БУРИЛЬНАЯ ТРУБА (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к области горного дела, а именно к толстостенным и утяжеленным бурильным трубам (ТБТ и УБТ), предназначенным для увеличения устойчивости нижней части компоновки бурильной колонны (КНБК), создания нагрузки на долото и осевого усилия для перемещения инструмента, расположенного в горизонтальной части ствола скважины.
7
8
Наиболее слабым элементом всех типов УБТ и ТБТ являются их резьбовые соединения, прочность которых на растяжение и кручение в 1,3-2,5 раза слабее тела в самом малом сечении трубы (проточки под элеватор или клиновой захват). Поэтому в промышленном производстве используют конструкции бурильных труб с зарезьбовыми, снимающими усталостные напряжения в резьбе, элементами и резьбовыми концами, сбалансированными по критерию  (фиг.6 содержит изображение разрушенного муфтового конца ТБТ-95 с резьбой 3-81 - аналог резьбы 2 /"SL H90 по стандарту API Spec. 7G, Table A-1, 1995, причина поломки которого в несбалансированности резьбы муфты и ниппеля: =1,8, и в отсутствии зарезьбового разгрузочного элемента).
Известны конструкции бурильных труб, включающие, собственно, тело трубы с упорными плоскостями и резьбовыми концами: муфтовым и ниппельным, при этом муфтовый конец этих труб имеет зарезьбовую разгрузочную канавку, предназначенную для вывода инструмента из зоны нарезки резьбы при ее формировании, а также для снижения концентрации напряжений в резьбе, возникающих при эксплуатации труб (ГОСТ Р 50864-96, с.12, рис. В.2, а также стандарт API, Spec. 7, 1998, P. 22, Table 13, Figure 15; 16 и 17).
Недостаток таких труб состоит в том, что участки трубы с резкими изменениями профиля внутренней поверхности муфтового конца этих труб сами являются при эксплуатации концентраторами напряжений и сложны в изготовлении, а также в низком ресурсе ремонтопригодности резьбы трубы, т.к. при ремонте резьбы приходится укорачивать трубу практически на всю длину от торца до зарезьбовой разгрузочной канавки и только после этого нарезать новую резьбу.
Из этих же источников известны также конструкции бурильных труб, включающие, собственно, тело трубы с упорными плоскостями и резьбовыми концами: муфтовым и ниппельным, при этом, муфтовый конец этих труб имеет зарезьбовую цилиндрическо-коническую расточку, сопрягаемую с отверстием трубы. Эти трубы по сравнению с вышеприведенными более технологичны в изготовлении (отсутствие углубленной в тело трубы зарезьбовой канавки), а плавные переходы профиля внутренней поверхности муфтовых концов этих известных труб способствуют повышению усталостной прочности на участке изменения диаметров трубы.
Недостаток этих известных труб состоит в том, что при изготовлении резьбы на их муфтовых концах образуются витки со срезанными вершинами, поэтому при эксплуатации этих труб не вся резьба муфты находится в зацеплении, а при воздействии больших крутящих моментов свинчивания данный факт отрицательно сказывается на надежности замковых соединений. Кроме того, эти трубы, также как и вышеприведенные, обладают низким ресурсом ремонтопригодности, т.к. для получения полной резьбы при ее ремонте приходится укорачивать трубу практически на длину от торца до зарезьбовой цилиндрическо-конической расточки из-за наличия цилиндрического зарезьбового участка, диаметр которого превышает внутренний диаметр резьбы муфты.
Наиболее близкой к заявленной полезной модели в части конфигурации профиля разгрузочной зарезьбовой расточки является утяжеленная бурильная труба фирмы SMFI со стандартной резьбой и разгрузочной зарезьбовой
расточкой, плавно углубленной по радиусу в тело муфтового конца трубы до диаметра, превышающего наружный диаметр резьбы муфты, а затем плавно переходящей в конус, длиной около 42 мм, под углом 2° к оси трубы, сопрягаемый в дальнейшем с отверстием трубы по радиусу в 165 мм (приложение 1: Сводный каталог фирмы SMFI, стр.7). Используемая конфигурация профиля зарезьбовой расточки муфты этой трубы позволяет при эксплуатации трубы всей резьбе ниппельного конца другой, соединяемой с ней трубы, находится в зацеплении с резьбой ее муфтового конца.
Недостатком этой бурильной трубы, как и перечисленных выше известных труб, является сложность ее конструкции из-за наличия нескольких переходов от резьбовой части муфтового конца трубы к внутреннему ее отверстию, а также необходимость удаления при ремонте части резьбы муфтового конца трубы, т.к. зарезьбовая расточка углублена в тело муфтового конца трубы.
В части параметров резьбы бурильной трубы наиболее близкой к заявленной полезной модели является бурильная труба, включающая, собственно, тело трубы с упорными плоскостями и резьбовыми концами: муфтовым и ниппельным, каждый со своей ответной конической замковой высокомоментной резьбой, при этом резьбовое соединение имеет увеличенный диаметр и увеличенную длину (Патент на полезную модель RU №53405, приор. 15.07.2005, опубл. 10.05.2006, бюлл. №13).
M
Резьбовые концы этой трубы оптимально сбалансированы между собой по прочности на изгиб, т.к. отношение момента сопротивления ее муфтовой части (W) к моменту сопротивления ее ниппельной части (Wн) находится в пределах 2,3-2,7.
Недостаток этой бурильной трубы, наиболее близкой к заявляемой полезной модели, состоит в отсутствии внутри муфтового конца трубы зарезьбовых элементов, снижающих концентрацию усталостных напряжений.
Таким образом, на базе существующих бурильных труб не представляется возможным спроектировать долговечную, конструктивно простую бурильную трубу с высокомоментной резьбой, обладающей повышенной усталостной прочностью и повышенным моментом кручения.
Полезной моделью решается задача создания долговечной, конструктивно простой бурильной трубы с высокомоментной резьбой, обладающей повышенной усталостной прочностью и повышенным моментом кручения.
Технический результат от использования полезной модели заключается в повышении эксплуатационной надежности, ресурса ремонтопригодности и технологичности изготовления муфтового конца бурильной трубы, за счет формирования зарезьбовой расточки муфтового конца трубы заодно с внутренней поверхностью витков его резьбы под ее углом уклона с одной угловой установки инструмента.
Указанный технический результат достигается тем, что в бурильной трубе по первому варианту, включающей, собственно, тело трубы с упорными плоскостями и резьбовыми, выполненными заодно с ее телом, концами: муфтовым с зарезьбовой расточкой и ниппельным, каждый со своей ответной конической замковой высокомоментной резьбой, зарезьбовая коническая расточка муфтового конца трубы сопряжена с внутренним отверстием трубы и выполнена под одним углом уклона с внутренней поверхностью витков его резьбы, позволяющим формировать заодно, с одной угловой установки инструмента, и эту расточку муфтового конца трубы и внутреннюю поверхностью витков его резьбы.
Указанный технический результат достигается также тем, что бурильная труба по второму варианту, включающая, собственно, тело трубы с упорными плоскостями и резьбовыми, выполненными заодно с ее телом, концами: муфтовым с зарезьбовой расточкой и ниппельным, каждый со своей ответной конической замковой высокомоментной резьбой, дополнительно снабжена другой конической расточкой муфтового конца трубы, расположенной за первой зарезьбовой расточкой и сопряженной с внутренним отверстием
3
3
трубы под углом не более 15°, а первая зарезьбовая расточка муфтового конца трубы выполнена под одним углом уклона с внутренней поверхностью витков его резьбы, позволяющим формировать заодно, с одной угловой установки инструмента, и эту расточку муфтового конца трубы и внутреннюю поверхность витков его резьбы, при этом, первая зарезьбовая расточка имеет длину не менее d/1,47, где d - наружный диаметр малого основания конуса резьбы ниппельного конца трубы.
Конструкцию бурильной трубы по второму варианту используют при необходимости выполнения резьбового конца муфты с уменьшенной длиной первой зарезьбовой расточки.
Бурильная труба по любому из ее вариантов может быть выполнена толстостенной, т.е. с центральной частью, диаметр которой существенно меньше диаметра резьбовых концов, и с внутренним отверстием, практически, постоянного диаметра по длине, или утяжеленной, т.е. с центральной частью, диаметр которой равен наружному диаметру резьбовых концов.
Наружная поверхность центральной части трубы: толстостенной (ТБТ) или утяжеленной (УБТ), по любому из вариантов может быть гладкой, спиральной или с локальными утолщениями.
Конструкция бурильной трубы представлена на чертежах:
Фиг.1 - общий вид бурильной трубы (два варианта);
Фиг.2 - ниппельный конец бурильной трубы (два варианта);
Фиг.3 - муфтовый конец бурильной трубы по первому варианту;
Фиг.4 - муфтовый конец бурильной трубы по второму варианту;
Фиг.5 - профиль резьбы 3-81У и 3-83. Фиг.6 - изображение разрушенного муфтового конца бурильной трубы ТБТ-95 с резьбой 3-81.
Бурильная труба состоит из цельной трубы 1 (фиг.1) с центральной частью 2, упорными поверхностями 3, 4 и резьбовыми, выполненными заодно с ее телом, концами: ниппельным 5 (фиг.2) со своей конической
замковой высокомоментной резьбой 6 и муфтовым 7 (фиг.3), со своей ответной конической замковой высокомоментной резьбой 8 и зарезьбовой расточкой 9. Резьбы 6 и 8 концов 5 и 7 трубы 1 имеют угол профиля витков резьбы порядка 90°. Эти резьбы с большим углом профиля резьбы (90°) и небольшой высотой витков менее склонны к усталостному трещино-образованию, чем стандартные резьбы, предел их выносливости на 40% выше, чем у резьбы с углом профиля равным 60° (журнал «Нефтяное хозяйство», №12, 2007 с.94-95). Момент кручения замков ЗП-105-51 с резьбой 3-83 в 1,2 раза выше момента крученая замков с близкой по размеру резьбой 3-86 по ГОСТ Р 50864-96. Конструкция замковых резьб на муфтовом и ниппельном концах трубы, позволяет обеспечить их сбалансированность по прочности на изгиб. Труба 1 с несбалансированными резьбовыми соединениями, как правило, быстро выходит из строя из-за разрушения ее ниппельного 5 или муфтового 7 концов. Использование взаимно сопрягаемых резьб с упорными плоскостями 3 и 4 на обоих концах трубы способствует герметизации резьбовых соединений в сборке.
Основные конструктивные параметры высокомоментной резьбы 3-81У и высокомоментной резьбы 3-83 приведены на фиг 2, 3, 4 и в табл.1, а также на фиг.5 и в табл.2.
Зарезьбовая расточка 9 сопряжена с внутренним отверстием d трубы 1 и выполнена под одним углом уклона (φ) с внутренней поверхностью витков резьбы 8 муфтового конца 7 трубы 1 по первому варианту (фиг.3), позволяющим конструктивно упростить муфтовый конец 7 трубы 1 из-за устранения излишних переходов в ее теле и формировать заодно, с одной угловой установки, и коническую расточку 9 и внутреннюю поверхность витков резьбы муфтового конца 7 трубы 1 и, как следствие, упростить технологию изготовления этой части трубы, а также упростить ремонтные работы по восстановлению резьбы этого конца трубы без его значительного укорачивания.
Таблица 1
размеры в мм
Типоразмер резьбы
Расстояние от горца до основной плоскости, lоп
Средний диаметр резьбы в основной плоскости, Dcp
d<sub>1</sub>
d<sub>3</sub>
lн
l<sub>1</sub>
lм
β
3-81У
15,875
77,4
81,2
70,8
100
104
154
15°
3-83
15,875
80,2
83,9
73,5
100
104
154
15°
Таблица 2
размеры в мм
Параметры резьбы
Конусность, К (2tgφ)
φ
Шаг, Р
Н
Высота профиля, h<sub>1</sub>
а
b
с
f
r<sub>1</sub>
r<sub>2</sub>
1:9,6
2°59′
8,47
4,22
2,29
2,13
1,75
1,06
0,87
0,38
0,50
Коническая с небольшим углом уклона (φ=2°59′) зарезьбовая расточка в муфтовом конце трубы в сочетании с небольшой глубиной нитки резьбы (2,29 мм), угол при вершине которой равен 90°, позволяет существенно снизить концентрацию напряжений на участке от торца ниппельного конца трубы до внутреннего отверстия трубы d.
3
3
σ
Бурильная труба по второму варианту (фиг.4) отличается от бурильной трубы по первому варианту только тем, что ее муфтовый конец 7 содержит другую дополнительную коническую расточку 10, следующую за первой зарезьбовой расточкой 9 и сопряженную с внутренним отверстием трубы 1 под углом не более 15° (β≤15°), при этом ее первая зарезьбовая расточка 9 имеет длину (lм-l1) не менее d/1,47, где d - наружный диаметр малого основания конуса резьбы ниппельного конца трубы. Как показала практика, выбранная длина первой зарезьбовой расточки является оптимальной. Наличие другой дополнительной конической расточки 10, следующей за первой расточкой 9, позволяет уменьшить длину первой расточки, технологически упрощая изготовление расточек в муфтовом конце трубы. Сопряжение дополнительной зарезьбовой расточки 10 с внутренним отверстием d трубы 1, выполненное под углом β≤15°, обеспечивает по сравнению с прямоугольным сопряжением (β=90°), снижение коэффициента концентрации напряжений α в 1,71 раза. Дальнейшее уменьшения угла β дает незначительное снижение этого коэффициента.
Буровую трубу изготавливают следующим образом.
Полученную методом поковки или прокатки заготовку бурильной трубы 1, подвергают термической обработке, обтачивают по наружному диаметру и просверливают на всю длину, формируя внутренний диаметр d трубы 1.
После этого формируют резьбовые концы трубы 1: ниппельный 5 и муфтовый 7.
Для формирования муфтового конца 7 трубы 1 по первому варианту (фиг.3) растачивают внутреннюю поверхность ее муфтового конца 7 до сопряжения с внутренним отверстием d трубы 1, формируя, таким образом, заодно и внутреннюю поверхность витков резьбы 8 этого конца трубы 1 и зарезьбовую расточку 9. После этого приступают к нарезанию конической высокомоментной резьбы 8 на муфтовом конце 7 трубы 1. Для этого специальным профильным резцом формируют на муфтовом конце 7 трубы 1 коническую резьбу 8 на длину l1. Таким образом, формирование расточки 9 и внутренней поверхности резьбы 8 муфтового конца 7 трубы 1 производят с одной угловой установки инструмента.
3
При изготовлении муфтового конца трубы 1 по второму варианту дополнительно за первой зарезьбовой расточкой 9, длиной не менее d/1,47, формируют другую коническую расточку 10 под углом уклона β≥15° до сопряжения с внутренним отверстием d трубы 1.
Таким образом, предлагаемая полезная модель за счет совокупности своих существенных признаков, характеризующихся оптимально сбалансированными высокомоментными резьбами и зарезьбовыми расточками муфтового конца трубы, позволяет в сборе повысить усталостную прочность резьбовых соединений, ресурс ремонтопригодности, технологичность изготовления муфтового конца бурильной трубы, и, как следствие, повысить эксплуатационную надежность бурильной трубы и увеличить срок ее службы.