Бурильный замок

Полезная модель относится к буровой технике, в частности к соединительным элементам бурильных труб, для получения бурильной колонны.
Известно резьбовое соединение бурильных труб (пат. №2521123, МПК Е21В 17/042, опубл. 27.06.2014 г., бюл. №18), включающее муфту и ниппель, образующие при свинчивании и затяжке наружный и внутренний упорные стыки, при этом между упорным уступом муфты и упорным торцом ниппеля установлена прорезная пружина так, что между упорным уступом ниппеля и упорным торцом муфты образуется ликвидируемый в процессе затяжки соединения и сжатия пружины зазор, величина которого равна ходу пружины и, согласно ее параметрам, строго соответствует заданной осевой нагрузке на внутренний упорный стык, благодаря чему, после затяжки соединения, обеспечивается также строго заданная осевая нагрузка на наружный стык, как разница между задаваемой общей силой затяжки резьбового соединения и силой, создаваемой пружиной на внутренний упорный стык.
Недостатком данного соединения является возможное самораскручивание ниппеля и муфты во время эксплуатации буровой колонны, разрушение ниппеля или муфты под действием временных перегрузов либо ударных или динамических нагрузок, низкая стойкость к знакопеременным и износоусталостным нагрузкам, а также ограниченный срок эксплуатации, обусловленный ограниченным числом раз монтажа и демонтажа, после которых соединение перестает удовлетворять условиям резьбового соединения.
Известно замковое соединение шнеков (пат. №2629285, МПК Е21В 17/042, опубл. 28.08.2017 г. бюл. №25) Замковое соединение шнеков, содержащее муфту и ниппель, выполненные с цилиндрической резьбой и резьбовыми упорами, выполненными в виде взаимодействующих друг с другом зубьев, рабочая поверхность которых расположена в плоскости оси муфты и ниппеля, отличающееся тем, что зубья выполнены на начальных витках цилиндрической резьбы муфты и ниппеля, при этом спинка зубьев расположена перпендикулярно оси муфты и ниппеля, а высота зубьев составляет 1/3 шага резьбы.
Недостатком данного соединения является возможное самораскручивание ниппеля и муфты во время эксплуатации буровой колонны, разрушение ниппеля или муфты под действием временных перегрузов либо ударных или динамических нагрузок, низкая стойкость к знакопеременным и износоусталостным нагрузкам, а также ограниченный срок эксплуатации, обусловленный ограниченным числом раз монтажа и демонтажа, после которых соединение перестает удовлетворять условиям резьбового соединения.
Задачей полезной модели является усовершенствование конструкции бурильного замка, обеспечивающее повышение его эксплуатационных характеристик и срока эксплуатации бурильного замка (монтажа и демонтажа).
Техническим результатом является исключение возможности самораскручивания, а также обеспечение многократности монтажа и демонтажа бурильного замка.
Технический результат достигается тем, что бурильный замок, характеризующийся тем, что состоит из ниппеля, содержащего цилиндрический трубчатый корпус, ограниченный торцевыми поверхностями, со стороны одной торцевой поверхности, имеющий наружнюю коническую резьбу, в конце которой выполнена цилиндрическая переходная ступень с расположенными по окружности впадинами, выполнеными в виде сферических сегментов, а со стороны другой торцевой поверхности, имеющий внутреннюю коническую резьбу, между которой и торцевой поверхностью расположена цилиндрическая переходная ступень с расположенными по окружности выступами, выполненными в виде сферических сегментов, и муфты, содержащей цилиндрический трубчатый корпус, ограниченный торцевыми поверхностями, со стороны каждой торцевой поверхности муфты нарезана внутренняя коническая резьба, между которой и торцевой поверхностью расположена цилиндрическая переходная ступень с расположенными по окружности выступами, выполненными в виде сферических сегментов, при этом ниппель и муфту бурильного замка изготавливают из материала с эффектом памяти формы.
Соединение бурильных труб в бурильную колону происходит по средствам бурового замка, состоящего из ниппеля и муфты, за счет резьбового соединения, которое должно удовлетворять требованию гарантированного натяга, тем самым обеспечивая герметичность и надежность соединения. Наиболее уязвимым элементом буровой колоны является места соединения бурильных труб. Так среди частых поломок возникающих в процессе бурения являются усталостное разрушение ниппеля бурильного замка, самораскручивание бурильного замка, разрушение ниппеля или муфты бурильного замка под действием временных перегрузов либо ударных или динамических нагрузок постоянно возникающих во время эксплуатации, низкая стойкость к знакопеременным и износоусталостным нагрузкам. Помимо большой вероятности поломок элементов бурильного замка, также происходит замена всех существующих типов бурильных замков после 2-4 раз монтажа и демонтажа, так как резьбовое соединение перестает удовлетворять требованиям соединения с гарантированным натягом. Это связано с тем, что после каждого монтажа и демонтажа происходит износ резьбы и изменение профиля резьбы, которая уже после первого монтажа и демонтажа перестает строго отвечать всем предъявляемым к ней требованиям.
Так создание на ниппеле и муфте, цилиндрических переходных ступеней с расположенными по окружности выступами и впадинами в виде сферических сегментов, при этом соединение бурильных труб с муфтой или ниппелем происходит путем скручивания муфты или ниппеля до полного совпадения выступов в виде сферических сегментов на муфте и ниппеле с впадинами в виде сферических сегментов на бурильных трубах, а соединение ниппеля и муфты между собой происходит путем вкручивания ниппеля в муфту до полного совпадения выступов в виде сферических сегментов на муфте с впадинами в виде сферических сегментов на ниппеле, что позволяет полностью решить проблему самораскручивания элементов замкового соединения бурильной колоны, так как данное соединение можно отнести к классу неразъемных соединений. А для обеспечения собираемости данной конструкции муфту и ниппель изготавливают из материала с эффектом памяти формы, которая также обеспечивает возможность получения резьбового соединения с гарантированным натягом при легкости скручивания при монтаже и демонтаже. Все это обеспечивается за счет термоупругого фазового превращения, так низкотемпературному фазовому состоянию материала с эффектом памяти формы соответствует определенные геометрические характеристики муфты и ниппеля, которые позволяют с легкостью проводить монтаж элементов замкового соединения бурильной колоны, после чего происходит нагрев изделия до температуры соответствующей высокотемпературному фазовому состоянию материала с эффектом памяти формы, которому соответствует определенные геометрические характеристики муфты и ниппеля, приводящие к самофиксированию элементов замкового соединения бурильной колоны при помощи выступов и впадин, выполненных в форме сферических сегментов по всей цилиндрической окружности расположенных между конической резьбой и торцом детали и между конической резьбой и упором, а также приводящие к формированию в местах резьбовых соединений посадки с гарантированным натягом для всех элементов замкового соединения бурильной колоны. Таким образом, замковое соединение становится неразъемным, что обеспечивает герметичность и препятствует самораскручиванию. При этом для осуществления демонтажа необходимо охладить парами жидкого азота ниппель и муфту, которые восстановят геометрические характеристики, соответствующие низкотемпературному фазовому состоянию материла с эффектом памяти формы, и позволят с легкостью осуществить демонтаж, не разрушая элементы замкового соединения бурильной колоны и не изменяя не их профиль ни профиль их конструктивных частей. Таким образом, возможно многократное использование бурильных замков из материалов с эффектом памяти формы.
Также применение для изготовления ниппеля и муфты материала с эффектом памяти формы позволяет повысить стойкость данных изделий к усталостному разрушению, действию временных перегрузов либо ударных или динамических нагрузок, постоянно возникающих во время эксплуатации, знакопеременным и износоусталостным нагрузкам за счет явления псевдоупругости.
Таким образом, совокупность приведенных конструктивных признаков обеспечивает достижение заявляемого технического результата.
На фиг. 1 изображен ниппель бурильного замка, на фиг 2 изображена муфта бурильного замка, на фиг. 3 изображен бурильный замок в сборе, а на фиг. 4 изображено соединение бурильных труб по средством бурильного замка в бурильную колонну.
Бурильный замок, состоящий из ниппеля 1 и муфты 9. При этом ниппель 1 содержит цилиндрический трубчатый корпус, ограниченный торцевыми поверхностями 2, со стороны одной торцевой поверхности 2, имеющий наружнюю коническую резьбу 3, в конце которой выполнена цилиндрическая переходная ступень 4 с расположенными по окружности впадинами 5, выполненными в виде сферических сегментов, а со стороны другой торцевой поверхности 2, имеющий внутреннюю коническую резьбу 6, между которой и торцевой поверхностью 2 расположена цилиндрическая переходная ступень 7 с расположенными по окружности выступами 8, выполненными в виде сферических сегментов. Муфта 9, содержит цилиндрический трубчатый корпус, ограниченный торцевыми поверхностями 10, со стороны каждой торцевой поверхности 10 муфты 9 нарезана внутренняя коническая резьба 11, между которой и торцевой поверхностью 10 расположена цилиндрическая переходная ступень 12 с расположенными по окружности выступами 13, выполненными в виде сферических сегментов. Ниппель 1 и муфта 9 бурильного замка изготавливают из материала с эффектом памяти формы.
Монтаж бурильной колоны при помощи предлагаемого бурильного замка осуществляют следующим образом: ниппель 1, изготовленный из материала с эффектом памяти формы, охлаждают парами жидкого азота до температуры соответствующей низкотемпературному фазовому состоянию материала (мартенсит). При этом ниппель 1 приобретает геометрические параметры соединительных элементов, позволяющие с легкостью осуществить монтаж ниппеля 1 с бурильной трубой 14, путем его ввинчивания в бурильную трубу 14, после чего их нагревают до температуры соответствующей высокотемпературному фазовому состоянию материала (аустенит), благодаря чему ниппель 1 приобретает геометрические параметры соединительных элементов, обеспечивающие посадку с гарантированным натягом по всей длине конического резьбового соединения ниппеля 1 с бурильной трубой 14, а также самофиксирование за счет сопряжения сегментных сферических выступов ниппеля 1 с сегментными сферическими впадинами бурильной трубы 14. Аналогично осуществляют монтаж муфты 9 с бурильной трубой 14. Для этого муфту 9, изготовленную из материала с эффектом памяти формы, охлаждают парами жидкого азота до температуры соответствующей низкотемпературному фазовому состоянию материала (мартенсит). При этом муфту 9, приобретающую геометрические параметры соединительных элементов, позволяющих с легкостью осуществить монтаж муфты 9 с бурильной трубой 14, ввинчивают в бурильную трубу 14, после чего их нагревают до температуры соответствующей высокотемпературному фазовому состоянию материала (аустенит), благодаря чему муфта 9 приобретает геометрические параметры соединительных элементов, обеспечивающие посадку с гарантированным натягом по всей длине конического резьбового соединения муфты 9 с бурильной трубой 14, а также самофиксирование за счет сопряжения сегментных сферических выступов муфты 9 с сегментными сферическими впадинами бурильной трубы 14. После чего осуществляют охлаждение парами жидкого азота свободных сторон ниппеля 1 и муфты 9 до температуры соответствующей низкотемпературному фазовому состоянию материала (мартенсит). При этом охлаждаемые стороны ниппеля 1 и муфты 9 приобретают геометрические параметры соединительных элементов, позволяющие с легкостью осуществить монтаж ниппеля 1 с муфтой 9, путем ввинчивания ниппеля 1 в муфту 9. После чего их нагревают до температуры соответствующей высокотемпературному фазовому состоянию материала (аустенит), благодаря чему ниппель 1 и муфта 9 приобретают геометрические параметры соединительных элементов, обеспечивающие посадку с гарантированным натягом по всей длине конического резьбового соединения ниппеля 1 с муфты 9, а также самофиксирование за счет сопряжения сегментных сферических выступов муфты 9 с сегментных сферических впадинами бурильной ниппеля 1.
Таким образом, во время эксплуатации бурильной колоны обеспечивается герметичность и надежность соединения за счет гарантированной посадки с натягом по всей длине конического резьбового соединения, а самораскручиванию препятствуют сопряжение по всей поверхности сегментных сферических выступов и впадин цилиндрических переходных ступеней соединяемых изделий.
Демонтаж производят в обратной монтажу последовательности.