РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ СЕКЦИЙ БУРОВОЙ КОЛОННЫ
THREADED CONNECTION OF SECTIONS OF DRILLING STRING

Изобретение относится к буровой технике и касается соединения секций буровых колонн, состоящих из буровых шнеков, труб, или штанг. Преимущественные области применения - бурение скважин в сейсморазведке, инженерных изысканиях, геологоразведке, строительстве.
Известно замковое соединение полых шнеков с прямоугольной цилиндрической резьбой (Е.И. Танов, В.Я. Площадный. Шнековый буровой инструмент// Недра, 1985, стр. 12,13). Оно выполнено в виде ниппеля и муфты сопряженных друг с другом цилиндрической резьбой, с упором в торцевый стык, расположенный в плоскости вращения. Это соединение передает осевые нагрузки и крутящий момент.
Достоинствами такого соединения являются простота изготовления, жесткость за счет отсутствия люфтов, и обеспечение равного сечения транспортного ручья шнека на всей длине шнековой колонны. Последнее обеспечивает минимальное сопротивление выносу бурового шлама, что обеспечивает высокую производительность проходки скважины.
Однако, описанное соединение имеет недостаток, который снижает общую производительность буровых работ, связанный с чрезмерным заклиниванием резьбового соединения под действием крутящего момента при бурении. Заклинивание приводит к повышенным затратам времени и физических усилий на демонтаж колонны, или требует введения в конструкцию буровой установки специальных механизмов для развинчивания соединения, усложняющих и удорожающих ее.
Стремление устранить этот недостаток привело к появлению замкового соединения полых шнеков с прямоугольной цилиндрической резьбой, имеющего одиночные накладные упоры, приваренные к боковой поверхности муфты и ниппеля каждого шнека (SU, а.с. №1571201, Е21В 17/00, 17/22, 19/00, 29.12.1987). Упоры ниппеля и муфты, взаимодействуя друг с другом, передают крутящий момент, исключая затяжку резьбового соединения, что позволяет при демонтаже колонны развинчивать соединения без чрезмерных усилий и затрат времени. Такое замковое соединение широко использовалось в практике бурения сейсморазведочных скважин в болотистых районах Западной Сибири, изобилующих геологическими разрезами с неустойчивыми грунтами. Однако, при бурении в геологических разрезах, включающих в себя существенную часть мерзлого грунта, возникает проблема низкого ресурса накладных упоров, связанная с их недостаточной прочностью. Ухудшается также вынос бурового шлама, из-за периодических сужений сечения транспортного ручья шнека приваренными в его межвитковом пространстве упорами, занимающими до 80 … 85% этого сечения и, соответственно, снижается производительность проходки скважины. Кроме этого, в сложных геологических разрезах упомянутые периодические сужения провоцируют образование так называемых «сальников» (пробок) из бурового шлама, препятствующих выносу шлама, и вынуждающих поднимать буровую колонну из скважины для их удаления.
Описанные выше трудности в значительной степени были уменьшены известным замковым соединением (Патент РФ №2347886, МПК Е21В 17/042, 17/22, 27.02.2009, бюл. №6), широко применяемым в настоящее время при бурении скважин в сейсморазведке. В отличие от упомянутого выше аналога, в выпускаемых по этому патенту шнеках, степень сужения транспортного ручья шнека уменьшена и составляет 45 … 50% в зависимости от типоразмера буровой колонны. Это замковое соединение содержит муфту и ниппель, соединенные цилиндрической резьбой, снабженные сопряженными друг с другом рабочей поверхностью зубчатых упоров, размещенных на торцевой поверхности кольцевых элементов, неподвижно соединенных, соответственно, с муфтой и ниппелем, при этом высота зубчатых упоров не превышает отношения между ходом резьбы и числом упоров, спинка которых образована спиральной поверхностью. Рабочая поверхность упоров, расположена в плоскости осевого сечения замкового соединения и передает крутящий момент, разгружая от него резьбовое сопряжение, которое воспринимает только осевые нагрузки давления на забой, или при подъеме буровой колонны..
Преимуществом этого соединения, перед описанным выше, является уменьшение степени сужения транспортного канала шнековой колонны в замковой части, и, соответственно, снижение сопротивления выносу бурового шлама. Кроме того, симметричное по отношению к оси вращения приложение окружного усилия, создающего крутящий момент, от одной из сопрягаемых частей замкового соединения (муфты) к другой (ниппелю), исключает взаимный перекос смежных шнеков под нагрузкой из-за выборки зазоров в резьбовом сопряжении, приводивший к перекосу сопряжения, непрямолинейности («коленчатости») шнековой колонны и, соответственно, непроизводительному увеличению диаметра скважины, повышающему энергоемкость бурения.
Однако, при всех, упомянутых преимуществах замкового соединения по патенту РФ №2347886, попытки дальнейшего совершенствования этой конструкции, в частности, повышения ресурса, наталкивается на следующее техническое противоречие. Напряжения, определяющие величину предельного крутящего момента, передаваемого зубчатыми упорами, при прочих равных условиях, зависят от их размеров, в частности, от площади их рабочей поверхности и радиуса удаленности от оси вращения (плеча окружной силы вращения). Во всех, применяемых в настоящее время в практике бурения буровых шнеках этого типа, для исключения превышения возникающих при бурении напряжений над допускаемыми и обеспечения за счет этого приемлемого ресурса замкового соединения, диаметр кольцевых элементов с зубчатыми упорами вынужденно превышает диаметр муфты, и без того уже превышающий диаметр трубы шнека. Это, как уже указывалось выше, снижает производительность проходки скважины из-за сужения сечения транспортного ручья шнека. Уменьшение диаметра кольцевых элементов с упорами до диаметра муфты шнека за счет изготовления их из высокопрочных легированных сталей, неприемлемо повышает себестоимость изделия из-за высокой цены материала, а также технологических сложностей со сваркой этих материалов.
Известно резьбовое соединение шнеков (полезная модель №44730, МКИ Е21В 17/042, опубл. 27.03.2004, бюл. №9), содержащее муфту и ниппель, соединяемые цилиндрической резьбой, в котором угол подъема винтовой линии резьбы выполнен в 1,2 … 2,0 больше угла трения на витках резьбовой пары.
Эта конструкция существенно проще и дешевле в изготовлении, чем описанные выше соединения, за счет отсутствия кольцевых элементов с зубчатыми упорами, а благодаря большому углу подъема витков резьбы, превышающему угол трения материала муфты и ниппеля, исключает чрезмерную затяжку резьбового соединения при бурении, облегчая и ускоряя последующий демонтаж шнековой, или другого вида, колонны. Кроме того, в отличие от описанных выше, это соединение обеспечивает лучшие транспортирующие свойства шнека за счет отсутствия периодических сужений транспортного ручья шнековой колонны в местах соединения ее секций.
Однако, имея перечисленные выше достоинства, описанная конструкция обладает и следующим недостатком. Верхний предел величины угла подъема витка резьбы, исключающий чрезмерную затяжку резьбового соединения, ограничен опасностью потери шнековой колонны в скважине из-за возможности саморазвинчивания резьбового соединения. Но, даже в условиях указанного ограничения угла подъема витка, на практике случается заклинивание резьбового соединения, связанное с засорением резьбы высокоабразивным буровым шламом, требующее для демонтажа соединения повышенных затрат времени и физических сил, или применения специальных механизмов. Дальнейшее увеличение угла подъема витка резьбы, устраняющее эту проблему, невозможно из-за потери самотормозящих свойств резьбы сверх допустимого предела. Причиной, не позволяющей решить эту проблему в рамках описанного технического решения является слишком широкий разброс реального коэффициента трения в резьбовом сопряжении, связанный со многими трудноуправляемыми факторами: различной степенью загрязнения буровым шламом, разной степенью его абразивности, нестабильной смазкой, степенью износа резьбы, уровнем вибрации и др. Поэтому, несмотря на хорошие транспортирующие качества шнека и простоту конструкции его резьбового соединения, оно нашло ограниченное применение, в основном, в малогабаритной буровой технике, где величина действующих крутящих моментов относительно невелика и позволяет терпеть с описанные трудности.
Резьбовое соединение шнеков по патенту №44730 является наиболее близким к заявленному по технической сущности и достигаемому эффекту и выбрано в качестве прототипа изобретения.
Задачей изобретения, является устранение описанного выше технического противоречия, а именно, снижение трудоемкости демонтажа резьбового соединения при условии обеспечения его самотормозящих свойств, и равнопроходного сечения транспортного ручья шнека.
Задача решается тем, что в известном резьбовом соединении секций буровой колонны, содержащем муфту и ниппель, соединяемые друг с другом цилиндрической резьбой, отличием является то, что, по меньшей мере, часть боковой стороны профиля первого витка резьбы муфты, обращенной наружу, и обращенная к ней аналогичная часть первого витка резьбы ниппеля, выполнены в виде элементов, обеспечивающих при их сопряжении друг с другом крутящий момент, заведомо превышающий момент сопротивления развинчиванию муфты и ниппеля, сопряженных на полную длину свинчивания.
В зависимости от необходимой для демонтажа соединения величины крутящего момента, конструктивное выполнение упомянутых элементов может быть различным.
Так элемент, передающий момент сопротивления развинчиванию, может быть выполнен в виде фрикционной пары повышенного, по сравнению с остальной частью сопряжения, трения. Поверхность сопряжения фрикционной пары повышенного трения может быть образована как конической поверхностью, так и наклонной винтовой поверхностью. При этом острый угол пересечения образующей этих поверхностей с осью резьбового соединения вершиной направлен внутрь муфты. Вариант конической поверхности, является, более простой и технологичной альтернативой наклонной винтовой поверхности, но имеет более интенсивный износ, и соответственно, срок службы из-за меньшей площади фрикционного контакта.
Эти варианты конструктивные варианты реализации изобретения наиболее просты и технологичны, но сила трения такой фрикционной пары может оказаться недостаточной, для преодоления момента затяжки резьбового соединения, сопряженного на полную длину свинчивания при небольших углах подъема витков резьбы, где моменты затяжки резьбы велики, особенно в условиях ее засорения высокоабразивным шламом.
Лучшим, в этом случае, является вариант, в котором элементы, передающие момент сопротивления развинчиванию соединения, выполнены в виде противодействующих друг другу упоров, образованных в габаритах тела первого витка резьбы муфты и ниппеля. Этот вариант реализации изобретения обеспечивает передачу наибольшего крутящего момента. Он может применяться в резьбовых соединениях, не имеющих средства ограничения, или исключения момента затяжки соединения, такого как, например, в прототипе по патенту №44730, или аналоге по патенту РФ №2347886.
Для облегчения изготовления упоров и улучшения условий самоочистки их рабочей поверхности от загрязнения буровым шламом, она может быть образована стенкой сквозного паза, выполненного поперек витка резьбы. При этом ширина паза не должна превышать длины передней части витка резьбы, ограниченной рабочей поверхностью упора.
Лучшим профилем резьбы муфты и ниппеля является прямоугольный, где витки образованы поверхностью прямого геликоида. В сравнении треугольной или трапецеидальной резьбой, прямоугольная имеет меньшую величину трения в сопряжении. Это увеличивает разницу между величиной трения в резьбовом сопряжении при полной длине свинчивания, и величиной трения фрикционной пары повышенного трения, образованной на первом витке резьбы муфты и ниппеля. Это способствует стабильности процесса развинчивания соединения при его демонтаже.
Изобретение поясняется чертежами, где показаны: фиг. 1 - секции буровой колонны, сопряженные муфтой и ниппелем, выполненными согласно изобретению; фиг. 2, 3, 4 - варианты выполнения элементов первого витка резьбы, передающих крутящий момент сопротивления развинчиванию; фиг. 5, 6, 7 - то же, в положении сопряжения упомянутых элементов друг с другом; фиг. 8 - вариант выполнения упора на фиг.7.
Резьбовое соединение секций 1, 2, 3 буровой колонны содержит муфту 4, расположенную на нижнем конце каждой из секций и ниппель 5, расположенный на верхнем ее конце (фиг. 1). Муфта и ниппель сопряжены цилиндрической резьбой 6. Муфта 4 снабжена центрирующей выточкой 7, а ниппель 5 центрирующей проточкой 8, расположенные со стороны заходной части резьбы и сопряженные друг с другом в рабочем положении секций. Часть боковой стороны профиля первого витка резьбы муфты 4, обращенная наружу, и обращенная к ней аналогичная часть первого витка резьбы ниппеля 5, снабжены, соответственно, элементами 9 и 10, обеспечивающими при их сопряжении друг с другом крутящий момент, заведомо превышающий момент сопротивления развинчиванию муфты и ниппеля, сопряженных на полную длину свинчивания. Конструктивное выполнение элементов 9 и 10 может быть различным, в зависимости от необходимой для демонтажа соединения величины крутящего момента.
Так, в частности, они могут быть выполнены в виде конических 11 и 12 (фиг. 2), или наклонных винтовых поверхностей 13 и 14 (фиг. 3), которые в сопряжении друг с другом (фиг. 5) и (фиг. 6), образуют фрикционную пару. При этом, острый угол α пересечения образующей этих поверхностей с осью резьбового соединения в обоих вариантах вершиной направлен внутрь муфты. Величина этого угла выбрана такой, чтобы сила трения фрикционной пары, образованной упомянутыми поверхностями за счет клинового эффекта была выше, чем величина силы трения в резьбовом сопряжении при полной длине свинчивания. Клиновой эффект, возникающий в описанном сопряжении, и обеспечиваемая им сила трения тем больше, чем меньше угол α. Вариант конической поверхности трения, проще и технологичнее, чем наклонной винтовой поверхности трения, однако имеет, по сравнению с ней, меньше площадь фрикционного контакта и, соответственно, меньший ресурс на износ. Лучшим вариантом профиля резьбы 6 является прямоугольный, имеющий в сравнении с треугольным, или трапецеидальным (не показаны) меньшую величину силы трения в сопряжении. В этом случае разница между величиной силы трения в резьбовом сопряжении при полной длине его свинчивания, и величиной трения фрикционной пары, обеспечивающей развинчивание, будет больше. Это позволит сделать процесс демонтажа резьбового соединения более стабильным за счет уменьшения влияния всякого рода случайностей, приводящих к подклиниванию сопряжения, например, наличия на сопрягаемых поверхностях крупнозернистого песка.
В другом, лучшем варианте выполнения изобретения, элементы, передающие крутящий момент при развинчивании, выполнены в виде противодействующих друг другу упоров 15 и 16, образованных в габаритах тела первых витков резьбы муфты 4 и ниппеля 5 (фиг. 4, 7). Для упрощения изготовления упоров, с одной стороны, и обеспечения возможности их самоочистки от бурового шлама - с другой, рабочая поверхность упомянутых упоров может быть образована стенкой сквозного паза 17, выполненного
поперек витка резьбы (фиг. 8). При этом, ширина aα паза не превышает длины b передней части витка резьбы, ограниченной рабочей поверхностью упора. Это необходимо для того, чтобы эта часть витка из-за попадания в паз не могла препятствовать свинчиванию резьбового соединения при наращивании колонны. Этот вариант выполнения изобретения, по сравнению с первыми, описанными выше, обеспечивает многократно большую величину крутящего момента, передаваемого упорами на демонтируемое резьбовое сопряжение.
Заявленное резьбовое соединение работает следующим образом. При наращивании колонны в процессе проходки скважины каждую последующую секцию центрирующей выточкой 7 муфты 4 соединяют с центрирующей проточкой 8 ниппеля 5 и свинчивают их до взаимного соприкосновения их торцевых поверхностей. После окончания проходки, при демонтаже секций буровой колонны, зажимом (не показан), или иным способом исключают возможность вращения предпоследней сверху секции, затем реверсируют вращатель буровой установки (не показан). При этом под действием крутящего момента вращателя одно из двух резьбовых соединений последней сверху секции (верхнее, связанное с вращателем, или нижнее, связанное с неподвижной предпоследней секцией) развинчивается до полной потери сопряжения элемента 9 с элементом 10, и срыва витка резьбы муфты с витка резьбы ниппеля. После срыва элементы 9 и 10 под действием веса вращателя с ударом и одновременным вращением снова входят в сопряжение друг с другом. Под действием этого удара, одновременного с вращением, возникает импульс крутящего момента, приводящий к переходу от состояния трения покоя, в котором находилось второе из сопряжений, к трению движения, имеющему меньшую величину, и последующему развинчиванию этого резьбового сопряжения.
В варианте выполнения изобретения, показанном на фиг. 5 и фиг. 6, где упомянутые элементы выполнены, соответственно, в виде сопряженных друг с другом конических 11 и 12, или наклонных винтовых 13 и 14 поверхностей, при вращении и действии силы Р осевого давления вращателя (не показан) между ними возникает сила трения, величина которой за счет клинового эффекта, возникающего между ними, превышает силу трения во втором резьбовом соединении. Поэтому в результате происходит развинчивание этого резьбового соединения до выхода из взаимного зацепления первых витков резьбы. После этого верхнюю секцию снимают, вращатель опускают, свинчивают его с очередной секцией, освобождают ее из зажима, поднимают и зажимают следующую нижнюю секцию. Далее описанный процесс повторяют до окончания демонтажа буровой колонны. Описанные варианты конструктивно просты и технологичны, но фрикционная пара обеспечивает недостаточную величину момента трения. Поэтому сфера их применения ограничена, в основном, буровыми шнеками, имеющими средства ограничения момента затяжки резьбы. Это, например, или увеличенный угол подъема ее витков, как в прототипе (патент РФ №44730), или средство полного исключения момента затяжки в виде зубчатого соединения, разгружающего резьбу от крутящего момента (патент РФ №2347886). В упомянутой сфере применения описанное техническое решение позволяет увеличить производительность и облегчить условия труда персонала за счет преодоления заклиниваний резьбового соединения при развинчивании колонны реверсом вращателя.
В другом варианте выполнения изобретения, показанном на фиг. 4 и фиг. 7, где упомянутые элементы выполнены в виде противодействующих друг другу упоров 15 и 16, образованных в габаритах тела первого витка резьбы муфты и ниппеля, демонтаж резьбовых соединений происходит с тем отличием, что после окончания развинчивания первого из резьбовых соединений происходит сцепление упора 15 муфты и упора 16 ниппеля, а затем последующее развинчивание второго из соединений. Оно может происходить не более чем до момента соприкосновения упора на муфте этого соединения с упором на ниппеле неподвижной секции, после чего демонтируемая секция может быть удалена. Величина крутящего момента, передаваемого упорами 15 и 16, преодолевающего силы трения в резьбовом сопряжении при его демонтаже, определяется величиной, развиваемой вращателем буровой установки, многократно превышающей величину крутящего момента, которую способна обеспечить фрикционная пара в первых двух вариантах выполнения.
Этот вариант резьбового соединения является лучшим, и, в сравнении с описанным выше аналогом по патенту РФ №2347886, с одной стороны, упрощает и удешевляет конструкцию замковых соединений шнеков, а с другой - повышает производительность транспортирования бурового шлама за счет полного устранения сужений транспортного ручья шнековой колонны в зоне замкового соединения. Кроме того, дополнительным преимуществом заявленного технического решения по сравнению с этим аналогом является более высокая жесткость и продольная устойчивость буровой колонны, обусловленная отсутствием осевого зазора в резьбовом сопряжении.
Изобретение, по сравнению с прототипом, позволяет увеличить производительность буровых работ за счет снижения трудоемкости демонтажа резьбового соединения при сохранении его самотормозящих свойств.
Таким образом, заявленное техническое решение удовлетворяет критериям промышленной применимости, новизны и изобретательского уровня.