БУРИЛЬНАЯ ТРУБА ДЛЯ СКВАЖИН МАЛОГО ДИАМЕТРА

Полезная модель относится к области горного дела, а именно к бурильным трубам (БТ), толстостенным и утяжеленным бурильным трубам (ТБТ и УБТ), предназначенным для передачи на долото осевой и крутящей нагрузки, подачи на забой промывочной жидкости. При строительстве горизонтальных и сильно искривленных скважин в бурильных трубах должны перемещаться существующие геофизические приборы для контроля траектории скважины. В этой связи диаметр внутреннего отверстия в резьбовых замковых соединениях должен быть не менее 50 мм.
Наиболее слабым элементом большинства типов БТ; ТБТ и УБТ является их резьбовые соединения, прочность которых на кручение и изгиб слабее тела трубы. Поэтому в промышленности используют конструкции труб с зарезьбовыми разгрузочными канавками, снижающие концентрацию напряжения в опасных сечениях резьбы и с резьбовыми концами сбалансированными по критерию ,
где Wм - момент сопротивления муфты;
Wн - момент сопротивления ниппеля.
Резьбовые соединения БТ; ТБТ и УБТ считается сбалансированным на изгиб, если отношение  находится в пределах 2,3-2,7.
С целью увеличения момента кручения замковой резьбы без одновременного увеличения наружного диаметра замка и уменьшения его внутреннего отверстия в практике бурения стали применять замки со вторым упором торца малого основания резьбового конуса ниппеля в специальный уступ в муфте. Известно значительное количество модификаций замковых соединений с двумя упорами, в которых применяются замковые резьбы с конусностью 1/6; 1/8; 1/16, с шагом от 6,35 до 8,47 мм и углом при вершине ниток резьбы 60° и 90°. Длина упорного пояска ниппеля известных замковых соединений с двумя упорами колеблется от 9,6 до 25,4 мм. Например, в бурильных трубах размером 89×9,4 мм с двухупорной резьбой DS38 (кинематические параметры профиля резьбы DS38 соответствуют резьбе 3-102 по ГОСТ Ρ 50864-96) и замками ЗП-123,8-65 длина упорного пояска равна 10,2 мм, толщина его стенки - 5,2 мм. Момент кручения двухупорной замковой резьбы DS38 равен 34,8 кН·м. Из-за увеличенного наружного диаметра замка ЗП-123,8-65 эти трубы не представляется возможным применять в обсадных колоннах размером 140 и 146 мм. [Grant Prideco. Drill pipe data tabls. All rights reseped. December. 2003, http://www.oilproduction.net1].
Известна конструкция соединения бурильной колонны [патент РФ №88729, МПК E21B 31/00, опубл. 10.01.2010. Бюл. №1], включающая конусную резьбу, снабженную внутренним и наружным упорами, причем внутренний упор выполнен по меньшей мере 10 мм. В соединении бурильной колонны с двумя упорами использована широко распространенная стандартная резьба, конусность которой 1/6, шаг - 6,35 мм, угол при вершине нитки 60°. В патенте №88729 дана кинематическая схема известного соединения бурильной колонны с двумя упорами в резьбе, но не указаны конструктивные параметры в поперечных сечениях, позволяющие достигнуть заданный результат.
Известна конструкция бурильных труб малого диаметра с высокомоментными резьбами З-81У и З-83, конусность которых 1:9,6, шаг -8,47 мм, и угол при вершине нитки 90°, высота нитки - 2,29 мм [патент РФ №75866, МПК Е21В 17/00, опубл. 27.08.2008]. В муфтовом конце этих труб выполнена специальная зарезьбовая расточка, повышающая усталостную прочность соединения. Поскольку оптимально сбалансированные резьбовые соединения З-81У и З-83 выполнены только с одним внешним упором, то момент их кручения недостаточен при строительстве горизонтальных скважин с большими отходами от вертикального ствола. За счет небольшой конусности резьб З-81У и З-83 (угол уклона 2°59') толщина стенки ниппеля у малого основания резьбового конуса получается увеличенной по сравнению с толщиной стенки ниппеля близкой по размеру стандартной резьбы, конусность которой 1/4 или 1/6. Это позволяет на базе резьб З-81У и З-83 сконструировать более надежный упорный поясок, контактирующий с внутренним уступом в муфте.
Наиболее близко к заявленной полезной модели бурильной трубы по совокупности признаков относится труба, на муфтовом и ниппельном концах которой нарезана резьба 3-94 (ГОСТ Ρ 50864-96) с двумя упорами -наружным и внутренним, при этом наружный и внутренний диаметры ниппельного и муфтового концов трубы по всей длине имеют одинаковые значения, равные максимум 123 мм и минимум 50 мм соответственно [патент на полезную модель RU №114087, вариант 3, приор. 03.08.2011, опубл. 10.03.2012. Бюл. №7]. Факультативно длина упорного пояска равна 9,8 мм, толщина его стенки - 9,9 мм, радиус закругления уступа в муфте - 2,5 мм. Резьбовые концы этих труб оптимально сбалансированы между собой по прочности на изгиб, т.к. отношение момента сопротивления муфтовой части (Wм) к моменту сопротивления ниппельной части (Wн) находится в пределах 2,3-2,7. Момент кручения двухупорной замковой резьбы 3-94 равен 36,9 кН·м. К недостаткам данной конструкции бурильных труб с двухупорной резьбой З-94 следует отнести невозможность применения их в широко - распространенных обсадных колоннах диаметром 140 и 146 мм, ввиду увеличенного наружного диаметра замков.
Полезной моделью решается задача создания долговечной, конструктивно простой и удобной в работе бурильной трубы с высокомоментной замковой резьбой, (шаг - 8,467 мм, конусность 1:9,6, угол при вершине нитки - 90°), позволяющей выполнять технологические операции в скважинах, обсаженных трубами диаметром 140 и 146 мм.
Указанный технический результат достигается за счет того что оптимально сбалансированное по прочности на изгиб резьбовое соединение выполняется с двумя упорами - внешним и внутренним. Наружный диаметр центральной части бурильной трубы (тело трубы) может быть существенно меньше наружного диаметра резьбовых концов, а внутренний диаметр центральной части тела трубы может быть больше диаметра отверстий в ниппеле и муфте.
Бурильная труба также может быть выполнена толстостенной, т.е. центральная ее часть несколько меньше диаметра резьбовых концов, или утяжеленной, у которой наружный диаметр центральной части равен наружному диаметру резьбовых концов, при этом размер внутреннего отверстия толстостенной (ТБТ) и утяжеленной (УБТ) бурильной трубы остается практически постоянным по всей длине.
Наружная поверхность центральной части толстостенной (ТБТ) или утяжеленной (УБТ) бурильной трубы может быть гладкой, с локальными утолщениями или спиральной. Ниппельные и муфтовые резьбовые концы бурильных, толстостенных и утяжеленных труб могут свинчиваться без переводников с соответствующими резьбовыми концами известных БТ; ТБТ и УБТ, выпускаемых в соответствии с патентами РФ №90867 «Замок для бурильных труб (варианты)», №75866 «Бурильная труба (варианты)».
Конструкция бурильной трубы, толстостенной и утяжеленной бурильной трубы представлена на чертежах:
фиг.1 - общий вид бурильной трубы (а), толстостенной (б) и утяжеленной (в) бурильной трубы;
фиг.2 - ниппельный и муфтовый концы бурильной трубы в собранном
виде;
фиг.3 - сборка ниппельного конца заявленной бурильной трубы с муфтовым концом выпускаемых промышленностью труб;
фиг.4 - сборка муфтового конца заявленной бурильной трубы с ниппельным концом выпускаемых промышленностью труб.
Бурильная труба (фиг.1, а, б, и в) состоит из центральной части 1, муфтового конца 2 со своей конической высокомоментной резьбой 4 и ниппельного конца 3 с ответной конической резьбой 4 и с упорным пояском 7. Коническая трапецеидальная резьба с углом при вершине нитки, равном 90°, и конусностью 1:9,6 менее склонна к усталостному трещинообразованию.
На фиг.2 показаны муфтовый 2 и ниппельный 3 концы бурильной трубы в собранном виде. За счет плотного прижатия внешних упорных поверхностей 5 обеспечивается герметичность соединения. Внутренний упор 6 является стопором осевому перемещению ниппельного резьбового конца. За счет внутреннего упора 6 на 30-40% увеличивается момент кручения, создаваемый резьбой 4 муфты и ниппеля, а также внешними упорными поверхностями 5 при их взаимном контакте с натягом. Контактирующие поверхности 6 внутреннего упора плавно закруглены по радиусам rм и rн. Длина lп и толщина стенки δπ конического упорного пояска 7 при заданных полезной моделью конструктивных параметрах резьбового соединения обеспечивают его устойчивость при всех возможных осевых нагрузках сжатия.
Ниппельный 3 и муфтовый 2 концы заявленной бурильной трубы (фиг.3 и фиг.4) свободно свинчиваются без переводников с соответствующими муфтовым 8 и ниппельным 9 концами известных БТ, ТБТ и УБТ, резьба которых имеет следующие параметры: шаг - 8,467 мм; конусность 1:9,6; угол при вершине нитки - 90°.
В таблице 1 и на фиг.1а, 1в и фиг.2 факультативно дан пример основных конструктивных параметров БТ и УБТ с трапецеидальной конической резьбой с двумя упорами.
Момент кручения резьбового соединения БТ-73×9,19, диаметр концов которой D=101,6 мм и d=50,8 мм, равен 25,5 кН·м. Момент кручения резьбового соединения УБТ-108×28,6, диаметр концов которой D=108 мм и d=50,8 мм равен 30,5 кН·м.
По способу изготовления заявленная бурильная труба не отличается от способа изготовления стандартных труб.
Анализом уровня техники по патентным и научно-техническим источникам, содержащих сведения об аналогах, авторами не выявлена конструкция бурильной трубы тождественная всем существенным признакам заявленной полезной модели.
Таким образом, предлагаемая полезная модель по совокупности своих существенных признаков, характеризующихся оптимальной сбалансированностью по прочности на кручение и на изгиб, повышенной усталостной прочностью, позволяет в сборе обеспечить заданные момент кручения бурильных труб, осевые и сжимающие нагрузки, необходимые при строительстве сильно искривленных и горизонтальных скважин малого диаметра, при этом сборка заявленных двухупорных бурильных труб с другими трубами, имеющими аналогичную резьбу с одним внешним упором, осуществляется без переводников.
Таблица 1
Основные параметры бурильной и утяжеленной бурильной трубы с двумя упорами в резьбе
Типоразмер бурильной трубы
Средний диаметр резьбы в основной  плоскости
Диаметр
Толщина стенки
Радиус закругления
резьбового конца, D
тела трубы, Dт
упорного пояска, dп
отверстия муфты и ниппеля, d
тела трубы, δ
упорного пояска, δπ
rм
rн
Отношения <img file="00000004.tif" he="13" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" />
БТ-73×9,19
77,4
101,6
73
63,9
50,8
9,19
6,5
2,5
1,0
2,43
УБТ-108×28,6
80,2
108,0
108
66,2
50,8
28,6
7,7
3,0
1,2
2,58