ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛИТЕЛЬ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ КАНАЛОМ СВЯЗИ

Изобретение относится к области геофизических исследований скважин и предназначено для использования в составе бескабельных телеметрических систем для электрического разобщения буровой колонны и обеспечения двусторонней связи телесистемы с наземной аппаратурой.
Применяющиеся в настоящее время электрические разделители колонны бурильных труб включают верхний и нижний переводники, соединенные между собой специальной конической резьбой с электроизоляционной прокладкой. Внутри и снаружи разделители покрыты электроизоляционным материалом (авт. св. СССР №994704, МКИ Е21В 47/02, заявл. 31.12.80 г.; патент на ПМ №17196, МПК Е21В 47/00, заявл. 23.10.00 г.; патент на ПМ №37138 МПК Е21В 17/12, заявл. 15.07.03 г.; патент на ПМ №54397, МПК Е21В 44/00, заявл. 08.02.06 г. и др.).
В связи с тем, что даже самые высокопрочные диэлектрики по комплексу механических характеристик (прочности, твердости, пластичности, ударной вязкости) уступают применяемым в разделителях высокопрочным сталям, спецрезьба разделителя остается наиболее слабым звеном компоновки низа бурильной колонны.
Попытки модернизации спецрезьбы путем изменения ее параметров предприняты в патентах на изобретения №2333356 МПК Е21В 47/12, заявл. 13.09.2008, №2425214 МПК Е21В 47/12, заявл. 25.04.2007, №2307931 МПК Е21В 47/12, заявл. 27.01.2006, №2250994 МПК Е21В 47/12, заявл. 15.01.2004 и т.д.
В этих патентах конструкторы пытаются оптимизировать конусность и профиль резьбы для повышения прочности и надежности разделителя.
В патенте №2307931 МПК Е21В 47/12, заявл. 27.01.2006 предложено использовать коническую резьбу с прямоугольным профилем витков. Высота профиля уменьшается при увеличении диаметра резьбы.
В такой конструкции передача момента кручения и осевых нагрузок происходит только через торцевые поверхности витков резьбы, площадь которых в разы меньше площади сопряжения, а изгибные напряжения, возникающие в таком соединении при бурении искривленных скважин, будут концентрироваться в зоне выхода ниппеля из муфты, что снижает прочность и надежность разделителя.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является электрический разделитель буровой колонны, описанный в патенте на полезную модель №136085, МПК Е21В 47/12, заявл. 28.08.2013. Переводники электрического разделителя свинчены по специальной конической резьбе с шагом 10 мм, конусностью 1:6, при этом радиус впадин и вершин профиля резьбы составляет 1,5-2 мм.
Изготовление радиусов вершин профиля резьбы, которые практически не влияют на прочность соединения, одинаковой величины с радиусом впадин приводит к уменьшению высоты профиля резьбы, и самое главное уменьшает ширину перекрытия профиля соседних витков. Соответственно уменьшается площадь сопряжения металлических элементов ниппеля и муфты, что повышает напряжения в рабочей части диэлектрической прокладки и в целом снижает несущую способность разделителя. Кроме того, радиус впадин резьбы 1,5-2 мм создает некоторую концентрацию напряжений в ниппеле, особенно в последнем витке, сопряженном с муфтой. При бурении искривленных скважин изгибные напряжения будут концентрироваться в этом последнем витке в зоне выхода ниппеля из муфты, где происходит резкое изменение жесткости узла, что снижает усталостную прочность и надежность разделителя при бурении искривленных скважин роторным способом.
Кроме того, при использовании такой конструкции в разделителях диаметром более 200 мм появляется ряд проблем, связанных с большой длиной резьбового участка:
- большая поверхность сопряжения муфты и ниппеля затрудняет или делает вообще невозможным раскручивание деталей по спецрезьбе при капитальном ремонте разделителя, т.к. для разворачивания требуется создать большой момент раскручивания, соизмеримый с прочностью металлических деталей;
- большая длина резьбового участка муфтовой части усложняет процесс обработки, т.к. требует применения державок для резьбонарезных пластин с консолью большой длины. Изготовление специальных державок требуемой длины консоли (более 350 мм) приводит к значительному снижению их жесткости и появлению деформаций при обработке резьбы, т.к. диаметр оправки ограничен начальным минимальным диаметром конической резьбы. Появляющиеся из-за изгиба державки погрешности при нарезании резьбы муфты приведут к неравномерности нагрузки витков по длине резьбовой части при свинчивании с ниппелем.
Задача, решаемая созданием полезной модели, состоит в обеспечении ремонтопригодности разделителя при сохранении эксплуатационной надежности.
Требуемый технический результат достигается тем, что на обоих переводниках электрического разделителя телеметрической системы с электромагнитным каналом связи, соединенных между собой по специальной конической резьбе с электроизоляционным покрытием, выполнены разгрузочные канавки, а коническая резьба имеет конусность 1:5 и выполнена с шагом 12 мм, при этом радиус впадин резьбы составляет 3 мм, а радиус вершин резьбы составляет от 0,8 до 1,4 мм. Разгрузочная канавка на муфтовом переводнике может играть роль проточки под хомут. Разгрузочная канавка на ниппельном переводнике закрыта слоем электроизоляционного покрытия.
На Фиг. 1 представлен электрический разделитель.
Электрический разделитель включает переводники 1 и 2, соединенные по конической резьбе 3 с электроизоляционным покрытием 4. На муфтовом переводнике 1 за зоной окончания ответной ниппельной части переводника 2 выполнена разгрузочная канавка 5. На ниппельном переводнике 2 вблизи зоны окончания ответной муфтовой части переводника 1 выполнена разгрузочная канавка 6. Для выравнивания поверхности разделителя разгрузочную канавку 6 закрывают слоем электроизоляционного покрытия 7.
Разгрузочные канавки 5 и 6 позволяют снизить напряжения в зоне резкого изменения жесткости узла в местах окончания ниппеля и выхода ниппеля из муфты. При сборке разделителя в компоновку низа бурильной колонны разгрузочная канавка 5 может играть роль проточки под хомут.
Использование разгрузочных канавок 5 на муфте и 6 на ниппеле и увеличение радиуса впадин резьбы до 3 мм снижает концентрацию напряжений в ниппеле в зоне среза муфты и в муфте в зоне окончания ниппеля и приводит к повышению выносливости разделителя при бурении искривленных скважин.
Уменьшение радиуса скругления вершин резьбы до 0,8-1,4 мм и увеличение шага резьбы до 12 мм увеличивает размер перекрытия металлических элементов профиля и муфты ниппеля и обеспечивает повышение прочности на статическое растяжение. Увеличение конусности резьбы с 1:6 (в прототипе) до 1:5 позволяет уменьшить площадь поверхности диэлектрической прокладки между контактирующими элементами и обеспечивает ремонтопригодность разделителя. Уменьшение длины резьбовой части и, соответственно, уменьшение длины консоли резьбонарезной державки позволяет повысить точность механической обработки резьбы в муфте.
Примером конкретного исполнения предлагаемого технического решения является разделитель диэлектрический трубный для скважинного комплекса СОТЭКС-203. Данный разделитель с наружным диаметром 203 мм состоит из двух переводников, соединенных через диэлектрическую прокладку по конической резьбе конусностью 1:5, выполненной с шагом 12 мм. При этом длина сопряжения резьбовых частей составляет 320 мм. Радиус впадин резьбы составляет 3 мм, а радиус вершин резьбы составляет 0,8-1,4 мм. На муфтовом и ниппельном переводниках выполнены разгрузочные канавки, позволяющие при бурении искривленных скважин снизить изгибные нагрузки в переводниках разделителя в местах, примыкающих к окончанию смежной детали. Канавка в муфте используется также для установки хомута при сборке КНБК.
Выбранные параметры резьбы определяются ограничениями по геометрическим и эксплуатационным характеристикам разделителя.
Геометрическими ограничениями являются:
- диаметр внутренней проточной части разделителя должен обеспечивать скорость потока бурового раствора не более 10-12 м/сек. Уменьшение диаметра вызывает квадратичное увеличение скорости потока и ведет к увеличению в четвертой степени абразивного и кавитационного износа внутреннего тракта;
- наружный диаметр разделителя, определяемый проектом КНБК при бурении скважины;
- толщина внутреннего изолирующего слоя необходимая для обеспечения эксплуатационной стойкости к гидроабразивному износу и перепадам давления и температуры;
- толщина наружного изолирующего слоя, определяемая требованиями обеспечения эксплуатационной надежности при трении о стенки скважины.
Эксплуатационными ограничениями являются условия нагружения разделителя:
- осевые нагрузки до 500 кН при бурении, до 2000 кН при спуске и подъеме колонны и до 3000 кН при аварийных прихватах;
- момент кручения ротором до 40 кН·м;
- реактивный момент забойного двигателя до 3,2 кН·м;
- изгиб в искривленной скважине до 2 град/10 м или с радиусом изгиба скважины менее 300 м;
- растягивающие нагрузки от действия давления бурового раствора до 20 МПа.
Соотношение размеров (шаг 12 мм, радиус впадины профиля 3 мм, радиус вершины профиля 1,4 мм, конусность 1:5) позволяет оптимизировать напряжения, возникающие в узле спецрезьбы разделителя диаметром 203 мм и обеспечить возможность разборки при капитальном ремонте.
Дальнейшее увеличение шага резьбы до 13 и более миллиметров нецелесообразно, т.к. при этом увеличится разность толщин деталей в зоне резьбы и снизится жесткость на изгиб узла в целом. Кроме того, в этом случае уменьшится количество витков резьбы и, соответственно увеличится нагрузка на каждый виток.
Дальнейшее увеличение конусности соединения до 1:4 нецелесообразно из-за резкого уменьшения площади перекрытия профилей соседних витков ниппеля и муфты при осевых нагрузках и повышения напряжений в диэлектрической прокладке, а также уменьшения количества зубьев и повышения дискретности в нагружении сечений элементов разделителя по длине.
Дальнейшее уменьшение радиуса скругления при вершине зуба резьбы менее 0,8 мм приведет к уменьшению толщины диэлектрической прокладки в месте сопряжения деталей до половины ее толщины на рабочих поверхностях резьбы и может снизить надежность изолятора в целом.
Опыт эксплуатации разделителя диэлектрического трубного для скважинного комплекса СОТЭКС-203 показал его высокие эксплуатационные характеристики и надежность.