ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛИТЕЛЬ БУРОВОЙ КОЛОННЫ

Изобретение относится к области геофизических исследований скважин и предназначено для использования в составе бескабельных телеметрических систем для электрического разобщения буровой колонны и обеспечения двусторонней связи телесистемы с наземной аппаратурой.
Применяющиеся в настоящее время электрические разделители колонны бурильных труб включают верхний и нижний переводники, соединенные между собой специальной конической резьбой с электроизоляционной прокладкой. Внутри и снаружи разделители покрыты электроизоляционным материалом (авт. св. СССР №994704, МКИ E21B 47/02, заявл. 31.12.80 г.; патент на ПМ №17196, МПК E21B 47/00, заявл. 23.10.00 г.; патент на ПМ №37138 МПК E21B 17/12, заявл. 15.07.03 г.; патент на ПМ №54397, МПК E21B 44/00, заявл. 08.02.06 г. и др.).
В связи с тем, что даже самые высокопрочные диэлектрики по комплексу механических характеристик (прочности, твердости, пластичности, ударной вязкости) уступают применяемым в разделителях высокопрочным сталям, спецрезьба разделителя остается наиболее слабым звеном компоновки низа бурильной колонны.
Попытки модернизации спецрезьбы путем изменения ее параметров предприняты в патентах на изобретения №2333356 МПК E21B 47/12, заявл. 13.09.2008, №2425214 МПК E21B 47/12, заявл. 25.04.2007, №2307931 МПК E21B 47/12, заявл. 27.01.2006, №2250994 МПК E21B 47/12, заявл. 15.01.2004 и т.д.
В этих патентах конструкторы пытаются оптимизировать конусность и профиль резьбы для повышения прочности и надежности разделителя.
В патенте №2307931 МПК E21B 47/12, заявл. 27.01.2006 предложено использовать коническую резьбу с прямоугольным профилем витков. Высота профиля уменьшается при увеличении диаметра резьбы.
В такой конструкции передача момента кручения и осевых нагрузок происходит только через торцевые поверхности витков резьбы, площадь которых в разы меньше площади сопряжения, а изгибные напряжения, возникающие в таком соединении при бурении искривленных скважин, будут концентрироваться в зоне выхода ниппеля из муфты, что снижает прочность и надежность разделителя.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является электрический разделитель буровой колонны, описанный в патенте на полезную модель №136085, МПК E21B 47/12, заявл. 28.08.2013. Переводники электрического разделителя свинчены по специальной конической резьбе с шагом 10 мм, конусностью 1:6, при этом радиус впадин и вершин профиля резьбы составляет 1,5-2 мм.
Изготовление радиусов вершин профиля резьбы одинаковой величины с радиусом впадин приводит к уменьшению высоты профиля резьбы, и самое главное уменьшает ширину перекрытия профиля витков. Соответственно уменьшается площадь сопряжения металлических элементов ниппеля и муфты, что повышает нагрузку на диэлектрическую прокладку и снижает несущую способность разделителя. Кроме того, радиус впадин резьбы 1,5-2 мм создает концентрацию напряжений в ниппеле, особенно в последнем витке, сопряженном с муфтой. При бурении искривленных скважин изгибные напряжения будут концентрироваться в этом последнем витке в зоне выхода ниппеля из муфты, где происходит резкое изменение жесткости узла, что снижает прочность и надежность разделителя.
Задача, решаемая созданием полезной модели, состоит в повышении прочности и надежности разделителя.
Требуемый технический результат достигается тем, что на муфтовой части электрического разделителя, включающего верхний и нижний переводники, соединенные между собой по специальной конической резьбе с электроизоляционным покрытием, выполнена разгрузочная канавка, а коническая резьба имеет конусность 1:8 и выполнена с шагом 12 мм, при этом радиус впадин резьбы составляет 3 мм, а радиус вершин резьбы составляет 1,4 мм.
На Фиг. 1 представлен электрический разделитель.
Электрический разделитель включает переводники 1 и 2, соединенные по конической резьбе 3 с электроизоляционным покрытием 4. На муфтовом переводнике 1 в зоне окончания ответной ниппельной части переводника 2 выполнена разгрузочная канавка 5.
Разгрузочная канавка 5 позволяет снизить напряжения в зоне резкого изменения жесткости узла в месте выхода ниппеля из муфты. При сборке разделителя в компоновку низа бурильной колонны разгрузочная канавка 5 может играть роль проточки под хомут или элеватор.
Использование разгрузочной канавки 5 на муфте и увеличение радиуса впадин резьбы до 3 мм снижает концентрацию напряжений в ниппеле в зоне среза муфты и приводит к повышению выносливости разделителя.
Уменьшение радиуса скругления вершин резьбы до 1,4 мм увеличивает размер перекрытия металлических элементов профиля и муфты ниппеля и обеспечивает повышение прочности на растяжение. Уменьшение конусности резьбы с 1:6 (в прототипе) до 1:8 и увеличение шага резьбы до 12 мм, позволяет на 20-25% увеличить площадь поверхности диэлектрической прокладки между контактирующими элементами и, соответственно, увеличить прочность на сдвиг узла соединения разделителя.
Примером конкретного исполнения предлагаемого технического решения является разделитель диэлектрический трубный для скважинного комплекса СОТЭКС-178. Данный разделитель с наружным диаметром 178 мм состоит из двух переводников, соединенных через диэлектрическую прокладку по конической резьбе конусностью 1:8, выполненной с шагом 12 мм. Радиус впадин резьбы составляет 3 мм, а радиус вершин резьбы составляет 1,4 мм. На муфтовом переводнике выполнена разгрузочная канавка, позволяющая при бурении искривленных скважин снизить изгибные нагрузки в ниппеле. Эта канавка используется также для установки хомута при сборке КНБК.
Выбранные параметры резьбы определяются ограничениями по геометрическим и эксплуатационным характеристикам разделителя.
Геометрическими ограничениями являются:
- диаметр внутренней проточной части разделителя должен обеспечивать скорость потока бурового раствора не более 10-12 м/сек. Уменьшение диаметра вызывает квадратичное увеличение скорости потока и ведет к увеличению в четвертой степени абразивного и кавитационного износа внутреннего тракта;
- наружный диаметр разделителя, определяемый проектом КНБК для бурения скважины;
- толщина внутреннего изолирующего слоя необходимая для обеспечения эксплуатационной стойкости к гидроабразивному износу и перепадам давления и температуры;
- толщина наружного изолирующего слоя, определяемая требованиями обеспечения эксплуатационной надежности при трении о стенки скважины.
Эксплуатационными ограничениями являются условия нагружения разделителя:
- осевые нагрузки до 300 кН при бурении, до 1000 кН при спуске и подъеме колонны и до 2000 кН при аварийных прихватах;
- момент кручения ротором до 30 кН·м;
- реактивный момент забойного двигателя до 2,5 кН·м;
- изгиб в искривленной скважине до 3 град/10 м или с радиусом изгиба скважины менее 200 м;
- растягивающие нагрузки от действия давления бурового раствора до 20 МПа.
Соотношение размеров (шаг 12 мм, радиус впадины профиля 3 мм, радиус вершины профиля 1,4 мм, конусность 1:8) позволяет оптимизировать напряжения, возникающие в узле спецрезьбы разделителя диаметром 178 мм в соответствии с эксплуатационными нагрузками.
Дальнейшее увеличение шага резьбы до 13 и более миллиметров нецелесообразно, т.к. при этом увеличится разность толщин деталей в зоне резьбы и снизится жесткость на изгиб узла в целом. Кроме того, в этом случае уменьшится количество витков резьбы и, соответственно увеличится нагрузка на каждый виток.
Дальнейшее уменьшение конусности соединения до 1:9 и менее нецелесообразно из-за технологических сложностей при нарезании резьбы, в связи с отсутствием на рынке державок для резьбонарезных пластин необходимой длины и жесткости. Изготовление специальных державок требуемой длины консоли (более 350 мм) приводит к снижению их жесткости и деформациям при обработке резьбы, т.к. диаметр оправки ограничен начальным минимальным диаметром конической резьбы. Появляющиеся погрешности при нарезании резьбы муфты и ниппеля приведут к неравномерности нагрузки витков по длине резьбовой части.
Опыт эксплуатации разделителя диэлектрического трубного для скважинного комплекса СОТЭКС-178 показал его высокие эксплуатационные характеристики и надежность.