§ 3. Конструкция бурильных труб, замков и убт

Трубы бурильные

В практике бурения глубоких скважин обычно применяют бу­рильные трубы, изготовленные из стали или легких сплавов, с на­ружным диаметром 60, 73, 89, 114, 127, 141, 168 мм и с толщиной стенок от 8 до 12 мм. Наиболее распространены стальные 114-, 127- и 141-ли* бурильные трубы.

Приспособу соединения замка бурильные трубы подразделяются на резьбовые (рис. II-2), в которых замок присоединяется к трубе на резьбе, и прдв а ценные (рис. II-3), в которых замок приваривается к трубе встык.

Резьбозамковые трубы в местах присоединения замков для увеличения их усталостной прочности выполняются с утолщенными стенками. Утолщение достигается за счет высадки концов.

По способу высадки концов бурильные трубы разделяются на трубы с внутрь высаженными концами, гладкопроходные с наружу высаженньгагГконцами и комбинированные с высадкой концов внутрь и наружу.

Замковые трубы с внутрь высаженными концами (рис. П-2, а) имеют меньшее проходное сечение, чем труба, в результате чего

50

создается повышенное сопротивление прокачиванию жидкости и усложняется спуск внутрь колонны грунтоносок, измерительной аппаратуры и др. Трубы с внутрь высаженными концами позволяют иметь меньший диаметр замка, что уменьшает их износ.

Прочность высаженной части в гладкопроходных (замковых) трубах с наружу высаженными концами (рис. П-2, б) больше, чем

Рис, П-2. Бурильные трубы с различной вы- Рис. II-3. Бурильные трубы с

о — внутрь; б — наружу; в — комбинированная.

садкой концов

с резьбовым соединением замков.

приваренными замками.

а — наружная высадка, замок с за-плсчиком; б — внутренняя высад­ка, замок без заплечика.

в трубах с высаженными внутрь концами, а внутреннее сечение в замках первых труб равно внутреннему ее диаметру, благодаря чему эти трубы создают более низкое сопротивление прокачиванию. Замки таких труб имеют больший наружный диаметр, что при ротор­ном бурении приводит к их повышенному износу.

Высадка внутрь или наружу влияет на величину гидравлических сопротивлений и особенно сильно это происходит с уменьшением диаметра труб. В результате бурильные трубы диаметром менее 114 мм целесообразнее применять с высадкой только наружу.

51

В зарубежной практике некоторые фирмы для уменьшения износа применяют обварку муфты замка по наружному диаметру слоем твердого сплава типа рэлит или сормайт (рис. П-2, б).

Замковые трубы с комбинированной высадкой (рис. П-2, в) имеют и большую прочность, чем первые, и меньший наружный диа­метр замков, чем вторые. Внутреннее проходное сечение замкового соединения в этих трубах меньше, чем в гладкопроходных. Увели­чение сопротивления прокачиванию незначительно, особенно в тру­бах диаметром более 114 мм.

На рис. П-3, а показаны гладкопроходные цельно замковые трубы с наружу высаженными концами с муфтовой частью, имеющей заплечик для посадки на элеватор, а на рис. П-3, б — цельнозам-ковые трубы с внутрь высаженными концами и с замковым соеди­нением без заплечиков, что способствует улучшению обтекаемости. Такие трубы применяются только с клиновыми элеваторами. Наруж­ная часть замка муфты обварена твердым сплавом.

Для уменьшения количества сломов по последней рабочей нитке резьбы сначала применяли обварку замков, навинченных на трубы, а затем стали изготовлять цельнозамковые трубы или трубы с ко­ническими стабилизирующими поясками. Так как прочность пере­ходной зоны после сварки всегда несколько ниже прочности тела трубы, сварные трубы изготовляют с утолщенной высаженной частью в месте сварки.

При приварке готового нарезанного замка необходимо обеспе­чить концентричность трубы большой длины и резьбы короткого замка. Термообработка всей трубы с замком после сварки затруд­нена, так как для труб и замков применяются стали с различными свойствами, а условия работы этих деталей совершенно различны.

Резьбовые соединения бурильных замков с трубами выполняются двух типов: у полными..и безупорными.

На рис. П-4, а показано упорное соединение с конической и цилиндрической посадочными поверхностями с дополнительным упором торца трубы в замок, а на рис. П-4, б — соединение замка с бурильной трубой, имеющее две посадочные конические поверх­ности без торцевого упора. Резьбовое соединение замка с трубой с од­ной посадочной цилиндрической и внутренним упорным торцем (рис. П-4, в) менее прочное, чем первые.

В соединениях первого и второго типов применяют конические трапецеидальные резьбы, размеры которых и размеры посадочных конических и упорных поверхностей подобраны так, что резьбовая часть свободна и разгружена от знакопеременных изгибающих на­грузок и радиальных натягов. Для обеспечения плотной посадки соединения свинчиваются при нагреве замка до 350—450° С. Плот­ное соединение конических или цилиндрических поверхностей в начале и конце резьбы увеличивает герметичность и препятствует непосредственному соприкосновению резьбы с промывочной жид­костью, что предохраняет эту часть от коррозионного воздействия жидкости.

52

Резьбовое соединение замка с трубой (рис. II-4, г), имеющее свободный выход резьбы, значительно хуже обеспечивает герметич­ность, требует более высокой точности изготовления конических резьб и, несмотря на наличие утолщенных высаженных концов, имеет значительно меньшую усталостную прочность по сравнению с прочностью тела трубы.

Наличие канавок и резьбы на трубе в месте резкого изменения жесткости при свободном доступе к резьбе корродирующей жидкости

Рис, П-4. Типы резьбовых соединений замка с трубой.

в — коническая и цилиндрическая посадочные поверхности с упорным торцем, б —две кони­ческие посадочные поверхности; в — одна коническая посадочная поверхность и центриро­вание по резьбе; а — безупорное соединение. 1 — цилиндрическая; 2 — торцевая; 3 — коническая посадочная поверхности.

служит источником возникновения концентрации напряжений и коррозионно-усталостного разрушения этой части трубы.

Бурильные трубы с высаженными концами до размеров замка не распространены в связи со сложностью их производства.

Для глубокого бурения цельнозамковые трубы со сварными замками наиболее приемлемы, так как в них устраняются две трети винтовых соединений и обеспечивается высокая прочность. Недостат­ком этих труб является невозможность замены замков, однако зам­ковую резьбу вновь нарезают при износе или порче резьбы. Сварные трубы с замками широко применяют для труб всех диаметров.

Равнопрочность сварного стыка при приварке замка обеспечи­вается небольшой высадкой конца трубы таким образом, чтобы в месте сварки труба была толще на 10—20%, чем ее остальная часть.

53

Бурильные трубы изготовляются из ^конструкционных средне-углеродистых малолегированных сталей и летких сплавов с высоким пределом усталости, малой чувствительностью к царапинам и надре-замТ высокой прочностью и износостойкостью к истиранию. Эти свойства почти "прямо противоположны друг другу, так как стали, обладающие высоким сопротивлением удару, менее чувствительны к концентрации напряжений; с другой стороны, в сталях с повышен­ным пределом прочности ударная вязкость снижается.

Для бурильных труб применяют легированные стали с содержа­нием углерода 0,4—0,45%, марганца 0,9—1,15%, кремния 0,2— 0,35%, хрома, никеля до 1,5% и ванадия до 0,596.

Для улучшения механических качеств стальные трубы подвер­гают термической обработке по всей длине до предела текучести 750—ЗЪОМн/м*.

Легкосплавные бурильные трубы изготовляются из алюминиевых сплавов типа дюралюминия с пределом текучести, близким к сталям. Однако эти трубы имеют повышенный износ при трении о стенки скважины.

Замки бурильные

Бурильный замок служит для соединения и быстрого свинчивания и развинчивания бурильных труб. Он состоит из двух частей — ниппеля и муфты, имеющих резьбу с большой конусностью 1 : 4

(Ж

Ряс. П-5. Замки бурильные.

а — для резьбового присоединения к трубе; б — для сварного присоединения. 1 — ниппель, 2 — муфта.

или 1 : 6, шагом 5—6 мм (5—4 нитки на длине 25,4 мм), благодаря чему при свинчивании или развинчивании требуется всего 5—7 обо­ротов и не нужно точное их центрирование.

Ниппель и муфта для резьбозамковых труб (рис. П-5,а) имеют резьбовую или резьбовую и посадочные поверхности для соединения, их с трубой.

54

В цельнозамковых сварных трубах вместо трубной резьбы пред­усмотрен хвостик.

Замки в Советском Союзе изготовляются трех типов: с поминаль­ным проходным отверстием ЗН, с широким — ЗШ и с увеличен­ным — ЗУ,

Изготовляются они из конструкционной стали с содержанием углерода 0,4—0,5%, легированные никелем, хромом, а для тяжелых условий бурения — ванадием и молибденом. Стали, применяемые для изготовления замков, должны быть не только прочными, но и хорошо сопротивляться износу.

Трубы бурильные утяжеленные (УБТ)

Утяжеленные бурильные трубы предназначены для увеличения жесткости, продольной устойчивости и веса нижней части бурильной колонны, работающей на сжатие и создающей необходимую нагрузку на долото. При применении УБТ со стабилизаторами можно избежать сильного искривления скважины.

Утяжеленные бурильные трубы изготовляются круглого сечения с различной конфигурацией верхней части для захвата трехгранного или квадратного сечепия (рис. II-6). УБТ трехгранного сечения

Рис. II-6. Утяжеленные бурильные трубы.

1 — гладкие; 2 — с канавками; 3 — с выточкой под элеватор; 4 — с выточкой под клиновой захват; 5 — с канавками под овершот; 6 ~ спиральные.

с прямыми или спиральными гранями применяют для уменьшения искривления скважин. Эти трубы имеют несколько меньшую жест­кость, чем трубы круглого сечения, но хорошо центрируются в сква­жине, так как диагональ их на 4—5 мм выбирается меньше диаметра долота, что обеспечивает достаточное сечение для прохода промывоч­ной жидкости. Длина УБТ, установленных в нижней части буриль­ной колонны, иногда составляет 200—300 м.

55

При турбинном бурении утяжеленные трубы устанавливаются над турбобуром, колонна в этом случае не вращается и продольная устойчивость мало влияет на ее работоспособность.

Толщина стенок УБТ равна 20—50 мм, на обоих концах ее име­ются замковые резьбовые муфты или ниппель на нижнем. В послед­нем случае УБТ соединяются в колонну без переводников и замков. Переводники применяют для соединения тяжелого низа с долотом, бурильными трубами или турбобуром.

При сборке и разборке утяжеленных бурильных труб, не име­ющих поясков, во время слуско-подъемных операций применяют вспомогательные переводники, которые не спускают в сква­жину.

Наружный диаметр УБТ круглого сечения и сторона квадрата для труб трехгранного и квадратного сечений обычно близки по своим размерам к наружному диаметру замка для соответствующего размера бурильных труб. Длина каждой трубы обычно равна 6— 12 м. Изготовляются они из тех же сталей, что и бурильные трубы, и термически обрабатываются по всей длине.

Утяжеленный низ колонны является как бы маховиком, сгла­живающим неравномерности вращения долота в процессе роторного бурения. Наличие УБТ над долотом улучшает условия работы ко­лонны и всего оборудования, связанного с вращением.