2.6. Бурильная колонна

Бурильная колонна состоит из ведущей трубы, бурильных труб, бурильных замков, переводников, утяжеленных буриль­ных труб, центраторов бурильной колонны.

Предназначена она для следующих целей:

1) передачи вращения от ротора к долоту при роторном бурении;

2) подвода промывочной жидкости к турбобуру при тур­бинном бурении;

3) монтажа отдельных секций токопровода 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 бурении с забойными двигателями различны. При ро­торном способе бурильная колонна, передающая вращатель­ное движение от ротора к долоту и осевую нагрузку на долото, испытывает ряд нагрузок.

Если бурильная колонна не касается забоя скважины и не вращается, то она подвержена только растягивающим усили­ям, которые достигают максимума у устья скважины. 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 и сжимающие, и растягивающие усилия, а следова­тельно, и напряжения от 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 [30].

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 незначительное значение и в практических расчетах им можно пренебречь.

Рассмотрим подробнее элементы бурильной колонны. Ве­дущая труба имеет в большинстве случаев квадратное сече­ние. Вращающий момент от ротора передается ведущей тру­бе через вкладыши, вставляемые в ротор. Для каждого разме­ра трубы применяют соответствующие вкладыши, позволяю­щие ей свободно перемещаться вдоль оси скважины.

Серийно выпускаемые трубы имеют сборную конструк­цию, состоящую из собственно трубы, верхнего переводника для соединения с вертлюгом и нижнего переводника для соединения с бурильными трубами. Вертлюг обеспечивает вращение бурильной колонны, подвешенной на крюке в бу­ровой вышке, и подачу через нее промывочной жидкости. Вертлюг состоит из двух частей — системы вращающихся и неподвижных деталей. Неподвижная часть вертлюга подве­шивается к подъемному крюку, а к вращающейся части присоединяют бурильную колонну. Ведущие трубы выпуска­ются следующих размеров (со стороной квадрата): 112, 140 и 155 мм с диаметрами проходного канала соответственно: 74, 85 и 100 мм и длинами труб — 13, 14и 14 м. Ведущие трубы изготовляют из прочных сталей.

Бурильные трубы изготовляются следующих конструкций:

1) с высаженными внутрь концами;

2) с высаженными наружу концами;

3) с приваренными присоединительными концами;

4) с блокирующим (стабилизированным) пояском;

5) беззамковые раструбные трубы.

Конструкции бурильных труб приведены на рис. 2.8. На бурильных трубах с высаженными внутрь концами выполнена конусная мелкая трубная резьба. Высадка внутрь на кон­цах трубы уменьшает ее внутренний диаметр. Соединяют такие трубы при помощи замков (рис 2.9, а) или муфт (рис. 2.9, б). Трубы этой конструкции весьма распространены. Длина их 6,8 и 11,5 м при наружном диаметре 60, 73, 89 и 102 мм. Трубы диаметрами 114, 127, 140 и 168 мм выпуска­ются длиной 11,5 м.

Рис. 2.8. Бурильные трубы:

а — с высаженными внутрь концами; б — с высаженными наружу концами; 1 — труба; 2 — муфта

Рис. 2.9. Соединение бурильных труб с высаженными внутрь концами

Бурильные трубы с высаженными наружу концами имеют такую же резьбу, что и трубы с высаженными внутрь конца­ми. Высадка наружу обеспечивает одинаковый внутренний диаметр по всей длине трубы, что резко улучшает гидравли­ческую характеристику этих труб по сравнению с высажен­ными внутрь концами, так как значительно снижаются потери на преодолении сопротивлений при прохождении промы­вочной жидкости по бурильной колонне. Эти трубы соединя­ются также при помощи соединительных муфт или буриль­ных замков. Длина этих труб такая же, как и труб с выса­женными внутрь концами. Заводы выпускают трубы диамет­ром 60, 73, 89, 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: токопровода и прохожде­ние промывочной жидкости. Однако опыт показал целесообраз­ность применения этих труб при турбинном способе бурения.

Бурильные трубы с приваренными соединительными кон­цами имеют равнопроходной канал по всей длине труб. Для их присоединения используется крупная замковая резьба.

В бурильных трубах с блокирующим (стабилизирующим) пояском за счет удлинения у замковых деталей цилиндричес­кой выточки и за счет обточки гладкого пояска на трубе вблизи резьбы достигается плотное сопряжение навинчивае­мого в горячем состоянии замка с трубой.

Так как на практике наиболее распространена вышка вы­сотой 41м, позволяющая использовать свечи длиной около 25 м, то бурильные трубы изготовляют длиной 6, 8 и 11,5 м. Поэтому свеча может быть собрана из четырех труб длиной б м каждая, трех труб длиной 8 м каждая или из двух труб длиной 11,5 м. При сборке свечи из четырех бурильных труб длиной 6 м две пары труб соединяются при помощи муфт, а так называемые двухтрубки — с использованием буриль­ных замков. При сборке свечи из трех бурильных труб длиной 8 м применяют две соединительные муфты 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 предназначены два типа замков:

1) ЗШ — с диаметром проходного сечения, близким к диаметру проходного сечения высаженных 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 используются при роторном способе бурения и совсем не применяются в тур­бинном бурении.

Для соединения бурильных труб с высаженными наружу концами разработаны бурильные замки с увеличенным про­ходным сечением (типа ЗУ), обеспечивающие нормальные условия проходки скважины при турбинном бурении и буре­нии с электробуром.

Ниппель и муфта бурильного замка соединены при помо­щи конической крупной замковой резьбы, а эти детали с бурильными трубами — мелкой трубной резьбой. 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 проведение спускоподъемных операций, 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.

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

Изготовляют УБТ двух типов: гладкие по всей длине (рис. 2.10, а) и с конусной проточкой (рис. 2.10, б) для лучшего захвата их клиньями во время спуска и подъема бурильной колонны. Комплект утяжеленных бурильных труб имеет одну наддолотную трубу 2 с выполненной на обоих концах внут­ренней замковой резьбой и несколько промежуточных труб 1, снабженных на верхнем конце внутренней, а на нижнем — наружной замковой резьбой.

Легкосплавные бурильные трубы. С увеличением глубины скважин стали изыскивать пути уменьшения массы буриль­ной колонны. Стальные бурильные трубы стали заменять бурильными трубами из алюминиевых сплавов. Выпускаются легкосплавные бурильные трубы с высаженными внутрь кон­цами диаметрами 73, 93, 114 и 147 мм. На концах этих труб нарезается стандартная трубная резьба. Свинчиваются они при помощи стальных бурильных замков особой конструк­ции. Применение легкосплавных бурильных труб позволило уменьшить массу колонны примерно в 2 раза.