Что такое буровая колонна?
Буровая колонна — это полная сборка бурильных труб, утяжеленных бурильных труб и забойного инструмента, которая соединяет буровую установку с буровым долотом и передает крутящий момент, осевую нагрузку на долото и буровой раствор. Ее конструкция и типы соединений со временем совершенствовались для повышения прочности, гидравлической эффективности и безопасности эксплуатации в современных нефтяных и газовых скважинах.
Традиционно буровая колонна состояла из ведущей трубы (келли), бурильных труб и забойной компоновки (BHA). С развитием технологии верхнего привода ведущая труба постепенно вытесняется и заменяется верхним приводом.
Сегодня типичная буровая колонна состоит из:
Секции бурильных труб – бурильные трубы и соединительные муфты, иногда с расширителями.
- Нижняя часть бурильной колонны (BHA) – в основном бурильные трубы, а также стабилизаторы, амортизаторы, ударные механизмы, расширители и другие забойные инструменты.
Точный состав и типы соединений, используемые в бурильной колонне, зависят от конструкции скважины, геологических условий и эксплуатационных требований.
1. Бурильная труба: основной компонент бурильной колонны.
Бурильная труба является основным компонентом бурильной колонны. Она изготавливается из бесшовной стальной трубы (толщина стенки обычно 9–11 мм). Ее основные функции: передача крутящего момента от буровой установки к долоту, транспортировка бурового раствора к долоту и обратно на поверхность.
По мере углубления скважины к колонне добавляются новые секции бурильных труб, поэтому бурильные трубы играют очень важную роль в бурении нефтяных и газовых скважин.
1.1. Конструкция и технические характеристики бурильных труб.
Соединение бурильной трубы состоит из тела трубы и двух соединительных муфт. Существует два основных способа соединения соединительной муфты с телом трубы:
Мелкорезьбовое соединение: тело трубы имеет мелкорезьбовую наружную резьбу на обоих концах. Труба соединяется с соединительной муфтой, имеющей соответствующую внутреннюю резьбу. Такую трубу часто называют «бурильной трубой с мелкой резьбой».
Соединение методом сварки трением: соединительная муфта приваривается к корпусу трубы методом сварки трением (бурильная труба со сварным стыком). Этот тип стал современным стандартом. Бурильные трубы с мелкой резьбой в значительной степени вытесняются.
Для усиления соединения между корпусом трубы и соединительной муфтой труба утолщается на обоих концах (утолщение концов). Распространенные формы утолщения: IU (внутреннее утолщение), EU (внешнее утолщение), IEU (внутреннее и внешнее утолщение).
Согласно стандарту API, бурильные трубы классифицируются по трем диапазонам длины:
Диапазон 1 (R1): 5,486–6,706 м (18–22 фута), Диапазон 2 (R2): 8,230–9,144 м (27–30 футов), Диапазон 3 (R3): 11,582–13,716 м (38–45 футов).
Наиболее часто используемые наружные диаметры бурильных труб:
88,9 мм (3 1/2 дюйма), 114,3 мм (4 дюйма), 127,0 мм (5 дюймов).
Также используются другие размеры в зависимости от конструкции скважины и предпочтений оператора.
1.2 Марки стали и прочность бурильных труб.
Марка стали бурильной трубы определяется минимальным пределом текучести стали. Согласно стандарту API, к распространенным маркам бурильных труб относятся: D, E – марки с более низкой прочностью, используемые для неглубоких скважин; X-95, G-105, S-135 – высокопрочные марки для более глубоких и сложных скважин.
Чем выше марка стали: тем выше предел текучести; тем выше прочность трубы на растяжение, кручение и сжатие.
При проектировании бурильной колонны обычно рекомендуется повышать прочность бурильных труб путем выбора более высокой марки стали, а не просто за счет увеличения толщины стенки. Это позволяет контролировать вес, одновременно обеспечивая соответствие требованиям по прочности.
2. Типы соединений и муфт бурильных труб.
2.1 Соединительные муфты бурильных труб
Соединительные муфты бурильных труб представляют собой резьбовые соединители, приваренные к обоим концам корпуса трубы. Каждое соединение бурильной трубы имеет: одно штыревое (наружное) соединение, одно муфтовое (внутреннее) соединение с «толстой» резьбой стандарта API для соединения отдельных секций бурильной трубы.
В процессе бурения эти соединения многократно соединяются и разъединяются, подвергаясь высоким зажимным усилиям и износу. Поэтому: соединительные муфты имеют более толстые стенки и больший наружный диаметр, чем корпус трубы. Соединительные муфты изготавливаются из более прочной легированной стали (например, 35CrMo и аналогичных материалов).
Для правильного соединения должны быть выполнены три условия: одинаковый размер трубы, одинаковый тип резьбы, соответствие штыревого и муфтового соединений.
Разные размеры труб имеют разные размеры соединений, и даже для одного и того же размера разные производители могут использовать разные серии резьбы. Для стандартизации этого API определяет серии типов соединений бурильных труб.
2.2. Типы резьбы старого стандарта API: IF, FH и REG.
В старом стандарте API соединения бурильных труб классифицировались следующим образом: IF (внутренняя гладкая поверхность), FH (полное отверстие / полная гладкая поверхность), REG (стандартное).
Каждый тип обладает различными гидравлическими и механическими характеристиками: IF (внутренняя промывка), в основном используется для бурильных труб с утолщенными концами.
Внутренний диаметр соединительной муфты равен внутреннему диаметру утолщенной части и близок к внутреннему диаметру самой трубы.
Преимущества: Хорошие гидравлические характеристики и низкое сопротивление потоку.
Недостаток: больший внешний диаметр.
FH (полное отверстие / полная промывка)
В основном используется для бурильных труб с внутренним утолщением.
Внутренний диаметр резьбового соединения равен внутреннему диаметру утолщенной части, который меньше внутреннего диаметра самой трубы.
Гидравлика: Сопротивление потоку выше, чем в случае идеальной жидкости.
Преимущества: Меньший внешний диаметр по сравнению с внутренним и более высокая общая прочность.
REG (стандартный)
Также используется для бурильных труб с утолщенными концами.
Внутренний диаметр соединительного элемента меньше, чем внутренний диаметр утолщенной части и внутреннего диаметра тела трубы, поэтому в трубе имеется три разных внутренних диаметра.
Гидравлика: Сопротивление потоку является самым высоким из трех вариантов.
Прочность: Наружный диаметр наименьший, а прочность — наибольшая.
Типичное применение: Обычно используется для бурильных труб малого диаметра, бурильных труб с обратной циркуляцией, буровых долот и ловильных инструментов.
Все три типа резьбы используют V-образную форму, но форма резьбы (ширина вершины, конусность и шаг) различается для каждого типа.
2.3 Резьба NC (числовое обозначение соединения)
В связи с быстрым развитием технологии сварки трением бурильных труб, бурильные трубы с резьбовым соединением постепенно вытесняются бурильными трубами со сварными соединениями. Старая серия соединений API имела слишком много различных спецификаций, что создавало неудобства в полевых условиях.
Для упрощения и стандартизации API представила серию соединений NC (Numeric Connection).
Резьбовые соединения NC обозначаются буквами «NC» и двумя цифрами, например: NC26, NC31, NC38, NC50 и т.д.
Цифры соответствуют номинальному диаметру резьбы по базовой окружности.
Например, NC26 означает крупную резьбу с диаметром базовой окружности приблизительно 2,668 дюйма.
Резьба типа NC имеет V-образный профиль со следующими параметрами: плоская вершина резьбы шириной 0,065 дюйма; радиус закругления основания резьбы 0,038 дюйма.
Резьба имеет обозначение V-0.038R и совместима с более ранней резьбой V-0.065, обычно используемой для соединений IF и FH.
Соединения типа NC все чаще используются в нефтяной промышленности, особенно на новых бурильных колоннах.
Некоторые старые соединения API IF, FH и REG все еще используются на устаревших бурильных колоннах и инструментах.
Поскольку резьбы NC и старые резьбы API имеют одинаковые: диаметр по вершинам, конусность, шаг резьбы, длину резьбы,
их часто можно использовать взаимозаменяемо на практике (в соответствии с рекомендациями API), что позволяет операторам постепенно модернизировать бурильные колонны.
2.4 Другие соединения бурильной колонны на месторождении
Помимо резьбовых соединений бурильных труб, полная буровая колонна также включает множество других резьбовых соединений, таких как:
Переходники – используются для соединения труб разного диаметра или с разными типами резьбы
Защитные переходники и износостойкие муфты – защищают часто используемые соединения от износа
Переходники для ведущей трубы/верхнего привода – соединяют верхний привод или ведущую трубу с буровой колонной
Соединения бурильных труб и переходники для долот – соединяют бурильные трубы, долота и другие инструменты нижней части буровой колонны
Инструменты для извлечения – специальные соединения для операций по извлечению оборудования
Все эти соединения соответствуют тем же основным стандартам резьбы, что и соединения бурильных труб, для обеспечения совместимости по всей буровой колонне.
3. Выбор подходящей буровой колонны и соединений.
Состав бурильной колонны и выбор типов соединений напрямую влияют на: крутящий момент, прочность на растяжение и сжатие, гидравлическую эффективность, безопасность и надежность эксплуатации.
В современных наземных и морских скважинах на Ближнем Востоке, в России, Центральной Азии, Южной Америке и Юго-Восточной Азии соединения типа NC стали основными, в то время как некоторые соединения типов IF, FH и REG все еще используются в старых бурильных колоннах и инструментах.
Для новых проектов важно:
Выбрать подходящий наружный диаметр, толщину стенки и марку стали бурильных труб с учетом глубины скважины и нагрузок. По возможности использовать стандартизированные резьбовые соединения типа NC.
Соединяйте бурильные трубы, утяжеленные бурильные трубы (HWDP) и бурильные замки в единую колонну. Сократите количество ненужных переходников и специальных резьбовых соединений.
Правильно спроектированная буровая колонна повышает эффективность бурения и сокращает непроизводительное время, а также количество отказов, связанных с соединениями.
Часто задаваемые вопросы о составе и соединениях бурильной колонны.
Вопрос 1: Каковы основные компоненты буровой колонны?
Буровая колонна в основном состоит из: бурильных труб с резьбовыми соединениями; утяжеленных бурильных труб;
нижней части буровой колонны (НБК) со стабилизаторами, ударными механизмами, расширителями и другими забойными инструментами.
В современных буровых установках традиционный ведущий вал в верхней части колонны заменяется верхним приводом.
В2: Почему соединения типа NC заменили многие старые типы резьбовых соединений API?
Соединения типа NC упрощают разнообразие типов резьбы, сохраняя при этом прочность и совместимость. Они обеспечивают стандартизированные размеры и проще в использовании на месте работ, чем старые серии IF, FH и REG. Это сокращает количество различных типов соединений, с которыми приходится работать буровым бригадам.
Вопрос 3: Как выбрать марку стали для бурильных труб для конкретного проекта?
Марку стали следует выбирать исходя из следующих факторов: планируемая глубина скважины, ожидаемые крутящие, растягивающие и изгибающие нагрузки, а также требования к работе в агрессивной среде (наличие H₂S).
Более низкие марки, такие как D и E, используются для неглубоких или менее сложных скважин. Более высокие марки, такие как X-95, G-105 и S-135, обеспечивают большую прочность для более глубоких и сложных скважин.
Вопрос 4: К кому я могу обратиться за помощью в проектировании буровой колонны?
Если вам нужна помощь в выборе размеров, марок стали и типов соединений бурильных труб для конкретной скважины, вы можете обратиться в нашу инженерную группу. На основе проекта вашей скважины, требований к нагрузке и региональных стандартов мы можем порекомендовать оптимальное сочетание бурильных труб, утяжеленных бурильных труб и бурильных колонн с подходящими соединениями.
Вам необходима полная буровая колонна или сменные буровые трубы с соединениями типа NC для вашего следующего проекта?
Вы можете отправить нам параметры вашей скважины и требования к подключению, и наши инженеры ответят вам коммерческим предложением и расчетом стоимости.
