книги / Трубы нефтяного сортамента

Рис. 6.2. Размыв ниппеля замка

Рис. 6.3. Размыв соеДlинения трубы с

замком

единении. Износ резьбы связан с многократным свинчиванием-раз­ винчиванием соединения, вращением бурильной колонны, ее коле­ баниями; вызванными работой забойного двигателя, и с другими факторами.

На поверхности резьбы срабатываются обе стороны профиля. Износ резьбы вдоль образующей конуса и по высоте витка имеет неодинаковый характер. На ниппеле замка витки, расположенные ближе к упорному уступу, принимают заостренную форму у верши­

ны (рис. 6.4), а.у остальных витков вершины скругляются. У муф­

ты больше изнашиваются витки, расположенные вблизи упорного

торца.

Длинная сторона профиля изнашивается главным образом при

свинчивании-развинчивании, короткая - при затяжке и работе в

скважине.

Недостаточное крепление замков, особенно УБТ, приводит к расслаблению соединения при воздействии переменных нагрузок при вращении колонны, работе турбобура и др. Это вызывает сме­

щение одной детали резьбового соединения относительно другой.

Относительное смещение свинченных деталей приводит к сильному

износу резьбы с последующим срывом ее. В этом случае в замко­ вом соединении больше срабатывается короткая сторона профиля резьбы, несущая в процессе работы большую нагрузку (см.

рис. 6.4).

181

РИС. 6.4. ИЗНОС резьбы

Основные способы борьбы со срывом - креплеНlIе резьбы зю,l­

ков и УБТ с неоБХОДIlNJЫМ крутящим MONleHTO~I, ПРlIменение изно­

состоЙких материа.'IOВ длg резьбовых сое;щнеНIIЙ, уменьшение до­

пускаемых отклонений эле:V1ентов работы.

Заедание резьбы

Заедание сопровождается схватыванием поверхности резьбы

сопрягаемых деталей. Сила сцепления обычно превышает прочность

материала, поэтому при развин­

чивании соединения происходит

выравнивание :wеталла (рис. 6.5). В ряде случаев сила сцепления

	бывает настолько велика, что раз­
	винтить З3.\1hОВ)"Ю резьбу изшин­
	ными КЛЮЧа:\Ш не удается.
	Заедание объясняется в основ­
	НО:'1 высоким и уде,lЫIЫ:'l даалени­
	ем и те:vrпературой, БОЗНlшающп­
	ми на поверхностях резьбы в про­
	цессе свинчивания и работы зам­
	ка в скважине. Заедание наблю­
	дается чаще на новых замках в
	период их приработки. Заеданию
	в значительной степени СП9собст­
	вует прй:wенение некачественной
	смазки, не создающей надежного
	защитного С.10Я :v!ежду двумя ме­
	таШIическими поверхностями.
Рис. 6.5. Заедание резьбы ниппеля	Заедание резьб с высокой чи­
	стотой поверхности обычно проис-

JЗ2

ходит на больше!"r П.'Iощади витка, чем заедание резьб с низкой

чистото;':'r поверхности.

Для предотвращения заедания резьбы следует использовать

специальную смазку для бурильных замков, содержащую металли­

ческие ко:\шоненты: при свинчивании резьбовых соединений прила­ гать крутящий момент надлежащей величины; для труб с новыми замкаV1И первые два свинчивания производить вручную (круговым

ЮIЮЧО:,;) с последующей затяжкой машинным ключом; применять

горячее крепление замков, использовать для горячего крепления

Э,1ектропечь, позволяющую сохранить защитный слой на замковой

Резьбе, НСК.1ЮЧИТЬ перекосы свинtIиваемых деталей.

Воронкообразная деформация бурильного замка

Воронкообразная деформация замка наблюдается в виде зна­

чителы:ого увеличения наружного диаметра замковой муфты на участке замковой резьбы или резьбы для присоединения к трубе.

Такая деформация возникает в результате воздействия на замок знаЧIПС.IЬНОГО крутящего момента, особенно при каl'iитальном ре­

монте. Подобный характер деформации наблюдается в основном

на за~л~ах бурильных труб малых диаметров (73 и 89 мм). Крутя­ ЩIIЙ 11О:\!ент, приводящий к остаточной деформации замка ЗН-I08 с ют = 735 МПа,составляет 20000 Н· м, а с О'т = 568 МПа- 13000 H·:vI. Значительный крутящий момент приводит также к до­

винчиванию трубы в бурильном замке с последующим уве,'lичением

диаметра замка.

Чтобы предотвратить воронкообразную деформацию, следует

применять замки с повышенными механическими свойствами (с пределом текучести ;;;:: 735 МПа), и замки увеличенного диаметра

(113 мы).

Разрушение бурильных замков и муфт по телу

В процессе бурения и капитального ремонта скважин встреча­

ются продольные и поперечные трещины по телу замков и муфт.

Такие деформации являются следствием приложения значительных усилий, приводящих к довинчиванию муфтовой и ниппельной ча­ стей замка на трубах, или связаны с наличием высоких закалочных

напряжений, трещин и других дефектов.

ГЛАВЛ 7

БУРИ~1ЬНЫЕ ТРУБЫ, ЗАМКИ К НИМ И УТЯЖЕЛЕННЫЕ БУРИЛЬНЫЕ ТРУБЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ЗА РУБЕЖОМ

Бурильные трубы

За рубежом широкое распространение получили бурильные тру­

бы, изготовляемые по стандартам Американского нефтяного инсти­

тута (АНИ) с высадкой концов внутрь, наружу или с комбиниро­ ванной (внутрь 11 наруж:у) высадкой для приварки замков.

183

Таблица 7.1

Механические свойства материала 'J'руб

Предел текучести

ат' МПа

Наименьший предел

Группа прочности

прочности при

растяже-

иаименьший

I

наибольший

сталя

нии а в miп' ,

МПа

Е

517

724

689

Х-95

655

862

724

G -105

724

931

-

793

S-135

931

1138

1000

Стандарт 5А АНИ

предусматривает

изготовление

бурильных

труб из стали группы прочности

Е, 'а стандарт 5АХ -

из высоко­

прочных сталей групп прочности Х-95, G-105, S-135. Механические

свойства стали приведены в табл. 7.1.

Предел текучести

определяется как

напряжение, требующееся

для создания относительного удлинения, равного 0,5% для сталей

Еи Х-95, 0,6% - для стали G-105 и 0,7% для стали S-135.

Наименьшее относительное удлинение на длине 50,8 мм при

S:::;;;4,85 см2 рассчитывают по формуле б=4886s~·2/0'~.9, где So-

площадь поперечного сечения образца, см2 ; О'н - наименьший пре­ дел прочности при растяжении, МПа.

При So>4,85 CM z удлинение принимается таким же, как и для

50=4,85 см2 •

Отдельные фирмы, например «Маннесман» (ФРГ), предлагают трубы из стали группы прочности U-l70 с О'т min И О'нmiп,~авными

1172 и 1241 МПа.

Для работы в средах, содержащих сероводород, некоторые фир­

мы рекомендуют применять трубы из сталей с ограниченным верх­

ним пределом текучести и твердости, аналогичных сталям групп

прочности С-75 и С-95, приведенных в гл. 16. Прочностные харак­ теристики этих труб, рассчитываемые по наименьшему пределу текучести, такие же, как и для труб групп прочности Е и Х-95. .

В табл. 7.2 приведены масса и прочностные характеристики для

тела трубы в гладкой части.

Крутящий момент Мкр (Н· м), при котором напряжения в теле

трубы достигают предела текучести, определяют по формуле

Мкр	= WKT,
"
где	WK -	момент сопротивления	поперечного	сечения трубы при
кручении,		см3; т - касательное	напряжение,	равное 0,577· О'т mlп,

МПа; О'т mlп - наименьший предел текучести материала трубы, МПа.

Растягивающую нагрузку Рр (Н), при которой напряженIJ,Я в

теле трубы достигают предела текучести, рассчитывают по формуле

Рр=FО'тmiП,

где F - площадь поперечного сечения трубы, мм2•

1.84

....

8i

Таблица 7.2

Прочностные характеристики новых бурильных.труб

			~			>.	0,11:																			Растягивающая нагрузка, при которой на-
							::II~~			l(рутящий момеит, при котором иапряжение в те-
		::11	~~			::IIf;'																				пряжение в		теле трубы достигает							предела
	Наружный	.,::11	=(:1,:11			-ое=	_UUCCS.. .			ле трубы достигает									предела текучести,					Н,м					текучести. кН
	диаметр	= .					:1I1d
	трубы, мм	S"1d	~t::s			~~t=	:::Е f;'~ 11: g			D··		I		! Х-95					I G-1051			8-135 I-I~;'				D"	I Е	IХ-95!0.1051						8-1351_1}b~.
		~t	j:Q==:11"110			~r:~
		==	f-o:s				~~ ..	~*
		0;:=	>. ...			u ~ •	~ >-:S	ro#					Е
60,3 (2 И8")		4,83*	50,7			6,60	7,7			-			6450		8180					9040	11620			-		I -	435	551				609		783		-
		7,11	46,1			9,32	10,4			6210			8470		10740					11860	15250			-		451	615	779				861		1107		-
73,0(27[8")		5,51*	62,0			9,18	11 ,5			-		10960			13880					15350	19730			-		-	605	766				846		1088		-
		7,82*	57,4			12,66'	14,5			-		14090			17870					19740	25390			-		-	834		1049			1157		1491		-
		9,19	54,6			14,48	16,1			11480		15660			19850					21940	28200			-		699	953		1208			1335		1716		-
88,9 (3 1/2")		6,45	76,0			13,12	15,3			-		19180			24300					~~~~~	34520			-		-	864		1095			1210		1555		-
		9,35	70,2			18,34	..2.Q.Ji			18440		25150			31860						45270			-		886	1208		1530			1691		2174		-
		11,40	66,1			21,79	24,5			20960		28590			36210					4UU2<Y	51450			-		1053	1436		1819			2010		2584		-
										-
101,6 (4")		6,65*	88,3			15,58	19,6					26400			33450					36960	47520			-		-	1026		1300			1437:		1848		-
		8,38	84,8			19,26	23,7			23150		31580			40000					44200	56840			-		931 '	1269		1608			1777		2285		-
		9,65*	82,3			21,88	25,5			25670		35000			44320					48990	63000			-		1057	1442		1826			2018		2595		-
114,3 (41/2")		6,88	100,5			18,23	23,0			-		35130			44500					49180	63220			-		-	1201		1520			1682		2162		-
		8,56	97,2			22,31	27,0			30630		41770			52900					58480	75180			-		1078	1470		1862			2059		2647		-
		10,92	92,5			27,84	32,7			36690		50030			63370					70040	90050			113400		1345	1834	2323				2568		3302		4158
127,0(5")		7,52	112,0			22,15	27,5			-		47510.			60180					66520	85520			-		-	1459	1849				2043		2627		-
		&19	108,6			26,71	3И			40930		55820			70690					78100	100470			126510		1290	1760	2229				2464		3167		3989
		2, О	101,6			35,79	4 ,2~			51950		70860			89740					99190	127530			160590		1729	2358	2987				' 3301		4245		5345
139,7 (5 112")		7,72*	124,3			25,13	31,9			-		59750			75700					83650	107560			-.		-	1656		2097			2318		2980		-
		9,17	121,4			29,51	32,6			Ь0420		68750			87080					96250	123760			155840		1426	1944		2463			2722		3500		4407
		10,54	118,6			33,57	40,0			56250		76700			97160					107380	138060			173870		1622	2212		9802			3096		3981		5013
168,3 (65/8")		8,38	151 ,8			33,05	41,9			70180		95690			121 210					133970	172260			-		1597	2177	2758 .				3048		3919		-
																																			.	---.......

00																								продолженuе табл. 7.2.
-ст>																								----_._- .-~-- -----_.~-- ..._ ---
								Смииающее давление,					МПа				Внутренпее давление, при котором напряжение в теле трубы до-
		Наружный																		стигает		предела		текучести,			МПа
		диамеТl'
				О'·I			I	1			I								1		I	I			I			I
		трубы, мм
																					I
					Е			Х-Щj		G-105			S-135 I		U-170"		U"			Е		х-%		U-IU5			S-135		U-170"
60,3 (2 3/8")				-	76,1			96,4		106,6			131,5		-		-			72,4		91,7		101,4			130,3		-
				78,9	107,6			136,2		150,6			193,6		-		78,3			106,7		135,1		149,3			192,0		-
73,0 (27/8")				-	72,2			89,1		96,6			117,6		-		-			68,3		86,5		95,6			122,9		-
				-	98,9			125,3		138,5			178,0		-		-			96,9		122,8		135,6			174,5		-
				83,5	113,8			144,2		159,3			204,9		-		83,6			114,0		144,0		159,5			205,1		-
88,9 (3 1/2")				-	69,2			83,2		90,0			108,8		-		-			65,6		83,2		92,0			118,2		-
				71,4	97,3			123,3		136,2			175,1		-		69,8			95,1		120,5		133,2			171 ,3		-
				84,8	115,6			146,5		161 ,9,			208,2		-		85,2			116,1		147,1		162,5			209,0		-
101,6(4")				-	58,0			68,7		73,8			87,2		-		-			59,3		75,1		83,0			106,7		-
				57,4	78,3			99,1		109,6			139,1		-		54,7			74,7		94,6		104,5			134,4		-
				65,2	88,9			112,7		124,5			160,0		-		63,0			86,0		108,9		120,4			154,7		-
114,3(41/2")				-	49,6			57,9		61,7			71,1		-		-			54,5		69,0		76,3			98,1		-
				52,5	71,6			87,9		95,3			115,8		-		49,7			67,8		85,8		94,9			122,0		-
				65,6	89,4			113,2		125,1			160,9		202,6		63,4			86,5		109,6		121,1			155,7		196,0
127,0(5")				-	48,1			55,8		59,4			68,0		-		-			53,6		67,8		75,0			96,5		-
				51 ,0	68,9			82,8		89,6			108,2		125,9		48,1			65,5		83,0		91,7			117,9		148,5
				68,3	93,1			117,9		130,3			167,5		211 ,0		66,3			90,5		114,6		126,7			162,9		205,1
139,7(51/2")				-	41,9			47,8		50,3			56,0		-		-			50,0		63,4		70,1			90,0		-
				45,6	58,2			68,9		74,0			87,6		98,8		43,6			59,4		75,2		83,2			106,9		134,7
				52,9	72,1			89,1		96,5			117,6		138,1		50,0			68,3		86,5		96,6			117,6		154,8
168,3(65/8*)				27,6	33,2			36,6		37,9			41,6		-		33,0			45,1		57,1		63,1			81,2		-
					t
																					I
		• Толщииы стенок стандартами АНИ не предусмотрены,
		•• Группа прочности D и U=170 стандартами АНИ не предусмотрена.
		••• Масса	указана для труб с					высаженными наружу					КОIlI~ами		группы	ПрО'lIlОСТИ Е,			IlлнIIО,i.:.i..-"-9:..:,1...:4..-"-М:.:.,_______

Наименьшие сминающие давления рассчитывают в зависимости

от отношения наружного диаметра трубы к толщине стенки (D/s)

по формулам, приведенным в табл. 7.3-7.6, где PC~I - наименьшее сминающее давление, МПа; D - НОМИН3.1ЬНЫЙ наружный диюrетр,

мм; S - номгшальная толщина стенки, МС'.l.

Наименьшее внутреннее давление, при KOTOPO~1 напряжения в

теле трубы достигают предела текучести, опред.е.1ЯЮТ по формуле

28

РВ = 0,875 ат min D'

Таблица 7.3

		Группа прочностн стали	Отношение D/s	Расчетная формула
	D			Djs-l
			~14,80
	Е		~13,67
	Х-95		~12,83	РСМ = 2 ат mi!'----
				(D/s)Z
	G-I05		~12,56
	S-135		~11,!Ю

Таблица 7.4

Группа

проч-I

Отношение

А'

В'

С'

Расчетная формула,

насти

стали

D/s

D

i

14,81-24,99

2;990

0,0541

8,310

I

PcM=UTmi" Х

Е

13,68-23,09

3,060

0,0642

12,448

i

Х [~- В']-С'

Х-95

12,84-21,21

3,125

0,0745

16,586 I

G-I05

12,57-20,68

3,162

0,0795

18,620

D/s

S-135

11,91---=19,44

3,282

0,0945

24,827

I

Таблица

7.5

Группа

проч-I

Отношение

А

в

Расчетная формула

насти

стали

DJS

I

D

25,00-37,20

i,990

0,0360

Е

23,10-32,05

1,985

0,0417

Х-95

21,22-28,25

2,047

0,0490

G-I05

20,67-26,88

2,052

0,0515

S-135

19,15-23,42

2,129

0,0613

Таблица

7.6

Группа

прочности

Отношение

Расчетная

формула

стали

D/S

D

~37,21

3,22·105

Е

~32,06

Х-95

~28,26

D;s[D/8-1 )2

G-I05

__

~ 26,89

S-13-5

> 23,~3__---,

187

где 0,875 - коэффициент, учитывающий минусовое отклонение тол­ щины стенки трубы.

Стандарты АНИ предусматривают следующие технические требования к бурильным трубам: отклонение по наружному диа­ метру трубы размером до 101,6 мм±0,79 мм, для остальных раз­

меров +0,75 %; допуск на толщину стенки -12,5 %, допускаемые

отклонения массы партии трубl - 1,75% и для отдельной тру-

бы~И%.

Трубы изготовляют трех размеров по длине:

1) 5,49-6,71 м, причем в партии должно быть не менее 95%

труб длиной 6,10-6,71 м;

2) 8,23-9,14 м, причем не менее 90% труб из партии должны

отличаться по длине не более чем на 0,61 м;

3) 11,58-13,72 м, причем не менее 90% из партии должны от­

личаться по длине не более чем на 0,91 м.

На рис. 7.1 и в табл. 7.7 показаны основные размеры концов

бурильных труб по стандартам АНИ с наружной, внутренней и ком­

бинированной высадкой для привареННБIХ замков. Для труб диа­ метром 168,3 мм с толщиной стенки8,38 мм размеры высадки стан-

дартом не предусмотрены.

1 Парт,ия труб определяется как количество труб, составляющих груз же­

лезнодорожного вагона.

101,. Вmах

а

38,1mLn З8,1miп

~

/////~

J

/7

//;/////~

х

1\

+38,1

50,8mLn 44,4·12,7

.",~

J

~I"i

~A

-.5"~

'7/////:

L////////

"7

2

IJ9,7mUJI.

()

/(ХХ'

1З9,7mах

I"i

"'t:>""

2

Рис. 7.1. Высаженные концы бурильных труб по стандартам АНИ:

а -

трубы

из

стали группы

п,рочности

Е;

6 - трубы

из стали

группы прочности

Х-95,

G-I05 и 5-135;

1 -

ВНУl1ренняя высадка;

2 - наружная

высадка;

3 - комбинированная

вы­

садка.

• -

для труб днаметром 73

и 89 мм - не более 38,1 мм.

•• -

конуоность

переходной

части - ре

более

1:48

188

tаблица' 1.1

		Размеры бурильных TPY~										с высаженнЫми				концами для						tlриliаренkых замкоВ по стандартам ДfiИ5А и 5АХ (мм)
		Q						-.s											Диаметры				'Груб в											высажеиной					части
							:!!
:!!
								'о
		\о					;>.
;>.								Q.				Внутренняя							На.ружная				высадка																		Комбиннрованная
		Q.	' ..												ВЫlсаДИlа																															выса,дка
								foo
		.foo,						t
		foo
		о.
~				!:1.,			~																	IВну'Греннийd,
		1tI		'"			~								Внутренний d,				Наружный			D,																Наружный D,								Внутренний d,
				()			-:==																																					\
-=				foo			11:				Наружный'
				:='"
		!Е						..Q.				п,													Группа									прочности					стали
~				11:			11:
																'х.а.81				1х.а.8 I																											I х.а.в
		:r:'"		~				I:Q							Е				Е									Е						/х.а.81					Е			1х.а.8			1	Е
				а				~
;>.				Ef				foo
		Q.
60,3				7,11				46,1				-			-	-																							-			-				-	-
(2 3/8")																			67,5			67,5				46,1								30,7
73,0				9,19																																			-			-				-	-
(2 7/8")								54,6				73,0			33,3	41,4			81,6			82,6				54,6								49,2
88,9				6,45				76,0				88,9			57,2	-			97,1			-				76,0								-					-			-				-	-
(3 1/2")				9,35				. 70,2				88,9			49,2	49,2			97,1			101,6				66,1								63,5					-			-				-	-
				11,40				66,1				88,9			49,2	-			97,1			101,6				66,1								63,5					-			96,0				-	49,2
101,6				6,65				I								-						-												-					-			-				-	-
								88,3				101,6			74,6				114,3							88,3
(4")				8,38				84,8				101,6			69,8	6в.,8			114,3			117,5				84,8								77,8					-			-				-	-
114,3				6,88				100,5				114,3			85,7	-			127,0			-			100,5									-					-			-				-	-
(4 1/2")				8,56				97,2				114,3			80,2	71,5			127,0			131,8 .				97,2								90,5					-			118,3				-	73,0
				10,92		92,5						-			-	-			127,0			131,8				92,5								87,3					121,4			121,4				76,2	71,5
																			-			-				-								-					-			-				-	-
127,0				7,52		112,0				127,0					95,2	90,5
(5")			9,10			108,6				-					-	-			-			146,1				-								100,0					131,8			131,8				93,7	90,5
			12,70			101,6				-					-	-			-			149,2				-								96,2					131,8			131,8				87,3	84,2
139,7			9,17			121,4				-					-	-			-			-				-								-					141,3			141,3				101,6	96,9
(5 1/2")			10,54			118,6				-					-	-			-			-				-								-					141,3			141,3				101,6	~6,9
..,.
00
со

допускаемые отклонения по наружному диаметру высаженной

части .igл мм (для внутренней высадки минусовое отклонение

соответствует требованию к трубе), по внутреннему диаметру + 1,59 мм. На концах труб с комбинированной или внутренней вы­

садкой по внутреннему диаметру допускается конусность не более

1: 48. Овальность наружного диаметра высаженной частrr допуска­ ется не более 2,36 мм. Эксцентриситет наружного диаметра выса­ женной части трубы проверяется индикаторным приборо~~ на рас­ стоянии от 127 до 152 мм от торца трубы. Наибольшая разность отсчетов по индикатору не должна превышать 2,36 мм.

Для предотвращения повреждений труб от коррозии отдельные фнр:vlЫ поставляют бурильные трубы с внутренним пласт:,!<н::совым

ПОКРЫТI!ем. Средняя толщина покрытия 0,125 мм. Покрытие нано­

сится путем распыления на очищенную от окалины и подвергнутую

дробеструйной обработке поверхность. Пластическое по"рытие на­

носится после приварки замков.

В качестве бурильных используют насосно-компресссрные тру­

бы с приварными замками (см. гл. «Насосно-компрессорные трубы

применяемые за рубежом»).

Замки для бурильных труб

Требования к замкам для бурильных труб оговорены стандарта­ ми 7 п 7G АНИ. Механические свойства, приведенные ниже, оп­

ределяют на цилиндрических образцах, вырезанных в продольном

направлении из резьбовой части ниппеля таким обраЗОl\1, чтобы се­ редина рабочей длины образца находилась на расстоянии '"'"-' 32 ;им

от упорного уступа.
Наименьший предел текучести ат min, МПа	827
Наименьший предел прочности ,ав min, МПа .	966
Наименьшее относительное удлинение б, % .	13
Предел текучести определяется как напряжение,	создающее

остаточную деформацию 0,2 %. Твердость замков должна быть не менее 285 HRB.

Для труб, предназначенных для работы в сероводородной сре­ де, применя,ЮТ замки из стали с пределом текучести 655-760 МПа,. наименьшим пределом прочности 725 МПа и твердостью не более

28 HRC.

Основные размеры приваренных бурильных замков по стандар­

ту 7 АНИ и их прочностные характеристики по стандарту 7G АНИ

приведены в табл. 7.8 и на рис. 7.2.

Муфты изготовляют с прямоугольными заплечикаl\Ш под элева··

тор или с коническими под углом 18°.

Помимо указанных стандартных замков находят применение­

замки с другими размерами наружного диаметра и проходного от­

верстия с целью обеспечения необходимых параметров при различ-­ ных условиях бурения.

Крутящий момент, приложенный к резьбовому соединению зам·­

ка, вызывает осевые напряжения в теле замка на участке от упор-

190