Повышение износостойкости резьбовых соединений

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. КОНСТРУКЦИИ БУРИЛЬНЫХ ТРУБ

1.1 Бурильные трубы

2. УСТРОЙСТВО ЗАМКОВОГО СОЕДИНЕНИЯ

3. ТИПЫ ЗАМКОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ

4. ЭКСПЛУАТАЦИЯ БУРИЛЬНЫХ ТРУБ

5. ФАКТОРЫ РАЗРУШЕНИЯ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ

ВЫВОД

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ

Как известно, вращающийся буровой инструмент внедряется в породу под действием осевой нагрузки, а также ударов, наносимых с помощью специальных механизмов с определенной частотой. Кроме того, действующие с достаточно большой частотой импульсные нагрузки реализуют дополнительную энергию, за счет которой увеличивается объем разрушаемой породы. Таким образом, вышеизложенное обуславливает получение более эффективных показателей бурения скважин в породах средней и выше средней крепости (f=6...14) по сравнению с чисто вращательным или ударным способами.

Процесс передачи импульсных нагрузок на забой носит волновой характер. При нанесении удара бойком по колонне бурильных труб (штанг) формируется волна упругой деформации (силовой импульс), которая переносит энергию бойка к породоразрушающему инструменту.

Основной проблемой при применении вращательноударного способа бурения является недостаточная работоспособность бурильных труб и, прежде всего, соединительных узлов, которая приводит не только к необходимости увеличения производства и расхода стали, но и вызывает большие потери времени на замену вышедших из строя труб. В связи с этим необходимо разработать такую конструкцию соединительного узла, которая позволила бы увеличить работоспособность колонны труб и повысить производительность труда при бурении скважин.

Резьбовое соединение состоит из двух штанг, соединенных между собой ниппелем, по всей цилиндрической поверхности которого выполнена резьба, например трапециевидная, прямоугольная. Конец ниппеля, обращенный к забою скважины, имеет дорезьбовую часть с внешней конической поверхностью, которая жестко закреплена в буровой штанге посредством ее радиального обжатия. При этом кромка торца дорезьбовой части ниппеля не выступает за пределы наименьшей внутренней окружности отверстия обжатия штангой. Для повышения надежности закрепления ниппеля в штанге, на коническую поверхность дорезьбовой части нанесены продольные бороздки, канавки и т.п. А на концевых участках штанг выполнены кольцевые проточки, что позволяет исключить радиальные нагрузки на витки резьбы ниппелем на концевые участки штанг.

1. КОНСТРУКЦИИ БУРИЛЬНЫХ ТРУБ

Здесь приведено описание бурильных труб, главным образом, для глубокого эксплуатационного и разведочного бурения. Сведения по бурильным трубам для структурно-поискового бурения могут быть получены из специальной литературы.

1.1 Бурильные трубы

Рассматриваемые бурильные трубы подразделяются по материалу:

стальные бурильные трубы;

легкосплавные бурильные трубы.

По конструктивному исполнению стальные бурильные трубы сборной конструкции изготовляются следующих типов:

с высаженными внутрь концами (В);

с высаженными наружу концами (Н);

с высаженными внутрь концами и коническими стабилизирующими поясками (ВК);

с высаженными наружу концами и коническими стабилизирующими поясками (НК).

Трубы этих типов выпускаются по ГОСТ 631 - 75 с наружным диаметром, толщиной стенки и длиной. Кроме того, по ТУ 14-3-713 - 78 выпускаются трубы типа ВК диаметром 139,7 мм и толщиной стенки 9, 10, 11 мм из сталей групп прочности Д, К, Е. ГОСТом установлены допустимые отклонения труб по длине, диаметру, толщине стенки, массе и др.

Две трубы длиной 6 м предварительно соединяются между собой соединительной муфтой в колено (двухтрубку).

Труба имеет на концах наружную мелкую (трубную) резьбу, а соединительная муфта - внутреннюю мелкую резьбу. Соединение бурильных труб длиной 8 м и 11,5 м, а также двухтрубок в свечи осуществляется с помощью бурильных замков.

Бурильные трубы с высаженными концами и соединительные муфты к ним показаны а профиль трубной резьбы по ГОСТ 631 - 75 - на рис. 6.3. Трубная резьба имеет треугольный профиль с углом при вершине 60°. Впадины и вершины профиля закруглены. Биссектриса угла профиля перпендикулярна оси трубы. Шаг резьбы составляет 3,175 мм, поэтому на длине 25,4 мм (одного дюйма) размещаются 8 ниток. Конусность, определяемая как удвоенный тангенс угла ф между образующей конуса резьбы и осью трубы, составляет 1:16.

Трубная резьба непригодна для частого и быстрого свинчивания и развинчивания, недостаточно износостойка. Поэтому соединение и разъединение труб (также колен) в свечи осуществляется с помощью бурильных замков.

Спуск и подъем бурильной колонны производится с разборкой ее на свечи. Бурильные замки состоят из замкового ниппеля и замковой муфты. На одном конце замковых деталей нарезается трубная резьба для присоединения их к трубе, а на другом - крупная резьба, называемая замковой для соединения замковых деталей между собой. Форма и размеры трубной резьбы для соединения замковых деталей с бурильной трубой соответствуют резьбе соединительных муфт. Замковая резьба имеет треугольный профиль с углом при вершине 60°, биссектриса угла перпендикулярна оси замка. Вершины витков резьбы срезаны, а впадины закруглены.

В зависимости от типа замка и диаметра трубы, для которой предназначен замок, конусность замковой резьбы составляет 1:4 или 1:6, а число ниток на длине 25,4 равно 5 (шаг 5,08 мм) или 4 (шаг 6,35 мм), Все нитки замковой резьбы имеют одинаковый профиль. Большая конусность и крупный шаг дают возможность быстрого и многократного свинчивания - развинчивания свечей при СПО, а длина замка обеспечивает возможность перенарезки резьбы при ремонте замка. Коническая резьба имеет натяг и более надежна против самоотвинчивания, в большей мере обеспечивает взаимозаменяемость деталей и компенсирует погрешности нарезки.

Для трубной резьбы натяг определяется как расстояние между трубным торцом соединительного элемента и концом сбега резьбы после свинчивания вручную. При последующем машинном креплении или креплении горячим способом (после нагрева замковых деталей до 400 - 450 °С) край муфты должен совпасть (с допустимыми отклонениями) с концом сбега резьбы. Такое крепление обеспечивает плотность резьбовых соединений, предупреждает самоотвинчивание.

Герметичность безупорного соединения трубы с замковой деталью обеспечивается за счет натяга, упругого деформирования витков резьбы и вязкой смазки.

2. УСТРОЙСТВО ЗАМКОВОГО СОЕДИНЕНИЯ

Резьбовое соединение буровых штанг состоит из ниппеля и буровых штанг, концы которых имеют внутреннюю цилиндрическую резьбу . Ниппель представляет собой пустотелый цилиндр, по наружной поверхности которого выполнена цилиндрическая резьба, например трапециевидная, прямоугольная. Конец ниппеля, обращенный к забою скважины, т.е. по ходу движения ударного импульса, имеет дорезьбовой участок, который выполнен в виде наружной конической поверхности. Эта часть жестко закреплена в буровой штанге посредством ее радиального обжатия. При этом внутренний диаметр обжатия 6 не превышает диаметр кромки торца дорезьбовой части ниппеля. Для увеличения механической прочности соединения ниппеля и буровой штанги в месте обжатия 6 на наружной конической поверхности дорезьбовой части выполнены неровности, например в виде продольных канавок, бороздок (на чертеже не показано), при этом на концевых участках штанг, выполнена кольцевая проточка на глубину, равную высоте профиля резьбы (на чертеже показано выше высоты профиля резьбы).

Ударный импульс от машины ударного действия, например, перфоратора, движется сначала по буровой штанге, затем через стык между штангами и одновременно через ниппель и далее по буровой штанге в направлении к забою скважины (на чертеже направление движения ударного импульса показано стрелкой). Так как конец ниппеля, обращенный к забою скважины, имеет дорезьбовую часть с конической поверхностью, плотно прилегающую к буровой штанге в месте обжатия, а внутренний диаметр обжатия не отличается от диаметра кромки дорезьбовой части ниппеля, ударный импульс беспрепятственно проходит в буровую штангу. При этом ударный импульс не подвергается сколь либо существенным процессам деформации и рассеяния, что значительно

уменьшает потери его энергии. Благодаря наличию кольцевых проточек исключаются радиальные нагрузки на витки резьбы концевых участков штанг.

3. ТИПЫ ЗАМКОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Для соединения труб с высаженными концами применяют замки трех типов: ЗН, ЗШ и ЗУ - соответственно с нормальным, широким и увеличенным проходным отверстием. Замки ЗН предназначены для труб исключительно с высадкой внутрь, а ЗШ и ЗУ - и с высадкой внутрь, и с высадкой наружу в зависимости от диаметра труб. Диаметр проточного канала в ниппеле замка ЗН в 1,5-2 раза меньше, чем в трубах, что создает повышенные гидравлические сопротивления по сравнению с замками ЗШ и ЗУ. В наиболее ходовых трубах (диаметром 114 мм и выше) это отношение составляет 1,58-1,72, а для замков типа ЗШ и труб диаметром 114-140 мм оно равно 1,10-1,25.

С позиций величины гидравлических сопротивлений значение имеет также диаметр внутренней высадки. Для наиболее часто используемых в глубоком бурении труб (диаметром 114-168 мм) между проходным диаметром ниппеля d„, высадки dB, муфты dM и трубы dT с высадкой внутрь выполняются следующие соотношения:

для замков ЗН dH < dB^ dM < dT;

для замков ЗШ и ЗУ dB < dH = dM < dT.

В целом трубы с высадкой внутрь обусловливают в 1,5 - 4 раза больше гидравлические потери по сравнению с трубами с высадкой наружу и замками ЗУ. Поэтому рекомендуется применять их только при роторном бурении. Замки ЗУ в сочетании с трубами с высадкой наружу обеспечивают примерно равное проходное сечение и минимальные гидравлические потери в колонне, благодаря чему пригодны для бурения с гидравлическими забойными двигателями. Для них справедливо соотношение d„ & dM& dT.

Бурильные замки изготовляют в соответствии с ГОСТ 5286-75 следующих типоразмеров: ЗН-80, 95, 108, 113, 140, 172 и 197; ЗШ-108, 118, 133, 146, 178 и 203; ЗУ-86, 120, 146, 155 и 185. Цифры означают наружный диаметр замка в миллиметрах.

Бурильные трубы и муфты изготовляют из высококачественных углеродистых (марки 45) или легированных сталей марок 38 ХНМ, 36Г2С, 35Г2СВ и др. Для обозначения материала труб принят термин «группа прочности». Группа прочности стали - это условный индекс, введенный для упрощения обозначения прочностных характеристик стали. Например, в сталь группы прочности Д входит примерно 0,48 % углерода, 0,17 - 0,37 % кремния, 0,65 - 0,90 % марганца. Строгий химический состав ГОСТом не регламентируется, однако ограничивается содержание вредных примесей серы и фосфоpa (< 0,045 % каждой). Всего принято 7 групп прочности: Д, К, Е, Л, М, Р, Т. Трубы групп прочности, кроме Л, изготовляют из легированных сталей, подвергают нормализации с отпуском; Л - из углеродистой стали, подвергают закалке с отпуском. Замки к ним изготовляют из сталей марок 40 ХН или 45, или (если прочность материала трубы выше прочности сталей 40ХН или 45) из того же материала, что и трубы. В любом случае прочность материала замка не должна уступать прочности материала трубы.

Для проверки качества труб и муфт их материал подвергается испытанию на растяжение и ударную вязкость, а труба - на сплющивание. Муфты для труб диаметром 114 мм и менее поставляют обычно из стали следующей группы прочности, а для труб свыше 114 мм - из стали той же группы прочности. Поверхности замков армируются твердым сплавом, резко повышающим их твердость и износостойкость.

Бурильные трубы всех типов и замки к ним изготовляются как с правой, так и с левой резьбой. В обозначении изделия с левой резьбой ставится дополнительная буква Л, а на самом изделии наносится опознавательный знак. Бурильная колонна с левой резьбой применяется для ликвидации аварий с бурильной колонной (путем отвинчивания части аварийной колонны левым вращением).

Рис.2 Резьба замковая типа ЗН.

4. ЭКСПЛУАТАЦИЯ БУРИЛЬНЫХ ТРУБ

Для предохранения замковой резьбы от заеданий и износа, облегчения и ускорения процесса свинчивания - развинчивания, а также повышения герметичности соединений производится смазывание ее в процессе спуска инструмента. Смазочные материалы для замковой резьбы должны устойчиво воспринимать большие давления и высокую температуру (которая может развиться, например, из-за трения при свинчивании), уплотнять зазоры в резьбе, легко наноситься на резьбу и сохраняться на ней длительное время, обладать высокими противозадирными, антифрикционными и противоизносными свойствами, морозостойкостью. Они должны эффективно защищать резьбы также от коррозионно-усталостного износа, вызываемого присутствием в промывочной жидкости различных окислителей, которые в наибольшей мере проявляют себя в местах концентрации напряжений - в резьбовых соединениях.

Смазки наносят с помощью шпателя или жесткой кисти на 3/4 поверхности резьбы, предварительно очищенной от грязи, остатков предыдущей смазки, промытой керосином или дизтопливом и протертой досуха.

Смазочные материалы для герметизации и защиты поверхностей трения резьбовых соединений бурильных и обсадных труб представлены в основном пластичными (консистентными) смазками Р-2, Р-113, Р-402, резьбой ОМ-2. Эти смазки имеют достаточно высокие эксплуатационные характеристики. Однако они имеют ряд недостатков: деградируют при изменении рН среды и температуры, имеют недостаточно высокие адгезионно-когезионные и противоизносные свойства, теряют во времени эластичность тонкого смазочного слоя, равномерно распределенного на поверхности резьбы. При температуре 80°С и более в процессе изменения деформаций колонн в тонких слоях смазок возникает сеть микротрещин, которые нарушают герметичность соединений, особенно на участках набора и снижения зенитного угла, где нитки резьб с выпуклой и вогнутой сторон труб имеют различные зазоры, Тонкие слои смазочного материала со временем становятся хрупкими и теряют свою герметизирующую способность.

Разработаны специальные полимерные смазочные составы на основе кобальта и серы для резьб бурильных и обсадных труб, которые в большой степени лишены упомянутых выше недостатков. Это универсальная герметизирующая смазка резьбовая (УГСР), смазка резьбовая (СР) для резьб бурильных труб и смазка резьбовая герметизирующая (СРГ) для резьб обсадных труб. Они отличаются высокими герметизирующими и триботехническими свойствами благодаря формированию металлополимерных пленок высокой прочности в зоне трения.

Процесс формирования химических связей кобальта и серы с металлом сопровождается перестройкой кристаллической структуры в тонких слоях и ростом поверхностной прочности стали. Эти же компоненты выступают инициаторами полимеризации смазочного материала.

5. ФАКТОРЫ РАЗРУШЕНИЯ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ

1.Усталостная нагрузка. Обеспечить надежный контакт и заданные нагрузки одновременно по трем поверхностям - по конической резьбе, наружному и внутреннему упорным стыкам - практически невозможно, несмотря на весьма жесткий допуск, задаваемый на расстояние между наружными и внутренними упорными торцами и упорными уступами ниппеля и муфты соединения.

В результате, один из упорных стыков оказывается недогруженным, а другой, наоборот, - перегруженным. Особую опасность представляет случай, когда из-за незначительных отклонений от заданных допусков, недогруженным, или даже вовсе открытым, оказывается наружный упорный стык, так как это приводит к ускоренному усталостному разрушению резьбы и, как следствие, к обрыву и аварии с бурильной колонной. Стендовые испытания на усталость при знакопеременном консольном изгибе натурных образцов бурильных труб ССК-59 с такими соединениями показали, что в зависимости от точности исполнения параметров, образующих их упорные стыки, циклическая долговечность соединения может отличаться на порядок /2/.

Именно этим недостатком объясняется тот факт, что, несмотря на предложения отдельных фирм, резьбовые соединения с двумя упорными стыками не находят своего отражения как в отечественных (ГОСТ 27834; ГОСТ 7918), так и в международном (7API) стандартах на бурильные замки

Исключение составляют только соединения тонкостенных обсадных и бурильных труб, применяемых при бурении со съемным керноприемником, функциональные возможности которых, в особенности по величине передаваемого на породоразрушающий инструмент крутящего момента последних без дополнительного внутреннего упорного стыка, весьма ограничены.

Для решения этой задачи в резьбовом соединении бурильной трубы, включающем муфту и ниппель, образующих при свинчивании и затяжке наружный и внутренний упорные стыки, между упорным уступом муфты и упорным торцом ниппеля установлена прорезная пружина так, что между упорным уступом ниппеля и упорным торцом муфты образуется ликвидируемый в процессе затяжки соединения и сжатия пружины зазор, величина которого равна ходу пружины и, согласно ее параметрам, строго соответствует заданной осевой нагрузке на внутренний упорный стык, благодаря чему, после затяжки соединения, обеспечивается также строго заданная осевая нагрузка на наружный стык, как разница между общей силой затяжки резьбового соединения и силой, создаваемой пружиной на внутренний упорный стык.

ВЫВОД

труба бурильный соединение резьбовой

Таким образом, исследования показали, что комбинированный метод упрочнения дробеструйной обработкой и метализационным цинкованием является наиболее действенным средством повышения коррозионно-усталостной прочности замковых резьбовых соединений. Он обеспечивает также и достаточный уровень износостойкости резьбы.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Лутошкин Г. С.. Сбор и подготовка нефти, газа и воды. Учебник для техникумов. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1983.-224 с.

2. Тронов В. П.. Сепарация газа и сокращение потерь нефти. Казань: «Фэн», 2002.-408 с.

3. Молчанов Г. В., Молчанов А. Г. Машины и оборудование для добычи нефти и газа. Учебник для ВУЗов. - М.: Недра, 1984, 464 с.

4. http://www.ngpedia.ru/id53374p1.html.

Размещено на Allbest.ru