Двухупорное резьбовое соединение бурильных труб
DRILLING PIPES TWO-SUPPORT THREADED CONNECTION

Изобретение относится к резьбовым соединениям бурильных труб и может быть использовано для соединения бурильных труб между собой и с другими составными элементами бурильных колонн, применяемых при бурении вертикальных, наклонно-направленных и горизонтальных нефтяных и газовых скважин.
При вращательном бурении нефтяных и газовых скважин элементы бурильной колонны (сами трубы и их соединения) работают при воздействии повышенного крутящего момента. Дополнительным требованием к соединениям бурильных труб является стойкость к высоким растягивающим нагрузкам.
При этом все более усложняющиеся условия бурения нефтяных и газовых скважин, разработка «сложных» скважин, в том числе с большим углом отклонения от вертикали, вызывают потребность в резьбовых соединениях бурильных труб, обладающих повышенными, по сравнению со стандартными, эксплуатационными характеристиками.
Известно двухупорное резьбовое соединение бурильных труб (патент РФ №2508491, F16L 15/00 Е21В 33/038, опубл. 27.02.2014, принятое в качестве прототипа, состоящее из ниппельной и муфтовой частей, на концах которых на наружной и внутренней поверхностях, соответственно, выполнены конические резьбы с треугольным профилем витка и образующие внутренний и наружный упорные узлы. Резьбы ниппельной и муфтовой частей выполнены с конусностью 1:8 и шагом 8,467 мм. Профиль витка резьб ниппельной и муфтовой частей имеет угол наклона опорной грани 20-30° к нормали осевой линии резьбы и угол наклона закладной грани 35-44° к нормали осевой линии резьбы. Впадина профиля витка резьб ниппельной и муфтовой частей выполнена в виде дуги эллипса, большая полуось которого параллельна оси конусности резьбы. Эллипс является касательным к опорной и закладной граням профиля витка резьб. Вершина профиля витка резьб ниппельной и муфтовой частей срезана по отношению к исходному треугольнику резьбы с шириной среза, составляющей, по меньшей мере, 2,3 мм. Упорные торцы ниппельной и муфтовой частей выполнены равной длины.
Недостатками соединения, описанного в прототипе, является неудовлетворительная стойкость при воздействии высокого крутящего момента, возникающего при эксплуатации соединения в сложных условиях бурения нефтяных и газовых скважин.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка конструкции двухупорного резьбового соединения бурильных труб, обеспечивающего передачу более высокого крутящего момента по сравнению с резьбовым соединением, выполненным по прототипу.
Технический результат заключается в обеспечении высокой стойкости соединения при воздействии значительного крутящего момента и растягивающих нагрузок при многократном свинчивании-развинчивании соединения.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в двухупорном резьбовом соединении бурильных труб, содержащем ниппельную и муфтовую части, на концах которых на наружной и внутренней поверхностях, соответственно, выполнены конические резьбы с треугольным профилем витка со срезанной вершиной и образующие внутренний и наружный упорные узлы - упорный уступ муфты, упорный торец ниппеля и упорный уступ ниппеля, упорный торец муфты, соответственно, при этом впадина профиля витка резьб ниппельной и муфтовой частей имеет форму дуги эллипса, выполненного касательным к опорной и закладной граням профиля витка резьбы, большая полуось которого параллельна оси конусности резьбы, а упорные уступы и торцы ниппельной и муфтовой частей расположены перпендикулярно к осевой линии резьбы, согласно изобретению, резьбы ниппельной и муфтовой частей выполнены с конусностью 1:10 и шагом 7,25 мм, при этом профиль витка резьб ниппельной и муфтовой частей выполнен с углом наклона опорной грани 25-35° к нормали осевой линии резьбы и углом наклона закладной грани 35-45° к нормали осевой линии резьбы, поверхность срезанной вершины профиля витка резьб ниппельной и муфтовой частей выполнена конусностью 1:10 и шириной 1,4-1,6 мм.
В частном случае выполнения изобретения большая полуось эллипса, образующего впадину профиля витка резьб ниппельной и муфтовой частей, составляет 0,6-0,8 мм.
В частном случае выполнения изобретения малая полуось эллипса, образующего впадину профиля витка резьб ниппельной и муфтовой частей, составляет 0,3-0,4 мм.
Изобретение поясняется рисунками, где на фиг. 1 показаны ниппельная и муфтовая части двухупорного резьбового соединения бурильных труб, на фиг. 2 показан профиль витка резьб ниппельной и муфтовой частей соединения.
Двухупорное резьбовое соединение бурильных труб содержит ниппельную 1 и муфтовую 2 части, на концах которых на наружной и внутренней поверхностях, соответственно, выполнены конические резьбы 3 с треугольным профилем витка со срезанной вершиной и образующие внутренний и наружный упорные узлы - упорный уступ 4 муфтовой части 2, упорный торец 5 ниппельной части 1 и упорный уступ 6 ниппельной части 1, упорный торец 7 муфтовой части 2, соответственно.
Наличие в соединении двух упорных узлов, внутреннего и наружного, упорные поверхности 4, 5, 6 и 7 которых при свинчивании соединения контактируют между собой со значительными контактными напряжениями, обеспечивает увеличение воспринимаемого соединением крутящего момента. Кроме того, наружный упорный узел, упорные поверхности 6 и 7 которого при свинчивании соединения контактируют первыми, является элементом герметизации соединения.
Упорные поверхности 4, 5, 6 и 7 муфтовой 2 и ниппельной 1 частей расположены перпендикулярно к осевой линии резьбы.
Указанное расположение упорных поверхностей 4, 5, 6 и 7 обеспечивает стойкость соединения при воздействии значительного крутящего момента, возникающего при эксплуатации соединения. Также обеспечивается четкое позиционирование ниппельной 1 и муфтовой 2 частей резьбового соединения относительно друг друга, повышенный момент свинчивания соединения, точное фиксирование заданной величины натяга и крутящего момента в процессе свинчивания соединения, контроль свинчивания соединения.
Кроме того, при свинчивании соединения, имеющего расположенные перпендикулярно осевой линии резьбы упорные поверхности 4, 5, 6 и 7, в результате смыкания указанных поверхностей и дальнейшем затягивании соединения отсутствует вертикальная составляющая силы воздействия на резьбовые элементы соединения, что предотвращает повреждение поверхностей резьб 3, образование на них задиров и, тем самым, обеспечивает повышенную стойкость соединения при его многократном свинчивании-развинчивании.
На концах наружной поверхности ниппельной 1 и внутренней поверхности муфтовой 2 частей соединения выполнены конические резьбы 3 с треугольным профилем витка, у которого угол наклона опорной грани 8 к нормали осевой линии резьбы составляет 25-35° и угол наклона закладной грани 9 к нормали осевой линии резьбы – 35-45°.
Под нормалью осевой линии резьбы понимается перпендикуляр, проведенный к осевой линии резьбы.
Основная функция резьб 3 бурильных труб с треугольным профилем витка состоит в восприятии растягивающей нагрузки и выдерживании многократного свинчивания-развинчивания резьбового соединения.
Выполнение угла наклона опорной грани 8 профиля витка резьб 3 в интервале 25-35° к нормали осевой линии резьбы повышает ресурс работы соединения на растяжение за счет исключения возможности выхода витков резьб 3 из зацепления друг с другом при значительных растягивающих нагрузках.
Кроме того, увеличенный угол наклона опорной грани 8 профиля витка резьб 3 по сравнению с указанным параметром в прототипе обеспечивает повышенную стойкость резьб к воздействию крутящего момента за счет увеличения площади основания треугольника профиля витка.
Выполнение угла наклона закладной грани 9 профиля витка резьб 3 в интервале 35-45° стабилизирует положение ниппельной части 1 относительно муфтовой части 2 на начальном этапе свинчивания соединения, что предотвращает заклинивание соединения и повреждение поверхностей витков резьб 3 (в том числе, образование задиров) и обеспечивает возможность многократного свинчивания-развинчивания соединения без потери его эксплуатационных свойств.
Резьбы 3 ниппельной 1 и муфтовой 2 частей выполнены с конусностью 1:10 и шагом 7,25 мм (3,5 витка на дюйм - на 25,4 мм). При выполнении резьбы с указанной комбинацией конусности и шага достигается оптимальное сочетание скорости свинчивания резьбового соединения и степени зацепления витков резьб 3 для обеспечения восприятия соединением растягивающих нагрузок, действующих во время эксплуатации соединения, и повышение скорости сборки соединения.
Кроме того, выполнение резьб 3 с конусностью 1:10 обеспечивает необходимую площадь поперечного сечения упорного торца 5 ниппельной части 1 для повышения сопротивляемости соединения высокому крутящему моменту, возникающему при бурении.
Впадина 10 профиля витка резьб 3 ниппельной 1 и муфтовой 2 частей имеет форму дуги эллипса, выполненного касательным к опорной 8 и закладной 9 граням профиля витка резьб 3. Большая полуось эллипса, образующего впадину 10 профиля витка резьб 3 ниппельной 1 и муфтовой 2 частей, параллельна оси конусности резьбы (то есть ее конусность по отношению к осевой линии резьбы также составляет 1:10).
При эксплуатации соединения во впадине 10 профиля витка резьб 3 от действия знакопеременных крутящих, растягивающих, сжимающих и изгибающих нагрузок возникают напряжения, которые влияют на усталостную прочность соединения. При выполнении впадины 10 профиля витка резьб 3 в форме дуги эллипса понижается уровень таких напряжений, что приводит к более надежной работе соединения, выдерживанию им вышеуказанных знакопеременных нагрузок. Кроме того, происходит более равномерное распределение напряжений во впадине по опасному сечению ниппельной части 1, что позволяет исключить «затирание» резьб 3 при многократном свинчивании-развинчивании соединения.
Предпочтительно выполнять большую полуось эллипса, образующего впадину 10 профиля витка резьб 3 ниппельной 1 и муфтовой 2 частей, длиной 0,6-0,8 мм, а малую полуось эллипса - длиной 0,3-0,4 мм.
Выполнение среза вершины 11 профиля витка резьб 3 ниппельной 1 и муфтовой 2 частей шириной 1,4-1,6 мм с образованием поверхности с конусностью 1:10 оказывает существенное влияние на предотвращение повреждений поверхностей резьб 3, образования на них задиров и, тем самым, обеспечивает повышенную стойкость соединения при многократном свинчивании-развинчивании резьбового соединения.
Двухупорное резьбовое соединение бурильных труб работает следующим образом. При выполнении операции свинчивания двухупорного резьбового соединения бурильных труб первоначально происходит взаимодействие ниппельной 1 и муфтовой 2 частей при помощи резьб 3. В процессе свинчивания соединения происходит продвижение резьбы 3 муфтовой части 2 вдоль резьбы ниппельной части 1 до соответствующего смыкания (контакта) упорного уступа 4 муфтовой части 2 и упорного торца 5 ниппельной части 1, а также упорного уступа 6 ниппельной части 1 и упорного торца 7 муфтовой части 2. При этом упорные поверхности 6 и 7 наружного упорного узла контактируют первыми со значительными контактными напряжениями, обеспечивая высокий уровень воспринимаемого соединением крутящего момента и герметичность соединения. После достижения момента свинчивания выбирается зазор до смыкания упорных поверхности 4 и 5 внутреннего упорного узла, контактирующих во вторую очередь и обеспечивающих дополнительное увеличение воспринимаемого соединением крутящего момента. Пример осуществления заявляемого изобретения.
Для проведения испытаний резьбового соединения бурильных труб были изготовлены ниппельная и муфтовая часть соединения, на концы которых были нанесены наружная и внутренняя конические резьбы с треугольным профилем витка, соответственно. Диаметр соединения -127 мм, конусность резьб - 1:10, шаг резьбы - 7,25 мм. Угол наклона опорной грани профиля витка к нормали осевой линии резьбы составляет, в частности 30°, угол наклона закладной грани профиля витка к нормали осевой линии резьбы составляет, в частности 40°. Впадина профиля витка резьб ниппельной и муфтовой частей выполнена в форме дуги эллипса, касательного к опорной и закладной граням профиля витка резьбы, большая полуось которого параллельна оси конусности резьбы. Вершина профиля витка резьб ниппельной и муфтовой частей срезана по отношению к исходному треугольному профилю резьбы с образованием поверхности шириной, например 1,5 мм и конусностью 1:10. Упорные уступы и торцы ниппельной и муфтовой частей расположены перпендикулярно к осевой линии резьбы.
Также был изготовлен образец соединения в соответствии с прототипом: диаметр соединения - 127 мм, конусность резьб - 1:8, шаг резьбы - 8,467 мм. Угол наклона опорной грани профиля витка к нормали осевой линии резьбы составляет 20°, угол наклона закладной грани профиля витка к нормали осевой линии резьбы составляет 40°. Впадина профиля витка резьб ниппельной и муфтовой частей выполнена в форме дуги эллипса, касательного к опорной и закладной граням профиля витка резьбы, большая полуось которого параллельна оси конусности резьбы. Вершина профиля витка резьб ниппельной и муфтовой частей срезана по отношению к исходному треугольному профилю резьбы с образованием поверхности шириной 2,3 мм. Упорные уступы и торцы ниппельной и муфтовой частей расположены перпендикулярно к осевой линии резьбы.
Испытания образцов проводили на количество выдерживаемых резьбовым соединением свинчиваний-развинчиваний при воздействии значительного крутящего момента и растягивающих нагрузок.
Испытания образцов заявляемого резьбового соединения показали увеличение стойкости соединения на 30% при воздействии значительного крутящего момента и растягивающих нагрузок при многократном свинчивании-развинчивании соединения. Кроме того, возросла надежность работы соединения за счет выдерживания соединением знакопеременных нагрузок и снизился износ поверхностей резьб по вершинам профиля витка.
При использовании предлагаемого резьбового соединения бурильных труб обеспечивается передача усиленного крутящего момента и высокая стойкость соединения в условиях его многократных свинчиваний-развинчиваний.