Бурильная колонна

Бурильная колонна (рис. 4.27) состоит из ведущей трубы 4, бурильных труб 8 в утяжеленных бурильных труб 13. Верхняя часть бурильной колонны, представленная ведущей трубой 4, присоединяется к вертлюгу 1 при помощи верхнего переводника 3 и переводника вертлюга 2. Ведущая труба присоединяется к первой бурильной трубе 8 через нижний переводник ведущей трубы 5, предохранительный переводник 6 и муфту бурильного замка 7. Бурильные трубы 8 соединяются друг с другом при помощи бурильных замков, состоящих из двух деталей (муфты бурильного замка 7 и ниппеля бурильного замка 9), или при помощи соединительных муфт 10. Утяжеленные бурильные трубы (УБТ) непосредственно свинчиваются друг с другом без применения каких-либо соединительных элементов. Верхние УБТ присоединяются к бурильной трубе через переводник 11. К нижним УБТ 13 через переводник 14 привинчивается долото (при роторном способе бурения) или забойный двигатель с долотом (при турбинном бурении и при бурении с электробуром).

Бурильная колонна предназначена для следующих целей: 1) передачи вращения от ротора к долоту (при роторном бурении); 2) подвода промывочной жидкости к турбобуру (при турбинном бурении), к долоту и забою скважины (при всех способах бурения); 3) монтажа отдельных секций токо-провода (при бурении с электробуром); 4) создания нагрузки на долото; 5) подъема и спуска долота, турбобура, электробура; 6) проведения вспомогательных работ (расширение и промывка скважины, ловильные работы, проверка глубины скважины и т. д.).

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 осевую нагрузку на долото, 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.

При этом она всегда имеет сечение, в котором отсутствуют растягивающие и сжимающие усилия, а, следовательно, и напряжения от действия этих сил.

Кроме напряжений растяжения и сжатия при передаче вращающего момента от ротора к долоту в бурильной колонне возникают напряжения кручения, которые достигают максимума 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 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, 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 во много раз меньше, чем при роторном бурении. Рассмотрим основные элементы бурильной колонны.

Ведущая труба может иметь квадратное, шестигранное и восьмигранное сечение, наибольшее распространении получили ведущие трубы квадратного сечения («квадраты»). Вращающий момент от ротора передается ведущей трубе через вкладыши, вставляемые в ротор. 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.4.28,а); б)с высаженными наружу концами (рис.4.28,б); в) с приваренными соединительными концами.

Рис. 4.28 Бурильная труба: а - с высаженными внутрь концами;

б - с высаженными наружу концами; I - труба; II - муфта

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 замков (рис. 4.29,а) или муфт (рис. 4.29,б). Трубы данной конструкции в настоящее время весьма распространены. Выпускаются они длиной 6; 8 и 11,5 м с наружным диаметром 60, 73, 89 и 102 мм. Трубы диаметром 114, 127, 140 и 168 мм выпускаются длиной 11,5 м.

Рис.4.29 Соединение бурильных труб с высаженными внутрь концами:

а - бурильным замком; б - соединительной муфтой.

Бурильные трубы с вывоженными 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 бурильными замками. Они имеют такую же длину, что и трубы с высаженными внутрь концами. Заводы выпускают трубы диаметром 60, 73, 89, 102, 114 и 140 мм.

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

В процессе спуска и подъема бурильной колонны нецелесообразно свинчивать и развинчивать все трубы, имеющиеся в колонне. Гораздо быстрее осуществляются спускоподъемные операции при отвинчивании или навинчивании сразу нескольких труб. Комплект таких труб, называемый свечой, может иметь разную длину, зависящую от высоты применяемой вышки.

В настоящее время наиболее распространенной является вышка высотой 41 м, позволяющая иметь свечи длиной около 25 м. Бурильные трубы изготовляются длиной 6, 8 и 11,5 м. Поэтому свеча может быть собрана из четырех 6-м труб, трех 8-м труб или из двух труб длиной 11,5 м.

При сборке свечи из четырех 6-м бурильных труб две пары труб соединяются при помощи муфт (см. рис.4.29,б), а так называемые двухтрубки - с использованием бурильных замков (рис.4.29,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 выраженных 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 они мало применяются при роторном способе бурения и совершенно не применяются в 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. 4.30).

Ниппель и муфта бурильного замка соединяются друг с другом 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 замков для соединения бурильных труб не только ускоряет спускоподъемные операции, но и предотвращает бурильные трубы от преждевременного износа: при наличии замкового соединения ключами захватываются не бурильные трубы, а ниппель и муфта замка. Поэтому бурильные замки изготовляют из более качественного металла. 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 затрубном пространстве. Рассмотренные выше конструкции бурильных труб и бурильных замков позволяют после свинчивания двух труб иметь из трех соединений лишь одно упорное, образуемое при свинчивании деталей замка друг с другом за счет упора торца муфты в заплечики ниппеля. Два других соединения являются безупорными, так как при свинчивании ниппеля и муфты замка с бурильными трубами соединяемые детали не прижимаются друг к другу. Герметичность в этих резьбовых соединениях обеспечивается только зацеплением резьб и хорошей смазкой.

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.

Утяжеленные бурильные трубы устанавливаются над долотом (турбобуром, электробуром) в целях увеличения жесткости нижней части бурильной колонны. Применение УБТ позволяет создавать нагрузку на долото коротким комплектом соединенных между собой толстостенных труб, что улучшает условия работы бурильной колонны.

Изготовляются УБТ двух типов: гладкие по всей длине (рис.4.31,а) и с конусной проточкой (рис.4.31,б) для лучшего захвата.