Резьбовой замок для бурильных труб

Полезная модель относится к оборудованию для бурения, точнее к резьбовым соединениям для бурильных труб.
Одна из задач, стоящих перед разработчиками бурильных труб, состоит в создании индикаторов износа резьбовых соединений (замков), не требующих применения специального измерительного оборудования для установления предельного состояния замка, пригодных для надежного определения состояния замка непосредственно на буровой площадке.
Известно резьбовое соединение нефтепромысловых труб, содержащее охватываемый и охватывающий элементы, выполненные с коническими резьбовыми поверхностями и герметизирующим узлом, образованным упорными торцевыми поверхностями указанных элементов, а также устройство для индикации степени износа соединения, выполненное в виде снабженного кольцевыми канавками упорного пояска («демпфер-витков») на конце охватываемого элемента [RU 160665]. Исчезновение упорного пояска после нескольких свинчиваний-развинчиваний является сигналом о достижении соединением предельного состояния.
Известное соединение предназначено для контроля состояния обсадных труб, не изнашиваемых трением о стенки скважины. Использованное в нем устройство индикации непригодно для оценки степени изношенности наружной поверхности резьбового соединения.
Известно также трубное резьбовое соединение, содержащее трубу, имеющую наружную трапецеидальную резьбу, и охватывающий элемент, имеющий ответную внутреннюю резьбу, в котором труба снабжена индикатором, обеспечивающим возможность непрерывного визуального контроля за относительным осевым положением герметизирующих поверхностей в условиях ее вращения в процессе свинчивания. Индикатор выполнен в виде зарезьбовой кольцевой канавки, осевое положение индикационных границ которой соответствует положениям торца охватывающего элемента в моменты сопряжения герметизирующих поверхностей трубы и охватывающего элемента с минимальным и максимальным допустимыми осевыми натягами [RU 47481]. В неизношенном соединении канавка видна полностью или частично над торцом охватывающего элемента. По мере износа резьбового соединения канавка погружается все глубже в охватывающий элемент. Предельным состоянием считается момент, когда удаленная от резьбы кромка канавки оказывается на уровне торца охватывающего элемента.
Использованный в известном резьбовом соединении индикатор износа свидетельствует только об износе профиля резьбовых частей соединения (натяг в соединении) и не дает ответа на вопрос: ниппельная или муфтовая часть соединения изношена. Также он ничего не говорит о степени износа наружной поверхности муфтовой части соединения.
Известен также замок с резьбовым соединением для насосно-компрессорных труб, состоящий из муфты с внутренней резьбой и переходника с наружной резьбой для взаимодействия с ответной резьбой муфты, выполненных таким образом, что в свинченном новом замке между опорным уступом ниппеля и снабженным фаской упорным торцом муфты имеется зазор величиной 3 мм, служащий индикатором износа. По мере износа соединения зазор уменьшается, и сигналом о полной выработке ресурса замка служит исчезновение видимого на глаз зазора между уступом и торцом [RU 111238].
Индикатор износа известного замка свидетельствует только об износе профиля резьбовых частей соединения (натяг в соединении) и не дает ответа на вопрос: ниппельная или муфтовая часть соединения изношена. Также он ничего не говорит о степени износа наружной поверхности муфтовой части соединения.
Известно также резьбовое замковое соединение с внутренним упором, образованным внутренней упорной плоскостью муфты и торцом упорного пояска ниппеля, в котором индикатором износа соединения служит небольшой выступ над упорной плоскостью муфты или упорного пояска ниппеля. Смятие выступа до его полного исчезновения и превращение упорной плоскости в ровную площадку свидетельствует о достижении предельного состояния замка [AU 715952]. Такой индикатор износа свидетельствует только об износе резьбовой части соединения и ничего не говорит о степени износа наружной поверхности замка.
Общим и основным недостатком индикаторов износа, описанных в RU 47481, RU 111238 и AU 715952, является то, что они сигнализируют о степени недопустимого износа резьбовых соединений только при свинчивании труб с рекомендованным моментом свинчивания уже на скважине при проведении спуско-подъемных операций (наращивании колонны труб). При этом по существующим правилам, если индикатор показывает износ резьбового соединения, то отбраковываются сразу две трубы, участвующие в сборке резьбового соединения: нижняя, закрепленная в клиновом захвате, и верхняя, подвешенная на крюке.
Известно также резьбовое замковое соединение с внешним упором, образованным опорным уступом ниппеля и упорным торцом муфты, в котором индикатором износа соединения служит короткая проточка на фаске уступа ниппеля или торца муфты, образующая невысокую (~1,6 мм) ступеньку на торце муфты или ниппеля либо того и другого вместе (фиг. 1). При этом диаметр начала сигнальной проточки совпадает с меньшим диаметром наружной фаски замка. Уменьшение высоты ступеньки вследствие ее раздавливания и истирания при неоднократных циклах «свинчивание-развинчивание» служит индикатором степени износа наружных упорных поверхностей замка [US 6896300]. Исходя из фактической ширины сигнальной проточки можно оценить величину износа упорных торцов на изношенных в процессе эксплуатации замковых соединениях, а также принять решение о возможности проведения перешлифовки только упорных торцов с целью удаления на них повреждений (без перенарезки резьбы замка) или о необходимости полной перенарезки резьбового соединения замка, включая перенарезку резьбы и упорного торца.
Для оценки степени изношенности замка непосредственно на буровой площадке разработана специальная индикаторная линейка для оперативных измерений оставшейся высоты ступеньки и профиля резьбы [US 7685736].
Известное соединение часто не обеспечивает герметичности при повторном свинчивании, даже если разница диаметров начала проточек находится в пределах допускаемых отклонений. Уступы почти прямоугольной формы, которые начинаются от диаметра сигнальных проточек, совпадающего с меньшим диаметром наружной фаски, при свинчивании ниппеля с муфтой деформируются и повреждают друг друга. При соприкосновении и затяжке на момент на уплотнительных поверхностях замков по краям сигнальных проточек могут образовываться кольцевые канавки, заусенцы или «выступающий металл», который препятствует гарантированному плотному контакту ответных уплотнительных поверхностей ниппеля и муфты замка. В итоге не обеспечивается герметичность замкового соединения.
Вышеописанные известные устройства для индикации износа фиксируют только износ резьбы или упорных поверхностей. Однако из-за того, что замковые соединения бурильных труб с наружной поверхности подвергаются абразивному износу из-за касания обсадной трубы или стенок скважины при бурении в открытом стволе, они все без исключения требуют еще и оценки степени износа наружного диаметра. Такой износ может привести к уменьшению площади опасного сечения муфты замка до критического состояния и, как следствие, к возникновению высокого уровня напряжений, превышающих предел текучести материала муфты. Это влечет раздутие или разрушение муфты.
Замки уменьшенного наружного диаметра по сравнению со стандартными замками по ГОСТ 27834-95 имеют небольшой запас толщины стенки и потому требуют особо внимательного контроля. Также этот контроль важен для замков с резьбой, угол профиля которой составляет 90° (например, типа З-83 (Z83-DS)). У этих замков муфта испытывает при одинаковой величине сжимающих напряжений на упорных (уплотнительных) поверхностях соединений и одинаковой величине осевой составляющей силы существенно большую радиальную составляющую силы, чем резьба с углом профиля 60°.
Весьма желательно, чтобы средства для контроля степени износа наружного диаметра замка были пригодны для оперативного использования в условиях буровой площадки. В отсутствие такого контроля даже при незначительном износе наружного диаметра замков потребители бурильных труб сразу переводят замки из класса «новые» в класс «Premium» с соответствующим понижением эксплуатационных характеристик замков. Назначают соответствующие классу «Premium» эксплуатационные характеристики замков (пониженный предельный момент кручения и момент свинчивания), проводят бурение на пониженных режимах, теряя в производительности при строительстве (ремонте) скважин.
Технический результат от использования настоящей полезной модели состоит в повышении производительности бурения, достигаемом благодаря отказу от преждевременного перевода замков в класс «Premium», обоснованному оперативной индикацией с помощью предложенного устройства степени износа наружной поверхности замка.
Технический результат достигается тем, что резьбовой замок бурильной трубы включает ниппель и муфту с фасками на опорном уступе ниппеля и упорном торце муфты, имеющими сигнальные проточки, проточки полностью расположены на конической поверхности фасок, а их диаметр совпадает с величиной сбалансированного диаметра замкового соединения.
Благодаря тому, что минимальный диаметр проточек совпадает с величиной сбалансированного диаметра замкового соединения, повышается производительность бурения, поскольку замки эксплуатируют в режиме, установленном для класса замков «новые», вплоть до момента, когда диаметр замка вследствие износа уменьшится до диаметра проточки.
Благодаря тому, что проточки полностью расположены на конической поверхности фасок, обеспечивается герметичность замкового соединения, поскольку при свинчивании замкового соединения проточки не контактируют, не подвергаются силовому воздействию и не деформируются, не препятствуют гарантированному плотному контакту ответных уплотнительных поверхностей ниппеля и муфты замка.
Предложенная полезная модель поясняется чертежами, на которых показан фрагмент замкового соединения на разных степенях износа по наружному диаметру.
На фиг. 1 показан фрагмент нового замкового соединения с сигнальными проточками на ниппеле и муфте.
На фиг. 2 показан увеличенный вид I фиг. 1.
На фиг. 3 показано замковое соединение, в котором ниппель изношен до основания сигнальной проточки, а муфта частично изношена по наружному диаметру.
ф
Предложенный резьбовой замок состоит из ниппеля 1 и муфты 2 с наружным диаметром D (фиг. 1). Их торцовые поверхности 3 и 4, смыкаемые при свинчивании в наружный упор, снабжены фасками 5 и 6, имеющими диаметр D. На фасках, на некотором расстоянии от их краев, нанесены проточки 7. Ширина проточек t, измеренная вдоль оси замка, выбирается достаточной, чтобы они были хорошо заметны на замках и в то же время не ослабляли их заметным образом. Достаточным является t = (1,2…3,0) мм. Сопряжение цилиндрической поверхности проточки с боковой выполнено плавным с радиусом кривизны R = (0,4…1,0) мм.
bal
н
м
Диаметр проточек D одинаков для муфты и ниппеля. Он определяется расчетным путем и равен диаметру замка, при котором площади опасных сечений ниппеля S и муфты S равны. Такой диаметр замка в буровой технике принято называть сбалансированным.
м
Согласно методике расчета, изложенной в рекомендуемой практике API RP 7G, опасное сечение S муфты бурильного замка находится в плоскости, на расстоянии 9,52 мм от упорного торца замка. Обычно плоскость опасного сечения муфты проходит по поверхности заходной расточки муфты замка.
м
раст
2
2
S = π(D - d)/4,
где D - наружный диаметр замка;
раст
d - внутренний диаметр расточки муфты в опасном сечении.
н
Согласно той же методике, опасное сечение S ниппеля бурильного замка находится в плоскости впадины резьбы на расстоянии 19,05 мм от упорного уступа замка.
н
2
2
S = π(DL - ID)/4,
где DL - наружный диаметр опасного сечения ниппеля;
ID - внутренний диаметр ниппеля.
Многочисленные исследования аварий, произошедших от разрушений практически всех типоразмеров бурильных замков, показали, что приведенные выше абсолютные числовые значения расстояния опасных сечений от упорных торца/уступа, указанные в стандарте API RP 7G, не зависят от формы резьбы как ниппелей, так и муфт. С точностью до 1 мм они совпадают с данными отечественной методики расчетов ВНИИБТ.
ф
В ходе эксплуатации предложенного резьбового замка персонал буровой бригады прямо на буровой площадке или инспектор во время проведения планового инспекционного контроля комплекта бурильных труб визуально контролируют положение проточки относительно фасок замка. Для контроля не требуется мерительное оборудование или шаблоны. При видимом глазом выходе проточки на наружный диаметр фаски⋅D замок переводят в класс «Premium» для дальнейшего использования в облегченном режиме. В качестве примера на фиг. 3 представлен чертеж фрагмента резьбового соединения, в котором ниппель 1 изношен по наружной поверхности полностью, до совпадения этой поверхности с цилиндрической поверхностью 8 (дном) проточки 7. Труба или переводник с таким ниппелем подлежат переводу в класс «Premium». На том же чертеже показана муфта 2, износ наружной поверхности которой еще не дошел до дна проточки 7, и она может эксплуатироваться еще некоторое время по классу «новые». На фиг. 3 пунктиром показано положение наружных поверхностей у новых ниппеля и муфты.
Предложенная полезная модель также применима для контроля степени износа наружного диаметра замков бурильных труб, изготовленных по стандартам API 5DP, API 7-1, и для замковых соединений с резьбовыми соединениями по ГОСТ 28487-90.
Непременными условиями применимости являются:
1. Ниппель нового замка должен быть более слабым элементом соединения, нежели муфта нового замка, и соответственно в данном соединении имеется теоретический сбалансированный диаметр.
ф
2. Сигнальная проточка должна попадать именно на фаску упорного торца замка, а для этого нужно, чтобы величина сбалансированного диаметра замка была больше, чем величина диаметра фаски D наружного упорного торца замка.
Несмотря на эти ограничения, количество типоразмеров замков бурильных колонн, на которых применима предложенная полезная модель, достаточно велико. Примеры таких типоразмеров представлены в Таблице.
Таблица
Тип резьбы по ГОСТ28487-90
Тип резьбы по API 7-2
Наружныйдиаметрновогозамка, ммOD
Внутреннийдиаметр ниппеля новогозамка, ммID
Диаметрфаскизамка, ммD<sub>ф</sub>
Сбаланси-рованныйдиаметрзамка, ммD<sub>bal</sub>
Минимально допустимый наружныйдиаметр замкакласса «Premium», ммD<sub>premium</sub>
З-86
NC31
104,8
54,0
100,4
102,6
96,9
З-86
NC31
111,1
41,3
100,4
108,3
103,2
З-102
NC38
127,0
65,1
116,3
122,1
116,7
З-102
NC38
127,0
61,9
116,3
123,7
118,3
З-108
NC40
133,4
71,4
127,4
129,4
122,2
З-108
NC40
139,7
61,9
127,4
134,3
127,0
З-122
NC46
152,4
82,6
145,3
146,2
134,1
З-122
NC46
158,8
76,2
145,3
149,6
140,5
З-133
NC50
168,8
92,1
154,0
157,3
147,6
З-133
NC50
168,8
82,6
154,0
162,9
154,8
З-147
5 <img file="00000001.jpg" he="4" wi="4" img-content="undefined" img-format="jpg" /> FH
184,2
89,0
170,7
182,2
171,5
З-147
5 <img file="00000001.jpg" he="4" wi="4" img-content="undefined" img-format="jpg" /> FH
177,8
101,6
170,7
175,5
164,3
З-152
6 5/8 Reg
203,2
127,0
195,7
199,2
188,9
З-152
6 5/8 Reg
215,9
108,0
195,7
210,1
200,8