Стационарные буровые установки состоят из многих конструктивных элементов — режущее долото, электрический привод, насос, противовыбросовая установка и другие. Одними из главных элементов буровой вышки являются бурильные трубы, которые выполняют множество функций. Какими техническими особенностями обладает бурильная труба? И как их правильно хранить и транспортировать? И из каких сплавов делают эти детали?

бурильная труба

Технические особенности

Бурильные трубы — длинные пустотелые изделия цилиндрической формы, длина которых от 3 до 7 метров. Они связывают режущий инструмент и буровую аппаратуру. Для бурения изделия соединяются друг с другом, образуя буровые колонны. Для производства используется высокоуглеродистая сталь. Однако эти детали могут использоваться из высоколегированных сплавов, содержащих противокоррозийные легирующие добавки. С конструктивной точки зрения бурильные трубы в составе буровых вышек выполняются следующие функции:

  • Передача вращательного движения, крутящего момента от электрического привода к режущему долоту на конце установки. Средняя частота вращения составляет 1500-2000 оборотов в секунду.
  • Создание осевой нагрузки (за счет работы вращательного станка + дополнительную нагрузку создает вес). Размер осевой нагрузки зависит от множества параметров, однако он составляет от 1 до 6 тонн.
  • Передача очистительного агента от насоса или компрессора к поверхности участка, где происходит бурение. При необходимости установка может работать в обратном направлении. Тогда труба будет использоваться для подъема по колонне мусора или полезных ископаемых.

Изделия могут обладать различным сечением:

  • Детали с округлыми сечением являются стандартными, а используются они для решения всех основных инженерных задач по бурению скважин.
  • Детали с квадратным сечением применяются для работы со скважинами нестандартной формы (такие детали проще скреплять друг с другом).
  • Шестигранные и восьмигранные детали размещаются на концах колонн (наличие дополнительных граней увеличивает прочность).

На концах труб наносится наружная резьба — она нужна для соединения различных труб между собой. Для соединения отдельных элементов применяются соединительные ниппели и муфты. Для соединения крупных конструкций (более 8 метров) могут применяться бурильные замки, которые надежно фиксируют детали. В случае частого сбора/разбора бурильных колонн также рекомендуется применять бурильные замки, поскольку трубная резьба не рассчитана на частое свинчивание/развинчивание. Муфты, ниппели, замки производятся из высокоуглеродистой либо легированной стали (применяются стальные марки 38 ХНМ, 36Г2С, 35Г2СВ).

ведущая бурильная труба

Виды деталей

Выше представлена информация о стандартных деталях, которые на практике в горном деле используются чаще всего. Плюсы изделий — хорошая прочность, герметичность соединений, большой срок годности, простота эксплуатации. Однако помимо них существуют и некоторые специальные трубные детали — ведущие, утяжеленные, легкосплавные. Они рассчитаны на решение определенных инженерных задач, с которыми стандартные трубы справляются плохо.

Ведущие

Для передачи крутящего момента от колонны к долоту применяется ведущая бурильная труба (ВБТ). Деталь обладает квадратным, шестигранным или восьмигранным сечением. Чтобы придать детали дополнительную прочность, ВБТ-изделия обычно делаются толстостенными. Утолщение создается за счет применения высадок (внешних, внутренних, комбинированных). ВБТ-установки крепятся только на конец колонны — их применение по всей длине бура нецелесообразно как по инженерным, так и по экономическим соображениям. В качестве материала для ВБТ используется сверхпрочная разновидность стали:

  • Высокая прочность полезна для всей детали целиком, поскольку при работе долота отдельные элементы горных пород могут разлетаться в разные стороны с большой скоростью. Из-за этого значительно повышается риск повреждения трубы.  Наличие дополнительной прочности позволяет сохранить целостность установки без образования вмятин, трещин.
  • Высокая прочность также полезна для качества резьбы. При работе бура на больших скоростях значительно повышается риск растрескивания резьбы. Использование более прочных сплавов минимизирует риск растрескивания ВБТ, что делает бур более надежным, прочным.

Утяжеленные

В инженерном деле также применяются утяжеленные бурильные трубы (УБТ). Их главное отличие — применение более толстых стенок, из-за которых увеличиваются общий вес. Производятся УБТ из стали стандартных сортов (высокоуглеродистая либо легированная). УБТ подвергаются механической или термической обработке — это позволяет сохранить однородность изделия, что благоприятно сказывается на прочности стенок. Обычно УБТ обладают круглым сечением, однако существуют детали с квадратным либо шестигранным сечением. Применение УБТ позволяет решить следующие инженерные задачи:

  • Бурение твердых пород. Увеличение веса позволяет создать дополнительную нагрузку, увеличивается сила удара долотом о поверхность горных пород. Поэтому с помощью УБТ гораздо проще разбивать тяжелые породы, обладающих высокой прочностью.
  • Повышение прочности скважины. В случае нестабильного геологического участка всегда есть риск обвала скважины с уничтожением буровой колонны. Применение более толстых УБТ-конструкций позволяет минимизировать риск «схлопывания» или разрушения скважины в случае аварии. Применение УБТ особенно критично для регионов, которые находятся рядом с источниками геологическим катаклизмов (оползни, обвалы, землетрясения).

утяжеленные бурильные трубы

Легкосплавные

На практике большое распространение также получили легкосплавные бурильные трубы (ЛБТ). Их главное отличие от стандартных трубных конструкций — это применение более легких металлических сплавов на основе алюминия, а также наличие более толстых стенок. ЛБТ-детали обычно обладают круглым сечением, а крепятся они посередине бурильной колонны. Во всем остальном конструкция ЛБТ-установок аналогична строению обычных труб — у ЛБТ отсутствуют швы, на концах установок имеется резьба и так далее. По прочности ЛБТ-системы лишь немного ниже стандартных труб на основе стали. Зачем же понадобилась разработка ЛБТ? Ответ:

  • Стандартные трубные конструкции на основе стали обладают высоким весом. При работе с небольшими скважинами большой вес бура не имеет серьезного значения. Однако в случае глубоких скважин общий вес вышки начинает серьезно возрастает, что делает буровую установку ненадежной.
  • Особенно критичен фактор веса в случае работы с жидкими средами, где частички жидкости могут прилипать к трубе из-за высокой вязкости. Это дополнительно увеличивает итоговый вес конструкции, что может привести к нарушению ее работы.
  • Применение алюминиевых сплавов уменьшает риск обрушения бура. В вакууме удельный вес алюминиевых сплавов в 2-3 раза ниже стали. Поэтому в случае длинных буров применение алюминия позволяет снизить общий вес конструкции, что благоприятно сказывается на качестве, точности, надежности бурения.
  • Использование алюминиевых сплавов позволяет также увеличить максимальную глубину погружения бура. Поэтому ЛБТ-конструкции часто используются в разведочном, структурно-поисковом бурении, а также при капитальном ремонте скважин.

С приваренными замками

Традиционные бурильные трубы имеют на концах специальную резьбу, которая используется для соединения трубных элементов друг с другом с помощью ниппелей, муфт, специальных замков. Однако подобный способ соединения обладает серьезным недостатком — в случае высоких нагрузок может серьезно страдать качество герметизации. Из-за этого нарушается прочность установки, что может привести к различным неприятным последствиям — снижение качества бурения, уменьшение КПД, растрескивание вплоть до полного выхода бурильной установки из строя. Чтобы минимизировать значение этих факторов, была изобретена бурильная труба с приваренными замками (ТПЗ).

Замки могут привариваться по внутренней либо по внешней высадке. Также существуют ТПЗ с композитными замками, которые наносятся как по внешней, так и по внутренней высадке. Приваренные замки имеют на своем конце специальную резьбу под ниппель или муфту. Чтобы сделать установку более надежной, наконец ТПЗ наносится термозащитный слой, защищающий замок от резких колебаний температур. ТПЗ обычно обладают более высокой длиной — от 8 до 12 метров (стандартные трубы обладают длиной от 3 до 7 метров).

ТПЗ не получили широкого распространения, а на практике они используются редко:

  • Низкая распространенность связана с более высокой стоимостью одного изделия. Для проведения качественной сварки требуются дополнительные расходы (электричество, электроды, присадки), тогда как обычные трубы не нуждаются в дополнительных расходах на сварку.
  • Также определенную роль играют исторические причины. В 90-е годы множество заводов выпускали низкокачественные ТПЗ-системы, которые отличались низким качеством сварного шва. Сегодня ситуация изменилась в лучшую сторону, а на рынке можно найти множество хороших ТПЗ-установок, которые имеют хорошее качество сварного шва. Однако по инерции инженеры продолжают пользоваться обычными трубами.

легкосплавные бурильные трубы

Транспортировка, хранение

Для транспортировки бурильных труб можно использовать все основные виды транспорта — автомобильный, водный, воздушный, железнодорожный. Для удобства рекомендуется упаковывать отдельные трубы в небольшие пакеты, которые удобно переносить, транспортировать. В случае железнодорожного или автомобильного транспорта упаковки рекомендуется привязывать к специальным брусьям, которые имеют надежную фиксацию на платформе или в грузовике. Трубные изделия допускается перевозить с помощью вертолетов с помощью грузовых платформ.

Правила хранения:

  • Оптимальный способ хранения — это применение стеллажей. Стеллажи должны иметь надежную фиксацию, чтобы предотвратить самопроизвольное перекатывание. Стеллажи должны соприкасаться с трубными изделиями минимум в трех точках (в противном случае сохранность изделий не гарантируется). Минимальное расстояние между полом и опорой стеллажа должно составлять 35 сантиметров.
  • Детали должны быть рассортированы по группам. В случае обнаружения повреждения изделие должна быть помещена на отдельный стеллаж. Каждый стеллаж должен быть оснащен небольшой информационной табличкой, где кратко описаны характеристики изделий (в случае поврежденных изделий необходимо прикрепить табличку с надписью «БРАК»).
  • Самым чувствительным элементом является резьба. Во время хранения на складе резьба каждого изделия должна быть смазана смазкой, которая предотвращает ее коррозию. Тип смазки зависит от множества параметров — температурный режим, длительность хранения и другие. После нанесения защитной смазки резьбу также нужно защитить с помощью предохранительных резьбовых деталей, которые увеличивают срок годности смазки. Процесс нанесения смазки и защитного покрытия называют консервацией.
  • В случае нарушения герметизации либо по истечении срока действия смазки необходимо выполнить повторную консервацию. Для этого предохранители свинчиваются, а остатки смазки стираются с помощью специальных тряпок. После этого наносится новый слой консервационной смазки, прикручиваются новые защитные детали. Основные примеры разгерметизации — контакт с щелочами или кислотами, длительное нахождение на открытом воздухе (более 1 года), длительный контакт с водой (более 2 недель).

буровые колонны

Заключение

Теперь вы знаете о том, что такое бурильная труба и зачем она нужна. Давайте подведем итоги. Бурильные трубы — это полые цилиндрические изделия, которые используются для сбора буровых колонн. Колонны используются для передачи вращательного импульса от привода бура к долоту. Бурильные трубы делаются из стали с большим содержанием легирующих компонентов. Трубные изделия обычно обладают округлым сечением, хотя встречаются также специальные детали, которые могут иметь квадратное, шестиугольное либо восьмиугольное сечение. На концах трубных изделий наносится резьба — она нужна для соединения отдельных деталей друг с другом с помощью муфт, замков. Средняя длина изделий — от 3 до 7 метров. Помимо стандартных бурильных изделий существуют изделия специального типа — ВБТ, УБТ, ЛБТ, ТПЗ.

ВБТ обладают квадратным либо шестиугольным сечением, а также толстыми стенками. ВБТ нужны для присоединения долота к буровой колонне. УБТ обладают повышенным весом, а используются они для решения специальных задач — бурение твердых пород, повышение надежности скважины и другие. ЛБТ обладают пониженными весом за счет применения алюминиевых сплавов, а нужны ЛБТ для создания длинных скважин. У ТПЗ на концах имеются приваренные замки — это положительно сказывается на герметизации, прочности колонны. Однако ТПЗ не получили широкого распространения из-за высокой цены. Буровые детали имеют специальные правила хранения, транспортировки. Их можно перевозить любым транспортом — грузовиками, кораблями, вертолетами, поездами. Хранить их рекомендуется на специальных стеллажах. Детали должны быть рассортированы по группам для удобства рабочих, а на каждом стеллаже должна быть расположена табличка-указатель. Резьбу периодически нужно смазывать специальной смазкой, чтобы минимизировать риск возникновения ржавчины.

Используемая литература и источники:

  • Теория термической обработки металлов. Учебник / И.И. Новиков. — М.: Металлургия
  • Металлы и расчет на прочность котлов и трубопроводов / П.А. Антикайн. — М.: Энергосервис, 2001
  • Буровое оборудование на Википедии