Лабораторна робота № 3 вивчення конструкцій та з’єднань труб нафтового сортаменту

3.1 Мета роботи

3.1.1.Вивчення конструкцій труб нафтовою сортаменту.

3.1.2.Вивчення комплексу показників, що ними характеризуються нарізки і нарізні з’єднання труб нафтового сортаменту.

3.1.3.Ознайомлення із змістом і вимогами нормативної документації на нарізки і нарізні з’єднання труб нафтового сортаменту.

3.2 Тривалість і місце проведення заняття

3.2.1.Лабораторія кафедри.

3.2.2.Тривалість проведенняя заняття – 2 год.

3.3 Основні теоретичні відомості

Бурильна колона. Бурильна колона призначена для виконання наступних функцій:

.передачі обертання від ротора породоруйнівному інструменту;

.передачі нерухомому столу ротора реактивного крутного моменту, що виникає при бурінні свердловин вибійними двигунами;

.створення на долото осьового навантаження;

.підводу промивної рідини для очистки вибою свердловини від вибуреної породи, а також для приводу вибійних гідравлічних двигунів;

.підйому кернового матеріалу і спуску апаратури для досліджень в стовбурі свердловини;

.проробки і розширення стовбура свердловини, випробовування пластів, ліквідації аварій в свердловині.

Бурильна колона складається із ведучої труби, бурильних труб та обважених бурильних труб, які з’єднуються бурильними замками, муфтами і перевідниками. Ведуча труба з’єднується з вертлюгом і з допомогою затискачів взаємодіє з ротором бурової установки. Обважнені бурильні труби встановлюють в нижній частині колони, вони служать для створення осьового навантаження на долото. При бурінні в ускладнених умовах, крім обважнених труб, в нижній частині колони встановлюють калібратори, центратори, стабілізатори та інші пристрої, які попереджують викривлення свердловини. Між ведучою і обважненими трубами знаходяться бурильні труби, які складають більшу частину бурильної колони. Для скорочення операцій згвинчування-розгвинчування, які викликають зношення різьбових з’єднань, бурильна колона ділиться на свічки, які складаються з декількох труб. Довжина свічки обмежується її поздовжньою стійкістю при осьовому стиску під дією власної ваги і висотою вишки.

Бурильні труби. Бурильна труба - це безшовний виріб кільцевого перерізу, одержаний прокатуванням. Між собою труби з’єднуються з допомогою бурильних замків, які складаються з ніпеля і муфти та приєднуються до кінців бурильної різьби з допомогою різьби або зварювання. Вільні кінці ніпеля і муфти бурильних замків оснащені крупною конічною різьбою, завдяки якій скорочується тривалість збірки і розбірки бурильної колони при спуско-підіймальних операціях. Для попереднього з’єднання коротких труб використовують з’єднувальні муфти. Особливість бурильних труб  наявність висаджених кінців. Внаслідок висадження збільшується поперечний переріз кінцевих ділянок, що дозволяє послабити вплив різьби, що є джерелом концентрації напружень, на втомну міцність бурильної труби.

Бурильні труби виготовляють згідно з ГОСТ 631-75, в якому регламентовані їх сортамент, технічні вимоги, правила приймання, методи випробування і маркування їх. Згідно з ГОСТ 631-75, бурильні труби виготовляють чотирьох типів (рисунок 3.1).

Труби 3-го і 4-го типів мають підвищену міцність і герметичність, яку забезпечують внутрішні упорні торці, конічний стабілізуючий ущільнюючий поясок і гладенька ділянка труби за різьбою, які сприймають знакозмінні згинальні навантаження.

Для бурильних труб з висадженими кінцями виготовляють замки трьох типів (рискнок 3.2, а), що відрізняються гідравлічними і міцнісними характеристи-ками:

ЗН  замок з нормальним прохідним отвором;

ЗШ  замок з широким прохідним отвором;

ЗУ  замок із збільшеним прохідним отвором.

Рисунок 3.1 - Типи бурильних труб:

а  з висадженими всередину кінцями і муфтами до них;

б  з висадженими назовні кінцями і муфтами до них;

в  з висадженими всередину кінцями і конічними стабілізуючими поясками; г  з висадженими назовні кінцями і конічними стабілізуючими поясками

Найбільш поширені замки типу ЗШ. Замки ЗУ використовуються в бурильних трубах з висадженими назовні кінцями. Для бурильних труб 3-го і 4-го типів використовуються замки типу ЗШК, ЗУК (рисунок 3.2, б), що відрізняються від ЗШ і ЗУ конічною розточкою зі сторони різьби для з’єднання ніпеля і муфти з бурильною трубою. Замки кріплять на бурильних трубах гарячим методом (нагрівання до 400-450 ^оС) з натягом по різьбі і стабілізуючому пояску.

Рисунок 3.2 – Замки для бурильних труб:

1 – ніпель; 2 – муфта

З інших різновидів найбільш перспективні бурильні труби ТБПВ з привареними з’єднувальними кінцями (рисунок 3.3). На відміну від труб, що випускаються згідно з ГОСТ 631-75, замки з цими трубами з’єднуються не різзю, а з допомогою контактного зварювання. Труби з привареними кінцями мають більш сприятливу гідравлічну характеристику. Міцність зварного шва після нормалізації і обкатування роликами досягає міцності тіла труби.

Рисунок 3.3 – Бурильні труби з привареними з’єднувальними

кінцями з зовнішньою висадкою ТБПВ

Обважнені бурильні труби. Обважнені бурильні труби (ОБТ)  це гарячекатані товстостінні труби кільцевого перерізу (рисунок 3.4). Відомі конструкції обважених бурильних труб квадратного перерізу, а також з поздовжніми або спіральними канавками на зовнішній поверхні.

Обважені бурильні труби по ТУ 14-3-164-73 виготовляють двох типів: гладкі по всій довжині (рисунок 3.4, а) і з конусною проточкою (рисунок 3.4, в), яка полегшує захват і утримування труби. Достатня товщина стінок дозволяє нарізати на кінцях труби крупну конічну різь на зразок з’єднувальної різьби бурильних замків. Наддолотні ОБТ на відміну від інших мають на двох кінцях внутрішню різьбу (рисунок 3.4, б, г).

Рисунок 3.4 – Обважнені бурильні труби:

а – проміжна; б – наддолотна; в – проміжна з проточкою;

г – наддолотна з проточкою

Різьові з’єднання труб. Труби, муфти, перевідники і інші елементи бурильної колони з’єднуються конічними різьбами, які у порівнянні з циліндричними володіють важливими для умов буріння перевагами. Натяг, що створюється при згвинчуванні конічної різьби, забезпечує надійну герметизацію елементів бурильної колони, що стикуються. На відміну від циліндричної різьби число обертів, необхідних для згвинчування і розгвинчування конічної різьби, не залежить від числа ниток, що перебувають в спряженні, і складає

де h  робоча висота профілю різьби;

А  діаметральний натяг згвинченого з’єднання;

К  конусність різьби;

Р  крок різьби.

З формули випливає, що число обертів, необхідне для згвинчування, зменшується при збільшенні кроку і конусності різьби. Тому бурильні замки і інші деталі, які часто згвинчуються і розгвинчуються, мають більш крупну конічну різьбу. При згвинчуванні ніпель бурильного замка входить в муфту на достатню глибину і завдяки цьому забезпечується самоцентрування підвішеної до талевого механізму бурильної свічки відносно колони труб, що утримується на столі ротора. Слід враховувати, що із збільшенням кроку і конусності зменшується число ниток, що пребувають в зачепленні. Збільшення глибини і кроку різьби підвищує її зносостійкість і опір зминанню, але призводить до небажаного зменшення площі перерізу під різьбою.

Конічна різьба в порівнянні з циліндричною того ж діаметра забезпечує більшу міцність з’єднання на розтяг завдяки більшій площі небезпечних перерізів, які співпадають з останніми нитками різьби. Для перенарізання конічної різьби достатньо відрізати 15-30 мм від торця різьби.

Конічні різьби мають різні профілі. В трубах нафтово-го сортаменту найбільш поширені конічні різьби трикутного профілю з кутом при вершині 60 градусів, спряженням по бокових сторонах профілю і зазорами по зовнішньому і вну-трішньому діаметрах різьби (рисунок 3.5, а). Поширюється область застосування конічних різьб з трапецеїдальним або упорним профілем, з спряженням по внутрішньому і зовнішньому діаметрах різьби і зазорами по одній з бокових сторін профілю (рисунок 3.5, б). В трапецеїдальній різьбі крупний крок Р сумісний з невеликою глибиною h₁ різьби.

Рисунок 3.5  Різьба бурильних труб:

1  лінія, паралельна осі різьби; 2  лінія середнього діаметра різьби

Основні параметри профілю трубної різьби по ГОСТ 631-75 наведені в таблиці 3.1.

Таблиця 3.1 – Параметри профілю трубної різьби

Число ниток на довжині 25,4 мм	8
Крок різьби Р, мм	3,175
Глибина h1, мм	1,810
Робоча висота профілю, мм	1,734
Радіус заокруглень, мм: вершин профілю, r впадин профілю, r1	0,508 0,432
Зазор z, мм	0,076
Конусність К	1 : 16
Кут нахилу

Трубна різьба нарізається на кінцях бурильних труб, з’єднувальних муфтах і приєднувальних кінцях бурильних замків. На з’єднувальних кінцях муфти і ніпеля бурильних замків, обважених бурильних труб, на зовнішніх кінцях перевідників ведучої труби, а також в долотах і ловильному інструменті застосовується замкова різьба за ГОСТ 5286-75. Основні параметри профілю замкової різьби наведені в таблиці 3.2.

Таблиця 3.2 – Параметри профілю замкової різьби

Число ниток на довжині різьби 25,4 мм	5	4	4
Крок різьби Р, мм	5,08	6,35	6,35
Конусність різьби, К	1 : 4	1 : 4	1 : 6
Глибина h1, мм	2,993	3,742	3,755
Робоча висота профілю h, мм	2,626	3,283	3,293
Радіус заокруглень впадин r1, мм	0,508	0,635	0,635
Висота зрізу вершин, мм	0,875	1,094	1,097
Кут нахилу

Згідно з вимогами ГОСТ 631-75, різьба труб і муфт повинна бути оцинкована або фосфатована. Для зменшення зношування замкових різьб і підвищення їх опору корозійній втомі застосовують змазки, з яких найбільш ефективні ГС-1 та Р-416.

Матеріал бурильних труб. За ГОСТ 631-75 бурильні труби і муфти виготовляють із сталей, які залежно від механічних властивостей поділяються за групами міцності.

Група міцності сталі	Д	К	Е	Л	М	Р	Т
Тимчасовий опір , МПа, не менше	650	700	750	800	900	1000	1100
Границя текучості , МПа, не менше	380	500	550	650	750	900	1000

Сталі всіх груп міцності мають однакові пластичні властивості відносне видовження =10-12 % (сталь групи Д − 12-16 %); відносне звуження після розриву 40 %; ударну в’язкість 400 кДж/м².

Значення і а_н свідчать про те, що сталі всіх груп міцності мають однакові пластичні властивості.

Згідно з ГОСТ 631-75 обмежується вміст сірки і фосфору (не більше 0,045 % кожного), хімічний склад сталей, що використовуються для бурильних труб, в ньому не встановлюються. Для виготовлення трубних виробів використовують сталі марок 45, 36Г2С, 40Х, 40ХН, 40ХНМ 20ХГ2Б. Труби зі сталі групи міцності К і вищих легуються з наступною термообробкою (нормалізація, нормалізація з відпуском), а труби з вуглецевих сталей проходять гартува-ння і відпуск. Муфти для труб діаметром до 114 мм включно випускають із сталі, міцність якої на одну групу перевищує групу міцності труби. Труби діаметром більшим 114 мм і муфти до них виготовляють із сталей однієї групи міцності.