автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Разработка методов и средств для совершенствования процесса развинчивания насосно-компрессорных труб

На правах рукописи

Вадшуллин Артур Дулкынович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ДЛЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЦЕССА РАЗВИНЧИВАНИЯ НАСОСНО-КОМПРЕССОРНЫХ ТРУБ

Специальность 05.02.13 - «Машины, агрегаты и процессы» (нефтегазовая отрасль)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа-2014

005557778

005557778

Работа выполнена на кафедре «Нефтегазовое оборудование» ГБОУ ВПО «Альметьевский государственный нефтяной институт»

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Галеев Ахметсалим Сабирович

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

Шайдаков Владимир Владимирович доктор технических наук, профессор, ООО «Инжиниринговая компания «ИНКОМП-иефть» / директор

Ризванов Рамиль Рифович

кандидат технических наук, ООО «Авиатех» / руководитель инновационными проектами

ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет», г. Самара

Защита состоится «23» декабря 2014 г. в 16:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.289.05 при ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» и ira сайте www.rusoil.net.

Автореферат разослан «3» года.

Ученый секретарь диссертационного совета

Ризванов Риф Гарифович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

На содержание парка насосно-компрессорных труб (НКТ) требуется порядка 35% затрат от себестоимости добываемой нефти всей России. Покупка новых труб для строящихся скважин и для восстановления выбывших из использования, ремонта эксплуатационного фонда труб заключается, как правило, в привлечении значительных средств.

Из промысловой статистики известно, что основная причина, по которой резьба НКТ выходит из строя, это её механическое разрушение и коррозионный износ. Причем интенсивность коррозионного разрушения увеличивается многократно при повышении агрессивности добываемой среды. Механическое разрушение происходит в результате того, что эксплуатация НКТ в скважине, сопровождающаяся сочетанием высокой статической и знакопеременной нагрузок, приводит к схватыванию и прилипанию резьб друг к другу. Раскручивание такого соединения в процессе спуско - подъемных операций (СПО) сопровождается возникновением «задиров» и приводит к полному разрушению резьбы. Все это вместе взятое приводит к потере герметичности колонны НКТ в процессе эксплуатации, а эксплуатационный ресурс НКТ существенно снижается.

По статистике количество «неотворота» труб в ОАО «Татнефть» составляет в среднем 5...6 труб из 145 труб на одну скважину при подземном ремонте скважин, что составляет 3...4 % труб на одну скважину. И во всех случаях трубы развинчивают, зачастую, путем приложения «упругих колебаний» в виде ударов по муфте и чрезмерных усилий развинчивания, приводящих к деформации резьбы, и, как следствие, к пополнению количества негодных к ремонту труб.

Методы теплового и осевого воздействия позволяют снизить моменты при развинчивании НКТ, исключить задиры, повысить общий ресурс и т.д., однако их внедрение в промысловую практику сдерживается отсутствием как методики расчета зависимости параметров процесса от характеристик свинчиваемых

соединений, так и реализующих их устройств. Поэтому разработка теплового и осевого методов воздействия при развинчивании НКТ представляется актуальной задачей.

Цель "диссертационной работы: разработка методов и средств, позволяющих снизить моменты развинчивания резьбовых соединений насосно-компрессорных труб.

Задачи исследования:

1 Анализ состояния проблемы свинчивания-развинчивания труб.

2 Теоретическое исследование факторов, определяющих характер теплового и осевого воздействий на процесс развинчивания НКТ.

3 Экспериментальное определение оптимальных параметров теплового и осевого воздействия на процесс развинчивания НКТ.

4 Определение инвариантов переноса оптимальных параметров теплового и осевого воздействий на применяемые типоразмеры НКТ.

5 Разработка экспериментальной конструкции устройств по тепловому и осевому воздействию, проведение опытно - промышленных испытаний.

Методы решения задач

Для решения поставленных задач были использованы методы термодинамики, теории упругости, теории подобия и методы планирования эксперимента.

Научная новизна:

1 В рамках разработанной математической модели процесса теплового воздействия на соединение «муфта-ниппель» НКТ установлено оптимальное время прогрева муфты, необходимое для получения максимального градиента температур на границе резьбового соединения. Получена зависимость между толщиной стенки НКТ и оптимальным временем прогрева муфты.

2 Разработана математическая модель процесса осевого воздействия на резьбовую часть насосно-компрессорных труб; установлены критерии оценки силы натяжения с целью снижения начальных моментов развинчивания; получена

зависимость оптимального осевого натяжения от диаметра НКТ для максимального снижения момента развинчивания для конической резьбы.

3 Получены инварианты, позволившие перенести оптимальные параметры теплового и осевого методов воздействия на весь типоразмерный ряд НКТ.

Основные защищаемые положения:

1 Теоретическое описание безразмерных соотношений зависимости параметров процессов теплового и осевого воздействий (время воздействия, температура теплоносителя, осевая сила и др.) от характеристик резьбового соединения (толщины и диаметры свинчиваемых труб, материал и тому подобное).

2 Результаты экспериментального определения допустимых оптимальных значений параметров, обуславливающих эффективность теплового и осевого воздействий на характеристики развинчивания резьбовых соединений НКТ.

Практическая ценность работы:

1 Разработано устройство и оптимизирована работа «теплового раскрепителя», реализующего метод теплового воздействия на резьбовые соединения НКТ (Патент РФ №2422616).

2 «Тепловой раскрепитель» апробирован в промысловых условиях и рекомендован к внедрению в Елховском цехе ООО «НКТ-Сервис» (УК ООО «ТМС-Групп» ОАО «Татнефть», г. Альметьевск).

Автор выражает свою глубокую благодарность сотрудникам кафедры нефтегазового оборудования ГБОУ ВПО АГНИ, а также ООО «НКТ-Сервис» (УК ООО «ТМС-Групп» ОАО «Татнефть») за содействие, оказанное при выполнении исследований.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях, техсоветах: Всероссийская научно-техническая конференция, посвященная 30-летию кафедры разведки и разработки нефтяных и газовых месторождений ФГБОУ ВПО УГНТУ (Октябрьский, 2009), X

5

международная молодёжная научная конференция «Севергеоэкотех-2009» (Ухта,

2009), научные сессии АГНИ по итогам 2008...2011 гг. (Альметьевск, 2008, 2009, 2010, 2011 гг.), Всероссийская научно-практическая конференция, посвящённая 95-летию первого ректора Чувашского госуниверситета С. Ф. Сайкина (Чебоксары, 2009), Всероссийская научно-техническая конференция «Инновационное нефтегазовое оборудование: проблемы и решения» (Уфа, 2010), Международная научно-пракшческая конференция молодых учёных (Октябрьский, 2011), Технический совет ООО «НКТ - Сервис» (Альметьевск,

2010), ХП1 Молодежная научно-практическая конференция ОАО «Татнефть» (Альметьевск, 2013).

Публикации

Основные результаты диссертации изложены в 12 печатных работах, в числе которых 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, и 1 патент на изобретение.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, основных выводов, библиографического списка из 88 наименований, изложена на 156 страницах машийописного текста, содержит 45 рисунков, 43 таблицы и 5 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена актуальность темы диссертации, сформулирована цель исследования, приведены основные положения, выносимые на защиту, определена научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

Первая глава посвящена анализу современного состояния проблемы свинчивания-развинчивания резьбовых соединений насосно-компрессорных труб, рассмотрены основные направления повышения эффективности процесса свинчивания-развинчивания труб, учтены факторы, влияющие на ресурс резьбовых соединений, а также проведен анализ существующих методов повышения эффективности работы резьбовых соединений.

б

Определенный вклад в изучение процессов, происходящих в резьбовых соединениях при свинчивании-развинчивании, внесли ученые Б. Л. Штриков, А. Г. Герасимов, А. А. Гусев, А. М. Дальский, Д. Я. Ильинский, В. Н. Сызранцев, Р. Р. Ризванов, Н. И. Камышный, А. Ш. Янтурин, В. В.Шайдаков, М. С. Лебедовский, А. С. Галеев, К. Я. Муценек, М. П. Новиков, Н. Е. Жуковский, А. Н. Рабинович, С. А. Рекин, А. Е. Сароян, Н. Д. Щербюк, В. А. Яхимович, Л. А. Лачинян и др.

При этом в основе большинства технологических работ лежат фундаментальные исследования Н. М. Михина, Д. Н. Гаркунова, М. Н. Добычина, И. В. Крагельского, В. С. Комбалова, А. В. Чичинадзе и др.

Проведенный анализ способов повышения эффективности процесса развинчивания резьбового соединения показывает, что требуется разработка щадящего режима развинчивания труб, позволяющего повысить ресурс резьбы труб, так как применяемые сегодня способы борьбы с «неотворотом» труб при спуско-подьемных операциях приводят к быстрому износу резьбовых соединений.

Способом создания такого режима является тепловое воздействие в зоне контакта резьб НКТ и осевое натяжение перед процессом развинчивания. Для успешности применения необходимо исследование вопросов взаимосвязи параметров теплового и осевого воздействия (время воздействия, температура теплоносителя и т.д.) с характеристиками НКТ (диаметр, материал, толщина

стенок и т.п.), а именно:

- определение параметров воздействия для снижения силовых и временных характеристик развинчивания резьбовых соединений НКТ,

- постановка эксперимента по выявлению оптимальных условий теплового и осевого воздействия,

- разработка устройства подачи тепла на муфту трубы,

- постановка эксперимента по выявлению эффективности осевого воздействия.

Во второй главе приведены результаты расчетов по определению влияния

теплового воздействия на напряженное состояние резьбового соединения, а также представлены исследования по определению температур в среднем сечении муфта, ниппеля и их разности для НКТ с условным диаметром 73 мм; рассчитано-оптимальное время воздействия.

В процессе нагрева муфты происходит её расширение, за счет чего натяг в резьбовом соединении уменьшается, что приводит к уменьшению силы трения ДБ, которая определяется в первом приближении из закона Гука:

где ктретя - коэффициент трения; Я АЛ - начальный радиус и абсолютное расширение муфты, м; Да - радиальное напряжение, Па; 5 - площадь резьбы (контактная), м2; а - коэффициент температурного расширения стали, равен 12,5-10"61/°С; Е- модуль Юнга для стали, 2-10й Па; А Г- изменение температуры муфты, "С.

В главе определяется оптимальное время теплового воздействия (далее — время выдержки) для достижения максимального необходимого градиента температур на границе резьбового соединения муфта-ниппель (то есть на наружной поверхности ниппеля Тнн и внутренней поверхности муфты Тш)\

(Тш ~ Т""У}1 -> шах, (2)

где Л-«высота резьбы». Реэь5а Нилпе/ь

_ Парогенератор / /

Рассматривался поток тепла в направлении «стенка парогенератора-муфта - резьба-ниппель» (рисунок 1).

Были приняты следующие допущения:

1) при конденсации температура

пара (воды) мгновенно становится равной

100 °С (за счет хорошей теплоотдачи

муфте) и остается такой все время, пока Рисунок 1 - Схема расчета

теплопереноса

идет конденсация пара;

2) температура поверхности муфты мгновенно устанавливается равной 100 °С и остается такой все время, пока идет конденсация пара на поверхности водной пленки;

3) так как диаметр системы «муфта-ниппель» значительно больше толщины их стенок (Д„ Д,»<4М, рассматривалась плоская задача.

Исходя из принятых допущений, имеем плоскую задачу теплопереноса

1 = ^7-, т-ус.р, (3)

где Г,/,г,/1,с,р - соответственно, температура, время, коэффициент температуропроводности, теплопроводность, теплоемкость, плотность материала (сталь).

Задача (3) имеет краевые условия 1-го рода на наружной поверхности муфты (НМ) и внутренней ниппеля (ВН):

Тш= Ю0'С; Янн = 0, (4)

где Тш—температура внешней поверхности муфты, °С; Явн~ температура внутри ниппеля, °С. Решение уравнения (3) с краевыми условиями (4) реализует возможность рассчитать температуру на расстоянии х от наружной поверхности муфты и имеет следующий вид:

х

Гт

р * 4

т=к^г+г,. (5)

где Тр, То — соответственно, температура на поверхности муфты и равновесная температура в теле НКТ (муфты и трубы); х ~ расстояние от наружной поверхности муфты; х, \ - переменные интегрирования; г - время выдержки.

Время, с

Рисунок 2 — Зависимость разности температур муфты и ниппеля для НКТ 073 от времени выдержки

4 6 8

Толщина стенки НКТ. мм

Рисунок 3 - Зависимость оптимального времени прогрева от толщины стенки НКТ

На рисунке 2 представлены результаты расчетов разности температур Т1-Т2 (средняя по телу муфты - средняя по телу ниппеля) для НКТ с условным диаметром 73 мм: температура поверхности муфты 100 °С, начальная температура 20 °С, коэффициент температуропроводности принят равным 1,46-10'5 м2/с. Из графика видно, что максимальный градиент температур достигается в момент времени чуть более 2 секунд.

На рисунке 3 представлен график зависимости оптимального времени прогрева муфты от толщины стенки НКТ, которая с достоверностью 0,997 аппроксимируется линейной функцией:

Топт = 0,815-^-2,085, (6)

где Т опт — оптимальное время прогрева муфты, с; / нкт - толщина стенки НКТ, мм.

Полученную зависимость величины оптимального времени прогрева от толщины стенки для НКТ и73 (см. рисунок 3 и формулу (6)) следует считать ориентировочной и нуждающейся в экспериментальной проверке, а именно, в проведении оптимизационного эксперимента (например, по известной процедуре

Бокса-Уилсона).

В третьей главе приведены описание разработанного устройства для осуществления теплового воздействия с целью ослабления натяга в соединении муфта-ниппель с помощью пара (получен патент РФ на изобретение № 2422616,-харакгеристики которого приводятся в таблице 1), названного «тепловым раскрепителем», а также результаты экспериментов по определению оптимальных параметров теплового воздействия.

Таблица 1 - Технические характеристики теплового раскрепителя

Напряжение сети переменного тока частотой 50 Гц, В 220 ± 10

Потребляемая мощность, Вт, не менее 1000

Температура нагрева теплоносителей, °С, не менее 160

Тип теплоносителя вода/ пар

Мгновенная тепловая мощность устройства, кВт 50

Последовательность процесса теплового воздействия:

1 Нагрев парогенератора до температуры порядка 200 °С (~15 минут);

2 Установка парогенератора на муфте и подача воды (4.. .20 мл);

3 Выдержка парогенератора в прижатом к муфте состоянии в течение 1...15 с.

Испытания по определению влияния тепла на процесс развинчивания

проводились на экспериментальном стенде, состоящим из металлического основания, опор и оборудования для механизации спуско - подъемных операций (СПО). Тензометрический датчик Т - 400А, смонтированный у основания стенда предназначался для измерения аналогового сигнала, который усиливался и преобразовывался в цифровой код в аналого-цифровом преобразователе >1У1Л5 и поступал в персональный компьютер с частотой 400 измерений в секунду (рисунок 4).

Испытанию были подвергнуты гладкие насосно-компрессорные трубы (ГОСТ Р 52203-2004, группа прочности "Д") с конической резьбой треугольного профиля с углом 60° и шагом 2,54 мм. Резьба на трубах новая, нарезана в сервисном цеху по ремонту труб ООО "НКТ-Сервис" УК ООО «ТМС - групп» (г. Альметьевск).

и

Рисунок 4 - Схема регистрации усилия на ключе (момента)

Резьбовое соединение свинчивалось с применением резьбовой смазки Р-2, рекомендованной инструкцией по эксплуатации НКТ.

Были проведены 2 серии испытаний по развинчиванию НКТ:

- без теплового воздействия;

- с тепловым воздействием (перед развинчиванием) с разным количеством теплоносителя (воды) и разным временем выдержки парогенератора на муфте НКТ.

Во всех сериях испытаний эффективность теплового воздействия на процесс развинчивания резьбовых соединений оценивалась отношением максимального начального момента развинчивания с тепловым воздействием Ммлх к максимальному моменту развинчивания без теплового воздействия Ммахо ■

- Мщх /Мщхо. (7)

Из моментограмм на рисунке 5 видно, что тепловое воздействие оказывает существенное влияние на процессы, происходящие на поверхностях трения замковых резьб, а именно:

- установлено, что эффект от уменьшения максимальных моментов развинчивания от теплового воздействия (10...35%) наблюдается только в определённом интервале времени и объёма подаваемой в контейнер парогенератора воды;

- для определения оптимальных значений времени выдержки и температуры теплоносителя (в зависимости от типоразмера применяемого НКТ) необходимо

проведение оптимизационного эксперимента, в частности, используя метод крутого восхождения Бокса-Уилсона;

- для получения возможности переноса полученных оптимальных режимов теплового воздействия на любые типоразмеры НКТ необходимо построение модельных соотношений при помощи теории подобия и размерности.

2500

Е

Ь

g 2000 1500 1000 500 О

Время

Рисунок 5 - Моментограммы развинчивания (зависимости момента на ключе АПР-2ВБМ от времени): а) без теплового воздействия; б), в) и г) с тепловым воздействием, соответственно, объемом воды 5 мл/выдержкой 15 с; 20 мл/1 с и 10 мл/4 с.

В четвертой главе проведено обоснование выбора влияющих параметров, описана процедура обезразмеривания и нахождение области их изменений, а также представлен выбор плана многофакторного эксперимента и результаты опытов в ходе оптимизационного эксперимента.

Известно, что эффективность теплового воздействия определяется большим количеством факторов. Перечислим основные и важные для нашего случая: т -количество (масса) теплоносителя, как правило, вода (или пар); t - время выдержки, с, Dud - диаметр и толщина стенки НКТ, м; Cv, С/- теплоемкость воды и стали, Дж/(кг • °С); /и - коэффициент теплопроводности материала НКТ (сталь), Вт/(м • К); р - плотность стали, кг/м3; X - теплота парообразования (конденсации) воды, Дж/кг; Т - температура теплоносителя, °С; М - количество

13

(масса) теплоаккумулятора, г.

Исходя из анализа размерностей и принимая за основные размерности длины «м», времени «с», массы «кг» и температуры «°с» (соответственно, размерности параметров Ц X, р. су), и используя гг — теорему, получено, что эффективность теплового воздействия (см. формулу (8)) является функцией <р безразмерных комплексов:

_ т ,с/ цг г*су М .

-рг-О4 '"я^ рТо5"'" ' (8)

что позволяет сократить количество независимых параметров на четыре.

С учетом «постоянных» (в данном исследовании) комплексов из выражения (8) следует:

, т ¡2-А л/

г,%,-■■), (9)

причем полноценному варьированию в ходе оптимизационного эксперимента подлежат только два первых из них (ввиду ограниченности типоразмерного ряда НКТ).

Из формулы (9) следует:

1 Эффект теплового воздействия является функцией безразмерных параметров, учитывающих массу теплоносителя ш и время выдержки

2 Экспериментальную отработку технологии теплового воздействия возможно произвести по параметрам массы теплоносителя ш и времени выдержки I на одном типоразмере НКТ, а перенос полученных закономерностей на остальные типы НКТ производится при соблюдении неизменными безразмерных комплексов по формуле (9).

3 Параметр отношения толщины стенки НКТ к ее диаметру сШ требует дополнительного исследования (при сохранении неизменными первых двух комплексов по массе теплоносителя и времени выдержки).

В дальнейшем был построен план эксперимента с матрицей планирования для реплики 23"1 из 4 опытов. Метод эксперимента получил в литературе наименование метода наискорейшего спуска (в случае поиска оптимума -минимума) или крутого восхождения (поиск оптимума - максимума) Бокса-

Уилсона.

Метод состоит в том, что определяется градиент в выбранной на основе предварительных опытов точке (или априори), используя который плакируется следующая серия экспериментов на градиенте. Градиент определяется на основании построенной линейной корреляционной функции в выбранной точке.

На рисунке 6 показаны «скачки» по градиенту. Точками обозначены

условия проведения опытов по массе теплоносителя и времени выдержки (соответствующая экспликация - в подрисуночной надписи).

В результате проведения оптимизационного эксперимента получены оптимальные условия для теплового воздействия при развинчивании НКТ и73 как т =13 г и I =4 с. При этом эффект снижения максимального момента развинчивания составил 37%. В таблице 2 приведены безразмерные и реальные значения характеристик

е

1

ф 8 3

2 е

к

г & <

ш

1ботгод ,

«Л.

тм» •

186«?

• 13.31.12 « 07.02.12 > 16.02.12

0 $ 10 15 я 3 м 35

Ыасса теппассэтеля. г

Рисунок 6 - Графическая иллюстрация, где точками отмечены условия проведения опытов (согласно датам на экспликации), стрелками показан порядок выбора «нулевой точки», через дробь приведены значения максимального и кинетического момента (без теплового воздействия, соответственно, 1946 Нм/750 Нмс).

теплового воздействия, соответствующие оптимуму Мтах для остальных типоразмеров НКТ (О = 33, 42, 48, 60, 89, 102, 114 мм) при постоянных р = 7800

кг/м3, Х = 80,4 Вт/(м К).

С целью экстраполяции полученных значений оптимальных характеристик

теплового воздействия на натурные объекты в целом, проведены оценочные

опыты согласно условиям таблицы 2 для остальных НКТ - ибО и и89 мм (см. Таблицу 3).

Таблица 2 - Стандартный ряд НКТ и оптимальные характеристики воздействия

Условный диаметр (наружный), мм Толщина стенки, мм Отношение толщины стенки к диаметру трубы Безразмерные факторы (см. формулу (9) в оптимуме для Б=73 мм) Оптимальные параметры воздействия

О а (¡/Б т 1г-Л & масса время

топтим. г Ьгтшг с

33 3,5 0,106 4,28 2,41 105 1,2 1,8

42 4 0,095 2,5 2,3

48 4 0,083 3,7 2,6

60 5 0,083 7,2 3,3

73 5,5 0,075 13,0 4,0

89 6,5 0,073 23,6 4,9

102 6,5 0,064 35,5 5,6

114 7 0,061 49,5 6Д

Таблица 3 - Результаты опытов с различными диаметрами труб в условиях оптимума___ ^

О, мм 60 73 89

Ем™х= Мшах/МтахО, % 61 63 67

Примечание - Для НКТ с условным диаметром 33, 42,48,102, 114 мм опьггы не

проводились.

Таким образом, получены условия, при которых процесс развинчивания характеризуется оптимальным снижением максимального начального момента развинчивания А4ш- при введении в зону контакта резьб муфты и ниппеля тепловой энергии (для НКТ 06О мм). Эти условия распространены безразмерными инвариантами на остальные типоразмеры НКТ, а также проверена их применимость на НКТ 06О и о89 мм.

В пятой главе приведены условия и результаты опытно-промышленных испытаний теплового раскрепителя в условиях Елховского цеха по ремонту труб ООО «НКТ-Сервис» УК ООО «ТМС-Групп» (г. Альметьевск). Были проведены семь серий испытаний по отвороту муфт НКТ диаметром 73 мм. Для проверки полученного в лабораторных условиях оптимума по условиям теплового воздействия было предпринято варьирование условий по массе теплоносителя и времени выдержки с использованием так называемого метода «раскачки». Подтвержден полученный на стендовых испытаниях оптимум: максимальный момент развинчивания при тепловом воздействии в течение 4 с и массы теплоносителя 13 мл составил 1525 Н-м против 2047 Нм без теплового воздействия. Здесь же приведен расчет экономического эффекта от внедрения теплового раскрепителя в условиях Елховского цеха ООО «НКТ-Сервис» (г. Альметьевск): годовая экономия от внедрения теплового раскрепителя при развинчивании муфт составила более 0,7 млн. руб. Годовая экономия от внедрения метода в процесс развинчивания резьбовых соединений 62500 труб бригадой по ремонту скважин составила порядка 1,4 млн. руб.

В шестой главе описывается влияние метода натяжения на эффективность развинчивания труб. Осевая растягивающая сила (рисунок 7) вынуждает муфту расшириться, что позволяет сократить площадку трения пары витков за счет разнонаправленного «движения» муфты и ниппеля в радиальном направлении. В результате ослабляются напряжения и, соответственно, натяг резьбы. Здесь же приводится обоснование выбора влияющих параметров, описана процедура обезразмеривания и нахождение области их изменений, а также представлен выбор плана эксперимента и результаты опытов в ходе оптимизационного эксперимента по установлению влияния знакопеременных осевых сил на величину снижения момента развинчивания.

Рисунок 7 - Распределение знакопеременных сил радиального направления в результате растяжения НКТ

Рисунок 8 - Варианты расположения винта для постановки эксперимента по «натяжению-вдавливанию»: 1- винт, 2 - неподвижные гайки,

3 — гайка «натяжения-вдавливания»,

4 - упоры, 5 - муфта, 6 - рама,

7 - система блокировки растяжения муфты в процессе натяжения

Методами теории подобия и размерности получено, что безразмерный эффект воздействия еМтах= М1Мх/МШхо (Ммдх, ммахо - максимальные моменты при развинчивании резьб с предварительным осевым натяжением и без него, соответственно) является функцией момента М, создающего осевое натяжение (напряжение) о:

м/

(10)

где Е - модуль Юнга для стали, Па; Б - условный диаметр НКТ, м; С — безразмерная константа.

Для проведения испытаний были разработаны и собраны два стенда (рисунок 8), реализующие возможность развинчивания при знакопеременных осевых усилиях. Усилия при свинчивании и развинчивании измерялись динамометрическим ключом.

Были проведены три оценочных серии испытаний по отвороту резьбового

соединения: без применения «натяжения или вдавливания»; развинчивание «с натяжением» винта; развинчивание «с вдавливанием» винта в муфту.

Проведенные предварительные испытания показали, что в результате осевого натяжения трубы в муфте снижение момента развинчивания составило, соответственно, для метрической и конусной резьб от 5% до 15% и от 15% до 35%, при условии, что осевое натяжение создается моментами величиной от 1 до 2.5 величины момента затяжки резьбы. Для установления оптимальных характеристик осевого воздействия был проведен оптимизационный эксперимент аналогично главе 4 при нахождении оптимальных параметров теплового воздействия.

Таблица 4 - Оптимальные характеристики осевого воздействия на процесс свинчивания-развинчивания (результаты расчета для труб НКТ диаметрами 33,

42,60,73,89,102 мм)

Диаметр НКТ, мм 26 33 42 60 73 89 102

Толщина стенки НКТ, мм 13 3,5 4 5 5,5 6,5 6,5

Реальная осевая сила, Н 18462 5974 8739 15703 21104 30444 35059

Реальное напряжение в теле трубы. Па о=3,5-10'

Примечание - Труба 026 мм, использованная в опытах по оптимизации представляет собой сплошной стержень диаметром 26 мм. Соответственно, «толщина стенки» принята равной половине диаметра, и растягивающие усилия и моменты для него больше, чем для реальных труб.

В таблице 4 приведены реальные значения осевых сил, соответствующие оптимуму (локальному максимуму) %Мтах для Б=26 мм, и расчетные для остальных типоразмеров НКТ (0=33,42,60,73,89,102 мм).

Для установления характера переноса условий получения оптимума на другие типоразмеры труб необходим расчет соответствующих инвариантов переноса, что позволит «приобщить» значения оптимума не только на «трубе» о 26 мм.

Для испытаний были использованы гладкие насосно-компрессорные трубы иЗЗ мм класса прочности Е с конической резьбой треугольного профиля с углом

19

60° и шагом 2,54 мм в количестве 18 штук и длиной 2 м каждая. Трубы новые, нарезаны в сервисном цеху ООО "НКТ-Сервис" УК ООО «ТМС-Групп» (г. Альметьевск) и предварительно свинченные моментом затяжки 500 Н м, практически соответствующим регламентированному моменту затяжки труб.

Рисунок 9 - Компоновка стенда испытаний (а) и общий вид экспериментальной установки (б): 1 — электроталь; 2 — крюк; 3 - электронные весы К-2000; 4 - элеватор; 5 - труба НКТ; 6 - ключ КТГУ; 7 - механизированный ключ АПР-2ВБМ; 8 - превентор; 9 - оправка; 10 - компьютер; 11 - АЦП; 12 - усилитель (плечо); 13 - трос

практически соответствующим регламентированному моменту затяжки труб диаметром 33 мм класса прочности Е согласно ГОСТ Р 52203-2004.

Испытания проводились следующим образом.

На механизированный ключ 7 (рисунок 9) устанавливалась пара свинченных труб. Трубы 5 подвешивались на элеваторе 4, который, в свою очередь, был подвешен на электронных весах 3 с пределом взвешивания 2 тонны. В ншкней части превентора 8 была смонтирована оправка 9, которая предотвращала смещение труб в осевом направлении в процессе их натяжения и не создавала какое-либо сопротивление при вращательном движении свечи. Для свинчивания и развинчивания, а также для замера моментов, использовались

ключи трубные 6. Натяжение трубы производилось с помощью электротали 1 грузоподъемностью в 1 тонну. Предварительно свинченная и установленная пара труб растягивалась электроталью до требуемого значения. При этом осевая нагрузка определялась с помощью электронных весов.

Ключи трубные ставились в положение «развинчивание», после чего на рукоятку ключа, размещенного под основанием стенда, накидывался трос от тензометрического датчика.

После нажатия клавиши регистрации значений момента проводилась операция развинчивания труб. В итоге развинченные трубы снимались с модели скважины, и устанавливалась следующая пара свинченных труб. Было проведено четыре серии испытаний по отвороту насосно-компрессорных труб диаметром 33 мм. Для проверки полученных значений оптимума по условиям осевого растяжения было предпринято варьирование по осевому усилию.

Осредненные результаты1 представлены на рисунке 10, где видно, что степень снижения максимального момента развинчивания, полученная на трубе с условным диаметром 33 мм, остается достаточно высокой (22%).

Кроме того, вблизи оптимума проведены опыты «раскачки», которые показали, что точка 6000 Н на рисунке оптимальной.

Рисунок 10 - Проверка оптимума на НКТ 033 мм: по 10 является оси У отложен безразмерный момент развинчивания МразвУМразв. без осевого воздействия

1 Для НКТ 042,60,73,89,102мм опыты не проводились ввиду ограниченности возможностей создания растягивающих усилий лабораторной установки до 1 тонны (см. главу 3).

Основные выводы и рекомендации

1 Проведен анализ состояния проблемы свинчивания-развинчивания труб.

2 Выявлены факторы, и получены безразмерные комплексы, определяющие эффективность теплового и осевого воздействий, и позволяющие переносить оптимальные условия на любые типоразмеры НКТ при сохранении их неизменными (инварианты).

3 По итогам проведенного оптимизационного эксперимента был найден локальный оптимум: при этом максимальное снижение Мшах составило 37% (на НКТ 073 мм) для теплового воздействия и 34% (на НКТ оЗЗмм) для осевого воздействия.

4 Экспериментально доказана эффективность применения инвариантов при переносе условий воздействия на другие типоразмеры НКТ:

• для теплового метода - "безразмерная масса теплоносителя» и «безразмерное время воздействия», проверено на НКТ диаметрами 60 и 73 мм;

• для осевого метода - «безразмерный момент натяжения», проверено на НКТ диаметром 33мм.

5 Получены зависимости для максимального снижения момента развинчивания:

• оптимальной силы натяжения от диаметра НКТ;

• оптимального времени прогрева от диаметра НКТ.

6 Разработана конструкция, реализующая тепловое воздействие на резьбовые соединения труб в процессе развинчивания, проведены опытно-промышленные испытания; получен Патент РФ на изобретение.

7 В результате проведенных промысловых и лабораторных исследований установлено, что при применении методов воздействия в процессе развинчивания общей закономерностью является снижение максимальных начальных моментов, необходимых для развинчивания резьб (до 25% в промысловых условиях при тепловом и 22% при осевом воздействиях).

8 Годовая экономия от внедрения теплового раскрепителя при развинчивании муфт в условиях Елховского цеха ООО «НКТ-Сервис» (г.

22

Альметьевск) составила более 0,7 млн. руб, а при развинчивании 62500 труб бригадой подземного ремонта скважин -1,4 млн.руб.

Содержание работы опубликовано в следующих научных трудах, из которых первые 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1 Вадигуллин, А. Д. Применение теплового воздействия для снижения страгивающих моментов при развинчивании насосно-компрессорных труб [Текст] / А. Д. Вадигуллин, А. С. Галеев, Р. Н. Сулейманов // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. - 2011. - №2. - С.39-42.

2 Вадигуллин, А. Д. Разработка и испытание устройства для теплового воздействия на резьбовые соединения насосно-компрессорных труб [Электронный ресурс] / А. Д. Вадигуллин // Нефтегазовое дело: электронный научный журнал,- 2011. - №5. С.41-47. - URL: http://www.ogbus. ru/authors/

Vadigullin/Vadigullinl .pdf

3 Вадигуллин, А. Д. Выбор параметров при оценке эффективности теплового воздействия на процесс развинчивания НКТ [Электронный ресурс] / А. Д. Вадигуллин, А. С. Галеев, Р. Н. Сулейманов // Нефтегазовое дело: электрон, науч. журнал. - 2012. №1. - С. 367-369. - URL: http://wvvw.ogbus.ru/

authors/Vadigullin/V adigullin_2.pdf

4 Патент РФ на изобретение 2422616, МПК Е21В 19/16. Тепловой раскрепитель резьбовых соединений насосно-компрессорных труб / А. Д. Вадигуллин, Р. И. Тимергалиев, И. А. Кузнецов, Р. И. Богданов, Ф. Ф. Кучербаев. -№2009105323; заявл.16.02.2009; опубл.27.08.2010,Бюл.№18.

5 Вадигуллин, А. Д. Устройство сохранения оборотного фонда НКТ [Текст] / А. Д. Вадигуллин, Р. Н. Сулейманов // Современные технологии в нефтегазовом деле - 2009: Сборник научных трудов. - Уфа, 2009. - С.177-182.

6 Вадигуллин, А. Д. Эксперимент по тепловому воздействию на резьбовое соединение насосно-компрессорных труб [Текст] / А. Д. Вадигуллин, А. С. Галеев // Современные технологии в нефтегазовом деле - 2009: Сборник научных трудов. Уфа, 2009.-С.185-189.

7 Вадигуллин, А. Д. Проблема развинчивания труб и способ её решения [Текст] / А. Д. Вадигуллин, Д. Ю. Миннигаллямов, А. С. Галеев // Севергеоэкогех-2009: материалы X международной молодёжной научной конференции. - Ухта: УГТУ, 2009. - С.269-273.

8 Вадигуллин, А. Д. Значимость теплового раскрепителя в вопросах повышения ресурса резьбовых соединений труб [Текст] / А. Д. Вадигуллин, А. С. Галеев, Р. И. Тимергалиев // Материалы научной сессии ученых по итогам 2008 года. - Альметьевск: АГНИ, 2009. - С. 109-113.

9 Вадигуллин, А. Д. Оптимизация характеристик теплового воздействия на процесс развинчивания труб [Текст] / А. Д. Вадигуллин // Инновационное нефтегазовое оборудование: проблемы и решения: материалы всероссийской научно-технической конференции. - Уфа: УГНТУ, 2010. - С.82-89.

10 Вадигуллин, А. Д. Определение условий работы теплового раскрепителя максимально снижающего момент развичивания труб [Текст] / А. Д. Вадигуллин // Инновационное нефтегазовое оборудование: проблемы и решения, материалы всероссийской научно-технической конференции,- Уфа: УГНТУ, 2010. - С. 95-97.

11 Вадигуллин, А. Д. Применение теплового воздействия для снижения страгивающих моментов при развинчивании насосно-компрессорных труб [Текст]/ А. Д. Вадигуллин, А. С. Галеев, Р. Н. Сулейманов // Актуальные проблемы науки и техники, материалы III Международной научно-практической конференции молодых учёных. - Уфа: УГНТУ, 2011. - С.56-62.

12 Вадигуллин, А. Д. О влиянии осевых усилий на моменты развинчивания в резьбовых соединениях [Текст] / А. Д. Вадигуллин // Ученые записки Альметьевского государственного нефтяного института. - Альметьевск, 2014. -Т.12,- № 1. - С.127-136.

Отпечатано в ООО «Печатный двор». г Казань, ул. Журналистов, 2А, оф. 022

Тел: 295-30-36, 564-77-41, 564-77-51. Лицензия ПД№7-0215 от 01.11.2001 г Выдана Поволжским межрегиональным территориальным управлением МПТР РФ. Подписано в печать 27.10.2014 г. Печ.л. 1,5 Заказ М К-7432. Тираж 100 экх Формат 60x841/16. Бумага офсетная. Печать - ризография.