Выбор и расчет бурильной колонны
Выбор элементов бурильной колонны
Бурильная колонна состоит из следующих элементов: утяжеленных бурильных труб (УБТ), стальных (СБТ) или легкосплавных бурильных труб (ЛБТ), ведущей бурильной трубы, резьбовых переводников, центраторов и калибраторов.
Бурильные колонны бывают следующими:
одноразмерными (или одноступенчатыми), составленными из бурильных труб одного и того же наружного диаметра;
многоразмерными (многоступенчатыми), составленными из труб различных наружных диаметров (двух-, трех- или четырехразмерными);
Нижний участок бурильной колонны составляют из УБТ, устанавливаемых непосредственно над долотом или забойным двигателем.
Колонна бурильных труб при бурении скважины подвергается воздействию различных статических и динамических нагрузок. При бурении с помощью забойных двигателей (турбобуров, электробуров, объемных двигателей) на колонну бурильных труб действуют следующие нагрузки: осевая сила растяжения от собственного веса колонны и перепада давления в забойном двигателе; осевая сила сжатия, создаваемая весом части колонны; момент, прикладываемый к колонне для периодического проворачивания ее и др.
При роторном бурении на колонну бурильных труб кроме осевых сил растяжения и сжатия действуют еще и дополнительные нагрузки: за счет изгибающего момента от действия центробежных сил при вращении колонн; за счет крутящего момента, необходимого для непрерывного вращения колонны и др. Изгибающие напряжения в колонне носят переменный характер и зависят от осевой нагрузки, частоты вращения, диаметра труб и скважины, кривизны ее ствола и др. Под действием крутящего момента возникают касательные напряжения, которые в колонне бурильных труб возрастают от забоя к устью скважины.
Бурильные стальные трубы с навинченными замками (ГОСТ 631-75) изготавливаются из сталей групп прочности Д, К, Е, Л и М, замки - из стали 40 ХН.
Бурильные стальные трубы с высаженными концами и приваренными к ним замками (ГОСТ 50278-92 и ТУ 14-3-1571-88) изготавливаются из сталей групп прочности Д, Е, Л и М, замки - из стали 40ХМФА.
Стали всех групп прочности имеют следующие основные механические свойства по ГОСТ 1497-84:
Предел текучести физический (нижний предел текучести) .
наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения растягивающего усилия,
Временное сопротивление (предел прочности)- напряжение,
соответствующее наибольшему усилию Pmax, предшествующему разрыву образца.
Все группы прочности стали можно охарактеризовать следующими усредненными показателями:
Группа прочности Д К Е Л М Р Т
Предел текучести, МПА 380 500 550 650 750 900 1000
Временное сопротивление
- (предел прочности при растяжении), МПА
- 650 700 750 800 900 1000 1100
Трубы диаметром 60-102 мм имеют длину 6,8 и 11,5, а диаметром 114-168 мм - 11,5 м.
Трубы бурильные (ТБ) выпускаются следующих типов:
- - В - с высаженными внутрь концами и навинченными замками;
- - Н - с высаженными наружу концами и навинченными замками;
- - ВК - с высаженными внутрь концами и коническими стабилизирующими поясками;
- - НК - с высаженными наружу концами и коническими стабилизирующими поясками;
- - ПК - с комбинированной высадкой замков (внутрь и наружу) и приваренными замками;
- - ПВ - с внутренней высадкой и приваренными замками;
- - ПН - с наружной высадкой и приваренными замками;
- - С - с высаженными внутрь концами и блокирующими замками.
Л - легкосплавные бурильные трубы из сплава Д 16 Т.
Кроме того, бурильные трубы бывают обычной и повышенной (П) точности изготовления.
Бурильные трубы типов В и Н имеют обычную трубную резьбу треугольного профиля. На трубах типов ВК и НК нарезается трапецеидальная резьба.
Для соединения бурильных труб применяются муфты и замки. Замки бывают следующих типов: ЗН - с нормальным проходным отверстием; ЗШ - с широким проходным отверстием; ЗУ - с увеличенным проходным отверстием.
Размеры и масса стальных бурильных труб (СБТ) и легкосплавных бурильных труб (ЛБТ), а также муфт и замков к ним приведены в табл. 5.1 - 5.6.
Для бурения неглубоких вертикальных скважин роторным способом рекомендуется использовать трубы типа ТБВ, ТБН, ТБВК и ТБПВ; для бурения глубоких скважин в осложненных условиях - трубы типа ТБВК, ТБНК, ТБС и ТБПВ; для бурения вертикальных скважин с использованием забойных двигателей - трубы типа ТБН, ТБНК и ТБПВ; для бурения наклонно направленных скважин с использованием забойных двигателей - трубы типа ТБНК, ТБПВ и ЛБТ.
Наддолотный комплект, обычно принимаемый длиной 500 м, устанавливается над УБТ и составляется из бурильных труб типа ТБПВ, ТБНК, ТБС, ТБПВ группы прочности Д с максимальной толщиной стенки.
Размеры и масса ведущих труб сборной конструкции квадратного сечения приведены в табл. 5.7 (изготовляются из стали групп прочности Д и К, переводники из стали 40ХН).
Таблица 5.1
Размеры, масса и жесткость стальных бурильных труб
Труба |
Муфта |
Масса, кг |
Жесткость, кН·м2 |
||||||
Диаметр, мм |
тол-щина стен-ки, мм |
наруж-ный диа-метр, мм |
дли-на, мм |
1 м глад-кой тру-бы |
двух выса-док |
муф-ты |
при изги-бе EJ |
при сдви-ге GJ0 |
|
наруж-ный |
внут-рен-ний |
||||||||
Бурильные трубы с высаженными внутрь концами |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Бурильные трубы с высаженными наружу концами |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Продолжение табл. 5.1
Труба |
Муфта |
Масса, кг |
Жесткость, кН·м2 |
||||||
Диаметр, мм |
тол-щина стен-ки, мм |
наруж-ный диа-метр, мм |
дли-на, мм |
1 м глад-кой тру-бы |
двух выса-док |
муфты |
при изги-бе EJ |
при сдви-ге GJ0 |
|
наружный |
внут-рен-ний |
||||||||
139,7 |
|
|
185 |
215 |
|
7,0 |
15,0 |
|
|
Таблица 5.2
Размеры бурильных труб с высаженными внутрь и наружу концами и коническими стабилизирующими поясками
Размеры трубы, мм |
Размеры высаженной части, мм |
Масса 1 м глад-кой тру-бы, кг |
Увели-чение массы одной трубы вслед-ствие высад-ки обоих концов |
||||||
Услов-ный диа-метр, мм |
Наруж-ный диа-метр трубы, мм |
Тол-щина стен-ки, мм |
Внут-ренний диа-метр, мм |
диа-метр про-хода |
наруж-ный диа-метр |
длина меха-ничес-кой обра-ботки |
длина до пе-рехо-дной части |
||
С высаженными внутрь концами |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
С высаженными наружу концами |
|||||||||
|
73
|
9 11 9 11
11 |
55 51
96,3 94,3 92,3 |
|
|
|
|
|
|
Таблица 5.3
Размеры, масса и жесткость бурильных труб с приваренными соединительными концами с высадкой наружу ТБПВ
Услов-ный диа-метр трубы, мм |
Тол-щина стен-ки трубы, мм |
Наруж-ный диа-метр вы-садки, мм |
Толщина стенки высадки, мм |
Наружный диаметр соедитель-ного конца, мм |
Масса, кг |
Жесткость, кН·м2 |
|
1 м глад-кой трубы |
при сдвиге EJ |
При сдви-ге GJ |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
примечание. Длина труб 12,4 и 8,5 м.
Таблица 5.4
Характеристика легкосплавных бурильных труб, изготовляемых из сплава Д16Т, и замков к ним
Параметры |
Наружный диаметр трубы, мм |
||||||
73 |
93 |
114 |
129 |
129 |
147 |
147 |
|
Толщина стенки, мм Шифр стальных облегченных замков Диаметр, мм: наружный облег-ченного стального замка наименьший внут-ренний замка наименьший внут-ренний трубы |
9 ЗЛ-90
|
9 ЗЛ-110
|
10 ЗЛ-136
|
9 ЗЛ-152
|
11 ЗЛ-152
|
9 ЗЛ-172
|
11 ЗЛ-172
|
Длина трубы, м без замка номинальная с замком Масса 1 м трубы, кг: с учетом высадки стального облегченного замка с учетом высадки концов и замка Давление, МПа: максимально допусти- мое, внутреннее внутреннее, при кото-ром напряжение в теле трубы достигает преде-ла текучести внутреннее разрушаю-щее максимально допусти-мое внешне сминающее внешнее разрушающее Крутящий момент, максимально допустимый, при котором напряжения в теле трубы достигают предела текучести, кН·м ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Жесткость труб, кН·м2 при изгибе при сдвиге |
|
|
|
|
|
|
|
![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Примечания. 1. При выборе допустимых усилий приняты следующие коэффициенты запаса прочности: для растягивающих нагрузок 1,12; для внутренних давлений 1,25; для внешних сжимающих давлений 1,5; для моментов кручения 1,8. 2. Для сплава Д16Т принят предел текучести 330 МПа, предел прочности 4500МПа; модуль при изгибе Е = 71·103 МПа, при сдвиге G = 27,1·103 МПа. |

Таблица 5.5



Основные размеры и масса замков для СБТ
![]() Типораз-мер замка |
Диаметр труб по ГОСТ 631-75, мм c высаженными концами |
Диаметр, мм |
Длина, мм |
Масса, кг |
||
наруж-ный |
внутре-ний |
|||||
внутрь |
наружу |
|||||
ЗН-80 ЗН-95 ЗН-108 ЗН-113
ЗШ-108 ЗШ-118 ЗШ-133 ЗШ-146 ЗШ-178 ЗШ-203 ЗУ-86 ЗУ-108 ЗУ-120 ЗУ-146 ЗУ-155 ![]() ЗУ-185 ЗУК-108 ЗУК-120 ЗУК-146 ЗУК-155 ЗШК-113 ЗШК-133 ЗШК-178 ЗЛ-90 ЗЛ-102 ЗЛ-140 ЗЛ-152 ЗЛ-172 ЗЛ-197 |
ТБВК-114 ТБВК-127 ТБВК-89 ТБВК-102 ТБВК-140
|
ТБНК-73 ТБНК-89 ТБНК-102 ТБНК-114 - - -
|
|
|
|
|
Таблица 5.6
Размеры замков (ниппелей и муфт) для приварки к трубам
Услов-ный наруж-ный диа-метр трубы, мм |
Наруж-ный диа-метр нип-пеля, мм |
Внутренний диаметр, мм |
Длина цилин-дриче-ского конца, мм |
Резьба |
Длина, мм |
Масса одного комп-лекта замка (нип-пель, муфта), кг |
||
наи-мень-ший |
наи-боль-ший |
нип-пеля |
муфты |
|||||
114 127 127 |
|
|
|
|
З-86 З-102 З-108 З-122 З-122 З-133 З-133 |
|
|
|
Таблица 5.7
Размеры и масса ведущих труб квадратного сечения
Показатели |
ТУ14-3-126-73 |
ТУ14-3-755-78 |
ТУ 51-276-86 (ТВКП) |
|||||
Сторона квадрата, мм Диаметр канала, мм Диаметр проточки под элеватор, мм Общая длина трубы с переводниками не менее, м Резьба пере- водников: верхнего нижнего Наружный диаметр переводника, мм верхнего нижнего Масса теоретическая 1 м трубы без перево-дников, кг Масса переводников, кг: верхнего нижнего |
З-121Л З-121
|
З-152Л З-147
|
З-152Л З-171
|
З-76Л З-76
|
З-88Л З-88
|
З-121Л З-121
|
З-171Л З-147
|
З-171Л З-171
|
Таблица 5.8
Показатели |
Группа прочности стали |
Сплав Д16Т |
|||||||||
Д |
К |
Е |
Л |
М |
Р |
Т |
40ХН |
40ХМФА |
|||
Временное сопротивление разрыву ?В, МПа, не менее |
ГОСТ 631-75 |
637 |
687 |
735 |
784 |
882 |
- |
- |
882 |
- |
|
ТУ 14-3- 1571-88 |
655 |
- |
689 |
724 |
792 |
- |
- |
- |
981 |
||
Изготовление по соглашению |
- |
- |
-- |
- |
- |
980 |
1078 |
- |
- |
||
Предел теку-чести ?Т, МПа, не менее |
ГОСТ 631-75 |
373 |
490 |
539 |
637 |
735 |
- |
- |
735 |
- |
|
ТУ 14-3- 1571-88 |
379 |
- |
517 |
655 |
724 |
- |
- |
- |
832 |
||
Изготовление по соглашению |
882 |
980 |
- |
- |
|||||||
Относитель-ное удлинение ?, % не менее |
16 |
12 |
12 |
12 |
12 |
12 |
12 |
10 |
13 |
|
|
Примечания. 1. В числителе для труб диаметром менее 120 мм, в знаменателе - более 120 мм. |
Таблица 5.9
Трубы |
Способ бурения |
Диаметр бурильных труб, мм |
|||||||||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
Обсад-ные |
Забойны-ми дви-гателями |
- |
- |
- |
- |
- |
178 |
194 |
219 |
245 |
273 |
299 |
324 |
340 |
>406 |
Ротор-ный |
114 |
127 |
140 |
146 |
168 |
178 |
194 |
![]() 219 |
245 |
273 |
299 |
- |
- |
- |
|
Бури-льные |
Забойны-ми дви-гателями |
- |
- |
- |
- |
- |
89 |
102 |
114 |
127 |
|
|
|
|
|
Ротор-ный |
60 |
60 |
73 |
73 |
89 |
89 |
![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 102 |
114 |
127 |
140 |
140 |
146 |
146 |
168 |
Механические свойства материала СБТ и ЛБТ приведены в табл. 5.8
Диаметр бурильных труб выбирается в зависимости от диаметра предыдущей обсадной колонны и способа бурения (см. табл. 5.9).
Основные размеры и масса УБТ приведены в табл. 5.10.
Гладкие по всей длине горячекатанные УБТ рекомендуется применять только для бурения с забойными двигателями; УБТС (утяжеленные бурильные трубы сбалансированные) - для бурения в осложненных условиях; УБТ с квадратным сечением по периметру - при бурении интервалов, склонных к самопроизвольному искривлению и со спиральными и продольными канавками - в условиях повышенной опасности затяжек и прихватов бурильной колонны.
Таблица 5.10
Основные размеры и масса УБТ
Шифр |
Диаметр, мм |
Длина, м |
Масса/вес 1 м трубы, кг/м и кН/м |
Резьба |
|
наружный |
![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() внутренний |
||||
УБТ-95 УБТ-108 УБТ-121 УБТ-146 УБТ-165 УБТ-178 УБТ-197 УБТ-203 УБТ-219 УБТ-229 УБТ-245 УБТ-254 УБТ-279 УБТС2-120 УБТС2-133 УБТС2-146 УБТС2-178 УБТС2-203 УБТС2-229 УБТС2-254 УБТС2-254 УБТС2-273 УБТС2-273 УБТС2-299 |
|
|
|
|
З-77 З-88 3-94 З-121 3-122 З-147 3-149 З-171 З-171 3-163 З-201 З-185
З-108* З-121 З-147 З-161 З-171 З-201 З-201 З-201 З-201 3-201 |
Примечания. 1. УБТ (горячекатанные) поставляются без проточки под элеватор, УБТС - с проточкой под элеватор. 2. Звездочкой обозначена резьба укороченного профиля. 3. УБТ изготовляются из стали групп прочности Д и К, УБТС - из стали 40ХН2МА или 38ХН3МФА. |