Автореферат (1173026), страница 3
Текст из файла (страница 3)
При сжатии и вращении вследствие эффекта потериустойчивости БТ изгибается и испытывает высокий уровень пластическихдеформаций в резьбовых соединениях.10Во второй главе разработан показатель мониторинга усталостной прочностиЗРС (МУП) с целью оценки остаточного ресурса и уровня риска слома ЗРС БИ. МУПопределяет начальный и текущий ресурс ЗРС с использованием метода конечныхэлементов (МКЭ) и на основе испытываемыx циклических нагрузок в реальномвремени на ЗРС БИ.Кривая усталости разделена на две основные области малоцикловой имногоцикловой усталости.
Граница между мало- и многоцикловой усталостьюявляется условной ~ 5 104 циклов (рисунок 1).Повреждения в ЗРС во время расхаживания для освобождения прихваченнойБИ входит в область малоцикловой усталости. Повреждения от крутильных, осевыхи изгибающих переменных нагрузок в ЗРС при взаимодействии горных пород идолота и БИ входит в область многоцикловой усталости.Большая часть стендовых испытаний на усталостную прочность ЗРСпроизводитсяснулевымсреднимнапряжением,ноусловияполнойзнакопеременной нагрузки редко встречаются при бурении скважин со среднимнапряжением, равным нулю.Рисунок 1 ─ Кривая усталости ЗРСПри расчете эффективного переменного напряжения в ЗРС БИ применен методГудмана, для расчета амплитуды напряжения, и числа циклов до разрушения вкривойусталостиснулевымсреднимнапряжениемЗРС(рисунок2).Результирующее напряжение определили методом «течения дождя», при этом11амплитуда напряжения, среднее напряжение и предел прочности, взяты изиспытываемых в реальном времени циклических нагрузок на ЗРС БИ.Эффективная амплитуда напряжения (МПа)12001000800σm=0 МПаσm=50МПа600σm=100МПаσm=150МПа400σm=200МПа2000050000100000150000200000250000300000350000N-число циклов до разрушениеРисунок 2 ─ Зависимость кривой усталости от среднего напряжения, методГудмана (марка стали 40Х)Циклические воздействующие нагрузки на ЗРС имеют непостояннуюамплитуду и непропорциональную нагрузку.
Наилучшим методом подсчета цикловявляется метод «течения дождя». На основе правила линейного повреждениясравнивается повреждающее событие. Для его применения требуется знать условиянагрузки (амплитуды напряжения или деформации).Если повреждение от одного цикла определяется как D=1/Nf, где Nf − числоциклов до слома при i-ой амплитуде напряжения. В итоге, повреждение от ni цикловможно показать следующим образом: niDi = ni/Nfi. Слом ожидается, только когдасумма всех этих соотношений приближается или превышает 1,0 (100%), то есть: ni / N fi n1 / N f 1 n2 / N f 2 1(1)показатель МУП есть остаточный ресурс ЗРС БИ:МУП 1 ni / N fi ,(2)где ni − количество циклов при i-ой амплитуде напряжения;Диапазон изменения МУП от 0 до 1.
Если ЗРС новое, то МУП=1, а если вэксплуатации, то МУП<1 и если МУП≤ 0 ожидается вероятный слом ЗРС.В конструкции ЗРС БИ критическая зона концентрации напряжениярасположена в резьбовом соединении, где невозможно закрепить тензодатчики.12Аналитических решений расчета напряжения и деформации во впадине резьбы ЗРСне существует. Поэтому, следует найти зону концентрации напряжения и рассчитатьчисло циклов до разрушения с помощью метода конечных элементов.Проведенныйанализполученныхрезультатоврасчетанапряженно-деформированного состояния ЗРС показал, что характер изменения напряжений идеформаций в различных зонах ЗРС зависит от геометрии ЗРС, степени затяжки,свойств материала.
Результаты исследований с использованием МКЭ показали, чтонапряженное состояние упорных торцов имеет сложный характер и зависит от ихразмеров и конструкции поверхностей. Существенное влияние на величинуамплитуды и среднее напряжение цикла оказывают условия свинчивания, т.е.степень предварительной затяжки резьбы.Наиболее сложной задачей анализа напряженного состояния механическойконструкции методом конечных элементов является создание адекватной модели,отвечающей реальным условиям нагружения конструкции ЗРС во времяэксплуатации, приложения крутящего момента свинчивания, растяжения, изгиба икручения; определения коэффициентов для отдельных элементов ЗРС (витка резьбы,участка упорного торца и т.д.).Рисунок 3 ─ Распределение эквивалентного напряжения (Мизеса) послесвинчиванияСвинчивание элементов БИ проводится автоматическим буровым ключом(АКБ) в пределах допустимой затяжки.
В программе ANSYS с использованием МКЭна осесимметричной модели симулируется предварительная затяжка ЗРС довоздействия других механических параметров её эксплуатации в скважине (рисунок133). Шаг расчетной сетки в зоне контакта (в резьбе) задан 0,1 мм, а общее количествоэлементов составило около 20508.Формируется таблица 32х32 всех комбинаций вероятных результирующихнапряжений (каждое изменение напряжения попадает в какой-то промежутокнапряжения (всего 32)) и среднего напряжения для каждого типа ЗРС. Определяетсяметодом Гудмана повреждение каждого цикла из 1024 комбинаций с учетом группыпрочности материала и для последней впадины ниппеля от упорного торца (рисунок4).Рисунок 4 ─ Распределение осевых нагрузок и среднего значения цикловнагрузки и число циклов на ЗРС на глубине прихвата, где сломалось прирасхаживанииВ третьей главе разработан электронный паспорт мониторинга усталостнойпрочности ЗРС БИ (таблица 1), отражающий испытываемые нагрузки в реальномвремени, и рассмотрены характеристики воздействующих нагрузок на БИ.Данные ГТИ особенно полученные из цифровых датчиков являютсяпредпосылкой описания механического взаимодействия с БТ через мониторингнапряженного состояния БИ.
Вместе с тем так и не создан алгоритм и на его основепрограммный продукт, позволяющий по данным ГТИ исследовать каждый элементБИ с оценкой риска слома инструмента при экстремальных нагрузках в процессебурения.Для решения этой задачи подробно изучено механическое взаимодействиествола скважин с БИ. Если на диаграммах станции ГТИ наблюдаются высокие14крутящие моменты и знакопеременные осевые нагрузки, то при наличииповреждений (микротрещин) от воздействия при предыдущих операциях на ЗРСпроисходит слом, хотя не было превышения допустимых нагрузок.ЗРС работают в сложных эксплуатационных условиях широкого спектрастатических и циклических нагрузок, количественная оценка которых являетсявесьма сложной в силу разнообразия условий эксплуатации.В электронном паспорте приведены:тип резьбового соединения, каждый элемент для соединения с БИ имеет два ЗРС(кроме долота);глубина, м − для точного определения которой необходимо отслеживатьместоположение долота в реальном времени с учетом изменения длины БИ из-заосевой нагрузки, давления, потери устойчивости и температуры;осевая нагрузка, т, и крутящий момент, кНм − для прогнозированияскручивающих и осевых нагрузок на основе разработанной математической модели,учитывающей вес на крюке, нагрузку на долото, траекторию ствола скважины,плотность раствора, фактор трения и вид операции.
Автоматизированный алгоритмраспознавания вида операции (бурение ротором, слайдирование, расширка ствола,циркуляция без вращения, циркуляция с вращением, проработка, обратнаяпроработка, спуск, подъем, промывка) на основе данных станции ГТИ позволяетучесть особенности расчета каждой операции. Фактор трения регулярнокорректируется на основе данных карты веса, измеряемых бурильщиком с помощьюдатчиков станции ГТИ;давление в трубе, МПа − давление насоса и гидростатическое давлениебурового раствора внутри БИ;давление за трубой, МПа − гидростатическое давление бурового раствора, взатрубном пространстве;критерий H − в процессе эксплуатации бурильных труб необходимо постоянноконтролировать износ ЗРС путём замера расстояния между опорными торцаминиппеля и муфты.
Практика показывает, что основной причиной, приводящей кпотере работоспособности ЗРС, является изношенная резьба ниппеля и муфты врезультате многократного свинчивания БТ при СПО на буровой. Среднийстатистический ресурс ЗРС в промысловых условиях в несколько раз ниже, чем15наработка на стенде, имитирующем процесс свинчивания на буровой установке(БУ). Дальнейшие исследования ресурса ЗРС в реальных производственныхусловиях подтвердили необходимость учета влияния многократного свинчивания наизменение геометрических параметров и форм профиля резьбы;Таблица 1 ─ Электронный паспорт мониторинга МУП ЗРСПараметры11.Тип ЗРС2.Глубина ЗРС, мЗРС №12З-102ежесекундно (датчик)М-102ежесекундно (датчик)3.Осевая нагрузка, кНежесекундно (датчик)Ежесекундно (датчик)4.Крутящий момент, кНмежесекундно (датчик)Ежесекундно (датчик)5.Давление в трубе, МПаежесекундно (датчик)Ежесекундно (датчик)6.Давление за трубой, МПаежесекундно (датчик)Ежесекундно (датчик)7.Критерий Hизмеряется при каждомсвинчиванииизмеряется при каждомсвинчивании8.
Момент свинчивания, кНмпосле каждогосвинчиваниярасчетырасчетыпосле каждогосвинчиванияРасчетыРасчетыв паспорте БИв паспорте БИ12. Предел прочности, МПав паспорте БИв паспорте БИ13. Предел текучести, МПа14. Предел выносливости, МПав паспорте БИрезультатыэкспериментарасчетыв паспорте БИрезультатыэкспериментаРасчеты0-1000-1000-1000-1009. Изгиб за счет искривления10. Изгиб за счет потериустойчивости11. Группа прочности15. Эквивалентное напряжениев зоне концентрации, МПа16. Начальный МУП, %17. Текущий МУП, %ЗРС №23момент свинчивания, кНм − для определения предварительной затяжки резьбыв каждом ЗРС необходимо знать момент свинчивания при каждом наращивании.Допустимый момент выбирается в зависимости от типа ЗРС и степени его износа.Выбороптимальногокрутящегомоментасвинчивания,учитывающегоконструктивные параметры и многие технологические факторы, изменяющиеся впроцессе эксплуатации, является одним из основных аспектов обеспеченияработоспособности и повышении эксплуатационных характеристик ЗРС;16изгибающий момент за счет искривления траектории, кНм − привзаимодействии БИ со стенкой наклонно-направленной скважины, создающемизгибающий момент, БИ принимает форму траектории ствола скважины.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
