книги / Предупреждение и ликвидация аварий в бурении

Дальнейшим значительным и высокоэффективным средством снижения числа аварий, и особенно прихватов, является примене­ ние аэрированных растворов и бурение с продувкой забоя воз­ духом. Бурение последним способом, кроме больших экономиче­ ских выгод, сведет аварии к единичным случаям и исключит почти полностью прихваты бурильных колонн — самый распространен­ ный и трудный для ликвидации вид аварий.

Виды бурильных труб. Как известно, при бурении нефтяных и газовых скважин применяют в основном бурильные трубы двух видов: друбы с высаженными внутрь концами и трубы с приварен­ ными соединительными концами. Эффективными средствами сни­ жения числа аварий с колоннами бурильных труб с высаженными внутрь концами являются:

1)применение УБТ с разгрузочными зарезьбовыми канавками

исбалансированных УБТ, а также упрочнение резьбы УБТ обкат­

кой роликами на установках конструкции ВНИИБТ;

2)установка над УБТ наддолотных комплектов труб из буриль­ ных труб стали группы прочности Д, имеющих толщину стенок 10—11 мм;

3)приварка бурильных замков (после их закрепления на тру­

бах методом горячего крепления) к предварительно посаженным в горячем состоянии на проточенные концы труб кольцам по ме­ тоду, предложенному в Грознефти;

4)проверка дефектоскопами всех труб, поступающих с заводов

инаходящихся в эксплуатации, через определенные сроки их ра­ боты; проверке подвергается резьба и тело трубы на 1,2 м.

Применение труб с приваренными соединительными концами ликвидировало узлы с мелкой резьбой, а термическая обработка сварного шва позволила повысить его ударную вязкость. В резуль­ тате резко сократилась аварийность с колоннами бурильных труб. Однако широкому распространению труб с приваренными соеди­ нительными концами препятствует производство труб из стали групп прочности Л и М.

Поэтому для бурения глубоких скважин разработаны и приме­ няют бурильные трубы типа ТБВК и ТВНК с высаженными соот­ ветственно внутрь и наружу концами и коническими стабилизи­ рующими поясками. В резьбовом соединении этих труб уменьшены знакопеременные напряжения в опасном сечении. Прочность и гер­ метичность соединения обеспечивают внутренние упорые торцы, конический стабилизирующий поясок, трапецеидальная резьба и гладкий участок трубы непосредственно за замком.

Большим резервом в снижении аварий с бурильными трубами является расширение объема работ легкосплавными бурильными трубами. Опыт объединения Куйбышевнефть показал, что при при­ менении труб этого вида аварии значительно сокращаются при правильной организации трубного хозяйства.

Твердость разбуриваемых пород. В процессе бурения в разрезах скважин очень мало участков, сложенных однородными породами.

11

Г Л А В А II

АВАРИИ И ИХ ПРИЧИНЫ

§1. АВАРИИ С ВЕДУЩИМИ И БУРИЛЬНЫМИ ТРУБАМИ, ЗАМКАМИ, МУФТАМИ, УБТ И ПЕРЕВОДНИКАМИ

Наибольшее число аварий с элементами бурильной колонны происходит вследствие усталостных разрушений металла [64], воз­ никающих при частом изменении величины нагрузки и направления ее действия. Так как не все элементы бурильной колонны нагру­ жены одинаково, усталостное разрушение металла возникает в более напряженно работающих местах. Усталостные изломы под­ готавливаются скрыто и наступают без всякого видимого измене­ ния размеров и форм элементов бурильной колонны.

Внешне разрушение металла проявляется в возникновении тре­ щин ультрамикроскопических размеров. Трещина зарождается в некотором микроскопическом объеме, называемом очагом уста­ лостного разрушения, и разрастается по сечению изделия. Явление усталостного разрушения возникает в результате действия знако­ переменного изгиба, крутильных ударов и колебаний бурильной колонны. Знакопеременный изгиб является основным фактором, приводящим к образованию остаточных напряжений во время вра­ щения бурильной колонны. Крутильный удар характерен для ротор­ ного бурения, особенно при работе с долотами режуще-скалываю- щего типа. Удар при вращении бурильной колонны появляется в момент остановки долота на забое, когда привод (ротор на по­ верхности) еще продолжает его вращать. В результате этого колонна скручивается и затем раскручивается. Чем больше вре­ мени долото остается без движения, тем сильнее крутильные удары. Эти удары наблюдаются при работе с лопастными долотами, при резком увеличении осевой нагрузки на долото, при переходе до­ лота из мягких пород в твердые и при заклинивании долота. Во всех случаях вращение долота прекращается. Длительность остановки зависит от ряда факторов, например, чем мягче порода и больше осевая нагрузка, тем сильнее лопастное долото заклини­

13

заклинивается меньше, чем при разбуривании подобного интер­ вала лопастными долотами.

Колебания бурильной колонны, возникающие главным образом при бурении шарошечными долотами, зависят от степени однород­ ности и твердости разбуриваемых пород, пульсации бурового рас­ твора, соответствия типа и диаметра долот разбуриваемым породам, компоновки бурильной колонны и ряда других факторов. Перека­ тывание шарошек вызывает вертикальное перемещение центра тяжести долот, которое передается бурильной колонне. Чем тверже порода, тем колебания колонны интенсивнее. В мягких породах перекрывание шарошек сопровождается значительной деформа­ цией породы, поэтому периодических резковыраженных вертикаль­ ных перемещений долота не происходит. Если долота подобраны неправильно или параметры режима бурения не соответствуют механическим свойствам проходимых пород, продольные переме­ щения влияют на прочность бурильной колонны. С уменьшением числа зубьев на венцах шарошек их шаг увеличивается, вслед­ ствие чего вертикальные перемещения бурильной колонны возра­ стают.

При бурении в твердых породах долотами, предназначенными для разбуривания пород средней твердости, вибрация долот зна­ чительно увеличивается, что приводит не только к быстрой сработке зубьев шарошек и опор долот, но и является источником колебания бурильной колонны. Колебания происходят и вслед­ ствие неравномерной подачи бурового раствора при работе порш­ невых насосов. В результате пульсации давления на выкиде насоса бурильная колонна получает дополнительные вынужденные про­

Г. М. Эрлих [79] установил, что пульсация давления на выкиде насоса вызывает дополнительные знакопеременные изгибающие напряжения в нижней части бурильной колонны и переменные растягивающие напряжения в верхней растянутой части. Это су­ щественно отражается на прочности труб.

Кроме указанных основных нагрузок, на развитие усталостных разрушений м-еталла труб влияют технологические и конструктив­ ные факторы. Возникновение усталостных разрушений ускоряется, если структура металла неоднородна и на наружной поверхности детали имеются резкие переходы в сечении, острые надрезы, не­ глубокие царапины, расслоения, незаметные на глаз инородные тела, включения и т. д.

При изучении прочности бурильных труб Т. Н. Корнев [29] пред­ ложил ввести в расчеты дополнительную характеристику — предел выносливости, т. е. то напряжение, при котором материал, не раз­ рушаясь, выдерживает неограниченное число переменных нагру­ зок. Предел выносливости, например, для труб из стали категории прочности Д составляет 0,45 предела прочности.

14

При неправильном подборе параметров режима бурения и кон­ структивных недостатках элементов бурильной колонны, а также при неблагоприятных геологических и технологических особен­ ностях бурения возникает много причин, вызывающих усталостные разрушения металла. Задача производственников и конструкто­ ров — устранить причины, вызывающие эти разрушения металла, или свести их к минимуму.

Известно, что основной причиной возникновения усталостных разрушений металла является нарушение определенного порядка расположения атомов в металле. При повторно-переменных на­ грузках будет все больше нарушаться нормальное положение ато­ мов, а следовательно, нарушится и структура металла. Значитель­ ные цикличные напряжения в дальнейшем приводят к еще боль­ шему нарушению связей между атомами, к образованию разрывов, изменению однородности металла, разрыхлению атомной решетки и неисправимым повреждениям, которые в конечном итоге вызы­ вают образование микроскопических, а затем и видимых трещин, окончательно разрушающих металл.

Металлурги работают над созданием сплавов для бурильных труб, отличающихся улучшенной структурой. Конструкторы создают трубы без резких переходов в сечениях. Однако трубы еще не соответствуют тем требованиям, которые предъявляются к ним в связи с резким увеличением глубин бурения. Большой процент аварийности с элементами бурильных колонн требует напряженной работы как металлургов и конструкторов, так и бурильщиков.

Несовершенство конструкций труб и резьбовых соединений, скрытые дефекты, образующиеся при изготовлении труб, отсут­ ствие на буровых предприятиях приборов, повседневно контроли­ рующих состояние элементов бурильных колонн, — все это может быть причиной аварии с бурильной колонной. Однако основными причинами аварии с элементами бурильных колонн являются на­ рушения технологии проходки скважин и правил эксплуатации бурильных колонн и их составных частей.

Слом труб по утолщенному концу

Вокруг замков и муфт, при помощи которых соединяются бу­ рильные трубы, создаются зоны концентраций напряжений. Соеди­ нение замок—труба является более жестким, чем соединение труба—муфта. Это соединение работает подобно стержню, жестко зажатому в одном месте. Если, например, требуется сломать про­ волоку, то один ее конец жестко зажимают, а другой резко пере­ гибают. Излом, как правило, приходится на участок начала резких перегибов. Так приблизительно происходит и с трубой.

При знакопеременных нагрузках, действующих на бурильную колонну, наибольшие напряжения концентрируются около первого витка резьбы на трубе, находящегося в полном сопряжении с резь­ бой бурильного замка. Сломы по утолщенному концу трубы

15

происходят и в других сечениях, расположенных на различных участках резьбы, или одновременно в нескольких сечениях. Однако наибольшее число аварий приходится на первый виток полного сопряжения резьбы. Эта часть резьбы является наиболее опасным местом. Нижний участок бурильной колонны испытывает наиболь­ шую нагрузку, следовательно, подвергается более высоким напря­ жениям.

Резьба в свою очередь способствует образованию трещин в теле трубы, особенно при малых радиусах закругления. Чем меньше радиус закругления, тем больше возможность образования трещин при прочих равных условиях. Там, где резьба имеет острые углы,

вметалле образуются ультрамикроскопические трещины. Поэтому

втрубных резьбах наблюдается больше изломов, чем в замковых резьбах. Увеличение толщины стенки трубы путем высадки не пре­

дохраняет от распространения начавшегося трещинообразования в теле трубы. Как указывалось, утолщенная часть трубы вслед­ ствие своей жесткости является местом образования зон усталости и местом возникновения интенсивных разрушений, где начавшееся трещинообразование продолжает прогрессивно распространяться и приводит к частым авариям.

Крупная резьба, соединяющая замковый ниппель и замковую муфту, не образует резких переходов. При соединении трубы с замком трубной резьбой упор отсутствует, поэтому на участке перехода резьбы от полного сопряжения к неполному концентри­ руются опасные напряжения. В этом месте действует изгибающий момент. Таким образом, сочетание переменных нагрузок и концент­ рации напряжений способствует распространению усталостных трещин в глубь трубы, ослаблению сечения трубы и обусловли­ вает усталостный характер сломов.

Слом в утолщенном конце трубы приходится в основном на третью—пятую нитку резьбы у сбега ее на трубе. На аварийной трубе остается от 3 до 5 ниток резьбы. При изучении сломов по торцу труб наблюдаются две зоны разрушения (рис. 2). Первая зона 1 является зоной предварительного разрушения и соответ­ ствует участку распространения усталостной трещины. Вторая зона 2 — зона окончательного разрушения под действием стати­ ческих нагрузок. Иногда усталостные трещины распространяются по нескольким виткам и в наиболее ослабленном из них про­ исходит слом. У таких труб явно видны следы размыва и кор­ розии.

Во всех элементах бурильной колонны возникают усталостные напряжения, величина которых зависит от условий работы колонны на отдельных ее участках и соблюдения буровой бригадой правил эксплуатации бурильных колонн.

Ниже описаны характерные нарушения технологии эксплуата­ ции бурильных колонн и конструктивные недостатки их, способ­ ствующие распространению начавшегося трещинообразования, а следовательно, и ускоряющие слом элементов колонн.

16

шарошек долота в твердых породах приводит к возвратно-поступа­ тельному перемещению долота, которое также передается буриль­ ной колонне. Перемещение долота вверх сопровождается увеличе­ нием потенциальной энергии в колонне труб. При обратном ходе вниз потенциальная энергия переходит в кинетическую, расходуе­ мую на разрушение породы.

Возвратно-поступательные движения бурильной колонны с пе­ риодической закономерностью и постоянной величиной внедрения долота в твердую породу создают неблагоприятные условия для работы бурильной колонны и способствуют развитию усталостных напряжений в металле.

При бурении шарошечными долотами в мягких породах перио­ дических вертикальных перемещений колонны не происходит. Шарошки как будто скользят, что смягчает работу колонны.

Вращение бурильной колонны при проходке твердых пород и прокачка бурового раствора создают дополнительные колебания колонны, в результате которых последняя испытывает переменные растягивающие напряжения и соответствующие им переменные удлинени'Я с частотой, равной числу изменений (пульсаций) давле­ ния жидкости в колонне. Пренебрегать этими напряжениями нельзя, так как они достигают значительных величин и являются одной из причин развития трещин, а следовательно, и ускоряют аварии с бурильной колонной.

Можно привести следующий пример влияния твердости пород на состояние бурильной колонны. Интервал скважины ниже кон­ дуктора, спущенного на глубину 250 м, разбуривали новыми 146-мм бурильными трубами роторным способом. Во время разбуривания окремнелых доломитов в интервале 1605—1700 м за 18 дней про­ изошло 16 однотипных аварий — слом труб по утолщенному концу. На трубе оставалось от 3 до 5 ниток резьбы. Характер излома в торцах этих труб одинаков. После бурения в окремнелых доло­ митах бурильная колонна была заменена и аварии прекратились. Примеров таких аварий можно привести очень много. Все они характерны для роторного бурения и происходят преимущественно при бурении в твердых породах: окремнелых доломитах и извест­ няках, кварцитоподобных песчаниках и других, когда трубы нахо­ дятся в очень напряженном состоянии.

Передача больших усилий на нижнюю часть бурильной колонны.

Основными причинами передачи больших усилий на нижнюю часть бурильной колонны (перегрузки) является технически неграмот­ ное выполнение операций при спуске бурильной колонны и небреж­ ность при использовании механизмов, регулирующих подачу бурильной колонны. Приведем следующий пример подобный ава­ рии. При новом комплекте 114-мм бурильных труб с утяжеленным низом весом 5 тс нагрузку на долото № 10 довели до 38 тс. После 45 мин бурения с такой нагрузкой бурильная труба сломалась в утолщенной части. В дальнейшем сломы труб стали происходить почти при каждом рейсе долота, хотя до этого подобных аварий

18

не было. Из-за частых аварий комплект бурильных труб был заме­ нен, после чего аварии прекратились. Этот и ряд других случаев свидетельствуют в том, что первая же перегрузка бурильной колонны ведет затем к аварийности. Последующие меры по пре­ дупреждению аварий, т. е. снижение осевых нагрузок на долото, уменьшение числа оборотов, установка в нижней части колонны утяжеленных бурильных труб не устраняют последствий пере­ грузки бурильной колонны.

Применение ручного труда для подачи на забои бурильной колонны является одной из причин аварий из-за перегрузок ее нижней части. При отсутствии автоматов или полуавтоматов по­ дача колонны зависит от опыта бурильщика.

Допускаются перегрузки, а следовательно, и аварии при работе с регуляторами подачи долота. Основной обязанностью буриль­ щика при использовании регулятора становится непрерывный контроль за работой приборов. При отказе одного из узлов регу­ лятора подачи долота возможна перегрузка бурильных колонн. Поэтому никакие отлучки бурильщика в процессе бурения недо­ пустимы.

Скрытые дефекты в трубах. Иногда на трубные базы поступают трубы, имеющие скрытые дефекты, которые не были обнаружены в процессе изготовления. Отсутствие на трубных базах приборов для определения скрытых дефектов приводит к тому, что факти­ чески бракованные трубы поступают на буровую. Дефекты в соче­ тании с возникшими усталостными напряжениями труб ускоряют процесс их слома. Для создания равнопрочности бурильных труб и предохранения их от снижения прочности вследствие нарезки резьбы концы их стали делать более толстыми путем высадки труб внутрь. Однако это снижает площадь сечения трубы для про­ хождения бурового раствора, а в процессе изготовления высажен­ ных труб часто происходит брак. Видимые дефекты высаженных концов на внутренней и внешней стороне устраняются непосред­ ственно на заводе, а скрытые дефекты в теле высаженной части, незаметные с внешней и внутренней поверхности высадки, при­ водят к авариям. К скрытым дефектам относятся плены, раковины, расслоения, неметаллические включения, структурная неоднород­ ность металла после нормализации и т. д.

На рис. 3 показаны сломы бурильных 114-мм труб с явно обо­ значенным браком в металле вблизи высаженной части. Аварии с этими трубами произошли в начале их эксплуатации.

Недостаточная длина утяжеленных бурильных труб. При буре­ нии скважин без утяжеленных бурильных труб (УБТ) или при недостаточном их количестве часто в высаженной части бурильных труб образуются зоны усталости, которые способствуют возникно­ вению аварий. Если длина УБТ недостаточна для создания тре­ буемой осевой нагрузки на долото, то может произойти продоль­ ный изгиб труб и могут возникнуть большие изгибающие моменты, приводящие к поломкам труб.