Бурильные трубы испытывают в скважине различные напряжения: во время спуска бурового снаряда подвергаются растяжению, особенно в верхней части колонны, в процессе бурения они одновременно подвергаются скручиванию, изгибу, растяжению в верхней и сжатию в нижней частях колонны, вибрационным нагрузкам; при подъеме снаряда, особенно если он прихвачен в скважине, они испытывают большие растягивающие усилия. Кроме того, при вращении в скважине бурильные трубы и элементы их соединения подвергаются износу по наружной поверхности. Знакопеременные нагрузки, действующие на бурильную колонну при значительном зазоре между нею и стенками скважины, а также в искривленной скважине, приводят к быстрой усталости металла.

Рис. 1. Бурильные трубы:
а — труба ниппельного соединения; б — ниппель типа А; в — ниппель типа Б; г — труба муфтового соединения; д — ниппель замка; е — муфта замка

Тяжелые условия работы бурильной колонны предъявляют высокие требования к качеству металла для бурильных труб, их конструкции и элементам соединения.

В геологоразведочном бурении применяют бесшовные стальные бурильные трубы (СБТ), а также легкосплавные бурильные трубы (ЛБТ).

Для бурения скважин обычно применяют трубы, имеющие на концах правую соединительную резьбу, а для ликвидации некоторых аварий и при бурении с левым вращением снаряда для уменьшения интенсивности естественного искривления скважин используют трубы с левой резьбой.

Для увеличения прочности в местах соединений концы бурильных труб перед нарезкой на них резьбы утолщаются высадкой внутрь при температуре нагрева 1170—1230 °С. С целью улучшения структуры высаженный участок труб подвергается нормализации — нагреву до температуры 840—860 °С с последующим медленным охлаждением на воздухе. Поверхно’сть бурильных труб целесообразно подвергать закалке токами высокой частоты или индукционной закалке.

Институт электросварки им. Е. О. Патона разработал технологию плазменной наплавки износостойких композиционных материалов на элементы бурильной колонны. Композиционный материал состоит из армирующих зерен релита, размещенных в легированной матрице типа колмоной.

Различают два типа соединений бурильных труб в колонну: ниппельное и муфтово-замковое.

Трубы ниппельного соединения в соответствии с ГОСТ 8467—57 выпускаются трех размеров по наружному диаметру: 33,5; 42 и 50 см. На концах они имеют внутреннюю трапецеидальную резьбу с шагом 6,35 мм. Трубы (по ГОСТ 8482—57) соединяются в свечи ниппелями типа А, имеющими с обеих сторон наружную резьбу. Свечи между собой соединяются двумя ниппелями: ниппелем типа А и ниппелем типа Б, имеющим на одном конце наружную трубную резьбу, а на противоположном— внутреннюю резьбу для свинчивания с ниппелем типа А. Ниппель типа Б снаружи имеет две прорези. Нижняя служит для подвешивания колонны под устьем скважины на подкладной вилке, а верхняя — для захвата элеватором.

Ниппельное соединение труб обеспечивает гладкую наружную поверхность бурильной колонны.

Недостаток колонны труб ниппельного соединения — большие гидравлические сопротивления из-за малого проходного отверстия ниппелей, а также большая затрата времени на свинчивание и развинчивание цилиндрических соединительных резьб.

Трубы муфтово-замкового соединения имеют наружный диаметр 42; 50; 63,5 (ГОСТ 7909—56) и 73 (ГОСТ 631—75) мм. На концах они имеют наружную треугольную резьбу (8 и 10 ниток на 25,4 мм) с небольшой (1 : 16) конусностью. Трубы в свечи соединяются муфтами, представляющими собой патру-

бок с внутренней трубной резьбой. Свечи соединяются замками (ГОСТ 7918—75), состоящими из двух половин: ниппеля и муфты. На один конец свечи навинчивается ниппель, имеющий внутреннюю резьбу под трубу и наружную для соединения с муфтой замка. На другой конец свечи навинчивают муфту, которая имеет на обоих концах внутреннюю резьбу: под трубу и ниппель. Половины замка соединяются крупной резьбой — 6 ниток на 25,4 мм при конусности 1 : 5.

Трубы муфтово-замкового соединения обеспечивают повышенную прочность бурильной колонны и минимальные гидравлические сопротивления прокачиваемой промывочной жидкости.

В соответствии с указанными выше Государственными стандартами стальные бурильные трубы изготовляют из стали марок 36Г2С, 40Х, ЗОХГС и из стали группы прочности Д, а элементы их соединения — из стали марок 40Х; 45У и 40ХН.

Современным и перспективным условиям бурения геологоразведочных скважин отвечает разработанная ВИТРом новая отраслевая нормаль (ОН41-1-168) на бурильные трубы.

Этой нормалью предусмотрено изготовление труб из стали групп прочности Д, К, Л, М. Бурильные трубы ниппельного соединения диаметром 24, 32, 42, 54 и 68 мм предназначены для алмазного бурения скважин средних глубин (до 1000 м) при высоких частотах вращения бурового снаряда, а диаметром 38 и 50 мм — для алмазного бурения глубоких скважин при сравнительно небольших частотах вращения снаряда. Трубы муфтово-замкового соединения диаметром 50; 60,3 .и 73 мм следует применять при бурении скважин большой глубины алмазными коронками диаметром 76, 93 и 112 мм, а также при бурении скважин неалмазными породоразрушающими инструментами диаметром 76 мм и более.

С ростом глубин и форсированием режимов бурения геологоразведочных скважин повышается расход мощности на холостое вращение бурового снаряда и извлечение его из скважины. В связи с этим необходимо снижение массы бурильной колонны. В последние годы стальные трубы частично заменяются легкосплавными из алюминиевого сплава Д16Т, имеющего плотность 2,78 • 103 кг/м3. Наибольшее применение в настоящее время имеют трубы ниппельного соединения диаметром 68 (ЛБТН-68), 54 (ЛБТН-54) и 42 (ЛБТН-42) мм, предназначенные для работы алмазными коронками диаметром соответственно 76,59 и 46 мм, а также трубы муфтово-замкового соединения диаметром 54 мм (ЛБТМ-54), предназначенные для бурения коронками диаметром 76 мм.

Ниппели и замки для ЛБТ изготовляют из стали марки 40ХН; а муфты — из стали марки 36Г2С. Замки и ниппели закаливают ТВЧ.

Применение легкосплавных бурильных труб позволяет бурить на высоких частотах вращения снаряда на большие глубины.

Гладкоствольную бурильную колонну (ниппельного соединения) следует применять для бурения скважин на высоких

Бурильную колонну муфтово-замкового соединения нужно использовать при бурении скважин:
1) диаметром 76 мм с большой осевой нагрузкой и частотой вращения снаряда до 400 об/мин;
2) с большими расходами промывочной жидкости для снижения гидравлических сопротивлений;
3) с эрлифтной призабойной циркуляцией промывочной жидкости.

Срок службы и аварийность бурильной колонны зависят не только от качества, но и от правильной эксплуатации бурильных труб.

Поступающие в геологоразведочные организации трубы и их соединения должны подвергаться выборочному контролю. Специальными калибрами контролируются резьбы, проверяются кривизна труб, твердость наружной поверхности, устанавливается отсутствие механических повреждений. Контролю подвергается 10% каждой полученной партии инструмента. При обнаружении хотя бы в одном из проверенных изделий партии отклонений от требований ГОСТ по любому проверяемому параметру объем выборочной проверки удваивается. В случае повторного обнаружения дефекта вся партия инструмента бракуется, о чем составляется акт.

Транспортировка, погрузка, разгрузка и хранение труб должны осуществляться с соблюдением мер, исключающих их механические повреждения. Резьба труб должна быть смазана антикоррозийной смазкой и предохранена специальными кольцами или ниппелями.

Бурильную колонну нужно составлять из одинаковых по степени износа бурильных труб, в зависимости от которой бурильные трубы и элементы их соединения делятся на 3 класса. Новые бурильные трубы (1 класс) используют для бурения глубоких скважин. По мере износа бурильных труб допустимая глубина применения их в скважинах уменьшается. Бурильные трубы с износом более чем на 2 мм бракуются и в работу не допускаются.

Партию бурильных труб следует отрабатывать так, чтобы обеспечить их равномерный износ. Например, при бурении скважины глубиной до 300 м комплект труб разбивают на два подкомплекта. Первую половину глубины скважины бурят первым подкомплектом, вторую половину начинают бурить вторым подкомплектом и по мере углубки скважины бурильную колонну наращивают трубами первого подкомплекта в обратном порядке по сравнению с применением их при бурении первой половины скважины. При бурении более глубоких скважин бурильные трубы разбивают на четыре подкомплекта и более, а отработку их ведут с таким расчетом, чтобы все бурильные трубы комплекта были в работе одинаковое время.

Для контроля за состоянием элементов бурильной колонны применяется передвижная дефектоскопическая станция ПДС, смонтированная на автомашине УАЗ-542 В. В комплект станции входят дефектоскоп бурильных труб ДБТ, детектор износа труб ДИТ и ультразвуковой толщиномер «Кварц-6», позволяющие обнаружить усталостные трещины в высаженных концах СБТ с конической резьбой, определить толщину стенки труб, выявить износ труб, контролировать наружный диаметр муфт и замков. Контроль обычно производится в процессе проведения СПО.

Нижняя часть бурильной колонны, массой которой создается необходимая при бурении осевая нагрузка на породораз-рушающий инструмент, испытывает большое напряжение сжатия. Верхняя часть колонны находится в растянутом состоянии. Исследования показывают, что наибольшее количество обрывов бурильных труб происходит в сжатой части колонны. Поэтому при бурении скважин большого диаметра (76—152 мм) с большими осевыми нагрузками нижняя часть бурильной колонны собирается из утяжеленных бурильных труб (УБТ), имеющих значительную массу и повышенную жесткость. Включение в снаряд жесткой колонны УБТ, массой которых обеспечивается осевая нагрузка на породоразрушающий инструмент, Улучшает условия работы колонны, уменьшает вероятность искривления скважины.