Разъединитель бурильной колонны
DRILL STRING DISCONNECTOR

Предлагаемое техническое решение на разъединитель бурильной колонны (РБК) относится к изделиям нефтяного машиностроения. Он может быть применен при проводке скважин со сложно построенными пространственными параметрами их стволов в глубоких нефтяных и газовых скважинах в качестве противоаварийного разъединителя. Известно, что в процессе строительства (бурения) скважин возникают осложнения с бурильной компоновкой, вызванные с ее прихватами в стволе скважины. Это связано с целым рядом причин геологического и технического характера: длительная остановка бурильной компоновки без движения, дифференциальное прижатие бурильных труб в зонах с поглощением промывочной жидкости. Заклинивание низа бурильной компоновки в сужении ствола скважины или посторонним предметом. Все эти осложнения, как правило, требует остановку технологического процесса углубления ствола скважины и принятия мер по восстановлению подвижности бурильного инструмента в стволе скважины. Если известные технологические приемы, такие как, например, «расхаживание» бурильных труб, установка жидкостных ванн в интервале прихвата труб, применение ударных механизмов не дают положительных результатов, то исполнители работ вынуждены прибегать к извлечению бурильных труб путем их посекционного отворота (развинчивания) и подъема на поверхность. Развинчивание труб в скважине по известной технологии, как правило, не гарантирует их разъединение в нижней части бурильных труб и приводит к большим затратам времени на ликвидацию подобных аварий.
Известны разъединители бурильной колонны [1], выпускаемые, например, ООО «БИТТЕХНИКА», как инструмент для ликвидации аварий в скважинах, типа БП (переводник безопасный) с трапецеидальной резьбой между разобщающимися частями переводника (корпуса и переводника) и БП-Г «переводник безопасный гидравлический». Однако их практическое применение для БП не всегда заканчивается успешно, из-за развинчивания бурильной колонны в произвольном месте, а переводник типа БП-Г значительно сложнее по конструкции, имеет нежелательное для технологии бурения скважин сужение проходного канала, а для процесса развинчивания ПБ-Г требуется дополнительно использование «бросового» шара.
Известен разъединитель по патенту RU 2428557 С1 [2], состоящий из верхней и нижней частей, соединенных между собой посредством левой резьбы и узел передачи крутящего момента от разъединителя бурильным трубам и седло для бросового клапана. А узел передачи крутящего момента выполнен в виде подвижного, в осевом направлении, полого стержня, со срезным фиксатором. Фиксатор стержня выполнен в виде подпружиненного элемента. Недостатком разъединителя является сложность конструкции, избыточное наличие деталей, снижение проходного сечения канала в самом переводнике.
Известно разъединительное устройство колонны труб в скважине по патенту RU 2437999 [3], в котором использованы телескопически соединенные муфта и корпус, а также фиксаторы, размещенные в окнах муфты и проточках корпуса и подвижный полый поршень. Для освобождения фиксаторов используют бросовый шар. К недостаткам разъединительного устройства можно отнести: - сложность конструктивного исполнения; - наличие срезных элементов, стопорных элементов, фиксаторов, бросовых шаров, что снижает надежность работы разъединительного устройства при работе в осложненных условиях скважины.
Выявлены и проведены исследования аналогичных технических решений по патентам RU 2384687; 3998950; 2403371; 2405100; 2413834; 2509864, однако их конструктивные решения значительно усложнены наличием несущественных отличительных признаков, снижающих, в конечном итоге, надежность работы разъединительного устройства в скважине.
Наиболее близким, по технической сущности и по достигаемому результату, выявлено техническое решение (прототип) - безопасный переводник, защищенный патентом RU 157714 U1 [4], включающий пустотелый корпус, состоящий из верхней и нижней частей, соединенных между собой с помощью цилиндрической трапецеидальной резьбы. На верхней и нижней частях безопасного переводника выполнены конические замковые резьбы, для соединения с бурильными трубами, а между верхней и нижней частями корпуса на цилиндрическом участке установлено кольцо из бронзового сплава, на торцах которого выполнены спиральные канавки, заполненные пластичной смазкой для снижения сил трения в процессе развинчивания верхней части безопасного переводника, а между верхней и нижней частями переводника установлено нижнее уплотнительное кольцо.
При этом авторы патента указывают, что после свинчивания (с регламентированным крутящим моментом), замковых соединений и резьбового соединения на безопасном переводнике, момент развинчивания трапецеидальной резьбы в скважине будет на 50% ниже, чем начальный момент затяжки замковых резьбовых соединений. Это утверждение не соответствует действительности.
Задачей настоящего технического решения является создание разъединителя бурильной колонны повышенной эксплуатационной надежности для работы в условиях проводки и ремонта скважин со сложными пространственными параметрами их стволов. В частности, в горизонтальных и разветвленных стволах глубоких нефтяных и газовых скважин, при капитальном ремонте скважин, где на процессы передачи крутящего момента (чаще всего - левого направления) влияют силы трения на стенках скважин. Силы трения на горизонтальных и искривленных интервалах скважин препятствуют «облегченному» развинчиванию резьбового соединения и должны учитываться при создании новых технических устройств.
Ожидаемый технический результат, связан с возможностью кратного снижения крутящего момента (Мр) при развинчивании разъединительного переводника в скважине, который обеспечивается при использовании предлагаемого технического решения, обладающего совокупностью существенных отличительных признаков. При этом допускается возможность включения в компоновку бурильного инструмента не одного, а нескольких комплектов РБК, в полной мере отвечающих поставленной задачи: проводки стволов скважин в осложненных условиях и успешного разъединения бурильных труб с РБК в аварийных ситуациях.
Решение поставленной задачи достигается тем, что разъединитель бурильной колонны (РБК), с присоединительными коническими замковыми резьбами, выполнен как пустотелый корпус, включающий верхнюю и нижнюю части, которые соединены между собой цилиндрической геликоидальной резьбой, с шагом резьбы, обеспечивающим угол подъема винтовой линии, приближенным к углу трения (самоторможения) на контактирующих опорных геликоидальных поверхностях. Выполнение этого условия предупреждает самопроизвольное расчленение (развинчивание) разъединителя бурильной колонны от действия знакопеременных растягивающих и сжимающих нагрузок в бурильных трубах. А треугольный профиль геликоидальной резьбы, для его опорных поверхностей, выполнен под углом (ω) в пределах ω=10°…15°, к осевой линии резьбы, что расширяет технологические возможности РБК в скважине при проведении работ, например, по ликвидации прихвата, когда, под действием осевой растягивающей нагрузки на РБК, его расчленение (развинчиване) при создании левого крутящего момента становится невозможным. При этом для защиты геликоидальной резьбы от агрессивного влияния промывочной жидкости, насыщенной механическими примесями, а также предупреждения вымывания консистентной смазки с ее поверхности на цилиндрической поверхности верхней части разъединительного переводника, выше геликоидальной резьбы, установлено уплотнительное кольцо. Для передачи технологически необходимого при бурении крутящего момента от верхней части к нижней части разъединителя, на цилиндрической поверхности верхней части разъединителя установлено стальное кольцо, которое выполнено с возможностью осевого вращения в процессе сборки (свинчивания, с нормируемым крутящим моментом), а также с возможностью сварки его верхнего торца, с упорным торцом верхней части разъединителя. При этом нижний торец стального кольца снабжен не менее чем двумя радиальными упорами, симметрично расположенными по окружности, которые взаимодействуют с ответными радиальными упорами, выполненными на спиральном торце нижней части переводника. Для повышения эксплуатационной надежности РБК, наружная поверхность геликоидальных резьб упрочнены термомеханической обработкой, например, шлифованием, азотированием и закалкой.
Решению поставленной задачи, с использованием предложенного РБК, способствует новое его качество, которое проявляется в том, что передача технологически необходимого крутящего момента бурильной колонне через РБК, обеспечивается совместным действием фрикционных сил, возникающих на геликоидальной поверхности резьбы, и пары сил, возникающих на радиальных упорах стального кольца при взаимодействии с радиальными упорами на нижней части разъединителя. А при развинчивании РБК (при левом вращении) основным препятствием для страгивания резьбового соединения, остаются только силы трения на геликоидальной резьбовой поверхности, которые технологическими приемами (обнулением осевой растягивающей нагрузки на РБК), обеспечивают возможность снизить Мр в несколько раз.
Разъединитель бурильной колонны по настоящему техническому предложению показан на прилагаемых к описанию фигурах (фиг. 1-4) и включает в себя следующие выделенные для понимания основные параметры.
На фиг. 1 приведена схема разъединителя бурильной колонны в свинченном рабочем состоянии;
на фиг. 2 показан фрагмент I резьбового соединения в свинченном состоянии;
на фиг. 3 показан боковой вид развертки (Вид А) торцевых радиальных упоров для верхней и нижней частей в свинченном состоянии.
1
Разъединитель бурильной колонны (фиг. 1) включает нижнюю часть разъединителя 1, с присоединительной замковой резьбой 2, верхнюю часть разъединителя 3, с присоединительной замковой резьбой 4, стальное кольцо 5, приваренное сварным швом 14, с верхней частью разъединителя, после свинчивания их с нормируемым крутящим моментом (Мкн), и взаимном совмещении радиальных упоров 12, 13. На верхней 3 и нижней части 1 разъединителя выполнена резьба с нестандартным треугольным профилем (геликоидальная) длиной h (фиг. 1, 2), с помощью которой верхняя 3 и нижняя 1 части разъединителя свинчены между собой. Угол подъема (α) винтовой линии геликоидальной резьбы (на фиг. не показано) принимают из соотношения α=0,8⋅(arctgf), где f - коэффициент трения в резьбовом соединении; (На практике, для резьбовых соединений, значение f принимают равным 0,08-0,1). Длина резьбы h1, принимается из условия гарантированной прочности нижней части РБК, испытывающей, кроме продольных растягивающих напряжений и большие кольцевые растягивающие напряжения. Опорная поверхность профиля резьбы 9 выполнена под углом (ω)=10…15° к оси наружной резьбовой поверхности 15, а поверхность 10 противоположного профиля резьбы выполнена под углом (λ)=30°…60° к оси вращения резьбы. Торцовая часть стального кольца 5, со стороны, обращенной к торцу нижней части, снабжена спиральным торцом 11, со скошенными упорами (шлицами) 12 и 13, симметрично расположенными по окружности стального кольца 5 и торца нижней части разъединителя 1. С противоположной стороны стальное кольцо 5 выполнено с разделкой под сварку 14. При этом угол подъема спиральных торцов для нижней части 1 и стального кольца 5 (шаг торцевой спирали 11) соизмерим со значением шага (t) геликоидальной резьбы. Угол наклона (взаимодействия) упоров 12, 13 на торце нижней части 1 стального кольца 5, выполнены под углом (ϕ)=30°…60° к оси вращения (О) резьбовой поверхности, что способствует рациональному распределению механических напряжений, на контактирующих поверхностях разъединителя бурильной колонны, при создании регламентируемых, для данного типоразмера бурильных труб, механических нагрузок (крутящий момент, осевая растягивающая нагрузка). Для увеличения ресурса и надежности работы РБК при изготовлении комплектующих деталей РБК используют высокопрочные легированные стали, а геликоидальная резьба на участке h1 и упорах 12 и 13, а также спиральная поверхность 11 подвергается термомеханической обработке (улучшению), например, шлифовке, азотированию, и закалке, с достижением поверхностной твердости по HRCэ до 50…55 единиц.
Работа с разъединителем бурильной колонны начинается с подготовительных операций в условиях завода-изготовителя. После приема комплектующих деталей на их соответствие техническим требованиям рабочих чертежей и предварительных контрольных свинчиваний нижней 1 и верней 3 частей РБК, на цилиндрическую часть верхней части 3 устанавливают стальное кольцо 5, и уплотнительные кольца 6, 7. На резьбовые участки (h1, 8) и поверхности, контактируемые с уплотнениями (6, 8, 11), наносят тонким слоем качественную антизадирную смазку, например, Р-402 по ТУ 301-04-020-92.
На первом этапе механического свинчивания между деталями 1, 5 и 3 создают нормируемый крутящий момент (Мкн), составляющий 12…15% от значения предельно допустимого крутящего момента (Мпр), установленного техническими требованиями для резьбовых соединений 2, 4, и используемых для проводки скважины бурильных трубах. После этого стальное кольцо 5 приваривают к верхней части переводника 3 (фиг. 1) и, после температурной нормализации деталей (охлаждение), выполняют несколько контрольных свинчиваний и развинчиваний РБК, с установлением среднего значения развинчивающего (Мр) крутящего момента. При обнаружении повреждений колец 6, 7 их снимают и устанавливают новые. Нижняя 1 и верхняя 3 части РБК маркируют одноименным порядковым номером и применяют, исключительно, совместно. В паспорте на изделие РБК указывают значение развинчивающего крутящего момента (Мр) в кН⋅м, например, РБК 110-№2020. 013. Мр - 1,2 кН⋅м. Концевые присоединительные замковые резьбы РБК 2 и 4 закрывают предохранительными транспортировочными элементами (кольцом и пробкой, соответственно, на фиг. не показано.)
В собранном виде разъединитель бурильной колонны (РБК) включают в компоновку бурильного инструмента, с учетом его состава, глубины скважины и прихватоопасности горных пород. Допускается использование в бурильной компоновке в скважине нескольких РБК.
В случае непредвиденного прихвата бурильного инструмента и обоснованной необходимости произвести извлечение бурильной колонны путем отворота на РБК производят следующие технологические операции (приемы). При технической возможности скважину промывают буровым раствором, не менее одного цикла. Определяют, например, геофизическим прихватомером, нижнюю границу (Нн) свободной бурильной колонны. Если граница Нн выявлена ниже глубины расположения РБК, то разъединение производят после создания условий, при которых разъединительный переводник (РБК) будет «освобожден» от осевой растягивающей или сжимающей нагрузок. В этом состоянии развинчивающий момент (Мр) на РБК будет иметь минимальное значение. Путем создания медленного (12…20 об/мин) вращения бурильных труб в сторону, противоположную свинчиванию резьбовых соединений, с устья скважины производят развинчивание резьбового соединения в РБК и дальнейший подъем бурильных труб на поверхность. Для проведения дальнейших операций, по извлечению прихваченного бурильного инструмента в скважине, с нижней частью РБК, допускается использование резервной стандартной конусной резьбы 8, предусмотренной в нижней части разъединителя 1.
Шаг геликоидальной резьбы (t) между ниппельной частью и корпусом можно определить из следующего выражения:
t=π⋅Dcp⋅tgα.
Пример:
- Dcp средний диаметр геликоидальной резьбы - 90 мм;
- f - коэффициент трения в резьбовом соединении 0,08;
Угол подъема винтовой линии определим из выражения α=0,8⋅arctgf=0,8⋅(arctg0,08)=3,662°. Шаг резьбы будет определен из выражения: t=π⋅Dcp⋅tgα=3,1415⋅90⋅tg3,662°=18,1 мм. Принимаем стандартный шаг геликоидальной резьбы 18 мм.
Предложенное техническое решение (РБК) обладает новизной, существенными отличительными признаками, позволяющими решать поставленную задачу, а также необходимой простотой конструктивного исполнения, обеспечивающей возможность освоения производства и применения в нефтяной промышленности. В описании настоящего технического решения использованы приемы (способы), которые могут быть выделены в отдельную категорию защиты интеллектуальной собственности, например, ноу-хау. Эти качества, в полной мере, присутствуют в настоящем техническом решении и, согласно критериям по оценке изобретательского уровня, оно может претендовать на признание технического предложения изобретением.
Информационные источники
1. Каталог продукции «Инструмент для ликвидации аварий в скважинах» ООО «БИТТЕХНИКА» 2018. info@bittekhnika.ru.
2. Патент RU 2428557 С1, Разъединитель. Опубл. 10.09.2011. Бюл.№25.
3. Патент RU 2437999, Разъединительное устройство колонны труб в скважине. Опубл. 27.12.2011. Бюл.№36.
4. Патент на полезную модель RU 157714 U1 Е21 В 17/06. Опубл. 2015.12.10. БИ №34.
Пояснения к чертежам:
Фиг. 1 - Разъединитель бурильной колонны в собранном состоянии:
Фиг. 2 - фрагмент геликоидальной резьбы между верхней и нижней частями разъединителя бурильной колонны;
Фиг. 3 - боковая развертка торцов верхней и нижней частей разъединителя бурильной колонны в рабочем состоянии;
1 - нижняя часть разъединителя;
2 - замковая резьба на нижней части разъединителя;
3 - верхняя часть разъединителя;
4 - верхняя часть присоединительной замковой резьбы;
5 - кольцо стальное;
6 - кольцо уплотнительное верхнее;
7 - кольца уплотнительные нижние;
8 - резьба коническая, резервная;
9 - опорная сторона профиля геликоидальной резьбы;
10 - противоположная сторона треугольного профиля геликоидальной резьбы;
11 - спиральный профиль сомкнутых торцов нижней части разъединителя с металлическим кольцом, в рабочем состоянии;
12, 13 - упоры радиальные (шлицы) на торцовых поверхностях верхней и нижней частях разъединителя, в рабочем состоянии;
14 - сварной шов на границе участков металлического кольца и верхней частью переводника;
15 - условная линия среднего диаметра геликоидального резьбового соединения;
t - шаг геликоидальной резьбы;
1
h - длина резьбовой части;
2
h - параметр размера радиального упора (шлица);
ϕ - угол наклона поверхности радиальных торцовых упоров, относительно оси вращения переводника;
ω - угол наклона опорной поверхности профиля резьбы, относительно оси вращения;
λ - угол наклона противоположного образующего профиля резьбы;
1
2
r, r - радиусы скругления профиля резьбы;
Dcp - средний диаметр резьбы;
О - ось вращения разъединителя бурильной колонны.