Момент затяжки соединений буровых труб: правильный подход для предотвращения выхода соединений из строя

Среди аварий, происходящих в скважине с буровыми трубами, отказ соединений на стыках является одним из наиболее распространённых и наиболее дорогостоящих видов. Причём причина такого отказа нередко кроется в, казалось бы, простом технологическом этапе — моменте затяжки соединения (Make-up Torque).

Слишком большой момент затяжки может привести к залипанию резьбы, расширению соединения и даже его разрушению; слишком малый момент затяжки, в свою очередь, чреват отсоединением на скважине, ослаблением соединений и утечкой бурового раствора. Риски, связанные с неправильным моментом затяжки, могут проявиться лишь спустя несколько тысяч метров спуска в скважину — а к тому времени стоимость их устранения уже значительно превысит затраты на дополнительные несколько минут, потраченных на точную настройку момента.

В данной статье систематически рассматриваются ключевые аспекты затяжки соединений буровых труб моментом: нормативные основы, последствия неправильного момента затяжки, факторы, влияющие на процесс, а также рекомендации по его правильному выполнению.

I. Стандартные основания для крутящего момента затяжки соединений

Соединительная муфта буровой трубы Авторитетной основой для определения крутящего момента затяжки является стандарт API RP 7G «Рекомендуемая практика по проектированию буровых колонн и предельным эксплуатационным режимам». Данный стандарт устанавливает соответствующие рекомендованные диапазоны значений крутящего момента в зависимости от размера соединения, марки стали и типа резьбы (например, серии NC).

Взяв за пример бурильную трубу Φ127 мм с резьбой NC50, согласно API RP 7G требуемое значение крутящего момента при соединении достигает 24 645 фут‑фунтов (33,41 кН·м). Это весьма значительная величина — она наглядно демонстрирует, насколько высокие нагрузки приходятся на соединения бурильных труб.

Рекомендуемые значения крутящего момента, приведённые в API RP 7G, рассчитаны исходя из коэффициента трения смазки для резьбы, равного 0,08. Если фактический коэффициент трения используемой смазки отличается от 0,08, необходимо скорректировать значения крутящего момента.

Различные типы резьбовых смазок обладают различными фрикционными свойствами; использование нерегулированных рекомендованных значений крутящего момента приведёт к недопустимому моменту затяжки.

II. Последствия неправильного крутящего момента

Слишком большой крутящий момент (Over-torque)

Липкая застёжка (галлинг)

Липкая поломка — наиболее распространённое последствие чрезмерного крутящего момента. При избыточном затяжном моменте контактное давление между внутренней и наружной резьбой резко возрастает, что приводит к адгезионному износу поверхности резьбы — то есть металлы непосредственно «свариваются» друг с другом, а затем разрываются. Анализ причин отказа соединений бурильных труб G105 на одном из нефтяных месторождений показал, что основной причиной их выхода из строя является адгезионный износ, обусловленный чрезмерным крутящим моментом во время затяжки.

Расширение и разрыв соединения

Перегрузка по крутящему моменту приводит к тому, что давление на упорную поверхность торцевого выступа соединения превышает предел текучести материала, что вызывает относительное смещение уже затянутых внутренних и наружных резьбовых соединений и, как следствие, сжатие и деформацию поверхностей зацепления резьбы и торцевой упорной поверхности. По мере дальнейшего увеличения относительного смещения коническая часть наружной резьбы входит в соединение с внутренней резьбой, что приводит к расширению и деформации внутреннего соединения, а в некоторых случаях — к разрушению зацепления и выходу из строя.

Провал вспомогательного плечевого уступа

Для Соединение буровой штанги с двойным уступом Слишком большой крутящий момент повышает контактное давление на вторичном уступе, увеличивая риск его разрушения и одновременно существенно повышая долю нагрузки, воспринимаемую резьбовыми витками.

Слишком малый крутящий момент (Under-torque)

Снижение отключения под землёй

Недостаточный момент затяжки соединения означает, что предварительное натяжение в соединении недостаточно. Под воздействием сложных нагрузок на растяжение, кручение и изгиб, возникающих в скважине, соединение может самостоятельно ослабиться — именно это и является причиной аварий, известных как «дополнительная затяжка в скважине» или «самопроизвольное раскручивание».

Утечка бурового раствора

Недостаточный крутящий момент не позволяет сформировать эффективное уплотнение на торцевой поверхности, в результате чего буровой раствор может утечь из соединения, что приводит к потерям циркуляционного давления и проблемам с очисткой ствола скважины.

Усталость соединения

При недостаточном крутящем моменте относительное движение соединения под действием переменных нагрузок ускоряет усталостное повреждение резьбы, сокращая срок службы буровой штанги.

III. Ключевые факторы, влияющие на крутящий момент затяжки резьбового соединения

1. Коэффициент трения смазки для резьбы

Это наиболее ключевой фактор, влияющий на крутящий момент затяжки. Рекомендуемое значение крутящего момента согласно API RP 7G рассчитано при коэффициенте трения, равном 0,08. Если фактический коэффициент трения используемой резьбовой смазки превышает или ниже 0,08, то при одном и том же значении крутящего момента предварительное натяжение соединения будет существенно различаться.

Чем выше коэффициент трения резьбовой смазки, тем меньший крутящий момент требуется для достижения той же предварительной затяжки соединения. При использовании резьбовой смазки с высоким коэффициентом трения при одинаковых напряжениях в соединении можно получить более высокий момент затяжки, чем при применении смазки по стандарту API.

Рекомендация по практическому применению: при смене марки или типа резьбовой смазки обязательно уточняйте её относительный коэффициент трения и в соответствии с этим корректируйте значение крутящего момента затяжки.

2. Размеры соединения и тип резьбы

Для соединений различных размеров и типов резьбы рекомендуемые значения крутящего момента различаются. В таблице крутящих моментов, приведённой в стандарте API RP 7G, для серий NC, REG и FH предусмотрены соответствующие диапазоны значений крутящего момента.

3. Класс буровой штанги

Рекомендуемые моменты затяжки для новых бурильных труб, бурильных труб премиум‑класса и бурильных труб класса 2 различаются. Чем ниже класс, тем ниже допустимый предел крутящего момента. При использовании старых бурильных труб следует ориентироваться на значения крутящего момента, соответствующие их фактическому классу, а не следовать стандартам для новых бурильных труб.

4. Состояние резьбы

Чистота резьбы, степень её износа и наличие повреждений — всё это влияет на фактически необходимый момент затяжки. Если резьба загрязнена, на ней имеются заусенцы или повреждения, то даже при правильно установленном значении момента соединение может не обеспечить надёжной герметичности.

IV. Пять шагов правильного навешивания крюка

Шаг первый: очистка резьбы

Перед навинчиванием тщательно очистите резьбу и торцевую поверхность, удалив грязь, ржавчину и старую смазку для резьбы. Любые посторонние частицы могут повлиять на точность крутящего момента.

Шаг второй: проверьте состояние резьбы

Проверьте резьбу на наличие повреждений, износа или деформации. Дефектная резьба не допускается к вводу в скважину.

Шаг третий: нанесите смазку для резьбы

Равномерно нанесите резьбовую смазку, соответствующую требованиям API. Обратите внимание на различие между хранительной и рабочей смазками: хранительная смазка применяется для долгосрочного хранения с целью предотвращения коррозии, а рабочая — для операций по завинчиванию муфт. Перед использованием необходимо полностью удалить хранительную смазку.

Шаг четвёртый: подтвердите значение крутящего момента

В соответствии со спецификацией бурильной трубы, её маркой стали, типом резьбы и классом прочности следует обратиться к таблице крутящих моментов API RP 7G для определения требуемого значения крутящего момента. При использовании нестандартной резьбовой смазки значение крутящего момента необходимо скорректировать с учётом соответствующего коэффициента трения.

Шаг пятый: контроль процесса навешивания крюка

Используйте затягивающее оборудование с функцией контроля крутящего момента для непрерывного мониторинга кривой крутящего момента. Крутящий момент должен плавно нарастать до заданного значения; при возникновении аномальных колебаний (резкого повышения крутящего момента или необычной плато‑образной стадии) следует немедленно остановить процесс и провести проверку.

V. Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Вопрос 1: Чем больше крутящий момент затяжки, тем лучше?

Нет. Избыточный крутящий момент может привести к залипанию резьбы, расширению соединения и даже его разрушению. Крутящий момент должен строго контролироваться в пределах, рекомендованных API RP 7G.

Вопрос 2: Одинаковы ли моменты затяжки новой и старой бурильных труб?

Различается. В API RP 7G для бурильных труб различных классов (New, Premium, Class 2) указаны разные рекомендуемые значения крутящего момента. Для старых бурильных труб верхний предел крутящего момента ниже.

Вопрос 3: Почему после замены смазки для резьбы при том же значении крутящего момента ощущается «неправильность»?

Коэффициенты трения различных смазок для резьбы различаются. Значения крутящего момента, приведённые в API RP 7G, рассчитаны при коэффициенте трения 0,08. Если коэффициент трения новой смазки отличается, значения крутящего момента необходимо скорректировать с учётом её относительного коэффициента трения.

Вопрос 4: Что делать, если нет оборудования для мониторинга крутящего момента?

Рекомендуется оснастить оборудованием. Операция навинчивания без контроля крутящего момента равносильна «слепому» вкручиванию — невозможно убедиться, достигнута ли требуемая предварительная затяжка соединения. Для ключевых участков скважины контроль крутящего момента является абсолютно необходимым.

Вопрос 5: Что делать, если во время завинчивания муфты крутящий момент внезапно возрастает?

Немедленно остановите операцию. Резкое повышение крутящего момента обычно свидетельствует о плохой центровке резьбы, наличии посторонних предметов или повреждении резьбы. Продолжение затяжки может привести к разрушению соединения.

VI. Заключение

Крутящий момент затяжки соединений буровых труб — это не та операция, при которой «достаточно примерно». Отклонение значения крутящего момента всего на 10% может привести к отклонению предварительного натяжения соединения более чем на 30%; и именно эта разница может напрямую определить, будет ли буровая труба в скважине эксплуатироваться безопасно или выйдет из строя раньше срока.

Правильное управление крутящим моментом не требует дополнительных затрат — достаточно стандартизированных операционных процедур и необходимого контрольного оборудования. И именно это является наиболее экономичным и эффективным способом предотвращения выхода соединений из строя.

Вам необходимо оценить поставщиков буровых труб для вашего проекта или получить профессиональные рекомендации по закупкам?

Компания Hebei Longway Petroleum Equipment Co., Ltd.

Получить профессиональную техническую поддержку 

Компания Hebei Longway обладает международными сертификатами API 5DP, API 7‑1 и другими; она располагает полной производственной цепочкой — от ковки соединительных элементов до нанесения внутреннего покрытия, обеспечивает проведение независимой инспекции третьей стороной, а её продукция поставляется более чем в 40 стран мира. 

1. На запросы отвечаем в течение 12 часов.
2. Мы — профессиональный производитель с конкурентоспособными ценами и принимаем заказы по схемам DEM/ODM.
3. Наша сервисная команда обеспечивает круглосуточную техническую поддержку; все вопросы решаются в течение 24 часов.
4. Точное качество, своевременная доставка, индивидуальный сервис.