книги / Предупреждение и ликвидация аварий в бурении

распространены, особенно аварии с трубами, у которых полузамки

в поперечном направлении вследствие скручивания; разрушение замков и муфт; слом УБТ и ведущей трубы.

Поперечный слом трубы по телу происходит вследствие различ­ ных повреждений, когда дефект направлен перпендикулярно оси трубы, что приводит к концентрации напряжений на отдельных участках поверхности труб и вызывает усталостные напряжения в металле. К повреждениям труб относятся вмятины от инородных тел (крупных обломков твердых пород или шарошек, попадающих в кольцевое пространство); царапины и поперечные риски, образо­ ванные при работе клиньями или машинными ключами; дефекты проката главным образом на внутренней поверхности труб. Сломы труб в местах вмятин происходят чаще вблизи высадки, на участке трубы с нормальной толщиной стенки.

Частой причиной слома труб по телу являются вмятины от ша­ рошек. Незамеченная вмятина является местом концентрации на­ пряжений. В результате этого возникает поперечная трещина, кото­ рая приводит к слому трубы. Вмятины обычно образуются в ста­ рых трубах.

Примером аварии, вызванной описанными причинами, является следующий случай. При спуске бурильной колонны от удара об уступ сломалось долото. Лапа с шарошкой осталась на уступе, а колонну спустили до забоя. После того, как была обнаружена ненормальная работа долота, стали поднимать бурильную колонну, при этом происходили многократные затяжки (усилия превышали на 15—25 тс собственный вес бурильной колонны). После извле­ чения колонны выяснилось, что в скважине осталась шарошка и она являлась причиной заклинивания бурильной колонны. Шарошка была извлечена магнитным фрезером. Бурение продол­ жили с теми же трубами. Спустя 5—6 дней появились признаки снижения давления бурового раствора. В связи с тем, что состоя­ ние насосов, нагнетательной линии и замковых соединений было хорошее, для выявления причин снижения давления была произве­ дена опрессовка труб. В результате были выявлены трещины в нескольких трубах, приуроченные к местам вмятин. Таким обра­

шинстве случаев вследствие образования трещин от вмятин. Образованию трещин и прогрессивному их увеличению от ультрамикроскопических до видимых размеров способствует кор­ розия. По утверждению Д. Е. Брентли [7] процесс коррозии труб происходит следующим образом. «Металл стенок трубы подвер­ гается переменным напряжениям, вследствие чего происходят взаимные смещения в кристаллах. Эти смещения переходят в тон­ чайшие трещинки, через которые получают доступ к поверхностям

21

кристаллов кислоты и кислород из глинистого раствора. В резуль­ тате окисления первоначальные трещинки увеличиваются, происхо­ дит дальнейшая их концентрация и все это заканчивается обрывом трубы».

Сама по себе коррозия не вызывает поломки труб, если она происходит не на участках усталостного разрушения металла. Основной причиной являются трещины, возникающие в результате усталостных явлений в металле, а коррозия является содействую­ щим фактором. При рассмотрении излома обнаружено наличие зон разрыва: одна — свежая, другая — покрытая коррозией. Последняя свидетельствует об образовании вначале незначительной трещины, которая затем увеличилась до пределов, вызвавших разрыв трубы.

После обработки промывочной жидкости некоторыми поверх­ ностно-активными веществами усталостная прочность материала труб резко снижается. Микроскопически малые количества приме­ сей таких веществ могут играть большую роль в ускорении разру­ шения металла, а следовательно, и в поломке бурильных труб. Изучая причины аварий, необходимо всегда учитывать влияние поверхностно-активных веществ.

Случаи слома труб в теле из-за одностороннего протирания при роторном бурении встречаются редко. Участки труб, имеющие односторонний износ, обычно выявляются при подъеме бурильной колонны из скважины. Поэтому только невнимательностью можно объяснить возникновение таких аварий.

Еще реже стали происходить сломы труб по телу из-за таких дефектов в трубных заготовках как загрязнение металла, инород­ ные металлические включения, плены, раковины и т. д. Аварии вследствие брака трубных заготовок происходят в единичных слу­ чаях. Возникновение их объясняется образованием зоны усталости при концентрации напряжений вблизи дефекта.

Слом труб по спирали. В литературе [10, 64] отмечаются случаи разрушения труб по спирали, возникающие при вращении колонны бурильных труб в обсаженном стволе или в скважине, диаметр которой больше диаметра бурильных труб на 100 мм. Спиральный слом возникает в результате образования поперечной трещины на поверхности трубы. Угол спирали с осью трубы составляет прибли­ зительно 45°.

Слом трубы от скручивания. Встречаются случаи слома труб в поперечном направлении от скручивания. Они возникают от при­ ложения чрезмерных крутящих моментов. На рис. 4 показан попе­ речный слом трубы в теле от скручивания без разрушения трубы по спирали.

Разрушение трубы произошло от непрерывного приложения вращающегося момента в течение 6 ч при освобождении прихва­ ченной бурильной колонны. Труба разрушилась посередине. Ниж­ няя ее часть оказалась прихваченной и не имела изогнутости по спирали. Она была легко извлечена после расфрезерования. Верх­ няя часть трубы имела явно выраженные формы скручивания по

22

в данном случае. Кроме того, если в деталях имеются отклонения по элементам резьбы, особенно по конусности, они способствуют неправильному распределению радиального давления, а следова­ тельно, приводят к возникновению трещин.

Отмечены случаи продольных и поперечных разрушений замков и соединительных муфт вследствие неправильной термообработки. Поперечные сломы замковых деталей происходят по впадине пер­ вой нитки резьбы ниппеля и на участке, заключенном между резь­ бовыми концами муфты или ниппеля, а также наблюдаются про­ дольные сломы по образующей.

У муфт поперечные сломы происходят в теле посередине, а про­ дольные— по образующей. Разрушения от неправильной термо­ обработки легко опознаются по характеру слома и по периоду возникновения; торцы сломанных деталей в поперечном направле­ нии имеют мелкозернистую структуру. Аварии с такими соедини­ тельными элементами происходят обычно при первых трех спускоподъемах. Иногда детали замков и соединительных муфт разру­ шаются из-за неправильной термообработки еще до работы в скважине.

Встречаются случаи оставления в скважине части бурильной колонны вследствие слома ниппеля или муфты по резьбе. Эти раз­ рушения возникают под действием переменных нагрузок, которые способствуют образованию усталостных трещин в местах концент­ рации напряжений. Такие же аварии происходят и с переводни­ ками для бурильных колонн.

Слом УБТ и ведущей трубы. В утяжеленных бурильных трубах, так же как и в замках, происходят сломы колец ниппеля и муфты. Причины их те же, что и сломов замков деталей по резьбе или труб по утолщенному краю. Кроме того, УБТ, у которых ослаблена верх­ няя часть выточкой под элеватор, подвергаются слому на участках перехода от диаметра под элеватор к нормальному диаметру. Канавки, выточки и сварные швы на УБТ, предназначенные для удержания их на элеваторе, иногда бывают причинами аварий. Переход от одного диаметра к другому является местом концент­ рации напряжений, а надрез в местах перехода ускоряет процесс трещинообразования и слома утяжеленной трубы.

Слом ведущей трубы происходит по наружной резьбе с шагом 8 ниток и 25,4 мм под верхний и нижний переводники.

Были случаи, когда ведущая труба оказывалась сломанной по 8-ми ниточной резьбе после 26 ч бурения в интервале 0—284 м, тогда как другие ведущие трубы работали 1000—1300 ч. По меха­ ническим свойствам материал ведущей трубы не соответствовал ГОСТ, ударная вязкость составляла 2,1 кгс*м/см2 вместо мини­ мально требуемой 4 кгс-м/см2.

Эти ведущие трубы поставлялись без нормализации. Безупорное соединение ведущей трубы с переводниками спо­

собствует быстрому развитию очагов усталостного разрушения. Это послужило основанием для изготовления упорных соединений

24

4

телу — 10%; промыв труб по сварным швам — 30%; промыв труб по телу— 13%. Лабораторные исследования показывают, что при­ чинами промыва труб по телу и по сварным швам являются загрязнения металла посторонними включениями, расслоения и другие дефекты в трубных заготовках [79].

Причинами поломки труб по сварным швам являются:

1)отсутствие соосности между трубой и привариваемым полузамком;

2)низкая ударная вязкость сварного шва по сравнению с удар­ ной вязкостью металла трубы из-за образования (в большинстве случаев) в сварном соединении окисных пленок;

3)трудность получения высококачественной обработки свар­ ного шва;

4)недостаточная площадь аварийного шва по сравнению с пло­

щадью сечения труб.

Основной причиной большого числа аварий, связанных со сло­ мом труб как по сварным швам, так и по телу трубы, является использование труб не по назначению. Так, применение для ротор­ ного бурения труб, у которых соединительные концы приварены к трубной заготовке, имеющей одинаковую толщину стенки по всей длине, послужило основной причиной аварии с ними. Аварии про­ исходили не только при бурении, но и при спуско-подъемных опе­ рациях, вследствие предшествующего надлома труб во время вра­ щения.

Разрушение резьбовых соединений

Резьбовые соединения разрушаются главным образом вслед­ ствие их размыва и износа как в процессе бурения, так и при спу­ скоподъемных операциях. Но аварии по этой причине происходят значительно реже, так как разрушение резьбы легче выявить.

Например, при спуско-подъемных операциях визуально обна­ руживаются размытые резьбовые соединения и изношенные зам­ ковые резьбы, поэтому многие аварии можно предупредить. В про­ цессе бурения на размыв резьбового соединения указывает сниже­ ние давления и температуры циркулирующего бурового раствора.

Как отмечалось, при работе на забое бурильная колонна под­ вергается различным знакопеременным напряжениям. Колебания нижней части бурильной колонны особенно велики при проходке твердых пород. Передаваемые на резьбу усилия зависят от степени жесткости и плотности свинчивания труб. Если свинчивание про­ изводилось автоматически, то резьбовые соединения перемещаются незначительно. Недокрепление соединения способствует интенсив­ ному перемещению плоскостей резьбы относительно друг друга, что ускоряет износ резьбы.

Одновременно на износ резьбы влияет число свинчиваний, ка­ чество бурового раствора, а также его давление в момент про­ качки. Большие давления при турбинном бурении и при бурении

26

гидромониторными долотами снижают сроки службы замковых, резьбовых соединений, что нехарактерно для роторного бурения и электробурения обычными долотами, где давления намного меньше. Чем больше давление бурового раствора и содержание в нем ино­ родных тел, обладающих абразивными свойствами, тем скорее изнашивается резьба. В результате всего этого плоскость сопри­ косновения витков резьбы уменьшается, увеличиваются усилия, действующие иа ослабленную резьбу, и она разрушается.

Неотцентрированный по отношению к скважине фонарь вышки, а также плохого качества смазка для труб способствуют ускоре­ нию износа резьбы при ее свинчивании.

Много аварий происходит вследствие износа резьбовых соеди­ нений УБТ в связи с тем, что они работают в самых тяжелых условиях. Кроме того, резьба на соединениях УБТ слабее резьбы на замках, переводниках и долотах, так как она не подвергается термической обработке. УБТ изготовляют из стали группы проч­ ности Д, менее прочной, чем сталь 40ХН для замков и перевод­ ников. Как отмечалось, на качество резьбы влияет и качество, на­ резки ее. На УБТ приходится очень часто перенарезать резьбы, а следовательно, чаще пользоваться примитивными приспособле­ ниями— обычными стержневыми резцами. Тяжелые условия ра­ боты УБТ, низкая их прочность, неполное свинчивание, плохое качество нарезки резьбы — основные причины, которые приводят

кавариям вследствие срыва резьбовых замковых соединений.

Вравной мере это относится и к отдельным переводникам, ко­ торые изготовляют из бывших в работе УБТ или из заготовок. Если аварии со срывом замковой резьбы в соединениях относи­ тельно легче предупредить, так как за износом резьбы можно ве­ сти наблюдения, то невидимые повреждения в неразъемных соеди­

нениях затрудняют контроль за состоянием резьбы. Такими пов­ реждениями являются заедание резьбы, ослабление прочности резьбового соединения в результате размыва ее или сочетание обоих дефектов. Аварии этого вида случаются реже, чем аварии с соединениями, подвергающимися многократному свинчиванию. Это объясняется тем, что ослабляются места размыва на внешней части тела соединяемых элементов.

При размыве резьбовых соединений наблюдаются две зоны: зона прохождения жидкости через зазоры винтовой линии и зона истечения жидкости, или зона разрушения. Первая характеризу­ ется изменением высоты профиля резьбы и наличием разрушений по винтовой линии первых двух витков. Для второй зоны харак­ терно разрушение тела потоком жидкости. Хотя аварии этого рода происходят редко, они могут привести к тяжелым последствиям. Примером может быть следующий случай.

При спуске 92-й свечи оборвалась бурильная колонна вслед­ ствие размыва тела трубы (рис. 6). Было оставлено 2253 м бу­ рильной колонны. Верх трубы был обнаружен на глубине 217 м от устья скважины. После соединения колоколом пытались извлечь

27

трещин, которые размываются буровым раствором, в результате чего возникает авария. Кроме того, в местах дефекта на стенке труб изменяется направление движения жидкости, образуются за­

Они характерны для бурения с применением утяжеленных буровых растворов [47].

У труб с приварными соединительными концами размывы про­

завихрения жидкости, способствующие размыву и разрушению труб.

Размыв по телу замков, УБТ и переводников не приводил к разрушениям, которые могли бы вызвать аварии. У этих эле­ ментов бурильной колонны разрушение обнаруживалось прежде, чем могла возникнуть авария, кроме случаев разрушения от раз­ мывов по резьбе, как показано на рис. 6.

Описанные выше аварии вызваны различными причинами, за­ висящими как от конструкции труб и резьбовых соединений, так и от техники и технологии проходки скважин и эксплуатации бу­ рильных колонн.

Однако аварии с элементами бурильных колонн очень часто происходят вследствие механического воздействия на трубу, не­ исправности спуско-подъемного инструмента и ряда других при­ чин, не зависящих от условий работы в скважине. В результате этих причин происходит падение бурильных колонн или их отдель­ ных элементов в скважину.

Аварии с бурильными трубами из легких сплавов

Объем бурения трубами из легких сплавов ежегодно увеличи­ вается. В 1970 г. он составил уже более 1 млн. м, т. е. около 10% всего объема бурения.

Несмотря на применение этих труб в основном для бурения скважин глубиной более 2500 м и отсутствие накопленного опыта работы с ними, аварий с трубами из легких сплавов происходит меньше, чем с другими трубами. Так, с начала бурения этими трубами приходится всего одна авария на 20 тыс. м проходки, а в Отрадненском управлении буровых работ, где бурение ведется только с применением этих труб, происходит одна авария почти на 80 тыс. м проходки.

По данным ВНИИТнефть за 1967—1969 гг., распределение ава­ рий с легкосплавными трубами приведено в табл. 2 [59].

Как видно из данных табл. 2, наибольший удельный вес ава­

29

освободить прихваченную бурильную колонну вращением ротора и расхаживанием. Причины этих аварий пока не установлены, но можно предполагать, что ими являются большие динамические нагрузки на резьбовое соединение.

Для слома труб по телу характерны поломки в местах, где прочность трубы снижена вследствие одностороннего износа по наружному диаметру в результате трения трубы о стенки сква­ жины (17,3%)- Наибольшему износу подвержены трубы в средней части. Другой причиной этих аварий являются поломки труб из-за подъема их на одном штропе. Такие аварии происходят в том случае, если не применяют клинья, встроенные в ротор. Часть аварий происходит при ликвидации аварий из-за приложения чрез­ мерных нагрузок.

Бурение трубами из легких сплавов ведется преимущественно там, где при спуско-подъемных операциях применяют клинья, встроенные в ротор, и где работают механизмы АСП. В этих усло­ виях в зоне работы плашек механизмов наблюдается образование ориентированных насечек в основном из-за применения сухарей, несоответствующих наружному диаметру труб, из-за чрезмерно острых насечек и периферийных сухарей, а также из-за большого люфта и неравномерной посадки клиньев на трубы. В последую­ щем в этом месте создаются зоны опасности, развивается трещина и происходит слом трубы.

Слом трубы по телу на участке трубной резьбы наблюдается при бурении с трубами из легких сплавов, однако аварий этого вида очень мало по сравнению с авариями с трубами с высажен­ ными внутрь концами. Объясняется это тем, что у труб из легких сплавов почти в 3 раза уменьшаются действующие напряжения

30