Памагити. Стандарт ds1, Том 3Инспекция бурильных колонн Пятое изданиеАвторы Грант Петтит
 Скачать 5.87 Mb.
|
|
4.4.1. Место возникновения разрушения Усталостное разрушение происходит регулярно на бурильных трубах и соединениях КНБК. Однако оно достаточно редко встречается на бурильных замках. На Рисунке 4.1 показана усталостная 346 трещина бурильной трубы под увеличением. Обычным местом возникновения усталостных трещин являются следующие компоненты: a. Бурильные трубы: Усталостные трещины образуются чаще всего на участке рядом с внутренней высадкой, обычно на расстоянии 16–24 дюймов от конца муфты или ниппеля, и на участке, зажимаемом клиньями. Они менее распространены, но могут также возникать на других участках между высадками. b. Соединения КНБК: Последние витки резьбы на муфте и ниппеле обычно являются местом начала усталостного разрушения соединения (Рисунок 4.2). Соединения бурильных труб, наиболее подверженные усталостному разрушению, – это концевые соединения на жестких компонентах КНБК и промежуточные соединения на специальных инструментах, таких как ясы и двигатели. В целом, при прочих равных условиях, усталостное разрушение наиболее вероятно на соединениях между жесткими компонентами и менее вероятно на соединениях между гибкими компонентами. c. Другие участки: Усталостные трещины также образуются в проточках под клиновой захват, в корпусе стабилизатора (часто рядом со сварными швами в случае сварных лопастных стабилизаторов), а также на других участках, где резко меняется профиль бурильной колонны. Рисунок 4.2 Усталостные трещины в соединениях компоновки низа бурильной колонны появляются в местах действия наибольшего растягивающего напряжения (затемненные участки). В бурильных трубах большинство усталостных трещин образуется в местах концентрации напряжений от надрезов от клинового захвата и от внутренних высадок Рисунок 4.1 Усталостная трещина в бурильной трубе (x100) Рисунок 4.3 «Щели» в бурильной трубе чаще всего появляются в результате усталости Рисунок 4.5.b Типичное усталостное разрушение ниппельного соединения Зона перегрузки по растяжению Зона усталостной трещины Рисунок 4.5.a Типичное усталостное разрушение муфты утяжеленной бурильной трубы Зона перегрузки по растяжению Зона усталостной трещины Рисунок 4.4 Хрупкий материал может разрушиться до того, как трещина проникнет в стенку трубы Усталостная трещина 347 4.4.2. Внешний вид усталостных разрушений Усталостные разрушения обычно имеют характерные признаки, которые отли¬чают их от повреждений вследствие нагрузки. a. Трубы: Усталостная трещина лежит в одной плоскости и перпен¬дикулярна оси трубы. Если трещина проникла в стенку трубы, то утечка бурового раствора может привести к эрозии трещины до состояния, которое обычно называют «щелью в бурильной трубе» (Рисунок 4.3). Даже при эрозии под воздействием бурового раствора усталостная трещина обычно сохраняет свою поперечную направленность. Трубы из очень хрупкого материала могут внезапно и полностью выйти из строя еще до того, как трещина проникнет в стенку трубы (Рисунок 4.4). b. Соединения: Усталостные трещины на соединения будут плоскими и перпендикулярными оси трубы. Поверхность усталостной трещины может быть равномерно изношена. Поверхность трещины может быть также подвергнута вымыванию или эрозии под воздействием протечки бурового раствора. Часто видны следы механических повреждений в результате ловильных работ или соприкосновения при вращении. Если произошло разделение колонны и поверхности не были значительно повреждены, поверхность усталостной трещины будет меньше всей поверхности излома. Дальнейшее разделение произойдет, когда размер усталостной трещины приведет к неспособности оставшегося металла выдерживать применимые нагрузки. Такая поверхность без трещин обычно имеет направленность под углом в 45 градусов, которая характерна для разрыва при растяжении (Рисунок 4.5). Часть излома без трещин может также характеризоваться значительной пластической деформацией, но зачастую случаи пластической деформации мало связаны непосредственно с самой усталостной трещиной. Сравнительный размер поверхностей с трещинами и без трещин будет варьироваться в зависимости от свойств материала и нагрузок, но при прочих равных условиях более прочный материал способен выдерживать наличие больших трещин без разрыва. 4.4.3. Другие признаки усталости Если трещина или щель обладает описанными выше признаками, ее появление практически точно было вызвано усталостью. В некоторых случаях на соеди¬нении могут быть выявлены изломы, которые не подверглись значительным механическим повреждениям или коррозии. В таком случае на поверхности излома могут присутствовать другие признаки, позволяющие определить усталостный излом в качестве механизма отказа. a. Следы защемления: Следы защемления представляют собой небольшие ступенчатые дефекты на поверхности усталостной трещины соединения, расположенные рядом с впадиной резьбы. Следы защемления возникают при появлении и увеличении небольших трещин на различных участках впадины резьбы. При увеличении маленьких трещин происходит их соединение. При этом по краю трещины остаются небольшие «ступеньки» и углубления (следы защемления) (Рисунок 4.6). b. Следы излома: Следы излома представляют собой углубления, которые могут возникнуть на поверхности усталостных трещин при рез¬ком изменении темпа роста трещин, например, при вводе компонента в эксплуатацию и выходе его из строя. Примеры показаны на Рисунке 4.6. Несмотря на свою меньшую распространенность и видимость по сравнению со следами защемления, следы излома иногда заметны в случаях, когда поверхность не подвергалась воздействию коррозии. 4.5. Растрескивание муфты Это особый тип усталостного излома, который возникает при эксплуатации муфт бурильных замков с большим Индексом кривизны. Разрушение муфты часто сопровождается термическим растрескиванием, которое является результатом постоянно высоких боковых нагрузок. Термические трещины (Рисунок 4.7) представляют собой поверхностные продольные трещины, которые сами по себе не причиняют вреда, но способствуют концентрации напряжения, которое ускоряет образование продольных разрывов муфты. В отличие от муфт, растрескивание которых происходит в результате избыточной перешлифовки и избыточного кручения, муфты, имеющие усталостные разрушения, как показано на Рисунке 4.7, почти или совсем не характеризуются пластической деформацией. 4.6. Корректирующие меры Усталостное разрушение – это сложный механизм, и меры по его предотвращению включают широкий спектр действий. Подробные данные содержатся в Главе 4 Тома 2. Сводная блок-схема приведена на Рисунке 4.8. Рисунок 4.7 Разрушение при растрескивании муфты (слева) часто связано с поверхностными трещинами в муфте, называемыми «термическими трещинами» (показаны справа под воздействием невидимого излучения) Рисунок 4.6 Следы защемления на поверхности усталостной трещины ниппеля утяжеленной бурильной трубы (слева). Следы излома на усталостной трещине муфты (справа) Следы защемления Следы излома 348 4.7. Разрушение при кручении Разрушение при кручении возникает на бурильных замках или бурильных трубах, хотя первый случай более распространен, поскольку стандартные сое¬динения API имеют меньшую прочность при кручении, чем трубы, которые они соединяют. Однако приложенное извне кручение оказывает влияние на соединение в единственном случае: когда нагрузка достаточно высока, чтобы вызвать относительное вращение между муфтой и ниппелем. Если применяемое кручение недостаточно для вращения муфты-ниппеля, оно передается через соединение, не оказывая значительного воздействия на напряжение соединения. 4.7.1. Место возникновения разрушения Поскольку кручение применяется с поверхности скважины, соединения, расположенные в верхней части колонны, в большей степени подвержены разрушению, хотя это может зависеть от конфигурации соединений по прилагаемому кручению и размерам. Кроме того, соединения Рисунок 4.8 Описание рекомендуемых корректирующих мер на случай разрушения от усталости. Подробные инструкции представлены в Томе 2, Глава 4. Усталостное разрушение Законсерви- ровать образцы Отправить образцы аналитику для подтверждения Трубы: ЭМК (DS-1 3.7) УЗК участков, зажимаемых клиньями/высадок (DS-1 3.10) МПД участков, зажимаемых клиньями/ высадок (DS-1 3.9) Соединения: Невидимое излучение (DS-1 3.15) КД (DS-1 3.17) Провести инспекцию подозрительных компонентов Бурильная труба или соединение КНБК? Cоед. КНБК Да Бурильная труба Соединение на стабилизаторе? Уменьшить показатель стабильности Над или с переходом? Рядом с переходом? Уменьшить BSR Увеличить BSR Труба была изогнута Демонтировать трубу с надрезами от клинового захвата, даже если она относится к Классу премиум. Оценить внутренние высадки и рассмотреть возможность замены трубы с острыми высадками. Рассмотреть возможность более частого проведения инспекций. Во всех случаях разрушений от усталости: Определить ударную вязкость по Шарпи разрушенного элемента. Если проблема в материале (<40 футо-фунтов по Шарпи), рассмотреть возможность замены всех компонентов с аналогичными свойствами. Ниппель или муфта Высокий индекс кривизны Контролировать и предотвращать коррозию от буровых растворов на возной основе Уменьшить индекс кривизны Уменьшить коэффициент жестскости Проверить момент свинчивания Откалибровать моментомер Проверить коэффициент трения смазки для резьбы Убедиться в наличии разгрузочной канавки на ниппеле Убедиться в наличии проточки муфты Рассмотреть возможность использования резьб холодной прокатки. Рассмотреть возможность более частого инспектирования. Рассмотреть возможность использования комбинации расширителей с желобчатыми удлинителями, если позволяет направление Коэффициент трения от 0,95 до 1,05 или откорректировать крутящий момент при свинчивании Уменьшить вес долота для предотвращения продольного изгиба при вращении Исключить переходные стабилизаторы Использовать более длинные шейки Да или нет Да или нет Да или нет Муфта Ниппель Муфта Да Да Да Да Нет Нет 349 КНБК обычно прочнее, чем расположенные над ними бурильные замки, поэтому разрушение соединений КНБК при кручении наблюдается достаточно редко, за исключением случаев, когда используются «тонкие» компоненты, или когда КНБК испытывает вибрацию при кручении (неравномерное вращение). 4.7.2. Внешний вид На начальном этапе разрушение при кручении будет заметно по удлиненному ниппелю или расширенной муфте, в зависимости от того, какой из компонентов является менее прочным. В крайних случаях может произойти отделение ниппеля или растрескивание муфты. Однако муфта, растрескивание которой произошло исключительно в результате кручения (не в результате усталости), будет характеризоваться значительной пластической деформацией и раздуванием (Рисунок 4.9). 4.8. Предотвращение разрушения при кручении Разрушение при кручении – это механизм перегрузки, возникающий, когда напряжение менее прочного соединения муфты или ниппеля превышает предельное напряжение сдвига. Разрушение при кручении можно предотвратить с помощью мер, описанных в Главе 3 Тома 2. 4.8.1. Калибровка оборудования, используемого для приложения крутящего момента Если наблюдается разрушение при кручении или моменты вращения приближаются к моменту свинчивания бурильного замка, необходимо убедиться в том, что оборудование для приложения крутящего момента было откалибровано. 4.8.2. Проверка диаметров бурильных замков Бурильные замки, закупаемые подрядчиками и арендаторами, зачастую не соответствуют требованиям API к стандартным размерам. В частности это относится к внутреннему диаметру. Проблем с нестандартными размерами не возникнет, если проверить фактические размеры используемых замков и соответствующим образом скорректировать допустимые нагрузки. 4.8.3. Контроль степени износа и состояния бурильного замка Если предполагается, что бурение будет выполняться при высоких боковых нагрузках или на большую глубину, необходимо определить допуски на износ муфт. Требуется установить минимальный наружный диаметр замка на значение, необходимое для поддержания коэффициента нагрузки от крутящего момента ниже максимально допустимого значения. Износ ниппеля, как правило, во внимание не принимается. Индикаторы динамического крутящего момента могут быть не очень точными, поэтому если коэффициент нагрузки от крутящего момента достигает предельного значения, необходимо контролировать состояние замков у поверхности, в верхней части секции и замки, которые недавно вращались при высоких боковых нагрузках. Это можно делать при подъеме бурильной колонны из скважины для проверки перенапряжения соединений. Необходимо использовать процедуру «Контроль на буровой площадке при спуско- подъемных операциях», см. п. 3.33. В качестве варианта можно использовать делительный циркуль или инструмент, аналогичный показанному слева на Рисунке 4.10. Необходимо установить делительный циркуль или инструмент на предельное значение износа и помещать его на бурильные замки по мере того, как они проходят через ротор. Бурильный замок, по которому инструмент будет скользить, изношен больше допустимого. На соединениях со слабым ниппелем необходимо проверять шаг резьбы ниппеля с помощью твердого и отшлифованного профильного калибра (Рисунок 4.10) для подтверждения отсутствия перенапряжения. Тонкие, маркированные «идентификаторы бурильных замков» не рекомендуется использовать для проверки шага резьбы ниппеля. 4.8.4. Определение момента отвинчивания Момент отвинчивания обычно на 10–15 процентов выше момента свинчивания из-за разницы коэффициентов статического и динамического Рисунок 4.9 Разрушение муфты при кручении начинается с утолщения муфты (вверху слева) и может проявиться в наивысшей степени (вверху справа). Разрушение ниппеля при кручении начинается с удлинения ниппеля (внизу слева) и может в итоге стать причиной отделения шейки ниппеля (внизу справа) Рисунок 4.10 Устройство для проверки износа муфты бурильного замка (слева). Твердый и отшлифованный профильный калибр для проверки удлинения ниппеля (справа) Минимальный Dнар. бурильного замка +1/32, -0 дюймов 6-3/8 NС23-50 V-.038R 350 трения. Моменты отвинчивания, зна¬чительно превышающие установленные значения, могут указывать на свинчивание в забое скважины. Это также служит предупреждением о перенапряжении при кручении и разрушении по мере углубления скважины и увеличения рабочего момента. На Рисунке 4.11 представлен системный подход к предупреждению разрушений при кручении. 4.9 Разрушение при растяжении В глубоких, вертикальных и почти вертикальных скважинах растяжение обычно является нагрузкой, которой необходимо уделять особое внимание. Разрушение при растяжении – это механизм отказа, определение и предотвращение которого является сравнительно несложным. 4.9.1. Место возникновения Разрушение при растяжении с наибольшей вероятностью возникает на участке бурильной трубы между высадками, а также у поверхности или в верхней части колонны. Однако различные значения толщины стенки и предела прочности у разных труб могут влиять на изменение места возникновения разрушения. Разрушения при растяжении на ниппелях бурильных замков возникают редко, поскольку профиль шейки ниппеля на большинстве стандартных бурильных замков способен выдерживать нагрузку, прилагаемую при свинчивании, и прилагаемое извне растяжение. Однако прочность шейки ниппеля на растяжение может быть снижена при применении чрезмерного момента свинчивания, как описано в Главе 3 Тома 2. 4.9.2. Внешний вид Разрушения при растяжении часто выглядят как зазубрины, а труба обычно сужена или конусообразна рядом с зоной разрушения. Поверхности разрушения при растяжении часто отличаются чрезмерной пластической деформацией, хотя в хрупких материалах такая деформация может и не наблюдаться. Поверхности разрушения располагаются под углом 45 градусов к оси трубы (Рисунок 4.12), если только материал не слишком хрупкий. На Рисунке 4.13 показан системный подход к предотвращению разрушения при растяжении. Рисунок 4.11 Системный подход к предотвращению разрушения при кручении. Разрушение при кручении из-за перегрузки Законсерви- ровать образцы Отправить образцы аналитику для подтверждения в случае необходимости Разрушение рядом с КНБК? Проверить максимальный крутящий момент Dнар. и Dвнутр. соединения Коэффициент трения смазки для резьбы Да Свойства материала Возможно неравномерное вращение при бурении Проверить или откалибровать индикаторы При разрушении замка бурильной трубы Ключи для бурильных труб, устройство подачи труб и индикатор крутящего момента верхнего привода Проверить момент свинчивания Подтвердить с применением метода Контроля размеров 1 или 2 (DS-1 3.12, 3.13) Коэффициент трения от 0,95 до 1,05 или откорректировать крутящий момент при свинчивании Твердость бурильного замка: 285-341 BHN (критический уровень по DS-1) Рисунок 4.12. Внешний вид разрушения при растяжении 351 4.10 Комбинированные нагрузки Скручивающие и растягивающие нагрузки взаимодействуют, и в основном способность компонента выдерживать эти нагрузки одновременно будет ниже, чем прочность на каждую из нагрузок в отдельности. Допустимые комбинированные нагрузки приведены в Томе 2, Глава 3. Разрушение под совместным влиянием растяжения и кручения возникает в трубах или ниппелях бурильных замков. Муфты бурильных замков не подвержены такому механизму, поскольку в первую очередь из строя выходит ниппель. В бурильных трубах разрушение будет характеризоваться главным образом пластической деформацией и образованием сужения, которые свидетельствуют о разрушении при растяжении. Может также присутствовать спиральная трещина, как показано на Рисунке 4.14. На бурильных замках вид разрушения под воздействием комбинированной нагрузки будет иметь признаки, характерные для разрушения ниппеля при кручении. На ранних этапах показателем является удлинение ниппеля, а в критических случаях – полное отделение ниппеля. |