Буровые трубы для нефтедобычи против бурильных штанг DTH: внешне похожи, но на самом деле не имеют отношения друг к другу.
Однажды новичок в горнодобывающей бригаде схватил со стеллажа, как ему показалось, запасную бурильную штангу и попытался использовать её на погружном буровом молотке. Шток более-менее подходил к патрону. Резьба зацепилась, но не совсем. Компрессор запустился, молоток начал работать, и примерно через двадцать минут штанга скрутилась в спираль в первом резьбовом соединении. Шток не был бракованным. Это была бурильная труба для нефтяной промышленности — предназначенная для вращения, а не для ударного воздействия — и ей предстояло выполнить работу, для которой она изначально не была рассчитана.
Если вы работаете в горнодобывающей и нефтегазовой отраслях, или занимаетесь закупкой оборудования для различных объектов, вы, вероятно, видели бурильные трубы и буровые штанги DTH на одной площадке и задавались вопросом, взаимозаменяемы ли они. Нет, не взаимозаменяемы. Вот четыре причины, по которым они совершенно разные.
Первое отличие: для чего они на самом деле предназначены.
Бурильная труба для нефтяных скважин выполняет всего одну задачу: доставить буровое долото на дно скважины глубиной в несколько тысяч метров, обеспечить достаточное вращение для поворота долота и прокачать буровой раствор через центр для подъема бурового шлама. Вот и все. Вся ее конструкция основана на том, что она работает в глубоких скважинах высокого давления, где главными врагами являются внутренняя коррозия от бурового раствора, внешний износ от трения о обсадную трубу и усталость от циклических нагрузок при подъеме и спуске скважины.
Буровые штанги DTH работают в совершенно ином мире. Их задача — располагаться между молотком DTH и буровой установкой, передавая вращение и давление подачи молотку, одновременно направляя воздух высокого давления через центр для привода поршня молотка и выдувания бурового шлама из скважины. Они не создают ударных воздействий — это делает молоток, — но им приходится выживать в вибрирующей, абразивной среде непосредственно над молотком, где каждый удар посылает ударную волну вверх по стали, а обломки породы проносятся мимо со скоростью, близкой к звуковой.
Бурильные трубы для нефтяных скважин: тысячи метров, вращение, циркуляция бурового раствора. Бурильные штанги DTH: от десятков до сотен метров, вращение плюс вибрация, сжатый воздух. Совершенно разные миры.
Второе отличие: как они выглядят вблизи
Возьмите в руки бурильную трубу для нефтяных скважин, и первое, что вы заметите, — это её вес. Это бесшовная стальная труба, обычно с толщиной стенки от 9 до 11 миллиметров, с гладким круглым поперечным сечением от конца до конца. Концы заканчиваются резьбовыми соединениями, соответствующими стандартам API — IF, FH, NC или аналогичным обозначениям, которые относятся к профилям резьбы, стандартизированным в нефтяной промышленности. Резьба нарезается с высокой точностью, поскольку она должна обеспечивать герметизацию при давлении бурового раствора в тысячи фунтов на квадратный дюйм (PSI) и передавать крутящий момент в десятки тысяч фунто-футов.
Теперь возьмите бурильную штангу DTH. Она легче при той же длине, и вместо гладкой круглой трубки большинство имеют шестигранное поперечное сечение. Шестигранная форма не является декоративным элементом — она обеспечивает плоские поверхности для захвата гаечным ключом при смене штанги и придает штанге большую жесткость на изгиб в направлениях, имеющих значение при ударном бурении. Центральное отверстие предназначено для сжатого воздуха, а не для бурового раствора, поэтому внутренний диаметр определяется объемом воздуха, а не потоком жидкости. Концевые соединения обычно имеют конструкцию с утолщением и плоской поверхностью, которая передает энергию удара от молотка к штанге, не концентрируя напряжение в резьбе — в отличие от профилей резьбы API на нефтепроводах.
Если вы стоите во дворе и пытаетесь их различить, ищите шестигранный корпус. Круглый, тяжелый, с прецизионной конической резьбой? Масляная труба. Шестигранный, легче в расчете на метр, с плоскими соединениями? Шкворень DTH. Вот и ответ.
Третье отличие: как они работают под нагрузкой
Именно это различие объясняет, почему одно никогда не может быть заменено другим.
Бурильная труба в нефтедобывающей отрасли всю свою рабочую жизнь вращается. Верхний привод или поворотный стол вращает всю колонну, и задача трубы — эффективно передавать крутящий момент, не скручиваясь. Нагрузка в основном представляет собой крутящий момент сдвига, а также некоторое растяжение от веса колонны, расположенной ниже. Ударных нагрузок нет. Совсем нет. Труба вращается плавно, или, по крайней мере, настолько плавно, насколько позволяют условия в скважине, и рассчитана на миллионы циклов вращения в течение всего срока службы.
Буровая штанга DTH работает в совершенно ином режиме нагрузки. Молоток в нижней части колонны ударяет по долоту десятки раз в секунду — каждый удар представляет собой ударную волну, которая посылает волну сжатия вверх по штанге. Вдобавок к этому, буровая установка создает вращение — гораздо медленнее, чем на нефтяной платформе, обычно от 20 до 60 об/мин — и давление подачи. Штанга одновременно испытывает кручение, осевое сжатие и высокочастотную вибрацию, а также абразивный износ от обломков породы, пролетающих мимо внешней поверхности в кольцевом пространстве.
Если установить бурильную трубу в буровую установку с погружным насосом, резьбовые соединения, рассчитанные на плавное вращение, начнут трескаться от ударной вибрации уже в первую смену. Корпус трубы, рассчитанный на кручение, деформируется под воздействием сжатия и вибрации. А гладкая круглая поверхность без плоских захватных поверхностей будет проскальзывать в гаечном ключе, затрудняя замену буровой штанги.
Если поместить буровой штангу DTH в нефтяную скважину, шестигранный корпус вызовет турбулентность в буровом растворе, плоские соединения не обеспечат герметичность при пластовом давлении, а штанга — изначально не рассчитанная на тысячи метров вращения — сломается при крутящем моменте, значительно меньшем, чем тот, который обычно испытывает нефтепровод.
Четвертое отличие: из чего они состоят и как оцениваются.
Бурильные трубы для нефтедобычи обозначаются маркой стали — E75, X95, G105, S135, где число обозначает минимальный предел текучести в тысячах фунтов на квадратный дюйм (PSI). Предел текучести труб из стали S135 составляет 135 000 PSI. Это высокопрочные и ударно-вязкие стали, легированные хромом и молибденом для обеспечения коррозионной стойкости к буровым растворам и пластовым жидкостям. Термическая обработка включает закалку и отпуск, что обеспечивает равномерную микроструктуру по всей толщине стенки, способную выдерживать высокие крутящие моменты без хрупкого разрушения.
Буровые штанги для глубокозабойной бурения изготавливаются из различных сплавов с разными приоритетами. Сталь должна обладать высокой твердостью поверхности для сопротивления абразивному износу от бурового шлама — обычно это достигается путем цементации или индукционной закалки внешней поверхности, — но сердечник должен оставаться прочным, чтобы поглощать удары без растрескивания. Такая поверхностно-закаленная структура принципиально отличается от сквозной закаленной структуры нефтепроводов. Содержание легирующих элементов обычно ниже по никелю и выше по марганцу и кремнию, оптимизировано для износостойкости, а не для коррозионной стойкости в глубоких скважинах.
Системы классификации также различаются. Нефтепроводы соответствуют спецификациям API с четко определенными номерами классов. Шахты для гидроразрыва пласта обычно проектируются по собственной системе классификации производителя, привязанной к условиям породы и совместимости с молотком. Вы не покупаете штангу для гидроразрыва пласта класса S135 — вы покупаете штангу, предназначенную для конкретного размера молотка и класса абразивности породы.
Главный вывод
Бурильные трубы и буровые штанги DTH внешне отдаленно похожи друг на друга, подобно тому как у грузовика и внедорожника есть четыре колеса. И то, и другое представляет собой длинные полые стальные трубы, которые соединяются с буровым оборудованием. На этом сходство заканчивается.
Если вы оснащаете буровую площадку в горнодобывающей или строительной отрасли, вам понадобятся буровые штанги DTH — с шестигранным корпусом, закаленные, рассчитанные на ударные и абразивные воздействия. Если на площадку случайно попадет нефтепровод, не используйте его. В результате вы получите деформацию, трещины от усталости и бригаду, которая будет стоять и наблюдать за простаивающей буровой установкой. Правильный инструмент для правильной работы — это не просто рекомендация; в бурении это разница между созданием скважины и образованием брака.
