2.2. Типы компоновок бурильной колонны для твердосплавного бурения

Для твердосплавного бурения применяют следующие компоновки бурильных колонн:

-из стальных бурильных труб с муфтово-замковыми со­единениями (СБТМ);(см.рис.1.1,б)

-из стальных бурильных труб с ниппельно-замковыми соединениями (СБТН);(см.рис.1.1,а)

-из легкосплавных бурильных труб с муфтово-замковыми соединениями (ЛБТМ);(см. рис.1.3)

-из утяжеленных бурильных труб (УБТ)(см.рис.1.4))

Бурильные колонны из стальных бурильных труб с муфто­во-замковыми соединениями (рис. 1.1) до сего дня занимают до­минирующее положение в твердосплавном бурении вследствие ряда достоинств этих соединений. Их применяют при бурении скважин большого диаметра (76 мм и более) и значительной глу­бины.

Трубы бесшовные с высаженными внутрь концами с на­ружной конусной треугольной резьбой изготавливают из стали марки 36Г2С. Для упрочнения труб производят их термическую обработку и закалку токами высокой частоты (ТВЧ). Стальные бурильные трубы с муфтово-замковыми соединениями выпуска­ют диаметром 42, 50, 63,5 мм, длиной 1,5; 3,0; 4,5 и 6 м (послед­няя длина - для бурильных труб диаметром 63,5 мм).

Муфты предназначены для соединения бурильных труб в свечи и представляют собой патрубки, имеющие с обоих концов внутреннюю мелкую коническую резьбу. Их изготавливают из стали марки 36Г2С. Размеры муфт: диаметры - 57, 65, 83 мм, длина- 130, 140, 150 мм.

З амки служат для соединения бурильных свечей в колонну и состоят из двух частей:

а) ниппелей, имеющих, с одной стороны, внутреннюю мелкую коническую резьбу для соединения с бурильными трубами, с другой, - наружную крупную резьбу

б) муфт, имеющих с одной стороны внутреннюю мелкую резьбу для соединения с бурильными трубами, другой - внутреннюю крупную коническую резьбу для соединения с ниппелям замков.

Муфты замков имеют пазы для установки колонны на подкладную вилку и пазы для установки наголовников (ил захвата ручным элеватором). Ниппели замков имеют пазы для установки отборной (ведущей) вилки труборазворота. В последних конструкциях замков для снижения напряжения в процессе бурения последнем витке (у основания)

резьбы ниппеля вместо сбега резьбы сделай кольцевая проточка.

Замки изготавливают из стали марки 40ХН. Наружные поверхности муфт ниппелей замков (за исключением концевых частей) подвергают индукционно термообработке на глубину 1,5-2,5 мм. Замковую (крупную конусную) резьбу подвергают термообработке на глубину 3,5-5 мм. Наружный диаметр замков равен диаметру муфт.

К достоинствам муфтово-замковых соединений можно отнести:

1) более высокую прочность по сравнению с ниппельными соединениями;

2) благодаря конусности резьбы замков достигается высокая герметичность высокая скорость свинчивания и развенчивания свечей;

3) вследствие большого диаметра соединений, по сравнению с диаметром бурильных труб, снижается износ и достигает центрирование бурильной колонны в скважине большего диаметра;

4) соединения имеют значительно большие внутренние диаметры, чем у ниппелей, что заметно снижает гидравлические сопротивления при циркуляции жидкости.

Из недостатков, муфтово-замковых соединений следует отметить:

1. Увеличенный зазор между бурильными трубами и стен­ками скважин приводит при больших нагрузках к изгибу труб.

2. Снижается площадь контакта бурильной колонны со стенками скважин и повышается сила распора в местах соедине­ний, что приводит к вибрации снаряда.

В настоящее время с целью повышения производительно­сти бурения переходят на бурение скважин малого диаметра (ме­нее 76 мм), что позволяет использовать более высокие скорости вращения снаряда. Для того, чтобы сохранить максимальный диаметр (а, следовательно, прочность) бурильных труб при буре­нии скважин малого диаметра пришлось отказаться от муфтово-замковых соединений, имеющих большой диаметр, и перейти на ниппельно-замковые соединения, близкие по диаметру к буриль­ным трубам. Помимо сохранения прочности, такая гладкостволь­ная колонна, благодаря уменьшению зазора между бурильной колонной и стенками скважины, позволяет снизить изгибающие деформации труб, их трение о стенки скважин и вибрацию. Все это повысило ресурс бурильных труб, а снижение вибраций, кро­ме того, снизило количество самозаклинок керна, повысило его выход.

Бурильную колонну с ниппельными соединениями (СБТН) при твердо-сплавном бурении применяют для скважин малого диаметра глубиной да 1500 - 2000 м. Она состоит из стальных бурильных труб, ниппелей типа В и ниппельных замков.

Бурильные трубы типа СБТН изготавливают из тех же ста­лей, что и СБТМ,и выпускают диаметром 33,5; 42 и 50 (54); 63.5 (68) мм; длиной 1500, 3000, 4500 мм (трубы диаметром 33,5 мм, длиной 4500 мм не выпускают). На концах трубы имеют внутреннюю ленточную (или мелкую коническую) резьбу.

Ниппели типа В представляют собой патрубки, на концах которых нарезана крупная ленточная (трапецеидальная) резьба (или мелкая треугольная конусная резьба). Применяют ниппели типа В для соединения бурильных труб в свечи, их изготавливают из стали марки 40Х. Для упрочения ниппелей производят.

Рис.1.2 1-труба, 2-муфта

Н иппельные замки служат для соединения термообработку бурильных свечей в колонну и состоят из ниппелей типа А и полуниппелей тип Б. Ниппель типа А аналогичен по конструкции ниппелю типа В полуниппель типа Б имеет, с одной стороны, внутреннюю, с другой стороны наружную резьбу для соединения с бурильной тру бой и с ниппелем типа А. Ниппели и полуниппели имеют пазы для подкладной, отбойной вилок и установки наголовников. Дл, большей жесткости соединения, предупреждения заедания резь бы при свинчивании ниппели новых конструкций замков имеют хвостовики, а полуниппели, соответственно, расточку. Для снижения напряжений в замковой резьбе у ее основания делают разгрузочную канавку. Замковая резьба ниппельного замка диаметром 63,5 мм - коническая, треугольная.

Ниппельные соединения менее герметичны по сравнению с муфтово-замковыми,требуют большего времени на их свинчивание и отвинчивание, но имеют диаметр, близкий диаметру бурильных труб: 34; 42,5; 54,5 и 63,5 мм, что увеличивает площадь контакта бурильной колонны со стенками скважины (а, следовательно, снижает их вибрацию), позволяет использовать бурильные трубы для бурения скважин малых диаметров и обеспечивать малые зазоры между бу рильными трубами и стенками скважины. Для центрирования и предохранения бурильной колонны от износа применяют стабилизаторы, армированные твердым сплавами, и центрирующие ниппели Для скважин большого диаметра – протекторы и фонари.

Однако высокоскоростное бурение скважин малого диаметра трубами с ниппельными соединениями старого стандарт диаметром 50 и 63,5 мм не позволило полностью устранить изгиб и вибрацию снаряда из-за значительного зазора между стенкам скважин и трубами, которые, соответственно, были равны 59 – 50 = 9 мм и 76 – 63,5= 12,5 мм.

Кроме того, ниппельные соединения с цилиндрической резьбой оказались неудобными при свинчивании и развинчивании замков, так как при спуске снаряда, вследствие ударов, соединения деформируются, наблюдаются заедания в резьбе и вы­ход их из строя.

В се это заставило геологоразведочные организации конст­руировать собственные соединения бурильных колонн. Появи­лись такие соединения, как НЗСУ57, 50/3-42, КВС и др. Суть их сводится к тому, что вместо нип­пельных замков для бурильных труб старого сортамента использовались замки с конус­ной резьбой, на размер меньшие замков муфтово-замковых соединений, предназна­ченных для этих труб. Так, для бурильных труб ниппельного соединения диаметром 50 мм стали применять замки от бурильных труб диаметром 42 мм (т.е. замки диаметром 57 мм). Этим самым удалось увеличить цен­трирование колонны (зазор между стен­ками скважины и замком составил всего 59 - 57 = 2 мм) и, благодаря конусному со­единению, увеличить скорость свинчивания и развинчивания. Повышение центрирования колонны позволило повысить и скорость вращения и, в конечном счете, производи­тельность бурения.Однако и в этом случае полностью устранить вибрацию снаряда не удалось вследствие разности диаметров труб и соединения.

Кроме того, ухудшилось качество резьбы, уменьшился диаметр проходного отверстия, что делает невозможным спуск через трубы приборов и ориентаторов.

В результате многолетних испытаний ВИТР разработал новую конструкцию бурильных колонн типа СБТН. Вместо труб диаметром 50 и 63,5 мм используют трубы ниппельного соединения диаметром 54 и 68 мм, что снижает зазор, соответственно, до 5 и 8 мм. Для твердосплавного бурения скважин малого диаметра рекоменду­ются трубы диаметром 33,5; 42, 54, 68 мм. Конструкции нип­пельных замков для бурильных труб диаметром 54 мм и менее, несколько изменены. Для центрирования элементов замка, предупреждения заедания резьбы при свинчивании ниппель замка имеет направляющий хвостовик, а полуниппель, соответственно - расточку под хвостовик. Для снижения напряжения в конечном, витке рабочей резьбы наружная резьба заканчивается не сбегом, а разгрузочной канавкой. Рабочая резьба ниппельного замка диаметром 68 мм - коническая (рис. 1.2). Материал труб ниппельного соединения - сталь 36Г2С, соединений - 40ХН. Бурильные колонны из легкосплавных труб (ЛБТМ-54, рис. 1.3) при твердосплавном бурении применяются очень редко на глубинах от 800 до 2000 м скважин большого диаметра (76-93 мм). Материал труб - алюминиевый сплав Д16Т, замков - стал 40ХН, муфт - сталь марки 36Г2С. Толщин стенок - 7,5 мм. По конструктивному исполнению бурильная колонна ЛБТМ-54 аналогична бурильной колонне ЛБТМ-50. Есть и отличия: 1) наружная резьба на трубах имеет цилиндрический стабилизирующий поясок со стороны большого основания конуса резьбы, а внутренняя резьба на муфтах и замках, соответственно, - расточку (это снижает изгиб в резьбовой части; 2) на концевых участках бурильных труб и соединений имеются прорези для установки ключей труборазворота при сборке или разборке бурильной колонны.

Компоновки нижней части бурильной колонны из утяжеленных бурильных труб (УБТ, рис. 1.4) предназначены для создания осевой нагрузки, уменьшения искривления скважин, увеличения жесткости и снижения износа в сжатой части бурильной колонны. С помощью УБТ колонна бурильных труб поддерживается в растянутом состоянии, что снижает их трение износ и расход энергии на вращение снаряда.

Для твердосплавного бурения вертикальных скважин при­меняют следующие компоновки УБТ:

1. УБТ-Р-73 - с ниппельно-замковыми соединениями типа СБТМ. Но в отличие от последних, трубы в свечи соединяются не муфтами, а ниппелями с конусной резьбой. Все соединения имеют диаметр, равный диаметру труб. Материал труРб - сталь 32Г2С, соединений - 40ХН.

2. УБТ-РПУ-89 - с приварными замками. Соединение в све­чи и свечей в колонну осуществляется с помощью замков. Диа­метры соединений одинаковы с диаметром бурильных труб. Ма­териал труб и соединений тот же, что и у УБТ-Р-73.

Рис.1.4 Утяжеленные бурильные трубы: а-УБТР-73; 1-ниппель, 2-полуниппель, 3-труба, 4-трубный ниппель: б-УБТ-РПУ: 1-ниппель, 2-труба, 3-муфта.