Дисертація присвячена вирішенню важливої науково-технічної проблеми забезпечення працездатності колон бурильних і насосно-компресорних труб на ділянках похило-скерованих і горизонтальних свердловин із геометричними недосконалостями у вигляді локальних перегинів та каверн (жолобів) на стінках. В роботі набув подальшого розвитку метод оцінки впливу розмірів каверн (жолобів) на напружено-деформований стан бурильної колони враховуючи особливості її контакту зі стінками прямолінійних і криволінійних ділянок свердловин за дії як поперечних так і осьових зусиль. Вперше, запропоновано методи та лабораторне обладнання для встановлення напружено-деформованого стану колон бурильних і насосно-компресорних труб у свердловинах із довільною просторовою кривиною. Запропоновано конструкцію та виготовлено пристрій для промислового дослідження навантажень і напружень, яких зазнають колони бурильних труб під час експлуатації на викривлених ділянках свердловин. Для прогнозування довговічності елементів колон бурильних і насосно-компресорних труб набув подальшого розвитку С-критерій опору втомі шляхом використання локальних напружень перед фронтом тріщини та обґрунтовано застосування у кінетичному рівнянні кривої втоми еквівалентного напруження, що враховує як нормальну так і дотичну його складові. Для визначення параметрів втомної міцності елементів бурильних і насосно-компресорних труб за випадкового навантажування, розроблено та виготовлено силову головку, яка забезпечує перехід між рівнями блоку навантаження без зупинки випробувань. Ключові слова: працездатність, бурильні труби, насосно-компресорні труби, напружено-деформований стан, втомна довговічність, ділянки свердловин із геометричними недосконалостями. Мета дисертаційної роботи полягає у забезпеченні працездатності колон бурильних і насосно-компресорних труб у похило-скерованих і горизонтальних свердловинах із геометричними недосконалостями шляхом розвитку та розроблення математичних моделей, методів і обладнання для оцінки їх напружено-деформованого стану та втомної довговічності. Досягнення поставленої мети вимагає вирішення наступних завдань: 1) аналіз сучасного стану аварійності, методів і обладнання для дослідження напружено-деформованого стану, втомної міцності та прогнозування довговічності колон бурильних і насосно-компресорних труб; 2) розроблення математичних моделей для оцінки напружено- деформованого стану колон бурильних і насосно-компресорних труб на ділянках свердловин із геометричними недосконалостями; 3) розроблення лабораторного обладнання для дослідження напружено- деформованого стану моделей колон бурильних і насосно-компресорних труб на просторово викривлених із довільною інтенсивністю ділянках свердловин; 4) розроблення обладнання для вимірювання зусиль в колоні бурильних труб у процесі експлуатації; 5) розроблення методів оцінки напружено-деформованого стану колон бурильних труб: за умов каверно- та жолобоутворення; у горизонтальних ділянках свердловин значної довжини; у локальних перегинах свердловин; 6) розроблення методів оцінки напружено-деформованого стану колон насосно-компресорних труб на ділянках свердловин із просторовим викривленням; 7) розроблення математичних моделей і методів для прогнозування втомної довговічності елементів колон бурильних і насосно-компресорних труб з врахуванням локального та складного напруженого стану. ЗМІСТ ВСТУП 13 РОЗДІЛ 1 АНАЛІЗ СТАНУ ПРОБЛЕМИ TA ВИБІР НАПРЯМКУ ДОСЛІДЖЕННЯ 20 1.1 Аналіз відмов колон бурильних труб 20 1.2 Аналіз відмов колон насосно-компресорних труб 22 1.3 Аналіз теоретичних методів дослідження напружено-деформованого стану колон бурильних і насосно-компресорних труб 27 1.3.1 Визначення нормальних напружень у поперечному перерізі бурильної колони від дії нормальної сили 27 1.3.2 Визначення нормальних напружень у поперечному перерізі бурильної колони від дії згинальних моментів 29 1.3.3 Визначення нормальних напружень у поперечному перерізі колони насосно-компресорних труб від дії нормальної сили та згинальних моментів 34 1.4 Аналіз експериментальних методів дослідження напружено- деформованого стану колон бурильних і насосно-компресорних труб 43 1.4.1 Лабораторні дослідження напружено-деформованого стану колон бурильних і насосно-компресорних труб 44 1.4.2 Промислові дослідження напружено-деформованого стану колон бурильних і насосно-компресорних труб 50 1.5 Аналіз методів прогнозування втомної довговічності колон бурильних і насосно-компресорних труб 51 1.5.1 Двопараметричне, трипараметричне та чотирипараметричне рівняння кривої втоми 52 1.5.2 Прогнозування втомної довговічності за випадкового навантажування 57 1.5.3 Прогнозування втомної довговічності бурильних труб на основі G- та С-критеріїв. 59 1.6 Висновки до розділу 1 та постановка завдань дослідження 62 РОЗДІЛ 2 МЕТОДИ TA ЗАСОБИ ПРОВЕДЕННЯ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ 66 2.1 Лабораторне моделювання напружено-деформованого стану трубної колони в просторово викривленому стовбурі свердловини 67 2.1.1 Розроблення критеріїв подібності та експериментального стенду 67 2.1.2 Методика, обладнання та результати лабораторного тарування тензодавачів 74 2.2 Методи та засоби експериментального дослідження згину бурильної колони під час її експлуатації в промислових умовах 83 2.2.1 Конструкція пристрою для вимірювання зусиль в колоні бурильних труб 83 2.2.2 Методика, обладнання та результати лабораторного тарування тензодавачів, що використовуються у пристрої для вимірювання зусиль в колоні бурильних труб 96 2.3 Вдосконалення обладнання для проведення лабораторних досліджень втомної довговічності натурних зразків трубних колон за блокового навантаження 101 2.4 Висновки до розділу 2 108 РОЗДІЛ З АНАЛІТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ НАПРУЖЕНО- ДЕФОРМОВАНОГО СТАНУ ТРУБНИХ КОЛОН У СТОВБУРІ СВЕРДЛОВИНИ 110 3.1 Моделювання трубних колон на основі класичної теорії згину балок 110 3.2 Моделювання трубних колон на основі положень механіки стрижнів 115 3.3 Визначення допустимого прогину трубної колони в околі заданої точки інклінометрії 121 3.4 Алгоритм чисельного розв'язку системи диференціальних рівнянь пружної рівноваги трубної колони 134 3.5 Висновки до розділу 3 140 РОЗДІЛ 4 НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНИЙ СТАН КОЛОН БУРИЛЬНИХ ТРУБ У ДІЛЯНКАХ СВЕРДЛОВИН ІЗ КАВЕРНАМИ (ЖОЛОБАМИ) TA ГОРИЗОНТАЛЬНИХ ДІЛЯНКАХ ЗНАЧНОЇ ДОВЖИНИ 142 4.1 Вплив розмірів каверн (жолобів) на напружено-деформований стан колон бурильних труб 142 4.1.1 Метод розрахунку для прямолінійного стовбура свердловини 143 4.1.2 Метод розрахунку для криволінійного стовбура свердловини 153 4.2 Напружено-деформований стан колони бурильних труб при її стиску в горизонтальному стовбурі свердловини 169 4.2.1 Метод розрахунку без врахування ваги одиниці довжини 169 4.2.2 Метод розрахунку із врахуванням ваги одиниці довжини 178 4.3 Висновки до розділу 4 182 РОЗДІЛ 5 НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНИЙ СТАН КОЛОН БУРИЛЬНИХ І НАСОСНО-КОМПРЕСОРНИХ ТРУБ ІЗ ПРОСТОРОВИМ ВИКРИВЛЕННЯМ ЇХ ПРУЖНОЇ ОСІ 184 5.1 Вплив локальних перегинів осі свердловини на напружено- деформований стан колон бурильних труб 184 5.1.1 Аналітичний метод дослідження 186 5.1.2 Експериментальний метод дослідження 191 5.2 Напружено-деформований стан пристрою для вимірювання зусиль в колоні бурильних труб, що знаходиться у криволінійній ділянці свердловини 201 5.3 Напружено-деформований стан колони насосно-компресорних труб на ділянці свердловини із просторовим викривленням осі 205 5.4 Вплив просторової деформації низу бурильної колони у прямолінійному нахиленому стовбурі свердловини на відхиляюче зусилля на долоті 212 5.5 Висновки до розділу 5 220 РОЗДІЛ 6 ПРОГНОЗУВАННЯ ВТОМНОЇ ДОВГОВІЧНОСТІ КОЛОН БУРИЛЬНИХ І НАСОСНО-КОМПРЕСОРНИХ ТРУБ .222 6.1 Використання С-критерію для дослідження кінетики поширення втомних тріщин в різьбових з'єднаннях трубних колон 222 6.2 Втомна довговічність трубних колон за складного напружено- деформованого стану 226 6.3 Прогнозування втомної довговічності колон бурильних труб за одночасної дії змінних у часі осьової сили та згинального моменту 237 6.4 Аналіз впливу інтенсивності викривлення, діаметру та початкового зенітного кута криволінійної ділянки свердловини на ресурс колони бурильних труб 249 6.5 Висновки до розділу 6 266 ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ 269 СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 272