РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ БУРИЛЬНЫХ ТРУБ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящая полезная модель относится к бурильным трубам, в частности к резьбовым соединениям, которые могут быть использованы, в частности, для соединения бурильных труб между собой и с другими составными элементами бурильных колонн, используемых при бурении вертикальных, наклонно-направленных и горизонтальных нефтяных и газовых скважин.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В настоящее время вертикальное бурение, наклонно-направленное бурение и горизонтальное бурение, а также бурение боковых стволов скважин находит все более широкое применение в мире, в частности на территории РФ, при создании нефтяных и газовых скважин.
При вращательном бурении нефтяных и газовых скважин на бурильные трубы и иные конструктивные элементы бурильной колонны воздействует повышенный крутящий момент. Кроме того, при бурении в сложных условиях изогнутых стволов скважин (наклонно-направленных и горизонтальных скважин, боковых стволов скважин и т.п.) бурильные трубы и иные конструктивные элементы бурильной колонны подвергаются большим изгибающим нагрузкам.
Для работы в вышеописанных сложных условиях бурения используют бурильные трубы со специальными резьбовыми соединениями (так называемыми бурильными замками), которые предназначены для соединения бурильных труб между собой и с иными конструктивными элементами бурильных колонн, при этом такие специальные резьбовые соединения должны иметь повышенную стойкость к воздействию крутящих и изгибающих нагрузок.
Все более усложняющиеся условия бурения нефтяных и/или газовых скважин вызывают потребность в разработке резьбовых соединений бурильных труб, обладающих повышенными эксплуатационными характеристиками.
Один из иллюстративных примеров резьбового соединения бурильных труб описан в патенте РФ №88729 (далее RU 88729), опубликованном 20 ноября 2009 года. В частности, в патенте RU 88729 раскрыто резьбовое соединение бурильных труб, содержащее:  ниппель и муфту, снабженные каждый резьбой; причём каждый из ниппеля и муфты имеет упорный уступ и содержит носик с упорным торцом, а резьба ниппеля и резьба муфты выполнены с возможностью взаимодействия друг с другом с обеспечением возможности примыкания упорного торца носика ниппеля к упорному уступу муфты и возможности примыкания упорного торца носика муфты к упорному уступу ниппеля.
Недостаток резьбового соединения бурильных труб, описанного в RU 88729, заключается в том, что оно не сохраняет свои эксплуатационные свойства при работе в сложных условиях бурения, в частности при воздействии на него повышенных крутящих и изгибающих нагрузок. В частности, следует отметить, что в случае застревания бурильной колонны в стволе скважины при бурении горизонтальных скважин, наклонно-направленных скважин или боковых стволов скважин возможно превышение крутящего момента бурения по сравнению с крутящим моментом, применяемым при свинчивании резьбового соединения (в частности, при сборке бурильной колонны) на поверхности скважины, в результате чего может возникнуть дополнительный момент свинчивания, оказывающий повышенное воздействие на резьбовое соединение по RU 88729, которое может превысить предел текучести материала ниппеля и/или муфты этого резьбового соединения по RU 88729 и, следовательно, вызвать их разрушение. Для предотвращения возникновения вышеописанных случаев разрушения резьбового соединения бурильных труб крутящий момент, прикладываемый к резьбовому соединению при свинчивании бурильных труб, должен быть всегда выше крутящего момента, прикладываемого к резьбовому соединению при бурении, с запасом, учитывающим сложные условия бурения или возможные аварийные ситуации, например, застревание бурильной колонны в стволе скважины.
Таким образом, очевидна потребность в дальнейшем совершенствовании резьбовых соединений бурильных труб, в частности для улучшения сопротивляемости таких резьбовых соединений повышенным крутящим моментам и, следовательно, их надежности.
Следовательно, техническая проблема, решаемая настоящей полезной моделью, состоит в создании резьбового соединения бурильных труб, в котором по меньшей мере частично устранен обозначенный выше недостаток известного резьбового соединения бурильных труб, заключающийся в возможности разрушения резьбового соединения бурильных труб при осуществлении бурения.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Вышеупомянутая техническая проблема решена в настоящей полезной модели благодаря тому, что в предложенном резьбовом соединении бурильных труб, содержащем ниппель и муфту, снабженные каждый резьбой; причём каждый из ниппеля и муфты имеет упорный уступ и содержит носик с упорным торцом, а резьба ниппеля и резьба муфты выполнены с возможностью взаимодействия друг с другом с обеспечением возможности примыкания упорного торца носика ниппеля к упорному уступу муфты и возможности примыкания упорного торца носика муфты к упорному уступу ниппеля; резьба ниппеля и резьба муфты имеют каждая конусность 1:6 мм/мм и шаг резьбы в диапазоне от 6,3 мм до 6,4 мм, а длина носика муфты находится в диапазоне от 14,2 мм до 17,5 мм.
Резьбовое соединение бурильных труб согласно настоящей полезной модели обеспечивает технический результат, заключающийся в повышении его прочности, что позволяет указанному резьбовому соединению выдерживать повышенные крутящие моменты, в частности при использовании бурильных труб в сложных условиях эксплуатации при бурении боковых стволов, хвостовиков в наклонно-направленных и горизонтальных скважинах, а также при проведении различных ремонтных и технологических операций, при которых могут возникнуть большие моменты кручения. В частности, повышение прочности резьбового соединения бурильных труб согласно настоящей полезной модели обусловлено достижением в указанном резьбовом соединении оптимального соотношения между крутящим моментом, воспринимаемым этим резьбовым соединением, и уровнем напряжения, возникающим при примыкании упорного торца носика муфты к упорному уступу ниппеля, что позволяет в целом повысить сопротивляемость резьбового соединения повышенному крутящему моменту.
В одном из вариантов реализации настоящей полезной модели шаг резьбы ниппеля и муфты может составлять 6,35 мм, а длина носика муфты в резьбовом соединении бурильных труб может составлять 15,875 мм.
Еще в одном варианте реализации настоящей полезной модели шаг резьбы ниппеля и муфты может составлять 6,35 мм, а длина носика муфты в резьбовом соединении бурильных труб может составлять 15,875 мм.
Вышеуказанные значения шага резьбы для ниппеля и носика и длины носика муфты в резьбовом соединении бурильных труб согласно настоящей полезной модели также обеспечивают сформулированный выше технический результат, заключающийся в повышении прочности резьбового соединения бурильных труб.
В другом варианте реализации настоящей полезной модели резьба ниппеля и резьба муфты могут иметь каждая высоту в диапазоне от 3 мм до 3,2 мм.
Еще в одном варианте реализации настоящей полезной модели высота резьбы ниппеля и резьбы муфты может составлять 3,095 мм.
Вышеуказанные значения высоты резьбы ниппеля и резьбы муфты также вносят свой дополнительный вклад в сформулированный выше технический результат, заключающийся в повышении прочности резьбового соединения бурильных труб.
Краткое описание чертежей
Прилагаемые чертежи, которые приведены для обеспечения лучшего понимания сущности настоящей полезной модели, составляют часть настоящего документа и включены в него для иллюстрации нижеописанных вариантов реализации настоящей полезной модели. Прилагаемые чертежи в сочетании с приведенным ниже описанием служат для пояснения сущности настоящей полезной модели. На чертежах:
на фиг. 1 показано резьбовое соединение бурильных труб согласно настоящей полезной модели в развинченном состоянии;
на фиг. 2 показано резьбовое соединение бурильных труб согласно настоящей полезной модели в свинченном состоянии;
на фиг. 3 показана часть ниппеля резьбового соединения, показанного на фиг. 1 и 2;
на фиг. 4 показана часть муфты резьбового соединения, показанного на фиг. 1 и 2.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
На фиг. 1 показано резьбовое соединение 100 бурильных труб в развинченном состоянии.
Резьбовое соединение 100 бурильных труб, показанное на фиг. 1, содержит ниппель 1 и муфту 2, выполненные с возможностью резьбового взаимодействия друг с другом при свинчивании или развинчивании резьбового соединения 100, обеспечивающих соответственно соединение и разъединение резьбового соединения 100.
Ниппель 1 снабжен резьбой 3 конической формы, выполненной на поверхности ниппеля 1, которая обращена в сторону муфты 2 при нахождении ниппеля 1 и муфты 2 в резьбовом взаимодействии друг с другом. Таким образом, что резьба 3 ниппеля выполнена с наружной стороны ниппеля 1, противоположной внутренней стороне ниппеля 1, которой он обращен к внутренней полости бурильных труб, предназначенной для пропускания текучей среды, связанной с бурением скважин с использованием этих бурильных труб.
Кроме того, муфта 2 снабжена резьбой 6 конической формы, выполненной на поверхности муфты, которая обращена в сторону ниппеля 1 при взаимодействии муфты 2 и ниппеля 1 друг с другом. Таким образом, что резьба 6 муфты выполнена с внутренней стороны муфты 2, противоположной наружной стороне муфты 2, которой она обращена к среде, окружающей бурильные трубы.
Кроме того, как показано на фиг. 1, ниппель 1 имеет упорный уступ 4 и содержит носик 11 с упорным торцом 5, а муфта 2 имеет упорный уступ 7 и содержит носик 12 с упорным торцом 8.
Кроме того, резьба 3 ниппеля и резьба 6 муфты имеют каждая конусность 1:6 мм/мм, шаг резьбы в диапазоне от 6,3 мм до 6,4 мм, а предпочтительно 6,35 мм (т.е. имеют 4 витка на дюйм (на 25,4 мм)), и высоту резьбы в диапазоне от 3 мм до 3,2 мм (предпочтительно 3,095 мм). Резьба 3 ниппеля и резьба 6 муфты выполнены с возможностью разъемного соединения или взаимодействия друг с другом с образованием наружного упорного узла 9 и внутреннего упорного узла 10, как показано на фиг. 2.
Основными функциями резьбы 3 ниппеля и резьбы 6 муфты являются восприятие растягивающей нагрузки и выдерживание многократного свинчивания-развинчивания резьбового соединения 100 с одновременным сохранением его эксплуатационных характеристик.
Следует отметить, что выполнение каждой из резьбы 3 ниппеля и резьбы 6 муфты с конусностью 1:6 мм/мм и шагом резьбы в диапазоне от 6,3 мм до 6,4 мм (предпочтительно 6,35 мм) является оптимальным, поскольку обеспечивает оптимальное соотношение между длительностью свинчивания резьбового соединения 100, которая будет увеличиваться при увеличении конусности резьбы 3 ниппеля и резьбы 6 муфты и будет уменьшаться при увеличении шага резьбы для резьбы 3 ниппеля и резьбы 6 муфты, и сопротивляемостью резьбового соединения 100 высокому крутящему моменту при бурении в сложных условиях, повышающейся при увеличении конусности резьбы 3 ниппеля и резьбы 6 муфты.
Внутренний упорный узел 10 образован упорным торцом 5 носика ниппеля и упорным уступом 7 муфты, а наружный упорный узел 9 образован упорным торцом 8 носика муфты и упорным уступом 4 ниппеля.
Следует отметить, что наружный упорный узел 9 обеспечивает передачу высокого крутящего момента при бурении скважины, а также является уплотняющим и обеспечивает герметичность резьбового соединения 100. Внутренний упорный узел 10 дополняет наружный упорный узел 9 и обеспечивает передачу крутящего момента, воспринимаемого резьбовым соединением 100.
1
2
2
1
1
1
2
2
Как показано на фиг. 1, носик 11 ниппеля с упорным торцом 5 имеет длину L, а носик 12 муфты с упорным торцом 8 имеет длину L, при этом в резьбовом соединении 100 упорный торец 5 ниппеля и упорный торец 8 муфты выполнены таким образом, что длина L носика 12 муфты превышает длину L носика 11 ниппеля, при этом длина L носика 11 ниппеля имеет значение в диапазоне от 10,1 мм до 11 мм (L предпочтительно составляет 10,24 мм или 10,85 мм), а длина L носика 12 муфты имеет значение в диапазоне от 14,2 мм до 17,5 мм (Lпредпочтительно составляет 15,875 мм).
1
1
Следует отметить, что авторами настоящего документа было установлено, что в случае, когда резьба 3 ниппеля и резьба 6 муфты имеют каждая конусность 1:6 мм/мм и шаг резьбы в диапазоне от 6,3 мм до 6,4 мм (предпочтительно 6,35 мм), а длина L носика 11 ниппеля находится в диапазоне от 10,1 мм до 11 мм (предпочтительно составляет 10,24 мм или 10,85 мм), достигается оптимальное соотношение между крутящим моментом, воспринимаемым резьбовым соединением 100, и уровнем напряжения на упорном узле 10, возникающим при примыкании упорного торца 5 носика ниппеля к упорному уступу 7 муфты, что позволяет улучшить надежность резьбового соединения 100 и способность выдерживать большие нагрузки (в частности, крутящий момент) без разрушения, в частности в сложных условиях бурения. Таким образом, вышеуказанное соотношение между параметрами резьб 3, 6 и длиной L носика 11 ниппеля не только обеспечивает работоспособность резьбового соединения 100, но и позволяет равномерно распределять нагрузки по виткам резьбы 3 ниппеля для обеспечения надежной передачи осевой нагрузки от ниппеля 1 на муфту 2 посредством резьбы 3 ниппеля и её уравновешивание внутренним упорным узлом 10. Кроме того, вышеуказанное оптимальное соотношение между крутящим моментом, воспринимаемым резьбовым соединением 100, и уровнем напряжения на упорном узле 10, возникающим при примыкании упорного торца 5 носика ниппеля к упорному уступу 7 муфты, также достигается и при высоте резьбы 3 ниппеля и резьбы 6 муфты от 3 мм до 3,2 мм (предпочтительно 3,095 мм), при этом указанный диапазон значений высоты резьбы 3 ниппеля и резьбы 6 муфты (в том числе вышеуказанное конкретное значение высоты резьбы 3 ниппеля и резьбы 6 муфты) позволяет резьбовому соединению 100 выдерживать большие нагрузки (в частности, крутящий момент) без разрушения.
2
2
Авторами настоящего документа также было установлено, что в случае, когда резьба 3 ниппеля и резьба 6 муфты имеют каждая конусность 1:6 мм/мм и шаг резьбы в диапазоне от 6,3 мм до 6,4 мм (предпочтительно 6,35 мм), а длина L носика 12 муфты находится в диапазоне от 14,2 мм до 17,5 мм (предпочтительно составляет 15,875 мм), достигается оптимальное соотношение между крутящим моментом, воспринимаемым резьбовым соединением 100, и уровнем напряжения на наружном упорном узле 9, возникающим при примыкании упорного торца 8 носика муфты к упорному уступу 4 ниппеля, что позволяет дополнительно улучшить надежность резьбового соединения 100 и способность выдерживать большие нагрузки (в частности, крутящий момент) без разрушения, в частности в сложных условиях бурения. Таким образом, вышеуказанное соотношение между параметрами резьб 3, 6 и длиной L носика 12 муфты не только также обеспечивает работоспособность резьбового соединения 100, но и также позволяет равномерно распределять нагрузки по виткам резьбы 6 муфты для обеспечения надежной передачи осевой нагрузки от муфты 2 на ниппель 1 посредством резьбы 6 муфты и её уравновешивание наружным упорным узлом 9. Кроме того, вышеуказанное оптимальное соотношение между крутящим моментом, воспринимаемым резьбовым соединением 100, и уровнем напряжения на наружном упорном узле 9, возникающим при примыкании упорного торца 8 носика муфты к упорному уступу 4 ниппеля, также достигается и при высоте резьбы 3 ниппеля и резьбы 6 муфты от 3 мм до 3,2 мм (предпочтительно 3,095 мм), при этом указанный диапазон значений высоты резьбы 3 ниппеля и резьбы 6 муфты (в том числе вышеуказанное конкретное значение высоты резьбы 3 ниппеля и резьбы 6 муфты) позволяет резьбовому соединению 100 выдерживать большие нагрузки (в частности, крутящий момент) без разрушения.
1
2
Кроме того, авторами настоящего документа было установлено, что в случае, когда резьба 3 ниппеля и резьба 6 муфты имеют каждая конусность 1:6 мм/мм и шаг резьбы в диапазоне от 6,3 мм до 6,4 мм (предпочтительно 6,35 мм), длина L носика 11 ниппеля находится в диапазоне от 10,1 мм до 11 мм (предпочтительно составляет 10,24 мм или 10,85 мм), а длина L носика 12 муфты находится в диапазоне от 14,2 мм до 17,5 мм (предпочтительно составляет 15,875 мм), достигается оптимальное соотношение между крутящим моментом, воспринимаемым резьбовым соединением 100, и равномерностью распределения напряжений по наружному и внутреннему упорным узлам 9, 10 с одновременной оптимизацией габаритных размеров соединения в зависимости от диаметра используемых бурильных труб.
1
Кроме того, длина L носика 11 ниппеля в вышеуказанном пределе ([10,1 мм; 11 мм]), в том числе при её вышеуказанных конкретных значениях (10,24 мм или 10,85 мм), позволяет технологически выполнить соответственно нарезание резьбы 3 ниппеля на наружной поверхности ниппеля 1 и нарезание резьбы 6 муфты на внутренней поверхности муфты 2.
1
2
Таким образом, длина L носика 11 ниппеля в вышеуказанном диапазоне значений и/или длина L носика 12 муфты в вышеуказанном диапазоне значений в сочетании с вышеуказанными параметрами резьбы 3 ниппеля и резьбы 6 муфты обеспечивают то, что резьбовое соединение 100 имеет не только высокие прочностные характеристики на растяжение, изгиб и срез, но и обладает высокой скоростью и меньшей трудоемкостью его свинчивания и/или развинчивания.
3
3
Как показано на фиг. 3, ниппель 1 также снабжен уплотняющим уступом 13, верхняя бровка которого находится на расстоянии L в диапазоне от 2,925 мм до 3,425 мм (предпочтительно расстояние L составляет 3,175 мм) от упорного уступа 4 ниппеля, при этом верхняя площадка уплотняющего уступа 13 ниппеля, соединяющаяся с упорным уступом 4 ниппеля, и нижняя площадка уплотняющего уступа 13 ниппеля, расположенная ниже верхней площадки уплотняющего уступа 13 ниппеля по высоте ниппеля, выполнены в целом прямолинейными, а высота уплотняющего уступа 13 ниппеля находится в целом в диапазоне от 0,2 мм до 0,6 мм (предпочтительно высота уплотняющего уступа 13 ниппеля составляет 0,4 мм).
4
4
Как показано на фиг. 4, муфта 2 также снабжена уплотняющим уступом 14, верхняя бровка которого находится на расстоянии L в диапазоне от 2,925 мм до 3,425 мм (предпочтительно расстояние L составляет 3,175 мм) от упорного торца 8 носика муфты, при этом верхняя площадка уплотняющего уступа 14 муфты, соединяющаяся с упорным торцом 8 носика муфты, выполнена в целом прямолинейной, нижняя площадка уплотняющего уступа 14 муфты, расположенная ниже верхней площадки уплотняющего уступа 14 муфты по высоте муфты 2, выполнена в целом наклонной, а высота уплотняющего уступа 14 муфты находится в целом в диапазоне от 0,1 мм до 0,3 мм (предпочтительно высота уплотняющего уступа 14 муфты составляет 0,2 мм).
3
Таким образом, как описано выше, уплотняющий уступ 13 ниппеля в целом расположен на расстоянии L от упорного уступа 4 ниппеля, которое по существу соответствует или равно расстоянию, на котором в целом расположен уплотняющий уступ 14 муфты.
Следует отметить, что при вводе резьбы 3 ниппеля и резьбы 6 муфты во взаимодействие с обеспечением образования, в частности, наружного упорного узла 9, как показано на фиг. 2 и описано выше в данном документе со ссылкой на фиг. 2, уплотняющий уступ 13 ниппеля входит в плотный контакт или плотное взаимодействие с уплотняющим уступом 14 муфты, при котором вышеописанные верхняя площадка и нижняя площадка уступа 13 ниппеля по меньшей мере частично входят в плотное взаимодействие соответственно с верхней площадкой и нижней площадкой резьбы 6 муфты, что в конечном итоге улучшает прочность и герметичность наружного упорного узла 9 и, следовательно, резьбового соединения 100 в целом.
Резьбовое соединение 100 бурильных труб работает следующим образом. При свинчивании резьбового соединения 100 ниппель 1 и муфту 2 соединяют друг с другом путем ввода резьбы 3 ниппеля во взаимодействие с резьбой 6 муфты, в результате чего происходит продвижение ниппеля 1 вдоль муфты 2 с обеспечением примыкания упорного торца 5 носика 11 ниппеля к упорному уступу 7 муфты или их смыкания, в результате которого образуется внутренний упорный узел 10, приближенный к внутренней полости бурильных труб (см. фиг. 2), предназначенной для пропускания текучей среды, связанной с бурением скважин, и примыкания упорного торца 8 носика 12 муфты к упорному уступу 4 ниппеля или их смыкания, в результате которого образуется наружный упорный узел 9, удаленный от внутренней полости бурильных труб и приближенный к среде, окружающей бурильные трубы (см. фиг. 2). Кроме того, при вышеописанном процессе соединения ниппеля 1 и муфты 2 друг с другом также происходит вход уплотняющего уступа 13 ниппеля в плотный контакт с уплотняющим уступом 14 муфты. При развинчивании резьбового соединения 100 ниппель 1 и муфту 2 отсоединяют друг с другом путем вывода резьбы 3 ниппеля из взаимодействия с резьбой 6 муфты, в результате чего происходит продвижение ниппеля 1 вдоль муфты 2 в обратном направлении с обеспечением постепенного удаления упорного торца 5 носика 11 ниппеля от упорного уступа 7 муфты и соответственно удаления упорного торца 8 носика 12 муфты от упорного уступа 4 ниппеля, при этом уплотняющий уступ 13 ниппеля и уплотняющий уступ 14 муфты оказываются выведенными из взаимодействия друг с другом.