Актуальність теми. У відповідності із комплексною національною програмою "Нафта і газ України до 2010 року" в найближчі 3-4 роки передбачається досягнення стабілізації рівня видобутку нафти і газу з подальшим його збільшенням. Вирішення цих питань не може бути досягнуте без збільшення об'єму бурових робіт та підвищення темпів і якості будівництва свердловин.

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, наведено основні напрямки наукових досліджень і дано її загальну характеристику.

У першому розділі проведено аналіз аварій з бурильними колонами при спорудженні глибоких свердловини, а також умов роботи з'єднань елементів бурильних колон та вплив різних чинників на їх довговічність. Показано, що більше 50% аварій, які відбуваються з бурильною колоною, пов'язані з корозійно-втомним руйнуванням різьбових з'єднань, з яких 30% припадає на долю замкових різьбових з'єднань ОБТ.

Вагомий внесок в дослідження визначення механізму впливу матеріалу, конструктивних та технологічних чинників на міцність і довговічність різьбових з'єднань бурильних і обважнених бурильних труб в процесі буріння свердловин внесли такі вітчизняні та зарубіжні вчені, як Альтман Т., Баришніков А.І., Газанчан Ю.І., Гормлі Е.Ф., Данелянц С.М., Дубленич Ю.В., Івасів В.М., Ільський А.Л., Копей Б.В., Крижанівський Є.І., Кудрявцев І.В., Лачинян Л.А., Мочернюк Д.Ю., Трішман Т., Чернов Б.О., Щербюк М.Д., Шнейдер К, Ясов В.Г. та інші.

Виконані роботи дозволили значно підвищити експлуатаційні характеристики бурильних колон, але як показує практика буріння свердловин, все ще відбуваються аварії і існує цілий ряд питань, які потребують свого вирішення.

Аналіз результатів експериментальних та промислових досліджень показав, що низька границя витривалості замкових різьбових з'єднань ОБТ обумовлена конструктивною невдосконаленістю різьбових з'єднань, нерівномірністю розподілу навантажень між витками різьби, високою концентрацією напружень, впливом корозійного середовища, що і призводить до аварій і ускладнень при бурінні свердловин.

Під час буріння свердловин роторним способом на бурильну колону діють значні динамічні навантаження і динамічна стійкість бурильної колони в значній мірі залежить від конструкції компоновки низу бурильної колони (КНБК). Відповідно особливим питанням є вивчення поздовжніх, крутильних та поперечних коливань бурильної колони в процесі експлуатації і розробка методики для роторного буріння, яка б враховувала інерційну складову від обертання труб.

Аналіз існуючих конструкцій ОБТ та промислових даних показав, що в основному використовуються ОБТ довжиною 6,5 м. Це призводить до збільшення числа різьбових з'єднань, а відповідно і до кількості аварій в процесі буріння. Важливим напрямком досліджень є створення обважнених бурильних труб з приварними кінцями довжиною 9-12 м. Аналіз сучасного стану проблеми створення високоміцних товстостінних зварних з'єднань із різнорідних сталей виявлено, що технологічні процеси достатньо повно досліджені лише для тонкостінних деталей.

Виходячи з актуальності проблеми підвищення ефективності буріння свердловин за рахунок збільшення ресурсу бурильної колони, неоднозначності висновків дослідників про вплив цілого ряду факторів на довговічність ЗРЗ, відсутності технології по створенню товстостінних зварних з'єднань виникає необхідність у проведенні всебічних теоретичних і експериментальних досліджень та розробці на їх основі засобів, які забезпечать безаварійну роботу бурильних колон протягом всього часу буріння свердловин.

В другому розділі наведено опис стендів для дослідження на опір втомі натурних зразків різьбових та зварних з'єднань, для дослідження на тріщиностійкість сталей, з яких виготовляються бурильні та обважнені бурильні труби, а також вимірювального обладнання, яке використовується при дослідженні напруженого стану згвинчених замкових різьбових з'єднань. При встановленні аналітичних залежностей, обробці експериментальних даних та визначенні втомних характеристик різьбових з'єднань бурильної колони, використовувались сучасні методи математичної статистики.

Обробку статистичних даних проводили за допомогою комп'ютерних програм, які дозволяють в повному об'ємі визначити необхідні параметри виборок.

Третій розділ присвячений теоретичним та експериментальним дослідженням з розробки раціональних конструкцій КНБК і її елементів, розрахунку динамічних характеристик бурильної колони в процесі буріння свердловин роторним способом.

Обґрунтовано, що використання перехідників існуючих конструкцій для з'єднання секцій бурильних і обважнених бурильних труб призводять до різкої зміни жорсткості та значних напружень в перехідних перерізах, які сприяють накопиченню втомних тріщин та руйнуванню бурильних труб в процесі роторного буріння свердловин.

Запропоновані Черновим Б.О., Дубленичем Ю.В. двох- та трьохступінчасті конструкції обважнених бурильних труб змінної жорсткості (ОБТЗЖ) призводять до зниження напружень в перехідній зоні, але повністю не вирішують проблему.

На основі теоретичних та експериментальних досліджень розроблено нові конструкції ОБТЗЖ експоненціальної форми [8], в яких зміна зовнішнього діаметра труби від ніпельної до муфтової частини змінюється за залежністю:

(1)

Де D - зовнішній діаметр труби; x - координата зміни поперечного перерізу труби з початком відліку від ніпеля; і - константи, які визначаються геометричними параметрами конструкції.

Таке конструктивне рішення забезпечує плавну зміну моменту інерції від ніпельної до муфтової частини ОБТ, а відповідно і плавну зміну жорсткості системи.

Для прогнозування довговічності елементів бурильної колони необхідно знати величину та характер розподілу напружень, які виникають в процесі роторного буріння. Для розв'язку поставленої задачі створена математична модель роботи бурильної колони з ОБТЗЖ експоненціальної форми.

Обважнену бурильну трубу змінної жорсткості експоненціальної форми змодельовано однопрогінним вертикальним стержнем змінного перерізу з внутрішнім отвором постійного діаметра, пружна лінія якого перебуває під дією осьових і відцентрових сил, крутного моменту, тиску і промивальної рідини, що рухається.

Диференціальне рівняння поздовжніх коливань труби змінної жорсткості взято у вигляді [1]

, (2)

де - переміщення x-перерізу труби в момент часу t; Е - модуль пружності; с - густина матеріалу труби; g - прискорення земного тяжіння.

Розв'язуючи (2) з урахуванням граничних умов динамічні складові сили F (x,t) та крутного моменту M (x,t) в х-перерізі труби змінної жорсткості знаходимо за формулами:

, (3)

. (4)

На підставі (3) та (4) розроблено програму, складено алгоритм і проведено розрахунки динамічних складових сил та крутних моментів в елементах бурильної колони при різних КНБК. Одержано графічні залежності зміни амплітуд динамічних складових переміщень U (x), сил F (x), кутів повороту Ф (х) і крутних моментів М (х) по довжині бурильної колони.

Теоретичні розрахунки свідчать, що перехідні ділянки від труб одного типорозміру до іншого, набрані з ОБТЗЖ експоненціальної форми, спричиняють плавну зміну динамічних характеристик по тілу колони, що сприяє підвищенню її довговічності при бурінні свердловин роторним способом.

Для підтвердження результатів аналітичних досліджень закономірностей зміни напружень, які виникають в елементах бурильної колони, проведені експериментальні дослідження натурних конструкцій ОБТ-178, ОБТ-203, ОБТЗЖ-178 та ОБТЗЖ-203. Дослідження показали, що застосування ОБТЗЖ експоненціальної форми в місцях переходу від одного типорозміру до іншого призводить до зменшення напружень в замкових різьбових з'єднаннях до 30% та до 60% в тілі бурильної труби, яка з'єднується з ОБТЗЖ.

Аналіз результатів теоретичних та експериментальних досліджень підтвердив практичну доцільність нових конструкцій ОБТЗЖ, які забезпечують зниження концентрації напружень в перехідній зоні від бурильних до обважнених бурильних труб, зменшують амплітуду поздовжніх коливань бурильної колони та підвищують її стійкість, що веде за собою підвищення роботоздатності бурильної колони в процесі буріння свердловин роторним способом.

На основі даного матеріалу розроблено інструктивний документ з використанням в КНБК обважнених бурильних труб змінної жорсткості, що затверджений у ВАТ "Укрнафта” та ВГО "Полтаванафтогазгеологія”.

Четвертий розділ присвячений удосконаленню конструкцій елементів низу бурильної колони. Для створення навантаження на долото та забезпечення стійкості бурильної колони в КНБК входять ОБТ із замковими різьбовими з'єднаннями. З метою підвищення опору втомі Біргер І.А. та Іосилевич Г.Б. досліджували конічне різьбове з'єднання, в якого по всій довжині різьби ніпеля з ненавантаженої сторони витка були виконані заглиблення однакової величини. Встановлено, що таке конструктивне рішення призводить до зменшення коефіцієнта концентрації напружень у впадині різьби та підвищенню границі витривалості на 27% і не призводить до перерозподілу навантажень між витками різьби.

На основі аналітичних досліджень нами розроблена конструкція замкового різьбового з'єднання, в якому на різьбових ділянках ніпеля і муфти з ненавантаженої сторони витка виконані заглиблення змінної величини, які збільшуються від торця і досягають оптимального значення в площині впадини першого витка різьби ніпеля та останнього спряженого витка різьби муфти. Зміна заглиблення на один виток визначається із співвідношення:

, (5)

Де D - зовнішній діаметр труби; d_і - внутрішній діаметр різьби в розрахунковій площині; п - число повних витків різьби; С_і - коефіцієнт пропорційності, рівний 0,011.

Радіус заглиблення (галтелі) визначається із співвідношення:

, (6)

Де S - крок різьби; h_i - висота профілю різьби; С₂ - коефіцієнт пропорційності рівний 0,1.

При згвинчуванні такого різьбового з'єднання крутними моментами з відбувається перерозподіл напружень між витками різьби, за рахунок різної податливості витків.

Для підтвердження даного висновку проведені експериментальні дослідження по вивченні напружень в замковому різьбовому з'єднанні МК156Ч5,5Ч1: 32.

Дослідження показали, що напруження які виникають в площині першого спряженого витка різьби ніпеля нової конструкції на 35% менші ніж в з'єднаннях, виготовлених згідно РТМ26-02-15-82.

Для визначення кількісних залежностей проведені експериментальні дослідження на опір втомі натурних зразків ЗН-80 з різьбою З-62 із сталі 40ХН2МА з у_0,2=680МПа, виготовлених згідно ГОСТ 5286-78 і з'єднань нової конструкції з заглибленнями змінної величини. Дослідження натурних зразків, згвинчених з оптимальним крутним моментом рівним 3кН·м, проводили на випробній машині УП-100.

Аналіз результатів досліджень показав, що границя витривалості різьбового з'єднання нової конструкції на 52% вища, ніж границя витривалості різьбових з'єднань зі збігом різьби.

Мочернюком Д.Ю. запропонована гіпотеза про можливість визначення границі витривалості конструкцій на основі балансу питомої енергії.

Елементи бурильної колони конструктивно і умовами експлуатації значно відрізняються від конструкцій зразків, на яких проводилися експериментальні дослідження та розроблялася теорія руйнування матеріалу, а, відповідно, і теоретичне обґрунтування експериментальної діаграми Веллєра на основі балансу питомої енергії.

На основі аналізу результатів великої кількості досліджень на опір втомі натурних зразків елементів бурильної колони, аналітичних досліджень, внесено доповнення, поправки і уточнення в запропоновану теорію, що дозволило одержати нову методику розрахунку границі витривалості конструкцій.

Підвищення ефективності проведення бурових робіт та покращення технологічних показників можливе при умові розробки високоміцнісних конструкцій бурильних та обважнених бурильних труб.

В Україні випускаються гарячекатані ОБТ із сталі марки "Д" довжиною 6, 9 та 12 м, а також збалансовані ОБТ довжиною 5,6-6,1 м із сталі 40ХН2МА з термообробленими різьбовими кінцями.

На перший погляд, гарячекатані ОБТ мають переваги над збалансованими ОБТ, тому, що мають більшу довжину, що впливає на прискорення спуско-підіймальних операцій та скорочує кількість замкових різьбових з'єднань в бурильній колоні. Проте, як показав аналіз працездатності ОБТ та ОБТЗ, ресурс гарячекатаних значно нижчий, ніж збалансованих ОБТ. Недоліком збалансованих ОБТ є їх мала довжина, а також те, що термообробка кінців труб довжиною 1,2 м проводиться індукційним методом, який не забезпечує однорідності механічних властивостей матеріалу в поперечному перерізі ОБТЗ.

З метою підвищення ресурсу та експлуатаційних характеристик ОБТ, покращення техніко-економічних показників буріння свердловин, нами вдосконалена зварна конструкція ОБТЗ довжиною 9-12 м, яка складається з окремих секцій, з'єднаних шляхом зварювання. З метою економії дефіцитної легованої сталі середня секція виготовляється із вуглецевої сталі, а приварні кінці із легованої сталі з об'ємною термообробкою.

Оскільки роботи по розробці зварних конструкцій товстостінних ОБТ із різнорідних сталей практично відсутні, то з метою одержання досконалої технології виготовлення запропонованої конструкції, нами проведені дослідження різних способів зварювання, з врахуванням впливу конструктивних і технологічних факторів, на опір втомі, як у повітряному, так і в корозійному середовищах. Дослідження електродугового способу зварювання в повітряному та захисному середовищах проводились на спеціально змонтованих досліджувальних стендах в ІФНТУНГ та Дрогобицькому експериментально-механічному заводі спеціального обладнання, а контактно-стикового - в інституті електрозварювання ім. Є. Патона.

Для визначення технологічних параметрів досліджено вплив конфігурації зварного шва, температури підігріву та термовідпуску, швидкості подачі дроту, величини струму і напруги, вплив середовища та інших чинників на міцність зварних з'єднань.

Для визначення міцнісних характеристик зварних з'єднань проведені експериментальні дослідження на опір втомі натурних зразків ОБТ із приварними різьбовими кінцями діаметром 73, 146,178 мм, виготовлених електродуговим та контактно-стиковим способами. Встановлено, що умовна границя витривалості зварних з'єднань діаметром 146 мм, виготовлених контактно-стиковим способом із сталі 45 і 40ХН2МА в повітряному середовищі становить 120 МПа, а в корозійному середовищі (3% водний розчин NaCl) на 20% нижча. Аналогічні результати одержані і для інших типорозмірів ОБТ. Умовна границя витривалості натурних зразків, виготовлених електродуговим способом на 17% нижча, ніж зразків виготовлених контактно-стиковим способом.

Аналіз результатів досліджень впливу тренування на довговічність зварних з'єднань натурних зразків діаметром 73 мм, виготовлених електродуговим способом в захисному середовищі зі сталі 45Ч36Г2С та контактно-стиковим способом із сталі 45Ч40ХН2МА показав, що тренування підвищує умовну границю витривалості зварних з'єднань, в середньому, на 40%.

З метою збільшення ресурсу ОБТЗЗ за рахунок підвищення умовної границі витривалості зварних з'єднань, запропоновано та розроблено конструкції розвантажувальних канавок, які виконують з обох боків зварного з'єднання. Під час розрахунку раціональних параметрів розвантажувальних канавок зварних з'єднань ОБТ, виходили з пропорційності відношення приросту границі витривалості зварних з'єднань до коефіцієнта відносної податливості конструкції Розрахунок зовнішнього діаметру розвантажувальних канавок ОБТЗЗ проводиться згідно запропонованої емпіричної залежності:

(7)

де d_вн - внутрішній діаметр ОБТ; І - полярний момент інерції.

Експериментальними дослідженнями натурних зразків ОБТЗЗ-80 на опір втомі встановлено, що оптимальне значення величини коефіцієнта відносної податливості, при умові рівності граничних величин згинаючих моментів по суцільному тілу труби та зварному з'єднанні з розвантажувальними канавками, для всіх типорозмірів ОБТЗЗ, знаходиться в межах л=1,58ч1,6, при якому умовна границя витривалості зварних з'єднань підвищується на 45%, окрім того, аналіз результатів досліджень напружень, які виникають в замковому різьбовому з'єднанні ОБТ-178 показав, що ці ж розвантажувальні канавки, призводять до зменшення напружень у впадині останнього спряженого витка різьби муфти на 28%, а у впадині першого спряженого витка різьби ніпеля на 17%.

Враховуючи, що дослідження натурних зразків зварних з'єднань дають лише інтегральні характеристики міцнісних властивостей, то для дослідження причин відсутності кореляції між границею витривалості основного металу і навколошовної зони, проведені дослідження матеріалу на тріщиностійкість. Встановлено, що порогові значення коефіцієнта інтенсивності напружень досліджуваних сталей основного металу та в зоні зварного шва відрізняються на дуже малу величину (7…10%). Одержані результати досліджень дозволяють більш диференційовано підходити до оцінки придатності тієї чи іншої сталі для виготовлення ОБТЗЗ та розрахунку конструкції на довговічність.

У п'ятому розділі наведено результати промислових випробувань обважнених бурильних труб змінної жорсткості та економічна ефективність від їх використання. Промислові дослідження ОБТЗЖ експоненціальної форми проводились на свердловинах Прилуцького УБР та ВГО "Укрзахідгеологія. ”. У Прилуцькому УБР досліджувалося 24 ОБТЗЖ експоненціальної форми на свердловинах Матлаховська - 10, 39, 102, 104; Щуровська - 17, 19; Скороходівська - 93, 36, 94; Ярошевська - 23, 25; Софієвська - 50, 52.

Під час промислових досліджень дослідної партії труб у Прилуцькому УБР, за результатами дефектоскопії відзначено підвищення довговічності та надійності в роботі елементів бурильної колони (у першу чергу різьбових з'єднань), за рахунок зменшення концентрації напружень у перехідних ділянках з'єднання секцій ОБТ з бурильними трубами, а також секцій ОБТ різних типорозмірів. Підвищення роботоздатності бурильної колони пояснюється також зниженням динамічних напружень по довжині компоновки.

Під час буріння свердловин складного профілю спостерігається зниження на 10-20% обертового моменту, який фіксується моментоміром ротора бурової установки в процесі експлуатації компоновок з ОБТЗЖ у порівнянні з типовими компоновками. Цей факт пояснюється тим, що бурильна колона змінної жорсткості володіє більшою гнучкістю і краще вписується в профіль свердловини, зменшуючи тим самим момент опору обертання компоновок.

У Прилуцькому УБР із застосуванням ОБТЗЖ пробурено 10999 погонних метрів свердловин. Економічний ефект від впровадження обважнених бурильних труб змінної жорсткості, за рахунок збільшення терміну експлуатації елементів бурильних колон, зменшення затрат потужності, становить 290651944 рубл. у цінах на 1.09.93р.

Аналогічні результати промислових досліджень одержано на свердловинах ВГО "Західукргеологія”. Сумарний час механічного буріння компоновками із застосуванням ОБТЗЖ склав 17450 годин, за які пробурено 6443 погонні метри свердловини. Економічний ефект від використання конструкцій ОБТЗЖ на нафтопромислах ВГО "Західукргеологія” склав в цінах 1994 року 832,888 млн. крб.

На основі результатів теоретичних, експериментальних і промислових досліджень розроблено інструктивний документ по вдосконаленню технології буріння з застосуванням в КНБК обважнених бурильних труб змінної жорсткості при бурінні нафтових і газових свердловин та затверджено у ВАТ "Укрнафта” і ВГО "Полтаванафтогазгеологія”.

Висновки