Predicting remaining lifetime of drill pipes basing upon the fatigue crack kinetics within a pre-critical period

Abstract

Purpose is to determine regularities of the development of corrosive fatigue cracks in terms of high-strength drill pipes. Methods. Basing upon the approaches of the material failure mechanics, the crack has been characterized by the area that is the integral characteristic. Having applied the equivalent area methods, semicircle fatigue crack has been considered instead of the plane fatigue crack of the arbitrary shape; the semicircle fatigue crack is equivalent to the plane fatigue crack of the arbitrary shape in terms of the area. Kinetics of its growth has been analyzed basing on the solution of the first order differential equation which determines dependence of the equivalent semicircle radius upon the number of loading cycles in terms of the specified initial condition. Critical radius dimension has been defined provided that the condition of transition to unstable failure is met within at least one contour point. Findings. Remaining lifetime of drill pipe TBPV 127×9.19 S-135 with the detected cross crack of the fixed area has been evaluated; in terms of the specified operating modes, the lifetime was 653000 cycles, i.e. 181 hours. According to the production data, that pipe operated 3215 hours in the well including 200 hours after the last defectoscopy; that correlates with the obtained results. Originality. The proposed mathematical model of the fatigue crack development makes it possible to calculate the remaining lifetime of drill pipes approximately but sufficiently enough for practical needs. Practical implications. The obtained regularities may be used to sort out the defected pipes as well as to substantiate periodical non-destruction control in the process of drilling and tripping operations. Studies of the fatigue crack growth may be the basis to develop measures aimed at reducing stresses effecting the drill string and minimizing washout formations; that will help prolong the drill pipe life.

Мета. Визначення закономірностей розвитку тріщин корозійної втоми у високоміцних бурильних трубах. Методика. На основі підходів механіки руйнування матеріалів тріщину охарактеризовано площею, яка є інтегральною характеристикою. Скориставшись методом еквівалентних площ, замість плоскої втомної тріщини довільної конфігурації розглянуто еквіваленту їй за площею напівкругову втомну тріщину. Досліджено кінетику її росту на основі розв’язку диференціального рівняння першого порядку, який визначає залежність радіуса еквівалентного півкола від числа циклів навантаження за заданої початкової умови. Критичний розмір радіусу визначено з умови того, що хоча б в одній точці контуру досягається умова переходу до нестабільного руйнування. Результати. Оцінено залишковий ресурс бурильної труби ТБПВ 127×9,19 S-135 з виявленою поперечною тріщиною фіксованої площі, який при заданих режимах роботи склав 653000 циклів, тобто 181 годину. За промисловим даними ця труба відпрацювала в свердловині 3215 годин, в тому числі 200 годин після останньої дефектоскопії, що корелює з отриманим результатом. Наукова новизна. Запропонована математична модель розвитку втомної тріщини дає змогу наближено, з достатньою для практики точністю, розраховувати залишковий ресурс бурильних труб. Практична значимість. Одержані закономірності можуть бути використані для відбракування пошкоджених труб, а також для обґрунтування проведення періодичного неруйнівного контролю в процесі буріння та проведення скускопідіймальних операцій. На основі вивчення процесу росту втомної тріщини можна розробляти заходи щодо зменшення напружень, які діють на бурильну колону, звести до мінімуму утворення промивин, що дозволить збільшити довговічність бурильних труб.

Цель. Определение закономерностей развития трещин коррозионной усталости в высокопрочных бурильных трубах. Методика. На основе подходов механики разрушения материалов трещину охарактеризовано площадей, которая является интегральной характеристикой. Воспользовавшись методом эквивалентных площадей, вместо плоской усталостной трещины произвольной конфигурации рассмотрено эквивалентую ей по площади полукруговую усталостную трещину. Исследована кинетика ее роста на основе решения дифференциального уравнения первого порядка, которое определяет зависимость радиуса эквивалентного полукруга от числа циклов нагружения при заданных начальных условиях. Критический размер радиуса определен из условия того, что хотя бы в одной точке контура достигается условие перехода к нестабильному разрушению. Результаты. Оценен остаточный ресурс бурильной трубы ТБПВ 127×9,19 S-135 с выявленной поперечной трещиной фиксированной площади, который при заданных режимах работы составил 653000 циклов, то есть 181 час. По промышленным данным эта труба отработала в скважине 3215 часов, в том числе 200 часов после последней дефектоскопии, что коррелирует с полученным результатом. Научная новизна. Предложенная математическая модель развития усталостной трещины позволяет приближенно, с достаточной для практики точностью, рассчитывать остаточный ресурс бурильных труб. Практическая значимость. Полученные закономерности могут быть использованы для отбраковки поврежденных труб, а также для обоснования проведения периодического неразрушающего контроля в процессе бурения и проведения спускоподъемных операций. На основе изучения процесса роста усталостной трещины можно разрабатывать меры по уменьшению напряжений, действующих на бурильную колонну, свести к минимуму образование промоин, что позволит увеличить долговечность бурильных труб.