Сбалансированное резьбовое соединение бурильной колонны
BALANCED THREADED DRILL STRING CONNECTION

Предложенное изобретение относится к области горного дела, а именно к резьбовым соединениям (замкам) бурильных труб с наружным диаметром 123,8-127 мм, предназначенным в основном для бурения, в том числе горизонтальных и сильно искривленных скважин.
В случаях, когда это не имеет значения, в настоящем описании замком будет называться как ниппель, так и муфта. Ремонтопригодность будет оцениваться длиной металла замка, отрезаемого при перенарезке изношенного соединения: чем эта длина меньше, тем больше раз можно перенарезать резьбу, тем выше ремонтопригодность соединения. Максимально допустимым моментом кручения (крутящим моментом) резьбового соединения (далее - PC) замка в настоящем описании называется момент кручения, при котором в материале замка достигается предел текучести.
м
н
м
н
От бурильных труб требуется, чтобы они были способны передавать высокий крутящий момент на долото, выдерживать осевую растягивающую и сжимающую нагрузку и надежно работать в условиях знакопеременного изгиба в горизонтальных и сильно искривленных скважинах. Последнее требование означает, что приварные замковые соединения (далее - замки), с помощью которых происходит наращивание бурильной колонны, должны обладать не только прочностью, соизмеримой с прочностью тела бурильных труб, но и высоким сопротивлением усталости, или высокой усталостной прочностью. Кроме того, замковые соединения должны быть стойкими к изгибающим нагрузкам, что учитывается коэффициентом прочности на изгиб W/W, где W - момент сопротивления опасного сечения замковой муфты, а W - момент сопротивления опасного сечения замкового ниппеля. В зарубежной технической литературе этот коэффициент обозначается как BSR - Bending Strength Ratio. В стойком замковом соединении он должен лежать в пределах от 2,05 до 2,7.
Например, стандарт API RP 7G требует, чтобы прочность на кручение замка, оцениваемая максимально допустимым моментом кручения, составляла не меньше чем 80% от прочности на кручение тела трубы. При этом желательно, чтобы замковое соединение имело бы минимально возможный наружный диаметр и максимально возможный внутренний диаметр для минимизации гидравлических потерь при прокачке бурового раствора и проводки геофизических приборов.
Замковые соединения должны быть стойкими к заеданиям и износу, быстро собираться и разбираться, легко ремонтироваться.
Чтобы получить минимальные габариты замковых соединений при сохранении их прочности, разработчики замков стали применять конструкции с небольшой конусностью PC, не характерной для стандартных замков, имеющих конусность 1:4 или 1:6.
Известна конструкция двухупорного замкового PC с трапецеидальной резьбой, шаг которой - 8,467 мм, конусность - 1:9,6, угол профиля - 90 градусов [RU 128912]. Угол уклона конической наружной поверхности упорного пояска ниппеля соответствует углу уклона поверхности резьбы. Известное PC с конусностью 1:9,6 оптимально сбалансировано по прочности на изгиб, кручение и на сжатие. Но оно имеет ограниченное применение, поскольку предназначено для замков наружным диаметром 105,5 и 108,0 мм и внутренним диаметром 51 мм, применяемых в скважинах диаметром 120,6 и 151,0 мм, т.е. в скважинах малого диаметра.
Для соединения элементов бурильной колонны при бурении скважин большего диаметра необходимо более мощное PC.
Известны двухупорные замковые соединения типа XT (Extreme Torque) фирмы Grant Prideco, профиль резьбы которых имеет следующие геометрические параметры: конусность - 0,75 дюйма/фут (соответствует конусности 1:16 мм/мм), шаг резьбы составляет 3,5 витка на дюйм (7,257 мм) и высота профиля резьбы - 0,14 дюйма (3,556 мм), угол при вершине резьбы - 60 градусов. Данные параметры приведены в эскизах Grant Prideco [https://vdocuments.mx/drill-pipe-charts.html], предназначенных для проведения ремонта замковых соединений бурильных труб в полевых условиях.
В частности, известно соединение ХТ39 с наружным диаметром замка 123,83 мм и внутренним диаметром замка от 61,91 до 68,3 мм, имеющее высокий максимально допустимый момент кручения от 47850 до 52200 Н⋅м.
Слабым элементом данного соединения является муфта, отчего оно имеет низкое значение коэффициента прочности на изгиб (BSR от 1,5 до 1,67). Так как прочность замка главным образом зависит от величины наружного диаметра муфты, то при уменьшении наружного диаметра замка от трения о стенки скважины в процессе бурения неизбежно будет происходить потеря прочностных свойств замкового соединения. Из-за низкого коэффициента прочности на изгиб известное соединение не сбалансировано и склонно к накоплению усталостных повреждений муфтового конца.
Малая конусность 1/16 нехарактерна для замковых соединений и требует особо осторожного обращения при проведении спускоподъемных операций. В частности, для исключения перекоса резьбы ниппеля и муфты при свинчивании обязательно применение направляющей воронки, на установку и снятие которой затрачивается дополнительное время.
Для полного свинчивания соединений с такой конусностью требуется 13 оборотов, в то время как для стандартных соединений по стандарту API 7-2 с конусностью 1/6 требуется всего 5 оборотов.
Все это приводит к увеличению срока строительства (ремонта) скважины и увеличивает операционные затраты.
Соединения типа XT (Extreme Torque) с конусностью 1/16 обладают низкой ремонтопригодностью, так как при ремонте (перенарезке) как ниппельной, так и муфтовой резьбы приходится отрезать по 113 мм.
Известны также двухупорные замковые соединения типа HLST ООО «Техномаш» (HILONG Super Torque) [RU 201674, RU 202565 и RU 203057] с конусностью 1:12, шагом резьбы 7,26 мм (3,5 витка на дюйм), высотой резьбы в диапазоне от 3,4 до 3,6 мм (предпочтительно 3,556 мм) и углом при вершине резьбы 60 градусов.
Профиль резьбы соединений типа HLST практически совпадает с профилем резьбы соединений типа XT (Extreme Torque), за исключением конусности резьбы, которая увеличилась с 1/16 до 1/12.
За счет этого немного улучшаются эксплуатационные характеристики замка.
Для полного свинчивания соединения типа HLST с конусностью 1/12 требуется 9,8 оборотов.
Соединения типа HLST с конусностью 1/12 также обладают низкой ремонтопригодностью, так как при ремонте (перенарезке) как ниппельной, так и муфтовой резьбы приходится отрезать по 85,3 мм.
Недостатком соединений HLST с наружным диаметром замка 123,8 мм и внутренним диаметром замка 61,9-68,3 мм является то, что почти во всех этих соединениях слабым элементом являются муфты, изнашиваемые трением о стенки скважины. Данные замки не сбалансированы по изгибу и имеют коэффициенты стойкости на изгиб BSR от 1,63 до 1,81 единиц.
Наиболее близким к заявленному по совокупности признаков является двухупорное PC бурильных труб типа Z2-99 с наружным диаметром замка толстостенной бурильной трубы равным 121 мм и внутренним диаметром равным 71 мм, с конусностью 1/9,6, шагом резьбы 8,467 мм (3 витка на дюйм), углом при вершине резьбы 90 градусов и внутренним упором ниппельного конца, имеющим конический участок, примыкающий к резьбе, и сопряженный с ним цилиндрический участок, наружный диаметр торцевой части которого равен 82 мм [RU 181276]. При этом средний диаметр соединения в основной плоскости составляет 95,8 мм.
Согласно имеющейся в описании патента таблице, прочностные характеристики соединения составляют:
- растягивающая нагрузка Qpc=2153 кН;
- момент кручения Мкр.рс=32,6 кН⋅м.
В таблице и в описании патента моментом кручения Мкр.рс называется момент, при котором в материале замка достигается предел текучести, то есть максимально допустимый момент кручения резьбового замка.
Известное соединение недостаточно хорошо сбалансировано по изгибной прочности. В нем слабым элементом является муфта, которая подвергается износу от трения о стенки скважины в процессе бурения, вследствие чего прочностные свойства замка ухудшаются сравнительно быстро. Если в стремлении повысить долговечность соединения увеличить диаметр муфты, например, до 123,8 или 127 мм, то слабым элементом соединения Z2-99 станет ниппель. Однако уровень максимально допустимого момента кручения, зависящий в этом случае только от величины внутреннего диаметра замка, останется прежним, не увеличится.
Внутренний (второй) упор ниппельного конца соединения Z2-99 имеет конический и цилиндрический участки, причем конический участок начинается сразу после окончания резьбового участка ниппеля, а цилиндрический участок находится ближе к торцу упора носика ниппеля. Недостатком соединения Z2-99 (121×71) является слишком тонкая стенка на торце внутреннего упора (носика) ниппеля (всего 5,5 мм), которая будет сминаться при реальных нагрузках на замковое соединение. При тонкой стенке в торце ниппеля цилиндрическая форма упора склонна к смятию в виде обратного конуса. Выступающий наружу металл смятого торца ниппеля может мешать свинчиванию замкового соединения.
Даже при внутреннем диаметре замка равном 68,3 мм толщина стенки на торце внутреннего (второго) упора ниппеля составит всего 6,85 мм, что также недостаточно для обеспечения прочности.
Еще одним недостатком соединения Z2-99 является его низкая ремонтопригодность из-за применения расточки на муфтовом конце в виде тороидального кармана, предназначенного для сбора твердых частиц шлама. Карман снижает ремонтопригодность замка, поскольку при ремонте (перенарезке) резьбового соединения на муфтовом конце приходится отрезать около 80 мм, что соответствует практически всему резьбовому участку муфты.
Кроме того, затвердевшие остатки бурового раствора и частицы шлама со временем заполнят полости тороидальных карманов на всех трубах бурильной колонны. Можно с уверенностью предположить, что персонал буровой бригады не будет постоянно вычищать эти карманы от остатков бурового раствора и шлама в процессе бурения. Попытка прочистить эти карманы в процессе спускоподъемных операций с бурильной колонной приведет к тому, что извлеченный из кармана муфты затвердевший шлам будет падать в низ бурильной колонны и при использовании забойного двигателя затруднит его работу.
Задачей настоящего изобретения является создание замка с наружным диаметром от 123,8 до 127 мм, сбалансированного по изгибу и имеющего достаточный запас на износ по наружному диаметру без потери прочностных свойств замка. Иными словами, необходимо для данных габаритов замка получить максимальное значение допустимого момента кручения PC замка, но так, чтобы ниппель оставался более слабым звеном соединения.
Техническим результатом заявленного изобретения является увеличение максимально допустимого момента кручения резьбового соединения замка наружным диаметром от 123,8 до 127 мм при условии сбалансированности его по изгибу и наличия запаса на износ по наружному диаметру.
Технический результат достигается за счет того, что в резьбовом соединении бурильных труб, выполненном с внешним и внутренним упорами, включающем ниппельный и муфтовый концы с трапецеидальной конической резьбой, шаг которой - 8,467 мм, конусность - 1:9,6, угол профиля - 90 градусов, наружный диаметр составляет от 123,8 до 127 мм, внутренний диаметр - от 57,2 до 68,3 мм, средний диаметр резьбы в основной плоскости - от 96,7 до 97,7 мм, внутренний упор ниппельного конца имеет цилиндрический участок, примыкающий к резьбе, и сопряженный с ним конический участок, причем наружный диаметр торца конического участка составляет от 83 до 84 мм.
Благодаря тому, что наружный диаметр увеличен до 123,8-127 мм, повышается долговечность соединения за счет создания запаса по износу наружной части муфты.
Благодаря тому, что средний диаметр резьбы в основной плоскости составляет от 96,7 до 97,7 мм и тем самым увеличивается диаметр большего основания конуса ниппельного конца (от 100,5 до 101,5 мм), повышается прочность PC по сравнению с прототипом, достигается наибольшее увеличение максимально допустимого момента кручения PC замка. При этом в замках наружным диаметром 127 мм и внутренним диаметром от 57,2 до 68,3 мм слабым элементом остается ниппель. В замках наружным диаметром 123,8 мм и внутренним диаметром от 65,1 до 68,3 мм также слабым элементом остается ниппель. Это создает запас на износ наружного диаметра замка без потери его прочностных свойств.
При уменьшении среднего диаметра резьбы в основной плоскости ниже 96,7 мм прирост максимально допустимого момента кручения становится незначительным, а при увеличении среднего диаметра резьбы в основной плоскости выше 97,7 мм слабым элементом замкового соединения становится муфта и соединение становится разбалансированным по условию прочности на изгиб.
Благодаря приданию наружной поверхности внутреннего упора в конце резьбового участка ниппельного конца цилиндрической формы, переходящей на конце ниппеля в коническую форму с конусностью, равной 1/9,6, увеличивается максимально допустимый момент кручения PC замка за счет увеличения наружного диаметра и толщины стенки упора, и, соответственно, площади поверхности упора. Наружный диаметр внутреннего упора ниппельного конца лежит при этом в пределах от 83 до 84 мм. Надежность работы второго упора ниппеля при этом возрастает. Даже при повреждении второго упора при небрежной эксплуатации бурильных труб выступающий наружу металл на коническом торце ниппеля не затрудняет свинчивание замкового соединения, что нельзя сказать о цилиндрической форме торца ниппеля.
Кроме того, коническая форма конца внутреннего упора облегчает центрирование бурильных труб при сборке колонны, тем самым ускоряя ее.
Дополнительным преимуществом предложенного замка является лучшая по сравнению с прототипом ремонтопригодность. Для перенарезки муфтовой части предложенного замка потеря длины составляет около 45 мм против 80 мм у прототипа.
Существо изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображен частичный продольный разрез ниппеля предложенной полезной модели.
На фиг. 2 показан в увеличенном виде конечный участок ниппеля.
На фиг. 3 изображен частичный продольный разрез муфты предложенного изобретения.
1
1
2
2
cp
cp
1
1
Ниппель 1 предложенного замка (фиг. 1) имеет наружный диаметр D, лежащий в пределах от 123,8 до 127 мм (123,8≤D≤127 мм). Внутренний диаметр D ниппеля лежит в пределах от 57,2 до 68,3 мм (57,2≤D≤68,3 мм). Трапецеидальная коническая резьба 2 ниппеля 1 и муфты 3 (фиг. 3) имеет шаг 8,467 мм, конусность - 1:9,6 и угол профиля - 90 градусов. Средний диаметр d резьбы в основной плоскости, обозначенной линией 4, составляет от 96,7 до 97,7 мм (96,7≤d≤97,7 мм). Соответственно, при заданных параметрах резьбы наружный диаметр d большого основания резьбового конуса ниппеля лежит в пределах от 100,5 до 101,5 мм (100,5≤d≤101,5 мм). Расстояние L от основной плоскости до плоскости упорного торца замкового соединения (15,875 мм) - стандартное по ГОСТ 28487-2018.
3
3
Наружная поверхность внутреннего упора ниппеля 1 имеет примыкающий к резьбе 2 участок 6 цилиндрической формы, сопряженный с конечным участком 7, имеющим коническую форму с конусностью 1:9,6 (фиг. 2). Больший диаметр D торцевой части участка 7 находится в пределах от 83 до 84 мм (83≤D≤84 мм). Такое исполнение увеличивает максимально допустимый момент кручения PC замка за счет увеличения наружного диаметра и толщины стенки упора и, соответственно, площади поверхности упора.
paст
4
Боковая стенка 8 внутренней расточки муфты 3 выполнена цилиндрической. Диаметр внутренней расточки муфты D обеспечивает гарантированный зазор от 0,8 до 1,6 мм между поверхностью расточки и диаметром D цилиндрической части внутреннего упора при сборке соединения.
Коническая форма конечного участка 7 внутреннего упора облегчает центрирование бурильных труб при сборке колонны, тем самым ускоряя ее.
Заявленное соединение с условным названием Z101/9,6, где 101 - условный размер замкового соединения, а 9,6 - конусность резьбы, применимо для использования на бурильных трубах наружным диаметром 88,9 и 101,6 мм, а также на УБТ, ТБТ, переводниках и других элементах бурильной колонны.
В частности:
м
н
- для бурильных труб 88,9×9,35 группы прочности S отношение прочности на кручение замка Z101/9,6 (123,8×65) к прочности на кручение тела трубы составляет 1,13; слабый элемент - ниппель, W/W=2,08;
м
н
- для бурильных труб 88,9×9,35 группы прочности S отношение прочности на кручение замка Z101/9,6 (127×68,3) к прочности на кручение тела трубы составляет 1,01; слабый элемент - ниппель, W/W=2,48;
м
н
- для бурильных труб 101,6×8,38 группы прочности S отношение прочности на кручение замка Z101/9,6 (127×62) к прочности на кручение тела трубы составляет 1,0; слабый элемент - ниппель, W/W=2,22;
м
н
- для бурильных труб 88,9×9,35 группы прочности S отношение прочности на кручение замка Z101/9,6 (127×68,3) к прочности на кручение тела трубы составляет 0,81; слабый элемент - ниппель, W/W=2,48;
м
н
- для бурильных труб 88,9×9,35 группы прочности S отношение прочности на кручение замка Z101/9,6 (127×57,2) к прочности на кручение тела трубы составляет 1,32; слабый элемент - ниппель, W/W=2,09;
м
н
- для бурильных труб 101,6×8,38 группы прочности S отношение прочности на кручение замка Z101/9,6 (127×57,2) к прочности на кручение тела трубы составляет 1,06; слабый элемент - ниппель, W/W=2,09.
Соединение Z101/9,6 при одних и тех же наружном и внутреннем диаметрах замка имеет выигрыш в максимально допустимом крутящем моменте перед соединением Z-99 от 6 до 12%.
Например:
1. Двухупорное соединение Z101/9,6 (123,8×62) с такими же габаритными размерами, как у соединения Z2-99 (123,8×62), указанного в ПМ №181276, будет иметь следующие характеристики:
- растягивающая нагрузка Qpc=3300 кН; (против 3130 кН у замка Z2-99 по ПМ №18176);
- момент кручения Мкр.рс=54,9 кН⋅м (против 51,5 кН⋅м у замка Z2-99 по ПМ №18176).
Выигрыш в растягивающей нагрузке по сравнению с Z2-99 (123,8×62) составляет 5,5%.
Выигрыш в моменте кручения по сравнению с Z2-99 (123,8×62) составляет 6,6%.
2. Двухупорное соединение Z101/9,6 (123,8×68,3) с такими же габаритными размерами, как у соединения Z2-99 (123,8×68,3), указанного в ПМ №181276, будет иметь следующие характеристики:
- растягивающая нагрузка Qpc=2770 кН (против 2600 кН у замка Z2-99 по ПМ №18176);
- момент кручения Мкр.рс=45,5 кН⋅м (против 40,6 кН⋅м у замка Z2-99 по ПМ №18176);
Выигрыш в растягивающей нагрузке по сравнению с Z2-99 (123,8×68,3) составляет 6,5%.
Выигрыш в моменте кручения по сравнению с Z2-99 (123,8×68,3) составляет 12%.
3. Двухупорное соединение Z101/9,6 (127×57,2) с такими же габаритными размерами, как у соединения Z2-99 (127×57,2), указанного в ПМ №181276, будет иметь следующие характеристики:
- растягивающая нагрузка Qpc=3680 кН; (против 3490 кН у замка Z2-99 по ПМ №18176);
- момент кручения Мкр.рс=60,0 кН⋅м. (против 58,8 кН⋅м у замка Z2-99 по ПМ №18176);
Выигрыш в растягивающей нагрузке по сравнению с Z2-99 (127×57,2) составляет 5,4%.
Выигрыш в моменте кручения по сравнению с Z2-99 (123,8×57,2) составляет 3,4%.
Дополнительным преимуществом предложенного замка является лучшая по сравнению с прототипом ремонтопригодность (меньшая потеря длины при перенарезке соединения).