Циклическая прочность замковых резьбовых соединений утяжеленных бурильных труб большого диаметра тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.06, кандидат технических наук Кахадзе, Мераб Жораевич

• Кахадзе, Мераб Жораевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кахадзе, Мераб Жораевич

Введение

Глава 1. Замковые резьбовые соединения, применяемые в бурильной технике

1.1 Условия эксплуатации бурильной колонны и ее элементов

1.2. Особенности конструкции и методы повышения циклической прочности ЗРС. ^

Глава 2. Объект исследования, оборудование и методика испытаний

2.1. Объект и цель исследования

2.2. Испытательное оборудование и аппаратура.

2.3. Методика проведения испытаний

Глава 3. Результаты натурных испытаний на усталость образцов утяжеленных бурильных труб с замковым резьбовым соединением ^

3.1. Испытания образцов с резьбовым соединением типа REG

3.2. Испытания образцов с резьбовым соединением типа NC

3.3. Испытания образцов с резьбовым соединением типа NC

3.4 Кинетика развития усталостных трещин

3.5 Влияние "тренировки" на усталостную прочность резьбового соединения УБТ

Глава 4. Расчет напряженно - деформированного состояния и цик- ^ лической прочности ЗРС

4.1 .Оценка напряженного состояния замковых резьбовых ^ соединений бурильных труб

4.2.Расчетная оценка сопротивления ЗРС малоцикловой и многоцикловой усталости. 109 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Циклическая прочность замковых резьбовых соединений утяжеленных бурильных труб большого диаметра»

В настоящее время, во всем мире, огромное внимание уделяется бурению глубоких и сверхглубоких скважин. При этом, обеспечение работоспособности элементов бурильных колонн, приобретает первостепенное значение, так как стоимость бурильных колонн при таких глубинах, сопоставима со стоимостью всей буровой установки. В современных бурильных конструкциях наиболее слабым элементом являются упорные резьбовые соединения, применяемые в бурильных трубах, утяжеленных бурильных трубах (УБТ), в буровых инструментах и в забойных двигателях. По статистике известно, что 80% всех аварии с замковыми резьбовыми соединениями (ЗРС) связано с их усталостным разрушением или статическом разрушении при кручении. Надо отметить, что стоимость ликвидации аварии, связанных с разрушением ЗРС исчисляется в сотни тысяч долларах, по этому очевидно, что исследование сопротивления усталости замковых резьбовых соединений и изыскание путей его повышения весьма актуальна.

Исходя из вышеизложенного целью, работы является:

1. определение характеристик сопротивления усталости натурных замковых резьбовых соединений утяжеленных бурильных труб типа 65/8" REG; 75/8" REG, NC 56; NC 70, имеющих наружный диаметр 210-240 мм на базе до 10 циклов нагружения;

2. оценка влияния на циклическую прочность зарезьбовой разгружающей канавки (ЗРК), степени затяжки резьбы ЗРС при сборке, характеристик механических свойств конструкционных материалов ЗРС.

Для достижения данной цели, в работе решены следующие задачи исследования:

1. разработать методику и провести натурные циклические испытания ЗРС с ЗРК различной глубины;

2. осуществить численное моделирование напряженного состояния ЗРС и анализ процессов локального деформирования в наиболее нагруженных зонах при сборке ЗРС и в условиях действия эксплуатационных нагрузок;

3. с использованием теории подобия усталостного разрушения выполнить оценку влияния на пределы выносливости ЗРС начальных сборочных напряжений, механических свойств применяемых конструкционных материалов;

Заключение диссертации по теме «Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры», Кахадзе, Мераб Жораевич

Выводы

1 .Впервые проведены натурные усталостные испытания ЗРС диаметром 209,6 мм с резьбой 65/8" REG и NC 56 а также ЗРС диаметром 241,3 мм с резьбой 75/8" REG и NC 70 при чистом изгибе; получены кривые усталости по моменту образованию трещины и окончательному разрушению ЗРС.

2. Пределы выносливости исследованных типов ЗРС, выраженные в напряжениях и в нагружающем моменте были оценены значениями а,= 72 МПа, М.]= 63,8 кНм для образцов 65/8" REG; аА= 93,1 МПа, M.j= 83 кНм для образцов NC 56; а, = 74 МПа, М!= 100,5 кНм для образцов 75/8" REG; а, = 78,5 МПа, M.i=l 08,1 кНм для образцов NC 70 (все стандартного исполнения). сг, = 110 МПа, М!= 99 кНм для образцов с резьбой NC 56 с зарезьбовой канавкой ЗР + ЗВ; <т, = 85 МПа, Mi=l 17,2 кНм для образцов с резьбой NC 70 с зарезьбовой канавкой 6Р + 6В.

3.Разработана методика испытаний полномасштабных образцов с замковым соединением ниппель-муфта на резонансных испытательных установках производства ЦНИИТМАШ типа УП-200 и УП-300, обеспечивающая необходимую точность поддержания параметров нагружения, а также регистрацию момента зарождения и кинетики развития трещины.

4. Исследовано влияние геометрии зарезьбовой разгружающей канавки на циклическую долговечность ЗРС различного типа. Установлены размеры ЗРК, обеспечивающие повышение предела выносливости до 50%.

5. Предложены мероприятия, обеспечивающие повышение циклической прочности ЗРС - проведение предварительной "тренировки" ЗРС - нагружения с амплитудой напряжений несколько ниже предела выносливости, позволяющей за счет приработки повысить долговечность ЗРС до 3,5 раз, а также предварительной перегрузки ЗРС при свинчивании, обеспечивающей создание во впадинах резьбы благоприятных остаточных сжимающих напряжений.

6.Разработаны конечноэлементные модели ЗРС с зарезьбавыми канавками и без них и выполнен анализ локального напряженно-деформированного состояния в наиболее нагруженных зонах ЗРС при свинчивании и действии эксплуатационных нагрузок. Показано, что при установленных в настоящее время моментах свинчивания ЗРС и применяемых материалах при свинчивании-развинчивании ЗРС во впадинах резьбы возникают знакопеременные упруго-пластические деформации.

7.На основе численного моделирования исследовано влияние на величину среднего напряжения цикла и амплитуду локальных напряжений в канавках резьбы степени затяжки ЗРС при свинчивании и механических свойств конструкционного материала. Показано, что при заданном уровне номинальных напряжений с увеличением степени затяжки ЗРС амплитуда локальных напряжений во впадинах резьбы уменьшается, а среднее напряжение цикла увеличивается.

8.С использованием теории подобия усталостного разрушения исследовано влияние степени затяжки ЗРС, механических свойств конструкционного материала на предел выносливости. Установлен уровень затяжки ЗРС, обеспечивающий максимальное значение предела выносливости.

9.Показано, что при оценке ресурса ЗРС необходимо учитывать процесс накопления повреждений не только от многоцикловой усталости, обусловленной низкоамплитудными эксплуатационными нагрузками, но и от малоцикловой усталости вследствие повторного свинчивания-развинчивания ЗРС при монтаже и разборке соединения. Установлено допустимое число циклов свинчивания-развинчивания, не приводящее к образованию трещин от малоцикловой усталости.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кахадзе, Мераб Жораевич, 2007 год

1. Айзупе Э.А. Измеритель напряжений в бурильных трубах при роторном бурении. - Тр. Всесоюзный. Научно исследовательский институт разработки и эксплуатации нефтепромысловых труб, Куйбышев, 1978, вып. 10, Нефтепромысловые трубы, с. 35-37

2. РД 39.7/1-0001-89 Инструкция по расчету бурильных колонн. Всесоюзно научно исследовательский институт разработки и эксплуатации нефтепромысловых труб, Куйбышев, 1986, 130 с.

3. Семин В.И. Работоспособность замковых резьбовых соединений бурильной колонны при многократном свинчивании. Дис. канд. техн. наук, М., ВНИИБТ, 1987, 220 с.

4. Джафаров К.И. Малоцикловое усталостное разрушение верхней части бурильной колонны. Дис. к-та техн. наук, Грозный, 1987, 220 с.

5. Lubinsky A. Dinamic Loading of Drill Pipe During Tripping. Journal of Petroleum Technology, August, 1988.

6. Аскеров М.Ю., Шахбазбеков К.Б. К исследованию влияния формы ствола на напряженное состояние бурильной колонны. Изв. вузов, Нефть и газ, 1973, №12, с. 19-22

7. Вальдман И.Я., Норин В.Н., Пестрина И.В. О влиянии поперечных колебаний турбобура на усталостую прочность его вала и корпуса. Изв. вузов, Нефть и газ, 1980, №4, с. 18-20

8. Васильев Ю.С., Сивохина Н.Б., Бронзов А.С. Допустимые отклонения стволов скважин от проекта. М.: Гостоптехиздат, 1963, 152 с.

9. Керимов З.Г., ГнилкеВ., МамедоваП.М. Определение долговечностибурильных труб по критерию циклической прочности с учетом нагрузок при спуско-подъемных операциях. Изв. вуз. "Нефть и газ", 1977, №3,с.101-106

10. Козаченко Н.Е. Вопросы надежности бурильных колонн. Обзор инф., М.,ВИЭМС, 1978, 54 с.

11. Лачинян JI.A. О влиянии переменного кручения на сопротивление усталости бурильной колонны. РНТС "Машины и нефт. оборудование", 1981, №6, с. 27-29

12. Лачинян Л.А. Работа бурильной колонны. М.: Недра, 1979, 207 с.

13. Сароян А.Е. Теория и практика работы бурильной колонны. М.: Недра, 1990, 236 с.

14. Султанов Б.З., Ишемгужин Е.И., Шаммасов Н.Х. Работа бурильной ко лонны в скважине. М.: Недра, 1973, 216 с.

15. Лачинян Л.А., Угаров С. А. Конструирование, расчет и эксплуатация бурильных геологоразведочных труб и их соединений. М.: Недра, 1975, 228 с. (133).

16. API RP 7G, Recommended practice for Drill Steam Design and Operating Limits. Fourteenth edition, August, 1990.

17. Сароян А.Е. Бурильные колонны в глубоком бурении. М.: Недра, 1979, 231с.

18. ГОСТ 27834-88 Замки приварные для бурильных труб (технические условия). Госстандарт СССР, М., 1988, 22 с.

19. ГОСТ 28487-90 Резьба коническая замковая для элементов бурильной ко122лонны. Госстандарт СССР, М., 1990, 11 с.

20. ГОСТ 5286-75 Замки для бурильных труб. Госстандарт СССР, М., 1975, 24с

21. ГОСТ 7918-75 Замки для геологоразведочных бурильных труб диаметром 50 мм. Госстандарт СССР, М., 1975, 10 с.

22. API SPEC 7, Specification for Rotary Drilling Equipment. Thirty-seventh edi tion, August, 1990.

23. Щербюк Н.Д. Вопросы изготовления и свинчивания резьбовых соединений турбобуров и электробуров. Сб. Новости нефтяной техники, сер. Нефтепромысловое дело, М., Госинти, 1960, №5, с. 20-23

24. Щербюк Н.Д., Якубовский Н.В. Резьбовые соединения труб нефтяного сортамента и забойных двигателей. М.: "Недра", 1974, 250 с.

25. Altman Т. Umlaufbiegeverbindern an Modrll-Gewindererbindern fur schwer stangen "Erdoel und Kohle", 1960, N 3-5.

26. Trahman L. E. Methods for improvement of drill collar joints evaluated by full size fatique test. "Petrolium Engineer", 1953, v. 25, № 2.

27. Кудрявцев И. В., Щербюк Н. Д., Газанчан Ю. И. Усталостная прочность резьбовых соединений больших диаметров. Исследования по упрочне нию деталей машин. Под редакцией И . В. Кудрявцева. Издательство" Машиностроение", Москва, 1972. с. 15-24.

28. Яцкевич С. И., Балабанов Н.А. Машина резонансного типа для испытаний коленчатых валов на усталость. Сб. трудов ЦНИИТМАШа, кн. 63. М., Машгиз.

29. Кудрявцев И. В., Саввина Н. А. Сопротивление усталости крупных пла стинчатых деталей и методы его повышения. "Вестник машиностроения", 1959, № 1.

30. Якушев А. И. Влияние технологии изготовления и основных параметров резьбы на прочность резьбовых соединений. М., Оборонгиз, 1956. 189 с.

31. Танкибаев М.А. Желобообразование при бурении скважин. Алма-Ата, Казахстан, 1974 г.

32. Сароян А.Е. Бурильные колонны в глубоком бурении. М.: Недра, 1979, 231с.

33. Барышников А. И. Повышение прочности и долговечности замковых резьбовых соединений бурильной колонны. Дис. доктора технических наук. М., 1998.

34. Щербюк Н. Д. Новые типы резьбовых соединений утяжеленных буриль ных труб. Трубы ВНИИБТ, вып. XIV. М., "Недра", 1965.

35. Биргер И. А. Расчет резьбовых соединений. М., Оборонгиз, 1959.

36. API RP 7А1, Recommended practice for testing of thread compound for Ro tary Shouldered Connections. First edition, November, 1992.

37. Кудрявцев И. В. Наумченков Н. Е. Усталость сварных конструкций -Минск: Высшая школа, 1975. 352 с.

38. Артемьев В. И., Васильченко Г. С., Кахадзе М. Ж., Мазепа А. Г. Методика оценки сопротивления усталости утяжеленных бурильных труб (УБТ). Научно-технический журнал. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. Москва, №6 2003. с. 11-14.

39. Когаев В.П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени. М. .'Машиностроение, 1993г.

40. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок (ПНАЭ Г-7-002-86).

41. Барышников А.И. Работоспособность резьбовых соединений бурильной колонны при циклическом нагружении. Дис. к-та техн. наук, М., 1984, 220с.

42. Барышников А.И., Измайлова Н.Б. Использование метода конечных элементов при оценке напряженного состояния элементов бурильнойколонны. Сб. статей, НПГП «ГЕРС», ВНИГИК, Тверь, 1994, с. 88-91.

43. Барышников А.И., Измайлова Н.Б Исследование напряженного состояния упорных торцев замковых резьбовых соединений. Сб. науч. тр., Контактное взаимодействие твердых тел, Калинин, КГУ, 1988.

44. Барышников А.И., Щербюк Н.Д., Газанчан Ю.И. Работоспособность замковых резьбовых соединений бурильной колонны. Часть 1: Статическое нагружение. НТЖ, Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море, №7-8,1995.

45. Барышников А.И., Щербюк Н.Д, Газанчан Ю.И. Работоспособность замковых резьбовых соединений бурильной колонны. Часть 2: Динамическое нагружение. НТЖ, строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море, №9,1995.

46. Биргер И.А., Иосилевич Г.Б. Резьбовые соединения. М.: Машиностроение, 1973, 254 с.

47. Биргер И.А., Иосилевич Г.Б., Ардеев Ж.А. Влияние размеров и формы резьбы на выносливость резьбовых соединений. Вестник машиностроения, 1970, №3.

48. Влияние крутящего момента свинчивания на сопротивление усталости замковых резьбовых соединений. (Щербюк Н.Д., Газанчан Ю.И., Барышников А.И. и др.) Нефт. хоз-во, 1987, 310.

49. Влияние размеров зарезьбовых канавок на сопротивление усталости замковых резьбовых соединений. (Щербюк Н.Д., Газанчан Ю.И. Барышников А.И., Чернов Б.А.) РНТС «Машины и нефт. Оборудование»,1983, №9, с. 21-23.

50. Газанчан Ю.И. Исследование усталостной прочности крупных конических резьбовых соединений.-Дис. к-та техн. наук, М., 1975,163 с.

51. ГОСТ 23026-78. Металлы. Метод испытания на многоцикловую и малоцикловую усталость. Госстандарт ССР, М., 1978, 40 с.

52. ГОСТ 23207-78. Сопротивление усталости. Основные термины, определения и обозначения. Госстандарт СССР, М., 1978, 48 с.

53. ГОСТ 11708-82 Основные нормы взаимозаменяемости. Резьба. Термины и определения. Госстандарт, М., 31с.

54. ГОСТ 27.002-83 Надежность в технике. Термины и определения. Госстандарт СССР, М., 1983, 30 с.

55. Казанцев А.Г., Кахадзе М.Ж., Семин В.И., Газанчан Ю.И. Напряженно-деформированное состояние и циклическая прочность замковых резьбовых соединений бурильных труб. Строительство нефт. и газ. скв. на суше и на море. №6,2003, с.28-32

56. Касимов И.Ф. Исследование резьбовых соединений бурильной колонны. Дис. канд. техн. наук, Баку, Индустр. ин-т им. Азизбекова, 1959 г.

57. Киссельман Л.И., Маху нов Н.Г. Некоторые причины разрушения бурильных колонн в глубоких скважинах и пути их устранения. Нефтяное хоз-во, 1976, №2, с. 23-27

58. Кудрявцев И.В., Газанчан Ю.И. Сравнительная оценка сопротивления усталости углеродистой и легированной сталей на крупных деталях. -Вестник машиностроения, 1971, №1

59. Кудрявцев И.В., Газанчан Ю.И., Тимонин В.М. Влияние размеров резьбовых соединений на их усталостную прочность. Вестник машиностроения, 1974, №3.

60. Кудрявцев И.В., Наумченков Н.Е., Саввина Н.М. сталость крупных деталей и машин. -М.: Машиностроение, 1981, 240 с.

61. Лачинян Л.А.Исследование характера усталостного излома бурильных труб в зависимости от запаса прочности по переменным нагруз кам. Экспресс-инф., Техн. и технол. геол.-разв. работ; орг. пр-ва, ВИЭМС, 1981, №7, с. 13-19

62. Леенсон М.А., Симкин Е.Л. Особенности затяжки ответственных резьбовых соединений больших диаметров. Вестник Машино строения, 1968, №10.

63. Леенсон М.А., Симкин Е.Л. Способ затяжки резьбового соединения большого диаметра предварительным растяжением шпильки. -Вестник машиностроения, 1967, №3.

64. Мочернюк Д.Ю. Исследование и расчет резьбовых соединений труб, Применяемых в нефтедобывающей промышленности. М.: недра, 1970, 135с.

65. О выборе крутящего момента свинчивания замковых резьбовых соединений. (Щербюк Н.Д., Газанчан Ю.И., Чернов Б.А. и др.). Тр. РМИТС, Львов, 1980, №17, Разведование и разработка нефтяных и газовых месторождений, с. 41-45. (155).

66. О накоплении усталостных повреждений в бурильной колонне. (Алексеев Л.М., Васильев Ю.С., Исаченко Л.Е. и др.). Нефт. х-во, 1976, №2,с. 34-35

67. Песляк Ю.А. Расчет напряжений в колоннах труб нефтяных скважин. М.: Недра, 1973, 216 с.

68. Проверка качества и состояния УБТ (реферат с англ.). ЭЙ, ВИЭМС, Бурение, 1978, №9, с. 16-19.

69. Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы испытанийна многоцикловую усталость деталей машин, элементов конструкций и полуфабрикатов. Методич. рекоменд. (2-я редакция). Минск, 1980,27 с.

70. Расчеты на прочность деталей машин. Справочник (3-е издание, перераб. и доп.). /Биргер И.А, Шорр В.Д., Иосилевич Г.Б./. М.: Машиностроение, 1979,702с.

71. РД 39-013-90 Инструкция по эксплуатации бурильных труб. Всесоюз.науч.-исследов. ин-т разработки и эксплуатации нефтепромысловых труб, Куйбышев, 1990,227с.

72. Семин В.И., Чайковский Г.П. Методика определения эксплуатационного ресурса замковых резьбовых соединений на буровом стенде-скважине. Строительство нефт. и газ. скв. на суше и море №6,2003, с. 15-17

73. Семин В. И. Экспериментальные исследования замковых резьбовых соединений на многократное свинчивание на буровом стенде-скважине. Строительство нефт. и газ. скв. на суше и море. №6,2003,18-22.

74. Семин В.И. Характер нагружения витков при свинчивании замкового резьбового соединения. Строительство нефт. и газ. ,скв. на суше и море. №6,2003, с. 33-36.

75. Серенсен С.В., Когаев В.П., Шнейдерович .М. Несущая способность и расчеты на прочность. М.: Машиностроение, 1975,480 с.

76. Угаров С.А. Экспериментальное исследование статической прочности и выносливости замковых соединений бурильных геологоразведочных труб.- Дис. канд. тех. Наук, М., 1969,180 с.

77. Угаров С.А. Лачинян J1.A., Андриенко С.Н. Экспериментальное исследование влияния предварительной затяжки на выносливостьзамковых соединений. РНТС, Машины и нефть. Оборудование, ВНИИО1. ЭНГ, 1967, №11, с. 31-34.

78. Хейвуд Р.Б. Проектирование с учетом усталости (перевод с англ.). М.: Машиностроение, 1969, 500 с.

79. Щербюк Н.Д. Крутящий момент свинчивания резьбовых соединений турбобуров. Нефт. х-во, 1974, №2, с. 12-15.

80. Щербюк Н.Д., Барышников А.И., Измайлова Н.Б. Математическоемоделирование замковых резьбовых соединений с использованием методаконечных элементов. ЭЙ, Стр-во нефт. и газ. скв. на суше и на море, ВНИИОЭНГ, 1992, №9.

81. Щербюк Н.Д., Газанчан Ю.И., Барышников А.И. Вопросы выносливости замковых резьбовых соединений бурильной колонны. Нефт. х-во, 1982, №4, с. 28-30.

82. Щербюк Н.Д., Газанчан Ю.И., Барышников А.И. Расчет на выносливость резьбовых соединений бурильных труб при бурении глубоких скважин. -Нефт. х-во, 1986, №4

83. Щербюк Н.Д., Газанчан Ю.И. Барышников А.И. Расчет утяжеленных бурильных труб на выносливость. Нефт. х-во, 1982, №9, с. 18-19.

84. Щербюк Н.Д., Газанчан Ю.И. Барышников А.И. Эксплуатация бурильных труб и разрушение резьбовых соединений. Обзор ВНИИОЭНГ, сер. Бурение, 1986, 58 с.

85. Щербюк Н.Д., Дубленич Ю.В., Лисканич М.В. Накопление усталостных повреждений в резьбовых соединениях бурильных колонн принерегулярном нагружении. ЭЙ, Машины и нефт. оборудование,

86. ВНИИОЭНГ, 1985, №12, с. 15-20.

87. Щербюк Н.Д., Якубовский Н.В. Новые виды резьбовых соединений труб нефтяного сортамента за рубежом. Обзор, Трубное пр-во, М., Черметинформация, 1989, №1,

88. Щербюк Н.Д., Семин В.И., Газанчан Ю.И., БарышниковА.И Влияние крутящего момента свинчивания на сопротивление усталости замковых резьбовых соединений. Нефт. х-во №10,1987, с. 20-21.

89. Hauk V., Hillemann Н, Koehler Н. Переменные напряжения, возникающие от крутящего момента и продольных усилий бурильных труб.- Erdoel und Kohle-Petrochemie, №7,1965, s. 514-523.

90. Noble W.B., Gillert G.I., Marsshell S.G. К вопросу о величине момента, требуемого для свинчивания замковых соединений разных размеров -Drilling 56 VIII, 17, №9.