ТРУБА БУРИЛЬНАЯ

Предложенная полезная модель относится к области горного дела, а именно к бурильным трубам наружным диаметром 89 мм (БТ), предназначенным в основном для бурения, аварийных работ и капитального ремонта в скважинах, обсаженных трубами размером 140–168 мм.
В случаях, когда это не имеет значения, в настоящем описании замком будет называться как ниппель, так и муфта.
От бурильных труб требуется, чтобы они были способны передавать высокий крутящий момент на долото, выдерживать осевую растягивающую и сжимающую нагрузку и надёжно работать в условиях знакопеременного изгиба в горизонтальных и сильно искривлённых скважинах. Последнее требование означает, что трубы, в первую очередь замки труб, должны обладать высоким сопротивлением усталости, или высокой усталостной прочностью. Также необходимо, чтобы сквозь них можно было перекачивать буровой раствор с минимальными потерями на гидравлическое сопротивление, и чтобы сквозь них можно было проводить геофизические приборы определённого диаметра.
В настоящее время повысился спрос на трубы бурильные диаметром 89 мм с замками уменьшенного диаметра 105,5 мм и двухупорной резьбой З-83, имеющей угол профиля 90°, поскольку такая резьба при прочих равных условиях передаёт более высокий момент кручения.
Известна бурильная труба с двухупорными замками уменьшенного наружного диаметра, включающая тело трубы диаметром 89 мм с приваренными ниппелем и муфтой замка диаметром 105,5–108 мм, на которых выполнена трапецеидальная коническая резьба (шаг 8,467 мм, конусность 1:9,6, угол при вершине резьбы 90°) с двумя упорами – внешним и внутренним, в которой диаметры внутреннего отверстия ниппеля и внутреннего отверстия муфты составляют 50–53 мм, а наружная поверхность упорного пояска ниппеля и заходная расточка муфты выполнены коническими с конусностью 1:9,6 [RU 128912, п. 2 формулы, фиг. 4 описания].
Патентное описание не содержит обоснования выбора верхнего предела диаметров внутренних отверстий ниппеля и муфты, хотя от него зависит прочность резьбового соединения. В патентном описании имеются Таблицы 1 и 4, в которых в качестве примера конкретного выполнения представлены основные параметры бурильной трубы и резьбового соединения с двумя упорами. В обеих таблицах указано только одно значение диаметра отверстий муфты и ниппеля и оно равно 50,8 мм. Сведений об успешном испытании труб с диаметрами отверстий в ниппеле и муфте, превышающем 50,8 мм, патентное описание не содержит.
Это вполне объяснимо, поскольку при диаметре внутреннего отверстия ниппеля, равном верхнему пределу заявленного размера, сбалансировать прочность на кручение, прочность на изгиб и на сжатие, а также повысить усталостную прочность в заявленной трубе уже не удаётся.
Фактический внутренний диаметр в 50,8 мм, являющийся стандартным, оказывает значительное гидравлическое сопротивление прокачке бурового раствора, а также накладывает ограничения на применение некоторых скважинных приборов и инструментов, спускаемых внутрь колонны бурильных труб при выполнении различных технологических операций и измерений. При увеличении внутреннего диаметра замка, например, до стандартного значения в 54 мм, стенка второго упорного торца на ниппеле замка становится слишком тонкой и может сминаться при приложении высоких комбинированных нагрузок на замковое соединение.
Для повышения сопротивления усталости ГОСТ 28487-2018 рекомендует снижать концентрацию напряжений резьбовых соединений утяжелённых бурильных труб применением разгрузочных канавок и устанавливает в Таблице 5 размеры разгрузочных канавок для резьб З-94…З-203. Стандарт допускает применение других форм разгрузочных канавок, способствующих повышению сопротивления усталости резьбовых соединений.
Известно резьбовое соединение бурильных труб, включающее ниппель и муфту (замки) с трапецеидальной конической резьбой, в частном случае типа З-83, имеющей шаг 8,47 мм, угол профиля 90° и конусность 1:9,6, с внешним и внутренним упорами (двухупорное соединение), в котором внутренний упор ниппельного конца имеет конический и цилиндрический участки, а внутренняя расточка в муфтовом конце имеет тороидальный карман [RU 181276].
Внутренняя зарезьбовая расточка с тороидальным карманом известной муфты не повышает сопротивление усталости известного резьбового соединения, поскольку этот карман находится не в зоне опасного сечения муфты. Её назначение состоит в сборе смазки и загрязнений, выдавливаемых при затяжке соединения. Из-за малой ширины тороидального кармана, измеряемой вдоль оси соединения, она, скорее, является концентратором напряжений резьбового соединения, снижая его сопротивление усталости. Поэтому увеличить минимальный внутренний диаметр замков с известных из уровня техники 50,8 мм до 54 мм без потери прочности в известном резьбовом соединении невозможно.
Наиболее близкой к предложенной по технической сущности и достигаемому результату является бурильная труба, одноупорные замки которой снабжены разгрузочными канавками, причём разгрузочная канавка муфты имеет коническое дно с постоянной конусностью, равной конусности резьбы. В сечении плоскостью, проходящей через ось муфты, канавка имеет трапецеидальный профиль со скруглёнными переходами (галтелями) от меньшего основания трапеции (дна канавки) к её боковым сторонам. Радиус скруглений одинаков для обеих боковых сторон и составляет 6,4 мм. Боковые стороны канавки (боковые стороны трапеции) выполнены коническими, причём ближайшая к резьбе боковая сторона составляет с осью муфты угол 45°, а другая боковая сторона – угол 30°. Длина проекции большего основания трапеции на ось муфты составляет 38±3,2 мм. Высота трапеции составляет 5,2±0,4 мм ГОСТ 28487-2018, рис. 5]. Радиус скруглений, длина проекции основания на ось муфты и высота трапеции канавки одинаковы для всех типов резьб (21 тип), указанных в Таблице 5 этого стандарта. Данные Таблицы 5 относятся к резьбам, начиная от З-94 и выше.
Для замковых соединений, у которых диаметр большего основания ниппельного конца меньше, чем у замковой резьбы З-94, рекомендации ГОСТа не подходят и разгрузочные канавки надо разрабатывать с учётом прочности на кручение и растяжение замков в каждом случае.
Задачей предложенной бурильной трубы с диаметром тела 89 мм и приваренными ниппелем и муфтой, снабжёнными высокомоментной двухупорной конической резьбой (шаг 8,467 мм, конусность 1:9,6, угол профиля резьбы 90°), является увеличение усталостной прочности и долговечности муфтового соединения бурильных труб с замками уменьшенного наружного диаметра.
Технический результат от применения предложенной бурильной трубы состоит в увеличении усталостной прочности и долговечности муфтового соединения бурильных труб с замками уменьшенного наружного диаметра за счёт удаления концентратора напряжений – впадины последнего в зацеплении с резьбой ниппеля витка резьбы муфты. Такое увеличение дополнительно позволяет увеличить внутренний диаметр замков трубы с 51 до 54 мм при сохранении её прочностных характеристик, что, в свою очередь, позволяет снизить гидравлическое сопротивление прокачке бурового раствора и расширить номенклатуру геофизических приборов, которые она способна через себя пропускать.
Указанный технический результат достигается за счёт того, что в трубе бурильной с двухупорными замками уменьшенного наружного диаметра, включающей тело трубы диаметром 89 мм и приваренные ниппель и муфту, снабжённые конической резьбой (шаг 8,467 мм, конусность 1:9,6, угол профиля резьбы 90°) с внешним и внутренним упорами, муфта имеет коническую разгрузочную канавку, глубина которой равна (1,1…1,4) высоты профиля резьбы при ширине, равной (2…3) шагам резьбы.
Кроме того, угол наклона наружной поверхности упорного пояска ниппеля к продольной оси замка составляет(0° … 2°58'53ʺ).
Кроме того, на фасках внешних упорных торцов ниппеля и муфты выполнены кольцевые сигнальные проточки, минимальный диаметр которых совпадает с величиной сбалансированного диаметра бурильного замка.
Кроме того, минимальный диаметр внутреннего канала замков составляет (50,0…54,0) мм.
Кроме того, труба бурильная выполнена толстостенной.
Кроме того, труба бурильная выполнена утяжелённой.
Благодаря тому, что глубина конической разгрузочной канавки у муфты предложенной трубы равна (1,1…1,4) высоты профиля, а ширина составляет (2…3) шага указанной резьбы, увеличивается усталостная прочность и долговечность соединения бурильных труб с замками уменьшенного наружного диаметра. В свою очередь, это позволяет увеличить минимальный диаметр внутреннего канала муфты до 54 мм и тем самым снизить гидравлическое сопротивление протоку буровой жидкости и расширить номенклатуру геофизических приборов, которые она способна через себя пропускать.
Благодаря выполнению наружной поверхности упорного пояска ниппеля с углом наклона наружной поверхности к продольной оси замка, лежащим в пределах от 0° до 2°58'53ʺ, увеличивается прочность и долговечность резьбового соединения бурильных труб, поскольку при этом повышается предельно допустимый крутящий момент замка приблизительно на 3% за счёт увеличения площади опорной поверхности торца упорного пояска. Это даёт возможность довести минимальный диаметр внутреннего канала ниппеля до диаметра внутреннего канала муфты, равного 54 мм.
Благодаря увеличению минимального диаметра внутреннего канала ниппеля и муфты до 54 мм повышается усталостная прочность замкового соединения, минимальная площадь поперечного сечения канала увеличивается на 13% по сравнению с максимально достигнутой у известного аналога, что снижает её гидравлическое сопротивление прокачке бурового раствора на 5%, снижает вероятность застревания геофизического оборудования, спускаемого в скважину через канал в трубе, расширяет номенклатуру оборудования, которое можно спускать в скважину.
Благодаря выполнению на ниппеле и муфте кольцевых сигнальных проточек, минимальный диаметр которых совпадает с величиной сбалансированного диаметра бурильного замка, повышается надёжность предложенной бурильной трубы за счёт создания возможности визуального контроля непосредственно на буровой площадке степени износа наружной поверхности муфты и ниппеля.
Благодаря выполнению кольцевых сигнальных проточек на фасках внешних упорных торцов ниппеля и муфты надёжность предложенной бурильной трубы повышается ещё больше, поскольку такое расположение повышает оперативность визуального контроля состояния хорошо видимых проточек и, следовательно, степень износа ниппеля и муфты. Кроме того, такое расположение защищает проточки от случайных повреждений.
Благодаря тому, что внутренний диаметр сигнальных проточек совпадает с величиной сбалансированного диаметра бурильного замка, повышается надёжность предложенной бурильной трубы.
Существо полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображена предложенная труба бурильная в сборе с двухупорными замками уменьшенного наружного диаметра.
На фиг. 2 изображён фрагмент резьбовой части муфты предложенной трубы с разгрузочной канавкой.
На фиг. 3 изображена резьбовая часть ниппеля предложенной бурильной трубы.
Предложенная полезная модель представляет собой бурильную трубу, состоящую из тела 1 трубы диаметром 89 мм, к высаженным концам 2 которой приварены ниппель 3 и муфта 4, имеющие коническую резьбу З-83 (Z83-DS) с шагом 8,4667 мм, конусностью 1:9,6, углом профиля 90° и высотой профиля 2,2867 мм (фиг. 1).
Ниппель 3 и муфта 4 выполнены двухупорными. Внешний упор образуют опорный уступ 5 ниппеля 3 (фиг. 1 и 3) и упорный торец 6 муфты 4 (фиг. 2). Внутренний упор образуют внутренняя упорная плоскость 7 муфты 4 (фиг. 2) и торец 8 упорного пояска 9 ниппеля 3 (фиг. 3).
Бурильные трубы работают в условиях сложных знакопеременных нагрузок, особенно при проходке участков искривления профиля скважины. Опасное сечение, в котором может возникать усталостная трещина в муфтовом конце бурильной трубы, находится в плоскости, проходящей по впадине последнего витка резьбы муфты в зацеплении с резьбой ниппеля. Для устранения концентраторов напряжений и повышения равномерности распределения напряжений муфта 4 предложенной трубы содержит коническую разгрузочную канавку 10 (фиг. 2) между концом резьбы и упорной плоскостью 7.
В практике расчётов замковых соединений принято оценивать усталостную прочность соединения величиной коэффициента прочности на изгиб.
Согласно стандарту ISO 10407-1 диапазон коэффициентов прочности резьбового соединения от 2,25:1 до 2,75:1 рассматривается как приемлемый для большинства условий бурения. Для некоторых типоразмеров бурильных труб, условий бурения и выбранного типа соединения этот диапазон может быть расширен и варьируется от 1,90:1 до 3,20:1.
Коэффициенты прочности на изгиб новых замковых соединений по данной полезной модели для замков с наружным диаметром 105,5 (108,0) мм и внутренним диаметром 50,8 мм равны 2,35 (2,58) соответственно, т.е. соединения отвечают критерию прочности на изгиб.
Коэффициенты прочности на изгиб новых замковых соединений по данной полезной модели для замков с наружным диаметром 105,5(108,0) мм и внутренним диаметром 54 мм будут равны 2,50 (2,75) соответственно, т.е. соединения также отвечают критерию прочности на изгиб.
Очевидно, что увеличение величины внутреннего диаметра замка с 50,8 мм до 54 мм благотворно влияет на усталостную прочность данного замкового соединения.
Расчётные данные подтверждаются экспериментальными.
к
к
1
1
Установлено, что наивысшая усталостная прочность замка с увеличенным минимальным диаметром канала достигается, когда длина L канавки составляет (2…3) шага резьбы P, а глубина h, измеряемая расстоянием дна канавки от линии вершин резьбы, равна (1,1…1,4) высоты профиля резьбы h (стандартное обозначение). При переходе к конкретным числовым значениям резьбы З-83 (Р = 8,467 мм, h = 2,2867 мм) заявленные величины в абсолютном выражении составят:
к
к
L = (16,9…25,4) мм, а h = (2,51…3,2) мм.
к
к
к
1
к
1
При L<2Р остаётся не удалённой впадина последнего витка резьбы муфты в зацеплении (опасное сечение муфты от усталостных повреждений, вызванных знакопеременным изгибом) и усталостная прочность муфты не увеличивается. При L>3P снижается прочность резьбового соединения из-за уменьшения длины рабочего участка резьбы. При h<1,1h возможно частичное наличие следов от впадин резьбы (концентратор напряжений) на поверхности разгрузочной канавки, что недопустимо, а при h>1,4h недопустимо снижается прочность муфты.
Наружная поверхность упорного пояска 9 выполнена конической с углом α между образующей конуса и осью ниппеля. При этом угол α находится в пределах от 0° до 2°58'53ʺ. Нахождение угла α в заявленных пределах увеличивает площадь опорной поверхности внутреннего упорного торца замка и, повышая предельно-допустимый крутящий момент замка приблизительно на 3%, компенсирует снижение прочности замка из-за увеличения диаметра внутреннего канала до 54 мм. Само же увеличение этого диаметра позволяет расширить перечень измерительных приборов и инструментов при прохождении через бурильную колонну. Кроме того, увеличение с 50,8 до 54,0 мм внутреннего диаметра замков позволяет снизить на 5% гидравлическое сопротивление прокачке бурового раствора, повысить скорость проходки при бурении ствола скважины и, как было сказано выше, повысить усталостную прочность замкового соединения.
При α = 0° коническая поверхность упорного пояска преобразуется в цилиндрическую. Изготовление и контроль геометрических параметров цилиндрического пояска проще, и потому вариант с α = 0° предпочтителен. При α<0° и при α>2°58´53´´прочность замка снижается, поскольку уменьшается устойчивость резьбового соединения под воздействием осевых нагрузок сжатия из-за уменьшения площади сечения упорного пояска вблизи последнего витка резьбы (α<0°) или уменьшения площади контакта торца 8 и плоскости 7 (α>2°58'53ʺ).
Двухупорное замковое соединение по настоящей полезной модели полностью совместимо с замковыми соединениями, описанными в патенте РФ № 128912, с резьбой З-83 (Z83-DS) во всём диапазоне заявленных значений угла α.
При уменьшении наружного диаметра муфты коэффициент прочности на изгиб быстро уменьшается, что повышает риск деформации или разрушения замка. Так, коэффициенты прочности на изгиб изношенных замковых соединений по данной полезной модели для замков с наружным диаметром, равным сбалансированному диаметру (102,9 мм), составляют 2,09 для замков с внутренним диаметром 50,8 мм и 2,07 – для замков с внутренним диаметром 54 мм. То есть муфта замка станет более чувствительной к знакопеременным изгибающим напряжениям.
Поэтому задача оперативного визуального контроля степени износа наружного диаметра замка в условиях буровой площадки становится весьма актуальной.
Для решения этой задачи замки предложенной трубы могут быть снабжены хорошо заметными при визуальном осмотре сигнальными проточками 11, диаметр которых равен сбалансированному диаметру замка (фиг. 2–4). Для защиты проточек 11 от повреждения они расположены на фасках 12 внешних упорных торцов ниппеля 3 и муфты 4. Совпадение изношенного наружного диаметра замка с проточкой 11 является сигналом к тому, что трубу нужно переводить в класс износа «Premium» (Премиум) с соответственным понижением допускаемых эксплуатационных нагрузок. Для фиксации момента такого совпадения не требуются средства измерения, и контроль годности труб может производиться непосредственно на буровой площадке.
bal
bal
Под сбалансированным наружным диаметром Dзамка здесь и в буровой технике понимают теоретический наружный диаметр замка, при котором площади опасных сечений ниппеля и муфты равны. Для трубы с замковой резьбой З-83 при наружном диаметре замка 105 мм (или 108 мм) и минимальном внутреннем диаметре замка 50,8 мм D = 102,9 мм.
bal
Для заявленной трубы с замковым соединением с резьбой З-83 (Z83-DS) и цилиндрическими упорным пояском внутреннего упора ниппеля при наружном диаметре замка 105 мм (или 108 мм) и внутреннем диаметре замка 54,0 мм Dуменьшается до 101,2 мм. Это увеличивает запас на износ наружного диаметра бурильного замка при эксплуатации бурильной колонны.
Предложенная труба может быть выполнена толстостенной или утяжелённой.
Обычно при разработке новых типов как российских, так и зарубежных скважинных извлекаемых приборов на них накладываются ограничения по величине наружного диаметра – не более двух дюймов (50,8 мм). Извлекаемые скважинные приборы с наружным диаметром в 50,8 мм не могут применяться для прохождения через колонну бурильных труб с внутренним диаметром замков 50,8 мм.
Использование предложенной бурильной трубы с увеличенным до 54 мм минимальным диаметром внутреннего канала расширяет номенклатуру геофизических приборов, которые можно через неё пропускать. В частности, становится возможным использование извлекаемых приборов с наружным диаметром 50,8 мм.