Диссертация (1173027), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Когда изгибающие силыдействуют на УБТ и на тело трубы с эксцентричностью в конструкции,инструмент терпит высокие напряжения в зоне пластичной деформации посравнению с трубами без дефекта. Такие дефекты неизбежны из-за массовогопроизводства УБТ. В статье выявляется характер снижения усталостнойпрочности инструмента при усталостном износе. ЗРС являются самыминенадежными зонами УБТ в составе КНБК [124].Хоммел (Hommel) в своей работе указал, что практика и результаты анализаконечных элементов показывают эффективность разгрузочной канавки дляусталостной прочности ЗРС. С другой стороны, для повторной нарезкиповрежденных ЗРС БИ при ремонте требуется минимизировать ширинуразгрузочной канавки.
Главная цель заключается в исследовании разгрузочнойканавки и сбега резьбы в зависимости от напряжения [100].Бахаи (Bahai) изучил фактор изменения концентрации напряжения в ЗРС БИза счет осевых и изгибающих нагрузок. В своей работе он делает акцент навлияние эффекта геометрии ЗРС БИ на фактор концентрации напряжения идоказал,чторасчетыопределенияфактораконцентрациинапряжениянеобходимы для оценки усталостной прочности работы инструмента. Кроме42аналитическихспособов,использованиемформулопределяющихиуравнений,распределениепроводилисьнапряжениясэкспериментысполноразмерным моделированием для определения распределения напряжения поЗРС БИ.
Выявлено значение фактора концентрации напряжения как функции отформы резьбы и геометрии соединения и типа нагрузки. Бахаи считает, чтоконцентрация напряжения во впадине резьбы возникает из-за двух механизмов:первый − это изгибающие и сдвигающие напряжения во впадине резьбы из-засжимающих сил в ЗРС БИ; второй − концентрация напряжения, когда всё теломуфты и замка растягивается или сжимается за счет осевой нагрузки [101].Коллинс (Collins) утверждает, что для анализа усталостной прочности в ЗРСтребуется численный анализ напряжения и фракционного контакта резьбызамкового соединения и муфтового соединения. Вышеуказанные факторыпревращают анализ в сложную проблему.
Коллинс пытался создать модель извсех видов ЗРС, строил спиральную модель на основе осесимметричной модели.В другой части исследований различных переменных напряжений и напряженийсвинчивания сделаны выводы, что разгрузочные канавки сильно помогают дляснижения усталостного износа [108].ЗРС − самый распространенный и экономный метод соединения двухэлементов в строительной и машиностроительной промышленности. Всемизвестно, что первый виток резьбы выдерживает больше половины нагрузки присвинчивании. Эта нагрузка, действующая на корень первой резьбы с высокимпотенциалом концентрации напряжения, вызывает высокий уровень усталостногоизноса в этой зоне. При многократном свинчивании и отвинчивании возникаетзаедание, что способствует повреждению поверхности резьбы [6, 7].Барагати (Baragetti) утверждает, что разработал численный метод конечныхэлементов для анализа влияния конусности ЗРС на концентрацию напряжения.При проектировании КНБК проектировщик должен указать тип резьбы и нужнали разгрузочная канавка.
Были сравнены два ЗРС З-149 и З-152 при одинаковыхусловияхэксплуатации.Триразныешириныразгрузочнойканавки43анализировались с точки зрения усталостной прочности в поиске лучшеговарианта. Для количественной оценки применялись МКЭ и модель Морроудеформация-число циклов до слома. ЗРС З-149 за счет высокой жесткостимуфтового соединения и высокой конусности по сравнению с З-152 даетзначительное преимущество в усталости. Результаты анализа показывают, чтоширина разгрузочной канавки 25 мм дает лучший эффект по усталостнойпрочности соединения, а без разгрузочной канавки − наихудшую усталостнуюпрочность близкую к усталостной прочности канавки при ширине 32 мм [102].Эллис (Ellis) утверждает, что 80% всех аварий, связанных со механическимсломом, обусловлено усталостью [111].Тангом (Tang) предложен новый метод анализа фактора концентрациинапряжения (ФКН) на ЗРС.
МКЭ применяется как первичный инструмент дляизучения максимального напряжения и расчета ФКН для оценки усталостнойпрочности соединения. В статье так же изучены максимальные напряжения вразличных дизайнах ЗРС. ФКН − полезный параметр для оценки пиковогозначения (максимального) напряжения в соединениях при их эксплуатации. Впрошлом им характеризовали усталостную прочность и прочность ЗРС обсадныхколонн, НКТ и водоотделяющей колонны для бурения. Однако, очень редкоприменялся для ЗРС БИ по следующим двум причинам:1) текущие методы анализа ФКН не предназначены для сильно закрепленныхсоединений с предварительным натягом резьбы;2) отсутствие стандартизации анализа ФКН для ЗРС в буровой отрасли [140].Коэффициент прочности на изгиб (КПИ) применяется не только какпоказатель для проектирования конструкции соединения УБТ и других элементовКНБК, но и для изучения усталостной прочности конструкции.
Вместе с тем дванепохожих соединения могут иметь одинаковые КПИ при совсем разнойдолговечности [81, 119]. Приводится обзор новых технологий изготовленияматериалов бурильных труб для экстремальных условиях. Двухупорные44соединения для высоких моментов применяются в новых технологиях,осложняющих выбор соответствующих элементов КНБК.Джеллисон (Jellison) изложил рекомендации для различных элементов КНБКс помощью МКЭ [121]. ЗРС проанализировано с помощью МКЭ в программеABAQUS 6.6, изучены различные нагрузки на сжатие, растяжение без и спредварительнымнатягомрезьбы.ПорекомендациямстандартаАНИпредварительный натяг резьбы нужен в ЗРС для прочности конструкции противусталости.
Места и значения ФКН в муфте и в замке и эффекта предварительногонатяга резьбы, влияют на усталостной прочности ЗРС [101, 105].Гердес (Gerdes) изучает влияние разгрузочной проточки (удаление лишнеговитка на муфте). ЗРС может быть модифицировано двумя способами дляповышения долговечности:1) разгрузочная канавка на замке,2) разгрузочная проточка на муфте.Гердес считает, что разгрузочная проточка на муфте может игратьотрицательную роль в усталостной прочности конструкции из-за отрезанныхпоследних четырёх витков резьб [115].Ферджани (Ferjani) предложил прогноз усталостной прочности ЗРС БИ спомощью МКЭ и анализа усталости методом критерия Данг Ван. Дляподтверждения методологии проведены эксперименты на маленьких образцах сЗРС БИ.
Сравнения показывают сложность прогноза усталостного разрушения взонах с большим градиентом напряжения из-за влияния масштаба [113].Чен (Chen) исследовал усталостную прочность ЗРС БИ с помощьютрехмерного МКЭ. Он изучал усталостную прочность БИ в экстремальныхусловиях: различные нагрузки как момент свинчивания, рабочий момент,растяжение и изгиб, а так же характеристики ЗРС БИ при закреплении исвинчивании при больших нагрузках [105].Жу (Zhu) утверждает, что глубокие скважины более проблематичны чемскважины с отдаленными забоями. При разработке нового поколения ЗРС БИ45МКЭ дает возможность оценивать широкий размах сценариев загрузки дляпроверки производительности конструкции соединения. После воздействиярастягивающих или изгибающих нагрузок на ЗРС БИ, начало и конец ЗРСпринимают значительную часть нагрузки чем центр резьбы. Такие напряжениямогут приводить к усталостным разрушениям ЗРС БИ [145].1.8.
Основные результаты и выводы1. Динамическое поведение КНБК в процессе бурения − сложное явление, невсегда подающееся техническим возможностям моделирования.2. Экономически эффективным средством сбора данных вибрации прибурении является сбор механических данных на поверхности.3. Аварии вследствие слома элементов БИ вызваны в основном усталостьюметалла. Явления усталости возникают главным образом под действием основныхпеременных осевых нагрузок, изгиба, колебаний БИ и крутильных ударов.4. Сломы ЗРС БИ в основном происходят после прихватов БИ вследствиеприлипанияБИкстенкескважины,заклиниванияБИ,обвалившихсянеустойчивых пород, сальника.5. Вид отчетности и проверки эксплуатационной надёжности бурильных трубне отражает реальных нагрузок, испытываемых элементами БИ, не исключаеткорректировки или фальсификации со стороны персонала.6.
Метод конечных элементов является эффективным инструмент дляоценки усталостной прочности соединения. МКЭ и лабораторные испытаниядополняют друг друга.46ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ПОКАЗАТЕЛЯ МОНИТОРИНГАУСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ БУРИЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТАПоказатель мониторинга усталостной прочности ЗРС (МУП) разработан сцелью оценки остаточного ресурса и уровня риска слома ЗРС БИ. ПоказательМУП определяет начальный и текущий ресурс ЗРС с использованием методаконечных элементов (МКЭ) и на основе исходных данных испытываемыxциклических нагрузок в реальном времени на ЗРС БИ.2.1.
Прогнозирование скручивающих и осевых нагрузокМодельсососредоточеннымипараметрамиобеспечиваетосновупрогнозирования скручивающих и осевых нагрузок. Предполагается, что все силысопротивления возникают от контакта БИ и ствола скважины. Другие силывоздействия на БИ в этой модели не рассматриваются. Произведение нормальнойконтактной силы, действующей от стенки на БИ, и коэффициента тренияопределяет величину силы трения. Нормальная контактная сила, действующая отстенки на БИ, зависит от силы тяжести и растягивающей силы за счетискривления ствола скважины. Эти силы и результаты их воздействиясхематически иллюстрированы на рисунке 2.1. Другие факторы, такие как изгибБИ, не учтены в этой модели [122, 123].Коэффициент трения − соотношение силы трения и нормальной контактнойсилы.
На практике его значение зависит от типа контактирующих материалов исмазывающих добавок бурового раствора в различных интервалах стволаскважины. Однако, все эти характеристики выражаются одним параметром,называемым коэффициентом трения. Корректное и точное определение − самыйосновной момент для практического применения данной модели.472.1.1. Математическая модель элементов бурильного инструментаПри разработки модели предполагается, что коэффициент трения известен.Все расчеты делаются на основе коэффициента трения, потом обратным способомрассчитывают коэффициент трения, определяемый скручивающими и осевыминагрузками. Этот процесс повторяется до тех пор, пока не совпадут расчетныезначения с реальными данными.Рисунок 2.1 − Равновесие сил на одном элементе БИ, с иллюстрациейисточников действующих силКогдаопределеныхарактеристикиБИ,данныеинклинометрииикоэффициент трения, то расчеты ведутся снизу и постепенно наверх.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
