Совершенствование методов повышения долговечности замкового соединения бурильной колонны при многократном свинчивании

Актуальность проблемы. В процессе строительства как вертикальных, так и наклонно-направленных скважин (обычных (ОНС), пологих (ПС), горизонтальных (ГС), наклонных скважин с большим отклонением от вертикали (НСБО)) связующим звеном наземного оборудования с инструментом, применяемым вовремя различных технологических операцийявляется колонна бурильных труб. Сам процесс проведения спускоподъемныхопераций при подъеме бурильного инструмента, является1 критическим условием эксплуатации, бурильного инструмента. В зависимости от конкретных горно-геологических и технико-технологических условий буренияскважины величины нагрузок на колонну могут доходить до предельно’допустимых значений прочности бурильных труб, что в свою очередь приводит к осложнениям в скважине либо возникновению аварий. В* процессе спуска бурильной колонны и смонтированного на ней инструмента, геофизической аппаратуры и внутрискважинного эксплуатационного оборудования? возникают силы, сопротивленияпрепятствующие её нормальному прохождению по стволу скважины, что также является причиной-осложнений и возникновения^ аварий с резьбовыми соединениями.

Актуальным и значимым, является* вопрос увеличения ресурса замковых резьбовых соединений- (ЗРС) бурильных труб на1 основе совершенствования' методовповышения долговечности резьб при сборке-разборке колонн в процессе спуско-подъемных операций.

Связь темы диссертации с плановыми исследованиями.

Изучению условий эксплуатаций резьбовых соединений при бурении скважин посвящены труды таких видных ученых как Н. Д. Щербюк, Н. Bfi. Якубовский, А. Е. Сароян. Ими отмечено, влияние износа на эксплуатационный ресурс замковых соединений, который^ приводит к их разрушению. Проблемами изнашивания подвижных сопряженийи разработку методов повышения срока службы оборудования занимались ученые: Буше H.A., Гаркунов Д. Н., Горячева И. Г., Дроздов Ю. Н., Колесников В1И., Крагельский И. В., Матвеевский Р: М., Михин Н. М., Семенов А. П., Сорокин Г. М., Хрущев М. М., Чичинадзе A.B. и др.

Цель работы.

Совершенствование методов повышения долговечности замкового соединения бурильной колонны при многократном свинчивании.

Задачи исследования:

— проанализировать существующие методы повышения долговечности замковых соединений бурильных труб;

— сформировать комплекс методов исследования;

— провести исследования изнашивания замковых резьбовых соединений при многократном свинчивании-развинчивании;

— исследовать влияние смазочных композиций на долговечность замковых резьбовых соединений;

— оценить влияние свойств рабочей^ среды на характер изнашивания резьбовых поверхностей;

— разработать рекомендации по повышению износостойкости замковых резьб.

Научная новизна:

1. Определена оптимальная концентрация* медесодержащей добавки Си304 к графитосодержащим смазкам, равная 0,24 масс. %, обеспечивающая процесс избирательного переноса и повышения долговечности замкового резьбового соединения.

2. Установлено, что в, процессе многократного свинчивания замкового резьбового соединения^ наименее долговечным является его ¡-неподвижный элемент — муфта, резьба которой подвержена наибольшему износу.

3. Выявлено, что максимум контактной выносливости и давления разрушения смазочной пленки’достигается в нейтральной среде при рН=6,3.6,7, стремительно снижаясь примерно в-3 раза до минимума при рН=8.8,5.

4. Показано, что в сопоставимых^условиях параметры контактной выносливости и давления-разрушения смазочной пленки уменьшаются с повышением плотности рабочей среды.

5. Найдено-оптимальное соотношение скоростей’свинчивания замкового соединениями удельношнагрузкираспределяемой-по винтовой^линии резьбы, обеспечивающее оптимум долговечности при эксплуатации бурильных замков.

Основные защищаемые положения:

1. Системная оценка влияния эксплуатационных факторов на долговечность замковых резьбовых соединений.

2. Комплекс лабораторно-испытательных и вычислительных методик для определения многофакторности параметров.

3. Оценка влияния удельной нагрузки и скорости скольжения на процесс трения и изнашивания.

4. Метод изучения влияния рН и минерализации на процесс изнашивания металла при трении.

5'. Методикаопределения оптимальной концентрации медесодержащей добавюг в смазкедля повышения износостойкости резьбыбурильных замковизготовленных из стали"40 XHt.

Практическая ценность.

Г. В' результате диссертационных исследований обосновано значение создания методики повышения работоспособности^ как следствие, определения износостойкости замковой, резьбы и качества1 применяемой смазки в процессе плоскопараллельногоконтактирования витков резьбы при свинчивании-развинчивании и формировании базы данных* по триботехническим характеристикам и технологической эффективности наполнителей из цветных металлов, используемых в смазочных материалах в-качестве плакирующих элементов, а также подбором в лабораторных условиях типа*.добавки и* её количественного содержания, позволяющей реализовать эффект автокомпенсациии износа. Кроме того:

1.1 Разработаны практические рекомендации повышения долговечности замковых резьб при сборке-разборке бурильной колонны и предложено:

— осуществлять меньшую частоту вращения бурового ключа* при, свинчи-ванииЗРС равную 40 мин" 1, что соответсвует линейной скорости для ЗРС с замком 3−133' VCK = 0,27 м/с при использовании* муфт резьбового соединения с твердостью в пределах 280−300 НВ;

— использовать большую частоту вращения, бурового ключа при свинчивании. ЗРС, равную 84 мин" 1, что соответсвует линейнойскорости для ЗРС с замком 3−133' VCK = 0,56 м/с, при-увеличении нагрузки-от массы. наращиваемых труб свыше 3,0 кН. В основу рекомендаций положены результаты по методике определения аналитической зависимости ll~f^P) — величины, износа и от удельной нагрузки Р и и = /(F?) — величины износа и от линейной скорости скольжения VCK для различных элементов резьбовой пары, которые позволяют предотвратить преждевременный износ одного из элементов и повысить долговечность замкового соединения в целом.

1.2 Разработаны рекомендации по применению смазок для использования в минерализованных средах.

Реализация результатов.

Результаты диссертационной работы рекомендуются для использования в научно-исследовательских и проектных институтах нефтегазовой отрасли например в. филиале ООО «ВНИИГАЗ» в г. Ухта и других проектно-конструкторских организациях, инжиниринговых и исследовательских' центрах нефтяного и газового комплекса, например" филиале ООО «ЛУКОЙЛ-Инжиниринг» «ПечорНИПИнефть», а также на нефтегазодобывающих предприятиях при решении практических задач, в компаниях ОАО «Газпром», ОАО «НК «Лукойл», ОАО «НК «Роснефть»» и-др (Приложение А).

Полученные результаты используются в учебном процессе при подготовке бакалавров и специалистов по специальности «Технологические-машины и оборудование», «Машины и оборудования нефтяных и газовых промыслов», а так же магистров по направлению «Нефтегазовое дело» (Приложение Б).

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались на международных научно-технических конференциях «Севергеоэкотех» при УГТУ в 2007;2011 годах, конференциях преподавателей и сотрудников УГТУ в 20 072 011 годах, конференциях ООО «ЛУКОЙЛ-Коми» в 2010;2011 годах, научно-технической конференции ООО «РН — Северная нефть» в 2011 году и на конференциях в рамках научно-педагогической школы «Современные проблемы нефтепромысловой и буровой механики» в 2007;2011 годах, кафедре машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности УГТУ в 2011 году.

Публикации.

Основные результаты исследований опубликованы в 10 работах, в т. ч. 1 статья’в изданиях, рекомендованных ВАК по специальности защиты, 3-х тезисов докладов на научно-технических конференциях.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, общий объем составляет 125 страниц, включая содержание, 47 рисунков, 11 таблиц, список литературы состоит из 108 наименований.

Основные выводы и рекомендации.

1. В результате анализа установлена потребность увеличения ресурса замковых соединений бурильных труб на основе совершенствования методов повышения долговечности резьб при сборке-разборке бурильных колонн в процессе спуско-подъемных операций.

2. Предложен комплекс вычислительно-измерительных методик, обеспечивающих полноту научных исследований в области поиска путей повышения износостойкости замковых резьбовых соединений при их многократном* свинчивании.

3. Выявлено, что скорость свинчивания влияет на замковое резьбовое соединение по разному: износ подвижного элемента пары трения* ниппель-муфта уменьшается, а неподвижного возрастает при увеличении скорости скольжения.

4. Установлено, что с увеличением нагрузки в диапазоне 2,0.5,0 кН износ пары трения, работающей в среде консистентной смазки, возрастает, а с ростом линейной скорости уменьшается, причем темп сниженияизноса тем больше, чем выше нагрузка, что объясняется, по видимому, эффектом набегающей волны гидрорасклинивания.

5. Проведены исследования влияния минерализации и плотности в зависимости от нагрузки на давление разрушение смазочной пленки, являющейся 1 причиной уменьшения* работоспособности. Выявлено, что минерализация и плотность в зависимости от нагрузкиоказывает негативное влияние на давление разрушение смазочной пленки и смазочную способность как базовых смазок, в том числе с добавкой графита, так и многокомпонентных смазочных со-ставов, РУС-1, Р-402.

6. Результаты стендовых испытаний замков>ЗП*-105−54 с замковой резьбой 3−86, работавших в среде многокомпонентных смазочных материалов с добавкой Си804, при нагрузке.

1,02−1О3 Н показали увеличение работоспособности в 1,7 раза по сравнении-со смазкой! без добавки. Резьба по окончании испытания была, покрыта слоем медной пленки, что характерно дляпроцессов с реализацией избирательного переноса.

7. Предложен состав смазочной композиции, состоящей из графитной (до 20 масс. %) смазки УСсА с медесодержащей добавкой Си804 реализующей избирательный перенос в смазочных многокомпонентных материалах. Определена оптимальная концентрация медесодержащей добавки, равная 0,24% от массы смазки с содержанием графита до 20 масс. %.

8. Выполненная работа в целом представляет собой комплексную методику научного обоснования методов повышения долговечности замкового соединения бурильной колонны.