Проектирование и расчет бурильной колонны

Проектирование бурильной колонны заключается в выборе оптимального варианта из множества допустимых. За оптимальную колонну принимается такая, для которой вес минимален, и максимально используются трубы низких групп прочности. Проектирование начинается с выбора компоновки низа бурильной колонны (КНБК), т.е. с определения диаметра и типа основной ступени УБТ, калибраторов, промежуточных опор, центраторов, стабилизаторов, если планируется их применение. Диаметр УБТ определяется в соответствии с рекомендациями табл. 8.1., а тип – со способом и условиями бурения.

Таблица 8.1. Соотношения диаметров долот и основной ступени УБТ, мм

Примечание: в скобках даны диаметры УБТ для осложненных условий бурения.

Далее проектируется колонна бурильных труб, т.е. определяется тип и диаметр труб, тип замковых соединений. Диаметр труб принимается согласно табл.8.2. Выбор типа труб производится на основании приоритетного перечня, в котором указана последовательность их рассмотрения при проектировании. Основной критерий приоритетного перечня – стоимость труб.

Таблица 8.2. Рекомендуемые соотношения диаметров обсадных и бурильных колонн, мм

В курсовом проекте должно быть приведено обоснование выбора типа труб, преимущество выбранных труб перед другими.

Приоритетный перечень типов бурильных труб выглядит следующим образом:

• трубы бурильные с высаженными внутрь концами (В). Эти трубы выпускаются по ГОСТ 631-75 с условным наружным диаметром 60,73, 89, 102, 114, 127, 140 и 168 мм;

• трубы бурильные с высаженными наружу концами (Н) (ГОСТ 631-75, условный наружный диаметр 102, 114, 140 мм);

• трубы бурильные с приваренными замками (ПВ, ПН, ПК). Они выпускаются по ГОСТ Р-50278-92; ПВ (высадка внутрь) имеют условный наружный диаметр 73, 89 и 102 мм; ПК (комбинированная высадка) выпускаются диаметром 114, 127 и 140 мм; ПН (высадка наружу) выпускаются диаметром 60, 73, 89, 102, 114 и 127 мм;

• трубы бурильные с высаженными внутрь концами и стабилизирующими поясками (ВК). Трубы ВК выпускаются по ГОСТ 631-75 с условным наружным диаметром 89, 102, 114, 127 и 140 мм;

• трубы бурильные с высаженными наружу концами и стабилизирующими поясками (НК);

• легкосплавные бурильные трубы (ЛБТ). Они выпускаются по ГОСТ 23786-79 диаметром 73, 90, 114, 129, 147 и 170 мм.

• импортные бурильные трубы.

В маркировке труб указывается их тип, наружный диаметр и толщина стенки. Для стальных труб указывается также группа прочности материала, например, ПК 127x9D.

Замки к трубам ПВ, ПК и ПН выпускаются по ГОСТ 27834-95 с указанием в маркировке наружного и внутреннего диаметров, например, 3П-162-89.

Замки к трубам В, Н, ВК, НК выпускаются по ГОСТ 5286-75 типов 3Н (с нормальным проходным отверстием), 3У (с увеличением проходным отверстием) и 3Ш (с широким проходным отверстием). В маркировку замков к трубам с коническими стабилизирующими поясками добавляется К, например, ЗУК. В маркировке указывается также наружный диаметр замка, например, 3Ш-146.

Замки для легкосплавных бурильных труб типа 3Л выпускаются по ТУ 39-0147016-46-93 с указанием в маркировке наружного диаметра замка, например, 3Л-172.

Практика эксплуатации бурильных труб В и Н выявила их существенные недостатки. Резьбовые соединения муфты и ниппеля бурильного замка с бурильной трубой приводят, особенно при роторном способе бурения, к аварийным поломкам труб по высаженной части вследствие усталостных явлений, развивающихся при знакопеременных изгибающих напряжениях.

Эти резьбовые соединения недостаточно герметичны, и при больших внутренних избыточных давлениях в колонне возможен размыв резьб. Кроме того, в замках отсутствуют упорные выступы, ограничивающие глубину ввинчивания труб в замковые детали, в результате чего она зависит от приложенного крутящего момента. При завышенных крутящих моментах возможно значительное «докрепление» соединений с большими радиальными деформациями.

Трубы ВК и НК не имеют отмеченных недостатков. Однако дополнительное упрочнение и герметизация резьбовых соединений путем снабжения их блокирующими и стабилизирующими поясками и внутренним упорным выступом усложняют конструкцию и увеличивают стоимость бурильной колонны.

Следует отметить, что в трубах В и ВК высадка внутрь приводит к уменьшению внутреннего диаметра, что значительно увеличивает гидравлические потери при циркуляции промывочной жидкости.

С учетом вышеприведенной краткой характеристики бурильных труб и условий работы бурильной колонны рекомендуется:

• для бурения неглубоких вертикальных скважин роторным способом использовать бурильные трубы типа В, Н, ВК, ПВ и ПК;

• для бурения глубоких скважин в осложненных условиях - трубы типа ВК, НК, ПВ, ПН и ПК;

• для бурения вертикальных скважин с использованием забойных двигателей - трубы типа Н, НК, ПВ и ПК;

• для бурения наклонно направленных скважин с использованием забойных двигателей - трубы типа НК, ПВ и ПК.

Легкосплавные бурильные трубы по своим механическим свойствам несколько уступают стальным бурильным трубам группы прочности Д, но обладают и рядом преимуществ. Предельные глубины спуска бурильных колонн, составленных из ЛБТ (АБТ), значительно превышают предельные глубины спуска стальных бурильных колонн. ЛБТ диамагнитны, что позволяет замерять зенитные и азимутальные углы скважины без подъема колонны. За счет меньшей шероховатости внутренней поверхности труб гидравлические сопротивления в ЛБТ примерно на 20% ниже по сравнению со стальными бурильными трубами аналогичного сечения.

Однако ЛБТ имеют и недостатки. Нельзя эксплуатировать бурильные колонны, включающие ЛБТ, при температурах выше 150°С, при наличии в скважине промывочной жидкости с рН>10, недопустима установка кислотных ванн.

Легкосплавные бурильные трубы рекомендуется применять при бурении скважин с использованием забойных двигателей.

После выбора типа бурильных труб в соответствии с табл.8.2 принимают наименьший из всех рекомендуемых наружный диаметр бурильных труб.

Для всех способов бурения рекомендуется устанавливать над УБТ секцию бурильных труб (диаметр которых был определен при расчете УБТ) длиной не менее 250‑300 м из труб возможно более низкой труппы прочности с максимальной толщиной стенки (для плавного перехода по жесткости от УБТ к колонне БТ). Причем для роторного способа бурения эти трубы должны обладать повышенным пределом выносливости (ВК, ПВ, ПК).

Сам расчет бурильной колонны производится в соответствии с действующей «Инструкцией по расчету бурильных колонн».

В разделе 8.1. приведены конструктивные особенности и краткие технические характеристики наиболее употребимых бурильных труб отечественного производства.

Бурильные трубы

Бурильные трубы предназначены для спуска в скважину и подъема породоразрушающего инструмента, передачи вращения долоту, подвода бурового раствора к забойному двигателю и долоту, восприятия реактивного момента забойного двигателя, создания осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент и проведения вспомогательных работ. Между собой бурильные трубы соединяются с помощью муфт (могут отсутствовать) и бурильных замков со специальной конической замковой резьбой. Концы труб утолщаются высадкой для увеличения прочности.