Бурильные трубы и их соединения

Назначение и состав бурильной колонны

Бурильная колонна (бурильный инструмент) это трубчатые элементы, соединяющие забойные инструменты и агрегаты с поверхностным оборудованием. На рис. 2 к бурильному инструменту относятся утяжеленные бурильные трубы 3, бурильные трубы 4 и рабочая (ведущая) труба 5. Это основные элементы. Дополнительно в состав колонны могут входить переводники и опорно-центрирующие элементы.

Назначение. Бурильная колонна обеспечивает проводку скважины по заданной траектории (профилю), передает вращение от ротора к породоразрушающему инструменту, а в случае забойного двигателя воспринимает реактивный момент. Весом утяжеленных бурильных труб создается осевая нагрузка на долото. Трубчатость колонны обеспечивает циркуляцию промывочной жидкости. Собираемость и разбираемость колонны в условиях буровой обеспечивает наращивание колонны в процессе бурения, а после отказа породоразрушающего инструмента подъем его из скважины и последующий спуск нового. Соответственно к бурильному инструменту предъявляются требования:

1) высокая продольная и крутильная жесткости; 2) большая масса нижней части инструмента (УБТ) и малая масса бурильных труб; 3) герметичность соединений труб и минимальные гидравлические сопротивления в системе циркуляции промывочной жидкости; 4) простота и малое время на сборку и разборку инструмента; 5) прочность при названных видах нагружения.

Бурильные трубы и их соединения

При бурении на нефть и газ применяют стальные и легкосплавные бурильные трубы диаметром 114 мм (4½ "), 127 мм (5") и 140 мм (5½ ") с толщиной стенок от 7 до 11 мм. Длина труб около 11, 5 м. Для изготовления труб используется сталь групп прочности Д, К, Е, Л, М, Р, Т. Наибольшее распространение имеют трубы из сталей групп Д и Е, величины предела текучести σ _s которых составляют:

сталь группы прочности Д – σ _s = 380 МПа;

сталь группы прочности Е – σ _s = 550 МПа.

Стальные трубы выпускают с резьбовыми концами и с приваренными соединительными элементами.

Легкие сплавы на основе алюминия имеют меньшую плотность по сравнению со сталью, но и меньшую прочность. Например, сплав Д16Т имеет σ _s = 300 МПа.

Трубы с резьбовыми концами. Наиболее слабым элементом трубы является резьба. Чтобы труба была равнопрочной, на ее концах делается высадка (утолщение). В зависимости от конструкции концов труб их разделяют на четыре типа, характеристики которых приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Типы резьбовых бурильных труб

На рис. 4.1 приведены конструкции концов резьбовых труб и их замкового соединения.

На концах труб ТБВ и ТБН нарезана трубная коническая резьба (конусность 1: 16, 8 ниток на дюйм). Для соединения труб используют замки, которые состоят из двух элементов: ниппельного и муфтового. На одном конце элемента замка выполняется трубная резьба, а на другом замковая, как показано на рис. 4.1, в, г. Замковые резьбы отличаются от трубных наличием наружных упорных торцов у обоих элементов, большей конусностью (1: 4 или 1: 6) и большим шагом резьбы (4 или 5 ниток на дюйм). Натягом на торцы обеспечивается герметичность замкового соединения. Элементы замка навинчиваются на трубы в мастерской в горячем состоянии и отвинчиванию на буровой не подлежат.

Недостатками труб ТБВ и ТБН являются трудность обеспечения герметичности трубной резьбы и то, что конец резьбы находится в месте перехода от элемента замка к трубе и является концентратором напряжений. Именно в этом сечении часто наблюдается усталостное разрушение труб в результате действия изгибающих нагрузок. Эти недостатки в значительной степени устранены в конструкциях ТБВК и ТБНК. На рис. 4.2 показан конец трубы ТБВК 1 с навинченным на него ниппельным замковым элементом 2.

Рис. 4.2. Конец трубы ТБВК с навинченным ниппелем замка

На трубе выполнена наружная поверхность стабилизирующего пояска, а в замке – внутренняя. Вместе они образуют плотное коническое соединение 3. Кроме того, имеется дополнительный упор 4 конца трубы в замок. Отличается и трубная резьба. Она выполнена конической трапецеидальной с конусностью 1: 32 и с шагом 5 ниток на дюйм.

Легкосплавные трубы выполняются с резьбовыми концами, а между собой соединяются стальными облегченными замками.

Бурильные трубы с приваренными концами предназначены для бурения с забойными двигателями. Соединительные элементы замков привариваются к трубам встык. А так как сварной шов существенно снижает прочность трубы, то приварка проводится к высаженным внутрь или наружу концам тубы.

Второй вариант приварки показан на рис. 4.3. К другому концу трубы приварена соответствующая муфта замка (на рисунке не показана).