Труба бурильная
Труба бурильная — элемент бурильной колонны, который передаёт вращение к забойному инструменту, обеспечивает циркуляцию промывочной жидкости, воспринимает осевые нагрузки. При работе на неё действуют растяжение, кручение, изгиб, перепад давления. Подбор начинается с конструкции скважины, характеристик установки, режима бурения. Наружного диаметра для выбора недостаточно: учитываются стенка, группа прочности, геометрия высадки, замковая резьба, фактическое состояние металла.
В нефтегазовом бурении широко применяют стальные трубы с приваренными замками. Для геологоразведки, колонкового бурения, проходки водозаборных скважин, горизонтального направленного бурения используют собственные конструктивные исполнения. Размеры нефтегазового сортамента нельзя автоматически переносить на буровые штанги либо системы со съёмным керноприёмником: у них отличаются соединения, рабочий проход, требования оборудования.
Конструкция тела трубы
Основную длину изделия образует полое бесшовное тело. Его концы утолщают высадкой, создавая участок для соединения с замком. Ниппель с наружной резьбой располагается с одного конца, муфта с внутренней — с другого. При сборке колонны резьбовое соединение воспринимает нагрузки совместно с упорными поверхностями, поэтому состояние торцов влияет на работоспособность узла.
Внутренняя высадка IU увеличивает толщину за счёт уменьшения прохода. Наружная высадка EU увеличивает наружный габарит концевого участка. Комбинированная IEU меняет оба размера. Переход от утолщения к телу выполняют плавным: форма переходной зоны влияет на концентрацию напряжений при циклическом изгибе. Тип высадки выбирают совместно с замком, условиями циркуляции, требуемой прочностью соединения.
Утяжелённая бурильная труба, обозначаемая УБТ, имеет существенно более массивное сечение. Она входит в нижнюю часть компоновки, создаёт осевую нагрузку на долото, повышает жёсткость этого участка. Для перехода от обычных труб колонны к УБТ также применяют специальные утяжелённые элементы. Их размеры, масса, расчётные характеристики задаются отдельной конструкцией.
Размеры бурильных труб
Для стальных бурильных труб с высаженными концами, приваренными замками применяется ГОСТ 32696-2014. В международной практике используют API 5DP. Нормативный документ задают вместе с уровнем требований к продукции, поскольку одинаковое обозначение диаметра ещё не определяет полный набор характеристик.
В таблице приведены отдельные сочетания наружного диаметра D, толщины стенки t из нефтегазового сортамента. Внутренний диаметр d относится к прямому телу. Масса m₁ рассчитана для плотности стали 7850 кг/м³ без замков, высадок, защитных слоёв.
|
D, мм |
t, мм |
d, мм |
m₁ тела, кг/м |
|
60,32 |
7,11 |
46,10 |
9,33 |
|
73,02 |
9,19 |
54,64 |
14,47 |
|
88,90 |
9,35 |
70,20 |
18,34 |
|
101,60 |
8,38 |
84,84 |
19,27 |
|
114,30 |
8,56 |
97,18 |
22,32 |
|
127,00 |
9,19 |
108,62 |
26,70 |
|
139,70 |
10,54 |
118,62 |
33,57 |
|
168,28 |
9,19 |
149,90 |
36,06 |
Сортамент включает дополнительные стенки. Для диаметра 88,90 мм встречаются 6,45 либо 11,40 мм; для 114,30 мм — 6,88 либо 10,92 мм; для 127,00 мм — 12,70 мм; для 139,70 мм — 9,17 мм; для 168,28 мм — 8,38 мм. Совместимость конкретного сочетания с группой прочности, высадкой, замком проверяют по соответствующей размерной таблице.
ГОСТ 32696-2014 предусматривает три группы длины: 6,10–7,01 м, 8,84–9,75 м, 12,19–13,72 м. Для партии дополнительно установлены ограничения по распределению длин. Фактический вариант исполнения уточняют по документации на изделие. При расчёте колонны используют принятую длину готовой трубы; длина её прямого тела меньше из-за концевых участков.
Расчёт массы бурильной трубы
Внутренний диаметр прямого участка определяют по наружному размеру, стенке:
d = D − 2хt.
Здесь D, d, t выражены в миллиметрах. Для трубы 127,00х9,19 мм проход тела составляет 108,62 мм. Минимальный проход готового изделия может находиться в замке либо зоне внутренней высадки, поэтому его проверяют отдельно при подборе внутрискважинного инструмента.
Теоретическая масса одного метра прямого тела:
m₁ = πхρхtх(D − t)х10⁻⁶.
В этой формуле m₁ — масса, кг/м; ρ — плотность металла, кг/м³; D — наружный диаметр, мм; t — стенка, мм. При ρ=7850 кг/м³ допустима округлённая запись m₁≈0,02466хtх(D−t). Общая масса прямого участка длиной L метров равна m=m₁хL.
Для сечения 127,00х9,19 мм получается около 26,70 кг/м. Условный прямой участок длиной 9 м весит 240,30 кг. Массу готовой бурильной трубы определяют с учётом фактической длины тела, объёма высадок, ниппеля, муфты. Умножение табличной массы тела на полную длину изделия не учитывает распределение металла в концевых зонах.
Площадь металлического сечения рассчитывают так:
A = (π/4)х(D² − d²).
Здесь A измеряется в мм². Для предварительной оценки чистого растяжения применяют σ=1000хF/A, где σ — среднее напряжение, МПа; F — осевая сила, кН. Для указанного сечения A≈3401 мм², при условной силе 100 кН напряжение составляет около 29,4 МПа. Такой пример описывает только прямое тело при одной составляющей нагрузки. Работоспособность колонны оценивают с учётом кручения, изгиба, давления, усталости, состояния замков.
Группы прочности материала
По ГОСТ 32696-2014 применяют группы D, E, X, G, S. Минимальные значения предела текучести тела составляют соответственно 379, 517, 655, 724, 931 МПа. В обозначениях API распространены E75, X95, G105, S135. Группа характеризует нормируемые механические свойства; она не заменяет обозначение марки стали либо сведения о термической обработке.
Для изготовления используют стали, позволяющие получить заданное сочетание прочности, пластичности, ударной вязкости. Требуемые свойства формируют химическим составом, термообработкой, контролем структуры. Материал замка подбирают отдельно: его геометрия, твёрдость, свойства резьбового участка должны соответствовать нагрузкам соединения.
Высокий предел текучести сам по себе не подтверждает пригодность к сероводородной среде. Для такого режима задают специальное исполнение, требования к твёрдости, стойкости против растрескивания. При низких температурах учитывают ударную вязкость. Для искривлённых стволов дополнительно оценивают усталостную работу при вращении под изгибом.
Замковые соединения
На бурильных трубах применяют соединения нумерационного типа NC, исполнения FH, замковую резьбу по соответствующему стандарту, специальные высокомоментные конструкции. Обозначения NC38 либо NC50 относятся к соединению, а не к наружному диаметру тела в миллиметрах. Для замены проверяют профиль, шаг, конусность, размеры упорных поверхностей, проход замка.
Момент свинчивания назначают для конкретного соединения с учётом его геометрии, состояния, применяемой резьбовой смазки. Этот параметр отличается от допустимого рабочего крутящего момента. Несоответствие смазки расчётному коэффициенту трения меняет предварительную затяжку даже при одинаковом показании ключа.
Внутреннее покрытие используют для ограничения коррозионного воздействия промывочной среды при подтверждённой совместимости состава. Износостойкая наплавка на замках уменьшает их абразивный износ, однако её материал выбирают с учётом контакта с обсадной колонной. Эти решения рассматривают как дополнительные характеристики исполнения.
Контроль при изготовлении
Производство включает получение бесшовного тела, высадку концов, термическую обработку, изготовление замковых деталей. Замки присоединяют сваркой трением, после чего зону соединения обрабатывают по принятой технологии. Контролируют геометрию, механические свойства, качество сварного участка, резьбовые поверхности. Объём неразрушающего контроля определяется нормативным документом, уровнем требований к изделию.
В эксплуатации отслеживают остаточную стенку, износ замков, состояние упорных торцов, кривизну, наличие трещин. Особенно внимательно проверяют переходы высадок, участки контакта с клиньями, зоны циклического изгиба. Для бывшей в работе трубы исходная группа прочности не заменяет оценку текущего состояния.
Параметры подбора
Бурильная труба должна соответствовать всей компоновке. В исходных данных фиксируют:
- наружный диаметр тела, стенку, длину, тип высадки;
- группу прочности, температурный режим, свойства рабочей среды;
- тип резьбы, размеры замка, минимальный сквозной проход;
- осевую нагрузку, крутящий момент, кривизну ствола, режим циркуляции;
- требования к контролю, допустимому износу, внутреннему покрытию, наплавке.
После выбора сечения проверяют совместимость с элеватором, клиньями, трубными ключами, переходниками. Гидравлический расчёт учитывает сужения в замках, свойства раствора, расход, кольцевое пространство. Механический расчёт учитывает собственный вес колонны в жидкости, сопротивление перемещению, динамические нагрузки.
FAQ
Чем бурильная труба отличается от обсадной
Бурильная труба работает в составе вращающейся колонны, передаёт усилия к инструменту, обеспечивает циркуляцию раствора. Обсадная формирует крепление ствола, изолирует пласты, воспринимает нагрузки в составе обсадной колонны. У этих изделий различаются соединения, расчётные режимы, требования к износу. Совпадение наружного диаметра не делает их взаимозаменяемыми.
Как определить массу трубы с замками
Сначала рассчитывают массу прямого тела по фактической длине, затем учитывают металл высадок, замковых деталей. Для практического расчёта партии используют массу готового изделия из его размерной документации. Значение в кг/м для гладкого сечения служит предварительным ориентиром; оно не описывает полную сборку, особенно при коротких трубах либо массивных замках.
Почему нельзя выбирать только по группе прочности
Рабочий ресурс зависит от сочетания материала, геометрии, соединения, нагрузок. Труба более высокой группы может иметь меньший проход либо неподходящий замок, а её стойкость в конкретной среде требует отдельного подтверждения. При повторном использовании дополнительно учитывают остаточную стенку, повреждения резьбы, накопленную усталость, результаты контроля.