БЫСТРОРАЗЪЕМНОЕ РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ С МНОГОЗАХОДНОЙ РЕЗЬБОЙ
QUICK-DETACHABLE THREADED CONNECTION WITH MULTI-THREAD THREAD

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к буровым работам, а именно к усовершенствованному резьбовому соединению или замку для присоединения инструментов, используемых в горизонтальном направленном бурении, к бурильной колонне.
Описание предшествующего уровня техники
Для выполнения подземных буровых работ, включая направленное бурение, для присоединения различных буровых инструментов к бурильной колонне, например бурового долота, расширителя обратного действия и т.п., требуется резьбовое соединение. Как правило, установки направленного бурения (установки горизонтального направленного бурения) включают в себя последовательность бурильных труб, соединенных друг с другом с помощью резьбовых соединений или замков для формирования бурильной колонны. Бурильная колонна, как правило, продвигается в грунт или извлекается из него с помощью гидравлического цилиндра или зубчатой рейки, смонтированной на установке горизонтального направленного бурения. Буровое долото или головка прикреплена к концу бурильной колонны замком и, как правило, включает в себя насадку для подачи бурового раствора для облегчения бурения. В других вариантах применения такие инструменты, как наддолотные расширители, ударные копры, устройства для разрыва трубопровода и т.п., прикреплены к концу бурильной колонны резьбовым соединением или замком.
Основным преимуществом является возможность присоединения таких буровых инструментов к бурильной колонне с использованием соединения, которое легко собрать и разобрать. Такие функциональные возможности обеспечивают соединения с низким крутящим моментом или без крутящего момента, называемые здесь «безмоментные» соединения. В процессе бурения вперед замок направляет ведущее долото туда, где осуществляется резка. Это приводит к определенной степени износа от истирания замка. Кроме того, такие замки между бурильной колонной и инструментом подвергаются относительно сильным нагрузкам при кручении и продольным напряжениям при выполнении таких работ.
Неисправность замка или соединения при горизонтальном бурении или обратной проработке скважины может привести к застреванию инструмента в скважине или трубе. Такое застревание инструмента часто требует дорогостоящих и трудоемких экскавационных работ для извлечения инструмента или образования скважины около места потери инструмента. Это приводит к дорогостоящему подземному ремонту и замене деталей.
Из вышесказанного следует, что требуется средство для увеличения срока службы резьбового соединения или замка рассматриваемого типа.
Несмотря на различные достижения в соответствующих областях, эксплуатационная долговечность и прочность таких соединений могут быть повышены. Настоящее раскрытие обеспечивает безмоментный замок с повышенной прочностью и долговечностью для направленного бурения.
Раскрытие изобретения
Показано резьбовое соединение для присоединения съемного скважинного инструмента в сборе к бурильной колонне. Резьбовое соединение имеет нижнюю концевую часть, выполненную для сопряжения со съемным скважинным инструментом в сборе, и верхнюю концевую часть, противоположную нижней концевой части. Верхняя концевая часть выполнена для сопряжения с бурильной колонной как часть безмоментного замка. Верхняя и нижняя концевые части сборки включают переводник согласно изобретению.
Верхняя концевая часть содержит муфтовое концевое соединение с отверстием на муфтовом конце, имеющим нерезьбовую первую периферийную поверхность с первым средним внутренним диаметром и нерезьбовую вторую периферийную поверхность со вторым средним внутренним диаметром большего размера по сравнению с первым. Между первой и второй периферийными поверхностями проходит резьбовая конусообразная секция, включающая нитки резьбы на ней. Нитки резьбы на резьбовой конусообразной секции образуют форму многозаходной резьбы. По меньшей мере одна, первая или вторая, нерезьбовая периферийная поверхность имеет слегка коническую форму. На конце стартовой штанги может быть предусмотрена структура муфтового соединения.
В одной предпочтительной форме изобретения первая и вторая нерезьбовые периферийные поверхности являются слегка коническими. В этом случае нерезьбовая слегка коническая первая периферийная поверхность, нерезьбовая слегка коническая вторая периферийная поверхность и резьбовая конусообразная секция образуют вместе отверстие муфтового конца в структуре муфтового соединения.
Нижняя концевая часть резьбового соединения по изобретению включает в себя соединительную структуру, которая может быть ниппельной или муфтовой соединительной структурой на первом конце переводника, при этом переводник имеет второй конец, образующий вторую, ниппельную, соединительную структуру. Вторая, ниппельная, соединительная структура представляет собой ниппельный конец, включающий резьбовую конусообразную секцию с большим и малым наружными диаметрами. Переводник также имеет промежуточную зону между первой соединительной структурой и второй, ниппельной, соединительной структурой нижней части резьбового соединения или замка. В промежуточной зоне предусмотрено множество приводных граней. Стартовая штанга или верхняя концевая часть резьбового соединения имеет множество приводных граней, которые выполнены с возможностью выравнивания с приводными гранями, предусмотренными в промежуточной зоне между первой и второй, ниппельной, соединительными структурами переводника.
Пара сопрягаемых нерезьбовых периферийных поверхностей выполнена на внешней поверхности (ниппельном конце) переводника, которые разделены резьбовой конусообразной секцией. Резьбовая конусообразная секция содержит форму многозаходной резьбы. Форма многозаходной резьбы на ниппельной соединительной структуре (ниппельном конце), предусмотренная на втором конце переводника, выполнена с возможностью входить в резьбовое зацепление с сопрягаемой формой многозаходной резьбы, предусмотренной на муфтовом конце муфтовой соединительной структуры. Формы многозаходной резьбы отрегулированы таким образом, что, когда соединение свинчено и приводные грани переводника соприкасаются с приводными гранями на стартовой штанге, приводные грани не совпадают друг с другом и имеется несовпадение приводных граней. Предпочтительно несовпавшие грани смещены по отношению друг к другу на величину поворота в диапазоне от 1 до 20 градусов. Для выравнивания приводных граней переводника и приводных граней стартовой штанги между торцевой поверхностью стартовой штанги и поверхностью уступа промежуточной зоны переводника необходимо оставить зазор около 0,010-0,150 дюймов.
Муфта для передачи крутящего момента скользит вдоль части стартовой штанги и переводника, когда они в сборе. Муфта для передачи крутящего момента имеет внутренние грани, которые сопрягаются с приводными гранями стартовой штанги и переводника, чтобы не допустить их относительного вращения между собой. Крутящий момент не передается через резьбовые части соединения. Весь крутящий момент передается через муфту для передачи крутящего момента.
Предпочтительно формы многозаходной резьбы, используемые в резьбовом соединении, имеют от 2 до 6 заходов. Количество заходов и количество приводных граней стартовой штанги и переводника кратны по отношению друг к другу. Например, если число заходов формы многозаходной резьбы равно 4, то стартовая штанга и переводник будут иметь по 8 равноудаленных приводных граней, образуя перпендикулярные ведущие детали.
Дополнительные характеристики и преимущества наглядно представлены ниже. Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлено продольное сечение резьбового соединения или замка по изобретению в собранном положении.
На фиг. 2 представлен общий вид различных компонентов резьбового соединения, показанного на фиг. 1, с пространственным разнесением деталей.
На фиг. 2А представлен отдельный вид одного из восьмигранных приводных элементов, используемых в резьбовом соединении по изобретению, который в данном случае является стартовой штангой, разнесенной с соответствующей приводной муфтой.
На фиг. 3 представлен общий вид первого и второго восьмигранных приводных элементов, входящих в состав переводника и стартовой штанги, показывающий одно из положений их сборки, в котором грани на соответствующих восьмигранных приводных элементах не выравнены.
Фиг. 4 сходна с фиг. 3, но на фиг. 4 изображен другое положение сборки восьмигранных приводных элементов, в котором грани на соответствующих элементах выравнены, а между сопрягаемыми торцевыми поверхностями двух элементов имеется зазор.
На фиг. 5 представлен вид сбоку собранных восьмигранных приводных элементов резьбового соединения, показывающий зазор между их сопрягаемыми торцевыми поверхностями в одном положении операции сборки.
На фиг. 6 представлен общий вид резьбового соединения в сборе, включая муфту для передачи крутящего момента.
На фиг. 7 представлен общий вид переводника, который включает в себя первый восьмигранный приводной элемент, используемый в резьбовом соединении по изобретению, показывающий начальный этап нарезания многозаходной резьбы, используемой для соединения.
На фиг. 8 представлен вид сбоку восьмигранного приводного элемента, приведенного на фиг. 7, опять показывающий первую нитку при нарезании многозаходной резьбы.
На фиг. 9 представлен упрощенный, схематичный, вид установки горизонтального направленного бурения того типа, в котором возможно использование резьбового соединения по изобретению в ее бурильной колонне.
На фиг. 10 представлен упрощенный вид поперечного сечения различных стандартных компонентов, используемых в бурильной колонне при типичном горизонтальном направленном бурении, включая резьбовое соединение по изобретению.
Описание предпочтительного варианта осуществления
Предпочтительный вариант осуществления изобретения представлен в следующем описании, и его различные признаки и предпочтительные детали объяснены более полно со ссылкой на неограничивающие примеры, включенные и подробно охарактеризованные в последующем описании. Описания хорошо известных компонентов и процессов, а также технологий изготовления опущены, чтобы излишне не затруднять понимание основных признаков описанного здесь изобретения. Примеры, использованные в описании ниже, представлены исключительно для облегчения понимания того, как изобретение может использоваться на практике, и дальнейшего его осуществления специалистами для его использования. Соответственно, примеры не должны пониматься как ограничивающие объем заявленного изобретения.
На фиг. 9 в упрощенном виде представлена установка 11 горизонтального направленного бурения, направляющая бурильную колонну 13 в грунт. Удаленный конец бурильной колонны включает буровой инструмент в сборе, показанный в упрощенном виде позицией 15. Резьбовое соединение или замок, являющееся предметом настоящего изобретения, вставляется между концом бурильной колонны 13 и буровым инструментом в сборе 15 и более подробно изображено на фиг. 1-8 и фиг. 10.
На фиг. 10 показаны основные компоненты резьбового соединения или замка, используемые для соединения бурильной колонны 13 и бурового инструмента в сборе 15. Резьбовое соединение или замок по изобретению располагается между стартовой штангой 17 и корпусом 19 зонда. Стартовая штанга 17, которая иногда именуется пилотной штангой (здесь именуемая «первый элемент») при помощи резьбы присоединяется к наиболее удаленному (самому нижнему) элементу 21 буровой штанги. Корпус 19 зонда спроектирован для помещения в него зонда и поддерживает буровое долото (не показано) на его удаленном конце 23. Безмоментное соединение по изобретению соединяет стартовую штангу 17 и переводник 25. Основные компоненты сборки, отличные от нового быстроразъемного резьбового соединения по изобретению, знакомы специалистам в соответствующих областях.
Как будет понятно из фиг. 10, переводник 25 с помощью резьбового соединения присоединяется к ближнему концу 27 корпуса 19 зонда и формирует часть безмоментного соединения по изобретению, которая будет более подробно описана ниже. Переводник 25 и корпус 19 зонда также здесь в целом называют «второй элемент». Муфта 29 для передачи крутящего момента выполнена с возможностью скольжения по удаленному концу 31 (фиг. 10) стартовой штанги 17 и части переводника 25 для предотвращения относительного вращения между стартовой штангой и переводником (и тем самым также для предотвращения относительного вращения между стартовой штангой 17 и корпусом 19 зонда). Как будет понятно из описания ниже, быстроразъемное резьбовое соединение по изобретению спроектировано таким образом, что в резьбовых частях соединения крутящий момент не передается. Весь крутящий момент передается через муфту 29 для передачи крутящего момента.
Внутренняя поверхность муфты для передачи крутящего момента или приводной муфты (29 на фиг. 10) выполнена с возможностью входить в зацепление с особыми внешними конструктивными признаками на удаленном конце 31 стартовой штанги 17 и на внешней поверхности переводника 25. В том виде, в котором изобретение показано на фиг. 2А, муфта включает внутренние грани 33 (см. фиг. 2 и 2А), которые входят в зацепление с приводными гранями 35 на удаленном конце 31 стартовой штанги 17 и приводными гранями 37 на внешней поверхности переводника 25.
Резьбовое соединение или замок по изобретению может рассматриваться как включающее первый элемент, имеющий ведущий конец и ведомый конец. В показанном предпочтительном варианте осуществления изобретения первым элементом является стартовая штанга 17. Ведущий конец показан как удаленный конец (39 на фиг. 10), а ведомый конец показан как ближний конец 41. Ближний конец 41 с помощью резьбового соединения присоединяется к самой нижней буровой штанге 21. Кроме того, согласно фиг. 10 ведущий конец первого элемента (например, удаленный конец 39 стартовой штанги 17) включает резьбовую конусообразную секцию (муфтовый конец 43 показан на фиг. 1 и фиг. 10).
Второй элемент (переводник 25) включает в себя ведущий конец 49 и ведомый конец 51 (см. фиг. 10). Ведущий конец 49 включает в себя резьбовое соединение для крепления к режущему инструменту (в данном случае, например к корпусу 19 зонда, удерживающему буровое долото). Ведомый конец 51 выполнен с возможностью соединения с ведущим концом (39 на фиг. 10) первого элемента стартовой штанги 17. Конкретное резьбовое соединение на ведущем конце 49 показано на фиг. 10 в целом, поскольку это обычная резьба, выполненная в соответствии со спецификацией заказчика.
Основные признаки улучшенного резьбового соединения будут описаны прежде всего со ссылкой на фиг. 1-8. Как описано в общих терминах по отношению к фиг. 10, можно увидеть, что резьбовое соединение по изобретению имеет нижнюю концевую часть (обозначенную в целом позицией 49 на фиг. 1 и 10), выполненную с возможностью сопряжения со съемным скважинным инструментом в сборе, в данном случае с корпусом 19 зонда и связанным с ним буровым долотом. Резьбовое соединение также имеет верхнюю концевую часть, противоположную нижней концевой части, причем верхняя концевая часть выполнена с возможностью сопряжения с бурильной колонной как часть безмоментного замка. Верхняя концевая часть (стартовая штанга 17 на фиг. 1) включает в себя нерезьбовую первую периферийную поверхность (53 на фиг. 1), имеющую первый средний внутренний диаметр, и нерезьбовую вторую периферийную поверхность (55 на фиг. 1), имеющую второй средний внутренний диаметр, который больше, чем первый диаметр.
По меньшей мере одна поверхность, выбранная из нерезьбовых периферийных поверхностей 53, 55, в предпочтительном варианте осуществления изобретения также «слегка коническая», другими словами, не собственно цилиндрическая, где под «цилиндрической» понимается геометрическая форма, представляющая собой поверхность, образованную точками на фиксированном расстоянии от заданной прямой, которая является осью цилиндра. Изображенные в примере поверхности 53, 55, скорее не собственно цилиндрические, нарезаны на конусе с уклоном приблизительно на 5/8 дюйма на фут. По этой причине термины «первый и второй средние внутренние диаметры» используются для описания «слегка конической» природы одной или обеих этих поверхностей. Поскольку одна или обе эти поверхности слегка конические, их диаметры изменяются вдоль продольной оси соединения (18 на фиг. 1).
Резьбовая конусообразная секция (в целом 43 на фиг. 1) расположена между первой и второй нерезьбовыми периферийными поверхностями, причем резьбовая конусообразная секция имеет резьбу на ней. В сочетании с другими особенностями резьбового соединения по изобретению могут быть использованы различные формы резьбы. Однако резьбы, которые формируют форму резьбы поверхностей, показанных позициями 43 и 44 на фиг. 1, предпочтительно являются «многозаходными» резьбами. Многозаходные резьбы обычно встречаются в различных потребительских товарах, таких как лекарственные флаконы, бутылки для напитков и т.п., где для удобного открытия и закрытия необходимо немного завинтить крышку (например, на четверть оборота). Использование многозаходных резьб для форм резьб в нефтепромысловом деле должно увеличить скорость свинчивания труб, повысить сопротивление крутящему моменту и улучшить усталостную прочность. В зависимости от того, насколько большой или малый оборот необходим для конкретного продукта, может быть шесть или более заходов резьбы. В предпочтительной форме настоящего изобретения используются от двух до шести заходов резьбы.
В качестве примера того, что подразумевается под термином «многозаходная резьба»: двухзаходная резьба имеет две нитки резьбы, которые обычно начинаются в периферически противоположных местах ниппельного элемента и муфтового элемента, причем одна нитка резьбы равномерно распределена по периферии. В поперечном сечении, таким образом, двухзаходная резьба на ниппельном элементе очень похожа на обычную однозаходную резьбу на ниппельном элементе, хотя теоретически двухзаходная резьба имеет преимущество более быстрого свинчивания, поскольку для двойного захода обычно необходима половина числа оборотов однозаходной резьбы. Все эти типы резьбы с двумя, тремя или более заходами, то есть с множеством заходов, будут указываться здесь как «многозаходные» резьбы.
На фиг. 7 и фиг. 8 в упрощенном виде проиллюстрировано начало изготовления многозаходных резьбовых форм, используемых в резьбовом соединении по изобретению. Ниппельный конец переводника 25 имеет первую нитку наружной резьбы, которая имеет резьбовой заход 57, показанный на фиг. 7. Таким образом, на иллюстрации ниппельный конец переводника 25 показан с одним из окончательных четырех заходов резьбы, которые будут выполнены на ниппельном конце для одной предпочтительной формы изобретения. В четырехзаходной резьбе «заход» второй резьбы будет повернут на 90 градусов для второго захода, на 90 градусов - для третьего и на 90 градусов - для четвертого. Другими словами, для четырех заходов резьбы точки захода будут повернуты на 90 градусов каждая. Если соединение имеет три захода, точки захода будут повернуты на 120 градусов каждая. Если бы было два захода резьбы, точки захода были бы повернуты на 180 градусов каждая.
Сопрягаемый муфтовый элемент (в данном случае стартовая штанга 17) имеет равное количество ниток внутренней резьбы, имеющих равное количество заходов. Заходы каждой резьбы на муфтовом элементе, как правило, ориентированы симметрично относительно друг друга, и заходы каждой резьбы на ниппельном элементе могут быть ориентированы симметрично относительно друг друга.
Предпочтительно, чтобы формы многозаходной резьбы, используемые в резьбовом соединении, имели от 2 до 6 заходов резьбы. Кроме того, для достижения предпочтительной регулировки резьбового соединения по изобретению число заходов резьбы и число приводных граней 35 на стартовой штанге и приводных граней 37 на переводнике являются кратными по отношению друг к другу. Например, если каждая форма многозаходной резьбы имеет четыре захода, то стартовая штанга и переводник будут иметь по восемь равномерно распределенных приводных граней. Если каждая форма многозаходной резьбы имеет два захода, то стартовая штанга и переводник будут иметь четыре равномерно распределенных приводных грани и т.д.
На фиг. 3-5 также показана «регулировочная» особенность изобретения, благодаря которой «регулируют» многозаходные резьбы на ниппельном конце  переводника 25 и сопрягаемые многозаходные резьбы на внутреннем или муфтовом конце стартовой штанги 17. Как будет понятно из фиг. 1 и 3 и уже было кратко обсуждено, первая соединительная структура резьбового соединения по изобретению предусмотрена на первом конце переводника 25, при этом у переводника также есть второй конец, образующий вторую, ниппельную, соединительную структуру. Вторая, ниппельная, соединительная структура содержит конусообразную резьбовую секцию с большим и малым наружными диаметрами. Переводник 25 образует промежуточную зону (в целом 59 на фиг. 3) между первой соединительной структурой и второй, ниппельной, соединительной структурой, при этом в промежуточной зоне предусмотрено множество приводных граней (например грань 61).
Стартовая штанга 17 имеет множество приводных граней (например грань 63), которые могут быть выравнены относительно приводных граней 61, предусмотренных в промежуточной зоне между первой и второй соединительными структурами переводника 25. Форма многозаходной резьбы на ниппельной соединительной структуре, предусмотренной на втором конце переводника 25, выполнена с возможностью входить в резьбовое соединение с формой сопрягаемой многозаходной резьбы, предусмотренной в муфтовой соединительной структуре (стартовой штанги 17). Формы многозаходных резьбовых соединений отрегулированы таким образом, что, когда соединение свинчено и торцевые поверхности приводных граней 61 на переводнике соприкасаются с приводными гранями 63 стартовой штанги, грани не совпадают, т.е. получается несовпадение приводных граней (см. фиг. 3). В предпочтительной форме изобретения несовпадающие грани сдвинуты относительно друг друга на величину поворота в диапазоне примерно от 1 до 20 градусов.
Как показано на фиг. 4, для выравнивания приводных граней 61 на переводнике 25 и приводных граней 63 на стартовой штанге 17 необходимо оставить зазор около 0,010-0,150 дюйма между торцевой поверхностью 65 стартовой штанги 17 и поверхностью уступа 67 промежуточной зоны переводника 25. Этот зазор показан как «g »на фиг. 5.
В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 1, также изображена разгрузочная зона (71 на фиг. 1), не имеющая резьбы. Она выполнена для попадания в нее смазки и инородных материалов (например породы и грязи) и предотвращения таким образом заклинивания соединения между первым и вторым элементами из-за попадания материала, кроме того, эта зона также действует как зона снятия напряжения, которая распределяет нагрузку при переходе, тем самым предотвращая концентрацию напряжений, что увеличивает срок службы замка. На конце переводника 25 также предусмотрено уплотнительное кольцо 69.
Настоящее описание также обеспечивает способ соединения бурового инструмента с буровой штангой. Способ включает в себя следующие этапы: осуществление контакта ниток резьбы на ближнем конце элемента бурового инструмента с нитками резьбы на удаленном конце элемента буровой штанги; свинчивание элемента бурового инструмента с элементом буровой штанги путем относительного вращения элемента буровой штанги и элемента бурового инструмента; и выравнивание конструктивных признаков на внешней поверхности элемента бурового инструмента с конструктивными признаками на внешней поверхности элемента буровой штанги, как описано выше. В описанном варианте осуществления этап выравнивания конструктивных признаков включает в себя поворот буровой штанги в сборе в противоположную сторону относительно бурового инструмента в интервале от 1 до 20 градусов.
Данный способ также включает в себя этап скольжения муфты 29 для передачи крутящего момента по части элемента бурового инструмента и части элемента буровой штанги, при этом муфта для передачи крутящего момента сконструирована так, чтобы входить в зацепление с конструктивными признаками на внешней поверхности элемента бурового инструмента и элемента буровой штанги, тем самым предотвращая относительное вращение между элементом бурового инструмента и элементом буровой штанги. Крутящий момент не передается через резьбовые части соединения, что ускоряет соединение и отсоединение. В описанном варианте для развинчивания буровой штанги в сборе и бурового инструмента в сборе требуется момент не более 50 футо-фунтов.
Изобретение обладает несколькими преимуществами. Резьбовое соединение согласно изобретению может помочь предотвратить преждевременный выход из строя соединительного замка или соединения при горизонтальном бурении или обратной проработке скважины, что в иных случаях может привести к застреванию инструмента в скважине или трубе. Операторы промысловых работ подтвердят, что такая ситуация часто требует дорогостоящих и трудоемких экскавационных работ для извлечения инструмента или образования скважины около места потери инструмента. Это приводит к дорогостоящему ремонту и замене деталей. Резьбовое соединение согласно изобретению обеспечивает средство увеличения полезного срока службы резьбового соединения рассматриваемого типа. Соединение согласно изобретению обеспечивает безмоментный замок для операций направленного бурения, имеющий повышенную прочность и увеличенный срок службы.