Мета роботи - підвищення експлуатаційної надійності та більш повне використання ресурсу бурильної колони шляхом забезпечення її монолітності в різьбових з'єднаннях з урахуванням дії вібраційних навантажень, а також розроблення і запровадження методу оцінки накопичення втомних пошкоджень з'єднань з використанням індикаторів. Для досягнення сформульованої мети поставлені такі задачі дослідження. 1. Дослідити природу виникнення і закономірності існування монолітності бурильної колони в різьбових з'єднаннях, яка перебуває під дією вібраційного навантаження. 2. Встановити значення параметрів вібрацій бурильної колони, які призводять до втрати її монолітності в різьбових з'єднаннях, та умов виникнення цих вібрацій під час буріння свердловин. 3. Обґрунтувати вибір і дослідити параметри складання різьбових з'єднань, що забезпечують як монолітність бурильної колони в умовах вібрації, так і стабільність характеристик міцності та умов навантаження. 4. Встановити закономірності процесу накопичення втомних пошкоджень у різьбових з'єднаннях бурильної колони і в супроводжуючих їх індикаторах з врахуванням конструктивних особливостей вказаних елементів колони. 5. Обґрунтувати метод проектування, конструкцію індикаторів накопичення втомних пошкоджень різьбових з'єднань і визначити параметри кривих втоми індикаторів з високою імовірністю зруйнування. 6. Розробити методику розрахунку надійності бурильної колони за показниками її довговічності на основі експериментально встановлених значень характеристик міцності різьбових з'єднань і умов їх навантаження під час експлуатації. 7. Дослідити точність розрахунку кількісних показників довговічності бурильної колони під час експлуатації шляхом порівняльного аналізу теоретичних і експериментальних (отриманих за допомогою індикаторів) значень змінного навантаження на різьбові з'єднання. 8. Провести дослідно-промислову перевірку результатів досліджень. ЗМІСТ ВСТУП 6 РОЗДІЛ 1. СТАН ПРОБЛЕМИ ТА ВИБІР НАПРЯМКУ ДОСЛІДЖЕННЯ 14 1.1. Аналіз аварійності бурильної колони 14 1.2. Умови забезпечення стабільності експлуатаційних характеристик бурильної колони 19 1.3. Оцінювання та контроль навантажень в бурильній колоні 25 1.4. Індикація накопичення втомних пошкоджень 31 1.4.1. Аналіз методів та засобів індикації накопичення втомних пошкоджень та їх застосування для оцінювання показників довговічності деталей 31 1.4.2. Конструкції індикаторів накопичення втомних пошкоджень різьбових з'єднань бурильної колони 41 1.5. Методи визначення показників надійності бурильної колони 50 Висновки 55 РОЗДІЛ 2. МЕТОДИКА ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ 56 2.1. Призначення та завдання випробування різьбових з'єднань бурильної колони при дії змінних навантажень 56 2.2. Випробування на втому елементів бурильної колони 57 2.2.1. Визначення оптимальної точності оцінювання характеристик втомного зруйнування елементів бурильної колони 57 2.2.2. Оцінка параметрів кривої втоми за параметром імовірності зруйнування 74 2.3. Випробування різьбових з'єднань на вібростійкість 80 2.3.1. Стенд для випробування та методика розрахунку його параметрів 80 2.3.2. Особливості конструкції зразків різьбових з'єднань 89 2.4. Вимірювальна апаратура, застосована при дослідженнях 93 Висновки 98 РОЗДІЛ 3. НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНИЙ СТАН В РІЗЬБОВИХ З'ЄДНАННЯХ БУРИЛЬНОЇ КОЛОНИ ТА СУПРОВОДЖУЮЧИХ ЇХ ІНДИКАТОРАХ НАКОПИЧЕННЯ ВТОМНИХ ПОШКОДЖЕНЬ (ІНВП) ПІД ДІЄЮ ЗОВНІШНІХ НАВАНТАЖЕНЬ 99 3.1. Загальні принципи сприйняття ІНВП навантажень, що діють на різьбові з'єднання бурильної колони 99 3.2. Критерій поділу навантажень, що діють на елементи бурильної колони, на статичні і динамічні 104 3.3. Напружено-деформований стан в елементах згвинченого різьбового з'єднання труб під дією статичних навантажень 111 3.4. Напружено-деформований стан в елементах згвинченого різьбового з'єднання під дією вібраційних навантажень 120 3.4.1. Вплив вібраційних навантажувань на реологічні властивості різьбових з'єднань бурильної колони 120 3.4.2. Стабільність затягнення різьбових з'єднань під час вібраційного навантажування 136 3.4.3. Особливості взаємодії елементів різьбових з'єднань бурильної колони при вібраційному навантажуванні 154 3.5. Експериментальна перевірка монолітності замкових різьбових з' єднань в умовах вібраційного навантажування 171 3.6. Вплив умов кріплення ІНВП в різьбових з'єднаннях труб нафтового сортаменту на їх напружений стан 182 Висновки 211 РОЗДІЛ 4. МЕТОДИКИ ВИБОРУ ПАРАМЕТРІВ ВТОМНОГО ЗРУЙНУВАННЯ ІНДИКАТОРІВ, ЇХ ТЕОРЕТИЧНЕ ОБҐРУНТУВАННЯ ТА ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ПЕРЕВІРКА .... 214 4.1. Вимоги до параметрів опору втомі індикаторів 214 4.2. Вибір конструктивних параметрів концентратора напруження індикаторів 215 4.3. Вплив конструктивних особливостей елементів бурильної колони на процес накопичення в них втомних пошкоджень 226 4.4. Оцінка показників надійності бурильної колони за параметрами втомного зруйнування різьбового з'єднання 235 4.5. Експериментальне визначення характеристик опору втомі індикаторів за результатами їх стендових випробувань разом з замковими різьбовими з'єднаннями 243 4.6. Вплив розсіювання параметрів кривих втоми та характеристик навантаження елементів бурильної колони на їх довговічність 254 Висновки 264 РОЗДІЛ 5. ЕКСПЛУАТАЦІЙНА НАВАНТАЖЕНІСТЬ І ДОВГОВІЧНІСТЬ БУРИЛЬНОЇ КОЛОНИ ТА ЇХ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ВИЗНАЧЕННЯ ЗА ДОПОМОГОЮ ШВП В ПРОМИСЛОВИХ УМОВАХ 266 5.1. Чинники, які впливають на характер та рівень експлуатаційних навантажувань на бурильну колону 266 5.2. Експериментальне дослідження та визначення навантажуваності елементів бурильної колони 273 5.3. Оцінювання навантаженості елементів бурильної колони за допомогою ШВП 286 5.4. Математична модель розрахунку довговічності різьбових з'єднань бурильної колони 292 5.5. Визначення показників довговічності бурильної колони за допомогою ІНВП 296 5.6. Випробування та впровадження результатів дослідження в промислових умовах 302 Висновки 315 ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ 317 СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 320 ДОДАТКИ 343