Назначение конструкции бурильных труб
При всех известных способах бурения бурильная колонна, составленная из бурильных труб, должна обеспечивать передачу от бурового станка вращение и осевую нагрузку породоразрушающему инструменту, охлаждать его и выносить на поверхность продукты разрушения потоком жидкости или воздуха в первых двух случаях в виде шлама по затрубному пространству и в третьем — в виде шлама и керна по центральному каналу. Кроме того, бурильная колонна должна выполнять ряд вспомогательных функций при тампонажных работах, борьбе с осложнениями в скважине, ликвидации аварий, проведении исследований в скважине и др.
Выполняя свои функции, бурильная колонна должна обладать высокой надежностью, противостоять как износовым, так и усталостным нагрузкам, быстро собираться и разбираться на свечи в виде нескольких труб или на отдельные трубы (в зависимости от высоты вышки или мачты), которые должны быть легкими и удобными в работе.
Отличительная особенность бурильных колонн муфтово-замкового соединения заключается в том, что диаметр их соединений существенно превышает диаметр трубы, что, с одной стороны, способствует быстрому износу их, с другой — ограничивает частоты вращения и осевые нагрузки из-за вибраций, возникающих вследствие значительных зазоров между трубой и стенками скважины. Собственно для бурения на нефть и газ эти недостатки несущественны, так как частоты вращения здесь весьма малы (до 150 мин1), а для создания осевых нагрузок применяют, как правило, утяжеленные бурильные трубы и, следовательно, вся колонна бурильных труб растянута.
В геологоразведочном бурении на твердые полезные ископаемые эффективность разрушения пород обусловлена прежде всего высокими частотами вращения и удельными осевыми нагрузками на породоразрушающий инструмент — буровые станки имеют вращение до 1500 мин-1, а некоторые зарубежные для алмазного бурения — до 4500 мин1. Кроме того, при бурении неглубоких скважин поисковых, картировочных, инженерно-геологических утяжеленные трубы неприемлемы. Поэтому в геологоразведочном бурении широко применяют бурильные трубы специального ниппельного соединения с цилиндрическими резьбами, благодаря которым колонна труб снаружи гладкая, что позволяет максимально приблизить ее наружный диаметр к диаметру скважины, т. е. создать наиболее благоприятные условия для ее работы на высоких частотах вращения и осевых нагрузках.
В СКВ «Геотехника» разработаны легкосплавные (алюминиевый сплав Д16Т) бурильные трубы ниппельного соединения (ЛБТН-42; ЛБТН-54; ЛБТН-68), которые используют преимущественно в алмазном бурении.
На производственных геологических предприятиях («Кировгеоло — гия», «Центргеология», «Союзгеологоразведка» и др.) разработаны и широко внедряются так называемые комбинированные бурильные колонны из труб ниппельно-замкового соединения. Например, в одной из таких конструкций бурильные трубы диаметром 50 мм с высаженными внутрь концами (ГОСТ 7909) и внутренней цилиндрической резьбой диаметром 41,5 мм (ГОСТ 8467) соединялись в свечи ниппелями диаметром 50 мм (ГОСТ 8462), в концы которых ввинчивались замки диаметром 57 мм, что значительно сократило зазор между бурильной колонной и стенкой скважины. Это позволило, как и в случае с легкосплавными трубами, резко увеличить частоты вращения и соответственно производительность алмазного бурения.
Известен положительный опыт использования этих труб в сочетании с легкосплавными в комбинированных бурильных колоннах, где они работали как утяжеленный низ.
Для бурения комплексами типа ССК были разработаны тонкостенные бурильные трубы диаметрами 55; 70; 43 мм, соединяемые по способу «труба в трубу», при котором резьбы трапецеидального профиля имеют минимальную конусность (1: 32), что усложняет их изготовление и процесс свинчивания — развинчивания при спуско-подъемных операциях. Нарезаются они непосредственно на концах трубы без их высадки и без использования соединительных деталей, поэтому тело в резьбовой части трубы оказывается весьма тонким. Это обусловлено минимальной толщиной матрицы буровой коронки, вызванной необходимостью размещения в колонковой трубе съемного керноприем — ника и обеспечения необходимых удельных нагрузок на коронку в условиях бурения твердых пород. Успешное использование таких тонкостенных бурильных труб при высокочастотном алмазном бурении обеспечивается благодаря максимальному приближению диаметров трубы и скважины (55 и 59; 70 и 76; 43 и 46 мм) и, следовательно, минимальному их изгибу. Кроме того, ВИТРом был создан вариант таких бурильных труб с приваренными резьбовыми концами из более прочной стали.
Для бурения комплексами КССК-76-1200 и КССК-76-2000 были разработаны стальные бурильные трубы диаметром 70 мм с высаженными внутрь концами, соединяемые муфтами и замками диаметром 73 мм, а для бурения комплексами КССК-76М-2000 и КССК-76-3000 — стальные бурильные трубы диаметром 73 мм. Разъемные и неразъем-
ные резьбы одинаковы: трапецеидальный профиль и конусность 1 : 16. Высадка и сварной шов обеспечивают более высокую прочность труб комплексов КССК в сравнении с трубами комплексов ССК. Для работы в компоновке со стальными трубами при бурении комплексами КССК созданы также легкосплавные (сплав Д16Т) трубы диаметром 71 мм со стальными замками диаметром 73 мм с применением тех же резьб. В составе колонны стальных труб имеются легкосплавные трубы с такими же резьбами, которые должны располагаться на таких участках бурильной колонны, на которых действуют минимальные растягивающие нагрузки и минимальный крутящий момент. Такая компоновка стальных и легкосплавных труб позволяет бурить комплексом КССК-76М-2000 скважины глубиной до 2750 м.
Основным отличием бурильных труб комплексов ССК и КССК от бурильных труб, применяемых в традиционном бурении, является увеличенный внутренний диаметр и гладкий внутренний канал образуемой ими бурильной колонны, необходимый для свободного прохождения съемного керноприемника. Это обеспечивается ценой снижения прочности труб в сравнении с трубами для традиционного бурения в результате уменьшения толщины стенок в резьбовой части. Однако, как было уже отмечено, снижение прочности компенсируется уменьшением зазора между стенкой скважины и колонной бурильных труб и, следовательно, снижением изгибающих нагрузок.
К концу 1980-х годов бурильные трубы для различных способов геологоразведочного бурения были представлены большим разнообразием конструкций, и стала очевидной назревшая проблема их унификации по диаметрам, толщинам стенок и применяемым резьбам.
В СКВ «Геотехника» был разработан ГОСТ Р 51510—99 «Трубы бурильные геологоразведочные». Все трубы восьми типов разбиты на три группы, характеризующие области их применения: 1-е бурение традиционное колонковое и бескерновое; 2-е бурение со съемным кер — ноприемником и 3-е бурение с пневмо — и гидротранспортом керна.
К первой группе относят трубы:
— бурильные стальные универсальные (ТБСУ) диаметром 43; 55; 63,5; 70; 85 мм с приваренными замками тех же диаметров, разработанные взамен труб ниппельного и муфтово-замкового соединения, которые сочетают в себе преимущества тех и других: гладкую наружную поверхность с прочностью, удобством и быстротой свинчивания замковых резьб;
— бурильные легкосплавные (ТБЛ) тех же диаметров, что и трубы ТБСУ, разработаны взамен труб ниппельного соединения типа ЛБТН-42, ЛБТН-54, ЛБТН-68; унифицированы с замковыми резьбами труб ТБСУ;
— бурильные утяжеленные (ТБУ) диаметром 57; 73; 89; 108 мм л с приваренными замками тех же диаметров; разработаны взамен труб
УБТ-57, УБТ-Р-73, УБТ-89, УБТ-108; унифицированы с замковыми резьбами труб ТБСУ и ТБЛ.
Ко второй группе относят трубы:
— бурильные стальные легкой серии (ТБСЛ) диаметром 43; 55; 70; 89; 114 мм с приваренными резьбовыми;
— бурильные стальные тяжелой серии (ТБСТ) диаметром 55; 70; 85; 102 мм с приваренными замками, диаметры которых максимально приближены к диаметрам соответствующих труб;
— бурильные легкосплавные тяжелой серии (ТБЛТ) тех же диаметров, что и трубы ТБСТ, унифицированы с замковыми резьбами труб ТБСТ.
К третьей группе относят трубы:
— бурильные двойные с наружной стальной трубой (ТБДС) диаметром 48; 57; 73; 89; 108; 114; 127 мм с присоединенными на цилиндрической резьбе замками, диаметры которых максимально приближены к диаметрам соответствующих труб, частично (на трубах диаметром 48; 57; 73) унифицированы с замковыми резьбами труб ТБСТ и ТБЛТ;
— бурильные двойные с наружной легкосплавной трубой (ТБДЛ) диаметром 73; 89; 108; 127 мм, унифицированы с резьбами труб ТБДС тех же диаметров.
Трубы типа ТБСЛ разработаны ВИТРом, остальные семь типов — СКБ «Геотехника».