ПЛАВАЮЩАЯ БУРИЛЬНАЯ ТРУБА

Изобретение относится к бурению тоннельных стволов диаметром до 1400 мм для прокладки нефте-газо-продуктопроводов, линий связи, ЛЭП и др.
Плавающая труба предназначена для передачи крутящего момента от буровой установки долоту или расширителю, которыми бурятся скважины, для подачи промывочной жидкости от насоса к забою бурения, и для создания нагрузки на долото или расширитель, для разрушения горной породы при бурении скважины. Все эти вопросы выполняются колонной бурильных труб.
При современном состоянии техники и технологии ведения буровых работ бурится много видов скважин на нефть, газ и воду.
Бывают скважины вертикальные, наклонно-направленные и вертикальные и с переходом в горизонтальные. В настоящее время разрабатывается технология и ведется бурение скважин диаметром 300-1400 мм под преградами с входом ствола скважины в породу до преграды, бурение под преградой и с выходом ствола скважины на поверхность за преградой, длиной скважины до нескольких тысяч метров. Такие стволы бурятся для прокладки нефтегазопроводов, линий электропередач и связи под реками, шоссейными и железнодорожными магистралями, озерами и другими естественными и искусственными преградами.
Во всех случаях проводки вертикальных, наклонно-направленных, в том числе и наклонно-горизонтальных стволов при бурении первоначального "Пилотного" ствола под преградами бурение ведется «от себя», т.е. на удаление от буровой установки. Создание нагрузки на породоразрушающий инструмент-долото в вертикальных и наклонно-направленых скважинах производится за счет веса расчетного количества утяжеленных бурильных труб (УБТ) и частичной разгрузки на забой веса бурильной колонны. При бурении «Пилотной» скважины под преградами подача бурильной колонны к забою и создание нагрузки на долото производится буровой установкой, т.к. вся бурильная колонна в данном случае лежит на стенке в наклонной и горизонтальной части ствола.
Вес колонны в данном случае работает не на проводку стола, а создает дополнительные, значительные вредные нагрузки на буровую установку от сил трения о стенки ствола скважины и сил знакопеременной нагрузки на изгиб при вращении. При бурении под преградами колонна бурильных труб находятся в особо тяжелых, непривычных условиях, по сравнению с вертикальными и наклонными стволами. В этом случае бурильная колонна, соединяющая долото с механизмами привода буровой машины, установленными на поверхности земли, представляет собой подобие приводного вала большой длины при весьма ограниченных поперечных размерах, работающего без промежуточных опор. Этот вал передает значительную мощность, необходимую долоту или расширителю
для эффективного разрушения разбуриваемых пород, затрачиваемую на преодоление значительных сил сопротивления от трения колонны в жидкости о стенки скважины. При этом вал находится в сложном напряженном состоянии от действия растягивающих, сжимающих и изгибающих нагрузок, создающихся при вращении в довольно пространственном стволе скважины и имеющего значительный собственный вес. От закручивания бурильной колонны в пружину из-за ее большого веса и сил трения в стволе скважины большого диаметра с последующим ее разворотом толчками, создает эффект раскрепления резьб замковых соединений. После раскрепления резьбы замкового соединения происходит срыв резьбы и разъединение бурильной колонны. После раскрепления резьбы замкового соединения в горизонтальном стволе большого диаметра повторное соединение безрезультатно, приходится перебуривать ствол заново.
Из патентной литературы известна бурильная труба с газовой футеровкой см пат. РФ №02149975 МПК Е 21 В 17/00 опуб. 11.06.1997 г. бюл. №23. Изобретение рассматривает специальные вопросы бурения вертикальных разведочных, добывающих нефтяных, газовых и специальных скважин с научными целями. Предложено устройство бурильной трубы, включающее оснащенный замковыми соединениями несущий трубный корпус с размещенными на его поверхности покрытием в виде кольцевого поплавкового элемента, плотностью, меньшей плотности жидкости, заполняющей скважину. Поплавковый элемент выполнен в виде сосуда малого диаметра, заполненный гелием. Изобретение не рассматривает цели облегчения бурильной трубы в жидкости. Оснащение грубы поплавковым элементом технологически сложно и дорого. Поплавковые элементы не защищены по прочности от гидроударов прокачиваемой жидкости, особенно в условиях экстремально низких или высоких температур атмосферы или сверхглубоких скважин. Нет гарантированного срока службы поплавковых элементов, особенно при работе с кислотами и щелочами, применяемыми при бурении скважин. В случае утечки облегчающего газа из разгерметизировавшихся контейнеров бурильные трубы тяжелеют, и их подъем из сверхглубокой скважины станет невозможным, т.к. нагрузки на металл трубы от растяжения станут запредельными.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному техническому решению является, бурильная труба, защищенная патентом РФ №2015293 МПК Е 21 В 17/00 бюл. №12, 1994 г. В изобретении рассматривается вопрос облегчения бурильных труб в промывочной жидкости при бурении различного вида разведочных, добывающих нефтяных и газовых скважин, но данное техническое решение не рассматривает вопросы бурения наклонных и горизонтальных стволов скважин большого диаметра до 1400 мм. Бурильная труба содержит корпус с соединительными замковыми элементами и расположенные в полости корпуса кольцевые поплавковые элементы. Для прокладки дюкеров, нефтегазопроводов, кабелей ЛЭП и связи, авторы патента предлагают
изготовление и размещение облегчающего элемента грубы в пластиковых или алюминиевых контейнерах, которые в условиях прокачки кислот и щелочей по трубам не работают. Жидкость по бурильным трубам, при бурении всех видов стволов скважин, прокачивается только поршневыми насосами двойного и одностороннего действия. Пульсация давления и гидроудары при работе поршневыми насосами неизбежны. Контейнеры с облегчающим материалом или поплавковые элементы, как говорится в описании изобретения, находятся в среде пульсирующего давления жидкости с гидравлическими ударами до 200-250 атмосфер, не имея необходимой прочности, будут обязательно деформироваться в сторону уменьшения объема при повышении давления и гидроударах. В оболочках контейнеров и самом облегчающем материале возникнут трещины уже на первых часах работы. Жидкость, которая прокачивается через трубы, проникнет в облегчающие элементы и удельный вес их сравняется с удельным весом промывочной жидкости. В результате этого эффект облегчения бурильных труб исчезнет. Дороговизна этих труб будет неоправдана.
Настоящее изобретение устраняет недостатки прототипа и выполняет задачу облегчения веса бурильной колонны для снятия вредных нагрузок. Это достигается путем разработки и создания, плавающих или значительно облегчающихся в промывочной жидкости бурильных труб за счет выталкивающего эффекта, по закону Ньютона. Снижение веса бурильных труб позволит устанавливать промежуточные опоры-центраторы, которые приблизят вращающуюся колонну к осевой линии скважины. Приближение колонны к оси скважины снизит знакопеременные нагрузки на изгиб по телу трубы и в резьбовых соединениях. Снизятся нагрузки на вращательный и подающий механизм бурового станка от снижения веса колонны и сил трения.
Для бурения этих же стволов потребуется буровая установка меньшей мощности, снизятся проблемы по ликвидации аварий и затраты на проводку стволов-скважин в целом. Станет возможным бурение стволов большей протяженности.
Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в формуле изобретения общих с прототипом, таких как плавающая бурильная труба, включающая замковые соединительные элементы, связанные с трубчатым корпусом и отличительных существенных признаков, таких как в стенке корпуса грубы по всей ее длине выполнена воздушная кольцевая полость. Вышеперечисленные признаки обеспечивают:
1. Снижение затрат мощности на преодоление сил фения тела трубы о породу слагающую стенки скважины.
2. Снижение величины крутящею момента, для привода во вращение породоразрушающего инструмента долота или расширителя, применяемого для бурения скважины.
3. Снижение растягивающих усилий, прилагаемых буровой установкой, на бурильную колонну при создании нагрузки на долото или расширитель,
разрушающих горную породу.
4. Снижение знакопеременных растягивающих, крутящих и изгибающих нагрузок в скважине большою диаметра.
5. Возможность установки промежуточных опор под бурильную колонну для снижения усилий и исключения закручивания бурильной колонны, состоящей из этих труб, в пружину, что исключает ее поломку и исключает аварийность от поломки труб в скважинах подобной конструкции.
Изобретение иллюстрируется чертежом, где показана труба, включающая замковые соединительные элементы: замковую муфту 1 и замковый ниппель 2 связанные с трубчатым корпусом 3. В корпусе 3 трубы по всей ее длине выполнена воздушная кольцевая полость 4, ограниченная внутренней 5 и наружной 6 стенками, соединенными с замковыми элементами 1 и 2 сварным швом внутренним 7 и наружным 8. Трубчатый корпус 3 имеет проходной канал 9 для жидкости.
Бурильная колонна для бурения стволов скважин под всевозможными преградами собирается из отдельных бурильных труб. Создание в стенке тела трубы по всей ее длине воздушной кольцевой полости, погружение которой в жидкость создает выталкивающую силу, и которая облегчит общий вес трубы и бурильной колонны в целом. Такую трубу авторы назвали "плавающей". Для соединения труб между собой на концах каждой трубы нарезана замковая резьба 10. С одного конца резьба замковая - муфтовая с другого конца резьба замковая - цинковая. После сборки всех деталей при помощи сварки получается бурильная труба с воздушной кольцевой полостью 4 и проходным каналом 9.
Расчет бурильной трубы, необходимых размеров, на плавучесть в промывочной жидкости.
1. Наружная труба:
Наружный диаметр Dнар.=177,8 мм.
Толщина стенки - δ=6,9 мм.
Вес 1 погонного метра с учетом веса муфт 29,1 кг. на п.м.
2. Внутренняя труба НКТ- 2" Dнар. 60,3 мм.
δ=5 мм. Вес 1 погонного метра с учетом веса муфт 6,93 кг.
3. Объем вытесненной жидкости будет
R - радиус трубы наружной Dнар:2=88, 9 мм. L=10 дециметров.
2
V=L×π×(Dнар:2)
2
V=10×3,14×88,9=10×2,4816-24,816 л. на 1 п.м.
4. Выталкивающая сила в глинистом растворе γ=1,14 кг/дм. Будет Рвыт.=V×γ=24,816×1,14=28,290 кг. на 1 погонный метр.
5. Общий вес "плавающей" бурильной трубы в воздухе будет:
1
воды
G=G+С2+G; где
1
G - вес 1 пог. метра трубы наружной 29,1 кг на 1 пог. Метр
2
g- вес 1 пог. метра НКТ 2"=6,93 кг. на 1 пог. м. Внутренний объем 2" трубы 2 литра на 1 п.м., при условии заполнения ее водой вес внутри трубы G воды будет 2 кг. на 1 п.м. 6. Общий вес плавающей грубы
1
2
воды
G=G+G+G=29,1+6,93+2=38,03 кг.на 1 п.м
С учетом выталкивающей силы вес одно погонного метра "плавающей" трубы в растворе будет:
Gплав.=G-Рвыт.=38,03-28,29 9,74 кг. на 1 п.м.
Бурильная труба 139,7 мм., которой бурятся скважины под преградами, имеет вес одного погонного метра 32,6 кг или 35,6 кг. Таким образом, снижение веса бурильной колонны в горизонтальной скважине будет: 35,6 кг -9,74 кг =25,86 кг на один погонный метр.
В таблице приведено сравнение весов колон обычных труб и "плавающих".
Согласно изобретению плавающая бурильная груба изготавливается двустенной. Стенки трубы, как внутренняя, так и наружная, изготавливаются из той же марки стали, что и обычные бурильные трубы. Толщина стенок расчетная и предусматривает работу в гидродинамических условиях без риска разрушения.
Прочность трубы на растяжение, кручение расчетная и не отличается от тру б необходимых для бурения этих скважин.
Эффект плавающей грубы при бурении наклонных и горизонтальных стволов скважин большого диаметра сохранится до конца эксплуатации, т.е. до предельно-допустимого износа толщины стенок и резьбовых соединений, что естественно для всех видов бурильных труб.
Прочность конструкции, надежность эксплуатации, простота изготовления и низкая себестоимость плавающей трубы несравнима со всеми аналогами предыдущих изобретений. Испытания грубы предлагаемой конструкции показали положительные результаты.
Таблица
Длина Колонны
Бурилка станд. 139,7 мм.кг.
Труба 177,8мм, кг. Плавающая.
ИТОГО
100
3560
974
200
7120
1978
27% ОТВЕСА СТАНДАРТНОЙ ТРУБЫ
300
10680
2922
139,7 мм.
400
14240
3896
500
17800
4870
1
35,6 кг 1 п.м.
9,74 кг 1 п.м.