Алюминиевые бурильные трубы

Легкосплавные бурильные трубы (ЛБТ) — назначение и область применения

Легкосплавные бурильные трубы (ЛБТ) применяются в компоновке бурильной колонны при бурении глубоких, сверхглубоких, наклонных и горизонтальных нефтяных и газовых скважин. Основное назначение — облегчение бурильной колонны без потери необходимой прочности. Алюминиевые бурильные трубы наиболее эффективны при работе с забойными гидравлическими двигателями, а также при бурении скважин с проектной глубиной более 3000 м.

Трубные заготовки для ЛБТ изготавливают методом прямого гидравлического горячего прессования. Этот способ обеспечивает высокую чистоту и низкую шероховатость внутренней поверхности трубы, что снижает гидравлические потери при прокачке бурового раствора примерно на 20 % по сравнению со стальными бурильными трубами аналогичного сечения.

Требования к конструкции и техническим характеристикам ЛБТ установлены в ГОСТ 23786-79 «Трубы бурильные из алюминиевых сплавов. Технические условия». На международном уровне действует стандарт ISO 15546:2011 «Бурильные трубы из алюминиевых сплавов для нефтяной и газовой промышленности».

Материал — алюминиевый сплав Д16Т

Основной объём трубных заготовок для ЛБТ изготавливают из высокопрочного алюминиевого сплава Д16Т — дюралюминия системы Al–Cu–Mg, легированного марганцем. Буква «Т» в обозначении указывает на термическую обработку: закалку с последующим естественным старением. Химический состав сплава Д16 нормируется ГОСТ 4784.

Основные физико-механические свойства сплава Д16Т

Параметр	Значение
Плотность	2780 кг/м³
Предел прочности при растяжении (σв)	440–470 МПа
Предел текучести (σ0,2)	330 МПа
Твёрдость по Бринеллю	125–130 НВ
Максимальная рабочая температура	до 150–160 °С

Плотность сплава Д16 (2780 кг/м³) примерно в 2,8 раза ниже плотности стали (7850 кг/м³), что обеспечивает значительное снижение массы бурильной колонны. При повышении температуры свыше 150 °С прочностные характеристики Д16Т начинают заметно снижаться, поэтому использование ЛБТ в высокотемпературных скважинах ограничено.

При повышенных требованиях к коррозионной стойкости — в условиях контакта с морской водой, сероводородом (H₂S) или диоксидом углерода (CO₂) — для изготовления ЛБТ применяют высокопрочный сплав 1953Т1 системы Al–Zn–Mg.

Конструкция алюминиевых бурильных труб

ЛБТ представляют собой сборную конструкцию: тело трубы из алюминиевого сплава с навинченными по концам элементами стального бурильного замка — муфтой и ниппелем. Замки изготавливают из стали марки 40ХН (предел текучести 735 МПа) облегчённой конструкции типа ЗЛ. Замковые резьбы выполняются по ГОСТ Р 50864 и полностью взаимозаменяемы с резьбами стандарта API Specification 7-2.

Типы труб по ГОСТ 23786-79

Стандарт предусматривает два основных типа ЛБТ:

Тип	Описание
ТБ	Трубы с внутренними концевыми утолщениями
ТБП	Трубы с протекторным утолщением в средней части для улучшения центрирования в стволе скважины

Трубы диаметром 73 и 90 мм изготавливаются без протекторного утолщения и поставляются без замков. Трубы диаметром 129 и 147 мм имеют концевое утолщение увеличенной длины со стороны муфты замка — в зоне работы клиньев ротора, что повышает износостойкость в этой наиболее нагруженной области.

Типоразмеры и масса ЛБТ

Наиболее распространённые типоразмеры легкосплавных бурильных труб:

Наружный диаметр, мм	Толщина стенки, мм	Типоразмер замка	Присоединительная резьба
114	9, 11	ЗЛ-140	З-121
129	9, 11	ЗЛ-152	З-133
147	9, 11, 13	ЗЛ-172	З-147

Средневзвешенная масса одного погонного метра ЛБТ с замками составляет около 16 кг — это существенно меньше, чем у стальных бурильных труб аналогичных типоразмеров.

Преимущества ЛБТ перед стальными бурильными трубами

Малая плотность алюминиевого сплава и связанное с ней снижение массы колонны — главное, но не единственное преимущество ЛБТ. Рассмотрим основные эксплуатационные свойства.

Низкая масса и высокая удельная прочность

Масса алюминиевой бурильной трубы примерно в 2,8 раза меньше массы стальной трубы аналогичного сечения. Это позволяет существенно снизить нагрузку на буровую установку и наземное оборудование при спуско-подъёмных операциях. Удельная прочность (отношение предела прочности к плотности) сплава Д16Т сопоставима с удельной прочностью конструкционных сталей, при значительно меньшей абсолютной массе.

Виброгасящие свойства

Модуль упругости алюминиевого сплава Д16Т примерно в 3 раза ниже, чем у стали. Это обеспечивает повышенные виброгасящие свойства: демпфирующая способность ЛБТ примерно в 1,5 раза выше, чем у стальных бурильных труб. Грамотный подбор компоновки колонны с включением ЛБТ позволяет снизить вибрации и избежать резонансных явлений в бурильной системе.

Немагнитные свойства (диамагнитность)

Алюминиевые сплавы являются диамагнитными материалами. Это позволяет проводить замеры зенитного угла и азимута скважины инклинометрами, спускаемыми непосредственно внутри бурильной колонны, без необходимости подъёма инструмента. Немагнитность ЛБТ критически важна при корректировке профиля наклонных и горизонтальных скважин.

Гладкая внутренняя поверхность

Благодаря прессованию при изготовлении внутренняя поверхность ЛБТ имеет низкую шероховатость, что уменьшает гидравлические потери при циркуляции бурового раствора.

Коррозионная стойкость

Алюминиевые сплавы, особенно 1953Т1, проявляют повышенную стойкость в агрессивных средах с содержанием сероводорода и углекислого газа. ЛБТ из таких сплавов не требуют дополнительной антикоррозионной защиты при работе в подобных условиях.

Ограничения при эксплуатации ЛБТ

При всех достоинствах алюминиевые бурильные трубы имеют ряд эксплуатационных ограничений, которые необходимо учитывать при проектировании бурильной колонны:

Ограничение	Причина
Температура на забое не выше 150 °С (Д16Т) или 160 °С (1953Т1)	Снижение прочностных характеристик сплава при нагреве
Недопустимость щелочных растворов с pH > 10	Интенсивная коррозия алюминиевых сплавов в щелочной среде
Запрет на кислотные ванны для ликвидации прихватов	Коррозионное разрушение тела трубы

Трубы бурильные легкосплавные повышенной надёжности (ЛБТПН)

Помимо серийных ЛБТ по ГОСТ 23786-79, выпускаются легкосплавные бурильные трубы повышенной надёжности (ЛБТПН). Они отличаются от стандартных ЛБТ способом соединения трубы с замком: вместо конической треугольной резьбы используется трапецеидальная коническая резьба ТТ с разгрузочным стабилизирующим пояском и упорным торцом. Гарантированный натяг обеспечивается температурной сборкой.

Усталостная прочность соединения ЛБТПН превышает аналогичный показатель серийного ЛБТ-соединения с треугольной резьбой на 60–80 %. ЛБТПН применяются при бурении сверхглубоких скважин, а также наклонных и горизонтальных скважин с большим отходом от вертикали.

Классификация по типу соединения

Легкосплавные бурильные трубы различаются по варианту соединения с замком и конструкции законцовок. В зависимости от этого используются различные сокращённые обозначения:

Обозначение	Тип соединения / конструктивная особенность
ЛБТ	Стандартные легкосплавные бурильные трубы с замками
АБТ	Алюминиевые бурильные трубы (общее обозначение)
ЛБТН	С наружной высадкой законцовок
ЛБТВК	С внутренней высадкой концов
ЛБТП	С протекторным утолщением
ЛБТПН	Повышенной надёжности (трапецеидальная резьба ТТ)

Формы поставки алюминиевых бурильных труб

Легкосплавные бурильные трубы поставляются в следующих вариантах: в виде трубных заготовок без замков (для труб диаметром 73 и 90 мм), а также в сборе с бурильными замками — для труб диаметром 114, 129 и 147 мм. Длина труб составляет, как правило, 11,5 м для основных типоразмеров. Замковые резьбы и упорные поверхности защищаются техническим вазелином и оборачиваются упаковочной бумагой.

Алюминиевые бурильные трубы из алюминиевого проката марок Д16Т и 1953Т1 поставляются согласно ГОСТ 23786-79 и ISO 15546. Конкретные типоразмеры, толщина стенки и тип замкового соединения определяются условиями бурения и проектными требованиями к скважине.