БУРИЛЬНАЯ ТРУБА С ВЫСОКОМОМЕНТНЫМ ЗАМКОМ (ВАРИАНТЫ)

Заявленная полезная модель относится к области горного дела, а именно к бурильным трубам, предназначенным для бурения, аварийных работ и капитального ремонта в скважинах, обсаженных трубами размером 140-168 мм.
Известны конструкции высокопрочных бурильных труб диаметром 73 мм и 89 мм, включающие тело трубы с высаженными концевыми участками и приваренные к высаженным концам ниппельными и муфтовыми замковыми деталями, прочность которых соответствует прочности тела трубы (ГОСТ P 50278-92, таблица 2; стандарт API Spec. 7, 2001. Р.6, Table 7). Это в основном бурильные трубы с наружной высадкой (БН) концов и замками увеличенного размера, например, трубы БН-73-9,2 группы прочности P (по API-S-135) с замками 3П 11-41 и БН-89×9,4 группы прочности М (по API-G-105) с замками 3П-127-62. При строительстве сильно искривленных и горизонтальных скважин из обсадных колонн размером 140 мм; 146 мм и 168 мм требуются высокопрочные бурильные трубы с замками, диаметром 100-108 мм, внутреннее отверстие которых не менее 50 мм. Внутреннее отверстие диаметром 50 мм обусловлено необходимостью спуска через бурильные трубы геофизических приборов для ориентирования бурового инструмента и определения координат забоя скважины.
Заданным требованиям по конструктивным параметрам отвечают бурильные трубы размером 73×9,19 мм с приваренными замками 3П-98,4-54,8  с резьбой  ОН, бурильные трубы размером 89х9,35 мм с приваренными замками 3П-105-51 с резьбой NC 31 (проспект фирмы Grant TFW «H-Series Driel Pipe», 1993, р.32-34) и бурильные трубы размером 89х8,0 мм с приваренными замками 3П-105-53 с резьбой 3-86 (ТУ 14-161-137-94, изменение 5, таблица 1). Но замки вышеуказанных бурильных труб равнопрочны только телу труб группы прочности Е.
Наиболее близко к заявленной полезной модели по совокупности признаков относятся бурильные трубы размером 73×9,19 мм с приваренными замками 3П-102-51 с резьбой  SL H90 (стандарт API 7G, 2000, Р.13, Table 9). Диаметр большого основания конуса резьбы  SL H90 равен 81,192 мм, средний диаметр резьбы (Dcp) равен 77,445. В данном случае замок оптимально
сбалансирован с трубой до группы прочности М (G-105), (Таблица 1-[прототип]). Однако замок 3П 102-51 не выдерживает требуемого момента крепления резьбы.
К недостаткам конструкции следует отнести непропорционально короткую длину lн резьбового конуса ниппеля замка, которая равна 74,6 мм.
В стандартных замковых резьбах малого диаметра типа 3-65 (NC 23), 3-86 (NC 31) отношение длины резьбового конуса ниппеля lн к среднему диаметру резьбы Dcp в основной плоскости равно 1,10-1,27. В аналогичной по размеру lн резьбе  SL H90 отношение  равно 0,96, то есть данная резьба имеет Dcp укороченную длину lн конуса ниппеля. С учетом увеличенного шага (8,467 мм) на конусе резьбы  SL H90 нарезается всего  нитки. При высоких нагрузках, действующих на резьбу в скважинах, указанное количество ниток недостаточно.
H
Кроме того, по мере износа наружной поверхности замка происходит интенсивное снижение момента сопротивления муфты Wм относительно момента сопротивления ниппеля W, ввиду небольшой конусности и короткой длины lн резьбы ниппеля.
Оптимальные значения отношения  равно 2,3-2,7. Уменьшение отношения  в процессе износа замка особенно сильно проявляется в коротких резьбах с небольшой конусностью. В резьбе  SL H90 конусность равна , а в резьбе, например, 3-76 ( REG) конусность равна ¼. При равном наружном износе замков на 3,2% отношение  с резьбами  SL H90 уменьшается на 17%, а с резьбами 3-76 - на 12%.
На базе существующих замковых резьб спроектировать высокопрочные бурильные трубы условным диаметром 73 мм и 89 мм с замками 3П-105-51 не представляется возможным.
Известно, что по мере увеличения прочности тела трубы закономерно увеличивается наружный диаметр замка и уменьшается его внутреннее отверстие, т.е. увеличивается площадь сечения металла ниппеля и муфты. Например, к бурильным трубам размером 73×9,19 мм группы прочности М привариваются замки 3П-105-51, а к бурильным трубам размером 73×9,19 мм группы прочности P - замки 3П-111-41. Но по требованиям современной технологии бурения
увеличение наружного диаметра замка и уменьшение его внутреннего отверстия недопустимы.
Задачей настоящей полезной модели является создание бурильной трубы размером 73 мм и 89 мм с приваренными высокомоментными замками, наружный диаметр которых не более 108 мм, а внутреннее отверстие не менее 50 мм.
Указанная задача решается за счет того, что бурильная труба с высокомоментным замком содержит тело трубы диаметром 73 мм или 89 мм с высаженными концами и приваренный замок состоящий из высокомоментных ниппеля и муфты, на которых выполнена соединительная замковая резьба увеличенного диаметра {Dcp=80,2 мм) и длины (lн=100 мм) с соотношением  равным 1,25, при этом наружный и внутренний диаметр ниппеля и муфты замка и имеют значения равные 105 (108) мм и 51 мм соответственно, что позволяет равномерно перераспределить нагрузку на ниппель и муфту и увеличить момент кручения на 24% и осевую растягивающую нагрузку на 10%.
Сущность полезной модели представлена на фиг.1 и в Таблице 2. Бурильные трубы БН-73×9,19 и БК-89×8,0 включают тело трубы 1 с высаженными концами 2, приваренную муфту 3 и ниппель 4 высокомоментных замков 3ПИ 105-51 (3ПИ 108-51) с удлиненной соединительной замковой резьбой оптимального типоразмера 5. Параметры профиля ниток предлагаемой соединительной замковой резьбы даны на фиг.2 и в Таблице 3, основные размеры соединительной замковой резьбы - на фиг.3 и в Таблице 4. В отличие от прототипа (резьбы типа ОН и SL H90) в соединительной замковой резьбе отношение  равно 1,25.
При работе в обсадных колоннах диаметром 146 мм с небольшой толщиной стенок труб и в обсадных колоннах диаметром 168 мм могут использоваться высокомоментные замки 3П-108-51, имеющие больший запас на износ. Характеристика бурильных труб БН-73×9,19 и БК-89×8,0 с замками 3П-105-51 приведены в Таблице 5. Параметры и характеристики бурильных труб с замками 3П-108-51 практически не отличаются от указанных в Таблице 5.
Таким образом, в предлагаемой конструкции бурильных труб размером 73×9,19 мм и 89×8,0 мм по сравнению с прототипом применены оптимально сбалансированные замковые соединения 3П-105(108)-51 с замковой резьбой увеличенного диаметра и длины, за счет чего увеличиваются рабочий момент кручения бурильной колонны на 24% и осевая растягивающая нагрузка на 10%.
Данное техническое решение позволит повысить надежность и безопасность работы при строительстве сильно искривленных и горизонтальных скважин.
Таблица 1Характеристика бурильной трубы размером 73×9,19 мм с замками 3ПИ 102-51 с резьбой <img he="7" wi="9" file="00000004.tif" img-content="undefined" img-format="tif" /> SL H90 [прототип]
Наименование параметров
Бурильная труба 73х9,19
Замок 3П-102-51
Оптимальное значение параметров надежности
Группа прочности
Л (Х-95)
М (G-105)
Р (S-135)
Растягивающая нагрузка Q, соответствующая σ<sub>т</sub>, при Мкр=0, кН
1206
1333
1712
1974
-
Момент кручения Мкр, соответствующий σ<sub>т</sub> при Q=0, кН·м
19,8
21,9
28,1
17,9
-
Отношение Qм/Qн
1,64
1,48
1,15
-
1,5
Отношение Мкр.зам/Мкр.тр
0,9
0,8
0,6
-
не менее 0,8
Отношение момента сопротивления муфты замка к моменту сопротивления ниппеля, <img he="10" wi="7" file="00000007.tif" img-content="undefined" img-format="tif" />
-
-
-
2,29
2,3-2,7
Основные конструктивные параметры бурильных труб БН-73×9,19 и БК-89×8,0
Таблица 2Размеры в мм
Типоразмер
Группа прочности трубы
Dm
Dв
S
Dз
dм
dн
трубы
замка
БН-73×9,19
3П-105-51 3П-108-51
Е, Л, М, Р
73,0
81,8
9,19
105,5 (108,0)
51,0
51,5
БК-89×8,0
3П-105-51 3П-108-51
Е, Л, М
88,9
92,0
8,0
105,5 (108,0)
51,0
51,5
Основные параметры профиля соединительной замковой резьбы
Таблица 3Размеры в мм
Форма профиля резьбы
Параметры резьбы
Конусность К (2 tg φ)
φ
Шаг, p
Н
Рабочая высота, h
Высота профиля, h<sub>1</sub>
а
b
с
f
r<sub>1</sub>
r<sub>2</sub>
V-21/17*
1:9,6
2°59'
8,47
4,22
2,09
2,29
2,13
1,75
1,06
0,87
0,38
0,50
* - цифрами 21 и 17 показаны ширина площадки среза вершины нитки резьбы и ширина площадки впадины резьбы соответственно, округленных до двух знаков и умноженные на десять.
Основные размеры соединительной замковой резьбы
Таблица 4Размеры в мм
Расстояние от торца до основной плоскости, lоп
Средний диаметр резьбы в основной плоскости, Dcp
d<sub>1</sub>
d<sub>3</sub>
d<sub>4</sub>
d<sub>5</sub>
Dкп
lн
lм
l<sub>1</sub>
lсб
lp
<img he="11" wi="9" file="00000010.tif" img-content="undefined" img-format="tif" />
15,9
80,2
83,9
73,5
85,2
79,8
82,3
100
114
104
12,7
15
1,25
Таблица 5Характеристика бурильных труб диаметром 73 мм и 89 мм с высокомоментными замками (по полезной модели)
Наименование параметров
Трубы БН-73×9,19 с замками 3П-105-51
Трубы БК-89×8 с замками 3П-105-51
Оптимальное значение параметров надежности
Труба
Замок
Труба
Замок
Е
Л
М
Р
Е
Л
М
Растягивающая нагрузка Q, соответствующая от, при Мкр=0, кН
952
1206
1333
1712
2180
1052
1333
1473
2180
-
Момент кручения Мкр, соответствующий σт, при Q=0, кН·м
15,6
19,8
21,9
28,1
22,1
22,6
28,3
31,4
22,1
-
Отношение Qзам/Qтр
2,3
1,8
1,6
1,3
-
2,1
1,6
1,5
-
1,5
Отношение Мкр.зам/Мкр.тр
1,4
1,1
1,0
0,8
-
1,0
0,8
0,7
-
не менее 0,8
Отношение момента сопротивления муфты замка к моменту сопротивления ниппеля, <img he="10" wi="7" file="00000007.tif" img-content="undefined" img-format="tif" />
-
-
-
-
2,4
-
-
-
2,4
2,3-2,7