Двухупорное резьбовое соединение бурильных труб

Полезная модель относится к резьбовым соединениям бурильных труб и может быть использована для соединения бурильных труб между собой и другими составными элементами бурильных колонн, применяемых при строительстве и капитальном ремонте нефтяных и газовых скважин, в том числе с высокой интенсивностью набора кривизны, в сложных геологических условиях.
При вращательном бурении нефтяных и газовых скважин бурильные трубы и их соединения работают при воздействии повышенного крутящего момента. Соединения бурильных труб, в первую очередь, должны обеспечивать стойкость при воздействии высокого крутящего момента. Дополнительным требованием к соединениям бурильных труб является стойкость к высоким растягивающим нагрузкам.
Кроме того, в связи с осуществлением сборки резьбовых соединений бурильных труб непосредственно на месторождениях необходимым качеством таких резьбовых соединений являются улучшенные характеристики свинчиваемости - четкое позиционирование ниппельного и муфтового элементов относительно друг друга на начальном этапе свинчивания, быстрое и надежное свинчивание без заклинивания и повреждений (задиров) поверхностей, простой и точный контроль свинчивания соединения.
Известно двухупорное резьбовое соединение бурильных труб, состоящее из ниппельного и муфтового элементов, на концах которых на наружной и внутренней поверхностях выполнены конические резьбы с треугольным профилем витка и образующие внутренний и наружный упорные узлы: упорный уступ муфты, упорный торец ниппеля и упорный уступ ниппеля, упорный торец муфты, соответственно. Резьбы ниппельного и муфтового элементов выполнены с конусностью 1:6 и шагом 6,35 мм. Профиль витка резьб ниппельного и муфтового элементов имеет угол наклона опорной и закладной граней 30° к нормали осевой линии резьбы (патент RU №88729, Е21В 31/00, опубл. 20.11.2009 (1). Данное соединение принято в качестве ближайшего аналога заявляемой полезной модели.
Однако у указанного соединения недостаточный уровень стойкости при воздействии высокого крутящего момента ввиду невысоких характеристик свинчиваемости соединения - возможного заклинивания соединения при свинчивании, образования повреждений (задиров) поверхностей, которые ведут к разрушению соединения при воздействии высоких нагрузок.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является разработка конструкции двухупорного резьбового соединения бурильных труб, обеспечивающего передачу более высокого крутящего момента за счет улучшенных характеристик свинчиваемости соединения - четкого позиционирования ниппельного и муфтового элементов относительно друг друга на начальном этапе свинчивания, быстрого и надежного свинчивания без заклинивания и повреждений поверхностей, простой и точный контроль свинчивания соединения.
Технический результат заключается в обеспечении высоких характеристик свинчиваемости соединения и повышении его стойкости без повреждений поверхности при воздействии высокого крутящего момента и растягивающих нагрузок при свинчивании.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в двухупорном резьбовом соединении бурильных труб, содержащем ниппельный и муфтовый элементы, на концах которых на наружной и внутренней поверхностях, соответственно, выполнены конические резьбы с треугольным профилем витка, конусностью 1:6 и шагом резьбы 6,35 мм и образующие внутренний и наружный упорные узлы поверхности упорного уступа муфты, упорного торца ниппеля и поверхности упорного уступа ниппеля и упорного торца муфты, соответственно, расположенные перпендикулярно к осевой линии резьбы, согласно полезной модели, профиль витка резьб ниппельного и муфтового элементов выполнен с одинаковым углом наклона опорной и закладной граней 25÷35° к нормали осевой линии резьбы, при этом впадина профиля витка резьб ниппельного и муфтового элементов выполнена в виде сферической поверхности радиусом 0,6÷1,0 мм, а вершина профиля витка резьб ниппельного и муфтового элементов срезана по отношению к исходному треугольному профилю резьбы с образованием поверхности шириной 1,2÷1,7 мм и конусностью 1:6.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показаны ниппельный и муфтовый элементы соединения, на фиг. 2 показан профиль витка резьб ниппельного и муфтового элементов.
Двухупорное резьбовое соединение бурильных труб содержит ниппельный (1) и муфтовый (2) элементы, на концах которых на наружной и внутренней поверхностях, соответственно, выполнены конические резьбы (3) с треугольным профилем витка.
Внутренний и наружный упорные узлы образованы поверхностями упорного уступа (4) муфтового элемента (2), упорного торца (5) ниппельного элемента (1) и поверхностями упорного уступа (6) ниппельного элемента (1), упорного торца (7) муфтового элемента (2), соответственно.
Наличие в соединении двух упорных узлов, внутреннего и наружного, упорные поверхности (4), (5), (6), (7) которых при свинчивании соединения контактируют между собой со значительными контактными напряжениями, обеспечивает увеличение воспринимаемого соединением крутящего момента. Кроме того, наружный упорный узел, упорные поверхности (6), (7) которого при свинчивании соединения контактируют первыми, является элементом герметизации соединения.
Упорные поверхности (4), (5), (6), (7) муфтового (2) и ниппельного (1) элементов расположены перпендикулярно к осевой линии резьбы, что обеспечивает стойкость соединения при воздействии значительного крутящего момента, возникающего при эксплуатации соединения. Также обеспечивается четкое позиционирование ниппельного (1) и муфтового (2) элементов относительно друг друга, повышенный момент свинчивания соединения, точное фиксирование заданной величины натяга и крутящего момента в процессе свинчивания соединения, контроль свинчивания соединения.
Кроме того, при свинчивании соединения с упорными поверхностями (4), (5), (6), (7), расположенными перпендикулярно к осевой линии резьбы, смыкании указанных поверхностей и дальнейшем затягивании соединения отсутствует вертикальная составляющая силы воздействия на резьбовые элементы соединения, что предотвращает повреждение поверхностей резьб (3), образование на них задиров и, тем самым, обеспечивает повышенную стойкость соединения при воздействии высоких нагрузок.
На концах ниппельного (1) и муфтового (2) элементов соединения на наружной и внутренней поверхностях, соответственно, выполнены конические резьбы (3) с треугольным профилем витка, выполненным с одинаковым углом наклона опорной (8) и закладной (9) граней 25÷35° к нормали осевой линии резьбы.
Под нормалью осевой линии резьбы понимается перпендикуляр, проведенный к осевой линии резьбы.
Основная функция резьб (3) бурильных труб с треугольным профилем витка состоит в восприятии растягивающей нагрузки, возникающей под воздействием веса колонны.
Выполнение угла наклона опорной (8) и закладной (9) граней профиля витка резьб (3) одинаковым, составляющим 25÷35° к нормали осевой линии резьбы, обеспечивает оптимальное сочетание надежной работы соединения на растяжение за счет исключения возможности выхода витков резьб (3) из зацепления друг с другом при значительных растягивающих нагрузках и стабилизации положения ниппельного элемента (1) относительно муфтового элемента (2) на начальном этапе свинчивания соединения, что предотвращает заклинивание соединения и повреждение поверхностей витков резьб (в том числе, образование задиров).
Резьбы (3) ниппельного (1) и муфтового (2) элементов выполнены с конусностью 1:6 и шагом резьбы 6,35 мм (4 витка на дюйм - на 25,4 мм).
Указанное сочетание конусности и шага резьб обеспечивает, с одной стороны, высокую скорость свинчивания соединения, а с другой стороны - необходимую степень зацепления витков резьб (3) для обеспечения восприятия соединением растягивающих нагрузок, действующих во время эксплуатации соединения.
Впадина (10) профиля витка резьб ниппельного (1) и муфтового (2) элементов выполнена в виде сферической поверхности радиусом 0,6÷1,0 мм.
При эксплуатации резьбового соединения во впадине (10) профиля витка резьб от действия знакопеременных крутящих, растягивающих и других нагрузок возникают напряжения, которые влияют на усталостную прочность соединения. Выполнение соединения с впадиной (10) профиля витка резьб (3) в виде сферической поверхности радиусом 0,6÷1,0 мм обеспечивает снижение уровня таких напряжений, что повышает надежность работы соединения, выдерживание им вышеуказанных знакопеременных нагрузок. Также происходит более равномерное распределений напряжений во впадине (10) соединения по опасному сечению ниппельного элемента (1), что позволяет исключить «затирание» резьб (3) при свинчивании соединения.
Вершина (11) профиля витка резьб ниппельного (1) и муфтового (2) элементов срезана по отношению к исходному треугольному профилю резьбы (3) с образованием поверхности шириной 1,2÷1,7 мм и конусностью 1:6.
Выполнение среза вершины (11) профиля витка резьб (3) шириной 1,2÷1,7 мм с образованием поверхности с конусностью 1:6 (равной конусности резьб ниппельного и муфтового элементов) оказывает существенное влияние на предотвращение повреждений поверхностей резьб (3), образования на них задиров и, тем самым, обеспечивает повышенную стойкость соединения при воздействии высоких нагрузок.
Двухупорное резьбовое соединение бурильных труб работает следующим образом.
При выполнении операции свинчивания заявляемого соединения первоначально осуществляется взаимодействие ниппельного (1) и муфтового (2) элементов при помощи резьб (3). В процессе свинчивания соединения происходит продвижение резьбы (3) муфтового элемента (2) вдоль резьбы (3) ниппельного элемента (1) до соответствующего смыкания (контакта) упорного уступа (4) муфтового элемента (2) и упорного торца (5) ниппельного элемента (1), а также упорного уступа (6) ниппельного элемента (1) и упорного торца (7) муфтового элемента (2). При этом упорные поверхности (6), (7) наружного упорного узла контактируют первыми со значительными контактными напряжениями, обеспечивая высокий уровень воспринимаемого соединением крутящего момента и герметичность соединения. После достижения момента свинчивания соединения выбирается зазор до смыкания упорных поверхности (4), (5) внутреннего упорного узла, контактирующих во вторую очередь и обеспечивающих дополнительное увеличение воспринимаемого соединением крутящего момента.
Пример осуществления заявляемой полезной модели.
Для проведения испытаний заявляемого резьбового соединения бурильных труб были изготовлены ниппельный и муфтовый элементы резьбового соединения, на концы которых были нанесены наружная и внутренняя конические резьбы с треугольным профилем витка, соответственно. Диаметр соединения - 140 мм. Конусность резьбы - 1:6, шаг резьбы - 6,35 мм. Угол наклона опорной и закладной граней профиля витка резьбы составляет, в частности 35° к нормали осевой линии резьбы. Впадина профиля витка резьб ниппельного и муфтового элементов выполнена в виде сферической поверхности радиусом, например 0,8 мм. Вершина профиля витка резьб ниппельного и муфтового элементов срезана по отношению к исходному треугольному профилю резьбы с образованием поверхности шириной, например 1,5 мм и конусностью 1:6. Упорные уступы и торцы ниппельного и муфтового элементов расположены перпендикулярно к осевой линии резьбы.
Также был изготовлен образец резьбового соединения в соответствии с наиболее близким аналогом: диаметр соединения - 140 мм, конусность резьбы - 1:6, шаг резьбы - 6,35 мм. Угол наклона опорной и закладной граней профиля витка резьбы составляет 30° к нормали осевой линии резьбы. Упорные уступы и торцы ниппельного и муфтового элементов расположены перпендикулярно к осевой линии резьбы.
Испытания образцов проводили на количество выдерживаемых резьбовым соединением свинчиваний-развинчиваний до появления повреждений поверхностей резьбы.
Испытания образцов показали наличие повреждений поверхностей (образование задиров) образца, выполненного по прототипу, при проведении 5 циклов свинчивания-развинчивания соединения и отсутствие заклинивания соединения и повреждений поверхностей образца, выполненного в соответствии с заявляемой полезной моделью, при проведении 10 циклов свинчивания-развинчивания.
При использовании предлагаемого резьбового соединения происходит увеличение до 20% стойкости соединения без повреждений поверхностей при воздействии высокого крутящего момента и растягивающих нагрузок при свинчивании, обеспечение высоких характеристик свинчиваемости за счет предотвращения заклинивания соединения на начальном этапе свинчивания и высокой скорости свинчивания.