Назначение, состав и основные требования

Бурильная колонна предназначена для выполнения следующих основных функций:

- передачи вращения от ротора породоразрушающему инструменту;

- передачи неподвижному столу ротора реактивного крутящего момента, возникающего при бурении скважины забойными двигателями;

- создания на долото осевой нагрузки;

- подвода промывочной жидкости для очистки забоя скважины от выбуренной породы, а также для привода забойных гидравлических двигателей;

- подъема кернового материала и спуска аппаратуры для исследований в стволе скважины;

- проработки и расширения ствола скважины, испытания пластов, ликвидации аварий в скважине.

Бурильная колонна состоит из ведущей трубы, бурильных труб и утяжеленных бурильных труб, соединяемых бурильными замками, муфтами и переводниками. Ведущая труба соединяется с вертлюгом и посредством зажимов взаимодействует с ротором буровой установки. Утяжеленные бурильные трубы устанавливают в нижней части колонны, и они служат для создания осевой нагрузки на долото. При бурении в осложненных условиях, кроме утяжеленных труб, в нижней части колонны устанавливают калибраторы, центраторы, стабилизаторы и другие устройства, предупреждающие искривление скважины. Между ведущей и утяжеленными трубами находятся бурильные трубы, составляющие большую часть бурильной колонны. Для сокращения операций свинчивания и развинчивания, вызывающих износ резьбовых соединений, бурильная колонна делится на свечи, состоящие из нескольких труб. Длина свечи ограничивается ее продольной устойчивостью при осевом сжатии под действием собственного веса и высотой вышки.

Компоновку бурильной колонны выбирают исходя из конструкции скважины, способа бурения и горно-геологических условий. Для предотвращения поломок бурильные колонны должны обладать регламентированными запасами статической прочности и сопротивления усталости. При выборе конструкции колонны необходимо стремиться к оптимальному сочетанию ее прочности и массы. Уменьшение массы бурильной колонны за счет применения высокопрочных, а также легкосплавных бурильных труб способствует благоприятному нагружению подъемной части буровой установки. Жесткость бурильной колонны должна быть достаточной для предотвращения ее продольного изгиба под действием осевого сжатия, вращения и крутящего момента.

Уменьшение диаметра бурильной колонны и резкие переходы в ее проходном канале приводят к увеличению гидравлических сопротивлений и, следовательно, давления буровых насосов. В результате этого возрастает износ поршней, втулок, клапанов и других деталей буровых насосов, контактирующих с промывочным раствором. Таким образом, масса и диаметр бурильной колонны должны удовлетворять требованиям, определяющим наиболее благоприятный режим эксплуатации подъемного механизма и буровых насосов. Производство высокопрочных и легких бурильных труб — важная предпосылка повышения эффективности бурения и технико-экономических показателей буровых установок.

2.1.1 Резьбовые соединения труб

Трубы, муфты, переводники и другие элементы бурильной колонны соединяются коническими резьбами, которые по сравнению с цилиндрическими резьбами обладают важными для условий бурения преимуществами. Натяг, создаваемый при свинчивании конической резьбы, обеспечивает надежную герметизацию стыкуемых элементов бурильной колонны. В отличие от цилиндрической резьбы число оборотов, необходимое для свинчивания и развинчивания конической резьбы, не зависит от числа ниток, находящихся в сопряжении, и составляет

где h - рабочая высота профиля резьбы; D - диаметральный натяг свинченного соединения; K - конусность резьбы; Р - шаг резьбы.

Из формулы следует, что число оборотов, необходимое для свинчивания, уменьшается при увеличении шага и конусности резьбы. Поэтому бурильные замки и другие, часто свинчиваемые и развинчиваемые детали, имеют более крупную коническую резьбу. При свинчивании ниппель бурильного замка входит в муфту на достаточную глубину и благодаря этому обеспечивается самоцентрирование подвешенной к талевому механизму бурильной свечи относительно колонны труб, удерживаемой на столе ротора. Следует учитывать, что с увеличением шага и конусности уменьшается число ниток, находящихся в зацеплении. Увеличение глубины и шага резьбы повышает ее износостойкость и сопротивляемость смятию, но приводит к нежелательному уменьшению площади сечения под резьбой.

Коническая резьба по сравнению с цилиндрической того же диаметра обеспечивает более высокую прочность соединения на растяжение за счет большей площади опасных сечений, совпадающих с последними нитками резьбы. Для перенарезки конической резьбы достаточно отрезать 15 - 30 мм от торца резьбы.

Конические резьбы имеют различные профили. В трубах нефтяного сортамента наиболее распространены конические резьбы треугольного профиля с углом при вершине 60°, сопряжением по боковым сторонам профиля и зазорами по наружному и внутреннему диаметрам резьбы (рис. 2.1, а). Расширяется область применения конических резьб с трапецеидальным или упорным профилем, с сопряжением по внутреннему и наружному диаметрам резьбы и зазорами по одной из боковых сторон профиля (рис. 2.1, б). В трапецеидальной резьбе крупный шаг Р совмещается с небольшой глубиной h₁ резьбы.

Расчетные диаметральные размеры конических резьб задаются в основной плоскости. Основной плоскостью называют перпендикулярное к оси резьбы расчетное сечение, расположенное на заданном расстоянии от базы конуса. За базу резьбового конуса на трубах обычно принимается конец сбега резьбы (последняя риска на трубе), а у замковых резьб - упорный уступ ниппельной части и упорный торец муфтовой части. В основной плоскости размеры конической резьбы совпадают с размерами цилиндрической того же номинального диаметра. Конусность К определяется как разность одноименных диаметров (d₁ и d₂) в двух сечениях, перпендикулярных к оси, отнесенная к расстоянию l между этими сечениями:

K = (d₁-d₂)/l

Угол между образующей конуса и осью резьбы называют углом уклона. Угол уклона φ и конусность связаны между собой зависимостью

K = 2tgφ.

Шаг резьбы измеряется параллельно оси резьбы трубы и муфты. Биссектриса угла профиля резьбы должна быть перпендикулярна к оси резьбы трубы и муфты.

Основные параметры профиля трубной резьбы по ГОСТ 631 - 75 приведены ниже.

Число ниток на длине 25,4 мм …………..……….….8

Шаг резьбы Р, мм ……………………………...……..3,175

Глубина h₁, мм ………………………………..........…1,810

Рабочая высота профиля, мм ………………………..1,734

Радиус закруглений, мм:

вершин профиля, r …………………………...............0,508

впадин профиля r₁ ……………………………………0,432

Зазор z, мм …………………………………………….0,076

Конусность К ………………………………………....1 : 16

Угол уклона φ ……………………………………..….1°47'24"

Трубная резьба нарезается на концах бурильных труб, в соединительных муфтах и присоединительных концах бурильных замков. На соединительных концах муфты и ниппеля бурильных замков (см. рис. V.3), утяжеленных бурильных труб, на наружных концах переводников ведущей трубы, а также в долотах и ловильном инструменте применяется замковая резьба по ГОСТ 5286—75. Основные параметры профиля замковой резьбы приведены ниже.

Для бурильных труб с коническими стабилизирующими поясками используют замки ЗШК и ЗУК, резьба которых по сравнению со стандартной замковой имеет укороченную на 25 % высоту профиля и на 23 % ширину среза вершин. Благодаря этому возрастают износостойкость резьбы и ее сопротивление усталости. Резьба этого типа применяется также в сбалансированных утяжеленных трубах.

В соединении бурильных труб с замками ЗШК и ЗУК

(см. рис. V.3, б) используется трапецеидальная резьба ТТ (рис. V.6,б), размеры которой приведены ниже:

Согласно требованиям ГОСТ 631—75, резьба труб и муфт должна быть оцинкована или фосфатирована. Для уменьшения износа замковых резьб и повышения их сопротивляемости коррозионной усталости применяют смазки, из которых наиболее эффективны ГС-1 и Р-416.

2.1.2 Материал бурильных труб

По ГОСТ 631—75 бурильные трубы и муфты изготовляются из сталей, которые в зависимости от механических свойств разделяются по группам прочности.

Стали всех групп прочности имеют одинаковые пластические свойства: относительное удлинение δ = 10 ÷ 12 % (сталь группы Д—12—16 %); относительное сужение после разрыва ψ ≥ 40 %; ударную вязкость а_н ≥ 400 кДж/м².

Значения δ, ψ а_н свидетельствуют о том, что стали всех групп прочности имеют одинаковые пластические свойства.

В ГОСТ 631—75 ограничивается содержание серы и фосфора (не более 0,045 % каждого), химический же состав сталей, используемых для изготовления бурильных труб, в нем не устанавливается. Для изготовления трубных изделий используются стали марок 45; 36 Г2С; 40Х; 40ХН; 40ХНМ; 20ХГ2Б. Трубы из стали группы прочности К и выше легируются с последующей термообработкой (нормализация, нормализация с отпуском), а трубы из углеродистых сталей проходят закалку и отпуск. Муфты для труб диаметром до 114 мм включительно выпускают из стали, прочность которой на одну группу превышает группу прочности трубы. Трубы диаметром свыше 114 мм и муфты к ним изготовляют из сталей одной группы прочности.

Для изготовления легкосплавных бурильных труб применяется дюралюминий — сплав алюминия с медью (3,8—4,9%), магнием (1,2—1,8%) и марганцем (0,3—0,9%). В результате термообработки сплав Д16-Т приобретает следующие физико-механические свойства

Для изготовления утяжеленных бурильных труб типа УБТС по ТУ 39-076—74 используются стали марки 40ХН2МА и 38ХНЗМФА. Бурильные замки изготовляют из стали марки 40ХН, а соединительные концы для труб типа ТБПВ — из стали маркой 45 либо 36Г2С.