Улучшение усталостной прочности резьбовых соединений бурильных труб

УЛУЧШЕНИЕ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ БУРИЛЬНЫХ ТРУБ Пенкин Н.О.1, Шакирова А.И.2

1Пенкин Никита Олегович - студент; 2Шакирова Алина Ильдаровна - аспирант, кафедра бурения нефтяных и газовых скважин, Уфимский государственный нефтяной технический университет,

г. Уфа

Аннотация: актуальность работы обусловлена необходимостью в использовании высококачественных материалов бурильного инструмента для поиска трудноизвлекаемых углеводородов Крайнего Севера и освоения арктического шельфа. Ключевые слова: бурильная колонна, легкосплавные бурильные трубы, ЛБТПН, конструкция труб, запас прочности, скважина с большой протяженностью горизонтального участка.

1. Введение

Высокая технико-экономическая эффективность применения ЛБТ при бурении нефтяных и газовых скважин (поисковых, разведочных, эксплуатационных) всех категорий глубин, разработка оптимальных технологий их применения, учитывающих специфику горно-геологических условий бурения, а также постоянная работа с потребителями - буровыми предприятиями позволили к началу восьмидесятых годов довести суммарный выпуск ЛБТ до 20 - 22,5 тысячи тонн в год. [6]

2. Улучшение усталостной прочности резьбовых соединений бурильных труб из легкого сплава на примере компании ЗАО «Акватик»''

ЗАО «Акватик»' отработана и освоена более надежная технология соединения алюминиевой трубы со стальным замком. При этом способе применяется трапецеидальная резьба ТТ с коническим стабилизирующим пояском. Соединение замка с трубой с одновременным натягом по резьбе, стабилизирующему пояску и упорному торцу осуществляется за счет температурной сборки. Конический стабилизирующий поясок обеспечивает частичную разгрузку резьбы и значительно повышает усталостные показатели работы соединения и, тем самым увеличивает усталостную прочность трубного соединения ЛБТПН, как минимум, на 60-80% по сравнению с ЛБТ [1].

Благодаря такой конструкции, ЛБТПН могут применяться при бурении скважин любого профиля при роторном бурении, при бурении забойными двигателями (ЗД), а также при комбинированном способе проводки скважины с использованием ЗД и одновременным вращением БК, то есть в условиях значительных знакопеременных нагрузок [1].

ЛБТПН обладают комплексом физико-механических свойств, выгодно отличающих их от стальных бурильных труб (СБТ). К этим свойствам относятся небольшой погонный вес труб и, как следствие, высокий коэффициент плавучести в промывочной жидкости; коррозионная стойкость в агрессивных средах (сероводород и углекислый газ), немагнитность, стабильность механических свойств при низких температурах, высокая технологичность в процессе обработки давлением и резанием, неограниченность запасов исходного сырья для производства.

Так как удельный вес алюминиевых сплавов почти в три раза меньше, чем у сталей, то, при идентичной геометрии труб, суммарный вес БК из алюминиевых сплавов в промывочной жидкости и силы сопротивления ее перемещению будут пропорционально ниже, чем БК из СБТ [9].

Трубы, собранные по этой технологии прошли успешную апробацию при бурении Кольской, Уральской, Криворожской и других сверхглубоких скважин в

условиях экстремального нагружения бурильной колонны и имели высокие показатели надежности.

2.1. Характеристика применяемых алюминиевых сплавов Легкосплавные бурильные трубы (ЛБТ) изготавливаются из трех типов сплавов:

- наиболее распространенный сплав Д16Т;

- высокопрочный коррозионно-стойкий сплав 1953 Т1;

- специальный температуро-стойкий сплав АК4-1Т1.

В таблице № 1 приведены основные физико-механические свойства этих сплавов

[7].

Таблица 1. Основные физико-механические свойства сплавов

№ П/П Показатели Единица измерения Сплав Д16Т Сплав 1953Т1 Сплав АК4-1Т1

1 Предел текучести, не менее Мпа 325 490 355

2 Предел прочности, не менее Мпа 460 540 430

3 Твердость НВ 120 120-130 130

4 Относительное удлинение % 12-24 12-14 6,5-8

5 Относительное сужение % 18-20 14-15 24-26

6 Плотность г/см3 2.8 2.8 2.8

7 Модуль упругости Е Мпа х10 0.72 0.26 0.70 0.275 0.73 0.275

8 Максим. Температура экспл. С 160 120 240

2.2 Геометрические параметры бурильных труб

Конструктивно бурильные трубы выпускаются с внутренней высадкой законцовок (рис. 1) и равнопроходного сечения с наружной высадкой законцовок (рис. 2).

Рис. 1. ЛБТПН С внутренней высадкой

Рис. 2. ЛБТПН С наружной высадкой

Трапецеидальная резьба с коническим стабилизирующим пояском и упором по торцу, в отличии от традиционно применявшейся треугольной безупорной резьбы, позволяет частично разгрузить резьбу от знакопеременных изгибающих напряжений, увеличивая усталостную прочность и надежность соединения. Гарантированные радиальные натяги обеспечиваются за счет применения «температурного» способа сборки замков с трубами по специальной технологии [3].

Благодаря такой конструкции достигается повышенная надежность соединения при знакопеременных нагрузках, что позволяет эффективно выполнять технологические операции с вращением инструмента, в том числе, при роторном бурении и аварийных работах по ликвидации прихвата [3].

Рис. 4. ЛБТПН с трапецеидальной резьбой, коническим стабилизирующим пояском и упором в

торец

Существенным преимуществом ЛБТПН является более низкий, чем у СБТ модуль упругости материала труб и, следовательно, возможность вписывания в участки ствола с малыми радиусами искривления, Это преимущество особенно важно при формировании коротких криволинейных участков боковых стволов скважин.

Применение ЛБТПН, в сравнении с СБТ, на идентичных площадях и с однотипными буровыми комплексами, позволяет снизить затраты времени на спускоподъемные операции ориентировочно на 20-25% при одновременном кратном снижении энергетических затрат на их проведение [3, 4].

При компоновке БЕ из труб ЛБТПН, изготовленных из различных сплавов, следует соблюдать следующие максимальные температурные пределы эксплуатации:

-для сплава Д16Т - не выше 160 °С;

- для сплава 1953Т1 - не выше 120 °С.

Имея в виду, во-первых, что площадь проходного сечения СБТ, как правило, меньше, чем у применяемых в аналогичных условиях ЛБТПН, и, во-вторых, коэффициент гидравлических сопротивлений у СБТ примерно на 7-15% выше, чем у алюминиевых труб, применение ЛБТПН вместо СБТ позволяет соответственно снизить общие гидравлические потери по скважине.

Для повышения продольной устойчивости, лучшего центрирования в горизонтальном стволе скважины, а также с целью долговременной защиты основного тела трубы от абразивного износа ЛБТПН 90х9П и ЛБТПН 103х11П снабжены протекторами, расположенными в средней части трубы. Бурильная труба ЛБТПН 103х11С имеет сплошное спиральное оребрение наружной поверхности, что способствует не только повышению продольной устойчивости трубы, но и обеспечивает лучшее центрирование и более качественную очистку стенки ствола горизонтальной скважины от выбуренного шлама [2].

Конструкция этих труб приведена на рис. 5 и 6; а номинальные геометрические размеры, весовые параметры и основные прочностные характеристики - в табл. 2.

Рис. 5. Конструкция алюминиевых бурильных труб ЛБТПН 90х9П и ЛБТПН 103х11П

Рис. 6. Конструкция алюминиевой бурильной трубы ЛБТПН 103х11С Таблица 2. Конструкция труб

|убы в сборе, кг Исполнение

Типоразмер Трубы § 3 б у ? м § н X я е н и м § 2 б бур н 1 замка, мм ие я ^ о — Н ь и ч ^ ео оп и и трубы протекторным утолщением Предельные прочностные параметры Алюминиевый сплав Д16Т/1953Т1

я Я я ч ч: Я в & н & н 2 ч Я я Я с с а я

3 4 о н а и ЧД § а и Ч 0 >5 М е Диаметр протектор Масса трубы в сборе Растягив а-ющая нагрузка, кН Крутящи й момент , кН*м Внутренн ее давление, Мпа

90x9 9,2 9 91 108 З-86 (NC-31) 80,5 107 87,5 750/1110 13/19 56/83

103х9 9,3 9 103 120,6 З-102 (Ж-38) 96,0 118 105,0 865/1275 17,1/25,3 49,7/73,4

103х11 12,2 11 103 120,6 З-102 (NC-38) 137,0 118 146,5 1033/1526 20/29 61/90

114х11 12,2 11 116 152 З-122 (NC-46) 168,0 138 185,0 1180/1740 25,9/38,3 53,9/79,7

129х11 12,2 11 129 159 Э-133 (NC-50) 186,0 150 202,50 1325/1957 25,9/48,8 48,5/71,6

Э-147

147х11 12,2 11 147 178 (5 1/2 FH) 217,0 172 242,0 1525/2255 44,3/65,4 42,6/62,9

Э-147

147х13 12,2 13 147 178 (1/2 FH) 239 172 264,0 1780/2625 50,2/74,1 50,3/74,3

Э-147

147х15 12,2 15 147 178 (5 1/2 FH) 268,5 172 293,5 2022/2986 55,7/82,1 58/85,7

Э-171

168х11 9,5 11 168 203 (5 1/2 FH) 231 194 264 1762/2603 60/87 37/55

2.3. Применение ЛБТПН при бурении горизонтальных и наклонно-направленных скважин с большим удалением от вертикали

Основным ограничением при бурении наклонных и горизонтальных скважин с большим удалением от вертикали (с зенитными углами выше 60°) является необходимость преодоления сил трения (сопротивления) при проталкивании инструмента во время спуска по наклонному (горизонтальному) участку ствола и при доведении до забоя проектной осевой нагрузки на долото. Имея в виду, что при технологических операциях бурения и спуска инструмента, вся БК, за исключением ее верхней части, находится в сжатом состоянии, необходимо, кроме общепринятого расчета колонны на растяжение и кручение, проверять ее продольную устойчивость при сжатии с оценкой сил сопротивления и момента сил сопротивления. При этом необходимо соблюдение условия, чтобы действующая сжимающая нагрузка в различных сечениях колонны была меньше критических нагрузок спирального

баклинга, при которых БК теряет устойчивость и принимает форму спирали, что обязательно ведет к заклинке труб в стволе скважины [10].

При компоновке БК необходимо учитывать, что при больших углах наклона ствола суммарная сила трения становится выше составляющей собственного веса, действующей вниз в направлении оси скважины, поэтому перемещение колонны вниз в этом случае, оказывается возможным только за счет веса верхних секций, расположенных на вертикальных или слабо наклонных участках ствола скважины.

Проектная осевая нагрузка на долото создается за счет массы УБТ или СБТ, расположенных в верхней части вертикального ствола скважин, и передается на забой через сжатую БК, состоящую из ЛБТПН, являясь по отношению к ней внешней сжимающей силой. При этом необходимо соизмерять длину УБТ, протяженность вертикального участка ствола и ожидаемую проходку за рейс так, чтобы в процессе углубления ствола УБТ не попало на наклонный участок ствола, что резко ограничит возможность доведения нагрузки на долото.

При большой протяженности горизонтального ствола и продвижении БК по продуктивному горизонту по сравнению с вертикальным бурением. Наиболее вероятные осложнения могут иметь место по следующим основным причинам:

- появление желобообразных выработок на лежачем боку горизонтальной скважины, особенно на участках резкого изменения зенитного угла профиля скважины и выхода ствола на горизонтальный участок:

- интенсивное накопление шлама на лежачем боку скважины, при водящее к повышению коэффициента сопротивления движению БК при СПО, особенно на призабойных горизонтальных участках и на участке перехода от наклонного участка к горизонтальному. Известно, что критические углы, при которых интенсивно растут силы сопротивления движению в осевом направлении, лежат в диапазоне для различных горно-геологических условий в интервале 35-60°;

- потеря БК продольной устойчивости и ее заклинивание в стволе вследствие того, что сжимающие продольные усилия, за счет которых достигается передача нагрузки на долото и проталкивание БК, становятся больше критических сил спирального баклинга [10].

На невертикальных участках горизонтальной скважины БК под действием силы тяжести расположена в стволе эксцентрично. Вызванная этим неравномерность скоростей бурового раствора затрудняет удаление шлама в нижней, наиболее узкой части кольцевого пространства скважины, где скорость потока минимальна. Оседающий шлам накапливается на нижней стенке скважины в виде сплошного слоя. В наклонных участках скважины скопление шлама имеет тенденцию к сползанию ил лавинообразованию. При этом оползни и лавинообразование движение скоплений шлама наблюдается не только при неподвижном растворе, но и навстречу потоку при циркуляции раствора или СПО. Оползни и образование лавин приводят к появлению раствора вверх, а частицы шлама вниз, увеличивая тем самым в три - пять раз скорость осаждения шлама [10].

Заключение

Ряд сложных задач возникает при проводке скважин для разведки и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений. В некоторых случаях более эффективно бурение удлиненных наклонно-направленных скважин с береговой зоны. Этот же способ широко применяется при эксплуатации глубоко залегающих пластов в старых нефтегазовых районах при проводке горизонтальных участков стволов скважин вдоль продуктивных горизонтов.

Применение высокопрочных ЛБТ с повышенным сопротивлением знакопеременным изгибающим нагрузкам и высокой стойкостью к коррозионному поражению значительно упрощают задачу, повышает эффективность бурения и увеличивает возможность увеличения протяженности стволов таких скважин. Таким

41

образом, использование комбинированных БК, включающих ЛБТПН, при бурении горизонтальных участков скважин и боковых стволов малого диаметра, обладая целым рядом технико-технологических преимуществ, в сравнении с колоннами из СБТ, дает возможность удлинить горизонтальные участки скважин и снизить вероятность осложнений при их проводке.

Список литературы

1. Дворников А.А. Применение легкосплавных бурильных труб ЛБТПН 89х11 в сложных геологических условиях бурения боковых стволов на Приобском месторождении // Нефть и газ, 2011. № 2.

2. Басович В.С., Буяновский И.Н., Сапунжи В.В. Комбинированные бурильные колонны для проходки горизонтальных участков и боковых стволов малого диаметра с применением алюминиевых труб // Oil &Gas Eurasia, 2014. № 5.

3. Басович В.С., Буяновский И.Н., Сапунжи В.В. Перспективы применения легкосплавных бурильных труб с наружным спиральным оребрением для бурения горизонтальных скважин и боковых стволов // «Бурение и нефть», 2013. № 6.

4. Басович В.А., Буяновский И.Н., Сапунжи В.В. Применение трубных изделий из алюминиевых сплавов в нефтегазодобывающей отрасли // Oil &Gas Eurasia, 2013. № 6.

5. Булатов А.И., Макаренко П.П., Проселков Ю.М. Буровые промывочные и тампонажные растворы: учебное пособие для вузов. М.: Недра, 1999. 424 с.

6. Басович В.С., Гельфгат М.Я., Файн Г.М. Состояние и перспективы применения изделий из алюминиевых сплавов в нефтегазодобывающей отрасли // Бурение и нефть, 2003. № 4.

7. Работа бурильной колонны в зависимости от материала труб Шакирова А.И. Вестник молодого ученого УГНТУ, 2016. № 1. С. 15-20.

8. Комплексное изучение материалов алюминиевых бурильных труб Шакирова А.И., Исмаков Р.А., Аглиуллин А.Х. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, 2017. Т. 328. № 2. С. 95-103.

9. Высокопрочные легкосплавные бурильные трубы повышенной надежности ЛБТПН (руководство по эксплуатации).