Файл: Аварии с элементами бурильных труб 2 Слом труб в зоне трубной резьбы 4.docx

Оглавление

Введение

Все аварии в бурении условно подразделяются на следующие виды: аварии с элементами колонны бурильных труб, прихваты бурильных и обсадных колонн, аварии с долотами, аварии с обсадными колоннами и элементами их оснастки; аварии из-за неудачного цементирования, аварии с забойными двигателями; аварии в результате падения в скважину посторонних предметов, прочие аварии. `

Аварии с элементами колонны бурильных труб — оставление в скважине элементов колонны бурильных труб (ведущих, бурильных и утяжеленных труб, переводников, муфт, замков, центраторов, амортизаторов, калибраторов) из-за поломок по телу на гладком участке, в зоне замковой резьбы или по сварному шву, из-за срыва по резьбовому соединению, а также в результате падения в скважину указанных элементов.

Прихваты бурильных и обсадных колонн — непредвиденная потеря подвижности колонны труб вследствие прилипания под действием перепада давления; заклинивания в желобах, в местах сужения ствола или посторонними предметами; в результате обвала или осыпания горных пород со стенок скважины или оседания шлама за счет нарушения режима промывки, а также из-за образования сальника на бурильной колонне.

Аварии с элементами бурильных труб

Наиболее часто аварии происходят с элементами колонны бурильных труб (бурильными, утяжеленными и ведущими трубами; переводниками, бурильными замками, муфтами, центраторами, стабилизаторами, калибраторами, противоприхватными опорами).

Многочисленными исследованиями и на практике доказано, что аварии, связанные с поломками элементов бурильной колонны, вызваны в основном усталостью металла, возникающей при частом изменении нагрузки и направления ее действия. Так как не все элементы бурильной колонны работают одинаково, то усталостное разрушение металла в первую очередь возникает в более напряженно работающих местах. Усталостные изломы подготовляются скрыто и наступают без всякого видимого изменения размеров и формы элементов бурильной колонны.

---

Внешне разрушение металла проявляется в возникновении трещин ультрамикроскопических размеров. Трещина зарождается в некотором микроскопическом объеме, называемом очагом усталостного разрушения, и разрастается по сечению изделия. Явление усталостного разрушения возникает в результате действия знакопеременного изгиба, крутильных ударов ‘и колебаний бурильной колонны. Знакопеременный изгиб — основной фактор, приводящий к образованию остаточных напряжений во время вращения бурильной колонны. Крутильный удар характерен для роторного бурения, особенно при работе с долотами режуще-скалывающего типа.

Продольные колебания бурильной колонны, возникающие главным образом при бурении шарошечными долотами, зависит от степени однородности и твердости разбуриваемых пород, пульсации бурового раствора, соответствия типа и диаметра долота разбуриваемым породам, компоновки бурильной колонны и ряда других факторов.

Если долота подобраны неправильно или параметры режима бурения не соответствуют механическим свойствам проходимых пород, то продольные перемещения влияют на прочность бурильной колонны.

При бурении в твердых породах долотами, предназначенными для разбуривания пород средней твердости, вибрация долот значительно увеличивается, что не только приводит к быстрой выработке зубьев на шарошках и опор долота, но и является источником чрезмерного колебания бурильной колонны. Колебания происходят и вследствие неравномерной подачи бурового раствора при работе поршневых насосов. В результате пульсации давления на выкиде насоса бурильная колонна получает дополнительные вынужденные колебания, которые при соблюдении частоты пульсации давления с частотой собственных колебаний колонны могут вызвать явление резонанса, опасное для прочности колонны труб.

Кроме указанных основных нагрузок, на развитие усталостных разрушений металла труб влияют технологические и конструктивные факторы. Возникновение усталостных разрушений ускоряется, если структура металла неоднородна и на наружной поверхности детали имеются резкие переходы в сечении, острые надрезы, неглубокие царапины, расслоения, незаметные на глаз инородные тела, включения ит. д.

При неправильном подборе параметров режима бурения и конструктивных недостатках элементов бурильной колонны, а также при неблагоприятных геологических и технологических особенностях бурения возникает много причин, вызывающих усталостные разрушения металла.

---

Несовершенство конструкций труб и резьбовых соединений, скрытые дефекты, образующиеся при изготовлении труб, отсутствие на буровых предприятиях приборов, повседневно контролирующих состояние элементов бурильных колонн, — все это может быть причиной аварии с бурильной колонной. Однако основные причины аварии с элементами бурильных колонн — нарушения технологии проводки скважин и правил эксплуатации.

Всех факторов, способствующих возникновению поломок элементов колонны бурильных труб, устранить нельзя, но необходимо стремиться их максимально снизить.

Причины аварий этого вида более наглядно видны при рассмотрении их по группам.

Слом труб в зоне трубной резьбы

Эта группа аварий характерна для труб типа В — труб с высаженными внутрь концами, на которые нарезается трубная коническая резьба (восемь витков на 25,4 мм) для соединения с бурильным замком, а также для труб из легких сплавов — ЛБТ, у которых трубы с замком соединяются с помощью трубной конической резьбы.

Резьба способствует образованию трещин в теле трубы, особенно при малых закруглениях радиуса. Чем меньше радиус закругления, тем больше возможность образования трещин при прочих равных условиях. Там, где резьба имеет острые углы, в металле образуются ультрамикроскопические трещины. Поэтому в трубных резьбах наблюдается больше изломов, чем в замковых. Увеличение толщины стенки трубы путем высадки не предохраняет от распространения начавшегося трещинообразования в теле трубы.

Крупная резьба, соединяющая замковый ниппель и замковую. муфту, не образует резких переходов. При соединении трубы с замком трубной резьбой упор отсутствует, поэтому на участке перехода резьбы от полного сопряжения к неполному: концентрируются опасные напряжения. В этом месте действует изгибающий момент. Таким образом, сочетание переменных нагрузок и концентрации напряжений способствует распространению усталостных трещин в глубь трубы, ослаблению сечения трубы и обусловливает усталостный характер сломов.

Слом в утолщенном конце трубы приходится в основном на третью — пятую нитку резьбы у сбега ее на трубе. На аварийной трубе остается от трех до пяти витков резьбы. При изучении сломов по торцу труб наблюдаются две зоны разрушения: первая зона является зоной предварительного разрушения и соответствует участку распространения усталостной трещины; вторая зона — зона окончательного разрушения под действием статических нагрузок. Иногда усталостные трещины распространяются по нескольким виткам н в наиболее ослабленном из них происходит слом.

---

Стальные трубы типа В и трубы из легких сплавов, имеющие трубную коническую резьбу для соединения с замком, — самые аварийноопасные, с ними происходит больше аварий. Поэтому принимаются меры к снижению выпуска труб с такими резьбами и по замене их трубами с трапецеидальной резьбой и уплотнительными поясками для соединения с бурильным замком, а также трубами с приваренными полузамками типа ТБПВ.

Опыт бурения с трубами, имеющими трапецеидальную резьбу, показывает правильность выбранного направления. Так, на Кольской сверхглубокой скважине, где при бурении применяли трубы из легких сплавов с трапецеидальной резьбой для соединения с замком, полностью исключены аварии в зоне присоединительной резьбы. Распространению начавшегося трещинообразования, ускоряющего слом элементов бурильной колонны, способствовали следующие нарушения и недостатки.

• 
  Недостаточная длина утяжеленных бурильных труб.
  
• 
  Установка над УБТ труб из легких сплавов без достаточной
  

длины наддолотного комплекта стальных труб — источник аварии.

• 
  Установка над УБТ труб повышенной прочности групп Е, К, Л и др. вместо требуемой установки наддолотного комплекта труб группы прочности Д.
  
• 
  Установка над УБТ небольшой длины труб группы прочности Еи легкоплавных труб.
  
• 
  Работа бурильной колонны в осложненных условиях с большой кривизной ствола.
  
• 
  Несоответствие диаметра бурильной колонны диаметру долота являлось неоднократной причиной аварий.
  
• 
  Продольные трещины.
  

Массовое применение ультразвуковой дефектоскопии для выявления дефектов в трубах сборной конструкции позволило существенно снизить число аварий с ними. Хотя бурильных труб в комплекте колонны в десятки раз больше, чем утяжеленных, число аварий с последними в районах бурения скважин на глубины 4—7 тыс. м составляет около 30 %. Почти все аварии с УБТ связаны с поломкой их по замковой резьбе ниппелей и муфт.

Частые случаи поломок ниппелей и муфт утяжеленных бурильных труб, переводников и ведущих труб по замковой резьбе однотипны. Причины их кроются в несвоевременной проверке труб неразрушающими методами контроля (на многих буровых эта проверка не проводится вообще) и в несвоевременной перенарезке отработанных ниппелей и муфт.

В каждом буровом предприятии встречаются, хотя и единичные, случаи

---

поломок ведущих труб. Как правило, эти аварии свойственны ведущим трубам сборной конструкции, у которых на концы, имеющие треугольную трубную резьбу, навинчиваются переводники с замковой резьбой под бурильный замок. Безупорное соединение ведущей трубы с переводником способствует быстрому развитию очагов усталостного разрушення. Это послужило основанием для изготовления упорных соединений переводников с ведущими трубами Резкому сокращению аварий с ведущими трубами послужило изготовление ведущих труб с замковой резьбой.

Разрушение трубных и замковых резьбовых соединений

Резьбовые соединения разрушаются главным образом вследствие их размыва и износа.

При спускоподъемных операциях визуально обнаруживаются размытые резьбовые соединения и изношенные замковые резьбы, поэтому многие аварии можно предупредить. В процессе бурения на размыв резьбового соединения указывает снижение давления и температуры циркулирующего бурового раствора.

Как отмечалось, при работе на забое бурильная колонна подвергается различным знакопеременным напряжениям. Колебания нижней части бурильной колонны. особенно велики при проходке твердых пород. Недокрепление соединения способствует интенсивному перемещению плоскостей резьбы относительно друг друга, что ускоряет износ резьбы.

Неотцентрированный по отношению к скважине фонарь вышки, а также плохого качества смазка для труб способствуют ускорению износа резьбы при ее свинчивании.

Много аварий происходит вследствие износа резьбовых соединений УБТ, поскольку они работают в самых тяжелых условиях. Кроме того, резьба на соединениях УБТ слабее резьбы на замках, переводниках и долотах, так как она, как правило, не подвергается термической обработке, УБТ изготовляют из стали группы прочности Д, менее прочной, чем сталь 40ХН для замков и переводников. Как отмечалось, на качество резьбы влияет и качество нарезки ее. На УБТ приходится очень часто перенарезать резьбы, а, следовательно, чаще пользоваться примитивными приспособлениями — обычными стержневыми резцами. Тяжелые условия работы УБТ, низкая их прочность, неполное свинчивание, плохое качество нарезки резьбы — основные причины, которые приводят к авариям вследствие срыва резьбовых замковых соединений.

В равной мере это относится и к отдельным переводникам, которые изготовляют из бывших в работе УБТ или из заготовок. Если аварии со срывом замковой резьбы в

---