегося в сопряжении, мм; средний диаметр сечения в пло­ скост]! замера толщины стенки, мм; ит - преде,l текучести, l\lПа; 1- ;цпна сопряжения резьбы, мм; f3 - угол между опорной поверх­ ностью резьбы и осью соединения; т) = Ь/ (Ь+с) (с - толщина стеюш за плоскостью первого витка, находящегося в сопряжении).

В табл. 5.3 приводятся рекомендуемые усилия затяжки Qз, мо-,

менты затюкки замкового соединения бурильных труб М и допус­ каемая масса колонны Q.

Прпведенные в табл. 5.3 моменты затяжки создают в замке на­

пряжение в пределах (О,3-0,4):ит,

1\10\1енты эти не только исключают раскрытие стыка и обеспе­

чивают герметичность, но и повышают уста,10СТНУЮ прочность со­

единения. Мосленты затяжки по табл.5.3 могут быть уве.1Ичены на

=15%.

Mo~:eHT затяж:ки для соединений УБТ, работающих при перемен­

ном изгибе, определится, с одной стороны, из условия нераскрытия стыка под влиянием изгибающего момента, а с другой - из усло­ вия обеспеченин наибольшей усталостной прочности.

174

	Таблица		5.3
	Допускаемая нагрузка и моменты затяжки
,						ат =580 N1Па															а т		=750 МПа
		Тип	замка			Qз, кН				1м, кН,м I Q, т									Qз, кН 1м' КН'м I Q. т
	ЗН-95					470				4400					82				600				5600					107
	ЗН-I08					600				6400					118				770				8100					155
	ЗН-113					690				7400					115				880				9400					150
	ЗН-140					980				13400					200				1250				17200					263
	ЗН-172'					1500				25000					275				1930				32000					360
	ЗШ-133, ЗШК-133					730				9600					110				930				12000					145
	ЗШ-146					850				12000					140				1090				15500					. 185
	ЗШ-178, ЗШК-178					1270			22300						205				1620				28500					270
ЗШ-203						1450			29000					224					1850				37000					295
ЗУК-1О8						480			5100					69					610				6500			I		90
ЗУ-IО8, ЗУК-120						550	680							87					700				8700					114
ЗУ-146, ЗУК-146						860	12600							145					1090				16000					190
ЗУ-155, ЗУК-155						870	14000							150					1100				17500					195
ЗУ-185						1120	21200							200					1420				27000					263
		Первое условие достигается, если
Qз ,?>75.10-3 тс (D2_d 2) (100											~!		+2 р),															(5.5)
где		Qз -	усилие затя:жки,							кН;		D -				наружный диаметр замка, см;
d -		диаметр расточки в плоскости упорного торца муфты, см; f-
стре.1а прогиба					колонны,		см;				L -- длина							полуволны					изогнутой ко­

лонны, м; р - давление раствора, МПа.

для обеспечения наибольшей усталостной прочности усилие за­

тяжки УБТ, по экспериментальным данным ВНИИБТ, ДО,lЖНО

быть

Qз = (0,3 - 0,4) ат •

В табл. 5.4 приводятся значения Qз, соответствующие преде"lУ

текучести для опасного сечения ниппеля QH и для двух сечений

муфты УБТ (в плоскости первого полного витка, находящегося в

сопряжении, QM и по расточке муфты Q~I ) Р6].

Как видно из табл. 5.4, для труб диаметрами 108, 114, 133, 146, 219, 229, 245 мм слабое звено при затяжке - ниппель, для труб

диамеТрЮilИ 121, 159, 178, 203, 254 мм - муфта. Поэтому опти­

мальное усилие затяжки для первой группы должно определять.ся

ИСХОДЯ -из прочности ниппеля, а для второй группы - из прочности

муфты, т. е. по минимальному значению QmiП.

В табл. 5.5 приведены рекомендуемые моменты затяжки, полу­

ченные из условия, что усилие затяжки Qз= (0,3-0,4) QmiП. Мень­

шее значение принято для труб б6льших диаметров. Для УГ.1ерn­

дистой стали с ат = 450 МПа усилие затяжки принято равным

(0,35-0,45) QmiП.

Момент затяжки допускается увеличить на 20 %. Момент за­

тяжки контролируется моментомером.

·175

Таблица 5.4

~силия Qп, Qbf, Q ~ (В кН) дЛЯ УБТ (предел текучести {),т=450 МПа)

			Размер замковогоI
iPазыер УБТ. мм I				соединения
				3-86		1220			1400
108Х45							1430
1l4Х45				3-86		1220		I 189'0'	1870
121Х50				3-102		1920		1480	1380
133Х60				3-108		19.30		1900	1990
146Х75				3-121		2060		22ВО	2120
159Х80				3-133		2800		2490	2500
178Х90				3-1'47		3240		3'220	3240
203Хl00				3-171		4890		3800	3880
219ХII0				3-171		4240		579(}	6250
229Х90				3-171		5560		7080	7850
245ХI35				3-201		5350		6170	6360
254Хl00				3-201		8040		7460	7950

Таблица 5.5

'Рекомендуемые моменты затяжки УБТ (кН·м)

Размер УБТ. мм

<1•• МПа
l08х45	114Х45	121х50	133Х60	\46х75	159х80

		650	7500		7800	7650	1-3000	14900	19300
		450	5850		6100	6850	10300	11900	15700
							Продолжение табл. 5.5
						Размер	УБТ. мм
		ит• МПа
			178х90	I	203Х100	219Х110	229х90	245х135	245х100
		650	24500	I	33100	37900	49600	55000	76500
		450	19500		26700	30600	40000	44500	61800

.k

Для свинчивания бурильных замков необходимо применять над-

лежащую смазку, так как она в значительной степени влияет на

износостойкость и герметичность резьбовых соединений. Смазки для бурильных замков должны воспринимать большие удельные

давления и высокую температуру на поверхности резьбы при свин­

чивании замков (особенно в начале свинчивания), уплотнять за­ зоры в резьбе, легко наноситься на резьбу, сохраняться на поверх­

ностях резьбы длительное время. Использование для этих целей

солидола, машинного масла, мазута воспрещается. Указанным -требованиям отвечают смазки, содержащие металлические компо­

ненты (свинец, цинк, алюминий и др.).

Новые (неприработанные) резьбовые соединения рекомендует­

ся тщательно смазывать смазкой, содержащей до 60% металличе­

ских наполнителей (цинка, свинца, сернистого молибдена) и свин-

110

чивать с ограниченной скоростью, что позволяет исключить заед__

ние резьбы.

- .

ВНИИГазом и заводом им. Шаумяна разработаны смазки Р-113

и Р-416 (ТУ 38-101-708-78), выпускаемые заводом им. Шаумяна.

Уплотнительная смазка Р-113 предназначена для резьбовых соединенид деталей бурильной колонны (бурильных замков, утя­ желенных бурильных труб, переводников забойных двигателей и

др.), подвер,ающихся частому разъединению и используемых IIpI<J

бурении с температурами до 200 ос и при высоких удельных давле­

ниях на поверхности резьбы.

Приблизительное соотношение Macco~ыx долей компонентов смазок (%):

Жировая основа	.	•	• •	35	Окис}, свинца • i	i i	•	2
СР.;)ниr.тый свинец	.	•	•	5	Свинцовый порошок	•	• •	58

По сравнению с применявшимися для этой цели смесями соли­

дола или машинного масла с графитовым порошком или смазкой

УСсА (ГОСТ 3333-80) смазка Р-113 обладает высокими противо­

задирными, антифрикционными и противоизносными свойствами.

повышенной уплотнительной способностью, а также морозо- и тем­

пературостоЙкостью.

Для соединений утяжеленных бурильных труб, замков буриль­

ных труб при более низких температурах (до 1000 С) рекомендует­

ся применять смазку Р-416, отличающуюся от Р-113 составом жи­

ровой основы.

ГЛАВА 6

АВАРИИ С БУРИЛЬНОй КОЛОННОй И МЕРЫ БОРЬБЫ С НИМИ

Анализ аварий с трубами показывае~ что аварии в основном

происходят в результате разрушений труб, связанных с воздейст­ вием переменных нагрузок: переменных изгибающих напряжений. крутильных ударов, продольных, поперечных колебаний и др.

Крутильный удар наблюдается при работе долотом режущего типа, при быстром увеличении нагрузки, при переходе долота из мягкой породы в крепкую и при некоторых других условиях.

Переменный изгиб связан с вращением бурильной колонны. Ко­ лебания в значительной степени зависят от уравновешенности эле­ ментов бурильной колонны, однородности рззбуриваемой породы>

пульсации промывочной жидкости и др.

.

Аварии происходят также в результате размыва и значитель­

ного износа резьбовых соединений.

Слом труб по утолщенному месту

Поломка бурильных труб происходит обычно по первому витку резьбы, находящемуся в сопряжении с бурильным замком, в на­

правлении, перпендикулярном к оси трубы, и носит усталостный

характер.

177

Переменные нагрузки вызывают развитие усталостных трещин

с пос.lедующим разрушением трубы. Условиями, способствующими

возникновению и развитию трещин усталости, являются различные

дефекты материала (расслоения, структурная неоднородность),

резкие переходы на теле трубы (нарезка, запилы, риски и др.).

Целостность утолщенного конца трубы нарушается также в других сечениях, расположенных на различных участках резьбы.

ПОЛО:vIка в утолщенном месте в основном объясняется влиянием

нарезки, являющейся местом концентрации напряжений. Разруше­

ние труб по высаженному концу составляет около половины всех

.аварий с трубами.

В резьбовом соединении ведущей трубы с переводником наибо­ лее часто по,р,вергается поломке конец трубы по первому витку. Переменныенагрузки в сочетании с концентрацией напряжения во впадинах резьбы обусловливают усталостный характер сломов. Разрушению способствуют также неравномерный характер распре­ деления нагрузки по резьбе, отклонения элементов резьбы.

Для предотвращения подобных поломок необходимо повысить усталостную характеристику труб и улучшить условия их эксплуа­ тации. К мероприятиям этого рода относятся следующие:

1) применение бурильных труб с приваренными соединитель­

ными концами (ТБПВ); 2) использование соединений труб с бурильным замком, умень­

шающих переменные нагрузки, действующие на резьбу, например

труб с блокирующими (стабилизирующими) поясками - ТБНК, ТБВК;

3) приварка бурильных замков к трубам стандартной конст­

рукции;

4) использование для труб материалов с высокими показателя­

ми предела выносливости;

5) уменьшение искривления ствола скважины, gорьба с кавер­ lНообразованием, что ограничивает переменные напряжения;

6)обеспечение прямолинейности ведущей трубы;

7)применение рациональных диаметров и длин утяжеленных

бурильных труб;

8)обеспечение соосности вышки, ротора и устья скважины.

Слом труб по телу

На практике наблюдается несколько видов разрушения труб по телу: попе~ечный IjЗЛОМ, спиральный излом, разрушение в про­

дольном направлении.

Поперечный излом тела трубы обычно имеет усталостный ха­ рактер и вызывается концентрацией напряжения в местах повреж­ дений, перпендикулярных к оси трубы. К ним относятся: нанесен­ ное на трубу клеймо, поперечные риски, возникающие при работе OL клиньями, дефекты проката и др.

Поперечный излом наблюдается также у стыкосварных труб в зоне сварки и в зоне термического влияния сварки. Реже наблю-

178

дается сло~ из-за статических нагрузок, связанный с деф~ктом или со знаЧllте.1ЬНЫМ IlЗНОСОМ (в основном эксцентричным) труб.

Спиральный излом представляет собой разрушение трубы по

винтовой .1ИНШI. НапраВ"lенпе спирали совпадает с направ.1еЮlем

вращения. СппраJ1ЬНЫЙ ИЗ.10М начинается всегда с поперечной тре­ щины и имеет уста.10СТНЫЙ характер.

Разрушения труб в ПРОДо.1ЬНОl\1 направлении, как прави.l0, свя­ заны с д'ефекта:\1И проката (плены и др.) или со значитеJIЬНЫМИ

внутреННИ:ШI напряжениями, вызванными нарушениями технологи­

ческого режима проката и термообработки.

Размыв труб по телу

Размыв труб ПРОИСХОДIIТ в результате действия промывочной

жпдкости. РаЗ).IЫВ труб с внутренней поверхности вызывается де­

фектами на трубе. К НИ'\1 относятся расслоения мета:1ла, плены,

знаЧJIте.1ьпые не:Vlета.1лическпе включения, усталостные трещины

h др.

Наблюдается также раЗ;VJЫВ труб с приваре\нными соединитель­

ными концами вблизи сварного шва, что связано с наличием значи­ тельного внутреннего грата, оставшегося после сварки, или с обра­

зсваниe:vl трещины в зоне сварки.

С.'10М замкового соединения

РазрушеНIIе замковой резьбы бурильных замков и УБТ наблю­

дается в виде выкрашивания отде.1ЬНЫХ витков и поломки конуса

НJ!Ппе.1Я п:ш :\fУфты (рис. 6.1). Наиболее чаr.то витки выкрашива­

ются на участках, расположенных

у большего или меньшего конуса. Исс.1едование показа.10, что раз-

рушение реЗ!Jбы носит уста.l0СТНЫЙ

харакер, связанный с воздействи­

е'\! переменных нагрузок (изгиба­

ющего ;vюмента и др.), распреде­

ляющихся неравно:-.!ерно как по

длине резьбы, так и по окружно­

сти.

Реже наблюдается отлом ко­

нуса ниппеля. Ширина ОТЛО).Iан­

ных колец конуса ниппеля изме­

няется от одного последнего вит­ ка и доходит до отлома всего ко­

нуса.

Разрушению резьбового сое­ динения способствуют ОТК.'10нения элементов резьбы, в особенности

конусности, что приводит К y).IeHb- шению участка сопряжения и,

следовательно,	к уве.lичению	Рис. 6.1. Усталостныii издом ВИТ­
"дельных нагрузок на резьбу.		ков замковой реэь6ы

179

На разрушение резьбы также значительно влияет степень ее :износа. При изготовлении замковой резьбы с большим отрицатель­ 'ным натягом увеличиваются зазоры в резьбе и при недостаточном

моменте затяжки создается возможность относительного движения

>оСоприкасающихся сторон профиля при знакопеременном изгибе,

'что приводит к износу резьбы и способствует ее разрушению.

При изготовлении резьбы с положительным натягом, при кото­ ром резьба соприкасается по двум сторонам профиля, с одновре­

менным доведением уступа ниппеля и торца муфты до соприкос­

новения в процессе принудительного крепления уменьшаются уста­

лостные напряжения в резьбе.

Частые причины усталостных поломок - недостаточное крепле-

1ше замковых резьб.

~Размыв резьбового соединения труб

Размыв резьбы происходит как в замковом соединении (рис.

'6.2), так и в соединении трубы с замком (рис. 6.3) .в результате

,выхода промывочной жидкости через зазоры в резьбовом соеди­

нении. Значительный размыв может привести к c13bIBY резьбы с

последующей аварией.

Размыв резьбы наблюдается как по образующей конуса, так и

по винтовой линии. Размыв' по образующей происходит в резуль­

тате волнообразного движения жидкости по виткам в направлении

зазора, имеющегося вдоль образующей.

.

Причины образования зазора'н резьбе могут быть технологи­

ческого и эксплуатационного характера:

1) несоответствие между средними диаметрами резьбы ниппе­ ля и муфты на участке вдоль образующей конуса резьбы, что свя­ зано с технологией нарезания резьбы фрезерованием;

2)значительные отклонения элементов резьбы;

3)перекосы упорного торца муфты и упорного уступа ниппеля

замка;

4) свинчивание замка и трубы с цеочищенной резьбой, с повреж­

.;ценным упорным торцом муфты и уступом ниппеля;

5)применение некачественной смазки;

6)недостаточная величина крутящего момента свинчивания \Соединений (раскрытие стыка). '

Эти причины создают благоприятные условия для движения

жидкости в соединении.

Меры предотвращения размывов резьбового соединения­

улучшение технологии р.езьбонарезания, переход на многопроход­ ный способ нарезания, применение соответствующей смазки, горя­ чее крепление бурильных замков на трубы и свинчивание резьб

бурильных замков с крутящим .моментом необходимой величины.

Износ резьбы

В результате значительного износа резьбы происходит срыв

резьбы в соединении трубы с бурильным замком и в замковом со-

180