Бурильная колонна

Лекция №3 БУРИЛЬНАЯ КОЛОННА Бурильная колонна (далее БК) соединяет долото (или забойный двигатель и долото) с наземным оборудованием (вертлюгом). БК предназначена для следующих целей: - передачи вращения от ротора к долоту; - восприятия реактивного момента забойного двигателя; - подвода бурового раствора к ПРИ и забою скважины; - создания нагрузки на долото; - подъема и спуска долота; -проведения вспомогательных работ (проработка, расширение и промывка скважины, испытание пластов, ловильные работы и т.д.). БК состоит (Рис. 6) из свинченных друг с другом ведущей трубы 4, бурильных труб 8 и утяжеленных бурильных труб (УБТ) 12 и 13. Верхняя часть БК, представленная ведущейдущей трубой 4, присоединяется к вертлюгу 1 с помощью верхнего переводника ведущей трубы 3 и переводника вертлюга 2. Ведущая труба присоединяется к первой бурильной трубе 8 с помощью нижнего переводника ведущей трубы 5, предохранительного переводника 6 и муфты бурильного замка 7. Бурильные трубы 8 свинчиваются друг с другом бурильными замками, состоящими из муфты 7 бурильного замка и его ниппеля 9 или соединительными муфтами 10. УБТ 12 и 13 свинчиваются друг с другом непосредственно. Верхняя УБТ присоединяется к бурильной трубе с помощью переводника 11, а нижняя привинчивается через переводник 14 к долоту (при роторном бурении) или к забойному двигателю с долотом. Кроме названных выше элементов в компоновку БК могут включаться калибраторы, центраторы, стабилизаторы, расширители, промежуточные опоры для УБТ, обратные клапаны, фильтры, шламометаллоуловители, амортизаторы, протекторные кольца, средства наклонно-направленного бурения, керноприемные устройства и другое специальное оборудование. ВЕДУЩИЕ БУРИЛЬНЫЕ ТРУБЫ Для передачи вращения БК от ротора или реактивного момента от забойного двигателя к ротору при одновременном осевом перемещении БК и передаче бурового раствора от вертлюга в БК служат ведущие бурильные трубы (ВБТ). При бурении нефтяных и газовых скважин применяют ВБТ сборной конструкции, состоящие из квадратной толстостенной штанги 2 с просверленным каналом, верхнего штангового переводника (ПШВ) 1 с левосторонней резьбой и нижнего штангового переводника (ПШН) 3 с правосторонней резьбой. Для защиты от износа замковой резьбы ПШН, подвергающейся многократным свинчиваниям и развинчиваниям при наращивании БК и спуско-подъемных работах, на ПШН дополнительно навинчивают предохранительный переводник. По ТУ 14-3-126-73 предусматривается выпуск ВБТ с размерами сторон квадратной штанги 112х112, 140х140, 155х155. Размер присоединительной резьбы, соответственно, З- 117 (З-121; З-133); З-140(З-147); З-152(З-171). Квадратные штанги для ВБТ изготавливают длиной до 16,5 м из стали групп прочности Д и К (предел текучести 373 и 490 МПа), а переводники ПШН и ПШВ – из стали марки 40ХН (с пределом текучести 735 МПа). СТАЛЬНЫЕ БУРИЛЬНЫЕ ТРУБЫ В настоящее время в нефтегазовой промышленности широко используются следующие типы бурильных труб: -стальные бурильные трубы с приваренными замками (ТБП); -легкосплавные бурильные трубы сборной конструкции (ЛБТ). Бурильная труба состоит из трубной заготовки и присоединительных концов (замковой муфты и замкового ниппеля). Последние соединяются с трубной заготовкой либо посредством трубной резьбы (профиль по ГОСТ 631-75) и представляют собой бурильную трубу сборной конструкции, либо посредством сварки. Для свинчивания в свечи на присоединительных концах нарезается замковая резьба по ГОСТ 5286-75 (на ниппеле наружная, на муфте –внутренняя). Для увеличения прочности соединений концы трубных заготовок «высаживают», т.е. увеличивают толщину стенки. Стальные бурильные трубы с приваренными замками предназначены преимущественно для роторного способа бурения,но также используются и при бурении с забойными гидравлическими двигателями. ТБП выпускают в соответствие с ГОСТ Р 50278-92 трех разновидностей: -ПВ – с внутренней высадкой"; -ПК – с комбинированной высадкой; -ПН - с наружной высадкой. Изготовляют трубные заготовки из стали групп прочности Д, Е, Л, М, Р с пределом текучести, соответственно: 373, 530, 637, 735, 882 МПа длиной 12 м. Присоединительные концы – бурильные замки изготовляют по ГОСТ 27834-95 из стали 40 ХН (предел текучести 735 МПа) для труб из стали групп прочности Д, Е. Для труб из стали групп прочности Л, М, Р замки изготовляются из стали 40ХМФА (предел текучести 980 МПа). Основные параметры ТБП, наиболее распространенные в Западной Сибири: - условные диаметры труб 114, 127, 140 мм («условный» – означает округленный до целого значения); - условная толщина стенки 9; 11, 13 мм - типоразмеры замков ЗП-159, ЗП-162, ЗП-178 (где 159, 162, 178 – наружный диаметр бурильного замка), соответственно для труб с условным диаметром 114, 127, 140; - присоединительная резьба, соответственно, З-122; З-133; З-147; - средневзвешенная масса одного погонного метра таких труб приблизительно равна 32 кг. Условное обозначение трубы бурильной с комбинированной высадкой и приваренными замками условным диаметром 127 мм и условной толщиной стенки 9 мм из стали группы прочности Д: ПК-127Х9 Д ГОСТ Р 50278-92 ЛЕГКОСПЛАВНЫЕ БУРИЛЬНЫЕ ТРУБЫ Легкосплавные бурильные трубы (ЛБТ) по ГОСТ 23786-79 применяют при бурении с использованием забойных гидравлических двигателей. Низкая плотность материала –2,78 г/см куб. (у стали 7,85 г/см куб) позволяет значительно облегчить бурильную колонну без потери необходимой прочности. Для изготовления трубных заготовок ЛБТ используется дюраль Д16 (сплав из системы «Алюминий-Медь-Магний»), для повышения износостойкости упрочняемая термообработкой и получившая шифр Д16Т. Предел текучести Д16Т составляет 330 Мпа. Бурильные замки для ЛБТ изготовляют согласно ТУ 39-0147016-46-93 из стали марки 40ХН (предел текучести 735 МПа) облегченной конструкции - ЗЛ Основные параметры ЛБТ, наиболее распространенные в Западной Сибири: - условные диаметры труб 114, 129, 147 мм ; - условная толщина стенки 9; 11, 13, 15, 17 мм; - типоразмеры замков ЗЛ-140, ЗЛ-152, ЗЛ-172, (где 140, 152, 172, – наружный диаметр бурильного замка), соответственно для труб с условным диаметром 114, 129, 147; - присоединительная резьба, соответственно, З-121; З-133; З-147; -средневзвешенная масса одного погонного метра таких труб приблизительно равна 16 кг. Условное обозначение трубы бурильной из сплава Д16Т условным диаметром 147 мм и условной толщиной стенки 11 мм: Д16Т-147Х11 ГОСТ 23786-79 Кроме пониженной массы у ЛБТ есть еще ряд достоинств. Во-первых, наличие гладкой внутренней поверхности, что снижает гидравлические сопротивления примерно на 20% по сравнению со стальными бурильными трубами одинакового сечения. Чистота внутренней поверхности ЛБТ достигается прессованием при изготовлении. Во-вторых, диамагнитность, что позволяет зенитный угол и азимут скважины замерять инклинометрами, спускаемыми в бурильную колонну. Однако ЛБТ имеют и ряд недостатков: нельзя эксплуатировать БК при температурах выше 150 градусов Цельсия, так как прочностные свойства Д16Т начинают снижаться. Недопустимо их эксплуатировать также в агрессивной (кислотной или щелочной среде). УТЯЖЕЛЕННЫЕ БУРИЛЬНЫЕ ТРУБЫ Для увеличения веса и жесткости БК в ее нижней части устанавливают УБТ, позволяющие при относительно небольшой длине создавать частью их веса необходимую нагрузку на долото. В настоящее время наиболее широко используются следующие типы УБТ: - горячекатанные (УБТ), изготавливаемые поТУ 14-3-385-79; - сбалансированные (УБТС), изготавливаемые по ТУ 51-744-77. УБТ этих типов имеют аналогичную беззамковую (отсутствуют отдельные присоединительные концы) толстостенную конструкцию и поставляются в комплекте. Комплект УБТ имеет одну наддолотную трубу с двумя муфтовыми концами, а остальные – промежуточные (верхний конец муфтовая резьба, нижний –ниппельная). Горячекатанные УБТ выполняются гладкими по всей длине. На верхнем конце УБТС выполняется конусная проточка для лучшего захвата клиньями при спуско-подьемных работах. Горячекатанные УБТ используются преимущественно при бурении с забойными гидравлическими двигателями. Их изготовляют из сталей группы прочности Д и К (предел текучести 373 и 490 МПа) методом прокатки, что обуславливает их недостаточную прочность, особенно в резьбовых соединениях. Кроме того, они имеют значительные допуски на кривизну, разностенность и овальность. При вращении УБТ это приводит к биению БК и значительным усталостным перегрузкам. Основные параметры УБТ, наиболее распространенные в Западной Сибири: - номинальные наружные диаметры труб 146, 178, 203 мм ; -номинальный диаметр промывочного канала 74; 90, 100 мм; - длина труб, соответственно, 8,0; 12,0; 12,0 м; - присоединительная резьба, соответственно, З-121; З-147; З-171; - масса одного погонного метра таких труб равна, соответственно, 97,6; 145,4; 193 кг. Условное обозначение УБТ наружным диаметром 178 мм и диаметром промывочного канала 90 мм из стали группы прочности Д: УБТ 178х90 Д ТУ 14-3-385-79 Сбалансированные УБТ используют преимущественно при роторном способе бурения. УБТС изготовляют из сталей марки 38ХН3МФА (предел текучести 735 МПа) и 40ХН2МА (предел текучести 637 МПа). Канал у таких труб просверлен,что обеспечивает его прямолинейность, а наружная поверхность подвергнута механической обработке, что обеспечивает равную толщину стенки и круглое сечение. Обкатка резьбы роликами и ее фосфатирование, термическая обработка концевой (0,8-1,2 м) поверхности труб значительно повышают их прочностные показатели. Основные параметры УБТС, наиболее распространенные в Западной Сибири: - номинальные наружные диаметры труб 178, 203, 229 мм ; - номинальный диаметр промывочного канала 80; 80, 90 мм; - длина труб 6,5 м; - присоединительная резьба, соответственно, З-147; З-161; З-171; - масса одного погонного метра таких труб равна, соответственно, 156; 214,6; 273,4 кг. Условное обозначение УБТС наружным диаметром 178 мм с присоединительной замковой резьбой З-147: УБТС2 178/ З-147 ТУ 51-774-77 ПЕРЕВОДНИКИ Переводники предназначены для соединения элементов БК с резьбами различных типов и размеров. Переводники согласно ГОСТ 7360-82 разделяются на три типа.: 1. Переводники переходные (ПП), предназначенные для перехода от резьбы одного размера к резьбе другого. ПП имеющие замковую резьбу одного размера называются предохранительными. Переводники муфтовые (ПМ) для соединения элементов БК, расположенных друг к другу ниппелями. Переводники ниппельные (ПН) для соединения элементов БК, расположенных друг к другу муфтами. Переводники каждого типа изготовляют с замковой резьбой как правого, так и левого направления нарезки. Резьба должна соответствовать ГОСТ 5286-75 для бурильных замков. ГОСТ 7360-82 предусматривает изготовление 90 типоразмеров переводников, которые охватывают практически все необходимые случаи их применения. Пример условного обозначения переводника типа ПП с резьбами муфтовой З-147, ниппельной З-171: П- 147/171 ГОСТ 7360-82 То же, но с левой резьбой: П- 147/171 –Л ГОСТ 7360-82 Переводники изготовляются из стали марки 40ХН (предел текучести 735 МПа). СПЕЦИАЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ Калибраторы служат для выравнивания стенок скважины и устанавливаются непосредственно над долотом.Используются как лопастные калибраторы с прямыми (К), спиральными (КС) и наклонными лопастями (СТ), так и шарошечные. Диаметры калибратора и долота должны быть равны. Материал вооружения – твердый сплав (К, КС), алмазы (СТ), «Славутич» (КС). Центраторы предназначены для обеспечения совмещения оси БК с осью скважины в местах их установки. Стабилизаторы, имеющие длину в несколько раз большую по сравнению с длиной центраторов, созданы для стабилизации зенитного угла скважины. Фильтр служит для очистки бурового раствора от примесей, попавших в циркуляционную систему. Устанавливается фильтр между ведущей и бурильными трубами. Основной элемент фильтра – перфорированный патрубок, в котором задерживаются примеси и при очередном подъеме БК удаляются. Применение фильтра особенно необходимо при бурении с забойными гидравлическими двигателями. Обратный клапан устанавливают в верхней части бурильной колонны для предотвращения выброса пластового флюида через полость БК. Кольца-протекторы устанавливают на БК для защиты от износа кондуктора, технической колоны, бурильных труб и их соединительных элементов в процессе бурения и спуско-подъемных операций. УСЛОВИЯ РАБОТЫ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ Условия работы БК при роторном способе бурения и при бурении с забойными двигателями различны. При роторном бурении БК, передающая вращение от ротора к долоту и нагрузку на долото, испытывает действие ряда сил. Верхняя часть БК под действием сил собственного веса и перепада давления в промывочных отверстиях долота находится в растянутом, а нижняя, воспринимающая реакцию забоя- в сжатом состоянии. Следовательно, в БК имеется сечение, в котором отсутствуют осевые растягивающие и сжимающие силы. Выше этого сечения действуют напряжения растяжения, возрастающие к вертлюгу, а ниже него – напряжения сжатия, увеличивающиеся к долоту. Передаваемый БК вращающий момент приводит к возникновению в ней напряжений кручения, а вращение колонны с определенной частотой порождает центробежные силы и, следовательно, изгибающие напряжения. Первые уменьшаются от вертлюга к долоту, а вторые имеют максимальное значение в нижней части БК. Одновременное действие на БК перечисленных выше сил осложняет условия ее работы при роторном способе бурения. При бурении с забойными двигателями БК не вращается и испытывает в основном в растянутой и сжатой частях колонны соответственно напряжения растяжения и сжатия. Изгибающие нгрузки, возникающие при потере сжатой частью прямолинейной формы невелики. Незначителен и реактивный момент забойного двигателя, и поэтому касательные напряжения. действующие на БК в направлении к вертлюгу, не достигают опасных значений. Аварии при роторном бурении происходят, в основном, из-за поломок БК по причине усталостного износа резьб, сварочного шва, материала трубной части и присоединительных элементов. Аварии при бурении с забойными двигателями происходят, в основном, из-за прихватов, неподвижно лежащей на стенке скважины БК, и размыва резьбовых соединений и стенок труб. ЗАБОЙНЫЕ ДВИГАТЕЛИ При бурении нефтяных и газовых скважин применяют гидравлические и электрические забойные двигатели, преобразующие соответственно гидравлическую энергию бурового раствора и электрическую энергию в механическую на выходном валу двигателя. Гидравлические забойные двигатели выпускают гидродинамического и гидростатического типов. Первые из них называют турбобурами, а вторые – винтовыми забойными двигателями. Электрические забойные двигатели получили наименование электробуров. ТУРБОБУРЫ Турбобур представляет собой многоступенчатую гидравлическую турбину, к валу которой непосредственно или через редуктор присоединяется долото. Каждая ступень турбины состоит из диска статора и диска ротора. В статоре, жестко соединенном с корпусом турбобура, поток бурового раствора меняет свое направление и поступает в ротор, где отдает часть своей гидравлической мощности на вращение лопаток ротора относительно оси турбины. При этом на лопатках статора создается реактивный вращающий момент, равный по величине и противоположный по направлению вращающему моменту ротора. Перетекая из ступени в ступень буровой раствор отдает часть своей гидравлической мощности каждой ступени. В результате вращающие моменты всех ступеней суммируются на валу турбобура и передаются долоту. Создаваемый при этом в статорах реактивный момент воспринимается корпусом турбобура и БК. Работа турбины характеризуется частотой вращения вала n, вращающим моментом на валу М, мощностью , перепадом давления Р и коэфициентом полезного действия . Как показали стендовые испытания турбины, зависимость момента от частоты вращения ротора почти прямолинейная. Следовательно, чем больше n, тем меньше М, и наоборот. В этой связи различают два режима работы турбины: тормозной, когда n = 0, а М достигает максимального значения, и холостой, когда n достигает максимального, а М=0. В первом случае необходимо к валу турбины приложить такую нагрузку, чтобы его вращение прекратилось, а во втором – совершенно снять нагрузку. Максимальное значение мощности достигается при частоте вращения турбины n = n0. Режим, при котором мощность турбины достигает максимального значения называется экстремальным. Все технические характеристики турбобуров даются для значений экстремального режима. В этом режиме работа турбобура наиболее устойчива, так как небольшое изменение нагрузки на вал турбины не приводит к сильному изменению n и, следовательно, к возникновению вибраций, нарушающих работу турбобура. Режим, при котором коэфициент полезного действия  турбины достигает максимального значения называется оптимальным. При работе на оптимальном режиме, т.е. при одной определенной частоте вращения ротора турбины для данного расхода бурового раствора Q, потери напора на преодоление гидравлических сопротивлений в турбине Р минимальны. При выборе профиля лопаток турбины стремятся найти такое конструктивное решение, чтобы при работе турбины кривые максимальных значений  и  располагались близко друг к другу. Линия давления Р таких турбин располагается почти симметрично относительно вертикали, на которой лежит максимум мощности. Таким образом, при постоянном расходе бурового раствора Q параметры характеристики турбины определяются частотой вращения ее ротора n, зависящей от нагрузки на вал турбины (на долото). При изменении расхода бурового раствора Q параметры характеристики турбины изменяются совершенно по-другому. Пусть при расходе бурового раствора Q1 и соответствующей этому значению частоте вращения ротора турбины n1 при оптимальном режиме турбина создает мощность 1 и вращающий момент М1, а перепад давления в турбине составляет Р1. Если расход бурового раствора увеличить до Q2, параметры характеристики турбины изменятся следующим образом: n1 / n2 = Q1 / Q2 ; 1 / 2 = (Q1 / Q2)3 М1 / М2 = (Q1 / Q2)2 Р1 / Р2 = (Q1 / Q2)2 Видно, что эффективность турбины значительно зависит от расхода бурового раствора Q. Однако увеличение расхода Q ограничивается допустимым давлением в скважине. Параметры характеристики турбины изменяются также пропорционально изменению плотности бурового раствора . 1 / 2 = М1 / М2 = Р1 / Р2 = 1 / 2 Частота вращения ротора турбины n от изменения плотности  не зависит. Параметры характеристики турбины изменяются также пропорционально изменению числа ступеней. ГОСТ 26673-90 предусматривает изготовление бесшпиндельных (ТБ) и шпиндельных (ТШ) турбобуров. Турбобуры ТБ применяются при бурении вертикальных и наклонных скважин малой и средней глубины без гидромониторных долот. Применение гидромониторных долот невозможно по тем причинам, что через нижнюю радиальную опору (ниппель) даже при незначительном перепаде давления протекает 10 – 25% бурового раствора. Значительное снижение потерь бурового раствора достигается в турбобурах, нижняя секция которых, названная шпинделем, укомплектована многорядной осевой опорой и радиальными опорами, а турбин не имеет. Присоединяется секция шпиндель к одной (при бурении неглубоких скважин), двум или трём последовательно соединённым турбинным секциям. Поток бурового раствора, пройдя турбинные секции, поступает в секцию – шпиндель, где основная его часть направляется во внутрь вала шпинделя и далее к долоту, а незначительная часть – к опорам шпинделя, смазывая трущиеся поверхности дисков пяты и подпятников, втулок средних опор и средних опор. Благодаря непроточной конструкции опор и наличию уплотнений вала, значительно уменьшены потери бурового раствора через зазор между валом шпинделя и ниппелем. Для бурения наклонно – направленных скважин разработаны шпиндельные турбобуры – отклонители типа ТО. Турбобур – отклонитель состоит из турбинной секции и укороченного шпинделя. Корпуса турбинной секции и шпинделя соединены кривым переводником. Для бурения с отбором керна предназначены колонковые турбобуры типа КТД, имеющие полый вал, к которому через переводник присоединяется бурильная головка. Внутри полого вала размещается съёмный керноприёмник. Верхняя часть керноприёмника снабжена головкой с буртом для захвата его ловителем, а нижняя – кернорвателем, вмонтированным в переводник. Для выхода бурового раствора, вытесняемого из керноприёмника по мере заполнения его керном, вблизи верхней части керноприёмника имеются радиально расположенные отверстия в его стенке, а несколько ниже их – клапанный узел. Последний предотвращает попадание выбуренной породы внутрь керноприёмника, когда он не заполняется керном, и в это время клапан закрыт. Керноприёмник подвешан на опоре, установленной между переводником к БК и распорной втулкой. Под действием гидравлического усилия, возникающего от перепада давления в турбобуре и долоте, и сил собственного веса, керноприёмник прижимается к опоре и во время работы турбобура не вращается. ВИНТОВОЙ ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Рабочим органом винтового забойного двигателя (ВЗД) является винтовая пара: статор и ротор. Статор представляет собой металлическую трубу, к внутренней поверхности которой при вулканизирована резиновая обкладка, имеющая 10 винтовых зубьев левого направления, обращённых к ротору. Ротор выполнен из высоколегированной стали с девятью винтовыми зубьями левого направления и расположен относительно оси статора эксцентрично Кинематическое отношение винтовой пары 9:10 и соответствующее профилирование её зубьев обеспечивает при движении бурового раствора планетарное обкатывание ротора по зубьям статора и сохранение при этом непрерывного контакта ротора и статора по всей длине. В связи с этим образуются полости высокого и низкого давления и осуществляется рабочий процесс двигателя. Вращающий момент от ротора передаётся с помощью двухшарнирного соединения на вал шпинделя, укомплектованного многорядной осевой шаровой опорой и радиальными резино – металлическими опорами. К валу шпинделя присоединяется долото. Уплотнение вала достигается с помощью торцевых сальников. ВЗД изготовляют согласно ТУ 39-1230-87. Типичная характеристика ВЗД при постоянном расходе бурового раствора следующая. По мере роста момента М перепад давления в двигателе Р увеличивается почти линейно, а частота вращения вала двигателя снижается вначале незначительно, а при торможении – резко. Зависимости изменения мощности двигателя и К.П.Д. от момента М имеют максимумы. Когда двигатель работает с максимальным, режим называют оптимальным, а с максимальной мощностью – экстремальным. Увеличение нагрузки на долото после достижения экстремального режима работы двигателя приводит к торможению вала двигателя и к резкому ухудшению его характеристики. Неэффективны и нагрузки на долото, при которых момент, развиваемый двигателем, меньше момента, обеспечивающего оптимальный режим его работы. Характер изменения от момента М при любом расходе бурового раствора остаётся примерно одинаковым. Значения при увеличении растут почти линейно, - несколько уменьшается, а возрастает по зависимости, близкой к квадратичной. Таблица 2 Технические характеристики гидравлических забойных двигателей Птр ТБ-172 ТБ-195 ТШ-195М1 ТШ-240 Д1-195 Расход рабочей жидкости, л/с 25-28 45-50 24-30 32-34 25-35 Перепад давления, Мпа 2,85-3,5 2,9-3,6 6,5-10 5,5-6,2 3,9-4,9 Частота вращения вала, об/с 10,5-11,7 9,7-10,8 9,3-11,7 7,4-7,8 1,33-1,83 Крутящий момент, Н*м 559-687 714-882 1961-1060 2648-2991 3138-3726 Присоединительная резьба долото/БК З-117/147 З-117/147 З-152/171 З-152/171 З-117/147 Диаметр, мм 172 195 195 240 195 Длина, мм 7940 8060 25870 23225 7700 Масса, кг 1057 1440 4745 5975 1350