ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ И ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ГИБКИХ ТРУБ ДЛЯ БУРЕНИЯ, ЭКСПЛУАТАЦИИ И КАПИТАЛЬНОГО РЕМОНТА СКВАЖИН
А. МОЛЧАНОВ, В. ПЕВНЕВ, РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина
Направление развития техники и технологии для выполнения буровых работ и проведения подземного ремонта с использованием колонн гибких труб (КГТ) является наиболее динамично развивающимся в нашей стране в последние годы. Эффект от их использования обусловлен применением КГТ. От их надежной работы в значительной степени зависит и безопасность выполнения работ. Качество КГТ в наибольшей степени определяется уровнем развития металлургической базы и совершенством технологии трубного производства. Ресурс производимых сегодня отечественных гибких труб в 2-2,5 раза ниже импортных. При этом показатели их надежности имеют очень большой разброс, что затрудняет прогноз сроков их службы даже при выполнении простых технологических операций на скважинах.
Основной причиной выхода из строя колонны гибких труб является образование трещин, которые появляются на наружной поверхности и превращаются в сквозные. Возникновение сквозной трещины может привести к полету колонны в скважину, остановке технологического процесса, экологической катастрофе или аварии с человеческими жертвами. Всего этого можно избежать, обеспечив контроль состояния труб и расчет их остаточного ресурса.
В настоящее время разработано достаточно методов неразру-шающего контроля деталей - магнитные, ультразвуковые радиационные и другие. Общим их недостатком является высокая стоимость необходимого оборудования и сложность его использования в полевых условиях. Кроме того, требуются квалифицированные специалисты, обучение которых в силу специфики
функционирования нефтяных и газовых промыслов в большинстве случаев нереально.
Одним из направлений разработки метода оценки фактического состояния материала трубы и прогнозирования ее долговечности является предложенный в США метод компьютерного учета всех внешних факторов, воздействию которых подвергается каждый участок колонны труб. Этот метод подразумевает комплектацию каждого агрегата подземного ремонта бортовым компьютером, соединенным с комплексом датчиков. Это позволяет фиксировать весь комплекс на-гружений для каждого метра трубы и прежде всего количество циклов деформаций, которым он подвергался, а также величинам давлений, сопровождающих эти деформации. После обработки этой информации выдаются рекомендации машинисту агрегата о режимах выполнения определенных операций. В состав комплекса датчиков входит дефектоскоп, регистрирующий появление микротрещин.
Использование данного метода дает возможность обеспечить оператора информацией о текущем состоянии трубы, но не надежным прогнозом долговечности, поскольку этот показатель является расчетным.
Поэтому для российской нефтегазодобывающей промышленности требуется создание такого метода контроля состояния колонн гибких труб и прогнозирования их остаточного ресурса, который бы обеспечивал приемлемую точность результатов и был бы прост и доступен для работников промыслов, имеющих как минимум среднее образование.
Разработанный метод основан на измерении твердости наружной поверхности трубы, пересчете в прочностные и деформаци-
онные показатели материала, сравнении получаемых значений с эталонными и определении на основе их соотношения количества спуско-подъемных или иных операций, которое может обеспечить конкретная колонна гибких труб. Данный метод реализуется следующим образом.
В процессе эксплуатации изменяются прочностные и деформационные характеристики материала, геометрические параметры колонны. При грамотной эксплуатации, заключающейся в поддержании давления технологической жидкости на оптимальном уровне, сохранении состояния поверхности и исходной геометрии труб, исключении неоправданных перемещений в процессе выполнения спуско-подъемных операций, основными факторами, влияющими на их долговечность, являются величины предела текучести, прочности и относительное удлинение при разрушении - протяженность зоны текучести на диаграмме растяжения.
В процессе эксплуатации выполнению любой операции ПРС предшествует спуск колонны, а по завершению работ - ее подъем. При любых операциях по внутренней полости колонны гибких труб прокачивается технологическая жидкость под давлением, величина которого обусловлена спецификой реализуемого процесса. При проведении работ, связанных с использованием забойных двигателей, колонна труб воспринимает реактивный крутящий момент, возникающий при их работе. Достаточно часто при спуске колонна труб теряет устойчивость и приобретает волнообразную или спиралевидную форму. В результате перечисленных внешних воздействий в поперечных и продольных сечениях возникают следующие силовые факторы: продольная сила, изги-
Рис. 1. Изменение вида диаграммы состояния материала КГТ
в процессе ее эксплуатации: I - область образования трещин; II - область эксплуатации КГТ
бающий момент, крутящий момент. Они, в свою очередь, создают действие напряжений, возникающих при пластическом деформировании трубы в период ее взаимодействия с барабаном и направляющей дугой. Последние определяются конструктивными факторами, обусловленными геометрическими характеристиками агрегата. Поскольку процесс деформирования трубы в подавляющем большинстве случаев происходит за пределами текучести, о чем будет сказано ниже, то величины действующих напряжений соответствуют максимальному значению одного из выражений:
о„ Ыц,'1)г, - при работе в области действия закона Гука;
ан = <зт - при работе с образованием пластических деформаций.
При внутреннем давлении технологической жидкости и продольном усилии натяжения трубы в продольных и поперечных сечениях возникают следующие нормальные напряжения: меридиональные - о,„=/;жД/45^; тангенциальные -аг=ржП612Ъ^-, радиальные - а, =-рж. Величиной последних можно пренебречь, т. к. они на порядок меньше других напряжений.
Обусловленные осевой нагрузкой, в верхнем сечении действуют напряжения силами собственного веса и трения. Без учета сил трения:
где р-ц - площадь поперечного сечения трубы;
Рщ - усилие, растягивающее трубу без учета сил трения;
I, - длина колонны гибких туб, спущенных в скважину;
7 - удельный вес материала труб.
Таким образом, напряженное состояние труб можно считать плоским.
Расчет эквивалентных напряжений, действующих в верхнем опасном сечении колонны труб, подвешенных на транспортере, показывает, что они как правило меньше напряжений, обусловленных изгибом, и, самое главное, по характеру действия являются переменными, а не циклическими. Следовательно, основными факторами, влияющими на ресурс КГТ, являются величины напряжений, возникающих при изгибе труб, превыша-
ет
ющие предел текучести. Эти напряжения создаются не в опасном верхнем сечении спущенной в скважину колонны труб, а при изгибе в момент наматывания и сматывания их с барабана, прохождения направляющей дуги. Если для малоуглеродистых сталей типа "Сталь 10" деформация, соответствующая пределу текучести, составляет 0,1-0,2%, то при спуске (или подъеме) труб, прохождении их по направляющей дуге и наматывании на барабан величины деформаций достигают 1,5-2,0%. Пульсирующий характер цикла "нагружение-разгружение" приводит к тому, что изменяются и пластические и прочностные свойства материала. При этом возрастает предел прочности и уменьшается деформация при разрушении. В конечном счете, диаграмма растяжения из "пластической" превращается в "хрупкую". Процесс такого превращения показан на рис. 1.
Исходная диаграмма (линия "0") может быть получена в результате испытаний образца материала КГТ, не бывшей в эксплуатации. Для нее характерна площадка текучести протяженностью 2030%, исходное стандартное значение предела текучести ст и предела прочности свр. Данная диаграмма построена с нарушением масштаба по оси ординат: деформации, соответствующие пределу текучести ^ , составляют 0,1-0,2%, а пределу прочности, т. е. деформация при разрушении бар, - 30%. Они отличают-
ся на два порядка, и в масштабном изображении линия, соответствующая закону Гука, была бы вертикальной. Однако принятое искажение диаграммы не мешает рассмотрению происходящих процессов.
При эксплуатации труб происходит их "охрупучивание", сопровождающееся уменьшением е,,, и увеличением свр . Подобное явление характерно для материалов, упрочняемых в процессе циклического деформирования за пределом упругости. Если весь период эксплуатации разбить на несколько интервалов (например, на пять) и после на-гружения трубы частью циклов (например, 20%) выполнить испытания образцов, то можно получить серию диаграмм ("1", "2" и т. д.), которые будут отличаться друг от друга следующим: каждая диаграмма, полученная из образцов труб, подвергнутых большему количеству циклов на-гружения, отличается увеличенным значением свр и уменьшенным £вр. Это означает, что протяженность площадки текучести будет уменьшаться, а ордината точки, соответствующей пределу прочности свр, - увеличиваться. Предельное состояние характеризуется линией "П", которая соответствует диаграмме хрупкого материала.
Разрушение гибкой трубы сопровождается образованием микротрещин, которые развиваются вглубь тела. Трещины появляются в том случае, если деформации Еф , обусловленные
изгибом труб при наматывании на барабан или прохождении направляющей дуги, будут равными или превысят величину деформаций е,Р|, соответствующих пределу прочности овр| для данной степени усталости материала трубы. Графически это может быть интерпретировано следующим образом. Как только точка о,,,,, попадет в область, ограниченную линией, соответствующей £ф, начнется разрушение трубы.
Процесс разрушения после образования исходной микротрещины усугубляется всеми силовыми факторами, например, действием внутреннего давления, сил собственного веса и т. п.
напряжений, обусловленных действием внутреннего давления. Последние весьма существенно влияют на долговечность труб, что следует из графика (рис. 2), характеризующего зависимость между количеством циклов, выдерживаемых трубой, и величиной внутрен
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.