Назначение, состав и основные требования

БУРИЛЬНАЯ КОЛОННА

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.

Число ниток на длине резьбы 25,4 мм…. Шаг резьбы Р, мм………………………… Конусность резьбы К..…………………… Глубина h1, мм……………………………. Рабочая высота профиля h, мм………….. Радиус закругления впадин r 1, мм………. Высота среза вершин, мм………..………. Угол уклона φ……………………………..

5,08 1: 4 2,993 2,626 0,508 0,875 7°7'30"

6,35 1: 4 3,742 3,283 0,635 1,094 7°7'30"

6,35 1: 6 3,755 3,293 0,635 1,097 4°45'48"

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:

Шаг резьбы Р, мм…………………………… Конусность резьбы К………………………… Угол уклона φ, град………………………….. Высота профиля резьбы h, мм………………. Ширина площадки вершины профиля б, мм Ширина площадки впадины б 1 мм………….. Радиус закругления вершины профиля, мм… Радиус закругления впадин, мм……………...

5,08 1: 32 0°53'42'' 1,90^+0,10 1,99 2,18^+0,05 0,3^+0,1 0,3^+0,05

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.

Механические свойства
Группа прочности стали	Д	К	Е	Л	М	Р	Т
Временное сопротивление σв, МПа, не менее
Предел текучести σт, МПа, не менее

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

Плотность, кг/м^3………………………….. Модуль упругости, МПа…………………. Коэффициент линейного расширения….. Твердость по Бринеллю, МПа ………….. Ударная вязкость, 10 кДж/м^2……………. Предел прочности, МПа..……………...... Предел текучести, МПа …………………. Относительное удлинение, % ……………

2,78∙10^3 72∙10^3 22,7∙10^-6

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.

Дата добавления: 2013-12-12