ЗАМКОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ БУРОВЫХ ШНЕКОВ И ТРУБ
LOCKING CONNECTION OF DRILLING AUGERS AND PIPES

Изобретение относится к буровой технике и касается соединения секций буровых шнеков и труб в буровых колоннах. 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 лишних 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 (плывунами). Однако при бурении в местах, где геологический разрез, наряду с упомянутым грунтом, включает в себя существенную часть мерзлого грунта существует проблема низкого ресурса накладных упоров. Также существенно ухудшился 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 взрывных скважин в сейсморазведке. В отличие от упомянутого выше аналога, в выпускаемых по этому патенту шнеках, степень сужения транспортного сечения 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.
Его преимуществом перед описанным выше замковым соединением с накладными приварными упорами является уменьшение степени сужения транспортного канала шнековой колонны в замковой части, что уменьшает сопротивление 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 непрямолинейности («коленчатости») шнековой колонны и непроизводительному увеличению диаметра скважины и повышению энергоемкости бурения.
Однако, при всех, упомянутых преимуществах замкового соединения по патенту РФ №2347886, попытки дальнейшего совершенствования этой конструкции, в частности, повышения срока его службы, 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. Это, как 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.
Попыткой усовершенствования замкового соединения по патенту РФ №2347886 является известное замковое соединение шнеков по патенту РФ №147675 на полезную модель (МПК Е21В 17/04, опубл. 10.11.14, бюл. №31), содержащее соединенные цилиндрической резьбой муфту и ниппель, и размещенные в торцевой части муфты и ниппеля в плоскости оси шнека винтовые зубья с возможностью взаимодействия между собой. Шаг винтовой поверхности, образующий спинку зуба меньше шага резьбы муфты и ниппеля, а высота зубьев превышает величину ее отношения к ходу резьбы в 1,05…1,5 раза, за счет чего крутящий момент передается через сопряженные друг с другом спинки зуба.
В качестве технического результата в описании полезной модели декларируется повышение долговечности соединения и одновременное облегчение спускоподъемных операций. Однако упомянутый технический результат, по нашему мнению, является заблуждением автора, так как, при использовании описанной конструкции на практике, технический результат оказывается противоположным заявленному. В результате нагружения этого замкового соединения рабочим крутящим моментом заклинивание сопряжения может оказаться настолько большим, что его развинчивание без известных в буровой технике гидравлических труборазворотов, будет невозможно. Это снижает производительность и удорожает оборудование. Причина упомянутого сверхзаклинивания обусловлена тем, что направление винтовой поверхности, образующей резьбовое соединение, и направление винтовой поверхности, образующей сопряженные друг с другом наклонные спинки зубьев, через которые передается крутящий момент, совпадают друг с другом(является одноименными), поэтому разница между углом подъема спирали резьбы и углом подъема спирали спинки упоров оказывается меньше приведенного угла трения фрикционной пары «муфта-ниппель». Это вызывает необходимость приложения больших усилий для развинчивания соединения, и приводит не к облегчению спускоподъемных операций, а к их затруднению. Для исключения этого недостатка в рамках обсуждаемого технического решения необходимо настолько увеличить величину хода резьбы, что это приведет к потере ее самотормозящего свойства и опасности потери шнеков в скважине из-за их саморазвинчивания под действием собственного веса и вибрации. По своей технической сути описанное соединение муфты и ниппеля фактически является широко известным в технике дифференциальным винтовым механизмом, в котором за счет разницы углов подъема витков резьб одноименного направления обеспечиваются сверхмалые перемещения. В рассматриваемой конструкции проявляется обратная сторона дифференциального винтового механизма с однонаправленными винтовыми поверхностями - сверхбольшие осевые усилия, не облегчающие, а наоборот, затрудняющие развинчивание соединения.
Поэтому в качестве прототипа изобретения принято замковое соединение по патенту РФ №2347886, наиболее близкое по технической сущности и достигаемому результату.
Задачей предлагаемого изобретения является устранение сформулированного выше по отношению к прототипу технического противоречия, а техническим результатом является повышение нагрузочной способности замкового соединения без увеличения его диаметра и применения дорогих конструкционных материалов.
Поставленная задача решается тем, что в известном замковом соединении, содержащем муфту и ниппель, соединенные цилиндрической резьбой, снабженные сопряженными друг с другом рабочей поверхностью зубчатыми упорами, выполненными на торцевой поверхности кольцевых элементов, неподвижно соединенных, соответственно, с муфтой и ниппелем, высота зубчатых упоров не превышает отношения между ходом резьбы и числом упоров. Отличием предлагаемого замкового соединения является то, что рабочая поверхность зубчатых упоров наклонена к плоскости вращения, вершина острого угла наклона направлена в сторону, противоположную направлению вращения, при этом упомянутый угол наклона и угол подъема винтовой поверхности резьбы имеют величины, суммарно превышающие величину приведенного угла трения фрикционной пары «муфта-ниппель» в условиях ее загрязнения абразивным буровым шламом.
Для обеспечения максимальной прочности зубьев, а также исключнения условий, способствующих заклиниванию замкового сопряжения при его развинчивании из-за заполнения кусковатым шламом зазора между спинками упоров, поверхность спинки зубчатых упоров выполнена винтовой, ее направление одноименно с направлением винтовой поверхности резьбы, а шаг равен шагу спирали последней.
Для дополнительного уменьшения сопротивления развинчиванию соединения, вызванного плотным заполнением зазора между спинками зубьев высокоабразивным шламом, например, с высоким содержанием песка, поверхности спинок зубчатых упоров могут быть образованы наклонной винтовой поверхностью (наклонным геликоидом), образующей острый угол на внутренней кромке спинки. За счет этого поверхности оппозитных спинок образуют канавку с наклонными стенками, расширяющимися наружу, из которой при развинчивании соединения легко удаляется абразивный шлам, не вызывая сопротивления.
Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показано замковое соединение в демонтированном виде; фиг. 2 - муфта и ниппель в сборе; фиг. 3 - вид кольцевых элементов с зубчатыми упорами в аксонометрии; фиг. 4 - местный разрез А на фиг. 2; фиг. 5 - силовая схема взаимодействия зубчатых упоров и витков резьбы.
Замковое соединение секций буровой колонны выполненных в виде буровых шнеков 1 и 2 или буровых труб (не показаны) содержит муфту 3 и ниппель 4, соединенные цилиндрической резьбой 5 с ходом t, и снабженные зубчатыми упорами 6 с высотой h, сопряженными друг с другом рабочей поверхностью 7. Зубчатые упоры 6 выполнены на торцевой поверхности кольцевых элементов 8, неподвижно соединенных сваркой, соответственно, с муфтой 3 и ниппелем 4. Из соображений уменьшения влияния неточности взаимного расположения упоров 6 на равномерность распределения нагрузки между ними, оптимальное число Z зубчатых упоров равняется трем. Высота h зубчатых упоров 6 не превышает отношения между величиной хода резьбы t и числом зубьев Z. Рабочая поверхность 7 зубчатых упоров 6 наклонена к плоскости вращения под острым углом α, а его вершина направлена в сторону, противоположную направлению вращения. Форма рабочей поверхности 7 может быть как плоской, так и винтовой. При этом, в варианте, когда рабочая поверхность 7 выполнена винтовой, направление спирали, образующей ее, противоположно направлению спирали винтовой поверхности резьбы. Спинка 9 зубчатых упоров 6 может быть образована различной, в том числе и плоской поверхностью (не показана), однако, наилучшей формой спинки является винтовая. При этом направление и шаг винтовой поверхности спинки совпадают с шагом и направлением винтовой поверхности, образующей витки 10 и 11 резьбы (фиг. 5), соответственно, муфты и ниппеля. Это дает наиболее плотное, с обеспеченным конструктивно минимальным зазором b, сопряжение друг с другом оппозитных спинок 9 зубчатых упоров 6. В этом случае, в отличие от других форм спинки (не показаны), при которых между ними остается пространство, допускающее попадание прочных кусковатых частиц бурового шлама (щебень, галька), они могут оказать сопротивление из-за их защемления между спинками при развинчивании замкового соединения. Кроме этого, большая часть винтовой поверхности спинок зубчатых упоров 6 может быть выполнена наклонной к оси вращения, в виде наклонного геликоида, образующего острый угол γ на внутренней кромке спинки 9 (фиг 4). За счет этого угла в собранном замковом соединении поверхности оппозитных спинок образуют канавку со стенками, расширяющимися наружу, из которой при развинчивании соединения легко удаляется также и мелкий абразивный шлам, не вызывая заклинивания. Величины угла α наклона рабочей поверхности упоров и угла β подъема витков резьбы выбраны такими, что суммируясь, они существенно превышают значение приведенного угла трения фрикционной пары «муфта-ниппель», возникающего в условиях, в том числе, и загрязнения абразивным шламом.
окр
2
1
Предлагаемое замковое соединение работает следующим образом. При наращивании буровой колонны муфту 3 последующего шнека 2 свинчивают с ниппелем 4 предыдущего шнека 1 до упора рабочих поверхностей 7 зубчатых упоров 6 друг в друга под действием окружной силы Р. При этом, муфта отжимается от рабочих поверхностей 7 ниппеля под действием реакции R наклонных рабочих поверхностей 7 до устранения осевого зазора между витками 10 и 11 резьбы и возникновения между ними силового контакта с возникновением реакции R. После этого, зубчатые упоры 6 совместно с витками резьбы 10 и 11 передают крутящий момент, возникающий при бурении.
В отличие от прототипа, при прочих равных условиях, суммарная поверхность контакта сопряжения муфты и ниппеля, значительно увеличена за счет наклона под углом α рабочей поверхности 7 зубчатых упоров 6 и за счет того, что нагрузку передает не только рабочая поверхность зубчатых кулачков, но и контактирующие друг с другом витки резьбы 10 и 11, наклоненные под углом β в противоположную углу α сторону. При этом, витки резьбы с рабочими поверхностями упоров образуют клиновое сопряжение с суммарным углом α+β, величина которого исключает заклинивание под действием рабочей нагрузки. Такое распределение нагрузки между поверхностями упоров и витками резьбы увеличивает нагрузочную способность замкового соединения и повышает срок его службы. Кроме того, описанное замковое соединение, в отличие от прототипа, за счет наклонных упоров исключает люфты в резьбовом сопряжении, что существенно увеличивает поперечную жесткость и продольную устойчивость буровой колонны. Это, в свою очередь, уменьшает ее искривление в скважине, возникающее под действием силы давления на забой и, соответственно, силу трения между шнековой буровой колонной и стенками скважины, в результате снижая энергоемкость бурения. В случае использования изобретения в буровых трубах, лишенных, в отличие от шнеков, направляющего действия стенки скважины, повышение жесткости колонны позволит, при прочих равных условиях, увеличить силу давления на забой и за счет этого увеличить производительность проходки.
окр
Развинчивание замкового соединения при демонтаже буровой колонны происходит без излишних усилий, так как угол клина α+β передающего окружное усилие Р существенно превышает приведенный угол трения соединения.
Таким образом, предложение удовлетворяет требованиям промышленной применимости, новизны, и имеет изобретательский уровень.