§ 4. Бурильные трубы

Бурильные трубы (БТ), соединяемые в колонну, длина которой должна соответствовать глубине сооружаемой скважины, являются очень важной частью набора бурового снаряда, с помощью которого осуществляется вращательное или ударно-вращательное бурение. Колонны бурильных труб участвуют в выполнении всех основных процессов. Прежде всего, БТ служат для спуска на забой и подъема на поверхность породоразрушающего инструмента, а также для передачи ему необходимых для разрушения породы усилий — крутящего момента при определенной частоте вращения и осевой нагрузке.

Колонна БТ —канал для подачи на забой очистного агента (при прямой схеме) или выхода его на поверхность (при обратной схеме удаления продуктов разрушения). В последнем случае по этому каналу могут транспортироваться и кусочки керна. Одновременно колонна БТ может служить каналом для передачи энергии забойным машинам гидравлического или пневматического действия. Кроме того, она может воспринимать реактивный момент при использовании забойных машин вращательного действия. Наконец, бурильные трубы часто используются при выполнении некоторых специальных работ и проведении исследований в скважинах: при ориентировании отклонителей в случае направленного бурения скважин; при тампонажных работах или устройстве искусственных забоев, мостов и пробок; при ликвидации аварий; при измерении искривления скважин и в других случаях.

В связи с таким разнообразием выполняемых функций и условий работы в скважине бурильные трубы подвергаются сложным деформациям, а также абразивному износу, которые вызывают существенные, часто знакопеременные напряжения: кручения, сжатия, растяжения, изгиба и т. д. Этим и определяются основные требования, предъявляемые к БТ для бурения геологоразведочных скважин — высокая прочность и износостойкость; небольшой диаметр; возможность быстрого соединения труб в колонну и разъединения на элементы при выполнении спуско-подъемных операций; небольшая величина гидравлических сопротивлений внутреннего канала бурильной колонны; герметичность соединений; равнопрочность колонны БТ; возможность механизации СПО; надежность и долговечность работы элементов бурильной колонны.

Применение труб в качестве бурильного вала практически началось с появлением алмазного породоразрушающего инструмента в 1862 г. Диаметр и глубина скважин при этом были незначительными, а бурение осуществлялось при сравнительно малой частоте вращения. Бурильные трубы, называвшиеся ранее штангами (по аналогии с буровым инструментом для ударно-штангового бурения), собирались в колонну с помощью ниппельных резьбовых соединений (БТН), конструкция которых мало изменилась до настоящего времени. Повышалось только их качество.

С внедрением в практику вращательного бурения геологоразведочных скважин инструментов твердосплавного, дробового и шарошечного типов, с увеличением диаметра и глубины скважин, а также частоты вращения бурового снаряда, бурильные трубы ниппельного соединения небольшого диаметра оказались мало пригодными из-за недостаточной прочности резьбовых соединений, быстрого износа, больших гидравлических сопротивлений при циркуляции промывочной жидкости, а также длительности их свинчивания и развинчивания. В связи с этим стали разрабатываться и внедряться в практику бурения геологоразведочных скважин БТ с муфтово-замковыми соединениями (БТМ). Замковые соединения позволили упростить и ускорить процесс свинчивания и развинчивания БТ при спуско-подъемных операциях, а также повысить надежность разъемных резьбовых соединений. Кроме того, у колонны БТМ внутренний канал имел более равномерное сечение (без резких сужений), что заметно уменьшило гидравлические потери при циркуляции промывочной жидкости. Наконец, колонна БТМ позволяла передавать на породоразрушающий инструмент больший крутящий момент.

В практике бурения геологоразведочных скважин в настоящее время находят применение бурильные трубы, изготовляемые из сталей различных марок и из легкого сплава, параметры которых определены нормалями и государственными стандартами.

Соединение бурильных труб осуществляется с помощью резьб различными способами: с помощью ниппелей (Н), муфт и замков (М3), ниппелей и замков (НЗ) или просто —труба в трубу. В последнем случае концы бурильных труб снабжаются специальной резьбой, соответствующей резьбе присоединяемого элемента.

Стальные бурильные трубы (СБТ) и их соединения изготовляют из легированных сталей различных марок (36Г2С, 40ХН, 45 и др.) с высокими механическими свойствами (см. табл. 5.1).

Стальные бурильные трубы ниппельного соединения (СБТН) в соответствии с ГОСТ 8467—83 имеют наружный диаметр 33,5, 42 и 50 мм, а техническими условиями ТУ 14—3—619—78 предусмотрен нормальный ряд труб диаметром 24, 32, 38, 42, 54 и 68 мм. Соединяются трубы ниппелями или ниппельными замками с резьбой трапецеидальной формы, за исключением рабочей резьбы ниппельных замков для труб диаметром 68 мм (рис. 5.8).

Параметры БТ и ниппельных соединений приведены ниже.

Тип труб СБТН-42 СБТН-54 СБТП-68

Диаметр трубы, мм:

БУРЕНИЕ 1

ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫХ СКВАЖИН 1

I 141

J 141

с 155

с 155

[] 252

G₀ = 0,1 253

1 51

rF%irirrnrsn^Sr^n 51

/_п = / - ft, (24.31) 393

Ш 405

Щк! 405

Для повышения прочности труб в резьбовых соединениях концы их высаживаются внутрь. Собранная колонна из труб с ниппельными соединениями имеет одинаковый наружный диаметр по всей длине и в практике именуется гладкостенной. Внутренний диаметр канала такой колонны в местах соединений имеет уменьшенный размер. Это является одним из недостатков колонны БТ ниппельного соединения вследствие повышения гидравлических сопротивлений, возникающих при движении потока промывочной жидкости в местах соединений (в суженных участках).

К качеству бурильных труб предъявляются повышенные требования:

соосность резьбы и поверхности труб в пределах 0,1 мм у торца и 0,2 мм на расстоянии 200 мм от торца;

кривизна трубы не более 0,5 мм на 1 м длины трубы; стандартная длина труб 3000 и 4500 мм.

Ниппельные соединения могут быть трех типов: А, Б и В (см. рис. 5.8). Ниппели типа А и Б являются элементами замка, предназначенного для соединения свечей при сборке бурильной колонны, а типа В — для соединения труб в свече. Для соединения свечей из труб диаметром 54 и 56 мм в колонну служат ниппельные замки.

Рис. 5.8. Конструкции стальных бурильных труб:

а

а — с ниппельным соединением; б — с зам- ково-ниппельным соединением; в — с зам- ково-му фговым соединением; 1 — ниппель типа Б; 2 —труба; 3 — ниппель типа А; 4, *£ 7 — ниппель замка; 5 — муфта замка, б —

муфта

Бурильные трубы ниппельного соединения рекомендуется применять при бурении скважин алмазным породоразрушающим инструментом и при необходимости иметь небольшой зазор между стенкой скважины и бурильной колонной. Это позволяет осуществлять бурение с достаточно большой частотой вращения снаряда.

Стальные бурильные трубы с муфтово-замко- вым соединением (СБТМ). Государственным стандартом предусматривается выпуск СБТМ с высаженными внутрь концами трех диаметров: 42, 50 и 63,5 мм (рис. 5.8, в). В этом случае соединение бурильных труб между собой осуществляется с помощью муфт, для чего на концах бурильных труб нарезают наружную коническую резьбу треугольного профиля с небольшим шагом, а муфту снабжают соответственно внутренней резьбой. Резьба может быть правой или левой. Отраслевой нормалью, разработанной ВИТРом, было предусмотрено изготовление СБТМ с наружным диаметром 50, 60,3 и 73 мм. Бурильные трубы муфтово-замкового соединения изготовляют из стали марок 36Г2С группы Д и 40Х, ЗОХГС, а муфты —из стали марок 3672С группы Д.

Для соединения СБТМ в колонну служат специальные замки, состоящие из двух частей: ниппеля и муфты. Элементы замков между собой соединяются конической замковой резьбой (3), а с трубами — трубной резьбой (Т). Наружную поверхность замков при их изготовлении подвергают термообработке на глубину 1,5—

5. мм до твердости HRC=50. Замковая (рабочая) резьба конической формы имеет увеличенный, по сравнению с трубной, шаг и также подвергается термообработке.

На каждом элементе замка делают вырезы-площадки для захвата ключами или специальными вилками. На ниппеле делают одну пару площадок, а на муфте — по две пары. Вместо таких площадок муфты могут иметь кольцевую проточку шириной 55 и глубиной

5. мм (при диаметре муфты 65 мм). Изготовляют замки из стали марки 40ХН. Они должны выдерживать не менее 800 циклов свинчивания-развинчивания.

Основные параметры СБТМ

Тип трубы	МЗ-42	МЗ-50	М3-63,5
Диаметр трубы, мм:
наружный с	42	50	63,5
внутренний	32	39	51,5
высаженной части ,	22	28	40
Тип замка	3-42	3-50	3-63,5
Диаметр замка, мм:
наружный	57	65	83
внутренний	22	28	40
Диаметр муфты, мм	57	65	83

Бурильные трубы с муфтово-замковыми соединениями рекомендуется применять при бурении скважин большого диаметра и значительной глубины в сложных геологических условиях при необходимости передачи крутящего момента значительной величины и при большом расходе промывочной жидкости.

Основным недостатком таких БТ является существенная разница между наружными диаметрами соединений и самих труб, что приводит к образованию значительного зазора между трубами и стенками скважины и, следовательно, к их изгибу при действии нагрузок, превышающих критическую величину. Это в свою очередь приводит к интенсивному усталостному и абразивному износу труб под действием знакопеременных нагрузок и силы трения о стенки скважины, что накладывает определенные ограничения на частоту вращения снаряда при бурении скважин. Для устранения такого недостатка стали использовать комбинированные колонны бурильных труб, например бурильные колонны с ниппельно-замковыми соединениями 50/НЗСУ-57, 43/НЭСУ-44 и 50/3-42.

Бурильная колонна 50/НЗСУ-57 состоит из труб диаметром 50 мм с внутренней трапецеидальной цилиндрической резьбой, соединяемых в свечи ниппельными замками диаметром 52 мм с резьбой 3-42. Используется такая колонна для бурения скважин диаметром 59 мм. При бурении скважин диаметром 46 мм колонна состоит из труб диаметром 42 мм, ниппелей диаметром 44 мм и замков с конусной резьбой. Такие колонны БТ работают при повышенной частоте вращения (до 900 об/мин) в скважинах глубиной до 1600 м.

Бурильная колонна 50/3-42 состоит из БТ диаметром 50 мм с двойной высадкой концов, что позволяет нарезать коническую резьбу под муфто-замковые соединения МЗ-42. Бурение такой колонной ведется до глубины 600 м с частотой вращения 600—800 об/мин.

Для повышения прочности и герметичности соединений в ПГО «Приленскгеология» разработан специальный тип конусно-винтового замкового соединения КВС (рис. 5.9). Соединения имеют цилиндрическую резьбу с конусной проточкой, блокирующей резьбу в опасном сечении и обеспечивающей постоянный нормальный натяг элементов замка или муфты на бурильной трубе. При этом длина нарезанной части замка и БТ различна, за счет чего исключается торцовый упор соединяемых деталей и плотный контакт их конических поверхностей при натяге. Работоспособность колонны БТС с такими соединениями возросла почти в два раза.

Стальные бурильные трубы для снарядов со съемными керноприемниками. В связи с разработкой и внедрением нового способа извлечения керна с помощью съемных керноприемников появились специальные БТ, отвечающие дополнительным требованиям: достаточно большое сечение и рав-

Рис. 5.10. Конструкция бурильных труб для снарядов со съем­ным керноприемником:

а — ТБ-ССК; б — ТБ-КССК, 1 — муфта замка; 2 — бурильная труба; 3 — муфта; 4 — ниппель замка

У,

У,

Рис. 5.9. Конструкция колонны бурильных труб с конусно- винтовым соединением:

J — труба; 2 — ниппель замка КВС; 3 — муфта замка KBC

норазмерность внутреннего канала труб, обеспечивающая свободное продвижение съемного керноприемника к забою и обратно на поверхность. Удовлетворение этих требований возможно только за счет уменьшения толщины стенки труб. В СССР были разработаны два комплекса снарядов со съемным керноприемником: ССК-ВИТР и КССК-СКБ.

В комплексе ССК-ВИТР используется гладкостенная внутри и снаружи колонна бурильных труб ТБ-ССК, соединяемых между собой резьбой трапецеидальной формы — труба в трубу (рис. 5.10,а). Ниже приводится характеристика таких труб.

Тип снаряда		ССК-59	ССК-76
Диаметр труб, мм:
наружный	... 43	55	70
внутренний	... 33,4	45,4	60,4
Толщина стенки трубы, мм	... 4,8	4,8	4,8
Длина трубы, м	... 1,5; 3,0; 4,5	1,5; 3,0; 4,5	1,5; 3,0
Резьба, мм:
шаг	... 6	8	8
высота профиля	... 0,75	0,90	0,90
Масса 1 м трубы, кг	... 4,52	5,94	7,72

Изготавливают такие трубы из стали марки 37ХНМ с механическими свойствами, соответствующими группе прочности К. Резьба соединений слабоконическая трапецеидального профиля с большим шагом и небольшой высотой витка. Необходимая прочность такого резьбового соединения при малой толщине стенки создается за счет достижения одновременного контакта по наружным и внутренним упорным выступам и боковой поверхности всех ниток -резьбы. Это обеспечивается высокой точностью изготовления резьбы.

Недостатками бурильных труб типа ТБ-ССК является невозможность при существующих технических средствах механизировать процесс их свинчивания и развинчивания при выполнении СПО. Кроме того, такие трубы не следует использовать для бурения глубоких скважин при значительной разработке стенок ствола и образовании каверн из-за недостаточной прочности резьбовых соединений труба в трубу.

Бурильные трубы, применяемые в комплексе КССК, имеют более прочные муфто-замковые соединения с прорезями и кольцевыми проточками для захвата их элеватором и специальными вилками, что позволяет механизировать процесс свинчивания и развинчивания колонны при СПО (рис. 5.10,6). Изготавливают трубы из стали 36Г2С с высаженными внутрь концами. На концах трубы нарезают наружную трапецеидальную резьбу с конусностью 1:16. Высота профиля резьбы 1, 2 мм, шаг 6 мм, угол при вершине 10°. Замки и муфты изготовляют из стали марки 40ХН улучшенного качества и марки 36Г2С. Наружная поверхность муфт и замков подвергается закалке с нагревом ТВЧ.

Ниже приведены основные параметры бурильных труб КССК.

Буровой снаряд	.... КССК-76	КССК-76М
Диаметр труб, мм:
наружный	.... 70	70
внутренний	.... 60	61
внутренний высаженной части	.... 53	—
Диаметр соединения, мм:
наружный	.... 73	74,5
внутренний		53
Длина труб, м	.... 4,5	6,2

If

Рис. 5.12. Специальные трубы для бурения с гидрот­ранспортом керна:

1,3 — элементы муфто-замкового соединения; 2 — бурильная тру­ба; 4_t 6 — трубы внутренней колонны; S — соединение труб внут­ренней колонны

с

с

Рис. 5.11. Конструкция колонны легкосплавных бурильных труб ЛБТНЗ:

1. — труба; 2 — прогонка центрирующая; J — ниппель; 4 — замковый ниппель

Легкосплавные бурильные трубы (ЛБТ). Необходимость создания таких труб определялась увеличением глубины скважин и частоты вращения бурового снаряда. Снижение массы колонны бурильных труб с сохранением их прочности стало весьма

актуальной задачей. Применение ЛБТ позволило уменьшить массу бурильной колонны и существенно уменьшить расходуемую на ее вращение и подъем мощность, а также существенно увеличить частоту вращения при значительной глубине скважин (до 700— 800 об/мин на глубине более 1200 м).

С учетом специфики бурения геологоразведочных скважин СКБ НПО «Геотехника» разработаны и выпускаются серийно легкосплавные бурильные трубы с ниппельным (ЛБТН) и муфтовозамковым (ЛБТМ) соединением.

Изготавливают ЛБТ из алюминиевого сплава Д16Т, имеющего предел прочности на растяжение 450 МПа, предел текучести 330 МПа и относительное удлинение 11%.

Легкосплавные бурильные трубы ниппельного соединения на концах имеют внутреннюю стандартную резьбу без высадки. Соединение труб в колонну осуществляется ниппелями типа А и Б, изготовленных из стали марки 40ХН. Для повышения прочности и герметичности в резьбовых соединениях делают уплотняющие шейки (проточки) или стабилизирующие хвостовики, устраняющие концентрацию напряжений, чем они отличаются от соединений СБТН (рис. 5.11).

Легкосплавные бурильные трубы муфто-зам- кового соединения по конструкции аналогичные СБТМ. Промышленностью освоен выпуск труб диаметром 54 мм (ЛБТМ-54) с толщиной стенки 7,5 мм. Такие трубы имеют на концах, высаженных внутрь, наружную резьбу. В отличие от соединений СБТМ-50 на ЛБТМ в муфтах и замках делают цилиндрические стабилизирующие пояски. Кроме того, на трубах, как и на элементах соединений, делают прорези-площадки для захвата их специальными вилками, что позволяет использовать существующую технику для механизации процесса свинчивания и развинчивания колонны при СПО. Трубы изготовляют из сплава Д16Т, замки —из стали 40ХН, а муфты —из стали марки 36Г2С. Наружная поверхность муфт и элементов замка и замковая резьба упрочняются закалкой с помощью ТВЧ. Ниже приведены некоторые параметры ЛБТ.

Тип труб	ЛБТН-34	ЛБТН-42	ЛБТН-54	ЛБТН-68	лет*
Наружный диаметр, мм: трубы	34	42	54	68	54
ниппеля	34	42	54	68	—
замка		—	—	—	65
Толщина стенки трубы, мм	6,5	7	9	9	7,5
Внутренний диаметр, мм: ниппеля	12	15	22	28
замка		—	—	—	28
Длина трубы в сборе, мм	2925	4700	4750	4700	4700

Специальные бурильные трубы применяют при бурении с гидравлическим транспортированием керна комплексом КГК-100. Из таких труб собирают две концентрично располагающихся колонны (рис. 5.12). Трубы наружной колонны, имеющие диаметр 79 мм, соединяют с помощью замковых элементов — муфт и ниппелей. Толщина стенки труб 6,5 мм. Концы труб имеют цилиндрическую резьбу диаметром 68 мм. Элементы замка соединяются друг с другом с помощью специальной слабоконической резьбы трапецеидального профиля по типу замковой резьбы труб КССК. Муфта замка имеет две пары вырезов под вилку и элеватор, а ниппель — одну. Изготовляют наружные трубы из стали группы прочности Д.

Трубы внутренней колонны, изготовляемые из алюминиевого сплава Д16Т, имеют наружный диаметр 48 мм и толщину стенки 3 мм. К концам каждой трубы присоединяют стальные штуцеры с помощью специального клея «Герметик УТ-1». Это уплотнительный материал, вулканизирующийся при комнатной температуре при добавлении вулканизирующего вещества (перекиси марганца) и ускорителя (дифелингуанимида). При сборке колонны внутренние трубы просто стыкуются. Герметичность стыков достигается тем, что один из стыкующихся концов штуцеров каждой трубы имеет внутреннюю коническую расточку, а второй имеет вид сферической поверхности (заовален). Эта поверхность сопрягается с поверхностью конуса, и при достаточном усилии прижатия достигается нужная герметичность стыка. Прижатие создается действием пружины, встроенной в промывочный сальник. В связи с тем, что при массовом изготовлении таких труб практически невозможно обеспечить достаточной точности совпадения длин наружной и внутренней труб, внутренние трубы имеют возможность осевого перемещения в пределах 35—40 мм, которое компенсируется при окончательной сборке колонны подпружиненной трубкой промывочного сальника. Центрирование внутренних труб достигается специальными ребрами-центраторами, которые сопрягаются с внутренней поверхностью муфты и ниппеля наружной колонны бурильных труб.

Наружная колонна служит для создания на забое осевой нагрузки и передачи крутящего момента на коронку, а внутренняя — для выхода на поверхность промывочной жидкости и керна. На забой жидкость поступает по зазору между трубами.