§ 2. Условия работы бурильной колонны

Условия работы бурильной колонны при роторном способе и при бурении с забойными двигателями различны. При роторном способе бурильная колонна, передающая вращение от ротора к долоту и нагрузку на забой, испытывает целый ряд нагрузок.

Когда бурильная колонна не касается забоя скважины и не вращается, она подвержена только растягивающим усилиям, которые достигают максимума у вертлюга. В процессе бурения скважины верхняя часть бурильной колонны растянута, а нижняя, опирающаяся на забой, сжата. Таким образом, бурильная колонна при бурении одновременно подвержена действию растягивающих и сжимающих усилий и, следовательно, испытывает напряжения растяжения и сжатия.

Рис. 33. Буриль­ная колонна

Кроме напряжений растяжения и сжатия при передаче вращающего момента от ротора к долоту, в бурильной колонне возникают напряжения кручения, которые имеют максимальное значение у устья скважины, а также изгибающие напряжения от действия центробежных сил, увеличивающиеся от устья к забою скважины.

Одновременное действие на бурильную колонну всех перечисленных сил осложняет условия ее работы при роторном способе бурения. В результате часто случаются аварии с бурильными трубами, бурильными замками и другими элементами бурильной колонны.

При бурении скважины с забойным двигателем (турбобуром или электробуром) условия работы бурильной колонны значительно облегчаются. Она в этом случае не вращается и поэтому испытывает только растягивающие и сжимающие нагрузки, а также реактивный момент забойного двигателя. Последний имеет незначительную величину и поэтому в практических расчетах им можно пренебречь.

Таким образом, бурение с забойными двигателями в значительной степени снизило требования к бурильной колонне. Стало возможным применение для бурильной колонны труб с меньшей толщиной стенок, что сократило расход металла, а следовательно, и уменьшило ее стоимость. Число аварий с бурильной колонной при любых условиях ее работы с забойными двигателями всегда меньше, чем при роторном бурении.

§ 3. Элементы бурильной колонны

Ведущие бурильные трубы изготовляются в сборном исполнении с квадратным сечением (рис. 34).

Ведущая труба состоит из квадратной толстостенной штанги 2 с прошитым или просверленным каналом, верхнего переводника / ведущей трубы для соединения с вертлюгом и нижнего переводника 3 ведущей трубы. Для предохранения резьбы нижнего переводника от износа при многократных свинчиваниях и развинчиваниях во время наращивания бурильной колонны и при спуско-подъемных работах на нижний переводник навинчивают предохранительный переводник (см. 6 на рис. 33), присоединяемый к первой муфте бурильного замка (см. 7 на рис. 33).

Вращающий момент от ротора передается ведущей бурильной трубе (бурильной колонне) через вкладыши, вставляемые в ротор (см. § 1 гл. IV). Для каждого размера ведущей трубы применяются соответствующие вкладыши, позволяющие ей свободно перемещаться вдоль оси скважины.

Бурильные трубы выпускаются следующих конструкций:

а) с высаженными внутрь концами (рис. 35, а);

б) с высаженными наружу концами (рис. 35, б);

в) с приваренными соединительными концами (см. рис. 38). Бурильные трубы с высаженными внутрь

концами имеют конусную мелкую трубную резьбу. Высадка внутрь на концах трубы уменьшает ее внутренний диаметр. Соединяются такие трубы при помощи бурильных замков (рис. 36, а) или соединительных муфт (рис. 36,6). Длина таких труб составляет 6, 8 и 11,5 м, а наружный диаметр 60, 73, 89 и 102 мм. Трубы диаметрами 114, 127, 140 и 168 мм имеют длину 11,5 м.

Рис. 34. Ведущая бурильная труба в сборе

Бурильные трубы с высаженными наружу концами имеют такую же резьбу, как и трубы с высаженными внутрь концами. Высадка наружу позволяет иметь одинаковый внутренний диаметр по всей длине трубы, что резко улучшает гидравлическую характеристику этих труб по сравнению с трубами с высаженными внутрь концами, так как значительно снижаются потери на преодоление сопротивлений при прохождении промывочной жидкости по бурильной колонне.

Рассматриваемые трубы соединяются также при помощи соединительных муфт или бурильных замков. Они имеют такую же длину, что и трубы с высаженными внутрь концами. Заводы выпускают трубы диаметрами 60, 73, 89, 102, 114 и 140 мм.

Сначала эти трубы предназначались для бурения скважин с применением электробура. При этом способе бурения требуется наличие в трубах широкого и одинакового по всей длине циркуляционного канала, обеспечивающего монтаж то-коподвода и прохождение промывочной жидкости. Однако опыт показал целесообразность применения этих труб и при турбинном способе бурения.

В процессе спуска и подъема бурильной КОЛОНБЫ нецелесообразно свинчивать и развинчивать все трубы, из которых составлена колонна. Гораздо быстрее осуществляются спуско-подъемные операции при отвинчивании или навинчивании сразу нескольких труб. Комплект таких труб, называемый свечой, может иметь разную длину, зависящую от высоты применяемой вышки.

В настояще время наиболее распространена вышка высотой 41 м, позволяющая иметь свечи длиной около 25 м. Поскольку бурильные трубы изготовляются длиной 6, 8 и

Рис. 35. Бурильные трубы и соединительные муфты к ним: а —с высаженными внутрь концами; б — с высаженными наружу концами; / — конец бурильной трубы; 2 — соединительная муфта

11,5 м, то свеча может быть собрана из четырех труб длиной 6 м, трех труб длиной 8 м или из двух труб длиной 11,5 м.

При сборке свечи из четырех 6-м бурильных труб две пары труб соединяются при помощи соединительных муфт (см. рис. 36, б), а так называемые двухтрубки — с использованием бурильных замков (рис. 36, а).

При сборке свечи из трех 8-м бурильных труб применяют две соединительные муфты или одну соединительную муфту и один бурильный замок. Две бурильные трубы длиной 11,5 м соединяют при помощи бурильных замков. Собранные свечи свинчивают также с использованием бурильных замков.

Для соединения бурильных труб с высаженными внутрь концами , имеются два типа замков;

1) ЗШ — с диаметром проходного сечения, близким к диаметру проходного сечения высаженных концов бурильных труб;

2) ЗН — с диаметром проходного сечения, значительно меньшим диаметра проходного сечения высаженных концов бурильных труб.

Сужение проходного сечения в бурильных замках ЗН значительно увеличивает потери давления при циркуляции промывочной жидкости. Поэтому такие замки не применяют при турбинном бурении.

Для соединения бурильных труб с высаженными наружу концами созданы бурильные замки с увеличенным проходным сечением (типа ЗУ), обеспечивающие нормальные условия проходки скважин при турбинном бурении и при бурении с электробуром.

Каждый из трех рассмотренных типов бурильных замков имеет свои размеры, однако внешне они очень похожи друг на друга (рис. 37).

Ниппель и муфта бурильного замка соединяются при помощи конической крупной замковой резьбы, а присоединение этих деталей к бурильным трубам осуществляется посредством мелкой трубной резьбы. Крупная замковая резьба со значительной конусностью позволяет многократно свинчивать и развинчивать свечи с незначительной затратой времени. Применение бурильных замков для соединения бурильных труб не только ускоряет спуско-подъемные операции, но и предотвращает преждевременный износ бурильных труб: при наличии замкового соединения ключами захватываются не бурильные трубы, а ниппель и муфта замка. Поэтому бурильные замки изготовляют из более качественного металла.

Рие. 36. Соединение бурильных труб с высаженными концами

Соединение труб бурильными замками наряду с положительными особенностями имеет и принципиальные недостатки. 1. Для свинчивания двух труб применяется не одно, а три резьбовых соединения, что уменьшает прочность бурильной колонны и, несмотря на применение высококачественной графитной смазки для резьб, снижает герметичность каждого соединения.

2. Наилучшая герметичность резьбового соединения достигается в том случае, когда в конце свинчивания одна деталь упирается в другую (упорное соединение). Такое соединение надежно в работе даже при значительном перепаде давления в трубах и в затруб-ном пространстве. Рассмотренные конструкции бурильных труб и бурильных замков позволяют после свинчивания двух труб иметь из трех соединений лишь одно упорное, образуемое при свинчивании деталей бурильного замка друг с другом за счет упора торца муфты в заплечики ниппеля. Два других соединения безупорные, так как при свинчивании ниппеля и муфты бурильного замка с бурильными трубами соединяемые детали не прижимаются друг к другу. Герметичность в этих соединениях обеспечивается только зацеплением резьб и хорошей смазкой.

3. Бурильные замки типа ЗШ и особенно типа ЗН, имеющие уменьшенный внутренний

диаметр по сравнению с внутренним диаметром бурильных труб, делают необходимым применение более мощных буровых насосов в связи с возникновением во время циркуляции промывочной жидкости значительного перепада давления в соединениях. Уменьшение проходного сечения в соединениях весьма нежелательно также при применении колонковых долот со съемной грунтоноской, а также при использовании различных приборов, спускаемых в бурильную колонну.

Бурильные трубы с приваренными соединительными концами (рис. 38), имеющие одинаковый внутренний диаметр по всей длине, предназначены для всех видов вращательного бурения. Они изготовляются путем приварки на специальных машинах соединительных концов к трубным заготовкам. После этого концы обрабатываются под муфту и ниппель соответствующим образом и после нарезки замковой резьбы получается упорное замковое соединение.

Рис. 37. Бурильный замок: / — ниппель; 2 — муфта	Рис. 38. Бурильная труба с приваренными соединительными концами

Трубы рассматриваемой конструкции имеют длину 12 и 8 м и наружный диаметр 168, 146, 121 и 114 мм. Следовательно, при применении таких труб свеча может быть собрана из двух'12-м или трех 8-м труб с наличием в каждом соединении вместо трех лишь одного упорного резьбового соединения.

Утяжеленные бурильные трубы устанавливаются над долотом (турбобуром, электробуром) в целях увеличения жесткости нижней части бурильной колонны.

Применение УБТ позволяет создавать нагрузку на забой коротким комплектом соединенных между собой толстостенных труб, что улучшает условия работы бурильной колонны.

Изготовляются УБТ двух типов: гладкие по всей длине (рис. 39, а) и с конусной проточкой (рис. 39, б) для лучшего захвата их клиньями во время спуска и подъема, бурильной колонны. Комплект утяжеленных труб имеет одну наддолотную трубу 2, имеющую на обоих концах внутреннюю замковую резьбу, и несколько промежуточных труб 1, снабженных на верхнем конце внутренней, а на нижнем — наружной замковой резьбой.

Переводники служат для соединения элементов бурильной колонны, имеющих различные типыи размеры резьб.

Легкосплавные бурильные трубы. Увеличение глубин скважин заставило изыскивать пути уменьшения веса бурильной колонны. Стальные бурильные трубы стали заменять бурильными трубами из алюминиевых сплавов.

Рис. 39. Утяжеленные бурильные трубы

Выпускаются легкосплавные бурильные трубы с высаженными внутрь концами диаметрами 73, 93, 114, 129 и 147 мм. На концах легкосплавных бурильных труб нарезается стандартная

трубная резьба. Свинчиваются они при помощи стальных бурильных замков особой конструкции. Применение легкосплавных бурильных труб позволило уменьшить вес бурильной колонны примерно в 2 раза.