БУРИЛЬНАЯ КОЛОННА СО СТОЙКИМ К ИЗГИБУ ЗАМКОМ
DRILL STRING WITH BEND RESISTANT COUPLING

Область техники изобретения
Настоящее изобретение относится к бурильной штанге для образования части бурильной колонны, имеющей стойкий к изгибу концевой замок и в частности, хотя не исключительно, к бурильной штанге, имеющей участок вставного замкового ниппеля с резьбовой частью, и промежуточным хвостовиком имеющими наружный диаметр, ширину и/или площадь сечения, оптимизированные для обеспечения требуемой жесткости, когда бурильная колонна подвергается воздействию изгибающих моментов.
Предшествующий уровень техники
Ударно-поворотное бурение применяетcя для создания ствола скважины большой глубины с помощью множества штанг протяженной бурильной колонны, соединенных вместе торец к торцу соединяющимися друг с другом вставным и охватывающим резьбовыми концами. В устоявшейся методике горную породу разрушают динамическим воздействием ударов, передаваемых с дробящего долота, установленного на одном конце бурильной колонны, на горную породу на забое ствола скважины. Обычно энергию, требуемую для разрушения горной породы, генерирует поршень с гидравлическим приводом, который входит в контакт с концом бурильной колонны (через хвостовой переходник) для создания волны напряжения (или ударной волны) которая проходит через бурильную колонну и в конце концов на отметку горной породы. Обычные вставные и охватывающие части резьбовых замков описаны в материалах US 4,332,502; US 4,398,756; US 4,687,368 и DE 2800887.
Когда вставной и охватывающий резьбовые концы соседних бурильных штанг соединяют для создания бурильной колонны, получившийся бурильный замок во время бурения обычно подвергается воздействию изгибающих сил. При этом изгибающие моменты создают усталостный износ замка и приводят к разрыву в резьбовой части бурильного замка. Обычно, именно резбовой вставной замковый ниппель повреждается и определяет эксплуатационный ресурс замка. Материал US 6,767,156 раскрывает резьбовой бурильный замок между двумя бурильными штангами ударно-поворотного бурения, имеющий конические направляющие поверхности, созданные на ведущих аксиальных концах вставной и охватывающей частей для получения надежного замка и исключения повреждения резьб.
Вместе с тем, обычный резьбовые замки и в частности соответствующие резьбовые концы существующих бурильных штанг содержат вставную часть замка, которая имеет диаметр меньше, чем у основной трубы штанги. Данное обеспечивает бурильную колонну с постоянным наружным диаметром, но приводит к уменьшению прочности замка, который обычно является недостаточно прочным на изгиб. Даже в случае отсутствия изгиба (бывает редко) приходящая сжимающая ударная волна должна создавать растяжение в замке вследствие отражения в свободном конце вставной части, что может вызывать трещину в наиболее нагруженной зоне. Соответственно, требуется создание штанги бурильной колонны, которая решает данные проблемы.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Основной задачей настоящего изобретения является создание штанги бурильной колонны, обеспечивающей зону замка, которая демонстрирует улучшенную жесткость во время изгиба и может выдерживать значительные изгибающие моменты во время применения. Дополнительной задачей является создание замка штанги бурильной колонны, выполненного с возможностью выдерживать внецентренные нагрузки, действующие на бурильную колонну и в частности буровую головку при ударах по горной породе на забое ствола скважины. Дополнительной задачей является создание замка для бурильной штанги, стойкого к изгибающим волнам в бурильной колонне, возникающим в результате внецентренного удара приведенного в действие поршня по самой задней бурильной штанге или хвостовому переходнику.
жесткого при изгибе
Задачи решаются созданием замка для бурильной штанги, имеющего основную трубную часть и участок резьбового вставного замкового ниппеля, который имеет наружный диаметр, площадь сечения или ширину (в плоскости перпендикулярный продольной оси бурильной штанги) по меньшей мере равную наружному диаметру основной трубной части штанги. В частности, представленная бурильная штанга содержит участок вставного замкового ниппеля, выполненный на одном конце удлиненной основной трубы, который содержит часть с наружнойy резьбой, проходящую от не имеющего резьбы хвостовика. Наружный диаметр, ширина или площадь сечения хвостовика специально выполнены с возможностью получения наружного диаметра или площади сечения по меньшей мере равных соответствующим показателям основной трубной части по всей аксиальной длине хвостовика. Данное является предпочтительным для создания ‘’ замка для минимизации напряжений и концентраций напряжения во вставном замковом ниппеле, являющемся частью замка. Предпочтительно, площадь сечения или диаметр хвостовика не уменьшается в аксиальном направлении от резьбовой части до основной трубной части, а наоборот увеличивается в диаметре или площади сечения в направлении к участку соединения с основной трубной частью. В частности, хвостовик расширяется раструбом радиально наружу на участке соединения с основной трубной частью (или кольцевым заплечиком, выполненным на конце основной трубной части) для оптимизации сопротивления изгибу. Соответственно, представленное изобретение и в частности конфигурация вставного замкового ниппеля, является подходящей для устройств замка с ‘контактом с заплечиком’.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения предложена штанга бурильной колонны для образования части бурильной колонны, содержащая: удлиненную основную трубную часть, проходящую аксиально между первым концом и вторым концом; участок вставного замкового ниппеля, выполненный на втором конце, имеющий наружную резьбовую часть, и не имеющий резьбы хвостовик, установленный аксиально между резьбовой частью и заплечиком; причем резьбовая часть содержит по меньшей мере один винтовой гребень и канавку проходящие аксиально от хвостовика; заплечик, аксиально разделяющий и выступающий радиально наружу относительно основной трубной части и участка замкового ниппеля, причем хвостовик проходит аксиально от кольцевой боковой поверхности заплечика, аксиальная длина участка замкового ниппеля выполнена так, что кольцевая поверхность имеет функциональную возможность упираться в кольцевую концевую поверхность охватывающей концевой части соседней штанги бурильной колонны; отличающаяся тем, что: наружный диаметр или ширина участка замкового ниппеля, включающего в себя хвостовик и винтовой гребень, в направлении перпендикулярном продольной оси штанги равен или больше наружного диаметра основной трубной части по всей аксиальной длине хвостовика и винтового гребня.
Предпочтительно, внутренний канал проходит аксиально через основную трубную часть и участок замкового ниппеля, внутренний канал имеет постоянный внутренний диаметр по всей аксиальной длине основной трубной части и участка замкового ниппеля. Предпочтительно кольцевая боковая поверхность выставлена перпендикулярный оси. Если необходимо, наружный диаметр резьбовой части на радиальной позиции, соответствующей винтовой канавке, меньше наружного диаметра основной трубной части. Такая конфигурация действует, дополнительно увеличивая жесткость во время изгиба скрепленного бурильного замка и помогает минимизировать усталостный износ и риск разрушения. Если необходимо, наружный диаметр резьбовой части на радиальной позиции, соответствующей канавке, по меньшей мере равен наружному диаметру основной трубной части.
Если необходимо, второй конец содержит заплечик, выступающий радиально наружу относительно основной трубной части, причем хвостовик проходит аксиально с одной стороны заплечика. Альтернативно, второй конец может не иметь или по существу не иметь радиально расширяющегося раструбом заплечика, при этом участок соединения между хвостовиком и концом основной трубной части по существу является гладким и не профилированным. В случае если представленная бурильная штанга содержит заплечик, конец хвостовика, который проходит со стороны заплечика, имеет диаметр, увеличивающийся в направлении от резьбовой части к заплечику. Предпочтительно, наружная форма профиля хвостовика является криволинейной, расширяющейся раструбом радиально наружу в контакт с заплечиком.
Если необходимо, наружная поверхность по меньшей мере аксиальной части хвостовика выставлена по существу параллельно продольной оси штанги. Предпочтительно по существу, цилиндрическая форма профиля хвостовика (в зоне вдоль аксиальной длины) имеет площадь сечения или диаметр, который не меньше площади сечения или наружного диаметра основной трубной части. Предпочтительно, наружный диаметр хвостовика в зоне вдоль длины хвостовика по существу равен наружному диаметру резьбовой части на радиальной позиции, соответствующей винтовому гребню.
Предпочтительно, аксиальная длина резьбовой части больше аксиальной длины хвостовика. Такая конфигурация является предпочтительной для получения требуемой прочности замка для противостояния растягивающим силам и изгибающим моментам, действующим на замок. Предпочтительно, площадь сечения хвостовика в аксиальной части непосредственно примыкающей к одной стороне резьбовой части по меньшей мере равна площади сечения основной трубной части.
Предпочтительно, первый конец основной трубной части содержит охватывающий полый участок, имеющий внутреннюю резьбовую часть для сцепления с резьбовой частью вставного участка замкового ниппеля. Такая конфигурация является предпочтительной для максимизации прочности замка между смежными бурильными штангами. Прочность замка дополнительно оптимизируют по отношению к растягивающим и изгибающим силам, выполняя внутренний диаметр резьбовой части охватывающего участка по существу равным наружному диаметру основной трубной части.
Предпочтительно, в случае, если бурильная штанга содержит кольцевой заплечик на участке соединения между основной трубной частью и концом вставного замкового ниппеля, наружный диаметр охватывающего части по существу равен наружному диаметру заплечика.
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения предложена бурильная колонна содержащая штангу бурильной колонны заявленную в данном документе.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Конкретная реализация настоящего изобретения описана ниже только в качестве примера и со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано следующее.
На фиг.1 показан внешний вид бурильной колонны, составленной из множества удлиненных бурильных штанг соединенных торец к торцу с помощью взаимодействующих вставных и охватывающих резьбовых частей замков согласно конкретному варианту реализации настоящего изобретения.
На фиг.2 показан внешний вид в изометрии второго конца бурильной штанги колонны фиг.1 в котором резбовой вставной замковый ниппель содержит участок хвостовика, который упрочнен для придания стойкости к изгибающим и растягивающим силам, согласно конкретному варианту реализации настоящего изобретения.
На фиг.3 показан внешний вид зоны замка между бурильными штангами колонны фиг.1, в котором участок охватывающей резьбовой части замка имеет диаметр, увеличенный относительно наружного диаметра основной трубы бурильной штанги для создания в общем зоны замка с увеличенным размером в радиальном направлении.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА
ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Как показано на фиг.1, бурильная колонна содержит множество соединенных друг с другом штанг 100 бурильной колонны. Каждая штанга 100 содержит основную трубную часть 101, имеющую первый конец 105 и второй конец 106. Наружный диаметр основной трубной части 101 увеличивается на каждом конце 105, 106 для образования радиально расширяющейся концевой зоны 103, 104 замка соответственно. Часть каждого конца 103, 104 замка содержит резьбовой участок для обеспечения сцепления концов 103, 104 друг с другом и образования надежного резбового замка 102 для соединения друг с другом множества штанг 100 при создании бурильной колонны. В частности, вставной конец 103 содержит кольцевой заплечик 110, от которого выступает аксиально вставной замковый ниппель 108. Замковый ниппель 108, делится аксиально на самую дальнюю резьбовую часть 107 и не имеющий резьбы хвостовик 109, установленный аксиально между резьбовой частью 107 и заплечиком 110. Внутренний канал 113 с постоянным внутренним диаметром проходит аксиально через основную трубную часть 101 и замковый ниппель 108. Охватывающий конец 104 содержит полую замковую муфту 111 с взаимодействующей резьбой 112, выполненной на внутренней поверхности замковой муфты 111 для взаимодействия с витками резьбы вставной резьбовой части 107. Когда вставной и охватывающий концы 103, 104 соединены, аксиально самая дальняя кольцевая поверхность 115 охватывающей замковой муфты 111 упирается в заплечик 110 так, что кольцевая концевая поверхность 114 вставного замкового ниппеля 108, размещается полностью в муфте 111.
Как показано на фиг.2, вставной замковый ниппель 108, выполнен в общем имеющим наружный диаметр, который приблизительно равен наружному диаметру основной трубной части 101, вдоль аксиальной длины замкового ниппеля 108. Аналогично, площадь сечения в плоскости перпендикулярной продольной оси 209 на наружной поверхности 200 основной трубной части 101 приблизительно равна площади сечения в параллельной плоскости, проходящей через замковый ниппель 108, и в общем на резьбовой части 107.
Наружная поверхность 200 основной трубной части 101 отклоняется радиально наружу на зоне 208 для образования кольцевого заплечика 110, имеющего кольцевую наружную поверхность 201 образующую аксиально короткую цилиндрическую часть. Заплечик 110 завершается на противоположной стороне от зоны 208 боковой поверхностью 204, выставленной перпендикулярно оси 209. Замковый ниппель 108, выступает аксиально от боковой поверхности 204 и содержит первую переходную зону 203, расширяющуюся раструбом радиально наружу в контакт с боковой поверхностью 204 и вторую переходную зону 202 в контакте с резьбовой частью 107. При этом площадь сечения (в плоскости перпендикулярный оси 209) и диаметр хвостовика 109 на зоне 203 уменьшается от боковой поверхности 204 до второй переходной зоны 202. Площадь сечения и диаметр хвостовика 109 затем по существу является постоянным на второй переходной зоне 202 аксиально между первой переходной зоной 203 и резьбовой частью 107. Вторая переходная зона 202 завершается по меньшей мере один витком 205 винта, который проходит аксиально от второй переходной зоны 202 до концевой поверхности 114 замкового ниппеля. Соответственно, резьбовая часть 107 содержит проходящий винтом гребень 207 и соответствующую проходящую винтом канавку 206. Согласно конкретному варианту реализации площадь сечения (в плоскости перпендикулярный оси 209) и диаметр резьбовой части 107 на аксиальной и радиальной позиции, соответствующей гребню 207, приблизительно равен площади сечения и наружному диаметру основной трубной части 101. Радиальное положение наружной поверхности на гребне 207 является по существу одинаковым с радиальным положением наружной поверхности хвостовика на второй переходной зоне 202 относительно оси 209. При этом, замковый ниппель 108 можно считать аксиальным продолжением основной трубной части 101, аксиально разделенной заплечиком 110. Аксиальная длина хвостовика 109 меньше соответствующей аксиальной длины резьбовой части 107. Дополнительно, аксиальная длина первой переходной зоны 203 приблизительно равна аксиальной длине второй переходной зоны 202, при этом обе зоны 202, 203 являются относительно не профилированными и не имеют резьбы 205.
Как показано на фиг.3, радиально увеличенный вставной замковый ниппель 108, требует радиально увеличенной охватывающей замковой муфты 111, имеющей наружный диаметр и площадь сечения, по существу, равные наружному диаметру и площади сечения на заплечике 110 (в плоскости перпендикулярный оси 209). Соответственно, наружная поверхность 300 замковой муфты 111 выставлена заподлицо с наружной поверхностью 201 заплечика 110, когда вставной и охватывающий концы 103, 104 состыкованы вместе и в частности, когда в кольцевую боковую поверхность 204 упирается кольцевая концевая поверхность 115 замковой муфты 111. Замок увеличенного диаметра (относительно обычных замков) обеспечивает увеличенную площадь сечения в критической переходной зоне между бурильными штангами 100, что является эффективным для уменьшения растягивающего напряжение в зоне замка, являющегося результатом приходящей волны сжимающего напряжения, генерируемой поршнем. Дополнительно, концентрации напряжения минимизированы, поскольку относительная разность между наружным диаметром на заплечике 110 и хвостовике 109 минимизирована насколько возможно с обеспечением зоны 204 контактной поверхности для упора конца 115 муфты. Постепенное увеличение площади сечения от второй переходной зоны 202 хвостовика через первую переходную зону 203 хвостовика и в контакт с боковой поверхностью 204 является предпочтительным для максимизации жесткости замка во время изгиба и минимизации концентраций напряжения во вставном замковом ниппеле 108, в ответ как на изгибающие моменты, так и растягивающие силы.
Согласно дополнительным конкретным вариантам реализации, в общем площадь сечения всавного замкового ниппеля 108, может быть больше площади сечения основной трубной части 101 для дополнительного увеличения жесткости замка во время изгиба.