1.4.3 Елементи бурильної колони

Ведучі бурильні труби виготовляються квадратного і шестигранного перерізу. Ведуча труба складається з квадратної (рис. 1.38) або шестигранної товстостінної штанги 2 з прошитим, або просвердленим каналом, верхнього перехідника 1 для з’єднання з вертлюгом і нижнього перехідника 3.

Для захисту нарізі нижнього перехідника від зношування при багаторазовому згвинчуванні і розгвинчуванні (під час нарощування бурильної колони) і при СПО, на нижній перехідник нагвинчують запобіжний перехідник (див. поз. 6 на рис. 1.37), який приєднується до першої муфти бурильного замка (див. рис. 1.37, поз. 7). Обертовий момент передається від ротора ведучій бурильній трубі завдяки затискачам, які вставляються в ротор. Для кожного розміру ведучої труби застосовують відповідні затискачі, які дозволяють їй вільно переміщатися уздовж осі свердловини.

На рис. 1.39 показано труби бурильні ведучі виробництва дочірнього підприємства (ДП) “Завод ОБіВТ” ВАТ “Сумське НВО ім. М. В. Фрунзе”

а

б

Рисунок 1.38 – Ведучі бурильні труби квадратного перерізу:

а – конструкція; б – загальний вигляд комплекту штанг

1 – верхній перехідник;

2 – товстостінна штанга;

3 – нижній перехідник;

а

б

Рисунок 1.39 – Труби бурильні ведучі виробництва ДП “Завод ОБіВТ” ВАТ “Сумське НВО ім. М. В. Фрунзе”:

а – труба бурильна ведуча квадратна типу К

(D=146,1 і 196,9 мм, d = 44,5…101,6 мм, D1 = 104,8… 203,2 мм, а = 76,2… 155,0 мм);

б – труба бурильна ведуча шестигранна типу Ш

(D = 146,1 і 196,9 мм, d = 44,5…88,9 мм,

D1 = 104,8… 177,8 мм, а = 88,9… 152,4 мм)

Сталеві бурильні труби виготовляють різних конструкцій (рис. 1.40):

а б

в г

Рисунок 1.40 – Бурильні сталеві труби і з’єднувальні

Муфти до них:

а – з висадженими всередину кінцями (труба В);

б – з висадженими назовні кінцями (труба Н); в – з висадженими всередину кінцями і конічними стабілізуючими поясками (труба ВК); г – з висадженими назовні кінцями і конічними стабілізуючими поясками (труба НК); 1 – кінець бурильної труби; 2 – з’єднувальна муфта

- типу 1 – з висадженими всередину кінцями і нагвинченими замками на трубну конічну нарізь трикутного профілю (труби В, рис. 1.40, а);

- типу 2 – з висадженими назовні кінцями і нагвинченими замками на трубну конічну нарізь трикутного профілю (труби Н, рис. 1.40, б);

- типу 3 – з висадженими всередину кінцями і конічними стабілізуючими поясками (труби ВК, рис. 1.40, в) і нагвинченими замками на трубну конічну нарізь трапецієподібного профілю;

- типу 4 – з висадженими назовні кінцями і конічними стабілізуючими поясками (труби НК, рис. 1.40, г) і нагвинченими замками на трубну конічну нарізь трапецієподібного профілю;

- з внутрішньою (труби ПВ, рис. 1.41, а), комбінованою всередину і назовні (труби ПК, рис. 1.41, б) та зовнішньою висадкою (труби ПН, рис. 1.41, в) і привареними по висадці замками (див. рис. 1.43).

а б в

Рисунок 1.41 – Кінці бурильних труб для приварних ніпелів і муфт: а – з внутрішньою висадкою (труба ПВ);

б – з комбінованою всередину і назовні висадкою (труба ПК);

в – із зовнішньою висадкою (труба ПН)

Бурильні труби з висадженими всередину кінцями (труби В, ГОСТ 631–75) мають конусну дрібну трубну нарізь. Висадка всередину на кінцях труби зменшує її внутрішній діаметр. З’єднання бурильних труб з висадженими всередину кінцями показано на рис. 1.42. З’єднуються такі труби за допомогою бурильних замків (рис. 1.42, а) або з’єднувальних муфт (рис. 1.42, б). Довжина труб становить 6, 8 і 11,5 м, а зовнішній діаметр 60, 73, 89 і 102 мм.

Труби діаметрами 114, 127, 140 і 168 мм мають довжину 11,5 м.

Істотним недоліком труб В є низька статична міцність на розрив по трубній нарізі.

а б

Рисунок 1.42 – З’єднання бурильних труб з висадженими всередину кінцями:

а – з’єднання з використанням бурильних замків; б – з’єднання за допомогою з’єднувальних муфт

Бурильні труби з висадженими назовні кінцями (труби Н, ГОСТ 631–75) мають таку ж нарізь, як і труби з висадженими всередину кінцями. Висадка назовні дозволяє мати однаковий внутрішній діаметр по всій довжині труби, що поліпшує гідравлічну характеристику цих труб, порівнюючи з трубами з висадженими всередину кінцями, оскільки знижуються втрати на подолання опорів при проходженні промивної рідини в бурильній колоні.

Ці труби з’єднуються також за допомогою з’єднувальних муфт або бурильних замків. Вони мають таку ж довжину, що і труби з висадженими всередину кінцями. Заводи випускають труби діаметрами 60, 73, 89, 102, 114 і 140 мм.

Спочатку ці труби призначалися для буріння свердловин із застосуванням електробура. При цьому способі буріння потрібна наявність у трубах широкого і однакового по всій довжині циркуляційного каналу, що забезпечує монтаж кабелю і проходження промивної рідини. Проте досвід показав доцільність застосування цих труб і при турбінному способі буріння.

Труби Н характеризуються невисокою втомною міцністю на знакозмінний згин по впадині останньої нитки трубної конічної нарізі.

Бурильні труби з висадженими всередину кінцями і конічними стабілізуючими поясками (труби ВК, ГОСТ 631–75) мають підвищену втомну міцність з’єднання “труба-замок” завдяки наявного конічного стабілізуючого пояска і упорного уступу на торці труби. Труби ВК мають здатність підвищеної статичної міцності на розрив завдяки трапецієподібній нарізі з’єднання “труба-замок”.

Бурильні труби з висадженими назовні кінцями і конічними стабілізуючими поясками (труби НК, ГОСТ 631–75) характеризуються підвищеною втомною міцністю з’єднання “труба-замок” (порівнюючи з трубами Н).

Бурильні труби з висадженими кінцями і привареними до них замками (труби ПК, ПВ і ПН, ГОСТ Р50278–92) призначені для всіх видів обертового буріння і виготовляються шляхом приварювання на спеціальних машинах до трубних заготовок готових ніпелів і муфт для отримання упорного замкового з’єднання.

Особливістю труб з комбінованою висадкою є те, що вони мають плавний перехід від висадженої частини труби до гладкої частини і менші гідравлічні втрати. Крім того, такі труби мають високу втомну міцність на згин зварного з’єднання завдяки тому, що немає концентраторів напружень.

На рис. 1.43 показана бурильна труба з привареними ніпелем і муфтою. Труби такої конструкції мають довжину 12 і 8 м і зовнішній діаметр 168, 146, 127 і 114 мм. Отже, при застосуванні таких труб свіча може бути складена з двох 12-м або трьох 8-м труб з наявністю в кожному з’єднанні замість трьох тільки одного упорного нарізного з’єднання.

Рисунок 1.43 – Бурильна труба з привареними ніпелем і муфтою

У процесі спуску і підйому бурильної колони недоцільно згвинчувати і розгвинчувати всі труби, з яких складена колона. Набагато швидше здійснюються СПО при розгвинчуванні або згвинчуванні відразу декількох труб. Комплект таких труб називається свічею, яка може мати різну довжину, залежно від висоти бурової вежі.

Висота бурової вежі залежить від проектної глибини свердловини і сягає до 58 м, що дозволяє мати свічі завдовжки близько 24 або 36 м. Оскільки бурильні труби виготовляють довжиною 6, 8 і 12 м, то 24-метрова свіча може бути складена з чотирьох труб завдовжки 6 м, трьох труб завдовжки 8 м або з двох труб завдовжки 12 м.

Для з’єднання бурильних труб використовують такі основні типи бурильних замків: ЗН – з діаметром прохідного отвору значно меншим за діаметр прохідного отвору висаджених кінців (рис. 1.44, а); ЗШ – з діаметром прохідного отвору близьким до діаметра прохідного отвору висаджених кінців (рис. 1.44, б); ЗУ – зі збільшеним діаметром прохідного отвору (рис. 1.44, в).

Крім того використовуються замки типу: ЗП – замки приварні (рис. 1.44, г); ЗШК – з діаметром прохідного отвору близьким до діаметра прохідного отвору висаджених кінців та конічним розточенням, ЗУК – зі збільшеним діаметром прохідного отвору та конічним розточенням.

Замки типів ЗН, ЗШ, і ЗУ використовують для з’єднання бурильних труб В; ЗШ, ЗУ – для труб Н; ЗШК, ЗУК – для труб ВК; ЗУК – для труб НК.

Замки типу ЗУ забезпечують нормальні умови при турбінному бурінні свердловин, бурінні гвинтовим двигуном і електробуром.

а б

в г

Рисунок 1.44 – Бурильні замки:

а – тип ЗН; б – тип ЗШ; в – тип ЗУ; г – тип ЗП; 1 – нарізь трубна; 2 – нарізь замкова

Замки приварні ЗП призначені для приварювання до висаджених кінців бурильних труб. Їх виготовляють згідно з ГОСТ 27834-95 і широко використовують у сучасній технології буріння.

Ніпель і муфта бурильного замка з’єднуються за допомогою конічної замкової нарізі великого кроку і конусності, а з’єднання цих деталей до бурильних труб – за допомогою трубної нарізі меншого кроку і конусності.

Розглянуті типи бурильних замків зовні дуже подібні один до одного (рис. 1.45).

Рисунок 1.45 – Зовнішній вигляд бурильного замка:

1 – ніпель; 2 – муфта

Замкова нарізь дозволяє багато раз згвинчувати і розгвинчувати свічі з малою витратою часу та зменшеним їх зношуванням. Застосування бурильних замків для з’єднання бурильних труб не тільки прискорює СПО, але і запобігає передчасному зношуванню бурильних труб: за наявності замкового з’єднання ключами захоплюються не бурильні труби, а ніпель і муфта замка. Тому для труб низьких груп міцності бурильні замки виготовляють з якіснішого металу.

Крім того, застосовують різні технології зміцнення нарізі з’єднань, наприклад, шляхом накатування впадин нарізі, нанесення антизадирних покриттів тощо.

На рис. 1.46 показано процес зміцнення накатуванням впадин нарізі замкового з’єднання та нанесення захисного покриття.

а б в

Рисунок 1.46 – Способи зміцнення нарізі замкових з’єднань:

а – накатування впадин нарізі; б – нанесення мідного покриття;

в – антизадирне мідне покриття замкової нарізі

Для буріння свердловин електробуром застосовують бурильні замки, які містять у ніпелі запобіжний стакан, призначений для захисту від пошкоджень контактного стрижня кабельної секції.

З’єднання труб бурильними замками разом з позитивними особливостями мають і принципові недоліки.

1. Для з’єднання двох труб застосовують не одне, а три нарізні з’єднання, що зменшує міцність бурильної колони і знижує її герметичність.

2. Найкраща герметичність нарізного з’єднання досягається в тому випадку, коли в кінці згвинчування одна деталь упирається в іншу (упорне з’єднання). Таке з’єднання надійне в роботі навіть за значного перепаду тиску в трубах і в затрубному просторі. Розглянуті конструкції бурильних труб і бурильних замків дозволяють після згвинчування двох труб мати з трьох з’єднань тільки одне упорне, утворюване при згвинчуванні деталей бурильного замка один з одним завдяки упору торця муфти в заплечики ніпеля. Два інших з’єднання безупорні, оскільки при згвинчуванні ніпеля і муфти бурильного замка з бурильними трубами деталі, що з’єднуються, не притискаються один до одного. Герметичність у цих з’єднаннях забезпечується тільки зчепленням нарізі.

3. Бурильні замки типу ЗШ і особливо типу ЗН, що мають зменшений внутрішній діаметр порівнюючи з внутрішнім діаметром бурильних труб, потребують застосування потужніших бурових насосів у зв’язку з виникненням під час циркуляції промивної рідини додаткового перепаду тиску в з’єднаннях. Зменшувати прохідний переріз у з’єднаннях дуже небажано також при застосуванні знімної грунтоноски, а також при використанні різних приладів, що спускаються в бурильну колону.

Обважнені бурильні труби встановлюються над долотом (турбобуром, електробуром) для підвищення жорсткості нижньої частини бурильної колони. Застосування ОБТ дозволяє створювати навантаження на вибій коротким комплектом з’єднаних товстостінних труб, що покращує умови роботи бурильної колони. Виготовляють ОБТ різних типів: гладкі по всій довжині, з проточкою під елеватор і конусною проточкою для кращого захоплення їх клинами під час спуску і підйому бурильної колони, зі спіральними канавками, з потовщеннями, з наплавленням твердим сплавом тощо. Нижче показано труби бурильні обважнені виробництва ДП “Завод ОБіВТ” ВАТ “Сумське НВО ім. М. В. Фрунзе”.

ОБТ типу А гладка (D = 79,4…279,4 мм, d = 31,8…101,6 мм)

ОБТ типу Б з проточками під елеватор і клинове захоплення

(D = 79,4…279,4 мм, D_е = 71,4…257,2 мм, D_с = 73,0…266,7 мм,

d = 31,8…101,6 мм)

ОБТ типу Б/1 з проточками під елеватор і клинове захоплення, з наплавленням твердим сплавом

ОБТ типу Е зі спіральними канавками

(D = 79,4…279,4 мм, h = 4…8,3 мм, d = 31,8…101,6 мм)

ОБТ типу Л з проточкою під елеватор

(D = 79,4…279,4 мм, D_е = 71,4…257,2 мм, d = 31,8…101,6 мм)

ОБТ типу Л/1 з проточкою під елеватор, з наплавленням твердим сплавом

ОБТ типу М з проточкою під клинове захоплення

(D = 79,4…279,4 мм, D_с = 73,0…266,7 мм, d = 31,8…101,6 мм)

ОБТ типу М/1 з проточкою під клинове захоплення, з наплавленням твердим сплавом

ОБТ типу ЕЛ зі спіральними канавками і проточкою під елеватор (D = 79,4…279,4 мм, D_е = 71,4…257,2 мм, d = 31,8…101,6 мм)

ОБТ типу ЕЛ/1 зі спіральними канавками і проточкою під елеватор, з наплавленням твердим сплавом

ОБТ типу ЕМ зі спіральними канавками і проточкою під клинове захоплення

(D = 79,4…279,4 мм, D_с = 73,0…266,7 мм, d = 31,8…101,6 мм)

ОБТ типу ЕМ/1 зі спіральними канавками і проточкою під клинове захоплення, з наплавленням твердим сплавом

ОБТ типу ЕН зі спіральними канавками, проточками під елеватор і клинове захоплення (D = 79,4…279,4 мм, D_е = 71,4…257,2 мм,

D_с = 73,0…266,7 мм, d = 31,8…101,6 мм)

ОБТ типу ЕН/1 зі спіральними канавками, проточками під елеватор і клинове захоплення, з наплавленням твердим сплавом

ОБТ типу HW I з одним центральним потовщенням

(D = 88,9…168,3 мм, D₁ = 120,7…209,6 мм, D₂ = 101,6…184,2 мм, d = 57,2…101,6 мм)

ОБТ типу HW II з двома центральними потовщеннями

(D = 88,9…168,3 мм, D₁ = 120,7…209,6 мм,

D₂ = 101,6…184,2 мм, d = 57,2…101,6 мм)

ОБТ типу HW III з центральним потовщенням зі спіральними канавками (D = 88,9…168,3 мм, D₁ = 120,7…209,6 мм,

D₂ = 101,6…184,2 мм, d = 57,2…101,6 мм)

У комплект обважнених труб входять одна наддолотна труба, що має на обох кінцях внутрішню замкову нарізь (рис. 1.47).

а

б

Рисунок 1.47 – Наддолотні ОБТ:

а – гладка ОБТ;

б – ОБТ з проточками під елеватор і клинове захоплення

Всі інші проміжні обважнені труби, як видно з попередніх ілюстрацій, мають на верхньому кінці внутрішню, а на нижньому – зовнішню замкову нарізь. Нарізні поверхні труб піддаються фосфатуванню, магнітоскопічному контролю, змащуються спеціальним мастилом і захищаються штампованими ковпачками (рис.1. 48).

а б

Рисунок 1.48 – Штамповані захисні ковпачки:

а – ковпачок для внутрішньої нарізі;

б – ковпачок для зовнішньої нарізі

З’єднуються ОБТ між собою за допомогою замкових з’єднань (рис. 1.49).

а

б

Рисунок 1.49 – Замкові з’єднання ОБТ:

а – замкове з’єднання без розвантажувальних канавок

б – замкові з’єднання з розвантажувальними канавками

Для зниження концентрації напружень нарізних з’єднань оптимальним варіантом є наявність розвантажувальних канавок, показаних на рис. 1.49, б). Розміри розвантажувальних канавок регламентовані відповідною нормативною документацією.

Легкосплавні бурильні труби. Збільшення глибин свердловин змусило шукати шляхи зменшення ваги бурильної колони. Сталеві бурильні труби почали замінювати бурильними трубами з алюмінієвих сплавів підвищеної надійності.

При бурінні глибоких і, особливо похилих та горизонтальних свердловин з великим віддаленням від вертикалі, надзвичайно важливо забезпечити надійну роботу бурильної колони, що експлуатується в умовах екстремальних навантажень і температур.

Компонування і вага бурильної колони та окремих її секцій істотним чином впливають на техніко-економічні показники буріння свердловин, що накладає відомі обмеження на вибір матеріалів бурильних труб і коефіцієнта запасу міцності. Алюмінієві сплави мають цінні фізико-механічні властивості, що вигідно виділяють їх від сталей, традиційного матеріалу для виготовлення бурильних труб. Густина і модуль пружності майже в 3 рази нижчі, ніж у сталей. Корозійна стійкість в агресивних середовищах – сірководні, вуглекислому газі може бути порівняна тільки зі спеціальними сплавами з високим вмістом хрому. Випускають легкосплавні бурильні труби номінальних зовнішніх діаметрів по тілу 91, 103, 147, і 168 мм.

Основним елементом конструкції легкосплавних бурильних труб підвищеної надійності є з’єднання алюмінієвої труби зі сталевим замком. Це надійний спосіб такого з’єднання за допомогою трапецієподібної нарізі з конічним стабілізаційним пояском і внутрішнім упорним торцем. Гарантовані натяги по нарізі, стабілізаційному пояску і упорному торцю досягаються завдяки температурному монтажу. Конічний стабілізаційний поясок і упорний торець забезпечують часткове розвантаження нарізі і значно підвищують втомні показники роботи з’єднання.

На рис. 1.50 показано конструкції легкосплавних бурильних труб з алюмінієвих сплавів. Такі труби можуть успішно використовуватися при бурінні надглибоких, глибоких, похилоспрямованих і горизонтальних свердловин.

Перехідники для бурильних колон призначені для з’єднання між собою частин бурильної колони і приєднання до неї інструменту, який використовують при бурінні свердловин (вертлюг, вибійний двигун, долото і ін.).

Перехідники для бурильних колон випускаються всіх типорозмірів згідно зі стандартом ГОСТ 7360-82. Зазначе-ний стандарт передбачає виготовлення всіх типорозмірів, які охоплюють практично всі необхідні випадки їх застосування.

Перехідники кожного типу і виконання виготовляють із замковою наріззю, як правого, так і лівого спрямування нарізки.

Перехідники для бурильних колон випускають таких типів: П – перехідні; М – муфтові; Н – ніпельні.

На рис. 1.51 представлені варіанти виконання перехідників для бурильних колон.

а

б

в

Рисунок 1.50 – Легкосплавні бурильні труби:

а – із зовнішньою висадкою кінців;

б – із внутрішньою висадкою кінців;

в – з протекторним потовщенням посередині

а б в

Рисунок 1.51 – Перехідники для бурильних колон:

а – муфтові; б – перехідні; в – ніпельні