Труба бурильная с двухупорными замками уменьшенного наружного диаметра

Предложенная полезная модель относится к области горного дела, а именно к бурильным трубам наружным диаметром 89 мм (БТ), предназначенным в основном для бурения, аварийных работ и капитального ремонта в скважинах, обсаженных трубами размером 140-168 мм.
От бурильных труб требуется, чтобы они были способны передавать высокий крутящий момент на долото, выдерживать осевую растягивающую и сжимающую нагрузку и надежно работать в условиях знакопеременного изгиба в горизонтальных и сильно искривленных скважинах. Последнее требование означает, что трубы, в первую очередь замки труб, должны обладать высоким сопротивлением усталости, или высокой усталостной прочностью. Также необходимо, чтобы сквозь них можно было прокачивать буровой раствор с минимальными потерями на гидравлическое сопротивление и чтобы сквозь них можно было проводить геофизические приборы определенного диаметра.
В случаях, когда это не имеет значения, в настоящем описании замком будет называться как ниппель, так и муфта.
Известна бурильная труба диаметром 89 мм, включающая тело трубы с высаженными концами и с приваренными к ним ниппелем и муфтой замка, на которых выполнена соединительная замковая резьба (шаг 6,350 мм, конусность 1:6, угол при вершине резьбы 60°) с двумя упорами - наружным и внутренним, при этом наружный диаметр ниппеля и муфты по всей длине имеет одинаковое значение, равное максимум 123 мм, наружная поверхность упорного пояска ниппеля выполнена конической с конусностью 1:6, а диаметр внутреннего отверстия ниппельного и муфтового концов трубы по всей длине равен минимум 50 мм [RU 114087, п.3 формулы].
Использованная в замке известной трубы резьба 3-94 (NC35) с конусностью 1:6 накладывает ограничение на минимальный размер наружного диаметра муфты замка. Известная бурильная труба предназначена в основном для бурения, аварийных работ и капитального ремонта в скважинах, обсаженных трубами размером 168-178 мм. Ее нельзя применять в широко распространенных обсадных колоннах диаметром 140 и 146 мм ввиду увеличенного наружного диаметра замков.
Кроме того, при простом увеличении диаметра внутреннего отверстия ниппельного и муфтового концов трубы без принятия дополнительных мер снижается прочность замка, а признак «…равен минимум 50 мм…» не позволяет установить пороговое значение диаметра, свыше которого снижение прочности становится недопустимым.
Известны также бурильные трубы двух типоразмеров с диаметром тела 73 и 108 мм, включающие тело трубы, муфтовый и ниппельный концы диаметром 100-108 мм, на которых имеется трапецеидальная коническая резьба, шаг которой - 8,467 мм, конусность - 1:9,6, угол при вершине резьбы - 90°, с двумя упорами - внешним и внутренним, в которой диаметр отверстия муфтового и ниппельного концов, примыкающего к внутренней упорной плоскости, по всей длине конца равен 50-53 мм, а наружная поверхность упорного пояска ниппеля выполнена конической с конусностью 1:9,6 [RU 134570].
Патентное описание не содержит обоснования выбора верхнего предела диаметров внутренних отверстий ниппеля и муфты, хотя от него зависит прочность резьбового соединения. В патентном описании имеется Таблица 1, в которой в качестве примера конкретного выполнения представлены основные параметры бурильной трубы. Первый пример описывает БТ 73×9,19 с замковой резьбой типа 3-81У, а второй пример описывает УБТ 108×28,6 с замковой резьбой типа 3-83. Для обоих примеров в Таблице 1 указано только одно значение диаметра отверстий муфты и ниппеля, и оно равно 50,8 мм.
Но одно дело указать диапазон допустимых вариаций диаметра отверстий в патентной заявке, а другое - изготовить трубу с максимальным заявленным значением диаметра и нести ответственность за ее прочность. Сведения об успешном испытании и выпуске описанных бурильных труб с диаметром отверстий в ниппеле и муфте в области расположения резьбы, превышающем 50,8 мм, в уровне техники неизвестны.
Наиболее близкой к предложенной по технической сущности и достигаемому результату является бурильная труба с двухупорными замками уменьшенного наружного диаметра, включающая тело трубы диаметром 89 мм с приваренными ниппелем и муфтой замка диаметром 105,5-108 мм, на которых выполнена трапецеидальная коническая резьба (шаг 8,467 мм, конусность 1:9,6, угол при вершине резьбы 90°) с двумя упорами - внешним и внутренним, в которой диаметры внутреннего отверстия ниппеля и внутреннего отверстия муфты составляют 50-53 мм, а наружная поверхность упорного пояска ниппеля и заходная расточка муфты выполнены коническими с конусностью 1:9,6 [RU 128912, п.2 формулы, фиг. 4 описания].
Патентное описание не содержит обоснования выбора верхнего предела диаметров внутренних отверстий ниппеля и муфты, хотя от него зависит прочность резьбового соединения. В патентном описании имеются Таблицы 1 и 4, в которых в качестве примера конкретного выполнения представлены основные параметры бурильной трубы и резьбового соединения с двумя упорами. В обеих таблицах указано только одно значение диаметра отверстий муфты и ниппеля, и оно равно 50,8 мм. Сведений об успешном испытании труб с диаметрами отверстий в ниппеле и муфте, превышающем 50,8 мм, патентное описание не содержит.
Это вполне объяснимо, поскольку при диаметре внутреннего отверстия ниппеля, равном верхнему пределу заявленного размера, сбалансировать прочность на кручение, отверстий муфты и ниппеля, и оно равно 50,8 мм. Сведений об успешном испытании труб с диаметрами отверстий в ниппеле и муфте, превышающем 50,8 мм, патентное описание не содержит.
Это вполне объяснимо, поскольку при диаметре внутреннего отверстия ниппеля, равном верхнему пределу заявленного размера, сбалансировать прочность на кручение, прочность на изгиб и на сжатие, а также повысить усталостную прочность в заявленной трубе уже не удаётся.
Фактический внутренний диаметр в 50,8 мм, являющийся стандартным, оказывает значительное гидравлическое сопротивление прокачке бурового раствора, а также накладывает ограничения на применение некоторых скважинных приборов и инструментов, спускаемых внутрь колонны бурильных труб при выполнении различных технологических операций и измерений. При увеличении внутреннего диаметра замка, например, до стандартного значения в 54 мм стенка второго упорного торца на ниппеле замка становится слишком тонкой и может сминаться при приложении высоких комбинированных нагрузок на замковое соединение.
Задачей предложенной бурильной трубы с диаметром тела 89 мм и приваренными ниппелем и муфтой, снабжёнными высокомоментной двухупорной конической резьбой с шагом 8,467 мм, конусностью 1:9,6 и углом при вершине резьбы 90°, является повышение прочности на кручение её замкового соединения.
Технический результат от применения предложенной бурильной трубы состоит в повышении прочности на кручение её замковых соединений. Это позволяет повысить предельно допустимый момент на роторе, передаваемый на бурильную колонну, что, в свою очередь, позволяет повысить скорость бурения. Кроме того, это повышает надёжность работы замков в случае расхаживания прихваченной в скважине бурильной колонны.
Ещё одним следствием повышения прочности на кручение является возможность снижения гидравлического сопротивления прокачке бурового раствора и расширения номенклатуры геофизических приборов, которые она способна через себя пропускать за счёт увеличения минимального диаметра внутреннего канала до 54 мм при сохранении её прочностных характеристик.
Указанный технический результат достигается благодаря тому, что в известной трубе бурильной с двухупорными замками уменьшенного наружного диаметра, включающей тело трубы диаметром 89 мм с высаженными концами и приваренные к ним ниппель и муфту, имеющие коническую резьбу с шагом 8,467 мм, конусностью 1:9,6, углом при вершине резьбы 90°, с внешним и внутренним упорами, диаметр внутреннего канала составляет 50,0-54,0 мм, угол наклона наружной поверхности упорного пояска ниппеля к продольной оси замка больше 0°, но меньше или равен 2°58´53´.
Кроме того, на фасках внешних упорных торцов ниппеля и муфты выполнены кольцевые сигнальные проточки, диаметр которых совпадает с величиной сбалансированного диаметра бурильного замка.
Кроме того, муфта имеет коническую разгрузочную канавку, глубина которой равна 1,1-1,4 высоты профиля резьбы, а ширина составляет 2, 3 шага резьбы.
Кроме того, труба бурильная выполнена толстостенной.
Кроме того, труба бурильная выполнена утяжелённой.
Благодаря выполнению наружной поверхности упорного пояска ниппеля с углом наклона наружной поверхности к продольной оси замка, лежащим в пределах более 0° до 2°58´53´´ включительно, становится возможным увеличение прочности на кручение замкового соединения на 3% по сравнению с прототипом при внутреннем диаметре замка 54 мм за счёт увеличения площади опорной поверхности торца упорного пояска ниппеля. При меньших значениях внутреннего диаметра замка увеличение прочности замкового соединения по сравнению с прототипом достигает 6% при 50,8 мм. Повышение прочности на кручение замкового соединения позволяет пропорционально увеличить максимальный крутящий момент свинчивания замка. А это повышает надёжность работы замков в случае расхаживания прихваченной в скважине бурильной колонны.
Благодаря заявленному выполнению упорного пояска ниппеля появляется возможность увеличения минимального диаметра внутреннего канала ниппеля и муфты до 54 мм при сохранении и даже небольшом (3%) повышении прочности на кручение. При этом минимальная площадь поперечного сечения канала увеличивается на 13% по сравнению с максимально достигнутой у наиболее близкого аналога, что снижает её гидравлическое сопротивление прокачке бурового раствора на 5%, а также снижает вероятность застревания геофизического оборудования, спускаемого в скважину через канал в трубе. Это расширяет номенклатуру оборудования, которое можно спускать в скважину.
Благодаря выполнению на ниппеле и муфте кольцевых сигнальных проточек, диаметр которых совпадает с величиной сбалансированного диаметра бурильного замка, повышается надёжность предложенной бурильной трубы за счёт создания возможности визуального контроля степени износа наружной поверхности муфты и ниппеля.
Благодаря выполнению кольцевых сигнальных проточек на фасках внешних упорных торцов ниппеля и муфты надёжность предложенной бурильной трубы повышается ещё больше, поскольку такое расположение повышает оперативность визуального контроля состояния хорошо видимых проточек и, следовательно, степень износа ниппеля и муфты. Кроме того, такое расположение защищает проточки от случайных повреждений.
Благодаря тому, что внутренний диаметр сигнальных проточек совпадает с величиной сбалансированного диаметра бурильного замка, повышается надёжность предложенной бурильной трубы.
Благодаря тому, что муфта имеет коническую разгрузочную канавку, глубина которой равна 1,1-1,4 высоты профиля резьбы, а ширина составляет 2, 3 шага резьбы, повышается надёжность предложенной бурильной трубы, имеющей увеличенный минимальный диаметр внутреннего канала в ниппеле и муфте. Заявленные соотношения размеров являются оптимальными с точки зрения равномерности распределения напряжений в резьбовом соединении замка.
Существо полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображена предложенная труба бурильная в сборе с двухупорными замками уменьшенного наружного диаметра.
На фиг. 2 изображена резьбовая часть ниппеля предложенной бурильной трубы.
На фиг. 3 изображён вариант исполнения резьбовой части муфты предложенной трубы без разгрузочной канавки.
На фиг. 4 изображён вариант исполнения резьбовой части муфты предложенной трубы с разгрузочной канавкой.
Предложенная полезная модель представляет собой бурильную трубу, состоящую из тела 1 трубы диаметром 89 мм, к высаженным концам 2 которой приварены ниппель 3 и муфта 4, имеющие коническую резьбу З-83 (Z83-DS) с шагом 8,4667 мм, конусностью 1:9,6, углом профиля 90° и высотой профиля 2,2867 мм (фиг. 1).
Ниппель 3 и муфта 4 трубы выполнены двухупорными. Внешний упор образуют опорный уступ 5 ниппеля 3 (фиг. 2) и упорный торец 6 муфты 4 (фиг. 3). Внутренний упор образуют внутренняя упорная плоскость 7 муфты 4 (фиг. 3) и торец 8 упорного пояска 9 ниппеля 3 (фиг. 2).
Наружная поверхность упорного пояска 9 выполнена конической с углом α между образующей конуса и осью ниппеля. При этом угол α находится в пределах свыше 0° до меньше или равно 2°58´53´´. Нахождение угла α в заявленных пределах увеличивает площадь опорной поверхности внутреннего упорного торца замка и повышает предельно допустимый крутящий момент замка приблизительно на 3% при диаметре внутреннего канала 54 мм и по меньшей мере на 6% при меньших значениях диаметра внутреннего канала. Это компенсирует снижение прочности замка из-за увеличения диаметра внутреннего канала до 54 мм. Само же увеличение диаметра позволяет расширить  перечень измерительных приборов и инструментов при прохождении через бурильную колонну. Кроме того, увеличение до 54,0 мм внутреннего диаметра замков позволяет снизить на 5% гидравлическое сопротивление прокачке бурового раствора и повысить скорость проходки при бурении ствола скважины. При использовании толстостенных или утяжелённых труб внутренний диаметр замков может быть уменьшен до внутреннего диаметра труб, например до 38 мм.
При α = 0° коническая поверхность упорного пояска преобразуется в цилиндрическую, что затрудняет центровку замка при свинчивании и часто приводит к закусыванию. При α < 0° и при α > 2°58´53´´ прочность замка снижается, поскольку уменьшается устойчивость резьбового соединения под воздействием осевых нагрузок сжатия из-за уменьшения площади сечения упорного пояска вблизи последнего витка резьбы (α < 0°) или уменьшения площади контакта торца 8 и плоскости 7 (α > 2°58´53´´).
Двухупорное замковое соединение по настоящей полезной модели полностью совместимо с замковыми соединениями, описанными в патенте РФ № 128912, с резьбой З-83 (Z83-DS) во всём диапазоне заявленных значений угла α.
Увеличение минимального диаметра внутреннего канала ниппеля и муфты повышает риск деформации или разрушения замка при неконтролируемом износе его наружного диаметра, и потому задача оперативного визуального контроля степени износа наружного диаметра замка в условиях буровой площадки становится весьма актуальной.
bal
Для решения этой задачи замки предложенной трубы могут быть снабжены хорошо заметными при визуальном осмотре сигнальными проточками 10, диаметр которых равен сбалансированному диаметру замка D (фиг. 2-4). Для защиты проточек 10 от повреждения они расположены на фасках 11 внешних упорных торцов ниппеля 3 и муфты 4. Совпадение изношенного наружного диаметра замка с проточкой 10 является сигналом к тому, что трубу нужно переводить в класс износа «Premium» (Премиум) с соответственным понижением допускаемых эксплуатационных нагрузок. Для фиксации момента такого совпадения не требуются средства измерения, и контроль годности труб может производиться непосредственно на буровой площадке.
bal
bal
Под сбалансированным наружным диаметром D замка здесь и в буровой технике понимают теоретический наружный диаметр замка, при котором площади опасных сечений ниппеля и муфты равны. Для трубы с замковой резьбой З-83 при наружном диаметре замка 105 (или 108) мм и минимальном внутреннем диаметре замка 50,8 мм D = 102,9 мм.
bal
Для заявленной трубы с замковым соединением с резьбой З-83 (Z83-DS) и цилиндрическими упорным пояском 9 внутреннего упора ниппеля 3 при наружном диаметре замка 105 (или 108) мм и внутреннем диаметре замка 54,0 мм, D уменьшается до 101,2 мм. Это увеличивает запас на износ наружного диаметра бурильного замка при эксплуатации бурильной колонны.
к
к
1
1
Бурильные трубы работают в условиях сложных знакопеременных нагрузок, особенно при проходке участков искривления профиля скважины. Опасное сечение, в котором может возникать усталостная трещина в муфтовом конце бурильной трубы, находится в плоскости, проходящей по впадине последнего витка резьбы муфты в зацеплении с резьбой ниппеля. Для устранения концентраторов напряжений и повышения равномерности распределения напряжений муфта 4 предложенной трубы может содержать коническую разгрузочную канавку 12 (фиг. 4) между концом резьбы и упорной плоскостью 7. Экспериментально установлено, что наивысшая усталостная прочность замка с увеличенным минимальным диаметром канала достигается, когда длина L канавки составляет 2, 3 шага резьбы P, а глубина h, измеряемая расстоянием от линии вершин резьбы, равна 1,1-1,4 высоты профиля резьбы h (стандартное обозначение). При переходе к конкретным числовым значениям резьбы З-83 (Р = 8,467 мм, h = 2,2867 мм) заявленные величины в абсолютном выражении составят:
к
к
L = 16,9-25,4 мм, а h = 2,51-3,2 мм.
к
к
к
1
к
1
При L < 2Р остаётся неудалённой впадина последнего витка резьбы муфты в зацеплении (опасное сечение муфты от усталостных повреждений, вызванных знакопеременным изгибом) и усталостная прочность муфты не увеличивается. При L > 3P снижается прочность резьбового соединения из-за уменьшения длины рабочего участка резьбы. При h < 1,1h возможно частичное наличие следов от впадин резьбы (концентратор напряжений) на поверхности разгрузочной канавки, что недопустимо, а при h > 1,4h недопустимо снижается прочность муфты.
Предложенная труба может быть выполнена толстостенной или утяжелённой.
Обычно при разработке новых типов как российских, так и зарубежных скважинных извлекаемых приборов на них накладываются ограничения по величине наружного диаметра - не более двух дюймов (50,8 мм). Извлекаемые скважинные приборы с наружным диаметром в 50,8 мм не могут применяться для прохождения через колонну бурильных труб с внутренним диаметром замков 50,8 мм.
Использование предложенной бурильной трубы с увеличенным до 54 мм минимальным диаметром внутреннего канала и повышенной прочностью на кручение расширяет номенклатуру геофизических приборов, которые можно через неё пропускать. В частности, становится возможным использование извлекаемых приборов с наружным диаметром 50,8 мм.