Разрушения резьбовых соединений бурильных труб. Пути решения проблем.

При бурении скважин одними из важнейших элементов буровой колонны являются резьбовые соединения. Их качество и надежность во много определяют эксплуатационные характеристики бурильных труб, от работы которых зависит технические показатели бурения и экономическая эффективность строительства скважин.

Широкое применение резьбовых соединений объясняется их универсальностью, простотой и надежностью данного вида креплений, а также возможностью быстрой сборки/разборки таких соединений без замены детали.

В России широкое распространение получили: бурильные трубы ТБСУ (ГОСТ Р 51245-99) с приваренными замками для бурения скважин – используются при поисках и разведке на твердые полезные ископаемые и воду, инженерно-геологических изысканиях; трубы СБТ (ГОСТ Р 50278-92, 631-80, 7909-56, API Spec 5D) – являются одним из главных инструментов для проведения текущего и капитального ремонта нефтяных и газовых скважин; трубы УБТ (ТУ 27.2-32698053-005-2005) также широко применяются при капитальном ремонте нефтяных и газовых скважин.

Отличительными особенностями эксплуатации таких бурильных труб является воздействие серьезных изгибающих, крутящих, сжимающих и растягивающих нагрузок. Кроме того колонну бурильных труб постоянно собирают и разбирают.

Поэтому наряду с очевидными достоинствами резьбовых соединений, существует целый комплекс проблем и особенностей, связанных с их эксплуатацией. С ростом глубины скважины, ростом пластовых давлений, внедрении новых технологий и форсированных режимов бурения требуются более совершенные конструкции резьбовых соединений с высокими показателями по надежности, долговечности и ресурса.

Статистика отказов по узлам в нефтегазовой отрасли говорит о том, что примерно 70% аварий приходится на обрывы колонны по телу штанг НКТ. На ликвидацию таких аварий уходят значительные средства. Однако самые большие экономические риски и проблемы связывают как раз с разрушением резьб бурильных труб (СБТ, УБТ и пр.). Устранения подобных аварий обходится в среднем для нефтяников и газовиков в 3-4 раза дороже, чем поломки штанг НКТ.

На соединения типа «ниппель-муфта» действуют крутящий момент и большие осевые нагрузки, динамические вибрации, изгибающие моменты. Помимо этого, они подвергаются воздействию агрессивной среды. Все это ведет к разрушению резьбового соединения и последующим авариям. Вследствие чего, затраты на ликвидацию могут составлять от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов долларов, если говорить о нефтегазовой сфере. Обрыв трубы приводит к возможной потере колонны бурильных труб и телеметрической аппаратуры — это убытки в размере 30–40 млн руб.

В результате износа на резьбовых соединениях появляются надрезы, вмятины, выбоины, что изменяет их геометрические размеры и прочностные характеристики. Зарождение трещин и микротрещин может зарождаться еще на различных этапах производства бурильных труб. Особенно важен этап термической обработки элементов замка (ниппеля и муфты), так как именно здесь формируются окончательные свойства деталей замка. Многократные процессы свинчиваний и развинчиваний также является критичным показателем «жизнеспособности» бурильной трубы.

Наибольшее число аварий происходит по причине срыва замковой резьбы в бурильных замках и резьбовых переходниках, а также из-за преждевременного износа резьбового соединения.

Поэтому разработка технологии упрочняющей обработки резьбовых соединений бурильных труб является крайне важной задачей. Повышение качества труб бурильных различного назначения в их замковой части обеспечивает значительный экономический эффект. В зависимости от способа упрочнения соединения устраняются либо отдельные недостатки эксплуатации, либо решается практически весь комплекс проблем.

Какие пути решения проблем резьбовых соединений предлагает современное производство.

На сегодняшний день в машиностроении широкое применение получили способы поверхностного пластического деформирования. К ним можно отнести: обкатывание роликами (рис. 2), обкатывание шариками, калибрующее накатывание шариками, алмазное выглаживание, центробежная обработка, поверхностное раскатывание, деформирующее протягивание, прошивание, калибрование шариками, вибрационное обкатывание. Эти методы достаточно эффективны и доступны.

Для резьб нефтегазового назначения наибольшее применение получил метод обработки предварительно нарезанной резьбы роликом. В процессе обкатки резьбы в приповерхностных слоях материала межвитковой впадины резьбы формируются области сжимающих напряжений, что приводит к упрочнению поверхностного слоя и препятствует возникновению микротрещин. Однако процесс недостаточно стабильный, результат не всегда предсказуемый.

Также для поверхностного упрочнения и повышения износостойкости резьбового соединения при производстве бурильных труб является закалка токами высокой частоты (ТВЧ). При поверхностной закалке высокую твердость (55-57 HRC) и прочность приобретает лишь небольшой, толщиной несколько миллиметров, поверхностный слой. При этом сохраняется сравнительно вязкая, пластичная сердцевина детали. Хотя эта технология поверхностного упрочнения используется не одно десятилетие и хорошо отработана, она имеет ряд существенных недостатков. Поскольку процесс происходит в незащищенной атмосфере его очень сложно контролировать. Механические свойства деталей могут существенно отличаются. Деформация деталей при высокочастотной закалке меньше, чем при объемной, тем не менее и в этом случае она может быть причиной брака. Появления трещин и микротрещин при высокочастотной поверхностной закалке один из наиболее существенных недостатков технологии. Этому способствуют внутренние напряжения, возникающие вследствие уменьшения объема металла при охлаждении, и структурные напряжения вследствие увеличения объема стали при образовании мартенсита. Тем не менее, метод доказал свою эффективность в части повышения износостойкости деталей.

Однако вышеприведенные способы решают далеко не все проблемы, возникающие при эксплуатации бурильных труб. Такие существенные недостатки как: заедания и заклинивания резьбы в следствии больших нагрузок (так называемый эффект «холодной сварки»), деформация резьбы и ее преждевременный износ, высокий коэффициент трения, отсутствие защиты резьбы от коррозии, недостаточное качество резьб или брак, повторяемость изделий, значительное время на приработку резьбового соединения остаются головной болью буровых мастеров и инженеров.

Поэтому для комплексного улучшения резьбовых соединений в мировой практике в настоящее время применяется поверхностная химико-термическая обработка в различных средах. Наиболее эффективными методами считаются карбонитрация и азотирование. В результате специального химико-термического процесса на поверхности изделия формируется комплексный защитный не металлический слой (с твердостью до 57 HRC в зависимости от материала), который подавляет практически все негативные эффекты, связанные с эксплуатацией резьбового соединения.

Наша компания обладает самыми передовыми вакуумными технологиями термической и химико-термической обработки сталей и сплавов. Мы используем лучший мировой опыт производства и собственные разработки в области защиты резьбовых соединений бурильных труб.

Практика работы с бурильными трубами, изготовленными с применением объемной вакуумной термообработки и поверхностной вакуумной карбонитрации демонстрирует феноменальный результат. Это прежде всего: безотказная и комфортная работа резьб в любых условиях, увеличенный ресурс работы в 3-5 раз по сравнению с аналогами, минимальное время на спускоподъемные операции, отсутствие заедания резьбового соединения, исключение обрывов по резьбе, 100% повторяемость механических свойств на каждом изделии, защита резьбы от коррозии, наши резьбы не требуют времени на приработку, гарантированное количество циклов свинчивания/развенчивания - 1000 и более.

Экономический эффект от использования наших бурильных труб весьма ощутим: себестоимость метра проходки снижается в 3-5 раз в зависимости от условий работы, риски связанные с аварийными остановки, потерей инструмента или скважины по причини выхода труб из строя практически отсутствует, износ бурильных труб и резьбовых переходников снижается в несколько раз по сравнению с аналогичной продукцией.

Таким образом можно с уверенностью сказать, что на современном этапе технологии химико-термической обработки дают наибольший эффект как с точки зрения практичности и безопасности, так и по чисто экономическим соображениям.

Несмотря на то, что наш буровой инструмент высокотехнологичный и не имеет российских аналогов, он вполне доступен по цене любому потребителю, который профессионально занимается строительством скважин любого назначения.

Выбирая бурой инструмент стоит прежде всего обращать внимание на практику его применения, технологии по которым он изготовлен, считать риски, связанные с приобретением не очень качественной продукцией по самой низкой цене. Как правило слепая экономия рано или поздно оборачивается большими проблемами.

Список использованной литературы.

• ГОСТ Р 50864-96 Резьба коническая замковая для элементов бурильных колонн. Профиль, размеры, технические требования.
  
  
• Мокроносов Е.Д., Песин М.В. Повышения надежности бурильных труб на стадии проектирования путем использования математического моделирования процесса упрочнения резьбовой поверхности // Экспозиция Нефть Газ. 2013. №2 (27)

• Песин М.В. Научные основы моделирования процесса упрочнения впадины резьбы бурильных труб обкатыванием роликом// Экспозиция Нефть Газ. 2013. №5 (30)
  
  
• Pesin M.V. Improving the Reliability of Threaded Pipe Joints. Russian Engineering Research 2012, Vol. 32

• Песин М.В., Субботин Д.А., Баева М.А., Якунина А.В. Снижение себестоимости выпуска бурильных труб на основе совершенствования технологических методов упрочнения резьбы // Новые материалы и технологии – XXII. Брянск: БГИТА, 2015. Вып. 21.