Утяжеленные бурильные трубы: конструкция, характеристики и применение

Подробная информация есть по ссылке купить трубы УБТ

Назначение и место УБТ в бурильной колонне

Утяжеленные бурильные трубы (УБТ) представляют собой толстостенные стальные трубы, которые размещаются в нижней части бурильной колонны. Их основное назначение — формирование осевой нагрузки на долото и повышение жесткости компоновки. В отличие от обычных бурильных труб, УБТ обладают значительно большей массой единицы длины, что достигается увеличенной толщиной стенки. Такая конструкция позволяет им работать в сжатой зоне колонны и передавать значительные крутящие моменты. Компоновка низа бурильной колонны (КНБК) включает долото, УБТ, стабилизаторы, калибраторы и другие элементы. УБТ располагаются непосредственно над долотом и соединяются с ним через переводники. Масса нижней части колонны передается на долото, создавая необходимую нагрузку для разрушения горной породы. Жесткость УБТ стабилизирует направление ствола скважины и уменьшает непроизвольное искривление. Дополнительно они снижают вибрации и амплитуду продольных колебаний, что положительно сказывается на работе забойных механизмов.

Функции утяжеленных труб

Главная функция УБТ — создание осевой нагрузки на долото. Нагрузка формируется под действием силы тяжести самой трубы, поэтому для увеличения нагрузки наращивают длину секции УБТ. Масса одного погонного метра трубы зависит от наружного диаметра и толщины стенки. Например, труба диаметром 177,8 мм с толщиной стенки 44,45 мм весит около 135 кг/м, что в несколько раз больше массы обычной бурильной трубы того же диаметра. УБТ также повышают жесткость низа бурильной колонны. Это свойство важно для предотвращения потери устойчивости колонны при сжатии. Жесткая нижняя часть обеспечивает более равномерную передачу усилия на долото и позволяет сохранять проектный угол и азимут скважины. Кроме того, утяжеленные трубы работают как демпфер, поглощая колебания долота и снижая риск усталостного разрушения резьбовых соединений вышележащих труб.

Отличие от обычных бурильных труб и роль в КНБК

Обычные бурильные трубы имеют толщину стенки от 8 до 12 мм и рассчитаны на работу преимущественно в растянутом состоянии. Их прочность на сжатие ниже, поэтому в нижней части колонны их применение приводит к искривлению ствола и быстрому износу резьб. УБТ имеют толщину стенки от 25 до 45 мм, что увеличивает их массу в 4–6 раз по сравнению с трубами того же наружного диаметра. Это позволяет им выдерживать сжимающие нагрузки без потери устойчивости. Ведущие трубы, используемые для передачи вращения от ротора, имеют квадратное или шестигранное сечение и не участвуют в создании осевой нагрузки. Роль УБТ в КНБК заключается в следующем: они связывают долото с остальной частью колонны, обеспечивают передачу осевого усилия и крутящего момента, а также увеличивают жесткость системы. В состав КНБК могут также входить стабилизаторы, центраторы и расширители. Взаимное расположение этих элементов определяет траекторию бурения и качество ствола.

Конструкция и разновидности УБТ

Конструкция УБТ стандартизирована по международным и отраслевым нормам. Трубы имеют гладкую или профильную наружную поверхность, резьбовые замки на концах и проходное отверстие, диаметр которого меньше, чем у бурильных труб того же типоразмера. Основные технические характеристики включают наружный диаметр, толщину стенки, массу одного метра, тип резьбы и класс точности. Материалом служат легированные стали с пределом текучести от 550 до 760 МПа, например стали марок 35ХМ, 40ХН, 40ХН2МА. Эти стали обеспечивают стойкость к пластическим деформациям и усталостным разрушениям.

Гладкие, спиральные и комбинированные исполнения

По форме наружной поверхности различают гладкие, спиральные и комбинированные УБТ. Гладкие УБТ являются базовым исполнением. Они имеют цилиндрическую форму по всей длине и характеризуются максимальной жесткостью при заданном наружном диаметре. Их недостатком является большая площадь контакта со стенкой скважины, что увеличивает риск адгезионного прихвата в неустойчивых породах. Гладкие трубы применяются в вертикальных и слабо наклонных скважинах, где вероятность прихвата ниже. Спиральные УБТ снабжены винтовыми канавками, обычно трех- или четырехзаходными. Канавки уменьшают площадь контакта со стенкой скважины на 25–40%, что снижает риск дифференциального прихвата. Масса спиральных труб на 5–10% меньше массы гладких при одинаковом наружном диаметре, а жесткость снижается незначительно. Спиральная форма также улучшает условия циркуляции бурового раствора и очистки ствола от шлама. Такие трубы предпочтительны при бурении наклонных и горизонтальных участков, а также в зонах с неустойчивыми глинистыми отложениями. Комбинированные УБТ имеют гладкие концевые участки и спиральную часть в средней зоне. Это позволяет сохранить герметичность резьбовых соединений и увеличить жесткость в местах максимальных изгибающих напряжений. На практике используются также УБТ с утолщениями под элеваторы, с лысками для ключей и с центральными проточками для яссов. Выбор конкретной разновидности зависит от геологических условий, типа скважины и режима бурения.

Замковые соединения и переходные элементы

УБТ соединяются между собой замковыми резьбами, которые рассчитаны на передачу высоких крутящих моментов и осевых усилий. Резьбовые соединения выполняются по стандартам API (например, NC38, NC50, NC56, NC61) или по другим отраслевым нормам (ЗН, ЗП). Профиль резьбы имеет высокую несущую способность, но одновременно является концентратором напряжений. Для предотвращения заеданий и обрыва резьбы нитки покрывают специальными смазками, а после каждого цикла нагружения проводят контроль состояния. В качестве меры повышения усталостной прочности применяют выточки в последней нитке резьбы и увеличенные радиусы переходов. Переходные элементы, или переводники, необходимы для соединения УБТ с долотом, бурильными трубами или элементами КНБК, имеющими другие размеры резьб. Переводники представляют собой короткие отрезки толстостенной трубы с резьбой разных типов на концах. Они изготавливаются из стали, близкой по прочности к материалу УБТ, и проходят термообработку для повышения прочности. Основная функция переводников — плавный переход между сечениями, что уменьшает концентрацию напряжений и предотвращает смятие резьбы. В местах переходов часто возникают повышенные изгибные нагрузки, поэтому конструкция переводников предусматривает утолщение стенки и усиленную резьбу.

Выбор параметров и расчет длины УБТ

Выбор диаметра, массы и длины УБТ определяется требуемой осевой нагрузкой на долото, диаметром долота и устойчивостью колонны. Наружный диаметр УБТ обычно составляет 60–85% от диаметра долота. Для долота 215,9 мм применяют УБТ диаметром 139,7 мм или 177,8 мм. Минимальный зазор между УБТ и обсадной колонной должен составлять не менее 25–30 мм, чтобы избежать заклинивания. Масса погонного метра трубы зависит от толщины стенки и выбирается из стандартного ряда. Например, труба диаметром 120,65 мм с толщиной стенки 31,75 мм весит примерно 67 кг/м.

Влияние диаметра, массы и прочности на работу колонны

Увеличение наружного диаметра УБТ повышает жесткость и крутильную прочность, что позволяет передавать больший крутящий момент без деформаций. Однако увеличение диаметра приводит к росту гидравлических сопротивлений и увеличению зазора между трубой и стенкой, что снижает эффективность очистки ствола. Слишком малый диаметр снижает жесткость, что вызывает искривление в наклонных скважинах и повышенный износ резьб. Оптимальный диаметр подбирается исходя из диаметра долота, предыдущей обсадной колонны и величины изгибающих напряжений. Масса УБТ напрямую связана с толщиной стенки. Для получения высокой массы при ограниченном диаметре применяют толстостенные трубы, но это уменьшает проходное отверстие, что ограничивает расход бурового раствора. Прочность материала характеризуется пределом текучести. При расчетах допускаемые напряжения обычно принимаются равными 60–80% от предела текучести, что обеспечивает запас прочности при динамических нагрузках. Стали с пределом текучести 590 МПа и выше используются для глубоких и наклонных скважин, где нагрузки более интенсивны.

Практические условия расчета и ограничения

Расчет длины УБТ основан на равенстве веса секции и требуемой осевой нагрузки на долото. Для вертикальной скважины масса секции определяется как произведение длины на массу погонного метра. При действии бурового раствора на трубы действует выталкивающая сила Архимеда, поэтому вводят поправочный коэффициент Beta, равный отношению плотности стали к плотности раствора. Для раствора плотностью 1000 кг/м³ коэффициент составляет около 0,85, для утяжеленных растворов (1900–2100 кг/м³) — 0,72–0,75. Фактическая нагрузка на долото равна массе УБТ за вычетом выталкивающей силы. В наклонных скважинах часть веса УБТ воспринимается стенкой скважины из-за трения. Для компенсации потерь вводят коэффициент трения, который обычно принимается в диапазоне 0,8–0,9. Длина УБТ должна обеспечивать нагрузку с запасом 10–15% для учета возможных колебаний веса инструмента. Практические ограничения связаны с допустимым сопротивлением резьбовых соединений и устойчивостью колонны. Критическая сжимающая нагрузка не должна превышать величину, при которой труба теряет устойчивость. Для труб диаметром 120,65 мм этой нагрузке соответствует длина сжатой части около 150–200 м, для труб большего диаметра — больше. Ниже представлена таблица с ориентировочными параметрами УБТ для различных интервалов диаметров долота.

Приведенные значения являются стандартными; для конкретных скважин выполняются индивидуальные расчеты с учетом сопротивления усталости, допустимых напряжений и характеристик бурового раствора.

Условия работы и характерные повреждения

УБТ в процессе эксплуатации испытывают комплексные нагружения: растяжение, сжатие, изгиб, кручение и внутреннее давление. Особенно интенсивные переменные нагрузки действуют в искривленных участках скважины и вблизи замковых соединений. Переменные напряжения вызывают накопление усталостных повреждений, которые в конечном итоге приводят к зарождению трещин и разрушению. Кроме того, на поверхности труб воздействуют абразивные частицы бурового раствора, коррозионные среды и механические удары при спускоподъемных операциях.

Нагруженность и усталостные процессы

При вращении колонны каждый участок УБТ проходит цикл «растяжение-сжатие» по мере вращения. В наклонной скважине труба также изгибается, что вызывает дополнительные переменные напряжения. Особенно высок изгибающий момент в местах резкого изменения кривизны ствола. В этих зонах концентрация напряжений в резьбе может превышать предел выносливости материала. Усталостные трещины чаще всего возникают в последней нитке резьбы или в зоне перехода от резьбы к гладкой части трубы. Для повышения усталостной прочности УБТ применяют конструктивные меры: увеличение радиуса галтели, введение разгружающих канавок на замках, поверхностное упрочнение накаткой или дробеструйной обработкой. Влияет и качество резьбового соединения: важен правильный момент свинчивания, исключающий перекос. В процессе бурения следует контролировать режимы — частоту вращения, осевую нагрузку и крутящий момент, чтобы не превышать допустимые амплитуды колебаний. Снижение вибраций достигается использованием эффективных амортизаторов в составе КНБК.

Дефекты при эксплуатации и методы контроля

В процессе эксплуатации УБТ появляются различные дефекты: износ наружной поверхности, коррозионные раковины, задиры резьбы, трещины, выкрашивание металла и недопустимые изгибы. Частой причиной дефектов является нарушение правил транспортировки, когда трубы укладывают на неровные поверхности, или неправильное свинчивание. Интенсивный износ наблюдается в зоне контакта с породой, особенно при бурении с абразивными пропластками. Для диагностики состояния УБТ применяется комплекс неразрушающих методов. Визуальный осмотр позволяет выявить крупные трещины, вмятины и коррозию. Ультразвуковая дефектоскопия используется для обнаружения внутренних трещин и измерения толщины стенки. Магнитопорошковый контроль эффективен для поверхностных дефектов резьбовых участков. Толщинометрия позволяет оценить износ стенок. Периодичность контроля устанавливается регламентами предприятия и зависит от интенсивности эксплуатации, обычно проверка проводится после каждых 500–1000 часов работы или после аварийных ситуаций.

Своевременное выявление усталостных трещин предотвращает обрыв УБТ, который может привести к прихвату инструмента и сложным аварийно-восстановительным работам.

К основным профилактическим мероприятиям относятся:

• регулярная ревизия резьбовых соединений с калибровкой;
• замена вышедших из строя замков;
• применение защитных покрытий для уменьшения коррозии;
• соблюдение правил укладки и строповки при транспортировке.

При расчете секции УБТ инженеры придерживаются последовательности:

1. определение требуемой осевой нагрузки на долото по условиям бурения;
2. выбор типоразмера УБТ по диаметру долота и жесткости;
3. расчет массы погонного метра с учетом потери веса в буровом растворе;
4. вычисление длины секции с запасом на трение и устойчивость;
5. проверка резьбовых соединений на допустимый крутящий момент.

Каждый из этих этапов требует использования справочных данных и нормативов. Ошибка на любом этапе приводит к неоптимальной работе компоновки или повреждению инструмента. Поэтому расчеты выполняют специалисты отдела бурения с учетом специфики конкретной скважины.

Видео