автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.07, диссертация на тему:Обеспечение надежности труб при бурении и эксплуатации свакжин

ОД

На правах рукопису

ШКІЦА ЛЕСЯ ЄВСТАХЙВНА ...

ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ НАДІЙНОСТІ ТРУБ ПРИ БУРІННІ ТА ЕКСПЛУАТАЦІЇ СВЕРДЛОВИН

Спеціальність: 05^^07. - Машини і агрегати нафтової і газової промисловості

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Івано-Франківськ - 1996

Науковий керівник:

кандидат технічних наук, професор, Петрина Юрій Дмитрович

Офіційні опоненти:

1. Доктор технічних наук Білик Сергій Федорович

2. Кандидат технічних наук, доцент Копей Богдан Володимирович

Провідна установа

Науково-виробнича фірма”Зонд” (м. Івано-Франківськ)

засіданні спеціалізованої вченої Ради Д.09.02.01 в Івано-Франківському державному технічному університеті нафш і ґазу за адресою: 284018, м. Івано-Франківськ, вул. Карпатська, 15.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Івано-

Франківського державного технічного університу нафш і газу за адресою: м. Івано-Франківськ, вул. Карпатська, 15.

Автореферат розісланий ^ 1996 року.

Захист відбудеться __________

Вчений секретар спеціалізованої вченої Ради

кандидат технічних наук, доцент еЛ Шлапак Л.С.

з

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми і ступінь дослідженості тематики дисертації.

Вирішення важливої державної проблеми - забезпечення паливно-енергетичного комплексу сировиною вимагає для цієї галузі розробки і впровадження високоефективного устаткування і машин. Ефективність експлуатації і будівництва свердловин в значній мірі залежить від якості трубного господарства. Руйнування труб в будь-якому технологічному процесі, від буріння свердловин до транспортування продукції, несе великі матеріальні втрати.

Аналіз відмов труб при бурінні та експлуатації свердловин показав, що їх з’єднання руйнуються значно частіше, ніж тіло труби, тобто відбраковуються труби в яких тіло є ше працездатним. Піддаючи ремонту з’єднання і контролю його ресурс при експлуатації шляхом використання нових ефективних конструкцій можна підвищити надійність труб в цілому.

Використання полімерних композиційних матеріалів для виготовлення труб нафтового сортаменту, які мають невисоку густину і нижчий в порівнянні зі сталями модуль пружності, дозволить збільшити глибину спуску колони і легше вписуватись у викривлені дільниці свердловин. Крім того, ці матеріали володіють високою корозійною стійкістю.

Ступінь дослідженості тематики дисертації дозволяє забезпечити потрібну надійність вітчизняних труб при бурінні і експлуатації свердловини.

Тому науково-дослідна робота, яка направлена на вирішення проблем надійності і довговічності труб при бурінні і експлуатації свердловин, є актуальною.

Мета роботи полягає в забезпеченні надійності труб при

бурінні і експлуатації свердловин шляхом покращення ремонтопридатності, підвищення довговічності і ймовірності безвідмовної роботи.

Основні завдання наукового дослідження

1. Узагальнити причини відмов труб при бурінні і експлуатації свердловин і визначити показники, які сприятимуть підвищенню ї> надійності.

2. Підібрати і систематизувати методики досліджені надійності труб нафтового сортаменту.

3. Розробити конструкцію і обгрунтувати геометричні розмірі: роз'ємних з’єднань труб нафтового сортаменту підвищено: надійності.

4. Провести дослідження міцності, опору ВТОМІ і ОТІІШГТТ залишкову довговічність з’єднань з дефектами типу тріщини.

5. Обгрунтувати можливість використання полімерний композиційних матеріалів для виготовлення труб нафтового сортаменту.

6. Обгрунтувати і створити конструкцію з’єднань для труб і; полімерних композиційних матеріалів.

7. Обгрунтувати і розробити технологію виготовлення труб і; полімерних композиційних матеріалів і з’єднуючих елементів.

8. Обгрунтувати і розробити заходи підвищення надійност труб при бурінні і експлуатації.

Теоретична цінність дисертаційної робота полягає з використанні розв’язку задачі Ляме для визначення розмірі] з’єднань із вставними витками; визначення геометричних розмірі] труби із склопластика з використанням характеристик матеріалу умов експлуатації; використання енергетичного принцип; розповсюдження тріщини для визначення статичної міцност

з’єднання з дефектом.

Практична цінність роботи полягає в розробці ефективних конструкцій: роз’ємного різьбового з’єднання з вставними витками; індикатора втомних пошкоджень та насосно-компресорної труби, виготовленої з полімерних композиційних матеріалів.

Проведені різнопланові дослідження матеріалу і конструкцій, які можуть широко використовуватись при прогнозуванні довговічності труб і визначення режимів їх експлуатації. Запропонована промислова технологія виготовлення труб із полімерних композиційних матеріалів.

Наукова новизна!

1. Розроблена нова конструкція роз’ємного з’єднання з вставними витками, яке може використовуватись для з’єднашія бурильних, обсадних, насосно-компресорних труб, виготовлених із сталей і полімерних композиційних матеріалів. Випробовування підтвердили високу надійність розробленого з’єднання.

2. Розроблена принципова схема і конструкція індикатора втомних пошкоджень для забезпечення надійності і зниження аварійних руйнувань бурильних труб. Конструкція індикатора захищена авторським свідоцтвом на винахід.

3. Запропонований новий кількісний критерій, який характеризує ремонтопридатність - це коефіцієнт ефективного використання труби.

4. Експериментально і теоретично доведена можливість використання в якості матеріалу, для виготовлення труб нафтового сортаменту, полімерних композиційних матеріалів, зокрема, склопластика.

Рівень реалізації і впровадження наукових розробок

Наукові результати реалізовані при створенні нової конструкції

з’єднання з вставними витками та індикатора втомних пошкоджень, які пройшли дослідно-промислову перевірку.

Публікації та апробація работа,

За матеріалами дисертації, опубліковано 9 робіт. Найбільш суттєві результати доповідались і обговорювались на міжнародній науково - технічній конференції “Технические средства, методы расчета прочностных характеристик, технологии обеспечивающие надежность и долговечность деталей и конструкций из новых материалов в машиностроительной, горнодобывающей и нефтегазовой промышленности” (Комсомольск-на-Амуре, 1993 р.); науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу інституту нафти і газу (Івано-Франківськ, 1992 р.); міжнародних конференціях університету в Бая-Маре (Румунія, 1992-1995); міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми і шляхи енергозабезпечення України” (Івано-Франківськ, 1995), ІІІ-му Міжнародному симпозіумі “Некласичні проблеми теорії тонкостінних елементів конструкцій та фізігко-хімічної механіки композиційних матеріалів”(Івано-Франківськ, 1995).

Структура та обсяг роботи.

Дисертація складається, із вступу, п’яти розділів, загальних висновків, бібліографічного списку, літератури з 127 найменуваннями. Обсяг основної частини містить 138 сторінок, включаючи 44 рисунки і 4 таблиці.

Особистий внесок авюра.

Основні положення та результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. Зокрема: обгрунтовані та визначені геометричні параметри роз’ємного з’єднання з вставними вістками [2,6]; визначена статична міцність з’єднання з дефектами [1,3,9]; обгрунтувані геометричні розміри труб із полімерних композиційних

матеріалів [5,6]; розроблена принципова схема, визначені розміри та проведені дослідження індикатора втомних пошкоджень [7].

Характеристика методології, методу досліджень і об’єкта

Використовувався комплекс методів, що містить теоретичтої аналіз аналітичні та експериментальні дослідження.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовується актуальність теми дисертаційної роботи, визначається наукова новизна та практична цінність отриманих результатів досліджень.

В першому розділі аналізуються умови експлуатації і відмови бурильних і насосно-компресорних труб. Руйнування колони створює аварійні ситуації для ліквідації яких, витрачаються значні кошти і затрати часу. Більшість аварій з колонами труб викликано їх корозійно-втомним руйнуванням, причому до 60% припадало на поломки різьбових з’єднань.

З метою підвищення надійності бурильних колон і НКТ в цілому, необхідно удосконалювати конструкцію з’єднуючих елементів, щоб добитись їх рівноміцності з тілом труби.

Узагальнюючи умови експлуатації і відмови колон НКТ, можна відмітити, що їх працездатність характеризується наступними критеріями: міцність при дії постійних і змінних навантажень; зносостійкість; корозійна стійкість; герметичність і точність виготовлення.

При проектуванні конструкції з’єднання бурильїшх і насосно-компресорних труб треба виходити із вищеназваних критеріїв працездатності і вирішувати наступні оптимізаційні задачі: вибір матеріалу, створення елементів конструкції, вибір технології

виготовлення, удосконалення умов експлуатації.

Проведено аналіз показників надійності труб нафтового сортаменту. Надійність - складна категорія, яка обумовлюється сукупністю наступних показників: безвідмовність, довговічність, ремонтопридатність, схоронність.

Під час експлуатації об'єкта стають несправними і втрачають працездатність.

Відмовами колони труб була прийнята заміна хоча б однієї труби під час ремонту свердловини, спричинена ії експлуатацією до граничного стану. Ремонт відбувається шляхом заміни пошкодженої труби на нову. Якщо розглядати колону труб поелементно (тобто кожну трубу окремо), то таку систему можна вважати неремонтованим виробом,а як відомо, наслідком, відмови неремонтованого виробу є його втрата.

Окремі елементи труби можуть піддаватися ремонту, зокрема різьба. При ремонті можуть відновлюватися геометричні параметри різьби повторною нарізкою або різними технологічними методами відновлення. Наприклад: хімічне відновлення поверхні різьби, напилення і інші. Заслуговує на увагу метод ремонту різьби з використанням нових конструкцій різьб або використання додаткових елементів. Прикладом може служити різьбове з'єднання з вставними витками. Тому, одним із важливих показників надійності є ремонтопридатність.

Давно привертають увагу дослідників полімерні композиційні матеріали (ПКМ) для виготовлення труб нафтового сортаменту. Представлений аналіз фізпко-механічних властивостей КМ, дозволяє визначити переваги полімерних композиційних матеріалів. По міцності, а інколи і по жорсткості ПКМ практично не уступає металу і є корозійно стійким матеріалом. Основним

недоліком є значне розсіювання фізико-механічних показників, обумовлене структурною неоднорідністю і існуючою технологією виготовлення, за рахунок виникнення повітряних включень або мікротріщин.

Після аналізу властивостей різних ПКМ, для виготовлення труб нафтового сортаменту вирішили використовувати склопластик. Представлена принципова схема виготовлення труб з ПКМ. В розділі обгрунтований напрям досліджень і поставлені задачі.

У другому розділі підібрані і систематизовані методики досліджень надійності труб нафтового сортаменту прн бурінні та експлуатації свердловин, які включають дослідження натурних конструкцій на міцність, опір втомі, герметичність та фізичні методи досліджень.

Випробовування на корозійну втому натурних елементів бурильних колон проводили на стендах УКИ-7 і УКИ-6И. Стенд УКИ-7 працює за схемою консольного згину з обертанням взірця при навантаженні постійною силою з частотою 11Гц. Стенд УКИ-6И працює за схемою консольного згину з інерційніш силозбудженням. Змінне навантаження на взірець створюється відцентровою масою, яка обертається з частотою від 3 до 24 Гц.

Результати корозійно-втомних досліджень виражаються залежністю числа циклів до руйнування від величини діючих змінних напружень, яку виражає рівняння кривої корозійної втоми. Найбільш розповсюдженним і простим у використанні є степеневе рівняння, яке використовується для побудови кршзих втоми в логарифмічній системі координат.

Випробування герметичності з’єднань проводилось на дільниці гідравлічних випробувань цеху капітального ремонту свердловин Надвірнянського нафтогазового видобувного управління

“Надвірнанафтогаз”.

Дійсні значення напружень в елементах бурильної колони необхідно визначити із врахуванням впливу різних факторів конструктивного і технологічного виготовлення деталей з’єднань, механічних характеристик матеріалу, точності виготовлення спряжених деталей, типу мастила і ін. Для цієї мети використали метод тензометрування і метод фотопружності. При тензометруванні в якості вимірювальних елементів були прийняті тензодатчики опору з базою 10 і 20 мм, розміщені по всій довжині різьби досліджувальної деталі. Для дослідження напруженого стану деталей методом фотопружності виготовляли моделі деталей із поляризацій-ноактивного матеріалу, для яких застосовують метод “заморожування”.

Для оцінки міцності полімерних композицішшх матеріалів в умовах, аналогічних експлуатаційним, розроблена методика досліджень при статичному однократному навантаженні при розтязі і крученні взірців, моделюючих елементи виробів у вигляді пустотілих циліндрів. Опір руйнуванню полімерних композицій оцінюється на установках, що дозволяють здійснювати навантаження взірців з різною швидкістю як при кімнатній, так і при підвшценних температурах з метою встановлення температурних залежностей границь міцності при розтязі і при крученні. Для проведення механічних досліджень розроблені трубчасті циліндричні взірці. Дослідна установка зроблена на базі універсальної розривної машини Р-5.

У третьому розділі описується розроблене і досліджене роз’ємне з’єднання із вставними витками.

Міцність різьбових з’єднань нафтопромислових труб залежить

від багатьох параметрів, зокрема від концентрації напружень у впадинах різьби. Різьбові з’єднання із спіральною вставкою круглого поперечного перерізу мають максимально можливий радіус заокруглення впадин різьби і, як наслідок, найменшу концентрацію напружень. Крім того, наявність з двох кінців з’єднання гладких спряжених конічних поверхонь забезпечує часткове розвантаження різьби. Як показано в роботах науковців 1ФДТУНҐ, такі з’єднання мають високий опір втомі і успішно використовуються в нероз’ємних з’єднаннях бурильної труби з замком. Спроби використати різьбові з’єднання такої конструкції в якості роз’ємних не дали позитивних результатів, не піддавались розгвинчуванню. Проводився більш детальніш аналіз умов розгвинчування і умов роботи з’єднання' з метою визначення впливу геометричних параметрів на умови збирання. Для з’єднань насосно-компресорних труб необхідно забезпечити згвинчування-розгвинчування різьб і високі експлуатаційні характеристики - це насамперед, міцність і герметичність.

З’єднання не піддавались розгвинчуванню в зв’язку з заклинюванням вставних витків у різьбових канавках. При відносному осьовому переміщенні деталей з’єднання, сумарний радіальній розмір канавки, в якій розміщений вставшій виток, зменшується за рахунок геометричного зближення (збільшення натягу) і за рахунок пружних деформацій матеріалу.

Г еометричшш натяг: б = А 1%у, (1)

де А - осьове відносне переміщення спряжених поверхонь, мм; у - кут між твірною конуса різьби і віссю з'єднання.

Геометричній! натяг різьбової поверхні дорівнює нулю, при будь-якому натягу спряжених поверхонь, тоді, коли кут у дорівнює нулю, тобто різьба повинна нарізатись по циліндричній твірній.

Рис. 1. Різьбове з'єднання із вставними витками

Деформаційний натяг можна визначити, використовуючи розв’язок Ламе і Клапейрона для задачі визначення деформацій і напружень в товстостінному циліндрі, навантаженому внутрішнім і зовнішнім тиском.

Деформаційний натяг по довжині з'єднання визначається :

и —

АР

2 Е

<і* + (сі + 2ztg(pУ м+2^(р)г - сі;

-м

(сі + 2 ^ср)Р

2 Е

(сі + 2ztg(pf + сі]

+

+ М

(2)

_с?22 ~(сі + 2Щ(р)

де Р - тиск на спряженій поверхні, МПа; Е - модуль пружності, МПа; /л - коефіцієнт Пуассона; сі - діаметр спряженої поверхні, мм; сІІ - внутрішній діаметр ніпеля, мм; <р - кут конічних спряжених поверхонь.

Розподіл деформаційного натяау по довжині з’єднання показує, що величина незначна і може бути компенсована за

рахунок збільшення допуску при виготовленні різьбової канавки.

Таким чином, для успішного використання різьбового з’єднання з вставними витками в якості збірно-розбірного з’єднання насосно-компресорних труб, необхідно для конічних з'єднань різьбу виготовляти циліндричною. Інші геометричні параметри з’єднання визначаються з умов міцності і герметичності з’єднання.

Зовнішнє навантаження, же діє на з’єднання по частинах передається через посадку конічних поверхонь і вставні витки.

Частіша зовнішнього навантаження, яке передається через різьбу:

' ал

е, = е-#

п

Цр - 0,5кЬ) - Ц- тІхг{0-к,ї)г +Ґ

(3)

де (3 - зовнішнє навантаження'/ - коефіцієнт тертя між спряженими поверхнями; Ь - довжина твірної конуса з’єднання; к - конусність спряжених поверхонь; / - довжина твірної, де нарізана різьба.

Навантаження <2р викликає у вставному витку дію дотичних напружень зрізу і нормальних напружень зминання у витку і у деталях з'єднання, тому розрахунок різьби на міцність зводиться до розрахунку на зріз вставного витка і розрахунку на зминання витка і деталей з’єднання.

Для оцінки працездатності різьбових з’єднань з вставними витками дослідженням піддавались бурильні труби 140х10-Д. Зразки виготовляли з труб, які були в експлуатації. Потовщену частину відрізали і на тілі труби нарізали різьбу нової конструкції. Результати досліджень показали, що різьбові з'єднання з вставними витками при низьких рівнях навантажень (біля бази випробовувань) володіють вищим опором втомі, в порівнянні із стандартними з’єднаннями із потовщеною частішою. При дії більш високих

змінних навантажень довговічність стандартних з’єднань виша в порівнянні із з’єднаннями із вставними витками. Отже з’єднання із вставним витком компенсує вплив потовщеної частини на міцність.

На поверхнях руйнування досліджуваних стандартних зразків і з’єднань з вставними витками чітко видно характер корозійно-втомного руйнування. Руйнування стандартних з’єднань відбувалось по першому спряженому витку різьби труби. Руйнування з’єднань з вставними витками відбувалось по тілу труби в площині торця замка.

Приведені результати досліджень напруженого стану з’єднання з вставним» витками методом фотопружності.

Прогнозування залишкового ресурсу деталей може базуватись на використанні, як критеріїв опору втомі, так і кінетичних діаграм втоми. В якості міри пошкодження при зпші пропонується використовувати відношення плоші зон втоми до номінальної площі небезпечних перерізі. Це відношення називається ступенем пошкодження. Ступінь пошкодження є зростаючою функцією числа навантажень, що змінюється в інтервалі значень 0<Д<1. Значення ступеня пошкодження в момент Дк залежить від номінального максимального напруження циклу і зменшується з ростом його величини. При сталості в часі параметрів циклу номінальних напружень, ступінь пошкодження збільшується з неперервно зростаючою швидкістю.

Для оцінки опору деталей машин втомі використовується наближений критерій (? = \І^ Д\, який не залежить від величини напружень. Є -критерій є безрозмірною величиною, яка характеризує опір деталей в процесі навантаження.

Розглядалось питання визначення статичної міцності з’єднання з дефектом, що грунтується на класичній концепції

Гриффітса-Ірвіна. Визначена умова граничної міцності з’єднання з дефектом навантаженого осьовим статичним навантаженням.

Розділ містить дані про теоретичні та експериментальні дослідження різьбового з’єднання з вставними витками. ...

У четвертому розділі описується питання контролю ресурсу з’єднань індикаторами.

В роботі пропонується конструкція з’єднання труб з елементом, який буде виконувати роль індикотора. Таким елементом служить кільцева гостра виточка на внутрішній гладкій спряженій поверхні замкової деталі біля основи конуса. Спряжені поверхні працюють сумісно сприймаючи змінні навантаження, тобто умови протікання втомних процесів в несучій трубі і в замковій деталі, де розміщена індикаторна виточка, однакові. Геометричні параметри індикаторної виточки повинні бути підібрані так, щоб руйнування в площині виточки пройшло швидше на 2025%, ніж вичерпається ресурс труби. Таким чином, руйнування по індикаторній виточці буде сигналізувати про вичерпання 75-80% ресурсу основної несучої деталі.

Замкова деталь розглядається, ж товстостінний циліндр навантажений внутрішнім тиском. Деформації всіх елементів у напрямку осі циліндра однакові, і поперечні перерізи циліндра після деформації залишаються плоскими. Зовнішні навантаження спричиняють дію осьових напружень, які в кінцевому результаті викликають руйнування по індикаторній канавці.

Індикаторна виточка - цс кільцевий концентратор на внутрішній поверхні циліндра. Опір втомі в перерізі виточки визначається номінальними напруженнями і ефективніш коефіцієнтом концентрації напружень.

Для визначення напружень по впадині індикаторної виточки,

необхідно знайти значення моменту М, який сприймається індикатором і є долею від діючого зовнішнього моменту. Розв’язуємо цю задачу в спрощенії! постановці. Спрощення і припущення не впливають на одержані результати, і експериментальна перевірка підтверджує це.

Амплітні напруження циклу індикатора:

МКк + с)

°-=г *[*•-(*-“)*]’ '

де £, с, Ь, а - геометричні розміри виточки.

Змінюючи глибину виточки одержуємо конструкцію індикатора, границя витривалості якого буде складати частку від границі витривалості з’єднання. Для цього необхідно виконати втомні випробовування з’єднань і індикаторів.

З метою тарування індикатора і визначення його геометричних розмірів, проводились корозійно-втомні випробовування натурних різьбових з’єднань бурильних труб діаметром 50 мм. Результати випробовувань (рис.2) показали, що з'єднання з вставним витком (крива 2) володіють значно вищим опором корозійній втомі, ніж звичайні стандартні з’єднання (криваї). Пропонується вдосконалити конструкцію з'єднання, в зоні торця замкової деталі, розмістивши втулку з нижчим модулем пружності ніж у сталі (рпс.З).

При відповідній геометричній формі протекторної втулки 4, матеріал якої має модуль пружності нижчий від модуля пружності матеріалу труби 1, може бути реалізований ефект малонаван-таженості краю поверхні з'єднання навантаженого з’єднаного тіла. Для реалізації вказаного явища, необхідно виконати наступні умови: а <180°; а + р< 270°; Е4<

Як доведено в цій роботі, що труба підлягає ремонту навіть у

випадку її пораження втомною тріщиною. Пошкоджена частіша відрізається і виготовляється нове з'єднання з вставним витком, яке надійно з'єднує тонкостінну частину труби з замком. Пропонується ввести новіш критерій, який характеризує ефективність використання питомої довжини труби при бурінні свердловини, ремонтопридатність і ефективне використання після ремонту - це коефіцієнт ефективного використання труби, який визначається за формулою:

^ _ Ь,1, + Ь+ £г/г+...+ £я/п ^

К

де - пробурено новою трубою, м; Ь1 - пробурено трубою ПІСЛЯ першого ремонту, м; Ьп - пробурено трубою після л-го ремонту, м; /0 - довжина нової труби, м; /, - довжина труби після першого ремонту, м; / - довжина труби після л-го ремонту, м; Ьи -

нормативна проходка новою трубою.

Використання запропонованих нових конструкцій з’єднань дозволяє досягнути високоефективної експлуатації бурильної труби.

У п’ятому розділі обгрунтована можливість виготовлення труб нафтового сортаменту із полімерних композиційних матеріалів (ПКМ), зокрема, склопластшса.

Основним геометричним параметром, якігіі необхідно знайти з умов міцності є товщина стінки. Поскільки, стандартні товщини стальних бурильних і насосно-компресорних труб неможливо використати для виготовлення труб із ПКМ, через відмінність механічних властивостей матеріалів. Принципова різниця властивостей полягає в тому, що метали є ізотропними, а ПКМ-анізотропними.

Кількість цикл її], млн.

Рис. 2. Криві корозійної втоми різьбових з’єднань геологорозвідувальних бурильних труб ТБВ-50 виготовлених із сталі 36Г2С 1-стандартне з’єднання; 2-з’єднання з вставними витками;

3-розрахункова крива втоми індикатора;

4-сксиериметальні точки випробовувань індикатора

к-

■ 4

Рис.З. Елемент конструкції з’єднання підвищеної надійності труби з замком

1-труба; 2-замкова деталь;3-індпкаторна виточка;

4-протекторна втулка

Для обгрунтування вибору товщини стінки для труб із склопластика пропонується використати лінійну теорію шарових оболонок. Труба розглядається, як циліндрична оболонка навантажена внутрішнім тиском Р і осьовим зусиллям (?, з товщиною 3.

1 + ІЛ, 1 + /.І., -2 І

- q -----------—^ СОБ Ф +-------------------—- БІП Ф ;

де ст1,сг2,тІ2 - допустимі максимальні напруження при розтягу і зсуві вздовж напрямку навивки і перпендикулярно цьому напрямку; £:, Ег ~ модулі пружності в різних напрямках; Мп’Ми ~ коефіцієнти Пуассона; С)2 - модуль зсуву; <р - кут армування.

Результати випробовувань показали, що для труб виготовлених з ПКМ стандартні з’єднання не забезпечують працездатності. При внутрішньому тиску зовнішня деталь більше деформується, що приводить до зменшення тиску між деталями з’єднання і, як наслідок, до втрати герметичності. Це особливо важливо для деталей виготовлених з ПКМ, матеріалу з нижчим модулем пружності по відношенню до сталей. В такому випадку доцільно зовнішню деталь виготовляти з матеріалу з вищим модулем пружності, наприклад, з металу при внутрішній деталі виготовленій із ПКМ. Різьбові з’єднання з вставними витками володіють рядом переваг в порівнянні із стандартними, що може забезпечити необхідну працездатність труб виготовлених з ПКМ.

Працездатність виробів із полімерних композиційних матеріалів забезпечується, як правильним вибором вихідних компонентів, так і раціальною технологією виготовлення. Потрібно відмітити значне розсіювання фізико-механічних показників, обумовлене неоднорідністю і недостатньою стабільністю процесу формування виробу, орієнтацією волокнистого наповнювача. Отже, важливе значення відводиться питанням технології виготовлення труб із ПКМ. Труби виготовляють із склопластика, методом намотування.

Спроектована промислова дільниця для виготовлення труб із

ПКМ, яка вмішує наступні основні технологічні операції: приготування зв’язуючого, намотування, полімеризація, видалення оправок, механічна обробка.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

1. На основі аналізу промислового матеріалу, літературних джерел та лабораторних досліджень узагальнені причини відмов труб при бурінні та експлуатації свердловин, визначено шляхи забезпечення надійності через покращення ремонтопридатності, довговічності та ймовірності безвідмовної роботи. Введений новіш кількісний критерій оцінки ремонтопридатності - коефіцієнт ефективного використання труби.

2. Підібрані і систематизовані методики досліджень надійності труб нафтового сортаменту при бурінні та експлуатації свердловин, які включають дослідження натурних конструкцій на міцність, опір втомі, герметичність та фізичні методи досліджень матеріалів.

3. Розроблена конструкція і обгрунтовані геометричні розміри роз’ємного різьбового з'єднання з вставним витком, яке дозволяє підвищувати надійність бурильних труб за рахунок підвищення ремонтопридатності, довговічності та ймовірності безвідмовної роботи.

4. На основі експериментальних досліджень запропоновані методики визначення залишкового ресурсу з’єднань труб з тріщинами.

5. Експериментально встановлено, що для виготовлення насосно-компресорних труб можна використовувати полімерні композиційні матеріали, зокрема склопластики.

6. Експериментально і теоретично обгрунтовано та створено

конструкцію з’єднання труб нафтового сортаменту, виготовлених із полімерних композиційних матеріалів. При цьому з'єднуючий елемент (муфту) необхідно виготовляти із сталі.

7. Вибрано технологію та запропоновано промислову дільницю для виготовлення труб із ПКМ.

8. Експериментально обгрунтовані і розроблені заходи підвищення показників надійності при бурінні і експлуатації свердловин:

- ремонтопридатності та довговічності шляхом використання нової конструкції з'єднання;

- ймовірності безвмовної роботи шляхом використання індикатору втомних пошкоджень та використання нових матеріалів.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ПО РОБОТІ

1. Крижанівський Є.І., Шкіца Л.Є. Прогнозування залишкового ресурсу з'єднань великогабаритних пустотілих деталей при дії змінних напружень //Виїсіїп бШшйс, ишуегекагса Ваіа Маге, Кдташа.-1992.-їєгіа С.- с.36-41.-рум.

2. Пелех БЛ., Крыжановский Е.И., Шкіша Л.Е. Расчет и проектирование слоистых металлов с повышенной трещиностойкостыо // ВиїсШі вгШіІіііс, ищусгякагеа Ваіа Маге, Котапіа.-1992.-5егіа С.- с.50-54.

3. Пелех БЛ., Крыжановский Е.И., Шкица Л.Е. Обобщенный энергетический критерий квазихрупкого разрушения слоистых материалов// ВиїсШі 5ЙЩі0с, ишуегаїаіеа Ваіа Маге, Яошаша.-1992.-5егіа С.- с.62-68.

4. Пелех БЛ., Крыжановский Е.И., Шкица Л.Е. Некоторые закономерности взаимопревращения дефектов в мсталических

материалах и их использование при решении проблемы торможения и остановки лавинных разрушении // Buletin stiintific, Universitatea Baia Mare, Romania.-1992.-seria C.- c.69-72.

5. Крижанівський Є.І., Шкіиа Л.Є. Розробка труб нафтового сортаменту // Буріння нафтових і газових свердловин. Збірник статеи.-Івано-Франківськ, 1995.-С.76-83.

6. Шкіца Л.Є. Підвищення ресурсу насосно-компрссоршгх труб // Буріння нафтових і газових свердловин. Збірник статей.-Івано-Франківськ, 1995.-С.85-89.

7. А.с. 1756531 СССР, МКИ Е21В 17/042. Резьбовое соединение муфтовой части бурильного замка с трубой / Е.И.Крыжановский, И.М.Рихлевич, Ю.Д.Петрнна, Л.Е.Шкица.-опуб.23.08.92.Бюл.Ш1.

8. Шкіца Л.Є. Визначення залишкового ресурсу елементів бурильних колон //Тези доповіді науково-технічної конференції професорсько-викладацького складу ІФІНГ, 1992.-c.92.

9. Крыжановский Е.И., Шища Л.Е. Определение остаточного ресурса элементов бурильных колон при индивидуальном контроле за развитием усталостных процессов //Тезисы доклада международной научно-технической и методической конференции. Часть 1. Комсомольский-на-Амуре политех, ин-т, 1993.-c.ll.

Шкица Л.Е. Обеспечение надежности труб при бурении и эксплуатации скважин.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.07 - машины и агрегаты нефтяной и газовой промышлености (рукопись).

Ивано-Франковский государственный технический университет нефти и газа, Ивано-Франковск, 1996.

В диссертации обобщены причины отказов труб при бурении и эксплуатации скважіш. Большинство аварий с колонами труб вызвано коррозионно-усталостными повреждениями резьбовых соединений. Предлагается конструкция розъемного резьбового соединения с вставными витками, которое обеспечивает надежность колонн труб за счет увеличения ремонтопригодности, долговечности и вероятности безотказной работы. Контроль ресурса соединений ведется с помощью индикатора усталостных повреждений. Создана конструкция труб нефтяного сортамента из склопластика и предлагается технология изготовления таких труб.

Shkitsa L. The maintenance of the pipes reliability at drilling and operation the hole.

Scientific degree thesis of technical scicnses candidate speciality 05.15.07-“Machines and Units of Oil and Gas industry” Ivano-Frankivsk State Technical University of Oil and Gas, Ivano-Frankivsk, 1996.

The thesis are integrated reasons of pipers failure at drilling and operation. The majority of failures connect with the pipes string is caused of corrosion-fatique screw joints damages. The screw joint design with insertion is offerred which provides the reliability the pipes string at the increase of the maintainabity, durability and probabilities of no-failure. The fatigue indicator’s destruction confirm the exhaustion of joint part of the rcsours and it isn’t danderous for the structure efficiency. The construction of pipes petroleum rate is offered to make from the glass-fibre reinforced plastic and recommend the technology of the pipes manufacturing.

Ключові слова: бурильна труба, насосно-компресорна труба,

надійність, корозійна втома, полімерні композиційні матеріали, з’єднання з вставним витком, ремонтопридатність, склопластик, відмова.