ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТОВ ПО ОБРАЗОВАНИЮ - Ð£Ñ Ñ‚Ð¸Ð½ÑÐºÐ¸Ð¹ ...

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
УХТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ И МЕТОДИКА РАСЧЕТА
СТЕКЛОПЛАСТИКОВЫХ ТРУБ
Учебное пособие
УХТА 2006

2
УДК 621.643:678.067.5
И 88
Авторский коллектив:
В.А. Аванесов, В.Ф. Буслаев, И.В. Панцерно, А.В. Сальников
Исследование свойств и методика расчета стеклопластиковых труб [Текст]:
учеб. пособие / В.А. Аванесов [и др.]. – Ухта: УГТУ, 2006. – 111 с., ил.
ISBN 5-88179-422-2
Учебное пособие предназначено для студентов специальностей 170200
«Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов» и 090600 «Разработка
и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений».
В пособии рассмотрены вопросы расчета обсадных труб из композиционных
стеклопластиковых материалов на основе современных методик и критериев,
позволяющих оценить работоспособность труб при различных способах
эксплуатации. Это позволяет студентам проводить инженерные расчеты, необходимые
в практике работы с нефтепромысловым оборудованием.
Пособие позволяет студенту самостоятельно поставить задачу, составить
алгоритм ее решения, проанализировать и оценить его достоверность.
Пособие разработано в соответствии с учебным планом дисциплины
«Машины и оборудование для бурения скважин».
Рецензенты: кафедра «Машины и оборудование нефтяной и газовой промышленности»
Тюменского государственного нефтегазового университета; гл. технолог
филиала «Севербургаз» ООО «Бургаз», к.т.н. А.М. Миленький.
© Ухтинский государственный технический университет, 2006
© В.А. Аванесов, В.Ф. Буслаев, И.В. Панцерно, А.В. Сальников, 2006
ISBN 5-88179-422-2

3
Содержание
Введение ………………………………………………………………………6
1. Стеклопластиковые трубы для крепления и эксплуатации
нефтегазовых скважин…………………………………………………………...13
1.1 Анализ состояния вопроса применения композиционных
материалов для обсадных труб……………………………………………………13
1.2 Сравнительная характеристика эксплуатационных показателей при
креплении и эксплуатации скважин трубами из металлических, остеклованных,
эмалированных, полимерных и стеклопластиковых материалов……..………...18
1.3 Формирование и научная постановка задач исследований по созданию
труб из композитов для крепления и эксплуатации скважин…………………...25
1.4 Научные и практические рекомендации по выбору композиционных
материалов…………………………………………………………………...……...32
1.5 Выводы…………………………………………………………………...34
2. Расчет нагрузочных и прочностных характеристик стеклопластиковых
труб……………………………………………………………...…………..39
2.1 Расчет прочностных характеристик СПОТ по методике
ВНИИТнефти……………………………………………………………………….39
2.1.1 Расчет СПОТ на страгивающую нагрузку…………………………...39
2.1.2 Расчет предельного внутреннего давления…………………………..40
2.1.3 Расчет предельного наружного давления……………………………41
2.1.4 Расчет при совместном действии осевого усилия (растяжения) и
наружного
давления…………………………………………………………………..43
2.1.5 Расчет при совместном действии осевого усилия (сжатия) и внутреннего
давления………………………………………………………………...…44
2.1.6 Расчет при совместном действии изгиба и сжатия………………….45

4
2.2 Расчет СПОТ на прочность, при совместном действии осевой силы и
давления, по обобщенной теории прочности И.И. Гольденблата для стеклопластиков……………………………………………………………………………..…46
2.3 Анализ критериев прочности анизотропных пластиков……………...51
2.4 Обобщенная теория прочности стеклопластиков……………………..58
2.5 Оценка надежности клинового захвата для производства спускоподъемных
операций………………………….……………………………………61
2.5.1 Разработка математической модели клинового захвата…………….61
2.6 Выводы…………………………………………………………………...65
3. Исследование свойств стеклопластикового материала обсадных
труб……………………………………………………………...………………….68
3.1 Испытание стеклопластиковых труб на внутреннее давление……….69
3.1.1 Определение необходимых размеров образцов для испытаний……70
3.1.2 Разработка схемы и необходимого количества измерений…………71
3.1.3 Оценка точности измерительных приборов…………………………72
3.1.4 Выбор и обоснование режимов испытаний………………………….72
3.2 Испытание стеклопластиковых образцов в коррозионно-активных
средах………………………………………………..…………………….………...73
3.2.1 Разработка задачи и схемы испытаний, конструкции испытательных
и измерительных приборов…………………………………………………...……75
3.2.2 Определение и обоснование формы и размера образцов……….…..75
3.2.3 Определение состава сред для испытаний…………………………...77
3.2.4 Обоснование режимов и параметров для испытаний……………….77
3.3 Испытания образцов стеклопластиковых труб на разрыв…………….78
3.3.1 Выбор испытательных машин и приборов…………………………..79
3.3.2 Обоснование размеров и форм образцов…………………………….80
3.3.3 Обработка результатов испытаний…………………………………...82
3.4 Исследования влияния агрессивных сред и повышенных температур
на прочностные характеристики СКМ, применяемых для производства обсадных
труб……………………………………………………………………..………85

5
3.4.1 Методика испытаний………………………………………………….86
3.4.2 Обоснование размеров и форм образцов…………………………….88
3.4.3 Выбор испытательных машин, приборов и режима испытания……91
3.4.4 Обработка результатов испытаний…………………………………...92
3.4.5 Анализ результатов экспериментов…………………………………..92
3.5 Выводы………………………………………………..……………..….100
4. Результаты промысловых испытаний…………………..………......104
Библиографический список………………………………………………109

6
Введение
Современная тенденция поиска, разведки и разработки месторождений
углеводородов связана с проведением буровых работ на больших глубинах, в
северных и арктических районах, характеризующихся экстремальными геолого-техническими
условиями. Эффективность проведения этих работ во многом
предопределяется качеством крепления скважин, возможностью предупреждения
смятия и коррозии обсадных колонн, получения достоверной информации
о пространственном строении залежей и контроля за последующей их разработкой.
Совершенствование строительства скважин и повышение надежности
крепи в осложненных условиях эксплуатации (воздействия коррозионноагрессивных
сред, повышенной температуры и горного давления) обуславливается,
в первую очередь, подбором высокоэффективных конструкционных материалов
обсадных труб, методов их технологической обработки и формирования
поверхности.
Перспективным направлением повышения эксплуатационной надежности
обсадных труб является применение композиционных материалов на основе
термореактивных пластмасс, армированных стекловолокном, называемых стеклопластиковыми
композиционными материалами (СКМ) или стеклопластиками,
с физико-химическими и механическими свойствами, позволяющими также
эффективно противостоять проблемам, связанным с переносом поиска, разведки
и разработки месторождений углеводородов в северные регионы, характеризующиеся
экстремальными геолого-техническими условиями.
Стеклопластиковые трубы в силу специфики материала обладают рядом
свойств, выгодно отличающих их от традиционно применяемых в нефтяной и
газовой промышленности. Выполненные на основе термоактивных смол, они
превосходят по механическим свойствам стеклопластики, в которых в качестве
связующего используют все прочие виды смол (фенольные, фурановые, кремний-органические),
и являются самыми прочными из пластмассовых труб.

7
К основным преимуществам стеклопластиковых труб над стальными следует
отнести: высокую удельную прочность; легкость по сравнению со стальными
трубами (плотность стеклопластиков 1,3 – 1,9 г/см3, стали, в среднем –
7,8 г/см 3 ); малые гидравлические сопротивления вследствие высокой гладкости
внутренней поверхности, а следовательно, и повышенную пропускную способность;
сохранение прочности труб при низких температурах; высокую коррозионную
стойкость; минимальные затраты на хранение, транспорт, погрузочноразгрузочные
и монтажные работы; малую экранирующую способность распространению
электромагнитного излучения; стойкость к отложениям парафина;
высокие адгезионные свойства сцепления с цементным камнем; длительный
срок службы (от 20 до 40 лет в зависимости от условий эксплуатации, в то время
как стальные трубы требуют замены через 2 – 10 лет); малую теплопроводность
(теплопроводность стеклопластика стек.=0,98 Вт/мК, теплопроводность
стали ст.=52 Вт/мК).
Широкая классификация номенклатуры полимерных труб позволяет
адаптировать характерные физико-химические свойства отдельных групп полимеров
для конкретных свойств добываемого флюида и химических свойств
интенсификаторов.
В отличие от металлов, подвергающихся коррозии, стеклопластики
обычно корродируют либо очень быстро, либо совсем не изменяются. Поэтому
считают, что если не произошло изменений за 7 дней, то пластик будет устойчив
в течение длительного времени. Если исключить субъективные факторы,
связанные с некачественным изготовлением труб из стеклопластика (недостаточная
прочность связи смолы с наполнителем, наличие пустот и микроскопических
трещин), при прочих равных условиях химическая стойкость стеклопластиков
в основном определяется химической стойкостью связующего. Эффективность
защиты стальных труб напрямую связана с их стоимостью, когда относительно
дешевые по себестоимости трубы из стеклопластика испытаны более
чем в 370 агрессивных средах.

8
Существенной особенностью стеклопластиков является ярко выраженная
анизотропия их механических свойств. Механические свойства этих композитов
зависят от расположения армирующего компонента, а поведение их под
нагрузкой аналогично поведению идеально упругого тела – армирующего компонента
стеклопластика, для которого напряжение прямо пропорционально деформации,
при высокоэластическом состоянии связующего, для которого
напряжение прямо пропорционально скорости деформации и не зависит от величины
деформации.
Анизотропией обладают упругие и прочностные свойства стеклопластиков,
их способность к деформированию во времени (ползучесть), а также способность
к длительной прочности.
Стеклопластики обладают также высокой усталостной прочностью, что
наряду с большими демпфирующими свойствами повышает их конкурентоспособность
по сравнению с конструкционными материалами и сплавами, традиционно
применяемыми в нефтегазовой промышленности.
Говоря о преимуществах стеклопластиковых труб над прочими, нельзя не
упомянуть так же и о том, что технологический процесс их изготовления позволяет
придавать конечному изделию необходимые по эксплуатационным
условиям свойства. Так, благодаря анизотропии материала, изменяя ориентацию
стекловолокон, можно варьировать значениями пределов прочности в различных
направлениях (например, получить предел прочности в тангенциальном
направлении до 700 МПа, а в осевом до 350 МПа, как на растяжение, так и на
сжатие). Использование в качестве добавок широкой номенклатуры связующих
и наполнителей делает возможным изготовление стеклопластиковых труб с физико-химическими
свойствами, акцентированными на конкретных условиях
применения. Например, введение в состав армирующего компонента угольных
волокон приводит к увеличению теплостойкости стеклопластика, а фурановые
смолы в комбинации с эпоксидными повышают его химическую стойкость.
Главная особенность всех композиционно-волокнистых материалов,
включая и стеклопластик, заключается в том, что формирование их состава и

9
структуры, то есть получение конструкционного материала с заданными физико-механическими
свойствами, технологически совмещено с формированием
конфигурации самого изделия. На рисунке 1 представлены способы изготовления
слоистых намотанных композитов с полимерной матрицей.
Рис. 1. Изготовление слоистых намотанных композитов
а – общая схема изготовления СКМ; б – схема изготовления многослойного
листового СКМ; в – схема изготовления многослойного намотанного СКМ
На основании обзора печатных изданий и патентной проработки можно
говорить о наметившейся в настоящее время тенденции отечественных и зарубежных
производителей к созданию многослойных труб, каждая из оболочек
которых выполняет определенные функции, что конструктивно позволяет повысить
прочностные характеристики, снизить газопроницаемость и расширить
диапазон применения таких труб. (Так, например, основной несущей частью
трубы является оболочка из высокопрочной стекловолокнистой ровницы, полученной
намоткой – как правило, наружная или промежуточная оболочка. Внутренняя
оболочка наматывается из тонкого акрилового волокна, что придает

10
трубе высокую стойкость к истиранию. Эта оболочка является прочным каркасом
трубы, противостоящим механическим нагрузкам. В зависимости от области
применения, вводят газонепроницаемую, теплоизоляционную или коррозионностойкую
оболочку.)
Другими словами, вопросы конструирования изделия решаются одновременно
с разработкой рецептуры и структуры композиционно-волокнистых материалов.
Таким образом, возможно получение изделий с заданными физикомеханическими
свойствами.
Выбирая необходимые компоненты композитных материалов и схемы
армирования, применяя различные технологические схемы намотки (поперечную,
продольную, спирально-винтовую, продольно-поперечную, плоскостную
и др.), можно изготовлять легкие, высокопрочные и герметичные трубы. Толщина
стенки трубы может быть практически любой (чаще всего устанавливается
расчетом), причем в равной степени легко выполнить изделие как постоянной,
так и переменной толщины.
Весь комплекс свойств, которыми обладают СКМ, а также наметившаяся
в настоящее время тенденция отечественных и зарубежных производителей к
созданию многослойных стеклопластиковых трубных конструкций, каждая из
оболочек которых выполняет определенные функции, создают предпосылки к
применению композитов в качестве стеклопластиковых обсадных труб (СПОТ)
для крепления глубоких нефтяных и газовых скважин в осложненных условиях.
За последние годы в Российской Федерации проводятся исследования по
разработке и применению новых композиционных материалов (КМ), армированных
стеклонитью, и организовано производство их компонентов. Для работы
в осложненных и экстремальных условиях на основе высокопрочных стекловолокон
разработаны и применены КМ, имеющие физико-механические характеристики,
сопоставимые с характеристиками конструкционных сталей, а по
некоторым параметрам (плотность, предел прочности при воздействии внутреннего
и наружного давления) превосходящие их.
Традиционными методами упрочнения (легирование, образование мета-

11
стабильных пересыщенных твердых растворов или гетерофазных дисперсных
систем) получают КМ прочностью не более 20 – 30 МПа и пределом усталости
не выше 30% от предела прочности. Армирование КМ стеклянными волокнами
повышает эти характеристики соответственно до 50 – 70 МПа и 70%, а направления
расположения волокон в разных слоях КМ при изготовлении СПОТ позволяют
регулировать их свойства в плоскости армирования. Для снижения анизотропии
механических свойств КМ с однонаправленным и ортогональным армированием
используют высокомодульные стеклонити повышенной прочности.
Применяют также полиматричные КМ, в которых для повышения прочности
под углом к основным направлениям армирования используют поочередно
слои матрицы из нитей с различными механическими свойствами.
КМ с матрицами из стеклянных нитей имеют высокую прочность и жесткость,
малую чувствительность к изменениям температуры и тепловым ударам,
стойкость против коррозии и эрозии, способность противодействовать отложениям
асфальтенов и парафинов, высокие демпфирующие свойства, малые
электро- и теплопроводность, малую экранирующую способность для излучения
скважинных систем радио- и телеметрии, что значительно расширяет область
применения стеклопластиковых обсадных труб (СПОТ).
На данный момент имеется опыт применения стеклопластиковых труб,
использующихся для транспортировки шламов, абразивосодержащих, химически
активных сред, нефти и газа, а также единичные случаи использования
насосно-компрессорных и обсадных труб из СКМ в водных и нефтегазовых
скважинах глубиной до 2600 м. Наиболее распространены муфтовые резьбовые
соединения таких обсадных труб по ГОСТ 632–64 с треугольной резьбой и посредством
специальной конической резьбы МК (профиль по РТМ 26-02-15-72).
Однако их широкое использование сдерживается на данный момент отсутствием
научно обоснованных положений, позволяющих еще на этапе конструирования
сформулировать требования к характеристикам таких труб, и
апробированных методик расчета, учитывающих как специфику свойств самого
материала труб, так и конкретных условий их эксплуатации.

12
Разработка новых и адаптация уже существующих методик конструирования
и расчета обсадных труб, создание многослойных оболочек из СКМ, а
так же исследование поведения стеклопластикового материала под нагрузкой в
условиях, близких к эксплуатационным, становится в настоящее время актуальным
и современным фактором развития нефтегазовой отрасли.

13
1. Стеклопластиковые трубы для крепления и эксплуатации
нефтегазовых скважин
1.1 Анализ состояния вопроса применения композиционных
материалов для обсадных труб
При бурении скважин и их эксплуатации существует устойчивая тенденция
применения полимерных покрытий и КМ. Это объясняется наличием у них
ряда свойств, позволяющих выполнять многочисленные функции, и возможностью
создания КМ с избирательными прочностными характеристиками для их
использования в осложненных литологических условиях.
КМ защищают поверхности оборудования от коррозионного воздействия
эксплуатационных сред, предотвращают образование на них отложений парафинов
и солей, защищают оборудование от гидроабразивного и коррозинномеханического
износа, снижают гидравлические потери, обеспечивают чистоту
продуктов при их транспортировке и хранении.
В настоящее время накоплен опыт применения нефтепромысловых труб
из КМ в буровой и нефтегазодобывающей промышленности в качестве обсадных
в интервале залегания продуктивного пласта для скважин глубиной до
2400 м. Наряду с этим, вопрос использования труб из КМ для условий, осложненных
экстремальными эксплуатационными нагрузками на больших глубинах
залегания разрабатываемой залежи, в условиях многолетнемерзлых пород, присутствия
солевых отложений, плывунов, химически агрессивных жидкостей
остается недостаточно изученным.
Одним из перспективных направлений исследования свойств композиционных
труб является промысловая геофизика и геологоразведка. Повышение
эффективности геологоразведочных работ особенно актуально для газонефтяного
комплекса северо-востока Европейского севера, где вероятность открытия
крупных «хрестоматийных» антиклинальных ловушек на глубинах до 2400 м
является на ближайшее будущее проблематичным. Поэтому наряду с такими

14
методами поисков, как пространственная трехмерная сейсморазведка, структурометрическая
космическая съемка все более значительная роль отводится методу
волновой геоинтроскопии межскважинного пространства. Возможности
радиоволновой геоинтроскопии особенно эффективны при использовании обсадных
труб из КМ, как изображено на рисунке 2 и рисунке 3.
Наиболее оптимальным соотношением физико-механических свойств,
отработанной технологией их производства и благоприятными экономическими
предпосылками обладают СПОТ, которые применяются в бурении на территории
РФ.
Применение электроизоляционных СПОТ позволяет повысить эффективность
методов промысловой геофизики для решения задач по контролю за разработкой
нефтяных залежей. Крепление ствола скважины в интервалах продуктивных
отложений СПОТ позволяет значительно расширить арсенал методов
контроля нефтенасыщенности пластов, их разработки и технологических процессов
за счет использования эффективных высокочастотных методов электрометрии
– индукционного и диэлектрического каротажа, низкочастотных акустических
методов
Периодические измерения, выполняемые приведенными выше геофизическими
методами в контрольных и добывающих скважинах со СПОТ, позволяют
количественно оценивать текущую и остаточную нефтенасыщенность пластов.
СПОТ обладают физико-механическими свойствами, достаточно высокими
для того, чтобы использовать их в качестве несущего элемента крепи скважин
в интервалах продуктивных отложений на больших глубинах и в осложненных
условиях.
За период с апреля 1997 года по февраль 1998 года СПОТ были обсажены
продуктивные интервалы на пяти скважинах Пермской и Тюменской областей.
Ниже приведены результаты этих работ:
1. В апреле 1997 года произведено крепление продуктивного интервала
(«бобриковский») на скважине №409-бис Ярино-Каменоложского месторожде-

15
Рис. 2. Трехмерная геологическая карта нефтяного месторождения в
карбонатном рифе, полученная при помощи метода радиоволновой
геоинтроскопии.

16
Рис. 3. Геоэлектрический разрез месторождения нефти по данным РВГИ.
ния. Трубы спущены в боковой отвод от основного ствола скважины. Это первый
в Европе подобный опыт спуска композиционных труб в боковой отвод.
2. В августе 1997 г. со СПОТ проведены работы в скважине N 359 Уньвинского
месторождения, принадлежащих ЗАО «Лукойл-Пермь». Впервые в
практике обсаживались два продуктивных интервала. Между участками СПОТ
длиной 30 м «турне-фаменского» интервала (отметки 2200 м и 2170 м) и длиной
130 м «бобриковского» интервала (отметки 1955м и 1835м) были установлены
стеклопластиковые обсадные трубы 146х7,7 длиной 215 м. Сборка, спуск
и цементирование СПОТ производились без замечаний. Скважина сдана в эксплуатацию
и на ней продолжаются геофизические исследования.
3. В октябре 1997г. производилось крепление двух интервалов скважины
N 646 Уньвинской площади (заказчик ЗАО «Лукойл-Пермь»). Глубина забоя
2429 м, отметки концов участков, обсаженных СПОТ, 2395 м, 2326 м, 2080 м и
2010 м. Произведен весь цикл геофизических исследований, подтвердивших

17
успешное завершение работ. Между скважинами N 359 и N 646 произведено
межскважинное радиопросвечивание по новой технологии, имеющей мировую
новизну.
4. В ноябре 1997 г. проведены работы по спуску СПОТ на скважине
N6131 «К» куста 205 Тевлино-Русскинского месторождения. Заказчик – ОАО
«Когалымнефтегаз». Забой скважины – 2566-2512 м, интервал спуска СПОТ
2566-2512 м. Отличительной особенностью этих работ явилась высокая температура
в интервале спуска СПОТ, достигающая 80° С, поэтому трубы были изготовлены
с применением теплостойкого связующего «ЭТАЛ-245».
5. В январе 1998 г. производилось крепление СПОТ продуктивного интервала
на скважине N 6146, куст 184 Тевлино-Русскинского месторождения.
Работы производились аналогично предыдущей скважине N 6131 «К». Технологических
и технических осложнений по спуску и цементированию не было.
Опрессовка подтвердила высокую герметичность колонны.
Первые результаты геофизических исследований методами индукционного
каротажа и межскважинного радиопросвечивания в скважинах с применением
СПОТ подтвердили резкое повышение качества и объема информации о динамике
выработки запасов и геологическом строении недр. Обладание этой информацией
позволяет уменьшить количество скважин при разработке месторождений
на 10-15 % с сохранением их суммарного дебита.
Полученные данные свидетельствуют о положительной тенденции объемов
применения СПОТ для крепления и дальнейшего освоения скважин. В связи
с этим возникает необходимость создания расчетных методик, оценки возможности
применения СПОТ на глубинах свыше 2400 м и наружных давлениях
до 45 МПа, создания и испытания стеклопластиковых труб повышенной прочности.
Стоимость СПОТ при существующей технологии их производства превышает
стоимость традиционно применяемых стальных труб, однако, стоимость
скважины при их применении в продуктивных интервалах возрастет не
более, чем на 0,8 % . В то же время сокращение количества скважин, по данным

18
экономических расчетов ЗАО «Пармапласт» и ООО «Лукойл-Бурение-Пермь»,
позволит получить годовой экономический эффект 3...4 рубля на один рубль
затрат.
1.2 Сравнительная характеристика эксплуатационных показателей
при креплении и эксплуатации скважин трубами из металлических,
остеклованных, эмалированных, полимерных и стеклопластиковых
материалов
Крупные мировые нефтяные компании с 60-х годов поставили перед рядом
научно-исследовательских объединений и фирм задачу поиска композитов
на основе составов эпоксидных и полиэфирных смол, армированных стекловолокном,
для изготовления труб, предназначенных для добычи и транспортировки
нефти и газа.
Стеклопластиковые трубы эксплуатировались при перекачке коррозионно-активной
минерализованной воды под низким (до 2 МПа) давлением, а затем
стали использоваться для перекачки сырой нефти и газа по поверхностным
и подводным трубопроводам.
Современное развитие методов радиометрической разведки, среди которых
ведущее место занимает радиоволновая геоинтроскопия, выдвигает задачу
использования обсадных труб из материалов, имеющих хорошие диэлектрические
свойства. Эти материалы не должны оказывать экранирующего воздействия
на распространение радиоволн и должны обладать при этом прочностными
и нагрузочными характеристиками, обеспечивающими работу колонн при
комплексном воздействии различных факторов. Таким требованиям в наиболее
полной мере отвечают стеклопластиковые трубы. Следует отметить, что при
использовании таких труб необходимо полное соблюдение требований технического
задания, технических требований по строгому соблюдению технологии
их хранения, спуска и эксплуатации.

19
Выполненная работа является одной из первых работ по применению
стеклопластиковых труб для нефтяных и газовых скважин большой глубины,
что является новым направлением использования композитов и требует апробации
в стендовых и промысловых условиях.
При отсутствии научно-методической основы обеспечения комплексной
оценки прочностных и нагрузочных характеристик этих труб особое значение
приобретает технология производства и полное научно-техническое сопровождение.
Применение стеклопластиковых труб в качестве обсадных выводит буровую
и нефтегазодобывающую промышленность, нефтяное машиностроение на
новый качественный уровень, способствует применению новых высокоэффективных
технологий и созданию новых видов техники.
Это объясняется целым рядом свойств стеклопластиков, выгодно отличающих
их от традиционно применяемых в нефтяной и газовой промышленности
материалов.
К основным преимуществам стеклопластиковых труб следует отнести:
• высокую удельную прочность, доходящую до уровня прочности труб из металлических
материалов;
• малую плотность, в 3-4 раза меньшую, чем у стальных труб;
• малые гидравлические сопротивления вследствие высокой гладкости внутренней
поверхности;
• сохранение прочности труб при низких температурах, достигающих –50 0 С;
• высокую коррозионную стойкость;
• минимальные затраты на хранение, транспортировку, погрузочноразгрузочные
и монтажные работы;
• длительный срок эксплуатации, составляющий от 20 до 50 лет;
• малая экранирующая способность распространению радиоволн и электромагнитного
излучения;
• возможность создания избирательной прочностной анизотропии.

20
Кроме вышеперечисленных достоинств, следует отметить устойчивость
стеклопластиковых труб к электрохимической коррозии, приводящей в стальных
трубах к очаговым местным разрушениям.
Нефтепромысловые трубы эксплуатируются в жестких условиях при одновременном
воздействии агрессивной среды, высоких температур, давлений и
механических воздействий (истирание, износ и т.п.). Поверхностные слои
стальных труб разрушаются, преимущественно, в результате двух типов воздействия
среды: коррозионного (разрушение под влиянием агрессивной внешней
среды) и эрозионного (разрушение, вызываемое механическим воздействием).
Агрессивная среда при этом также претерпевает изменения, становясь или
газом, или раствором, или гетерогенной системой, состоящей из частичек твердого
металла в жидкой среде, или образуя химическое соединение с твердым
веществом.
Раздельный подход к механике и коррозии не учитывает совместного
действия коррозии и механических напряжений, вызывающих механохимические
явления, отсутствующие при коррозии ненапряженного металла или при
механическом нагружении без воздействия коррозионной среды, что ведет к
значительному увеличению скорости коррозии напряженного и деформированного
металла по сравнению с ненапряженным (механохимическая коррозия)
или к потере металлом сопротивляемости нагрузкам, намного меньшим стандартных
предела прочности и предела усталости. Хемомеханический эффект,
заключающийся в зарождении и движении дислокаций в металле под действием
коррозионно-активной среды, приводит к изменению его механических
свойств и разрушению. Процесс механического разрушения пленок окислов
сопровождается упруго-пластическими деформациями поверхностного слоя
металла, вскрытием его отдельных участков и контактом химически активных
сред (ХАС) с границей раздела фаз Fe 3 O 4 и FeO. В состав ХАС входят ортофосфорная
кислота, сульфанол и синтанол в пропорциях, оптимальное отношение
которых установлено эмпирическим путем. Хемомеханическую обработку
внутренней поверхности труб осуществляют механической зачисткой

21
турбинным устройством при одновременном поступательном и вращательном
движении рабочих щеток вокруг ее оси в ХАС. Применение в нефтяной и газовой
промышленности хемомеханической обработки внутренней поверхности
труб осуществляется лишь в трубопроводном транспорте для труб большого
диаметра. Использование турбинного вращателя наложило ограничение на минимальные
пределы обрабатываемого диаметра труб, кроме того, хемомеханическая
обработка противопоказана для тонкостенных сосудов малого диаметра.
Состояние поверхности труб является при этом одним из важнейших факторов,
определяющих их работоспособность и рентабельность эксплуатации скважины,
увеличение межремонтного периода, уменьшение гидравлических сопротивлений
и сокращение механохимических взаимодействий на внутренней поверхности,
ведущих к понижению статьи эксплуатационных расходов и повышению
экологической безопасности.
Технологическая наследственность изготовления, механические воздействия
при погрузочно-разгрузочных, транспортных и спуско-подъемных операциях
обуславливают гетерогенность физико-механических и физикохимических
свойств поверхностного слоя, что снижает сопротивление колонны
труб коррозионно-усталостному разрушению в условиях циклического изменения
нагрузок и воздействия активных сред.
Условия эксплуатации труб в скважинах требуют более детального изучения
способности их внутренней поверхности противостоять коррозионным и
эрозионным разрушениям. Малейший очаг локализации циклических нагрузок
неизбежно приводит к пластическим макродеформациям по телу трубы, что
под воздействием внутреннего давления приводит к проявлению зоны зарождения
очага разрушения. Одним из основных способов защиты поверхности
труб нефтепромыслового сортамента является применение защитных материалов,
увеличивающих срок их службы, большую пропускную способность и
устойчивость к коррозии. Образование на внутренней поверхности труб очагов
локализации циклических нагрузок предотвращается барьерным слоем внутри
покрытия трубы.

22
В настоящее время находят применение трубы из стеклопластика или полиэтилена
высокой плотности, поливинилхлорида, жесткого полиэтила, полипропилена,
поливинил-дифторита и полибутена.
Преимущество полимерных труб перед стальными трубами заключается
в следующем: высокая коррозионная стойкость (они стойки к сырой нефти и
газу с любыми агрессивными составляющими), хорошие диэлектрические
свойства, малая плотность (плотность стеклопластиков 1,3…1,9 г/см 3 , стали, в
среднем 7,8 г/см 3 ), позволяющая упростить технологии спуско-подьемных и
подготовительных операций, увеличенный гарантийный срок службы (до 50
лет) и возможность самогерметизации полимерной составляющей при повышении
давления, устойчивость к воздействию кислот и щелочей.
Трубы из композиционных материалов обеспечивают устойчивость к
воздействию более 70 агрессивных сред.
В стране и за рубежом интенсифицируются работы по двум направлениям
– использование стекловолокна для усиления сопротивляемости материала
коррозии, механическим повреждениям и распространению трещин и создание
дешевого композита стекловолокно-смола для многоцелевого использования.
Целевое применение высокопрочного стекловолокна позволяет создать КМ с
прочностью до 45 МПа по главным осям анизотропии (пластиковые трубы
имеют прочность до 5 МПа).
В настоящее время известен широкий ассортимент различных типов стеклопластиков,
обладающих высокой прочностью (не уступающей, а иногда и
превосходящей прочность конструкционных сталей).
На основе анализа прочностных и коррозионных свойств различных КМ
наиболее перспективными в нефтяной промышленности являются стеклопластиковые
трубы. Широкая номенклатура современных стеклопластиковых труб
позволяет адаптировать их характерные физико-химические свойства для конкретных
условий эксплуатации стеклопластиковых труб.
Существенной особенностью стеклопластиков, изготовленных на основе
стеклотканей (стеклотекстолиты), направленных стеклонитей (стекловолокни-

23
ты) и других типов является ярко выраженная анизотропия их физикомеханических
свойств.
Анизотропией обладают упругие и прочностные свойства стеклопластиков,
их способность к деформированию во времени (ползучесть), способность к
длительной прочности и другие механические свойства.
Анизотропия материала стеклопластика позволяет варьировать, изменяя
технологию изготовления труб, (изменяя ориентацию стекловолокон в теле
трубы) допустимые пределы прочности в различных направлениях.
Стеклопластики обладают высокой усталостной прочностью, что в сочетании
с демпфирующими свойствами делает их конкурентоспособными с конструкционными
материалами и сплавами. Анизотропный характер имеют также
коэффициенты линейного расширения и коэффициенты теплопроводности рассматриваемых
типов стеклопластиков.
Анизотропия всех физико-механических свойств стеклопластиков может
быть наиболее эффективно исследована методами современного тензорного
исчисления. Это исчисление не только во много раз сокращает расчеты, но и
придает всем основным формулам обозримость и физический смысл, что дает
возможность проверить инвариантность всех основных уравнений теории пластин
и оболочек, изготовленных из анизотропных стеклопластиков, доказывая
их состоятельность и подтверждая преимущества стеклопластиковых труб, рассчитанных
на внутреннее (до 35 МПа) и наружное (до 45 МПа) давление и глубину
свыше 2400 м.
Благодаря незначительной шероховатости стеклопластиковые трубы имеют
малые, в сравнении со стальными, потери на трение при транспортировке по
ним нефти или природного газа и повышенную на 10–12% пропускную способность.
Сравнительно малая плотность стеклопластиковых труб (1300-1900 кг/м 3 )
позволяет значительно упростить транспортные, вспомогательные и спускоподъемные
операции.

24
Срок эксплуатации стеклопластиковых труб выше, чем у металлических
аналогов. Если стальные трубы требуют замены через 2–10 лет, то стеклопластиковые
трубы обеспечивают надежную эксплуатацию до 50 лет без ремонта.
Основными компонентами стеклопластиковых труб являются эпоксидная
смола и стеклонити. Для ускорения процесса полимеризации в смолу добавляются
отвердитель и ускоритель.
Эпоксидная смола относится к термоактивным пластикам; то есть после
добавки отвердителя и соответствующей термообработки в этой смеси происходят
химические реакции, вследствие которых происходит сшивка макромолекул,
и пластик становится твердым.
Фирмы-производители пластиков имеют свое «ноу хау» по маркам эпоксидной
смолы и компаунду с отвердителем и некоторыми добавками, в том
числе снижающими хрупкость образующейся массы.
Стеклопластик вследствие реакции отверждения поражается микропорами,
которые не проявляются при транспорте по стеклопластиковым трубам воды,
водных эмульсий. Но они газопроницаемы при высоком давлении и требуют
герметизации. Наиболее часто для исключения влияния микропор применяется
герметизирующий слой из полипропилена, полиэтилена или других термопластов.
Распространенная и достаточно простая конструкция герметизированной
стеклопластиковой трубы – это блокировка ее внутренней поверхности полиэтиленовой
пленкой толщиной 500–600мкм. Для обеспечения адгезии пленки к
стеклопластику наносится соответствующий подклеивающий слой типа севелена.
Такое решение обладает рядом недостатков и, в частности, оно не обеспечивает
износостойкость к воздействию эрозионной среды, а при работе в режиме
меняющегося давления транспортируемого продукта пленка отслаивается и
разрушается. Аналогичное явление возникает при набухании пленки в процессе
транспортировки по стеклопластиковым трубам нефти или газового конденсата.
Поэтому герметизирующий слой располагают внутри стеклопластиковой
стенки так, чтобы внутренний слой стеклопластика не терял устойчивости при
резком изменении давления в трубе или между слоями. Соотношение наружно-

25
го и внутреннего слоев стенки трубы относительно герметизирующего слоя
принимается в зависимости от режима работы трубы.
Например, труба конструкции ВНИИСТа имеет внутреннюю оболочку из
полипропиленовой пленки толщиной 0,9–1,0мм, для адгезии которой к стеклопластиковому
патрону она предварительно покрывалась (кашировалась) с одной
стороны слоем стеклоткани.
Другой путь предупреждения отслаивания герметика – это увеличение его
толщины. Такое конструктивное решение принято в стеклопластиковых трубах,
выпускаемых на АОЗТ «КОМПОЗИТ–НЕФТЬ». Они фактически представляют
собой полиэтиленовую трубу, усиленную снаружи слоем стеклопластика.
1.3 Формирование и научная постановка задач исследований по
созданию труб из композитов для крепления и эксплуатации скважин
Исследования физико-химической стойкости в агрессивных средах труб
из полиэтилена доказали техническую возможность и экономическую целесообразность
их применения в качестве обсадных колонн для складирования
вредных отходов химических производств и сточных вод. Подобное заключение
по креплению скважин для закачки сточных вод нефтепромыслов применимо
и к СПОТ.
По данным Oil & Gas Journal, в США компания Smith Fiberglass успешно
работает уже более 25 лет, выпуская для нефтяной промышленности СПОТ,
насосно-компрессорные трубы, все типы фиттингов, различные типы соединений
труб, трубы высокого и низкого давления. Они представляют наиболее широкий
диапазон продукции этого вида в мире — диаметром от 1 до 48 дюймов.
Трубы изготавливаются согласно спецификациям и требованиям Американского
нефтяного института. Нефтепромышленники используют стеклопластиковые
трубы этой компании в тех случаях, когда их специфические преимущества являются
решающими в сравнении с остальными, в частности:

26
• Не используются ингибиторы коррозии, в связи с чем увеличивается срок
службы труб в коррозионно-активной среде и снижаются текущие эксплуатационные
расходы;
• Малая плотность СПОТ позволяет существенно снизить расходы на транспортные,
монтажные и спуско-подъемные операции;
• Характеристики потока прокачиваемой жидкости при применении СПОТ,
связанные с гладкой внутренней поверхностью, снижают постоянные энергетические
затраты.
Наиболее чувствительная в экологическом отношении морская нефтегазодобывающая
промышленность сразу взяла на вооружение стеклопластиковую
трубную продукцию для обеспечения самых различных нужд морских
платформ, в их числе:
• Линии забора морской воды для обработки скважин;
• Подающие линии для системы нагнетания воды в пласт;
• Линии для охлаждения оборудования морской водой;
• Системы откачки отбираемой пластовой воды;
• Системы подачи и распределения питьевой воды.
Стеклопластиковый материал привлекает здесь по ряду эксплуатационных
характеристик, например: обеспечивается лучшая защита от коррозии соленой
водой, снижаются эксплуатационные расходы в сравнении с системами
из углеродистой стали и капитальные затраты в сравнении с системой из коррозионно-стойких
сплавов.
В частности, по данным Oil & Gas Journal, французское отделение компании
Ameron Inc. еще в 1995 году освоило новую систему из стекловолокна,
скрепленного эпоксидным составом, для кессонов на морских платформах. Система
легче в установке, не требует сварки на месте, легче на 40% по сравнению
с металлической конструкцией, благодаря чему затраты на монтаж и сборку
уменьшаются наполовину.
Компания Texas Eastern Transmission Corp. первой в США в 1993 году по
федеральному требованию произвела ремонт газопроводов с нанесением по-

27
крытий из стекловолокна. Было показано, что ремонт осуществлен за 5 часов
двумя рабочими, без необходимости сваривания, резания и использования специального
ручного инструмента с помощью крепящей полосы шириной 12
дюймов из стекловолокна, пропитанного смолой на полимерной основе, наматываемой
с нанесением адгезионного состава на дефектный участок трубопровода.
Результаты проверки нескольких участков различных трубопроводов,
отремонтированных аналогичным образом, через два года эксплуатации подвергла
осмотру специальная федеральная комиссия от компании Shell. Результаты
подтвердили качество несущей конструкции газопровода.
Опыт применения данной технологии также показал, что затраты на ремонт
по сравнению с традиционной технологией сокращаются более чем наполовину.
Ряд публикаций Oil & Gas Journal освещает другие направления эффективного
применения стекловолокна, стеклопластика и других пластмасс и полимеров
в нефтяной и газовой промышленности, в том числе:
• Сальниковые набивки, обеспечивающие термическую стабильность, необходимый
вращающий момент, стойкость к химическому окислению и исключающие
воздействие углеводородов, пара, охладителей, алкалоидов и
слабых кислот;
• Отсекающие клапаны из стеклопластика, применяемые для коррозионных
сред, в которых использование металлических материалов неприемлемо;
• Индикаторы из стекловолокна, устанавливаемые в системах, основанных на
фотоэлектрическом эффекте для позитивного немедленного сигнала на аварийную
ситуацию удаленного оборудования;
• Различные коррозионностойкие ограждения из стеклопластика, используемые
в нефтехимических производствах, в системах промышленных стоков и
других областях;
• Механические изолирующие устройства для аварийного перекрытия подводных
нефте- и газопроводов, устанавливаемые в случае резкого перепада

28
давления. В случае возникновения аварийной ситуации эластичное кольцо
из стеклопластика деформируется и герметизирует трубу;
• Стеклопластиковые диски, используемые в «чушках», прогоняемых под
давлением в трубопроводах для очистки коррозионных язв на внутренних
поверхностях труб («чушка» диаметром 12 дюймов несет 72 щетки на 4-х
стеклопластиковых дисках.)
• Стеклопластик, полипропилен и полиэтилен применяется в трехслойных покрытиях
трубопроводов, транспортирующих сернистый газ, в качестве верхней
оболочки;
• Специальный компаунд стеклопластика, используемый в компактных гибких
трубопроводах и оболочках электрокабелей для температурных условий
от 0 до+60 0 С.;
• Трубы для закачки различных жидкостей под давлением от 0,5 до 5 дюймов,
фиттинги от 4 до 54 дюймов и клапаны от 2 до 16 дюймов из стеклопластиков,
изготовление и сервисное обслуживание которых осуществляет компания
GSP Polipipe.
Широкий спектр направлений применения и типов оборудования из стеклопластика
в деятельности зарубежных компаний не может не привлекать внимания
промышленников, научно-технический контингент российской нефтегазовой
промышленности. При организации производства и переносе этого опыта
необходимо учитывать, что целый ряд аналогичных технологий и оборудования
разрабатывались в Советском Союзе одновременно с Западными странами
или раньше.
В качестве примера можно привести схему электропрогрева стволов
скважины с системой скважинных неметаллических изоляторов, разработанных
в начале 30-х годов в Азербайджане и прошедшей широкую практику последующего
внедрения на Сахалине и в Башкирии в 30-40-х годах. Технология была
забыта в связи с открытием богатейших месторождений нефти, с переходом к
лозунгу «нефть на острие долота». В результате сегодня эта технология предлагается
российским предприятиям компанией «Petratroll».

29
С середины 60-х годов, т.е. одновременно с американскими компаниями,
в объединении «Татнефть» началось внедрение пластмассовых покрытий для
защиты внутренней поверхности наземных трубопроводов и обсадных колонн
нагнетательных скважин, пластмассовых хвостовиков и перекрытий для изоляции
обводненных пластов в скважинах, пластмассовых желонок, спускаемых на
кабель-канате для установки в скважине разобщающих цементных пластов.
Технологии не получили тогда широкого применения, как и многие другие
в связи с известной разобщенностью процесса разработки и внедрения Ноухау,
отсутствием материальной заинтересованности разработчика метода в постоянном
его улучшении, многолетнем применении, доводке до совершенства
при изготовлении оборудования.
Не получили должного развития в производственной практике стеклопластиковые
секции обсадных труб и подземного оборудования, позволяющие
осуществить электрические методы воздействия на пласт, внедренные в нашей
стране уже более 30 лет для получения большей эффективности и разработки
месторождений.
Существенный, но пока не освоенный метод применения подземного
внутрискважинного оборудования из стеклопластика может быть связан с
удачным сочетанием удовлетворительных прочностных характеристик рекомендуемых
стеклопластиков со свойствами их буримости. Это позволяет разрабатывать
и применять различные конструкции подземного оборудования для
временного разобщения отдельных зон в скважинах, что связано с традиционными
особенностями развития нефтяной промышленности в России (СССР) в
сравнении с наиболее развитыми странами мира. Ведущие иностранные межнациональные
компании значительно опережали нашу промышленность в создании
собственного технологического оборудования для одновременной раздельной
эксплуатации различных пластов одной скважиной (многозабойное и
горизонтальное бурение, совершенное пакерное оборудование, параллельные
стационарные лифты на различные горизонты, системы запирающих клапанов,
управляемых гидравлически с поверхности). Отставание в развитии подобных

30
видов оборудования и технологий в отечественной нефтегазовой индустрии
компенсировали большими объемами проведения работ по капитальному ремонту
скважин, весьма значительная часть которых, по сути, являлась реконструкцией
скважин по переходу с отработанных горизонтов, пластов и пропластков
на эксплуатацию других.
Совершенствование отечественной практики поочередного отключения
(изоляции) пластов и пропластков в стволах эксплуатационных и нагнетательных
скважин может проводиться как заменой прочными и разбуриваемыми
пластмассовыми трубами металлических перекрывающих конструкций (дорнов,
дополнительных технических колонн меньшего диаметра, хвостовиков),
так и заменой (или дополнением) мостов или опалубок из цемента, смол или
гелей. Учитывая то, что технологически подобные процессы уже осваивались в
отечественной практике капитального ремонта скважин, современный уровень
производства пластмассовых (стеклопластиковых, полиэтиленовых) труб может
вывести подобные технологии на качественно новый уровень.
В нашей стране положительные итоги принесло крупномасштабное применение
в АО «Татнефть» и «Башнефть» стеклопластиковых обсадных труб
(СПОТ) в эксплуатационных, нагнетательных, наблюдательных и других скважинах
нефтяных месторождений. В Волго-Уральский регион и Западную Сибирь
стеклопластиковые обсадные трубы поставляет сегодня пермский завод
«Пармапласт», наладивший их выпуск в рамках конверсионного процесса в
связи с прекращением в последние годы поставок из Азербайджана. Завод постоянно
работает над совершенствованием технологического процесса и освоением
новых типоразмеров труб.
В практике применения стеклопластиковых обсадных труб завода «Пармапласт»
в скважинах месторождений Пермской области испытываются новые
элементы технологии использования стеклопластиковых обсадных труб для
проведения геофизических исследований (конструкции комбинированных колонн,
спуск стеклопластиковых хвостовиков в новые боковые стволы старых
скважин, проведение межскважинного радиопросвечивания).

31
Резюмируя вышеизложенное, важно подчеркнуть следующие аспекты
развития нефтяной и газовой промышленности и применения стеклопластиковых
труб и композиционных комплектующих:
• Применение стеклопластиковых труб для нефтяной и газовой промышленности
не только существенно экономит капитальные и текущие расходы, но
позволит решать сложные задачи по разработке месторождений углеводородов;
• Не подвергая сомнению необходимость скорейшего выхода российской
нефтяной промышленности на мировой уровень по оборудованию и технологиям,
не следует, однако, учитывая наши реалии, отождествлять это лишь
с привлечением западных технологий и оборудования. Во-первых, сотни тысяч
скважин существующего фонда уже пробурены с ориентацией на отечественные
стандарты, типоразмеры оборудования, технологии и др., поэтому
многие достижения мировой техники и технологии имеют ограниченное
применение. Во-вторых, затраты, связанные с использованием новейших
технологий и оборудования транснациональных буровых и сервисных компаний,
не позволяют внедрять их в достаточно больших объемах. Как свидетельствуют
выводы статистических анализов, результаты, получаемые в
России на западном оборудовании при учете связанных с этим затрат, зачастую
могут быть получены традиционными отечественными технологиями с
гораздо лучшими экономическими показателями, а следовательно, с проведением
этих работ в гораздо больших масштабах. Кроме того, традиционные
отечественные технологии также могут и должны совершенствоваться с повышением
надежности, с улучшением экономических показателей, особенно
в тех направлениях техники и технологии, которые всегда являлись и более
развитыми в отечественной науке и практике. В частности, технология ГИС
с использованием стеклопластиковых обсадных труб с полным основанием
может быть отнесена к технологии мирового уровня (учитывая неоспоримый
приоритет советских и российских достижений в технологии разработ-

32
ки нефтяных залежей с заводнением и в контроле за этим процессом) и не
имеет аналогов в мировой практике.
1.4 Научные и практические рекомендации по выбору композиционных
материалов
КМ представляют собой гетерофазные системы, полученные из двух или
более компонентов с сохранением индивидуальности каждого отдельного компонента.
Для композиционных конструкционных материалов характерны следующие
признаки:
• Состав и форма компонентов определены заранее;
• Компоненты присутствуют в количествах, обеспечивающих заданные свойства
материала;
• Материал является однородным в макромасштабе и неоднородным в микромасштабе,
компоненты различаются по свойствам, между ними существует явная
граница раздела.
В большинстве случаев компоненты композиции различны по геометрическому
признаку. Один из компонентов, обладающий непрерывностью по
всему объему, является матрицей, а другой компонент непрерывный, распределенный
в объеме композиции, считается усиливающим или армирующим. Матричными
материалами могут быть металлы и их сплавы, органические и неорганические
полимеры, керамика и другие вещества. Усиливающими и армирующими
компонентами чаще всего являются тонкодисперсные порошкообразные
частицы или волокнистые материалы различной природы. В зависимости
от вида армирующего компонента композиты могут быть разделены на две основные
группы: дисперсно-упрочненные и волокнистые, которые отличаются
структурой, механизмами образования высокой прочности.
Проблема повышения конструкционной прочности состоит не только в
повышении прочностных свойств, но и в том, как при высокой прочности обеспечить
высокое сопротивление разрушению.

33
У волокнистых композитов матрица (чаще всего пластичная) армирована
высокопрочными волокнами, проволокой, нитевидными кристаллами. Идея создания
волокнисто-армированных структур состоит не в том, чтобы исключить
пластическое деформирование матричного материала, а в том, чтобы при его
деформации обеспечивалось нагружение волокон и использовалась их высокая
прочность.
Механические свойства высокопрочных материалов определяются наличием
поверхностных дефектов (надрезов, трещин и т.п.). Около вершин этих
дефектов при нагружении концентрируются напряжения, которые зависят от
приложенного напряжения, глубины трещины и радиуса кривизны в вершине
трещины. В этом случае при действии относительно небольших средних
напряжений в вершине трещины растягивающие напряжения достигают предельных
значений и материал разрушается. Особенность волокнистой композиционной
структуры заключается в равномерном распределении высокопрочных
высокомодульных волокон в пластичной матрице.
В качестве арматуры в композитах применяют волокна различной природы,
представленные в различных формах. Форма волокнистых армирующих
элементов определяется природой волокон, способом их получения и дальнейшей
переработкой, а также процессами изготовления композитов и изделий из
них. Для армирования матриц из синтетических смол применяют стеклянные,
углеродные, органические и борные волокна. Начинают применять сапфировые
и базальтовые волокна, волокна на основе карбида кремния и др.
Для создания неметаллических конструкционных композитовстеклопластиков
широко применяют стеклянные волокна, которые при сравнительно
малой плотности (2400-2600 кг/м 3 ) имеют высокую прочность, низкую
теплопроводность, теплостойки, стойки к химическому воздействию. При повышении
температуры до 1200 К модуль упругости кварцевого волокна возрастает
с 74 ГПа (при 300 К) до 83 ГПа. Свойства стеклянных волокон, выпускаемых
в РФ и за рубежом, представлены в таблице 1.

1.5 Выводы
34
Нефтепромысловые трубы эксплуатируются в жестких условиях воздействия
нагрузок, которые усиливаются высокой степенью влияния агрессивной
внешней среды на технологическое оборудование нефтегазопромысловых производств.
Основные типы эксплуатационных нагрузок и воздействия на нефтепромысловые
трубы представлены на рисунке 4.
Проведенные ранее исследования ставили перед собой задачу ограничения
или снижения величины воздействия эксплуатационных нагрузок на
нефтепромысловые трубы. Предлагались, разрабатывались и испытывались
конструкции остеклованных, эмалированных, биметаллических и пластмассовых
труб, которые по различным причинам не нашли широкого применения в
нефтепромысловой практике.
Остеклованные трубы, несмотря на широкую гамму полезных эксплуатационных
качеств ситалловых стекол внутреннего покрытия с добавками карбидов
и боридов металлов, нетехнологичны в изготовлении, сложны в транспортировке
и эксплуатации.
Эмалированным трубам свойственны следующие недостатки: неоднородное
нанесение покрытия, возникновение напряженного состояния на границе
раздела тела трубы и покрытия, ее расслоение при воздействии температурных
нагрузок, скалывание покрытия в местах соединения труб с муфтами и воздействия
ударных нагрузок, ограниченная восприимчивость циклических нагрузок.
Биметаллические трубы в настоящее время имеют очень узкое, ограниченное
применение вследствие экономической нецелесообразности и сложности
контроля за состоянием гетерогенной оболочки. Но в экстремальных условиях
освоения и эксплуатации скважин их применение вполне оправдано.
Сформировавшейся альтернативой стальным обсадным трубам стали
СПОТ. СПОТ получили широкое применение в нефтехимических производствах
вследствие высокой химической стойкости к агрессивным жидкостям и

35
высоким диэлектрическим свойствам, как для трубопроводов низкого давления
Таблица 1
Механические свойства стекловолокон
Страна
Показатели
Марка стекла
Плотность
Модуль
упругости
Предельная
деформация
Размерность 10 -3 ,кг/м 3 МПа %
Российская Федерация
Высокомодульное:
ВМ-1 2,58 95 4,8
ВМП 2,58 93 —
УП-68 2,46 85 —
УП-73 2,4 83 —
Кислотостойкое 7А 2,56 74 3,6
США
Алюмоборосиликатное:
Е-стекло
2,74 3,5 4,8
М-стекло 2,89 110 3,2
S-994 2,49 87 5,4
D-стекло 2,16 2,45 4,7
Известковонатриевое:
А-стекло 2,49 66 4,0
С-стекло 2,49 70 4,5

36
Эксплуатационные
нагрузки и воздействия
Электрохимическая коррозия
Нагрузки, возникающие от действия
растягивающих (сжимающих) и изгибающих
сил при креплении скважин и
других технологических операциях
Нагрузки, возникающие от воздействия
внешнего и внутреннего давления
Эрозионные процессы и химическая
коррозия
Воздействие химических интенсификаторов
при выполнении технологических
операций
Механическое воздействие бурового
оборудования и инструмента при креплении
скважин
Рис. 4. Основные типы эксплуатационных нагрузок на нефтепромысловые
трубы.
(до 1 МПа), так и для внутрипромысловых нефтегазораспределительных сетей.
В качестве обсадных стеклопластиковые трубы применялись на глубинах
до 2400 метров (эксплуатационная колонна) в скважинах хозяйственного
назначения на воду и для утилизации промышленных стоков. Применение
стеклопластиковых труб на предприятиях нефтегазопромыслового комплекса
ограничено физико-механическими свойствами материалов ввиду того, что для
среднедевонских, силурийских и кембрийских отложений, распространенных
на территории РФ, глубина залегания нефтеносных пластов минимально составляет
800-1000 метров.

37
Исследования, проводимые в области повышения надежности и эксплуатационных
характеристик, подошли к вопросу о необходимости применения
гетерогенных оболочек с более сложной пространственной структурой – композиционных
материалов.
Наиболее интересен в этом отношении стеклопластик, как имеющий физико-механические
характеристики, по основным параметрам близкие или превосходящие
аналогичные характеристики конструкционных сталей, применяемых
в изготовлении труб нефтепромыслового сортамента. Как высокотехнологичный
материал для изготовления нефтепромысловых труб стеклопластик
рассматривается в качестве основы для производства обсадных труб.
Интеграция механических свойств наполнителя и связующего в конструкции
цилиндрической оболочки вращения создает такие физикомеханические
характеристики КМ, не уступающие, а по некоторым параметрам
(наружное давление, осевое усилие, восприимчивость ударным нагрузкам, способность
к гашению колебаний) превосходящие обсадные трубы из конструкционных
сталей. Другим, не менее важным свойством стеклопластиковых обсадных
труб является радиопрозрачность, т.е. способность пропускать ту часть
электромагнитного спектра, которая используется при производстве геофизических
исследований в опорных и разведочных скважинах, что позволяет проводить
их в уже обсаженном стволе. Это свойство стеклопластиковых композитов
позволит производить мониторинг месторождения после многолетней эксплуатации
и тем самым оптимизировать разработку и сделать ее более продуктивной
и экологичной.
Вопросы увеличения срока службы стеклопластиковых труб, их механической
прочности в исследованиях, проводимых в нашей стране и за рубежом,
свидетельствуют о том, что объем использования стальных труб будет ограничиваться
за счет более увеличивающегося использования композиционных
стеклопластиковых материалов (КСМ).
Для создания колонны обсадных труб из КСМ необходимо детально исследовать
поведение этого материала в условиях, близких к промысловым, рас-

38
считать нагрузки на колонну по методике, учитывающей особенности КСМ, изготовить
опытную партию СПОТ, провести натурные испытания по основным
технологическим параметрам и составить заключение о возможности и перспективах
применения обсадных труб из КСМ. Основными целями практической
части настоящей работы являются:
• Расчет нагрузочных и прочностных характеристик СПОТ в зависимости от
воздействующих нагрузок;
• Испытание стеклопластиковых материалов по методикам ГОСТ на нагрузки,
запас прочности от воздействия которых лежит в допустимых пределах,
согласно расчетным методикам;
• Создание СПОТ для использования их для крепления ствола скважины;
• Испытание стеклопластиковых труб на действующей скважине;
• Произвести экономический расчет для использования стеклопластиковых
труб в реальных условиях применения;
• Разработка научных рекомендаций по применению стеклопластиковых обсадных
труб повышенной прочности;
• Разработка математической модели взаимодействия клинового захвата с
пилотным слоем (равномерно нанесенным слоем связующего на внутреннюю
или наружную поверхность оболочки вращения) стеклопластиковых
обсадных труб для спуска колонны труб на клиньях;
• Разработка научно-обоснованных параметров и конструкции труб, обеспечивающих
стойкость в агрессивных средах, в условиях высоких температур
и в многолетнемерзлых породах.

39
2. Расчет нагрузочных и прочностных характеристик
стеклопластиковых труб
Ввиду отсутствия типовых методик для расчета на прочность труб из
стеклопластиковых материалов, в расчете предлагается использовать методику
ВНИИТнефти для труб из изотропных материалов, с учетом разности пределов
прочности в осевом и тангенциальном направлении и методику расчета стеклопластиковых
труб по обобщенной теории прочности стеклопластиков Гольденблата
(выбор и обоснование методики приведено ниже). Последняя методика
позволяет при расчете на прочность учесть анизотропные свойства стеклопластикового
материала. Из-за недостаточной изученности вопросов расчета труб
из стеклопластика, в нашей работе произведем расчеты на прочность СПОТ по
обеим методикам, затем проанализировав полученные результаты.
2.1 Расчет прочностных характеристик СПОТ по методике
ВНИИТнефти
Расчеты на прочность производят с целью проверки обсадных труб под
воздействием нагрузки, вызывающей страгивание резьбового соединения; эквивалентного
напряжения, возникающего в опасном сечении трубы, с учетом давления
среды и осевой нагрузки; усилий, вызывающих продольный изгиб.
2.1.1 Расчет СПОТ на страгивающую нагрузку
При проверке труб на растяжение наиболее часто сравнивается фактическая
вертикальная нагрузка со страгивающей нагрузкой резьбового соединения.
На рисунке 5 показана резьбовая часть трубы, подверженная действию страгивающей
нагрузки. Величину страгивающей нагрузки Р СТР , кН, можно определить
по формуле Ф.И. Яковлева, уточненной П.П. Шумиловым :

Pстр
40
Dср b
Dср
1 ctg
2 l
, (1)
где D ср – средний диаметр трубы под резьбой в её основной плоскости;
b – толщина тела трубы в нарезанной части по основной плоскости;
– предел прочности материала труб при растяжении в осевом направлении,
МПа;
l – длина резьбы до основной плоскости;
– угол профиля резьбы, =60;
– угол трения, =10;
s` – толщина трубы под выточкой, м;
– поправочный коэффициент,
b
s`
b
.
Коэффициенты запаса прочности по страгивающей нагрузке n i
n
i
P
СТРi
Q
(2)
2.1.2 Расчет предельного внутреннего давления
Предельное давление Р Т , МПа, определяется по формуле Барлоу:
P Т
0,875 2 S
D
где S – номинальная толщина стенки трубы, м;
, (3)
– предел прочности на растяжение в тангенциальном направлении, Па;
D – наружный диаметр трубы, м.
Коэффициенты запаса прочности по внутреннему давлению n i
Тi
n (4)
i
P
P
ВНi

41
Рис. 5. Соединение обсадных труб
D – наружный диаметр тела трубы; d – внутренний диаметр трубы; s – толщина
стенки трубы; d 0 – диаметр конической выточки в плоскости торца; d cp – средний
диаметр резьбы в основной плоскости; D M – наружный диаметр муфты; L M –
длина муфты; G – длина резьбы трубы
2.1.3 Расчет предельного наружного давления
Величину предельного наружного давления Р КР , МПа, при котором напряжения
в теле трубы достигают предела прочности, определяют по формуле

Г.М. Саркисова:
42
P
КР
1,1 K
C
MIN
E K
0
2
C
E
K
1
2
0
2
3 e
3
K
1
2
MIN
2
3 e
3
K
4 E
MIN
K
0
2
C
(5)
где С – предел прочности на сжатие в тангенциальном направлении, МПа;
Е – модуль упругости в тангенциальном направлении, МПа;
K MIN , K 0 , – расчетные коэффициенты.
K
MIN
S
MIN
D
(6)
K
0
S
D
0
(7)
S
S
0
MIN
(8)
D – наружный диаметр трубы, мм;
S MIN – наименьшая толщина стенки разностенной трубы, мм.
S MIN
1
0,01 u S , (9)
где u – отрицательный допуск на толщину стенки, u=7,5%;
S– номинальная толщина стенки, мм.
По формуле (9) определяем наименьшую толщину стенки
S MIN
1
0,01 7,5 20 18 , 5
S
3
3
3
0,5 S
0 MIN
(мм)
, (10)
1 0,01
S
(11)
1 0,01
где – отрицательный допуск на вес трубы, =0%;
– положительный допуск на наружный диаметр, =0,526%;
где e – овальность,
где a – большая полуось овала, мм;
b – малая полуось овала, мм.
e
a b
2 ,
a b

43
2.1.4 Расчет при совместном действии осевого усилия (растяжения) и
наружного давления
В этом случае определяется эквивалентное напряжение ЭКВ , МПа по
четвертой теории прочности:
ЭКВ
Z
2
t
2
Z
t
, (12)
где Z – осевое напряжение, МПа
t – тангенциальное напряжение, МПа.
где Q – осевая нагрузка от веса труб, кН;
F СР – площадь сечения трубы в основной плоскости, м 2 .
F
СР
Z
F
Q
СР
D
СР
, (13)
где D СР – средний диаметр трубы под резьбой в её основной плоскости, м;
b – толщина тела трубы в нарезанной части по основной плоскости, м .
1,15
D
2 S
b
t
P ВН
,
, (14)
где D – наружный диаметр трубы, воспринимающий внешнее давление, м;
S – толщина стенки трубы, м;
P Н – наибольшее наружное давление, МПа;
Суммарный предел прочности на растяжение i для каждого заданного материала
i
2
В1
2
В 2
, (15)
где
В1 – предел прочности на растяжение в тангенциальном направлении,
МПа;
В2 – предел прочности на растяжение в осевом направлении, МПа;
Коэффициент запаса прочности при совместном действии осевого усилия
и внутреннего давления n i
n
i
, (16)
i
ЭКВ

где i – суммарный предел прочности на растяжение, МПа.
44
2.1.5 Расчет при совместном действии осевого усилия (сжатия) и внутреннего
давления
Напряжения в теле трубы ЭКВ , МПа, от совместного действия сжатия и
внутреннего давления:
ЭКВ
2
Z
2
t
Z
t
, (17)
где Z – осевое напряжение, МПа;
Z
F
Q
СР
t – напряжения от воздействия внутреннего давления, МПа.
t
0,875
Р
ВН
D
ВН
2 S
где Р ВН – внутреннее давление, МПа;
D ВН – внутренний диаметр трубы, м;
S – номинальная толщина стенки трубы, м.
Определим суммарный предел прочности для данного напряженного состояния
и заданного материала:
i
2
В1
2
В 2
,
где В1 – предел прочности на растяжение в тангенциальном направлении,
МПа;
В2 – предел прочности на сжатие в осевом направлении, МПа.
Коэффициент запаса прочности при совместном действии осевого усилия
и наружного давления:
,
n
i
i
, (18)
ЭКВ
где i – суммарный предел прочности на растяжение.

45
2.1.6 Расчет при совместном действии изгиба и сжатия
Проверку колонны СПОТ на изгиб и сжатие производят при опоре колонны
на забой. При этом определяют суммарные напряжения от воздействия
нагрузок и коэффициент запаса.
Суммарные напряжения СУМ , МПа, определяются по формуле
СУМ
СЖ
где СЖ – напряжения, возникающие при сжатии, МПа.
ИЗГ
, (19)
СЖ
F
Q
СР
, (20)
где Q – осевая нагрузка от веса колонны труб, кН;
F СР – площадь сечения трубы, м 2 .
м;
F ср
( D
где D, d – наружный и внутренний диаметры тела трубы соответственно,
ИЗГ – напряжения, возникающие при изгибе, МПа
2
4
d
2
)
,
ИЗГ
М ИЗГ
где W изг – момент сопротивления сечения, м 3 .
W
,
W
ИЗГ
D
32
3
Р
d
1
D
где D Р ,d – наружный и внутренний диаметр трубы, м.
М ИЗГ – изгибающий момент, Нм;
где l CТР – стрела прогиба, м.
где D скв – диаметр скважины, м;
М
ИЗГ
Q l
2
СТР
D
D – наружный диаметр обсадной колонны, мм.
l
СТР
Коэффициенты запаса прочности при действии изгиба и сжатия:
D
скв
,
,
Р
4
,

46
n
i
СЖ
СУМ
,
где СЖ – предел прочности при сжатии в осевом направлении, МПа.
2.2 Расчет СПОТ на прочность, при совместном действии осевой
силы и давления, по обобщенной теории прочности И.И. Гольденблата для
стеклопластиков
На базе обобщенной теории прочности стеклопластиков рассмотрим
частный случай напряженного состояния
Труба из стеклопластика, изготовленная прямой или продольнопоперечной
намоткой, испытывает внутреннее давление интенсивностью p и
осевое усилие N. В этом случае главные оси напряжений совпадают с основными
направлениями анизотропии оболочек.
Обозначим направления тангенциальное, осевое и радиальное соответственно
индексами 1,2,3.
Как известно, если рассматривать участки трубы, достаточно удаленные
от концов, то можно оперировать с осредненными величинами напряжений,
действующими на элементы срединной поверхности оболочки.
Напряженное состояние, показанное на рисунке 6, в рассматриваемом
случае будет
11 0, 22 0,
33 = 12 = 13 = 23 =0
Задача статически определима, и напряжения будут зависеть лишь от
внешних усилий, действующих на трубу.
Обозначим через отношение осевого усилия к тангенциальному
i
N
2 R
, (21)
где N – осевое усилие, кН;
R – радиус срединной поверхности трубы в плоскости резьбы, м;
р – давление в трубе, внутреннее или наружное, МПа.
2
p

47
22
22
11
11
11
11
22
22
а
б
Рис. 6. Виды напряженных состояний при различных видах нагружений
а – внутреннее давление и осевое растяжение; б – наружное давление и осевое
растяжение; 11 – тангенциальное напряжение; 22 – осевое напряжение
По формуле (21) определим i для каждого из давлений.
Безмоментная теория оболочек дает следующие формулы для напряжений
11 и 22 , МПа:
11
р R
p R
22 11
.
где – толщина стенки трубы, м.
Для рассматриваемого случая условие предельного напряженного состояния
имеет вид [35,51]:
0
П
11 11 22 22
1111 11 2222 22
1122 11 22
0
0 2 0 2
0
П П П 2 П 1 (22)
где П 0 11,П 0 22,П 0 1111,П 0 2222,П 0 1122 – расчетные коэффициенты, зависящие от пределов
прочности материла, м 2 /Н
0 1 1 1
П
11
(23)
2
В1
В1

48
П
0
1111
1
4
1
В1
1
В1
2
(24)
П
0
22
1
2
1
В 2
1
В 2
(25)
П
0
2222
1
4
1
В 2
1
В 2
2
(26)
П
0
1122
1
1
8
В1
1
В1
2
1
В 2
1
В 2
2
В
1 1
45 В 45
2
(27)
где + В1 – предел прочности при растяжении в тангенциальном направлении,
МПа;
МПа;
– В1 – предел прочности при сжатии в тангенциальном направлении,
+ В2 – предел прочности при растяжении в осевом направлении, МПа;
– В2 – предел прочности при сжатии в осевом направлении, МПа;
+ В(45) – предел прочности при растяжении на сдвиг по площадкам, составляющим
с основными направлениями 45, МПа;
– В(45) – предел прочности при сжатии на сдвиг по площадкам, составляющим
с основными направлениями 45, МПа.
Пределы прочности на сдвиг находят из примерного вида предельной
кривой для стеклопластика, показанной на рисунках 7 и 8.
Из выражения (22) в зависимости от знаков 11 и 22 получаем условия
прочности СПОТ для различных напряженных состояний:
– внутреннее давление и осевое растяжение
П
0
11
0
0
2 0
0
П
22
П
1111
П
2222
2 П
1122
;
р R
– наружное давление и осевое растяжение
П
0
11
П
0
22
П
0
1111
2
П
0
2222
2
П
0
1122
р R
Расчетная формула для разрушающего давления Р РАЗР , МПа, примет вид:

49
при внутреннем давлении и осевом растяжении
Р
РАЗР
П
0
11
П
0
22
П
0
1111
R
2
П
0
2222
2
П
0
1122
, (28)
при наружном давлении и осевом растяжении
Р
РАЗР
П
0
11
П
0
22
П
0
1111
R
. (29)
2
П
0
1122
2
П
0
2222
Суммарное осевое усилие в момент разрушения трубы N РАЗР , кН,
N
РАЗР
2 R
2
Р
РАЗР
(30)
- B 45 = 2 4 0 М П а
+ В 2 = 2 0 0 М П а
- В 1 = 2 5 0 М П а
+ В 1 = 5 0 0 М П а
- В 2 = 2 0 0 М П а
+ B 45 = 2 6 0 М П а
Рис.7. Вид предельной кривой для материала типа 11,12

50
- B 45 = 2 8 0 М П а
+ В 2 = 2 4 0 М П а
- В 1 = 3 0 0 М П а
+ В 1 = 6 0 0 М П а
- В 2 = 2 4 0 М П а
+ B 45 = 3 3 0 М П а
Рис.8. Вид предельной кривой для материала типа 21,22
Коэффициенты запаса прочности:
по давлению
по осевой нагрузке
n
Р
РАЗР
, (31)
1
Р
n
N
РАЗР
. (32)
2
N

2.3 Анализ критериев прочности анизотропных пластиков
51
Для расчета элементов конструкций, работающих в условиях сложного
напряженного состояния, необходимо располагать теорией прочности, оправданной
экспериментами. Для изотропных конструкционных материалов известно
много различных критериев прочности и пластичности – как ранних,
«классических» (критерии наибольших нормальных напряжений, наибольших
касательных напряжений, удельной энергии формоизменения и др.), так и более
поздних, «новых», связанных с именами П.П.Баландина, Ю.И.Янга и др.
Разработке критериев прочности и пластичности анизотропных материалов
долгое время не уделялось должного внимания. По-видимому, впервые к
этому вопросу обратился Мизес (автор теории прочности удельной энергии
формоизменения) в связи с прочностью кристаллов.
Лишь в последние годы в связи с бурным развитием химии, появлением
новых конструкционных материалов, в том числе и с анизотропными свойствами,
задача разработки критериев прочности этих материалов стала актуальной.
Применительно к армированным пластикам вопрос о критерии прочности
решался по-разному.
В одних случаях при расчете конструкций из анизотропных пластиков,
работающих в условиях сложного напряженного состояния, использовали условие
Мизеса, предложенное им для анизотропных кристаллов и развитое впоследствии
Р. Хиллом применительно к материалам и сплавам, получающим
анизотропию в процессе деформирования.
Делались также попытки обобщить на анизотропные материалы некоторые
«классические» критерии прочности (критерий наибольших касательных
напряжений, критерии удельной энергии формоизменения).
В других случаях некоторыми авторами (Л.Фишер, Дж.Марин и др.) были
предложены новые критерии прочности армированных пластиков, учитывающие
некоторые особенности механических свойств этих материалов.

52
Ниже рассмотрены наиболее известные критерии прочности анизотропных
материалов и дана оценка возможности их применения к конструкционным
армированным пластикам.
Условие пластичности Мизеса-Хилла. Для кристаллических анизотропных
материалов с одинаковыми пределами текучести на растяжение и сжатие
Мизесом было предложено условие пластичности в виде полинома второй степени.
В основной системе координат это условие имеет следующий вид
П
0 2
0 2
0 2
0
2
1111 11
П П 2 П П
2222 22 3333 33
1122 11 11
2233 22 33
0
2 П
0
0 0
0 2
0 2
4 П 4 П 4 П
1133 11 33
1212 12
1313 13
2323 23
1
То же условие в тензорных обозначениях
П
0
iknm
ik
nm
1
,
где
П
0
iknm
i,k,n,m=1,2,3
– компоненты тензора пластичности четвертого ранга. Они выражаются
через механические константы материала. Определяют их исходя из простейших
предельных напряженных состояний – растяжения, сжатия, сдвига.
Например, рассматривая случай растяжения или сжатия в первом основном
направлении, из условия (21) найдем, что
П
0
1111
1
2
Т 1
где Т1 – предел текучести материала в первом основном направлении.
Рассматривая чистый сдвиг в основной плоскости, найдем
П
0
1212
1
2
Т 12
где Т2 – предел текучести при чистом сдвиге.
В теории Мизеса сделано допущение о независимости условия пластичности
от шарового тензора напряжений. Другими словами, здесь предполагается,
что добавление гидростатического давления не влияет на наступление текучести
материала. Принятие такого допущения приводит к некоторым зависимостям
между компонентами тензора пластичности.

53
Эти зависимости были подробно исследованы Р. Хиллом, который установил,
например, следующие соотношения между компонентами
0
П iknm
0
1122
0
2 П П П П
1111
0
2222
0
3333
0
2233
0
2 П П П П
2222
0
3333
0
1111
0
3311
0
2 П П П П
333
0
111
0
2222
Использование допущения Мизеса о независимости условия пластичности
от шарового тензора напряжений позволяет сократить число независимых
компонентов П ikmn в общем случае анизотропии с 21 до 15, а в основной системе
координат ортотропного материала – с 9 до 6.
Таким образом, в развернутом виде условие пластичности Мизеса-Хилла
с учетом упомянутого допущения будет следующим
2
11
2
T 1
2
22
2
T 2
2
2
3
T 3
2
2
12
T 12
2
2
13
T 13
2
2
23
T 23
1 1 1
1 1 1
( ) ( )
2
2
2 11 22
2
2
2 22 33
T 1
T 2
T 3
T 2
T 3
T 1
1
(
2
T 3
1
2
T 1
1
2
T 2
)
11
33
1
.
Следовательно, для определения момента начала текучести анизотропного
материала при сложном напряженном состоянии по известным величинам
действующих напряжений необходимо знать шесть констант, характеризующих
наступление текучести материала при чистом растяжении (сжатии) и чистом
сдвиге.
Для плоского напряженного состояния условие примет вид
2
11
2
T 1
2
22
2
T 2
2
2
12
T 12
1 1 1
( )
2
2
2 11 22
T 1
T 2
T 3
1
Из условия пластичности Мизеса-Хилла нетрудно получить формулы для
пересчета пределов прочности на растяжение, сжатие и чистый сдвиг при повороте
системы координат. Ниже приведена формула пересчета для предела текучести
(или прочности) на растяжение (сжатие) в случае плоского напряженного
состояния T , МПа

T 1
T
2
2
1
2
2
cos
T
T
2
sin
54
2
T 1
T 1
2
2 2 1
sin cos
( 45 )
2
T T
Возможность использования условия пластичности Мизеса-Хилла в качестве
условия прочности для анизотропных материалов типа древесины и слоистых
пластиков исследовалась в ряде работ.
Экспериментами установлено, что для материалов с сильной анизотропией
(древесина сосны, некоторые стеклопластики и др.) условие Мизеса-Хилла
не согласуется с экспериментальными данными; для материалов со слабой анизотропией
условие Мизеса-Хилла удовлетворительно аппроксимирует опытные
данные.
Критерий прочности Л.Фишера. В качестве критерия прочности анизотропного
(ортотропного) стекловолокнита предлагается использовать критерий
энергии формоизменения, включив в него различные упругие и прочностные
характеристики материала в направлении осей симметрии механических
свойств материала.
Условие прочности Фишера в основной системе координат для плоского
напряженного состояния имеет следующий вид
2
11
2
B 1
2
22
2
B 2
2
2
12
B 12
K
11
B 1
22
B 2
1
К – коэффициент
K
E
2
1
1
E 1
E
1
E
2
21
1
1
21
2
12
21
где в1 , в2 – пределы прочности материала на растяжение или сжатие в первом
и втором основных направлениях соответственно, МПа;
в12 – предел прочности на сдвиг в основной плоскости, МПа.
В теории Фишера сделаны следующие допущения:
- слои стекловолокнита упругие и однородные;
- слои уподобляются ортотропным пластинкам;
- сдвиги между слоями исключаются;

55
-исключаются случаи продольного изгиба.
Все перечисленные допущения носят достаточно условный характер.
Следует отметить, что проведенные позднее испытания стеклопластиковых
труб по проверке критерия Фишера показали его неудовлетворительность.
Разрушение труб происходило значительно раньше, чем это следует из
критерия.
В критерии Фишера, как и в критерии Мизеса-Хилла, предполагается, что
анизотропный материал имеет одинаковые пределы прочности на растяжение и
сжатие.
Критерий прочности К.В.Захарова. В качестве исходной гипотезы принимается
следующая: условие прочности для слоистых анизотропных материалов
с различными пределами прочности на растяжение и сжатие может быть представлено
уравнением поверхности 2-ого порядка в самом общем виде
а
2
2
2
2
11 1
а а 2 а 2 а а
22 2 33 3
23 3 1
31 3 1
12 1 2
2 а 2 а 2 а а
1
24 2
34 3 44
14
0
.
где а i,k – переводные коэффициенты;
1 , 2 , 3 – напряжения, действующие в направлении главных осей.
Какую именно форму будет иметь предельная поверхность для того или
иного анизотропного материала, устанавливают опытным путем. Для определения
девяти коэффициентов а i,k нужно поставить девять опытов.
В случае плоского напряженного состояния условие прочности примет
вид
2
2
k k k k k
1 1 1 2 1 2 3 1 4 1 5
0
где k – коэффициент пропорциональности.
Для определения числовых значений коэффициентов k требуется пять
опытов. Рассматривая, например, чистое растяжение в двух направлениях и чистый
сдвиг, можно через соответствующие пределы прочности выразить коэффициенты
k. В результате условие принимает вид

2 B 1 B 1 2
1
1 2
B 2
B 2
56
B 1
B 2
B 1
B 2
B 1
B ( 45 )
B 1
B 1
B 2
B 1
B 2
B 2
B ( 45 )
B 2
B 1
2
B ( 45
B 1
)
1
1
(
B 1
B 1
)
1
B 1
B 2
B 1
B 2
( ) 0 .
B 1
B 1
1
B 1
B 1
где в2 , в2 – соответственно пределы прочности на растяжение и сжатие в первом
основном направлении;
в2 , в2 – то, же во втором основном направлении;
в(45) – предел прочности на сдвиг по площадкам, составляющим с основными
направлениями 45°.
Необходимо отметить, что К. В. Захаров при разработке критерия ограничился
только основной системой координат. Критерий удовлетворительно аппроксимирует
опытные данные для ряда слоистых пластиков (текстолит, бумаголит).
Заметим, что К. В. Захаров предложил критерий в основной системе для
общего случая плоского напряженного состояния.
Некоторые другие особенности критерия (28) будут рассмотрены ниже.
Критерий прочности Дж. Марина. Критерий, предложенный Дж. Марином,
относится к анизотропным материалам также с различными пределами
прочности на растяжение и сжатие. Марин предложил условие прочности в виде
квадратного полинома, коэффициенты которого выражаются через константы
прочности материала, взятые в основной системе координат.
Для случая плоского напряженного состояния условие прочности Марина
имеет вид
В 1
В 1 В 2 В 1 В 1
2 2
В 2
В 1 В 1
2
11 22
11
2
В ( 45 )
В ( 45 )
22
В 1
( )
0
В 1 В 2 11
В 1 В 2
.
22 В 1 В 1
В 2

57
Эксперименты над слоистыми пластиками показывают, что условие
прочности (10) удовлетворительно аппроксимирует опытные данные для анизотропных
материалов, у которых близки по величине пределы прочности на растяжение
и сжатие в основных направлениях, т.е. - в1 , в1 - в1 , в1 , и - в2 , в2 -
в2 , в2
Критерий прочности А. К. Малмейстера. Академик А. К. Малмейстер в
1966 году предложил общий критерий прочности полимерных материалов в виде
полинома, содержащего тензоры прочности второго, четвертого, шестого и
более высоких рангов, выражаемые через константы материала. Практическое
использование критерия требует предварительного определения всех констант
материала, которые должны быть найдены экспериментальным путем. Подробно
об этом критерии см. в работе [76].
Другие критерии. Ху и Марин дали следующее обобщение «классического»
критерия энергии формоизменения для ортотропного материала
2
11
2
T 1
11
T 1
22
T 2
2
22
2
T 2
22
33
2
2
T 1 T 3 T 3 T 1 T 3
2
33
11
33
1
Прагером [84] для случая плоского напряженного состояния ортотропного
тела предлагается следующее условие пластичности
2
3
11
2
2
T 1
11
T 1
22
T 2
2
22
2
T 2
3
2
1
11
2
8
T 1
2
22
2
T 2
2
2
11
2
T 1
2
22
2
T 2
2
2
22
2
T 2
2
11
2
T 1
2
1
Различные варианты критериев прочности и пластичности анизотропных
материалов предлагались также Е.К.Ашкенази, В.О. Геогджевым и др.
Следует отметить, что многим из предлагавшихся ранее критериев прочности
и пластичности анизотропных материалов присущи некоторые недостатки,
не позволяющие их обоснованно использовать в расчетах на прочность конструкции,
например из стеклопластиков.
Одни из этих критериев не сохраняют свой вид при повороте системы координат,
т. е. не удовлетворяют обязательному требованию инвариантности

58
физического закона. Другие, например, не учитывают некоторых особенностей
механических свойств анизотропных материалов, таких, как зависимость пределов
прочности на сдвиг от направления касательных напряжений. Третьи,
например, неудовлетворительно согласуются с экспериментальными данными
для стеклопластиков.
Следовательно, задача экспериментального и теоретического исследования
вопросов прочности анизотропных пластиков, особенно в условиях сложного
напряженного состояния, является по-прежнему актуальной.
Ниже рассматривается разработанная обобщенная феноменологическая
теория прочности анизотропных материалов, отвечающая основным требованиям,
предъявляемым к любой технической теории прочности, и экспериментально
проверенная в опытах над стеклопластиками.
2.4 Обобщенная теория прочности стеклопластиков
Любая феноменологическая теория прочности должна, с одной стороны,
удовлетворять некоторым общим требованиям и, с другой стороны, базироваться
на определенных допущениях или постулатах. Прежде всего, рассмотрим
основные требования, предъявляемые к теории прочности:
-теория прочности должна дать условие прочности элемента материала,
находящегося в сложном напряженном состоянии;
-в условие прочности наряду с тензором напряжений, характеризующим
напряженное состояние, должны входить еще некоторые скалярные или тензорные
величины, характеризующие прочностные свойства материала;
-теория прочности должна давать возможность автоматического пересчета
условий прочности для разных напряженных состояний при переходе в любую
систему координат. В частности, из принятого условия прочности должны
вытекать законы изменения пределов прочности анизотропных материалов при
чистом растяжении, чистом сдвиге и т. п. в любой системе координат. Поэтому
условие прочности должно заключать в себе полный набор компонент входя-

59
щих в него тензоров; следовательно, запись условия прочности для анизотропных
материалов только в главных напряжениях совершенно недостаточна даже
в основной системе координат;
-условие прочности должно иметь форму инварианта, образованного из
компонент тензора напряжений и компонент тензоров, характеризующих прочностные
свойства материала. Необходимость записи критерия прочности в виде
инварианта понятна, поскольку, как указывает академик В. А. Фок, «всякая физическая
теория, кроме явно нелепой, должна быть ковариантна»;
-для того чтобы теория не была внутренне противоречивой, необходимо,
чтобы все вытекающие из нее соотношения между константами материала были
ковариантны, т. е. не зависели от системы координат;
-в условии прочности должны учитываться такие особенности механических
свойств материалов, как различие пределов прочности на растяжение и
сжатие, зависимость предела прочности на сдвиг от направления касательных
напряжений (для анизотропных стеклопластиков). В простейших случаях это
условие должно приводиться к обычным формулам сопротивления материалов;
-в условии прочности должны в явном виде учитываться влияние времени,
температуры и масштабного фактора на разрушение материалов при разных
напряженных состояниях.
Основные допущения или постулаты рассматриваемой теории прочности
сводятся к следующему:
-аналитическое выражение критерия прочности может быть геометрически
представлено в виде некоторой гиперповерхности в инвариантном пространстве
напряжений. Эта гиперповерхность называется предельной гиперповерхностью.
Первый постулат рассматриваемой теории формулируется так:
предельная гиперповерхность должна быть выпуклой. Данный постулат представляет
собой распространение на хрупкие материалы известного в механике
постулата Друккера о выпуклости предельной поверхности текучести упругопластических
материалов. Возможность распространения постулата Друккера
на хрупкие материалы подтверждается экспериментами, которые показывают,

60
что хрупкие материалы (например, многие стеклопластики) обнаруживают хотя
и весьма малую, но все же некоторую пластичность перед началом разрушения;
-для материалов, обладающих различными пределами прочности на растяжение
и сжатие, в условие прочности наряду с инвариантами четных степеней
должны быть введены инварианты нечетных степеней, так как это единственный
способ отразить в одном аналитическом выражении указанную особенность
механических свойств материала;
-следующий постулат сводится к утверждению, что при изменении (увеличении)
прочностных констант у материалов данного типа предельная поверхность
в пространстве напряжений должна расширяться таким образом, чтобы
прежняя предельная поверхность оказалась внутри ее. При этом, естественно,
обе предельные поверхности могут только касаться друг друга, но не пересекаться.
Следует заметить, что термин «изменение констант» предполагает переход
от материала к материалу данного типа (например, разных типов стеклопластиков
и др.). Сформулированное в данном пункте положение названо эвристическим
принципом для прочностных констант материала;
-можно удовлетворить всем приведенным выше требованиям и постулатам,
приняв в качестве условия прочности, например, следующее выражение
(П ik ik ) +(П pqrs pq rs ) +(П iknmrs ik mn rs ) +…1
где ik – компоненты тензора напряжений;
П ik , П pqrs – компоненты тензоров прочности различных валентностей,
удовлетворяющие следующим условиям симметрии:
П ik = П k i
П pqrs = П qprs
П pqrs = П qpsr
П pqrs = П rspq
Условие прочности (33) приводится к обычным формулам сопротивления
материалов для простых сопротивлений (растяжение, сжатие, сдвиг), если для
=1 принять =1/2, =1/3. и т. д., т. е. если оно будет представлять собой однородную
функцию тензора напряжений.

61
Тензорно-инвариантная форма условия позволяет записывать его в данном
виде в любой системе координат.
2.5 Оценка надежности клинового захвата для производства спускоподъемных
операций
При производстве спуско-подъемных операций с обсадной колонной определенные
неудобства доставляет необходимость осуществления спуска и подъема
на двух элеваторах, что чревато при возникновении нештатных ситуаций на
скважине, когда колонну необходимо поднять за максимально короткое время.
Колонна стеклопластиковых труб, как правило, применяется в интервале продуктивного
пласта, т.е. в самой нижней части скважины. Применение варианта
спуска на двух элеваторах продиктовано, прежде всего, необходимостью исключить
повреждение защитного наружного «пилотного» слоя о шлипсу клинового
захвата. До сих пор это был единственный способ спуска стеклопластиковых
колонн в скважину. При повреждении пилотного слоя теряются основные
характеристики обсадных стеклопластиковых труб, такие, как химическая
стойкость, устойчивость к отложениям асфальтенов, смол и парафинов, снижаются
значения выдерживаемых внутреннего и наружного давлений.
2.5.1 Разработка математической модели клинового захвата
Проблемы, связанные с разрушением материалов, в настоящее время характеризуются
чрезвычайной многогранностью и занимают все более видное
место не только в таких разделах науки, как механика деформируемого тела и
физика твердого тела, но и в материаловедении, особенно при создании новых
композиционных материалов. Разработка подходов, связанных с применением
машинного моделирования, требует методологического анализа разнообразных
концепций, методов и представлений, которые используются при исследовани-

62
ях процессов разрушения и оценках прочностных свойств конструкционных
материалов.
Как правило, проблемы при моделировании возникают при попытках
предсказывать качественные переходы в развитии процесса разрушения,
например от накопления субмикроповреждений внутри компонентов и на их
границе к разрушению отдельных микроструктурных компонентов, к лавинному
процессу развития магистральной трещины.
При расчете надежности стеклопластиковых труб при спуске на клиньях,
производится расчет на прочность несущей оболочки, по методике расчета изотропных
конструкций от воздействия равномерно распределенной внешней
нагрузки на тело трубы. Статистически получаемая величина является той точкой,
после превышения которой величиной внешнего давления, произойдет невозможность
восприятия такой нагрузки, т.е. отказ конструкции. Существующий
детерминистический подход не является удовлетворительным с точки зрения
анализа надежности. В связи с рассеиванием конструктивных параметров,
даже при одном и том же коэффициенте запаса прочности, вероятность отказа
может колебаться в весьма широких пределах. При расчетах на прочность
необходимо учитывать свойства материала и распределение вероятностей для
таких факторов, влияющих на прочность, как, например, чистота и способ обработки
поверхности. При расчете напряжений необходимо учитывать статистические
данные о нагрузках и распределении факторов, влияющих на напряжение,
например, таких, как концентрация напряжений и температура. Путем
таких расчетов можно найти плотность распределения вероятностей напряжений
и характеристик прочности, а также их параметры. Выбрав определенный
вид отказа, можно на основании плотностей распределения напряжений и характеристик
прочности вычислить показатель надежности элемента. Этот показатель
представляет собой вероятность события, что в критических точках поперечных
сечений действующие напряжения меньше предельных.
Мерой прочностной надежности является коэффициент запаса. Недостаток
детерминированных методов расчета состоит в том, что они не учитывают рас-

63
сеивание характеристик прочности, нагрузок и характерных размеров проектируемых
элементов. Вследствие указанных факторов при одном и том же коэффициенте
запаса имеется определенная вероятность отказа, которая может колебаться
в значительных пределах.
В основу расчетов положена формула для показателя надежности.
R
Z
,
Z
S
0
2
0
S
2
; (33)
z
1
где Z 2
exp( ) dx – табулированный интеграл вероятностей;
Z – его аргумент;
0
x
2
2
– математическое ожидание предела прочности стеклопластиковой
оболочки, МПа;
2
, S 0 0
– соответственно математическое ожидание и дисперсия предела
прочности;
, S
2
– соответственно математическое ожидание и дисперсия напряжений
смятия, м;
2
S – дисперсия предела прочности «пилотного» слоя связующего;
0
β – допуск толщины стенки трубы в относительных единицах.
В (37) выражение для Z называется уравнением связи. В свою очередь
напряжение смятия – это функция четырех статистически независимых случайных
величин, которая задается формулой
~ 1 ~ ~ 1 ~ 1
~
1
А
N t
где А – неслучайный коэффициент;
~ ~ ~
N ,
~ t , L , f
L
f
А=8 Sinα
(34)
– независимые случайные величины, обозначающие соответственно
усилие, толщину стенки, длину охвата и коэффициент
трения.

64
Применив к формуле (34) метод квадратичной аппроксимации и теоремы
о вероятностных числовых характеристиках, получим выражение для математического
ожидания и дисперсии
K t
где К и B – коэффициенты, определяемые по формулам:
1
, S
S
2
2
В t
2
, (35)
К
1
1
1
1
1
1
1
( А N L f ) ( А N L f 9 )
( А
1
N L
3
f
1
S
2
3
)
( А
1
N L
1
f
3
S
2
4
)
B
( A
1
L
1
f
1
S
1
)
2
( A
1
N L
1
f
1
3
1
)
2
( A
1
N L
2
f
1
S
2
3
)
2
( A N L
1
f
2
S
4
)
2
2 ( A
1
N L
1
f
1
9
1
2
)
2
2 ( A
1
N f
1
L
3
S
2
3
)
2
2 ( A
1
L
1
N f
3
S
2
4
)
2
( A
1
L
2
f
2
3
1
S
1
S
3
S
4
)
2
где
N , t , L ,
f
соответственно математические ожидания усилия, толщины
стенки, длины обхвата, коэффициента трения;
S 1 , S 2 , S 3 , S 4 – средние квадратические отклонения усилия, толщины стен
ки, коэффициента трения.
Подставляем выражение (35) для математического ожидания и дисперсии
напряжений смятия S 2 в уравнение связи (33), откуда после некоторых преобразований
получим квадратное уравнение для нахождения величины математического
ожидания толщины стенки трубы t по заданному показателю надежности
R.
k
2
t k t k
1 2 3
0
(36)
где k 1 ,k 2 ,k 3 – коэффициенты, определяемые по формулам:
k
1
2
0
( ZS
0
)
2
k
2
2 K
k
3
K
Используя выбранные ранее параметры, решаем квадратное уравнение
(36), в результате получаем два действительных корня для нахождения математического
ожидания толщины стенки:
1
t 0,02
1
Z
2

t 2
65
– 0,01
Первый из корней
t 1
обеспечивает заданную надежность R, а второй приводит к
вероятности разрушения пилотного слоя трубы
R
1
R
N
1,96 МН
S
1
0 ,078
0 ,02
МН
L
240
10
3
м
S
3
9 ,6
f 0 ,4
10
3
м
S
0 ,016
0
240
МПа
При заданных значениях, решив квадратное уравнение и посчитав все необходимые
коэффициенты, получим два корня, один из которых отрицателен, а
другой является математическим ожиданием толщины стенки обсадной стеклопластиковой
трубы с заданной вероятностью неразрушения, равной 99%. При
найденном корне
t 1
по выражению (36) исследована чувствительность надежности
пилотного слоя связующего по критерию смятия в зависимости от рассеивания
предела прочности S 0 .
2.6 Выводы
По типу существующих нагрузок, действующих на трубы, в главе разделены
расчеты насосно-компрессорных и обсадных труб. В каждом подразделеописаны
существующие методики расчета, их особенности, недостатки и положительные
моменты, применимо к расчетам анизотропных композиционных
оболочек.
Методикой расчета прочностных характеристик обсадных стеклопластиковых
труб при использовании традиционной методики изотропных стальных
конструкций можно считать методику ВНИИТнефти. По данной методике расчет
производится на осевую страгивающую нагрузку по формуле Яковлева-
Шумилова, на избыточное внутреннее давление по формуле Барлоу при опрес-

66
совке и по формуле Саркисова на избыточное наружное давление. Далее, по
четвертой теории прочности находят эквивалентное суммарное напряжение и,
наконец, коэффициент запаса прочности.
Однако отметим, что вышеуказанная методика предназначена для расчета
изотропных конструкций с тем отличием, что рассматриваются напряженные
состояния на плоскости, поправка на анизотропию сделана в области векторной
геометрии и представлена вектором эквивалентных напряжений на плоскости в
каждый момент времени.
Учитывая эти особенности, можно предположить, что наиболее точную
характеристику напряженного состояния СП-труб предложит теория Мизеса,
при которой расчет ведется от удельной энергии формообразования, теории
Фишера и Захарова, при которых рассматриваются критерии прочности анизотропных
стекловолокнитов, имеющих симметричные значения напряжений и
критерия Марина, рассматривающего асимметричные значения напряжений на
растяжение и сжатие, более точно подходящего для стекловолокнистых оболочек.
В главе подробно рассмотрены основные положения теорий прочности
анизотропных стеклопластиков и, далее, подходя к феноменологической теории
прочности И.И. Гольденблата, являющейся наиболее поздней и усовершенствованной,
на взгляд автора работы. В процессе аппроксимации имеющихся опытных
данных сделан вывод о степени адаптации представленных в главе направлений
расчета напряженных состояний к физическим процессам, происходящим
в обсадных трубах.
Опираясь на расчетные данные, результаты натурных испытаний стеклопластиковых
обсадных труб и аппроксимируя результаты на опытные данные,
можно сделать следующие выводы:
1. Расчет СПОТ должен производится по обобщенной теории прочности
Гольденблата – Копнова, удовлетворительно аппроксимирующей опытные
данные;
2. О приемлемости использования адаптированной расчетной методики
ВНИИТнефти к оценочным расчетам колонн из композиционных материалов;

67
3. Расчеты, методика и результаты подтверждают, что стеклопластиковые
обсадные трубы способны выдерживать эксплуатационные нагрузки с необходимым
запасом прочности.
Расчеты и методика, результаты которой приведены в рамках настоящей
главы, позволяют утверждать, что стеклопластиковые обсадные и насоснокомпрессорные
трубы способны выдерживать эксплуатационные нагрузки и
далее необходимо перейти к промысловым натурным испытаниям.
Одним из недостатков использования стеклопластиковых обсадных труб
является то, что их приходится спускать на элеваторах, что существенно замедляет
время спуско-подъемных операций, и, как следствие этого, повышается
риск от проявления последствий нештатных ситуаций на скважине при спуске
колонны.
Целью данной главы было определить вероятность неразрушения стеклопластиковой
трубы при взаимодействии с плашками клинового захвата и подтвердить
данные при определении твердости на испытательных машинах.
Графики, полученные при вероятностном расчете, показывают, что вероятность
неразрушения стеклопластиковой обсадной трубы значительна.
В заключение необходимо отметить, что для полного адаптирования
расчетных методик необходимы полномасштабные исследования и глубокая
теоретическая проработка полученного материала, которая приведет к получению
унифицированной методики расчета технологических цилиндрических
оболочек вращения из волокнистых композиционных материалов в нефтегазодобывающей
промышленности.

труб
68
3. Исследование свойств стеклопластикового материала обсадных
Современные машины, агрегаты и приборы эксплуатируются в сложных
условиях, характеризуемых широким диапазоном режимов работы, температуры,
давления, непрерывным ростом нагрузок, скоростей и длительности эксплуатации.
При создании современных материалов необходимо четко представлять
основные факторы, воздействующие на них в процессе эксплуатации.
Эти сведения необходимы при моделировании внешних воздействий как в процессе
создания новых материалов и изделий, так и при оценке качества готовой
продукции.
Задача испытательной техники состоит в том, чтобы максимально приблизить
условия испытаний к экстремальным условиям эксплуатации и количественно
определить изменения в этих условиях основных свойств, функций и
характеристик изделий и материалов.
Виды воздействующих факторов и их значения в зависимости от условий
эксплуатации материалов и изделий устанавливаются в стандартах и технических
условиях, а для вновь создаваемой продукции в технических заданиях на
их разработку. К основным воздействующим факторам относят механические,
климатические, биологические, специальные среды.
При конструировании труб из композиционных стеклопластиковых материалов
(СКМ) для нефтегазовой промышленности необходимо использовать
возможности технологии их изготовления, позволяющей дифференциально
управлять анизотропией свойств КСМ и придавать изделию необходимые эксплуатационные
свойства. Большинство типов нефтегазопромысловых производств
характеризуется жесткими условиями эксплуатации оборудования при
одновременном воздействии агрессивных сред, высоких температур и давлений,
факторов жесткости климата и механических воздействий.
Прочность и упругие свойства анизотропных материалов зависят от расположения
армирующего наполнителя и описываются более сложными зави-

69
симостями, чем у изотропных материалов. Для анизотропных армированных
пластмасс характерно высокоэластичное состояние связующего при почти идеально
упругом поведении армирующего наполнителя. Поэтому их механические
свойства оцениваются значительным числом параметров, основанных на
выводах различных теорий прочности, и только полученный при физикомеханических
испытаниях комплекс характеристик используется при инженерном
проектировании изделий из таких материалов.
Данные о физико-механических свойствах КСМ, полученные при испытаниях
в нормальных условиях, не дают полного представления о возможной области
применения таких труб. Необходимы знания о поведении КСМ в реальных
условиях эксплуатации труб: при повышенных и пониженных температурах,
в условиях повышенной влажности, в агрессивных средах.
3.1 Испытание стеклопластиковых труб на внутреннее давление
Методы и средства испытаний на внутреннее давление должны обеспечивать
достаточную точность измерений давлений, деформаций и температур
(1%), возможную автоматизацию процессов нагружения и нагрева, непрерывную
запись зависимости между давлением и деформацией, безопасность проведения
испытаний и дистанционность управления, что особенно важно при гидроиспытаниях.
В качестве рабочей среды для создания давления может быть
использована жидкость (масло, вода, керосин, глицерин и др.). При выборе рабочей
среды, особенно для длительных испытаний, следует учитывать возможное
влияние среды (например, коррозионное) на материал изделия и применять
пассивные среды или вводить добавки в жидкую среду, нейтрализующие это
влияние. Насосы при гидроиспытаниях должны обеспечивать давление на 10-
20% выше требуемого, плавное нарастание и минимальную пульсацию давления
в процессе испытаний.

3.1.1 Определение необходимых размеров образцов для испытаний
70
При испытаниях труб на внутреннее давление, как правило, применяют
модельные емкости вращения цилиндрической формы. Тип и форму образца
выбирают в зависимости от задач исследования. Обычно размеры сегментов и
модельных емкостей позволяют отнести их к разряду тонкостенных оболочек, в
которых под действием внутреннего давления возникает двухосное растяжение
с соотношением главных напряжений 0,5
2
1
1. При использовании в качестве
образца для испытаний модельной емкости в целях обеспечения разрушений в
рабочей части необходимо штуцеры и другие подобные детали арматуры изготовлять
из штамповок, располагая сварные швы штуцеров вне зоны утонений и
концентрации напряжений. Испытание модельной емкости цилиндрической
формы часто может быть заменено испытанием обечайки без днищ. Герметизацию
при этом осуществляют специальными средствами: оплавлением торцов
обечайки и заливкой их легкоплавким материалом в заглушке, созданием гофра
на участке самоуплотняющейся заглушки, использованием цангового зажима,
иногда с «ершовыми» кулачками. Выбор способа крепления зависит от материала
обечайки. Характерные размеры образцов для испытаний на внутреннее
давление представлены в таблице 2.
Таблица 2
Характерные размеры образцов для испытаний на внутреннее давление
Тип
Толщина Диаметр,
Образец
образца
стенки, мм мм
Плоский
3 40-180
Сегмент
Емкость
Сферический
3-20 180-700
Отношение длины
к диаметру
1
Эллипсоидный 3-10 120-480 0,375-0,5
Полуцилиндрический 3-10 200 1,75
Цилиндрическая 1,5 150-400 2
Сферическая 1,5 150-400 1

3.1.2 Разработка схемы и необходимого количества измерений
71
Системы для испытаний на внутреннее давление компонуют из серийных
агрегатов, иногда в них включают отдельные оригинальные блоки. В исследовательских
лабораториях для испытаний используют хорошо зарекомендовавшие
себя установки, которые изготовляют малыми сериями. Системы создания
и регулирования давления разрабатывают в зависимости от цели испытаний с
учетом рабочей среды.
К натурным испытаниям внутренним давлением относятся все контрольные
испытания на прочность и герметичность изделий гидрогазовых систем, а
также испытания реальных полноразмерных изделий в исследовательских целях
при обработке новых материалов. Контрольные натурные испытания обязательны.
Для проведения натурных испытаний могут быть использованы схемы систем
и установки, описанные выше, а также насосные станции и насосы любой
конструкции, обеспечивающие необходимый уровень давления и производительность.
Существующие методы испытания на герметичность можно подразделить
на гидравлические, пневмогидравлические, пневматические и вакуумные.
Метод выбирают в зависимости от требуемого уровня герметичности изделия,
определяемого стандартами или техническими условиями. В работе выбран
гидравлический режим испытаний.
Это вызвано следующими факторами:
• Рабочий агент, как в испытательном стенде, так и в реальных условиях –
жидкость;
• Рабочий агент несжимаем и обеспечивает плавное нагружение и снятие
нагрузки;
• При негерметичности испытываемой трубы место стравливания рабочего
агента видно визуально;
• При конструкции стенда, используемой в работе, используются два насоса –

основной и насос для создания давления подпрессовки, которые обеспечивают
72
плавное и точное нагружение испытываемой трубы.
3.1.3 Оценка точности измерительных приборов
Давление во время испытаний контролируют манометрами, установленными
в трубопроводах и за испытуемым объектом или вблизи него во избежание
ошибок измерения действительного давления в образце или изделии из-за
возможных потерь в системе. При лабораторных и контрольных испытаниях
используют образцовые манометры класса точности 0,5. Шкала номинального
давления превосходит минимум на 30% предполагаемое предельно измеряемое
давление. Помимо механических манометров используются и электрические
датчики давления – тензорезисторные и электромагнитные.
Для оценки напряженного состояния в зонах концентрации напряжений
используют тензометрические и оптические методы.
3.1.4 Выбор и обоснование режимов испытаний
В предлагаемой опытной установке реализованы условия, которые действуют
на обсадную стеклопластиковую трубу в процессе опрессовки рабочим
давлением. Образец зафиксирован на опытном стенде с торцов резьбовым соединением,
являющимся точной копией соединения обсадных стеклопластиковых
труб между собой при спуске в скважину и насосно-компрессорных труб
между собой. Причем испытания проводятся для двух типов соединений обсадных
труб: с цилиндрической и конической резьбой. У насосно-компрессорных
труб рассматривалось только соединение с помощью конической резьбы. Конструкция
испытательного стенда снабжена самоуплотняющимися сальниками.
Испытуемый образец помещается на стапеля, внутрь заполненного водой
канала над зеркалом воды. С помощью задвижек манифольд подключается к
насосу низкого давления и блокируется. Линия заполняется рабочей жидкостью
и создается первичное давление, равное 30% от рабочего. При отсутствии течи

73
соединений и капельной течи испытуемого образца нагнетание заканчивается,
и образец находится под первичным давлением в течение 10 – 15 минут. После
стравливания рабочей жидкости в систему слива задвижка слива закрывается и
насосом низкого давления создается первичное давление в системе, контролируемое
по манометру на выходе. Далее, при включении насоса высокого давления
создается давление подпрессовки до величины давления, на которое производится
испытание, линия подпрессовки блокируется, и давление удерживается
в течение 3 – 5 минут. Испытания проводятся однократно до достижения заданной
величины давления или до потери герметичности по телу трубы. Признаками
негерметичности трубы в данном случае является падение давления,
запотевание наружной поверхности трубы, появление капельной течи, которую
хорошо видно на зеркале воды в канале. Нагружение образцов производилось
при температуре 15-20 0 С со скоростью не более 0,1 МПа/с. Результаты испытаний
представлены в таблице 3.
3.2 Испытание стеклопластиковых образцов в коррозионноактивных
средах
Испытание образцов стеклопластиковых труб проходило в 2 этапа. Первый
проводился на базе химической лаборатории завода «Пармапласт» и ставил
перед собой целью доказать химическую стойкость пилотного слоя стеклопластиковой
трубы к воздействию химически-активных сред. Образцы были испытаны
более чем в 80 кислото- и щелочесодержащих средах, которые применяются
в отраслях нефтяной и газовой промышленности.
Второй этап испытаний проводился на базе химических лабораторий кафедры
химии Ухтинского государственного технического университета и ставил
перед собой целью доказать сохранение физико-механических свойств
стеклопластиковой трубы при взаимодействии с метанолом, который добавляют
в газдобывающие скважины в холодное время года для предотвращения
кристаллизации газового конденсата на поверхности труб и оборудования.

№
п/п
74
Результаты испытаний на внутреннее давление
Материал Структура Максимальное
матрицы намотки давление
испытаний, МПа
Таблица 3
Вид резьбы
1 ЭТАЛ-20 КППН * 29,5 Коническая
2 ЭТАЛ-20 КППН 30,0 Коническая
3 ЭТАЛ-20 КППН 31,2 Коническая
4 ЭТАЛ-20 КППН 29,2 Цилиндрическая
5 ЭТАЛ-20 КППН 29,0 Коническая
6 ЭТАЛ-20 КППН 30,0 Коническая
7 ЭТАЛ-20 КППН 30,0 Коническая
8 Derrakan-411 ПКН ** 35,3 Коническая
9 ЭТАЛ-20 КППН 39,6 Цилиндрическая
10 Derrakan-411 ПКН 32,5 Коническая
* Косослойная продольно-поперечная намотка
** Поперечная косослойная намотка
По данным испытаний выборочные статистические величины:
P min =29,5 МПа, P max =39,6 МПа.
Выборочное среднее значение величины максимального давления испытаний
p
,МПа
p
8
1
n
P
p 31 . 025 МПа .
i

Выборочная дисперсия D p, МПа 2
75
D
p
1
n 1
n
P
p
i
D p =12,35 МПа 2
Выборочное среднее квадратичное отклонение S p , МПа
S p =3,52 МПа.
Исходя из полученных результатов испытаний, и по полученным величинам
выборочной дисперсии и выборочного среднего квадратичного отклонения,
можно сделать вывод о существенном влиянии случайных величин на результаты
экспериментов и о необходимости использования вероятностных методов
расчета для получения объективных результатов при обработке результатов
испытаний.
n 1
3.2.1 Разработка задачи и схемы испытаний, конструкции испытательных
и измерительных приборов
Задачей данного вида испытаний было проверить стойкость материала
стеклопластиковых труб к воздействию:
– метанола;
– основных применяемых в нефтегазопромысловой отрасли для очистки
поверхности труб и при технологических операциях воздействия на пласт химически
агрессивных жидкостей.
Испытания проводились по следующей схеме – измерение комплексной
физико-механической характеристики (оценка твердости) – химическое воздействие
на образцы в лабораторных условиях – повторное измерение твердости.
3.2.2 Определение и обоснование формы и размера образцов
Размеры всех образцов изготовлены в соответствии с ГОСТ 9012-59 [46].
Изготовление образцов производилось в лабораториях завода «Пармапласт».
Схема изготовления образцов выглядит следующим образом. Все необходимые

76
компоненты для изготовления образцов взяты из партии полуфабрикатов, на
основе которых изготавливались стеклопластиковые обсадные трубы для ООО
«Севергазпром». Материалы для изготовления каждого образца взвешивались
на электронных весах с точностью измерения до 0,0001 г. Матрица для изготовления
образца представляет собой металлическую пластину толщиной 5
миллиметров из листа конструкционной стали стандартного профиля. Матрица
выполнена с размерами, указанными в таблице 4. На металлическую пластину
равномерным слоем наносилась лента ФУМ, поверхность ленты обезжиривалась
спиртом, и наносился тонким слоем эпоксидный компаунд. После нанесения
компаунда на матрицу наматывают равномерным слоем стеклоровинг.
Таблица 4
Геометрические характеристики матрицы для изготовления образцов для испытаний
стеклопластиковых материалов на химическую стойкость к воздействию
агрессивных жидкостей
Характеристики
Значение
Геометрические
Длина 70
Ширина 50
Высота 5
Механические
Материал Сталь ст.5 ГОСТ 1050-88
После нанесения одного слоя ровинга матрицу вновь промазывают слоем
компаунда. Цикл повторяется до нанесения 20 слоев. После этого матрицу с

77
намотанным на нее ровингом помещают в муфельную печь для отверждения
при следующих режимах:
15 0 С – 24 часа
50 0 С – 8 часов
После отверждения в муфельной печи образец стачивают по ребрам для
получения двух одинаковых половинок. После этого образцы готовы к испытаниям.
3.2.3 Определение состава сред для испытаний
При определении состава сред для испытаний были приняты во внимание
многие факторы, оценены реальные, находящиеся в применении методы кислотного
воздействия на карбонатные коллекторы нефтеносных пластов, методы
очистки и предотвращения отложений асфальтенов, смол и парафинов на поверхности
труб нефтепромыслового сортамента с помощью химических соединений.
Были проанализированы и учтены такие характеристики, как температура
в зоне предполагаемой химической реакции в условиях скважины, вид связующего
стеклопластиковых труб. Исходя из вышеизложенного были предложены
пять видов агрессивных сред (кислоты, щелочи и соли, растворители, вода
и газы), три вида связующих, применяемых в нефтяной и газовой промышленности
для изготовления труб нефтяного сортамента.
3.2.4 Обоснование режимов и параметров для испытаний
Основной анализируемой характеристикой в испытаниях на химическую
стойкость к воздействию агрессивных сред принята твердость наружного пилотного
слоя, который по сути является защитной оболочкой стеклопластиковых
насосно-компрессорных и обсадных труб от воздействия агрессивных сред
в процессе хранения и эксплуатации. Твердость решено проверять статическим
методом по Бринеллю в соответствии с ГОСТ 9012-59.

78
Сущность метода состоит в том, что шарик определенного диаметра в течение
установленного времени вдавливается с определенной силой P в испытуемый
образец. После удаления нагрузки измеряется диаметр отпечатка, оставшийся
на поверхности образца. Твердость по Бринеллю
HB
0 .102
где Р – нагрузка, Н; F – площадь поверхности отпечатка, мм 2
F
F Dh
где D – диаметр шарика, мм; h – глубина отпечатка, мм
,
P
,
h
D
0 .5
D
2
d
2
,
где d – диаметр отпечатка, мм.
ГОСТ 9012-59 регламентирует нагрузку применительно к испытуемому
материалу, а также продолжительность выдержки материала под нагрузкой.
Минимальная толщина образца высчитывалась по формуле
S
min
10 0 .102
P
DHB
Площадь образца должна быть достаточной для проведения не менее 5
измерений на расстоянии не менее 10 мм друг от друга и не ближе 10 мм от
края образца.
3.3 Испытания образцов стеклопластиковых труб на разрыв
Испытания проводились по классической схеме путем растяжения и давления
до полного разрушения плоскопараллельных образцов, изготовляемых из
стеклопластиковых труб производства Сосногорского опытного завода и Пермского
завода «Пармапласт».
Цель исследований – получение информации о качественном составе
стеклопластиковых материалов, применяемых для изготовления труб на Сосногорском
опытном заводе и Пермском заводе стеклопластиковых труб «Пармапласт»,
и их соответствии гарантируемым заводами значениям.

79
3.3.1 Выбор испытательных машин и приборов
Испытания проводились на испытательных машинах типа Р-5 с ручным и
механическим приводами, имеющих рычажно-маятниковые силоизмерительные
устройства с ценой деления шкалы от 50 до 200 кг.
Испытательные машины должны обеспечивать максимальную нагрузку в
500 кг и 5000 кг при скорости нагружения 1 – 100 мм/мин и температуре окружающей
среды 10 – 35 °С.
Машина Р-5 предназначена для испытания образцов из металла и композитов
на растяжение, сжатие и изгиб при температуре окружающей среды 10 –
35 0 С. В машину входят электромеханический привод активного захвата и рычажно-маятниковый
силоизмеритель.
Блок тиристорного привода плавно регулирует угловую скорость двигателя
с кратностью 1:100, что позволяет менять скорость движения активного
захвата машины от 1 до 100 мм/мин.
Для построения диаграммы растяжения был использован регистрирующий
вторичный электрический прибор с двухкоординатной одноперьевой записью.
Самописец работает следующим образом: при перемещении траверсы
вниз, усилие, прикладываемое к образцу через захват, воспринимается упругим
элементом силоизмерителя и фиксируется стрелкой на шкале нагрузок.
Запись диаграммы «нагрузка-деформация» производится барабаном.
В качестве измерительных устройств использовали штангенциркуль с
пределами измерения 0 – 150 мм с погрешностью 0,05 мм согласно ГОСТ 166
– 60 и микрометр типа МК согласно ГОСТ 6507 – 60 с пределами измерений 25
– 50 мм с погрешностью 4 мкм.
Результаты испытаний предоставлены в таблице 5.

№
п/п
Результаты испытаний на растяжение стеклопластиковых образцов
Площадь
сечения образца
b h, мм S, м 2
80
Характер
разрушения
Разрывное
усилие, кг
Таблица 5
Осевое напряжение
(разрушающее),
МПа
1 4,90х10,05 5,15·10 -5 Хрупкий 320 64
2 5,00х10,00 5,00·10 -5 Хрупкий 400 80
3 5,00х10,00 5,00·10 -5 Хрупкий 290 58
4 5,00х10,00 5,00·10 -5 Хрупкий 280 56
5 5,00х10,00 5,00·10 -5 Хрупкий 250 50
6 5,00х10,00 5,00·10 -5 Хрупкий 270 54
7 4,75х11,7 5,58·10 -5 Хрупкий 320 64
8 5,30х9,20 4,88·10 -5 Хрупкий 270 54
9 5,00х10,00 5,00·10 -5 Хрупкий 310 62
10 5,00х10,00 5,00·10 -5 Хрупкий 260 52
3.3.2 Обоснование размеров и форм образцов
При изучении физико-механических свойств пластиков прежде всего следует
решать вопрос о методике и технике изготовления образцов.
Невозможность использования результатов физико-механических испытаний
на микрообразцах при расчетах и конструировании изделий из пластиков
является следствием того, что при испытании материалов по «микрометоду»
вызывает затруднение учет масштабного фактора (форма и размеры образца),
наряду с резко выраженной макроструктурой некоторых типов пластика (слоистых).
Форма и размеры образцов для физико-механических испытаний должны
по возможности приближаться к форме и размерам готовых изделий из стеклопластика.
Метод непосредственного изготовления образцов одновременно с изготовлением
полупродукта или изделия для слоистых пластиков едва ли целесообразен
в связи с тем, что при этом трудно обеспечить одинаковые свойства
материала в образце, полупродукте и изделии. Поэтому принят метод предва-

81
рительной выемки заготовок из готового продукта или изделия с последующим
изготовлением образца из заготовок. При выемке заготовок и изготовлении образца
принят механический метод обработки на металлообрабатывающих станках
(главным образом фрезерных) с применением победитовых резцов согласно
ГОСТ 8697-58. При изготовлении образцов применялась эмульсия для устранения
стеклопыли.
Образцы во всех случаях были приняты с прямоугольным поперечным сечением,
с ориентацией граней образца по главным плоскостям анизотропии.
Это сделано с целью уменьшения влияния поверхностной обработки образца на
величину механических характеристик слоистого пластика. Для слоистого пластика
с явно выраженной анизотропией по трем осям анизотропии применение
цилиндрических образцов не рационально из-за перерезывания слоев стеклоровинга
плоскостями, направленными под разными углами к главным плоскостям
анизотропии. Образцы изготовлялись из заготовок с допуском, не превышающим
± 0,1 мм по высоте и по размеру стороны поперечного сечения. При изготовлении
образца не допускалось отклонение от параллельности погрузочных
граней, и соблюдалась взаимная перпендикулярность всех его граней. При испытании
на растяжение применялись образцы с клиновидными головками.
Захват, соответствующий клиновой форме головки образца, исключает
необходимость в двухклиновом зажиме образца парными клиньями. Такое закрепление
образца в захвате исключает возникновение эксцентричного приложения
нагрузки по концам образца вследствие смещения клиньев относительно
друг друга. В этом случае разрушение образца вне пределов рабочей части, как
это часто имеет место при испытаниях плоских образцов двухклиновым зажимом.
Допуски рабочей части образца на растяжение для поперечных размеров
были приняты равными ±0,1 мм, а для длины рабочей части ± 0,5 мм, согласно
ГОСТ 8697-58.
Поперечные размеры образцов для испытаний на растяжение измеряли
штангенциркулем с точностью до ±0,1 мм на уровне половины высоты образца.
Так как высота образца служила базой для измерения деформаций, ее измеряли

82
с той же точностью, что и поперечные размеры. Размеры поперечного сечения
принимали как среднее арифметическое из трех обмеров. Образцы вырезались
из тела трубы вдоль ее оси. Конфигурация, форма и размеры образцов приведены
на рисунке 9.
R10
1130
8
110
40
R35
25
Рис. 9. Конфигурация, форма, размеры образцов
3.3.3 Обработка результатов испытаний
Для получения графической зависимости экспериментальные исследования
обработаны по методике Стьюдента с доверительной вероятностью 0,95.
Графическая зависимость между напряжениями и деформациями изображена
на рисунке 10.

у п р
1
р
83
75
2
60
45
пр
30
1
, %
0 2 4 6 10 -3
Рис. 10. Диаграмма растяжений стеклопластика
пр – предел пропорциональности; упр – предел упругости; 1 – уровень напряжений
полного нагружения корда; р – разрушающее напряжение; 1 – прерывистое
нагружение образца; 2 – плавное нагружение
Характер кривой нагружения до разрушения образца позволяет сделать
следующие выводы:
– в стеклопластиковых материалах отсутствует предел текучести с ярко
выраженной площадкой текучести;
– характер нагружения образца при возрастании нагрузки различен, изменяясь
от прерывистого (участок 1) до плавного (участок 2), что связано с последовательным
нагружением стекловолокнистых нитей каркаса;

84
– предел пропорциональности пр , соответствующий границе нагружения
при которой наблюдается линейная зависимость между нагрузкой и деформацией,
составляет 0,2 – 0,22 от напряжения разрушения р ;
– предел упругости упр, соответствующий уровню напряжений, когда
полностью использованы упругие свойства, равен 0,25 от напряжения разрушения
р ;
– уровень напряжений растяжения, при котором происходит разрушение
образцов, р составляет от 0,5 до 0,6 от гарантируемых Сосногорским опытным
заводом.
Это связано с тем, что при изготовлении образцов для испытаний нарушается
напряженное состояние и структура каркаса из стеклопластиковых нитей.
При испытании натурных образцов производства завода «Пармапласт» эта
разница незначительна.
На кривой нагружения имеются два экстремума 1 и р , которые объясняются
следующим. При нагружении образца вначале нагрузку воспринимает
только часть стекловолокнистых нитей, некоторые из которых после деформации
разрушаются и напряжения падают, что соответствуют уровню 1. При
дальнейшей деформации в процессе нагружения до разрушения образца
нагрузку воспринимают все оставшиеся нити корда, что ведет к увеличению
разрушающего напряжения до уровня р .
Таким образом, выполненные экспериментальные исследования стеклопластиковых
материалов ОАО «Пармапласт» и ЗАО «Сосногорскпласт» по традиционным
методикам ГОСТ, показали:
– в стеклопластиках на базе эпоксидного связующего отсутствует ярко
выраженный предел текучести;
– характер нагружения образца при возрастании нагрузки различен, изменяясь
от прерывистого (участок 1) до плавного (участок 2);

85
– предел пропорциональности σ пр , соответствующий границе нагружения,
при которой сохраняется линейная зависимость между нагрузкой и деформацией,
составляет 0,2 – 0,22 от напряжения разрушения σ р ;
– предел упругости σ упр , соответствующий уровню напряжений, когда
полностью использованы упругие свойства стеклопластика, равен 0,25 от
напряжения разрушения σ р .
3.4 Исследования влияния агрессивных сред и повышенных
температур на прочностные характеристики СКМ, применяемых для
производства обсадных труб
Важнейшими факторами влияния на временные прочностные свойства
реальных конструкций обсадных труб, применяемых для крепления скважин и
газонефтедобычи, являются температурные воздействия и влияние агрессивных
сред.
Вследствие многообразия факторов, влияющих на разрушение, и их
различной опасности также важное значение имеет экспериментальное исследование
развития разрушений для установления его качественной картины
в целях дальнейшего исследования количественной связи с макроскопическими
напряжениями и вызванными ими деформациями.
Испытания проводились по классической схеме путем сжатия плоскопараллельных
образцов, изготовляемых из стеклопластиковых труб СПОТ
150/190 ТУ 2296–055–24042753–99 производства АО «Пармапласт».
Цель исследований – выявление характера и динамики разрушения
материала композиционных стеклопластиковых труб в вертикальных
нефтегазовых скважинах, получение информации о качественном составе
стеклопластиковых материалов, применяемых для изготовления труб на АО
«Пармапласт», а так же выяснение влияния агрессивных сред и повышенных
температур на их прочностные свойства.

3.4.1 Методика испытаний
86
Были проведены испытания стеклопластикового материала, применяемого
для изготовления обсадных труб, с целью получения информации об его качественном
составе, выяснения характера и динамики разрушения материала, а
также влияния на них температуры и агрессивных сред.
В качестве типа испытания за основу было принято испытание на сжатие,
позволяющее определить уровень допустимых напряжений с целью определения
несущей способности обсадных труб из СКМ в вертикальных скважинах
при осевой и тангенциальной нагрузке, а также и избыточного давления.
Температурное влияние оценивалось на реальных образцах в пределах от
100 до 250°С с шагом в 50°С.
Для выявления коррозионного воздействия метанола на пилотный слой,
образцы выдерживали в течение 9 суток в следующих смесях: 10% метанол
(50%) + дистиллированная вода (50%); 25% метанол (50%) + дистиллированная
вода (50%); 50% метанол (50%) + дистиллированная вода (50%); 100% метанол
(50%) + дистиллированная вода (50%).
Для изолирования от воздействия агрессивной среды торцы образцов обрабатывались
жидким стеклом.
Для выяснения влияния температур на прочностные свойства КСМ необходимо
было стимулирование внутриструктурных изменений в материале и,
как следствие, определение времени, достаточного для полного сквозного прогрева
образца до заданной температуры.
Уравнение теплообмена для пластины, нагревающейся в воздушной среде,
выглядит следующим образом:
dT
dt
c
d
T cp
Т
пл
(37)
где
dT
dt
– скорость изменения температуры, К/с;
α – коэффициент теплоотдачи от воздуха в пластину, Вт/м 2 ·К;
с – теплоемкость стеклопластикового материала, Дж/кг·К;

87
ρ – плотность стеклопластикового материала, кг/м 3 ;
d – толщина пластины, м;
Т ср – температура среды, К;
Т пл – температура пластины, К.
Преобразуя уравнение (37) получим:
T
пл
dT
Т
cp
c
d
dt
ln
o
T
пл
Т
cp
t
c d
ln
C
T
пл
Т
cp
C
o
e
t
c d
T
пл
Т
cp
C
o
e
t
c d
Т(0)=Т ср +С о =Т о
С о =(Т о -Т ср )
Тогда уравнение, описывающее температуру пластины T в момент времени
t, выглядит следующим образом
T
Т
cp
t
c
d
T
пл
Т
cp
e
T
Т
Т
cp
cp
T
Т
пл
cp
1 e
t
c d
(38)
T
пл
Т
Т
cp
Как видно из выражения (38), при
cp
=k=0,001.
T
пл
Т
cp
t
. Введем ограничение
Тогда время полного прогрева образца можно определить по формуле:
c d
t ln( k
T
/
Т
пл
ср
1 )
Испытания проводились по классической схеме путем сжатия до полного
разрушения предварительно прогретых и выдержанных в агрессивной среде
образцов, изготовленных из стеклопластиковых труб.

88
Для исследования характера и динамики разрушения материала композиционных
стеклопластиковых труб в вертикальных нефтегазовых скважинах,
проводилась качественная оценка разрушений образцов, которая основывалась
на наблюдении в микроскоп их проявления на поверхности образца.
Боковая поверхность образцов шлифовалась и протравливалась ацетоном.
3.4.2 Обоснование размеров и форм образцов
При изучении физико-механических свойств пластиков, прежде всего,
следует решать вопрос о методике и технике изготовления образцов.
Затрудненность использования результатов физико-механических испытаний
на микрообразцах при расчетах и конструировании изделий из пластиков
является следствием того, что при испытании материалов по «микрометоду»
вызывает затруднения учет масштабного фактора (форма и размеры образца),
наряду с резко выраженной макроструктурой для некоторых типов пластика
(слоистых).
Форма и размеры образцов для физико-механических испытаний должны
по возможности приближаться к форме и размерам готовых изделий из стеклопластика.
Действующие стандарты регламентируют форму и размер образцов,
уровень и скорость приложения нагрузок при определении предела прочности
пластмасс при сжатии. Однако предлагаемая в них методика имеет ряд
существенных недостатков, искажающих получаемые экспериментальные
данные.
ГОСТ 4651 – 83 рекомендует образцы в виде параллелепипеда с квадратным
основанием. Отношение высоты образца к стороне основания
должно составлять 1,2 – 1,25.
Степень неоднородности напряженного состояния образца при сжатии
будет затухать от концов образца к середине и будет тем меньше в средней
части, чем длиннее и тоньше рабочая часть образца. Ранее исследовано вли-

89
яние соотношения геометрических размеров призматических образцов на показатели
прочности при сжатии образцов, вырезанных из пластин толщиной 10
и 15 мм, и показано, что предел прочности при сжатии практически не зависит
от этих соотношений.
На основании вышеприведенных положений, имеющихся в литературе
данных и экспериментальных исследований, для испытаний на сжатие во
всем исследуемом диапазоне скоростей деформирования выбраны образцы
прямоугольного сечения с отношением длины к наименьшему размеру сечения
l/b = 1,25. Это позволило получить в средней части образца одноосное
напряженное состояние, возможность измерения деформаций в этой зоне и
исключение потери устойчивости в процессе испытания.
При вырезке образцов из тела трубы вследствие механической обработки
в краевой зоне происходит нарушение сплошности материала образцов –
раздергивание армирующего материала, расслоение, а иногда и частичное разрушение
смолы. Вследствие этого при механических испытаниях напряжения
по ширине образца будут распределяться неоднородно. Уменьшение влияния
механической обработки на величину краевой зоны образца обеспечивалось
выбором режимов резания.
Влияние краевой недогруженной зоны на показатели прочности образцов
можно оценить, сравнивая результаты испытания образцов разной ширины.
Ввиду рассеяния значений прочности стеклопластиков необходимо статистически
оценить степень различия характеристик прочности между сериями
образцов различной ширины.
Такая оценка проведена с использованием критерия Стьюдента для
двух серий образцов шириной 10 и 20 мм в количестве по 10 штук в каждой
серии. Данная методика позволяет оценить случайности или существенности
расхождения средних арифметических значений предела прочности
при сжатии образцов.
Для уровня значимости Р t0 = 0,05 по таблице распределения Стьюдента
значение t 0 составило 2,228, при t = 0,41.

90
Так как t o >t, то расхождение в средних значениях предела прочности
при сжатии для образцов разной ширины статистически несущественно и поправку
на учет краевой зоны при определении предела прочности для образцов
шириной 20 мм вводить нецелесообразно.
Учитывая опыт исследования стеклопластиков при сжатии, были
приняты следующие геометрические размеры образцов: ширина 20 мм, высота
20 мм, толщина 16 мм.
Метод непосредственного изготовления образцов одновременно с изготовлением
полупродукта или изделия для слоистых пластиков не целесообразен
в связи с тем, что при этом трудно обеспечить одинаковые свойства материала
в образце, полупродукте и изделии. Поэтому принят метод предварительной
выемки заготовок из готового продукта или изделия с последующим изготовлением
образца из заготовок.
Образцы изготовлялись на горизонтально-фрезерном станке двумя дисковыми
фрезами, установленными на одной оправке.
Расстояние между фрезами соответствовало ширине образца. Такая
схема вырезки обеспечивала параллельность торцов образцов.
При изготовлении образцов применялась эмульсия для устранения стеклопыли.
При изготовлении образца не допускалось отклонение от параллельности
погрузочных граней, и соблюдалась взаимная перпендикулярность всех его
граней.
Поперечные размеры образцов для испытаний на сжатие измеряли
штангенциркулем с точностью до ±0,05 мм. Размеры поперечного сечения
принимали как среднее арифметическое из трех обмеров. Образцы вырезались
из тела трубы вдоль ее оси.
3.4.3 Выбор испытательных машин, приборов и режима испытаний
Испытания с небольшими скоростями (продолжительность нагружения
более 1 – 10 сек) ведутся на рычажно-маятниковых и гидравлических прессах,

91
которые являются неизолированной системой различной податливости с последовательным
соединением образца и испытательной установки. При этом
скорость подвода энергии в нагружающее устройство (скорость перемещения
захватов, скорость подачи масла в цилиндр и т. д.) значительно меньше
скорости вынужденной эластической или пластической деформации материала.
Податливость испытательной установки сравнима с податливостью образца
на участке пластической вытяжки и течения. В этом случае режим с постоянной
скоростью деформирования является предпочтительным и осуществляется
как для упругого, так и вязкого пластического материала (например,
при испытании образцов стеклопластика под углом к волокнам). Влияние
податливости нагружающего устройства проявляется в основном на конечном
нестационарном участке (разрушение), когда скорость распространения
разрушения сравнима со скоростью распространения волн напряжений в материале.
ГОСТ 4651 – 83 рекомендует скорость относительной деформации образца
в пределах 1 – 5% в минуту, что соответствует скорости нагружения
1500 – 2000 кгс/см 2 в минуту.
Сопоставимые результаты обеспечиваются единообразием режимов испытания
в исследуемом диапазоне и оценкой измеряемых величин на основании
прямых измерений.
Проводилось предварительное нагружение образцов с целью центрирования
образцов и проверки работы всей измерительной аппаратуры.
Механические испытания проводились на испытательной машине типа
МС – 1000 ГОСТ 8905 – 82. Учитывая, что при низких скоростях деформирования
проявляется эффект ползучести стеклопластика, принята скорость, в
пределах 1000 – 1500 кгс/см 2 в минуту. В качестве измерительных устройств
использовали штангенциркуль с пределами измерения 0 – 150 мм согласно
ГОСТ 166 – 60 с погрешностью 0,05 мм.
3.4.4 Обработка результатов испытаний

92
Для получения графических зависимостей экспериментальные исследования
обработаны по методике Стьюдента с доверительной вероятностью 0,95.
Среднее арифметическое значение разрушающего напряжения
p
, МПа
p
1
n
n 1
pi
где рi – разрушающее напряжение, МПа;
n – количество образцов в партии.
Среднее квадратичное отклонение S
S
1
n 1
n
1
p
Средняя квадратическая ошибка среднего арифметического
pi
2
S
x
S
x
S
t
n
где t q – коэффициент Стьюдента, при доверительной вероятности 95 %
t q =2,26 для n=10, t q =2,78 для n=5
Доверительный интервал через распределение Стьюдента будет выглядеть
следующим образом:
q
P
S S 0 , 95
p
x
pi
p
x
3.4.5 Анализ результатов экспериментов
При исследовании деформации волокнистых композиционных материалов
в результате внешних механических воздействий выявляется зарождение и
развитие трещин задолго до окончательного макроскопического разрушения.
Процесс разрушения композиционного материала в наибольшей степени
связан с различными дефектами структуры. Композиционная структура
материалов с резко различающимися значениями прочностных и деформационных
характеристик предполагает существование направлений предпочти-

93
тельного развития разрушений. Следовательно, продвижение трещин анизотропно
и при определенных условиях может иметь композиционный характер,
т. е. зависеть от соотношения объема и степени опасности разрушения
по связующему и армирующему наполнителю. При этом оказываются существенными:
структура материала, значение прочностных и упругих свойств
полимерной матрицы и армирующего наполнителя, знак и направление действия
внешних напряжений по отношению к направлению армирования материала
и т. д. Направленное развитие разрушений связано, с одной стороны,
с концентрацией внутренних напряжений (возникающих при изготовлении материалов,
вследствие пустот, трещин, расслоений, разрывов волокон), с другой
стороны – с наличием заметной ориентации разрушений, присутствующих
в стеклопластике до нагружения.
Развитие процесса разрушения стеклопластиков на микроструктурном
уровне происходит в два этапа:
– этап статистического накопления повреждений при увеличении
нагрузки или временного фактора;
– лавинные процессы разрушения микрообъемов материала при некоторой
фиксированной нагрузке или фиксированном времени.
Общий характер зависимости между напряжениями и деформациями ,
представленный на рисунке 10, подтверждает результаты, полученные при испытаниях
данного материала на растяжение в нормальных условиях.
На кривой нагружения имеются два экстремума 1 и р , которые объясняются
следующим. При нагружении образца вначале нагрузку воспринимает
только часть стекловолокнистых нитей, некоторые из которых после деформации
разрушаются и напряжения падают, что соответствует уровню 1. При
дальнейшей деформации в процессе нагружения до разрушения образца
нагрузку воспринимают все оставшиеся нити корда, что ведет к увеличению
разрушающего напряжения до уровня р.
Наряду с этим, исследования выявили, что появление трещин внутри
образцов происходит до достижения максимальной нагрузки, а видимые в

94
микроскоп разрушения появляются уже при напряжениях, соответствующих
ложному пределу прочности Р1 , составляющих 0,3 – 0,6 от предела прочности
(σ Р ) в соответствующем направлении.
При нагружении вдоль армирующего наполнителя раскрытие мелких
удлиненных трещин в слоях с поперечным расположением волокон наблюдается
в основном около границы слоев с ортогональным расположением
арматуры. При более высоких напряжениях (0,8 – 0,9 σ Р ) заметно дальнейшее
раскрытие этих трещин и расслоение между волокнами в слоях с продольным
расположением армирующего материала. Разрушения располагаются
практически равномерно по всей боковой поверхности, за исключением областей,
близких к торцам образца при сжатии.
Несколько иная картина развития разрушений наблюдается при радиальном
нагружении образцов (перпендикулярно слоям с углом расположения
армирующего наполнителя φ = 45°). При низких напряжениях (0,3 –
0,4 σ Р ) появляется контрастное различие между слоями с взаимно ортогональным
расположением волокон. Затем появляются видимые трещины
сдвига между отдельными группами волокон в каждом слое и между слоями,
которые при возрастании нагрузки увеличиваются в результате отрыва
при раскрытии межслойных трещин.
Окончательное разрушение происходит при развитии разрушений от
сдвига и интенсивном раскрытии трещин, отрыве в межслойных областях.
Характерные микроструктуры трещин, полученные в исследуемом СКМ
при различных вариантах нагружения, представлены на рисунке 11.
Зарождение трещины начинается в поверхностном пилотном слое образца,
а специфика направления развития трещины обусловлена ориентацией армирующего
наполнителя в матрице. На рисунке 11 представлены схемы возможного
развития трещин в образце при радиальном сжатии.

95
а б в
Рис. 11. Характерные микроструктуры трещин, полученные в исследуемом
СКМ при различных вариантах нагружения
а – осевое; б – радиальное; в – тангенциальное
Характерные зависимости консолидационного предела прочности от влияний
повышенных температур и воздействия метанола различной концентрации
представлены на рисунках 12 и 13.
Метанол, применяемый для предотвращения гидратообразований в скважинах,
является химически агрессивной средой, обладающей окислительными свойствами.
По отношению к веществам, обладающим окислительными свойствами,
неустойчивы, в принципе, все полимеры.
Поскольку набухания образцов после выдержки их в метаноле выявлено
не было, можно говорить о том, что химическая деструкция протекала без ослабления
межмолекулярного взаимодействия без разрушения ковалентных связей.
Следовательно, химическая деструкция протекала во внешней диффузионно-кинетической
области, где процесс деструкции протекает с диффузионным
ограничением и происходит лишь в относительно тонком приповерхностном слое.
Исходя из сказанного выше, можно сделать вывод о том, что падение
прочности образца, с повышением концентрации воздействующего на него ме-

96
Предел консолидационной прочности ,МПа
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
20 100 150 200 250
Температура, С
Тангенциальное нагружение Радиальное нагружение Осевое нагружение
Рис. 12. Графическая зависимость между пределом консолидационной
прочности и температурой выдержки образца
200
Предел консолидационной прочности ,МПа
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
0 10 25 50 100
Концентрация метанола,%
Тангенциальное нагружение Радиальное нагружение Осевое нагружение
Рис. 13. Графическая зависимость между пределом консолидационной
прочности и концентрацией метанола

97
танола, объясняется химической деструкцией, проходящей в реакционной зоне
пилотного слоя. Химическая деструкция протекает с разрывом химически нестойких
связей, сопровождается изменением молекулярной массы и приводит к
повышению скорости образования зародышевых трещин на поверхности образца,
контактирующей с агрессивной средой.
Специфика гетерофазных систем основывается на непрерывности матрицы
и характере взаимодействия ее с наполнителем. Непрерывная матрица способна
наиболее полно воспринимать напряжения от внешних нагрузок и перераспределять
их на наполнитель. Применение стеклянных волокон обуславливает
создание композиционных материалов с четко выраженной границей контакта
наполнителя и связующего, с непременным сохранением первоначальных
свойств и формы частиц наполнителя. Для реализации свойств наполнителя в
СКМ необходимо создать прочное взаимодействие его с матрицей по всей
площади контакта.
При непосредственном контакте связующего с поверхностью волокон в
зоне действия адсорбционных сил возникают процессы, изменяющие состав
матрицы и ее структуру и создающие напряженность в граничной зоне. Это
приводит к преимущественному зарождению трещин и их прорастанию по границе
контакта матрицы с поверхностью волокон (по «межфазному» слою) или
по границе контакта «межфазного» слоя со связующим.
Модель микроструктуры СКМ и межфазного слоя в нем представлена на
рисунке 14.
Слой аппрета в СКМ выполняет функцию буфера, обеспечивающего
плавный переход от параметров свойств наполнителя к параметрам свойств
матрицы, либо функцию демпфера с модулем упругости много ниже модуля
упругости матрицы. Объем демпфирующего слоя должен быть достаточным
для локального пластического деформирования. Если толщина аппретного слоя
мала для данной пары волокна-матрица, пластическое течение в нем не реализуется
и матрица вместе со слоем аппрета отрывается от волокна. Если толщина
слоя аппрета превышает оптимальное значение, то снижается эффект перерас-

98
пределения напряжений с матрицы на наполнитель и уменьшается прочность
материала.
Падение прочности материала после обработки образцов температурой
выше 100 °С обусловлено снижением эластичности аппрета.
Диффузионная зона
межфазного слоя
Армирующая фаза
Разрыхленный слой
матрицы
Матричная фаза
Межфазный слой
Граничный слой
Рис. 14. Модель микроструктуры СКМ и межфазного слоя
Поверхности раздела компонентов (зона аппрета) представляют собой
эффективные препятствия для микротрещин, возникающих как при появлении

99
повреждений в матрице, так и при разрушении отдельных волокон. Механизм
этого торможения заключается в том, что поле напряжений в вершине трещины,
приближающейся к поверхности раздела, может вызвать частичное разрушение
аппрета, т.е. образование поры или трещины в направлении, поперечном
развитию основной трещины. В свою очередь, эта пора является ловушкой, которая
затупляет попавшую в нее трещину, при достаточной эластичности аппрета.
Развитие усталостного разрушения СКМ отличается от разрушения
монолитного материала развитием не одной, а целой системы трещин, В случае
оптимальной прочности связи трещина, дойдя до границы, попадает в ловушку
и останавливается (рисунок 15,б), что может приводить к повышению
усталостной прочности в 1,2 – 1,4 раза..
а б в
Рис. 15. Возможные ситуации при взаимодействии трещин с поверхностями
раздела в СКМ
а – недостаточная прочность связи слоев СКМ; б – оптимальная прочность
связи слоев СКМ; в – прочная связь слоев СКМ
При повышении температуры образца аппрет теряет эластичность, что
приводит к уменьшению толщины межфазного слоя. Это приводит к уменьшению
прочности связи на границе раздела компонентов СКМ, и трещина, до-

100
стигшая границы, отклоняется, вызывая расслоение материала (рисунок
15,а). При дальнейшем нагреве аппрет окончательно теряет эластичность, что
приводит к образованию прочной связи «матрица-наполнитель» и «мнимому»
повышению прочности. Трещина, наталкиваясь на участок с такой связью, перерезает
его (рисунок 15, в).
3.5 Выводы
Испытания проводились на производственной базе ООО «Пармапласт», в
лабораториях Ухтинского государственного технического университета, лаборатории
механических испытаний Ухтинского механического завода и лаборатории
гидравлических испытаний Управления аварийно-восстановительных
работ ООО «Севергазпром». Испытания ставили перед собой цель ответить на
вопрос о возможности и перспективах использования стеклопластиковых материалов
в качестве обсадных и насосно-компрессорных труб.
Доминирующей задачей испытаний было максимальное соответствие
факторов, действующих на образцы в процессе испытаний, реальным условиям
эксплуатации, что потребовало внесения существенных изменений в испытательные
стенды и конструирования новых устройств для испытания натурных
образцов. Все приборы, которые применялись при замерах значений величин,
являющихся решающими в данных видах испытаний, тарированы и опломбированы
соответствующими службами. На каждом виде испытаний применялись
контрольные замеры аналогичными протарированными приборами. Все испытания
проводились в составе комиссии, по результатам всех испытаний составлены
акты.
В процессе работы колонна обсадных или насосно-компрессорных труб
нагружается следующими основными силами: осевой нагрузкой при спуске у
обсадных и удержании на весу насосных агрегатов до пакеровки у насоснокомпрессорных
труб, избыточным внутренним давлением при опрессовке колонны.
Кроме того, необходимо проверить надежность муфтового соединения

101
и взаимодействие материала труб с агрессивными жидкостями, применяемыми
в технологических процессах интенсификации.
Основным испытанием, которым подверглись трубы, было испытание на
избыточное внутреннее давление. Испытательный гидростенд моделировал
нагрузки на испытываемую трубу в процессе опрессовки колонны. Результаты,
полученные на стенде, позволяют утверждать, что значения, полученные при
испытаниях, в 1,5 раза выше предъявляемых требований к данному виду испытаний.
При использовании КМ в качестве обсадных труб, возникают вопросы о
совместимости интенсификаторов, кислот и агрессивных жидкостей при воздействии
на пласт для интенсификации добычи углеводородного сырья. Лабораторные
испытания проводились в химической лаборатории ООО «Пармапласт»,
при которых моделировались условия воздействия на трубы химических
реагентов, таких как температура, концентрация, давление и время воздействия.
Полученные результаты были признаны удовлетворительными. При
разработке газовых и газоконденсатных месторождений в условиях низких
температур для предотвращения кристаллизации взвесей воды применяют метанол.
Устойчивость стеклопластика к метанолу была проверена в Ухтинском
государственном техническом университете на кафедре Общей химии. Результаты
показали устойчивость СПМ к применяемым концентрациям метанола, и
результаты проверки также были признаны удовлетворительными.
При спуске колонны, в ситуации, когда колонна спущена, но еще не разгружена,
на колонну действует осевая растягивающая нагрузка, которая является
одной из важнейших характеристик при определении ликвидности испытываемой
колонны. Учитывая это, были проведены испытания по этому параметру
на базах Управления аварийно-восстановительных работ ООО «Севергазпром»
и Ухтинского механического завода. Испытания проводились согласно
ГОСТ 4648-90. Были испытаны образцы заводов «Сосногорскпласт» и «Пармапласт».
По результатам испытаний была составлена методика испытаний материала
стеклопластиковых труб и сделан вывод о возможности спуска обсадной

102
колонны в зависимости от конструкции на глубину до 4000 метров. Аналогично
было испытано муфтовое резьбовое соединение на выдерживаемую осевую
нагрузку. Результаты испытаний также были признаны удовлетворительными.
Проведенные испытания по изучению характера и динамики разрушений
стеклопластикового материала от нагрузок, действующих в вертикальных
нефтегазовых скважинах, позволили сделать следующие выводы:
– характер появления трещин на поверхности образцов, прошедших
предварительную обработку агрессивной средой и подвергшихся температурному
влиянию, адекватен характеру появления трещин на поверхности образца,
испытанного без предварительного воздействия при сходном условии
нагружения;
– при нагружении образцов СКМ основная роль в обеспечении несущей
способности, независимо от различия в характере разрушений, принадлежит
связующему;
– подтверждается избирательный и анизотропный характер разрушения.
При этом в случае нагружения вдоль армирующего материала основную
роль играют нормальные напряжения, вызывающиe отрыв между слоями и в
каждом слое, а также межслойные касательные напряжения. При нагружении
под углом к армирующему материалу наибольшее значение принадлежит
касательным напряжениям, возникающим между волокнами в каждом
слое и между слоями;
– общий характер зависимости между напряжениями и деформациями
, представленный на рисунке 10, подтверждает результаты, полученные при
испытаниях данного материала на растяжение в нормальных условиях. Наряду
с этим, появление трещин внутри образцов происходит до достижения максимальной
нагрузки. Видимые в микроскоп разрушения появляются уже при
напряжениях, составляющих 0,3 – 0,4 от предела прочности (σ Р ) в соответствующем
направлении. Поскольку развитие трещин приводит к увеличению
проницаемости СПОТ, при расчете за предельно допустимое напряжение следует
принять напряжения, соответствующие ложному пределу прочности Р1 ;

103
– падение прочности образца с повышением концентрации воздействующего
на него метанола объясняется химической деструкцией, проходящей в реакционной
зоне пилотного слоя. Химическая деструкция протекает с разрывом
химически нестойких связей, сопровождается изменением молекулярной массы
и приводит к повышению скорости образования зародышевых трещин на поверхности
образца, контактирующей с агрессивной средой. Для снижения скорости
развития трещин необходимо введение в подпилотную зону волокон с
повышенной прочностью на разрыв и изгиб, либо подбор аппрета, обладающего
эластичностью, большей, чем в исследуемом материале;
– при повышении температуры образца выше 100 °С аппрет теряет эластичность,
что приводит к уменьшению толщины межфазного слоя. Это приводит
к уменьшению прочности связи на границе раздела компонентов СКМ, и
трещина, достигшая границы, отклоняется, вызывая расслоение материала
(рисунок 15,а). При дальнейшем нагреве аппрет окончательно теряет эластичность,
что приводит к образованию прочной связи «матрица-наполнитель» и
«мнимому» повышению прочности. Трещина, наталкиваясь на участок с такой
связью, перерезает его (рисунок 15,в).

104
4. Результаты промысловых испытаний
Конструкции скважин со стальными обсадными трубами не в полной мере
отвечают требованиям обеспечения эффективности добычи нефти, долговечности
в условиях агрессивных нефтепромысловых жидкостей. Применение
композиционных материалов для изготовления обсадных труб позволяет
успешно решать ряд серьезных проблем, в частности повысить коррозионную
стойкость обсадных колонн, значительно снизить металлоемкость конструкций
скважин, обеспечить постоянный контроль выработки запасов продуктивных
отложений геофизическими методами.
Обсадные трубы в процессе строительства скважин и последующей эксплуатации
подвергаются осевому растяжению (до 200 кН), а также сжатию (до
400 кН), изгибу с максимальной кривизной ствола скважины до 45 0 , действию
внутреннего и наружного давления (до 20 МПа), забойной температуры (до
90 0 ), промысловых жидкостей с минерализацией 30-300000 мг/л, содержащих
коррозионно-активные сероводород, углекислый газ, кислород.
В настоящее время у нас в стране освоено производство стеклопластиковых
труб спирально-поперечной и продольно-перекрестной намотки на эпоксидном
связующем. Результаты исследований показали, что прочность стеклопластиковых
труб в несколько раз превышают требуемые.
Для качественного сооружения скважин необходимо надежное сцепление
тампонажного камня, используемого для цементирования обсадных колонн.
Сцепление тампонажного камня с поверхностью стеклопластиковых труб оказалось
лучше, чем с поверхностью металлических (на сдвиг – 3,8 МПа и 0,703
МПа; на гидроразрыв – 8 МПа). Установлено также, что сцеплением в определенной
степени можно управлять введением различных модификаторов в тампонажный
камень. Для оценки качества цементирования обсадных колонн
применяются акустические цементомеры (АКЦ). Существующая аппаратура
контролирует, в основном, качество контакта тампонажного камня с породой,
т.к. скорость распространения продольной волны по пластмассовой колонне

105
большей частью ниже, чем по основным типам пород. Четкое расчленение волн
по колонне и породе при наличии цементного кольца возможно при волне более
70 мм.
Изучалась возможность применения существующих перфораторов для
перфорации стеклопластиковой колонны для обеспечения гидродинамической
связи продуктивного пласта со скважиной. Установлено, что для вскрытия пласта
необходимо использовать кумулятивные перфораторы. При толщине стенки
трубы более 7 мм рекомендуется использовать перфоратор ПР-103. При перфорации
в скважинах на глубине 800-1000 метров в стеклопластиковых трубах
образуются отверстия размером 6-7 мм. Нарушения целостности труб, их расслоения
и растрескивания не наблюдается.
Широкое применение стеклопластиковых труб для крепления скважин
возможно при наличии надежного типа соединения. Основные требования к
нему – удобство и быстрота соединения труб в промысловых условиях, удовлетворительная
прочность. Для стеклопластиковых труб были испытаны различные
типы нарезных резьб, и показано, что их прочность достигает 215-295 кН.
Лучшие показатели получены при герметизации резьб эпоксидными клеями.
Такая прочность соединения обеспечивает спуск и цементирование труб, на которые
в нижней части колонны действует сжимающая осевая нагрузка, обусловленная
выталкивающей силой промывочной жидкости и тампонажного
раствора.
Таким образом, результаты исследований дали возможности рекомендовать
стеклопластиковые трубы при креплении с установкой их в интервале
продуктивного горизонта. Рекомендуется следующая конструкция обсадной
колонны (снизу вверх): стандартная направляющая пробка (башмак), стальная
труба (патрубок), обратный клапан типа ЦКОД, стальная труба длиной не менее
5 метров для обеспечения зумпфа, стеклопластиковая колонна, длина которой
подбирается из условия перекрытия продуктивного пласта по кровле и подошве
не менее 5 метров, стальные обсадные трубы до устья.

106
Опытные работы по применению стеклопластиковых труб при креплении
скважин впервые были проведены в ПО «Татнефть» в 1979 году по рекомендации
институтов ТатНИПИнефть и ВНИИнефтепромгеофизика.
В последующие годы началось опытно-промышленное внедрение стеклопластиковых
труб в ПО «Татнефть», «Сургутнефтегаз», «Нижневартовскнефтегаз».
В таблице 6 представлена статистика применения обсадных стеклопластиковых
труб в интервале продуктивного пласта.
Максимальный срок эксплуатации такой скважины 9 лет. Спуск стеклопластиковых
обсадных колонн осуществлялся при температурах от –40 до
+30 0 С. Цементирование проводилось по общепринятой технологии с подъемом
тампонажного раствора до устья скважины, при этом конечные давления на
устье скважины колебались в пределах 7 – 18 МПа.
В скважинах со стеклопластиковыми колоннами проводились регулярные
исследования геофизическими методами (индукционным, диэлектрическим и
другими видами каротажа). Объемы и периодичность проведения промысловогеофизических
исследований зависели, в основном, от назначения скважины и
скорости процесса заводнения в контролируемых объектах.
Периодичность исследований контрольных неперфорированных скважин
в среднем 2 раза в год, добывающих – 1 раз в год (в условиях Западной Сибири
менее регулярно). При контроле сложных технологических процессов, связанных
с закачкой различных реагентов, периодичность и объемы исследований
увеличивались и определялись специальными программами.
Данные индукционного каротажа, полученные при заводенении пластовой
водой или водой, близкой по минерализации к пластовой, могут использоваться
для количественного определения текущего и остаточного коэффициентов
нефтенасыщенности терригенных коллекторов при пористости более 15%.
Так, например, анализ геофизических исследований по первым пробуренным
скважинам со стеклопластиковым хвостовиком №17443-1 и №17441 «а»
Северо-Альметьевской площади, сооруженным для контроля и эксплуатации
отложений бобриковского горизонта, показал, что вся мощность терригенного

107
Таблица 6
Статистика применения обсадных стеклопластиковых труб в интервале
продуктивного пласта
Производственное
объединение
Количество
скважин
Интервалы
установок
Длина стеклопластиковых
Кривизна
скважин, град
стеклопласти-
ковых труб, м
колонн, м
Татнефть 1 784-864 24-38 15-22
Татнефть 8 960-1158 24-44 0-17
Татнефть 12 1520-1856 18-37 2-23
Сургутнефтегаз 2 1936-2015 38-42 11-12
Сургутнефтегаз 9 2022,8-2196 16-46 18-36
Сургутнефтегаз 5 2208,8-2374,6 25,6-43,6 3-37
Сургутнефтегаз 7 2395-2587 17,6-35 15-34
Сургутнефтегаз 4 2634-2752,8 44-3-52,8 16-25
Нижневартовскнефтегаз
1651-1755 1651-1775 51-82 0-18
коллектора со средней пористостью и проницаемостью четко разделятся на 7
пропластков с различными коэффициентами нефтенасыщенности
Ниже водонефтяного контакта (ВНК) К П =48% и не изменяется во времени,
тогда как выше контакта К П по различным пропласткам колеблется в пределах
60-83 %. За время наблюдений отмечены знакопеременные движения ВНК,
что является следствием циклической закачки.
Разработанная технология показала исключительно высокую эффективность
контроля процессов вторичных физико-химических воздействий на
пласт. Так, например, по скважине №26450 Азнакаевской площади впервые в
СССР получена информация о работе мицеллярного раствора непосредственно
в пласте. Установлено существенное отклонение фактического процесса вытес-

108
нения остаточной нефти от прогнозного, который в условиях промысловых испытаний
оказался менее эффективным вследствие изменения фазового состояния
мицеллярного раствора и стремительного его прорыва по центральной части
пласта, низкого коэффициента охвата пласта.
Применение стеклопластиковых труб при креплении скважин имеет
большие перспективы, поскольку позволяет решать насущные задачи нефтедобычи.
Однако, в настоящее время еще не разработана конструкция обсадной
стеклопластиковой трубы, не исследованы вопросы долговечности и отдельные
технологические вопросы сооружения и эксплуатации скважин.

109
Библиографический список
1. Алфутов Н.А. Расчет многослойных пластин и оболочек из композиционных
материалов / Н.А. Алфутов, П.А. Зиновьев, Б.Г. Попов. – М.: Машиностроение,
1984. – 264с.
2. Альбом компоновок низа бурильной колонны для бурения скважин на площадях
ПО «Коминефть» / Буслаев В.Ф., Зарипов Г.Г., Плетников И.А. и др. –
Ухта: Печорнипинефть, 1985. – 91 с.
3. Воробей В.В. Соединение конструкций из композиционных материалов /
В.В. Воробей, О.С. Сироткин. – М.: Машиностроение, 1985. – 166 с.
4. Горяинова А.В. Стеклопластики в машиностроении / А.В. Горяинова. – М.:
Машгиз, 1961. – 157 с.
5. Жигун И.Г. Свойства пространственно-армированных пластиков / И.Г. Жигун,
В.А. Поляков. – Рига: Зинтне, 1988. – 215 с.
6. Испытание материалов / Под редакцией Х. Блюменауэра. – М.: Металлургия,1979.
– 446 с.
7. Испытательная техника: Справочник./Под ред. В.В.Клюева. – М.: Машиностроение,
1982. – 569 с.
8. Композиционные материалы / Под ред. А.И. Манохина. – М.: Наука.1981. –
305 с.
9. Композиционные материалы: Справочник/ В.В. Васильев, В.Д. Протасов,
В.В. Болотин и др. – М.: Машиностроение, 1990. – 512с.
10. Королев В.И. Слоистые анизотропные пластинки и оболочки из армированных
пластмасс / В.И. Королев. – М.: Машиностроение, 1965. – 256 с.
11. Пластины и оболочки из стеклопластиков / Под ред. И.И. Гольденблата. –
М.: «Высшая школа», 1970. – с.408.
12. Поверхности раздела в полимерных композитах / Под ред. Плюдемана. –
М.: Мир, 1978. – 296 с.
13. Полякова П.П. Защитные покрытия труб / П.П. Полякова, В.С. Конопляный.
– М.: Металлургия, 1975. – 156 с.

110
14. Разрушение конструкций из композитных материалов/ Под ред.
В.Б.Тамужа. Рига: Зинатне, 1986. – 264 с.
15. Расчет и проектирование композиционных материалов и элементов конструкций
/ Б.Д. Аннин, А.Л.Каламкаров, А.Г.Колпаков, В.З.Партон. – Новосибирск:
ВО «Наука», 1993. – 256 с.
16. Современные композиционные материалы / Под ред. Браутмана. – М.: Мир,
1970. – 672 с.
17. Справочник по композиционным материалам / Под ред Дж.Любина. –М.:
Машиностроение,1988. – 453 с.
18. Справочник по композиционным материалам: В 2-х кн. Кн. 1. / Под ред. Б.
Э. Геллера. – М: Машиностроение, 1988. – 448 с.
19. Справочник по композиционным материалам: В 2-х кн. Кн. 2. / Под ред. Б.
Э. Геллера. – М: Машиностроение, 1988. – 584 с.

111
Учебное издание
Авторский коллектив:
В.А. Аванесов, В.Ф. Буслаев, И.В. Панцерно, А.В. Сальников
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ И МЕТОДИКА РАСЧЕТА
СТЕКЛОПЛАСТИКОВЫХ ТРУБ
Учебное пособие
Редактор Гурьева Ю.В.
Технический редактор Коровкина Л.П.
План 2005 г., позиция 22. Подписано в печать 02.03.2006.
Компьютерный набор. Гарнитура Times New Roman.
Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная.
Усл. печ. л 6,5. Уч.-изд. л. 5,8. Тираж 120 экз. Заказ № 198.
Ухтинский государственный технический университет.
169300, г. Ухта, ул. Первомайская, 13.
Отдел оперативной полиграфии УГТУ.
169300, г. Ухта, ул. Октябрьская, 13