Назначение и состав бурильной колонны. Типы и размеры труб. Материал для изготовления. Определение действующих нагрузок

Бурильная колонна является связующим звеном между породоразрушающим инструментом и наземным оборудованием (вертлюг). 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. Между ведущей и утяже­ленными трубами находятся бурильные трубы, составляющие большую часть бурильной колонны.

Ведущие трубы имеют квадратный, шестигранный либо крестообразный профиль с концентрично расположенным круглым или квадратным отверстием для прохода промывочного раствора Ведущие трубы изготовляют из стали групп прочности Д и К, переводники—из стали марки 40ХН (ГОСТ 4543—71) либо из стали марки 45 (ГОСТ 1050—74).

Бурильная труба представляет собой бесшовное изделие кольцевого сечения, полученное прокаткой. Между собой трубы соединяются посредством бурильных замков, состоящих из ниппеля и муфты, которые присоединяются к концам бурильной трубы с по­мощью резьбы или сварки. Особенность бурильных труб — наличие высаженных концов.

Утяжеленные бурильные трубы (УБТ) представляют собой горячекатаные толстостенные трубы кольцевого сечения. Известны конструкции утяжеленных бурильных труб квадратного сечения, а также с продольными. Либо спиральными канавками на наружной поверхности.

МАТЕРИАЛ БУРИЛЬНЫХ ТРУБ

По ГОСТ 631—75 бурильные трубы и муфты изготовляются из сталей, которые в зависимости от механических свойств разделяются по группам прочности: Д, К, Е, Л, М, Р, Т.

Стали всех групп прочности имеют одинаковые пластические свойства: относительное удлинение 6=10—12% (сталь группы Д—12—16%); относительное сужение после разрыва 40%; ударную вязкость 400 кДж/м².

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 грубы.

Трубы диаметром свыше 114 мм и муфты к ним изготов­ляют из сталей одной группы прочности. Легкосплавные бурильные трубы изготавливают из дюралюминия: сплав алюминия, меди, магния и марганца (сплав Д16-Т). Для изготовления УБТ типа УБТС используют стали марки 40ХН2МА и 38ХН3МФА.

Нагрузки, действующие на колонну:

а) осевая нагрузка от веса; б) крутящий момент; в) изгиб: - профиль ствола, - устойчивость; г) трение о стенки скважины; д) давление внутри колонны от промывочной жидкости.

На статическую прочность бурильную колонну рассчитывают, исходя из условия s =G/F < σ_T/[S_σ]=[σ]

где σ — напряжение растяжения; G — расчетная нагрузка; F— площадь поперечного сечения гладкой части бурильной трубы; σ_T — предел текучести материала; [S _σ ] — допускаемый запас прочности на растяжение.

Расчетная нагрузка определяется по формуле: G=[(l — l₀) q+ l₀ q₀ +G_зд](1-ρ_ж/ρ)+(р_n+р₀)F_П

Наибольшие напряжения от собственного веса и передаваемого крутящего момента испытывают верхние сечения бурильной колонны. Согласно теории наибольших касательных напряжений (третьей теории прочности), условие прочности при совместном растяжении и кручении выражается формулой: где σ — напряжение растяжения; т — касательное напряжение.

Растягивающее напряжение от собственного веса бурильной колонны без учета потери веса в промывочной жидкости σ =[(l — l₀) q+ l₀ q]/F

При бурении гидромониторными долотами учитывают растягивающую нагрузку от перепада давления в долоте.

Касательные напряжения определяются по формуле τ = M_k/W_k,

где М_к – крутящий момент, W_к – полярный момент сопротивления гладкой части трубы.

При роторном бурении запас статической прочности бурильной колонны без учета ее облегчения в жидкости должен быть не менее 1,4.

Расчет на сопротивление усталости является основным, так как большинство поломок бурильных труб, наблюдаемых при роторном бурении, происходит в результате усталостных повреж- дений При расчете на сопротивление усталости учитываются напряжения от собственного веса и изгиба бурильной колонны. Напряжения σ_min от собственного веса остаются постоянными и суммируются с переменными напряжениями σ_а, от изгибающего момента σ_max= σ_min+2σ_а