Втомні властивості бурильних труб при екстремальних режимах буріння свердловин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Івано-Франківський державний технічний університет нафти і газу

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Втомні властивості бурильних труб при екстремальних режимах буріння свердловин

Спеціальність 05. 05. 12 - Машини нафтової та газової промисловості

УДК 622. 24. 053

Петрина Дмитро Юрійович

Івано-Франківськ - 1999

Дисертація є рукопис.

Робота виконана в Івано-Франківському державному технічному університеті нафти і газу, Міністерство освіти України.

Науковий керівник: доктор технічих наук, професор Крижанівський Євстахій Іванович, Івано-Франківський державний технічний університет нафти і газу, ректор.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, доцент Копей Богдан Володимирович, Івано-Франківський державний технічний університет нафти і газу, професор кафедри нафтового обладнання; кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Студент Олександра Зеновіївна, Фізико-механічний інститут НАН України, старший науковий співробітник відділу корозійно-водневої деградації та захисту матеріалів.

Провідна установа: ВАТ “Український нафтогазовий інститут”, Міністерства енергетики України.

Захист відбудеться 30 березня 2000 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д20. 052. 04 в Івано-Франківському державному технічному університеті нафти і газу за адресою: 76019, Україна, м. Івано-Франківськ, вул. Карпатська, 15.

втомна міцність зносостійкість бурильна труба

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Вирішення важливої державної проблеми забезпечення паливно-енергетичного комплексу сировиною вимагає для цієї галузі розробки і впровадження високоефективного устаткування, а також розвитку наукових методів його оптимальної експлуатації. Ефективність експлуатації та будівництва свердловин залежить в значній мірі від якості трубного господарства.

Сучасна наука про міцність і руйнування матеріалів розробляє теоретичні основи процесів деформування та руйнування тіл в екстремальних умовах експлуатації, якими можуть бути, наприклад, свердловинні умови (разові та циклічні перевантаження, фізико-хімічна дія агресивних середовищ, високих тисків і підвищених температур), наявність в трубах гострих концентраторів напружень - різьб і тріщин, тощо. Тому створювати нове обладнання необхідно з врахуванням цих чинників.

Особливу небезпеку, з точки зору руйнування елементів бурильної колони, складають змінні напруження, які приводять до розвитку втомних процесів. Сумарна доля аварійних відказів бурильних колон в загальному балансі аварій при бурінні свердловин складає біля 70%. Це, в першу чергу, пов'язано з відсутністю належного контролю за дефектністю елементів бурильних колон і недостатніми знаннями закономірностей росту втомних тріщин в деталях свердловинного обладнання. Руйнування колони створює аварійні ситуації, для ліквідації яких часто витрачаються значні кошти та затрати часу.

Таким чином дисертаційна робота, спрямована на встановлення закономірностей впливу екстремальних режимів буріння свердловин на втомні властивості елементів бурильної колони, має не тільки наукову актуальність, але й важливе народногосподарське значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тематика роботи є частиною планових державних науково-дослідних програм з розвитку нафтопромислового комплексу України і базується на результатах держбюджетних науково-дослідних робіт “Наукові обгрунтування раціональних режимів роботи та вибір основних параметрів бурового обладнання”, номер державної реєстрації №0195U026337, які входять в координаційний план Міністерства освіти “Наукові основи розробки нових технологій видобутку нафти і газу, газопромислового обладнання, поглибленої переробки нафти і газу з метою одержання високоякісних моторних палив, мастильних матеріалів, допоміжних продуктів і нафтохімічної сировини”. Цей план входить в національну програму “Нафта і газ України до 2010 року”.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягає у встановленні закономірностей впливу таких екстремальних режимів буріння свердловин як разових і циклічних перевантажень, робочого середовища, наявності тріщин на втомні властивості елементів бурильної колони.

Для досягнення мети були поставлені такі задачі.

Встановити закономірності впливу пластичної деформації на пружні та втомні характеристики сталей бурильних труб при найпростіших режимах однократних перевантажень.

Оцінити вплив величини амплітуди циклічних навантажень, разових перевантажень і робочих середовищ на конструктивну міцність елементів бурильних колон з тріщинами.

Дослідити вплив попереднього пластичного деформування (ППД) розтягом і наводнювання на короткочасну та циклічну тріщиностійкість термообробленої сталі 40ХН.

Встановити кореляційний зв'язок між втомною міцністю та зносостійкістю матеріалів бурильних труб.

Провести оцінку працездатності бурильних труб з позиції -моделі.

Вивчити вплив циклічного навантаження, робочого середовища та старіння на механічні властивості титанових сплавів з метою використання їх для виготовлення бурильних труб.

Наукова новизна. На основі експериментальних досліджень дістали подальший розвиток наукові методи визначення механічних характеристик попередньо пластично деформованих сталей бурильних труб.

Вперше встановлений вплив величини амплітуди циклічних навантажень, разових перевантажень і робочих середовищ на короткочасну та циклічну тріщиностійкість сталей елементів бурильної колони.

Дістала подальший розвиток модель порівняльної оцінки зносостійкості інструментальних матеріалів за кінетичними діаграмами втомного руйнування (КДВР) стосовно сталей елементів бурильної колони.

Вперше розроблений розрахунковий метод прогнозування залишкового ресурсу бурильних труб з тріщинами при їх циклічному навантаженні з позиції -моделі, дана оцінка короткочасної тріщиностійкості за -критерієм.

Сформульовані основні причини низької корозійно-втомної міцності титанових бурильних труб.

Практичне значення одержаних результатів. Запропоновано при оцінці конструктивної міцності елементів бурильної колони враховувати не тільки вихідний рівень в'язкості руйнування, але й здатність матеріалів до експлуатаційного окрихчення, пов'язаного з підростанням тріщини та впливом робочого середовища.

Для термічно зміцненої сталі 40ХН запропонована оптимальна температура відпуску, яка забезпечує поєднання найвищих показників втомної міцності та зносостійкості. Ця рекомендація впроваджена в технологічний процес виготовлення бурильних замків на Дрогобицькому долотному заводі.

Використана методика порівняльної оцінки зносостійкості інструментальних матеріалів за КДВР для сталей елементів бурильної колони.

Показана доцільність введення в технологічний процес виготовлення деталей з деформаційно зміцнюючого матеріалу операцій пластичного деформування з метою підвищення їх втомної міцності.

Запропонована методика спрощеного розрахунку залишкового ресурсу бурильних труб з тріщинами при їх циклічному навантаженні з позиції -моделі, яка може використовуватися в проектно-конструкторських організаціях і технологічних службах, що здійснюють експлуатацію бурильних труб.

Особистий внесок здобувача. Основні положення та результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. Зокрема: визначені пружні та втомні характеристики сталей бурильних труб при однократних перевантаженнях [6, 10]; розроблена методика досліджень кінетики поширення тріщин на циліндричних зразках [7, 2]; проведена оцінка впливу величини амплітуди циклічних навантажень, разових перевантажень і робочих середовищ на тріщиностійкість сталей бурильних труб [7, 4, 9]; визначена короткочасна та циклічна тріщиностійкість термообробленої сталі 40ХН після ППД розтягом і наводнювання [11, 12]; проведена оцінка зносостійкості елементів бурильних колон за КДВР [13]; визначена фізична границя втоми сталі 40ХН і встановлена її гранична температура відпуску [3]; проведена оцінка циклічної та статичної тріщиностійкості бурильних труб з позиції -моделі [5, 8]; вивчена тріщиностійкість титанових сплавів [1, 2]. Прийнята особиста участь у всіх лабораторних дослідженнях і впровадженні.

Апробація результатів дисертації. Найбільш суттєві результати роботи доповідались на ІІІ-му міжнародному симпозіумі “Некласичні проблеми теорії тонкостінних елементів конструкцій та фізико-хімічної механіки композиційних матеріалів” (Івано-Франківськ, 1995) ; ХІІ і ХIV міжнародній міжвузівській школі-семінарі “Методи і засоби технологічної діагностики”, Івано-Франківськ, 1995, 1997 рр. ; міжнародній конференції університету в Бая-Маре (Румунія, 1998) ; науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу університету, Івано-Франківськ, 1996-1999 рр.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 13 статей і 4 тези науково-технічних конференцій.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку літератури, який містить 167 найменувань і додатків. Основний текст викладено на 133 сторінках, в тому числі 9 таблиць, 40 рисунків та додатки на 3 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ. У вступі обгрунтована актуальність теми дисертації, показаний зв'язок роботи з науковими програмами, визначені мета та задачі досліджень і вказані наукова новизна та практичне значення отриманих результатів.

В першому розділі показано, що на колону бурильних труб діють найрізноманітніші навантаження, які визначають її складний напружений стан. Руйнування колони створює аварійні ситуації, для ліквідації яких часто витрачаються значні кошти і затрати часу. Тому вивченню стану аварійності бурильних колон, що обумовлений відмовами її елементів, присвячена велика кількість досліджень. Серед вітчизняних вчених найбільш відомі роботи Л. А. Баштаннікова, С. Ф. Білика, Ю. В. Дубленича, В. М. Івасіва, О. М. Карпаша, Б. В. Копея, Є. І. Крижанівського, М. В. Лисканича, В. І. Похмурського, М. О. Северинчика, Ю. С. Сичова, Б. О. Чернова та інших.

З точки зору руйнування елементів бурильної колони особливу небезпеку складають змінні напруження, які приводять до розвитку втомних процесів. Прогнозування ресурсу бурильних колон здійснюється, як правило, без врахування нерегулярності навантаження. В той же час експлуатаційний спектр згинаючих моментів, діючих на бурильну трубу в свердловині, може мінятися в широких межах. Крім того, короткотермінове збільшення статичного навантаження досягає іноді 40-50% і більше, що приводить не тільки до додаткового накопичення втомних пошкоджень в бурильних трубах, але й до втомного (в тому числі малоциклового) і крихкого руйнування.

В процесі буріння ротором, а також при спускопіднімальних операціях бурильні труби і замки взаємодіють із стінками свердловини, що приводить до зношування елементів бурильної колони, а часті операції згвинчування-розгвинчування викликають зношування різьби. Отже, проблема забезпечування зносостійкості елементів бурильної колони є також дуже актуальною.

Аналіз відмов елементів бурильної колони вказує на спільність процесів їх руйнування, незалежно від умов навантаження: руйнування матеріалів починається з зародження тріщин і його характер залежить від опору їх поширенню. Ці закономірності вивчає механіка руйнування. Основні положення цієї науки дістали широкий розвиток на Україні завдяки працям В. В. Панасюка, О. М. Романіва, О. Є. Андрейківа, С. Є. Ковчика, Г. М. Никифорчина та інших. Оскільки корозійно-втомні дослідження елементів бурильної колони показали, що вони значну частину ресурсу працюють з тріщинами, то методи та критерії механіки руйнування знаходять тут все ширше застосування. Однак такі дослідження знаходяться в зародковому стані.

Прогнозування залишкового ресурсу деталей машин найкраще здійснюється за допомогою КДВР. При побудові моделі зношування як процесу розвитку тріщин Я. М. Гладким запропонований обгрунтований перехід від кінематичних рівнянь втомного руйнування до рівнянь інтенсивності розвитку тріщин. На основі даної моделі ним запропонована методика оцінки зносостійкості інструментальних матеріалів за КДВР, яка дозволяє якісно порівнювати опір зношуванню матеріалів. Це питання дуже актуальне для матеріалів бурильних труб, оскільки їх працездатність визначається як втомною міцністю, так і зносостійкістю.

Оскільки бурильна колона при роботі в свердловині контактує з буровим розчином, який в більшості випадків є агресивним середовищем, останнім часом посилено вивчаються механізми корозійно-втомного руйнування її елементів. Однак ресурс труб з тріщинами в робочих середовищах практично не оцінювали. В той же час корозійні середовища можуть суттєво змінювати швидкість росту втомних тріщин і циклічну тріщиностійкість в цілому. Водень - це один з чинників, який найбільш різко пришвидшує ріст втомних тріщин. Однак механізми впливу водню на циклічну тріщиностійкість матеріалів елементів бурильних колон практично не вивчені.

Проведений аналіз впливу матеріалів, їх структурного стану на втомні властивості бурильних труб. Для багатьох матеріалів в залежності від їх структури, характеристик деформаційного зміцнення та динаміки процесу втоми механічні характеристики можуть різко відхилятися в сторону як більш низьких, так і більш високих значень. Це пояснюється різними швидкостями навантаження і, головним чином, різним станом матеріалу біля фронту тріщини внаслідок появи при циклічному навантаженні залишкових напружень і розвитку втомного пошкодження. Для матеріалів бурильних труб такі дослідження не проводились. Не до кінця вияснені причини непридатності титанових сплавів для виготовлення бурильних труб.

В кінці розділу виконане обгрунтування вибору напрямків досліджень, на основі якого сформульовані задачі досліджень.

В другому розділі описані матеріали і методика досліджень. В роботі використовувались зразки, виготовлені з сталі групи міцності Д і 40ХН, які широко використовуються для виготовлення елементів бурильних колон. Підлягали випробуванням також зразки із сталей 20ХНЗА і 50ХН, що розширило діапазон сталей за вмістом вуглецю і дало можливість вивчити вплив останнього на характер руйнування деталей бурового обладнання. З метою вияснення причин непридатності використання титанових сплавів як конструкційного матеріалу бурильних труб були вибрані різні за міцністю сплави ВТ1-0 і ВТ8.

Короткочасні статичні випробування на розтяг проводили на машині УМ-5А з автоматичним записом діаграми навантаження в координатах “навантаження-переміщення активного захвату”, який здійснювався через тензометричний динамометр на самопишучому електронному потенціометрі. Швидкість деформації 0, 6 мм/с. Визначали механічні характеристики _В, _{0, 2} і . Завдяки наявності самопишучого електронного потенціометра була можливість здійснювати ППД зразків з наперед заданими параметрами. Дію довготривалого природного старіння імітували через нагрів зразків до 425К з витримкою протягом 2 год.

Оцінку в'язкості руйнування сталей проводили на балочних зразках з односторонньою тріщиною (чотирьохточковий розтяг) і на циліндричних зразках з кільцевою тріщиною (розтяг). Для нанесення тріщин на балочних зразках використовували спеціальну установку з приводом від відцентрового вібратора. Зовнішню кільцеву тріщину створювали в вершині кільцевого концентратора циліндричного зразка при круговому низькочастотному згині на модернізованій машині типу НУ-5 (частота навантаження 49 циклів за хвилину). На цій же машині проводили втомні випробування з метою вивчення кінетики поширення тріщин на циліндричних зразказ методом маркування. Випробування на втомну міцність здійснювали при чистому круговому згині на машинах ИМА-5 (частота 50 Гц).

Робочими середовищами служили 3% -ний розчин олеїнової кислоти в вазеліновому маслі та дистильована вода.

Для випробувань на циклічну тріщиностійкість сталей використовували призматичні зразки у вигляді балки з одностороннім бічним надрізом. Експерименти проводили на випробувальних установках із жорстким типом навантаження за допомогою кривошипно-шатунного механізму. Запис розмаху зусилля навантаження здійснювали на потенціометрі КСП-4. Зразки випробували при віднульовому циклі навантаження. Частота циклічного навантаження звичайно становила = 10 Гц. Спостереження за ростом тріщини та вимірювання її довжини проводили за допомогою мікроскопів МПБ-2 з похибкою заміру не більше 0, 01мм. За експериментальними результатами будували КДВР.

При дослідженні циклічної тріщиностійкості враховували ефект закриття тріщини (ЗТ), який полягає в замиканні берегів тріщини позаду її вершини протягом певної частини позитивного циклу навантаження. Оцінку ЗТ здійснювали за допомогою відомої методики, розробленої Романівим О. М. і Никифорчиним Г. М., яка полягає в реєстрації зміни зусилля на зразку і переміщенні берегів тріщини приблизно на рівні її вершини в циклі навантаження.

Наводнюванню підлягали призматичні зразки з краєвим концентратором напружень і виведеною з нього втомною тріщиною. Використовували електролітичний спосіб наводнювання, шляхом його катодної поляризації. Джерелом струму служить випрямляч, зразок виступає катодом, а пластинова спіраль - анодом. Специфіка наводнювання залежала від виду механічних випробувань. У випадку досліджень короткочасної тріщиностійкості зразки із попередньо наведеною тріщиною на протязі трьох годин піддавали катодній поляризації у розчині NaOH з pH = 12, 7 при густині струму 0, 01 А/м². Безпосередньо після закінчення наводнювання зразки навантажували розтягом. Враховуючи велику тривалість експериментів на циклічну тріщиностійкість і можливість десорбції водню за час випробувань на повітрі, зразки наводнювали в цьому випадку за три години до початку, а також впродовж циклічного навантаження. Для цього використовували відповідно сконструйовану електрохімічну камеру, яка охоплювала робочу частину зразка з тріщиною і давала можливість візуально слідкувати за зміною її довжини. Електроліт і густина струму катодної поляризації ті ж, що застосовано для оцінки впливу попереднього наводнювання на короткочасну тріщиностійкість.

Для оцінок якості структури зразки після термообробки підлягали систематичному контролю за твердістю та мікроструктурному аналізу. Електроннофрактографічний аналіз зламів зразків проводили на мікроскопі УЭМ-100 із застосуванням пластико-вугільних реплік.

Третій розділ присвячений вивченню впливу характеру навантаження та робочого середовища на втомні властивості матеріалів бурильних труб.

В зв'язку з різноманіттям даних про закономірності накопичення пошкоджень при різних режимах програмного навантаження, проведенню складних програмних випробувань повинні передувати попередні дослідження закономірностей накопичення пошкоджень в металах при найпростіших режимах однократних перевантажень, де в чистому виді можна дослідити вплив різних факторів на ці закономірності. Такі спрощення необхідні, як крок до розуміння більш складних явищ.

Дослідження проводили на зразках, виготовлених з сталі групи міцності Д. Пластична деформація сталі веде до значної зміни початкової (квазілінійної) ділянки діаграми при повторному розтягу. Модуль пружності суттєво зменшується, а коефіцієнт поперечної деформації збільшується. Вплив пластичної деформації проявляється незалежно від знаку напружень, що викликають наклеп. Якщо знаки ППД та напружень, при яких визначають модуль, співпадають, то спад модулю не дуже суттєвий і складає 10-13% від початкової величини. Наклеп протилежного знаку викликає зменшення модулю до 35%. Максимум падіння величини модуля пружності відповідає ППД 5-6%.

Динаміка зміни коефіцієнту поперечної деформації наклепаного матеріалу мала характер протилежний зміні модуля пружності. Він спочатку зростає (до _р 3%), а потім залишається на практично постійному рівні. Величина максимальної зміни залежить, як і в попередньому випадку, від знаку пластичної деформації. Так, наклеп розтягом збільшує даний коефіцієнт при розтягу _р на 10%, а при стиску _с на 15%.

Встановлена нестабільність зміни пружних властивостей сталі після наклепу. Через певний проміжок часу вихідні властивості матеріалу поновлюються.

Враховуючи той факт, що більшість поломок деталей бурильних колон має характер корозійно-втомного руйнування, останньому приділяється значна увага в сучасних наукових дослідженнях. Однак в них практично випущене питання вивчення впливу різного роду екстремальних навантажень при бурінні на втомні властивості бурильних труб. Тому зразкам надавались різні величини ППД (до 25%). При деформуванні до 22% границя втоми сталі групи міцності Д зростає. Найбільший ефект спостерігається при = 5…10%. Однак він не перевищував 20% від вихідного значення _-1.

Ефект пластичної деформації, в основному рівномірної, який викликає підвищення втомної міцності, зростає із збільшенням здатності матеріалу до деформаційного зміцнення при статичному розтягу. Встановлені залежності дають можливість запропонувати ввести в технологічний процес виготовлення деталей операцій пластичного деформування з метою підвищення їх довговічності.

Прогнозування ресурсу бурильних труб, ніпелів, муфт здійснюється без врахування нерегулярності навантажень. В той же час експлуатаційний спектр згинаючих моментів, діючих на бурильну трубу в свердловині, може мінятися в широких межах. До числа експлуатаційних факторів, які сприяють розвитку різних зовнішніх дефектів, полегшують розвиток тріщин відносяться також рідкі робочі середовища. Такі дослідження проведені на сталі 40ХН.

Як видно з рис. 1 для зразків, тренованих в повітрі, при малих амплітудах в'язкість руйнування спочатку зростає, а при великих - падає. Якщо тріщина наведена при малих амплітудах, то наступне старіння приводить рівень К_1с до “ювенільних” значень. Очевидно, що підвищенню опору поширення тріщини сприяє наклеп матеріалу в вершині тріщини. Наступне старіння знімає залишкове напруження в матеріалі в вершині тріщини і повертає рівень в'язкості руйнування до вихідних значень. Тренування зразків при підвищених рівнях амплітуди приводить до зниження значень К_1с, що пов'язано з пошкодженням матеріалу в вершині тріщини. Це підтверджується наступним старінням, яке не повертає параметри тріщиностійкості матеріалів в вихідне положення. В той же час зразки, треновані в розчині олеїнової кислоти з наступним старінням, показали стабільний рівень в'язкості руйнування при всіх амплітудах навантажень. Подібний вплив на характер наклепу при циклічних навантаженнях проявила також дистильована вода.

Приведені вище дані свідчать про повне усунення впливу циклічного наклепу і старіння на величину К_1с в випадку, коли тріщину створюють в присутності середовища. Це означає, що внаслідок зменшення під впливом середовища ефективної поверхневої енергії різко знижується пластична деформація матеріалу попереду фронту тріщини.

При наведенні тріщини в розчині олеїнової кислоти час утворення її більший, ніж в повітрі, а тривалість навантаження, необхідного для поширення тріщини на критичну глибину, дещо зменшується. Ріст часу зародження тріщини в розчині олеїнової кислоти пояснюється тим, що хімічно неактивна рідина охороняє матал від зовнішнього корозійно діючого середовища, а адсорбційний ефект масла проявляється в пластифікуючому впливі на матеріал в зоні конструктивного концентратора на стадії зародження тріщини. Що стосується періоду поширення тріщини при циклічному навантаженні, то тут в зв'язку з більш жорсткими умовами навантаження проявляється окрихчуюча дія середовища, яка полегшує ріст магістральної втомної тріщини.

Більш радикальною є дія води. В цьому випадку значно скорочується як період утворення тріщини, так і період її поширення. Ці висновки підтверджені результатами електроннофрактографічних досліджень.

Довговічність елементів бурильних колон залежить не тільки від втомної міцності матеріалів, але й від їх зносостійкості. В цьому випадку дуже актуальним є питання раціонального вибору температури відпуску сталі: надто високе її значення приводить до зниження твердості і, як наслідок, зносостійкості, а надто низьке - до зниження в'язкості та втомної міцності. Для сталі 40ХН, з якої на Дрогобицькому долотному заводі виготовляють бурильні замки, встановлено, що найбільш оптимальне поєднання показників втомної міцності та зносостійкості замків буде забезпечуватись при їх температурі відпуску 650-670К. На заводі цей термічний процес здійснюють при 760К. Отже, зниження температури відпуску замків на 100К призведе не тільки до покращення їх механічних властивостей і зносостійкості, але й до здешевлення термічної операції.

Дані рекомендації впроваджені в технологічний процес виготовлення замків.

В четвертому розділі приведені результати оцінки працездатності бурильних труб за КДВР. Спочатку вивчили вплив ППД розтягом на короткочасну та циклічну тріщиностійкість термообробленої сталі 40ХН (температура відпуску 763К).

Аналіз кривих навантаження зразків розтягом свідчить, що критичний КІН К_с не відповідає вимогам щодо реалізації плоскодеформованого стану і його не можна вважати характеристикою матеріалу. Що ж стосується конкретних значень К_с, то можна визначити незначне зниження короткочасної тріщиностійкості зразків, які попередньо пластично деформували розтягом до = 2%. Так значення К_с для зразків у вихідному стані становило 114 МПа·м^1/2, а на попередньо деформованих зразках - 98 МПа·м^1/2.

Результати випробувань на циклічну тріщиностійкість показали, що для діапазону високих значень К = 20…25 МПа·м^1/2 попереднє оброблювання пластичним деформуванням практично не впливає на циклічну тріщиностійкість сталі. З пониженням рівня циклічного навантаження стає відчутним позитивний ефект обробки матеріалу. Він збільшується із зменшенням К і максимально проявляється на припороговій ділянці навантаження. Так пороговий рівень розмаху КІН К_th зростає від 4, 9 МПа·м^1/2 для сталі у вихідному стані до 7, 3 МПа·м^1/2 для пластично деформованих зразків. Цей вплив зумовлений виключно зміною закриття втомної тріщини.

Приведені результати вказують на важливість урахування впливу ППД на статичну та циклічну тріщиностійкість бурильних колон. З іншого боку, необхідно рахуватися із можливим наводнюванням матеріалу в робочих середовищах, передовсім у місцях концентрації напружень, що може додатково негативно вплинути на короткочасну і втомну тріщиностійкість і тим самим тримкість бурильних колон.

Попереднє електролітичне наводнювання суттєво понизило короткочасну тріщиностійкість сталі. Її значення (52 МПа·м^1/2) порівняно з К_с сталі у вихідному стані (114 МПа·м^1/2) зменшилось у двічі. Ще більше падіння К_с (від 98 до 29 МПа·м^1/2) зафіксовано в попередньо деформованих зразків, незважаючи на і так нижчу тріщиностійкість деформованої сталі проти вихідного стану. Якщо ж брати до уваги сумарний вплив ППД та наводнювання, то ці чинники практично в чотири рази зменшують короткочасну тріщиностійкість сталі бурильної колони. Крім того перехід від руйнування в умовах плоского напруженого стану до руйнування за плоскої деформації свідчить про сильну окрихчувальну дію ППД і водню. Отриманий результат дозволяє прогнозувати додаткове зниження утримувальної здатності елементів бурильної колони із тріщиноподібними дефектами, якщо вони знаходяться в матеріалі, який внаслідок одноразового перевантаження вичерпав певну частину запасу пластичності.

Дослідження росту втомних тріщин виявили різкий вплив наводнювання і за характером, і за інтенсивністю. Він залежить від частоти та розмаху циклічного навантаження, а також стану матеріалу (вихідний чи після ППД). Наводнювання вихідного матеріалу (рис. 2 а) мало позначається на кінетиці руйнування, хоч припороговий ріст тріщин дещо сповільнюється в разі високої частоти і пришвидшується за більших К і нижчої частоти навантаження.

Попередньо деформований матеріал виявився набагато чутливішим до наводнювання (рис. 2 б). Звертає на себе увагу сильна частотна залежність кінетики руйнування під підвищеним навантаженням: нижній частоті відповідає більша швидкість росту тріщини. Зареєстрований різкий стрибок швидкості в середньоамплітудній ділянці діаграм відбиває, очевидно, схильність матеріалу до водневого розтріскування під циклічним навантаженням. Розмах К, який відповідає стрімкому пришвидшенню, залежить від частоти навантаження і мінімальний (13 МПа·м^1/2) за найменшої частоти 0, 3 Гц (крива 4). На припорогових К наводнювання не впливає негативно, якщо частота циклічного навантаження висока.

Оцінивши закриття втомних тріщин, яке властиве насамперед низьким значенням К установили його істотний вплив на кінетику руйнування досліджуваної сталі у вихідному стані (рис. 2 а, криві 1, ). Так, ефективний пороговий розмах К_{th eff} 3 МПа·м^1/2 проти номінального К_th 5 МПа·м^1/2. ППД практично не відбивається на швидкості втомного росту тріщини за даного ефективного розмаху К_eff. Отже, відповідальне за позитивний вплив ППД на циклічну тріщиностійкість сталі саме закриття тріщини.

Наводнювання матеріалу у вихідному стані по суті не міняє швидкості припорогового втомного росту тріщин за високочастотного навантаження (рис. 2 а, крива ), якщо результати зобразити залежно від ефективного розмаху К_eff. Тобто наявність водню не позначається на здатності матеріалу попереду вершини тріщини протидіяти деформуванню та руйнуванню. А спостережений раніше деякий позитивний вплив наводнювання на швидкість росту тріщин, коли К К_th (рис. 2 а, криві 1, 2), зумовлений зростанням закриття втомної тріщини.

Наводнювання попередньо деформованого матеріалу не суттєво зсунуло припорогову ділянку діаграми dl/dN - К_eff в бік вищих швидкостей росту тріщини (рис. 2 б, криві , ), тобто дещо полегшує руйнування. В результаті зазначена раніше відсутність такого впливу на ріст тріщин біля порогу К_th спричинена деяким зростанням ефекту закриття тріщини. Таким чином, пластично деформований матеріал схильний до водневого окрихчення навіть в умовах високочастотного навантаження в припороговій ділянці діаграми, що нівелюється інтенсифікацією закриття тріщини, тобто ослабленням деформування матеріалу біля її вершини. За підвищених К, коли з закриттям можна не рахуватися, водневе окрихчення виражене яскравіше. Крім того, тут чітко виявляється схильність наводненого матеріалу до водневого розтріскування.

В роботах Гладкого Я. М. запропонована формула для визначення середньої швидкості зношування інструментальних матеріалів за параметрами КДВР. Розрахунки, проведені за даною формулою, показали, що інтенсивність зношування сталі 40ХН, відпущеної при 660К, при різних значеннях контактних тисків суттєво нижча, ніж відпущеної при 760К. Це ще раз підтверджує перевагу запропонованої в попередньому розділі термічної обробки перед заводським технологічним процесом.

КДВР, побудовані за результатами втомних випробувань циліндричних зразків з титанового спллаву ВТ1-0 методом маркування, показали, що довговічність титанових зразків з тріщинами вздовж волокна майже в п'ять раз вища, ніж в зразках з тріщинами впоперек волокна (явище “зворотньої” анізотропії). Цим пояснюється низька корозійно-втомна міцність титанових бурильних труб. Ріст тріщин у воді полегшується. Для титанових сплавів останнє обгрунтовується з позиції водневої концепції впливу води.

П'ятий розділ присвячений оцінці працездатності бурильних труб за параметрами в'язкості руйнування. Останнім часом для встановлення конструктивної міцності бурильних труб все ширше використовуються методи і параметри механіки руйнування. Однак така оцінка здійснюється виключно на основі критичних КІН, хоча для металів, які мають підвищену пластичність, більш ефективний деформаційний підхід. До останніх належить сталь групи міцності Д. Тому була поставлена задача оцінити циклічну довговічність бурильних труб з позиції _к-моделі.

Розглянемо циліндричну трубу з внутрішнім d і зовнішнім D діаметрами, яка містить в поперечному перерізі напівеліптичну тріщину з півосями a та b (рис. 3). Напруження в перерізі труби змінюється від 0 до максимального значення . Тріщина буде розвиватися в одній площині і для спрощення аналізу вважаємо, що в процесі підростання вона залишається напівеліптичною.

Диференціальні рівняння для описання кінетики розвитку втомної тріщини мають вигляд:

(1)

і повинні розв'язуватися при початкових умовах:

(2)

Тут і - поточні та початкові розміри тріщини; - характеристична функція втомного руйнування; - розкриття тріщини в умовах локальної плоскої пружно-пластичної деформації; - критичне, а - порогове розкриття тріщини, які є сталими матеріалу; - експериментально знайдені параметри діаграми втомного руйнування.

Довговічність N_* визначається за розв'язком задачі (1), (2) з умови, що

(3)

Для знаходження розкриття тріщини використовували розрахункову схему, розроблену в Фізико-механічному інституті НАН України. Ця схема, спираючись на інтерполяційний підхід і на метод еквівалентних станів, дає можливість знайти наближені аналітичні вирази для () у трубі з поверхневою напівеліптичною тріщиною.

Задача Коші (1), (2) розв'язувалась чисельно модифікованим методом Ейлера в широкому діапазоні зміни початкових умов, параметра навантаження /_т, та геометричних розмірів поперечного перерізу труби. Інколи зустрічається ситуація, коли тріщина проростає на всю товщину стінки труби (b = t, t = (D-d) /2), а максимальне її розкриття на фронті не перевищує _fc, тобто рівність (3) ще не досягнута. В таких випадках розв'язувалась ще й простіша задача про додатковий ресурс довговічності циліндричної труби з наскрізною тріщиною зі стартовою півдовжиною, досягнутою при b = t. Однак, як показали підрахунки, вклад цієї заключної стадії циклічного руйнування у сумарну довговічність конструкції не перевищує 3% і ним можна знехтувати для розглянутого нами сортаменту бурильних труб. Іншими словами, за критерій довговічності можна прийняти менше з N, котрі задовольняють умові (3) або умові b (N) = t.

Як приклад, що ілюструє результати розрахунків, на рис. 4 показана діаграма довговічності труби (D = 168, 3 мм, d = 150, 3 мм, Е = 2, 1210⁵ МПа, = 0, 3, _т = 390 МПа, _fc = 0, 017 мм, ₀ = 0, 89, А = 8, 2 10⁵цикл/м, m = 2, 1) з поперечною тріщиною. При цьому початкові розміри тріщини контролюємо одним параметром - її глибиною b₀ = а₀/2.

Серія аналогічних діаграм побудована для широкого спектру типорозмірів і навантаження.

Досліджено статичну тріщиностійкість термічно зміцненої сталі 40ХН з позиції _к-моделі (високий відпуск зразків унеможливлював проведення такої оцінки за К_1с). Механічними випробуваннями та електроннофрактографічним аналізом зломів встановлений ефект зниження величини _к під впливом води. З пониженням температури відпуску спад _к в середовищі посилюється порівняно з випробуваннями на повітрі. На сталях групи міцності Д і 40ХН показано, що при циклічному навантаженні, разових перевантаженнях і деформаційному старінні зразків з тріщинами рівень в'язкості руйнування може суттєво падати. Це викликано змінами властивостей наклепаного матеріалу в вершині тріщини. З цим фактом необхідно рахуватися при оцінці конструктивної міцності елементів бурильних труб.

Встановлено негативний вплив старіння сплаву ВТ8 після циклічного тренування: нижній поріг холодноламкості зразків, що пройшли старіння після нанесення тріщин, має значний зсув в сторону більш високих температур, а в'язкість руйнування зразків, які не проходили старіння, суттєво перевищують в'язкість руйнування зістарених зразків. Показано, що зниження в'язкості руйнування титанового сплаву під дією води не таке суттєве, як в сталі такої ж міцності.

ВИСНОВКИ

Пластична деформація сталі групи міцності Д має сильний вплив на її механічні властивості та приводить до зміни її пружних характеристик (модуля пружності, коефіцієнта Пуассона, границі пропорціональності). Зміни носять нестабільний характер: через певний проміжок часу вихідні властивості матеріалу поновлюються. Ефект рівномірної пластичної деформації, який викликає підвищення циклічної довговічності, зростає із збільшенням здатності матеріалу до деформаційного зміцнення при розтягу. Найбільший ефект спостерігається при = 5…10%. Показана доцільність введення в технологічний процес виготовлення деталей операції пластичного деформування з метою підвищення їх втомної міцності.

При оцінці конструктивної міцності елементів бурильних колон з тріщинами необхідно враховувати не тільки вихідний рівень в'язкості руйнування, але й здатність матеріалів до експлуатаційного окрихчення, обумовленому наклепом і пошкоджуваністю металу в вершині тріщини при циклічних і разових перевантаженнях, а також деформаційним старінням. Результатами механічних випробувань і електроннофрактографічного аналізу показано, що ріст втомних тріщин в сталях групи міцності Д і 40ХН в присутності рідких робочих середовищ супроводжується суттєвим пониженням мікропластичної деформації метеріалу порівняно з повітрям.

Встановлено, що ППД термічно зміцненої сталі 40ХН в незначній мірі знижує її статичну тріщиностійкість. Найвідчутніший вплив ППД полягає в суттєвому підвищенні опору втомному росту тріщини за низьких припорогових рівнів циклічного навантаження. Цей вплив зумовлений виключно зміною закриття втомної тріщини.

Сумарний вплив ППД і навантаження практично в чотири рази зменшують короткочасну тріщиностійкість сталі бурильної колони. Спостерігається перехід від руйнування в умовах плоского напруженого стану до руйнування за плоскої деформації. Можливе наводнювання матеріалу в робочому середовищі здатне істотно підвищити швидкість росту втомної тріщини. Найбільшого зменшення конструктивної міцності наводненого матеріалу можна сподіватися в місцях концентрації напружень, раніше пластично деформованих. ППД робить сталь сильно чутливою до водневого розтріскування, що особливо небезпечно в умовах довготривалого навантаження. З урахуванням цього чинника довговічність бурильної колони на стадії стабільного підростання втомної тріщини може зменшитись на порядок.

Виходячи з концепції фізичної границі втоми для термічно зміцненої сталі 40ХН запропонована гранична температура відпуску, яка забезпечує поєднання найвищих показників втомної міцності та зносостійкості. Дана рекомендація впроваджена в технологічний процес виготовлення бурильних замків на Дрогобицькому долотному заводі.

Показано, що розроблена д. т. н. Гладким Я. М. методика оцінки зносостійкості інструментальних матеріалів за результатами випробування на циклічну тріщиностійкість дозволяє також якісно порівнювати опір зношування сталей елементів бурильних колон і може бути рекомендована для оцінки їх зносостійкості.

Розроблений розрахунковий метод прогнозування залишкового ресурсу бурильних труб з тріщинами при їх циклічному навантаженні з позиції _к -моделі. Запропонований спрощений метод такого розрахунку, який може бути використаний в інженерній практиці.

Випробуваннями термічно зміцненої сталі 40ХН показаний суттєвий вплив її структурного стану на параметри в'язкості руйнування. Високий відпуск зразків унеможливлював проведення оцінки тріщиностійкості за К_1с, тому в даному випадку доцільно користуватися показником _к. Встановлений ефект зниження величини _к під впливом води. З пониженням температури відпуску спад _к в середовищі посилюється порівняно з випробуваннями на повітрі.

Електроннофрактографічний аналіз зломів показав суттєві відмінності в мікромеханізмі поширення тріщин в зразках з різним структурним станом і в присутності рідкого робочого середовища.

Встановлено, що довговічність титанових зразків з тріщинами вздовж волокна майже в п'ять раз вища, ніж в зразках з тріщинами поперек волокна. Тобто, зафіксоване явище “зворотньої”анізотропії, на відміну від прямої, характерної для сталей. Цим пояснюється низька корозійно-втомна міцність титанових бурильних труб. При випробуваннях у воді ріст тріщини полегшується. Приймаючи до уваги високу корозійну стійкість технічного титану, такий результат пояснюється з позиції водневої концепції впливу води. Старіння високоміцного титанового сплаву після циклічного навантаження призводить до суттєвого зниження його тріщиностійкості, а зниження в'язкості руйнування під дією води не таке суттєве, як в сталі аналогічної міцності.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ:

1. Петрина Д.Ю. В'язкість руйнування високоміцних титанових сплавів // Матеріали доповідей III Міжнар. симпоз. “Некласичні проблеми теорії тонкостінних елементів конструкцій та фізико-хімічної механіки композиційних матеріалів”. - Івано-Франківськ: ІФДТУНГ, ІППММ НАН України. - 1995. - С. 47-49.

2. Петрина Д.Ю. Тріщиностійкість титанових бурильних труб // Методи і засоби технічної діагностики: збірник матеріалів XII міжнародної міжвузівської школи-семінару. - Івано-Франківськ. - 1995. - С. 151-153.

3. Застосування високоміцних сталей як конструкційного матеріалу деталей бурових доліт / Є.І. Крижанівський, Ю.Д. Петрина, Т.В. Павленко, Д.Ю. Петрина та ін. // Розвідка та розробка нафтових і газових свердловин. Серія: Нафтогазопромислове обладнання. - 1996. - №33. - С. 30-44.

4. Петрина Д.Ю. Оцінка експлуатаційної надійності елементів бурильних колон за показниками тріщиностійкості // Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ. Серія: Нафтогазопромислове обладнання. - 1997. - №34. - С. 78-82.

5. Крижанівський Є.І., Шацький І.П., Петрина Д.Ю. Оцінка довговічності бурильних труб з позицій _к - моделі // Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ. Серія: Нафтогазопромислове обладнання. - 1997. - №34. - С. 3-8.

6. Крижанівський Є.І., Петрина Д.Ю. Вплив характеру попереднього навантаження на властивості сталей групи міцності Д // Методи і засоби технічної діагностики: збірник праць міжнародної міжвузівської школи-семінару. - Івано-Франківськ. - 1997. - С. 212-215.

7. Крижанівський Є.І., Петрина Д.Ю. Вплив експлуатаційних факторів на тріщиностійкість елементів бурильних колон // Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ. Серія: Нафтогазопромислове обладнання. - 1998. - №35. - С. 10-16.

8. Крижанівський Є.І., Петрина Д.Ю., Боднарчук О. В. Тріщиностійкість замків бурових труб // Наукові нотатки: Міжвузівський збірник (за напрямком “Інженерна механіка”). - Луц. держ. тех. ун-т. - 1998. - Вип. 4. - С. 115-126.

9. Kryzhanivsky Y.I., Ivasiv V.M., Petryna D.Y. Research of fatigue cracks spread kinetics in drillinq pipes // The international meeting of the carpathian region specialists in the field of worm gears. Scientific bulletin. Serie C, Volume XII. - Baja Mare. - 1998. - P. 109-115.

10. Крижанівський Є.І., Петрина Д.Ю. Вплив осьового розтягуючого навантаження на втомні властивості сталей групи міцності Д // Науковий вісник інституту менеджменту та економіки. - Івано-Франківськ. - 1999. - С. 94-97.

11. Крижанівський Є.І., Цирульник О.Т., Петрина Д.Ю. Вплив попереднього пластичного деформування розтягом на тріщиностійкість конструкційної сталі бурильної колони // Машинознавство. - 1999. - №4. - С. 14-17.

12. Крижанівський Є.І., Цирульник О.Т., Петрина Д.Ю. Вплив наводнювання та попереднього пластичного деформування сталі на її тріщиностійкість // Фіз. -хім. механіка матеріалів. - 1999. - №5. - С. 67-71.

13. Крижанівський Є.І., Петрина Д.Ю. Оцінка зносостійкості елементів бурильних колон за кінетичними діаграмами втомного руйнування // Розвідка та розробка нафтових і газових свердловин. Серія: Нафтопромислове обладнання. - 1999. - №36. - С. 9 - 14.

АНОТАЦІЇ

Петрина Д.Ю. Втомні властивості бурильних труб при екстремальних режимах буріння свердловин. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05. 05. 12 - Машини та агрегати нафтової і газової промисловості. - Івано-Франківський державний технічний університет нафти і газу, м. Івано-Франківськ, 2000.

Захищається 17 наукових праць, що містять результати теоретичних і експериментальних досліджень втомних властивостей бурильних труб при таких екстремальних режимах буріння свердловин як разові та циклічні перевантаження, наявність робочих середовищ і тріщин в конструкціях.

Встановлений взаємозв'язок між параметрами втомної міцності та зносостійкості матеріалів бурильних труб. Проведена оцінка працездатності бурильних труб з позиції _к - моделі.

Ефективність запропонованих в роботі рішень підтверджена впровадженням результатів досліджень у виробництво.

Ключові слова: бурильна колона, бурильна труба, ніпель, в`язкість руйнування, циклічна тріщиностійкість, корозійно-втомна міцність, зносостійкість, втомна довговічність, воднева крихкість.

Петрина Д.Ю. Усталостные свойства бурильных труб при экстремальных режимах бурения скважин. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05. 05. 12 - Машины и агрегаты нефтяной и газовой промышленности. - Ивано-Франковский государственный технический университет нефти и газа, г. Ивано-Франковск, 2000.

Диссертационная работа посвящена проблеме обеспечения работоспособности элементов бурильной колонны при таких экстремальных режимах бурения скважин, как разовые и циклические перегрузки, наличие рабочих сред и трещин в конструкциях.

Показано, что разовые перегрузки стали группы прочности Д имеют сильное влияние на ее механические свойства.

При оценке конструкционной прочности элементов бурильной колонны с трещинами следует принимать во внимание не только исходный уровень вязкости разрушения, но и способность материалов к эксплуатационному охрупчиванию, обусловленному наклепом и поврежденностью металла в вершине трещины при циклических и разовых перегрузках, а также деформационным старением.

Результатами механических испытаний и электроннофрактографического анализа показано, что рост усталостных трещин в сталях бурильных труб в присутствии жидких рабочих сред сопровождается снижением микропластической деформации материала сравнительно с воздухом.

Предварительная пластическая деформация делает сталь сильно чувствительной к водородному растрескиванию, что особенно опасно в условиях длительного нагружения.

Показана взаимосвязь между параметрами усталостной прочности а также износостойкости материалов бурильных труб. Проведена оценка работоспособности бурильных труб с позиций _к - модели.

Эффективность предложенных в работе решений подтверждена внедрением результатов исследований в производство.

Ключевые слова: бурильная колонна, бурильная труба, ниппель, вязкость разрушения, циклическая трещиностойкость, коррозионно-усталостная прочность, износостойкость, усталостная долговечность, водородная хрупкость.

Petryna D.Y. The fatigue properties of drilling pipes at the extreme conditions of drilling of holes. - Manuscript

The dissertation for getting the Candidate degree in engineering speciality - 05. 05. 12- Oil and gas industry's machines - Ivano-Frankivsk state Technical University of Oil and Gas, Ivano-Frankivsk, 2000.

17 scientific works are defended which comprise the results of theoretical and experimental investigations for fatigue properties of drilling pipes at the following extreme conditions of drilling of holes: single and cyclic overloading, availability of working environments and cracks in constructions.

Established relationship between parametres of fatigue strength and wear resistance of materials of drilling pipes. Evaluation of serviceability of drilling pipes from the point of the _к - model was done.

Efficiency of the offered decisions in the work is prooved by introducing of the results of the investigation in manufacture.

Key words: drill string, drilling pipe, nipple, fracture toughness, cyclic crack, persistence, corrosion fatigue strength, wear resistance, fatigue durability, hydrogen fragility.

Размещено на Allbest.ru

...