БУРИЛЬНАЯ ТРУБА ДИАМЕТРОМ 89 ММ (ВАРИАНТЫ)

Заявленная полезная модель относится к области горного дела, а именно к бурильным трубам (БТ), предназначенным в основном для бурения, аварийных работ и капитального ремонта в скважинах, обсаженных трубами размером 146-178 мм.
В связи со строительством горизонтальных и сильно искривленных скважин к бурильным трубам предъявляются дополнительные требования, обусловленные необходимостью перемещения (прохождения) внутри них геофизических приборов определенного диаметра и способностью труб передавать осевые сжимающие нагрузки на забой. В скважинах малого диаметра вместо традиционных бурильных труб размером 73×9 мм с резьбой 3-86 (NC31), с приваренными замками ЗП-105-51 (ГОСТ Р 50278-92, таблица 2), буровые подрядчики применяют более жесткие трубы размером 89×8 мм с приваренными замками ЗП-105-53, резьба 3-86 (ТУ 14-161-137-94). Но момент кручения замковых соединений ЗП-105-53 с резьбой 3-86 не соответствует моменту кручения тела высокопрочных труб размером 89×8 мм. Известны более прочные бурильные трубы с внутренней высадкой концов ПВ 89×9,4 мм с замками ЗП-108-44 (ГОСТ Р 50278-92, таблица 1), резьба 3-86 которых по моменту кручения соответствует только трубам группы прочности Е, при этом внутреннее отверстие в замке, равное 44 мм, не позволяет спускать в нижнюю часть бурильной колонны существующие приборы контроля направления ствола скважины.
Применение бурильных труб с внутренней высадкой концов сопровождается уменьшением наружного диаметра замков и их внутреннего отверстия, что приводит к увеличению местных гидравлических сопротивлений в замках и к увеличению толщины стенки высадки трубы. Известна конструкция замков, в которых для снижения местных гидравлических сопротивлений в отверстии ниппеля на выходе из него жидкости выполнен диффузор, а отверстие муфты замка в пределах прочности сварного шва увеличено по сравнению с отверстием ниппеля (Журнал «Нефтяное хозяйство», №11, 1988, с.13-14).
а
Из ГОСТ Р 50278-92 также известны бурильные трубы с наружной высадкой концов ПН 89-9,4 группы прочности М с резьбой 3-102 (NC38), момент кручения замка ЗП-127-62 которых, равный 30 кН·м, соответствует требованиям бурения горизонтальных скважин малого диаметра. Но бурильные трубы с замками ЗП-127-62 в открытом стволе обсадных колонн диаметром 168 мм вызывают повышенные потери давления в кольцевом пространстве, что может приводить к осложнениям в стволе скважины.
С целью увеличения момента кручения замковых соединений без увеличения размера резьбы и наружного диаметра замка 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; 1/9,6; 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 (Grant Prideco. All rights resered. December. 2003, www.oilproduchion.net).
Наиболее близко к заявленной полезной модели труб с одним упором в замковом соединении по совокупности признаков относятся бурильные трубы ПН 89×9,4 мм с резьбой 3-102, приварной замок ЗП-121-68 (ГОСТ Р 50278-92, таблица 1). Недостаток этих известных труб состоит в том, что по прочности на кручение замок ЗП-121-68 с резьбой 3-102 соответствует только трубам размером 89×9,4 мм группы прочности (марки) Е.
Наиболее близко к заявленной модели труб с двумя упорами в замковом соединении по совокупности признаков относятся бурильные трубы размером 89×9,4 мм с резьбой DS38 (кинематические параметры профиля резьбы DS38 соответствует резьбе 3-102) и замками ЗП-121-65, которые могут передавать момент кручения, равный 31,7 кН·м. Недостатком этого соединения является то, что оно не сбалансировано по прочности на изгиб ниппеля и муфты; муфта замка является слабым звеном в конструкции. Отношение момента сопротивления муфты к моменту сопротивления ниппеля равно 2,1. Замковое соединение считается хорошо, сбалансированным на изгиб, если отношение  находятся в пределах
M
где W - момент сопротивления муфты;
H
W - момент сопротивления ниппеля.
Как замок ЗП-121-68 с резьбой 3-102, так и замок ЗП-121-65 с резьбой DS38 имеют низкий ресурс на износ их наружной поверхности в искривленных скважинах: толщина стенки муфты в первой упорной плоскости равна 8,5 мм с учетом фаски. Например, для оптимально сбалансированного замка ЗП-127-62 с резьбой 3-102 толщина стенки муфты в вышеуказанном сечении равна 11,7 мм.
Полезной моделью решается задача создания долговечной конструктивно простой бурильной трубы диаметром 89 мм, обладающее повышенной усталостной прочностью и резьбовым соединением, наружный диаметр которого не более 123 мм, а внутреннее отверстие не менее 50 мм, способным передавать момент кручения более 28 кН·м.
Указанная задача решается за счет того, что в бурильной трубе по первому варианту, фиг.1, включающей тело трубы с высаженными концами и приваренными к ним ниппелем и муфтой замка, на которых выполнена резьба 3-94 (ГОСТ Р 50864-96, таблица 3; по стандарту API Spec. 7, таблица 25 - это резьба NC35) с одним наружным упором, 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.
Указанная задача решается за счет того, что в бурильной трубе по второму варианту, фиг.2, включающей тело трубы с высаженными концами и приваренными к ним ниппелем и муфтой замка, на которых выполнена резьба 3-94 с одним наружным упором, при этом наружный диаметр ниппеля и муфты по всей длине имеет одинаковое значение, равное максимум 123 мм*, а внутреннее отверстие муфтового конца на всей длине и внутреннее отверстие ниппельного конца в интервале высадки, сварки и хвостовика имеют увеличенный размер, по сравнению с внутренним отверстием ниппеля в интервале резьбы, размер которого минимум 50 мм. В зависимости от соотношения толщин стенок тела бурильной трубы и ее высадки ниппельный конец трубы по второму варианту может быть выполнен без увеличения его внутреннего отверстия в интервале высадки, сварки и хвостовика по сравнению с внутренним отверстием в интервале резьбы, размер которого минимум 50 мм. Переход от уменьшенного внутреннего отверстия ниппеля к увеличенному внутреннему отверстию муфты выполнен в виде диффузора.
Указанная задача решается за счет того, что в бурильной трубе по третьему варианту, фиг.3, включающей тело трубы с высаженными концами и приваренными к ним ниппелем и муфтой замка, на которых нарезана резьба 3-94 с двумя упорами - наружный и внутренний, 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.
Указанная задача решается за счет того, что в бурильной трубе по четвертому варианту, фиг.4, включающей тело трубы с высаженными концами и приваренными к ним ниппелем и муфтой замка, на которых нарезана резьба 3-94 с двумя упорами - наружный и внутренний, при этом наружный диаметр ниппеля и муфты имеет одинаковое значение по всей длине, равное максимум 123 мм, размер внутреннего отверстия ниппеля и муфты в интервале, примыкающем к плоскости второго упора, равен минимум 50 мм, а размер внутреннего отверстия ниппеля и муфты в интервале, примыкающем к сварному шву (хвостовик замка и высадка трубы) увеличен с целью оптимизации толщины стенки сварки. Переход от уменьшенного внутреннего отверстия муфты, примыкающего ко второй упорной плоскости, к увеличенному отверстию, примыкающему к ее сварному шву, выполнен в виде диффузора.
Конструкция бурильной трубы представлена на чертежах:
фиг.1 - общий вид бурильной трубы по первому варианту;
фиг.2 - общий вид бурильной трубы по второму варианту;
фиг.3 - общий вид бурильной трубы по третьему варианту;
фиг.4 - общий вид бурильной трубы по четвертому варианту;
фиг.5 - резьба муфты замка и зарезьбовая расточка по первому и второму вариантам;
фиг.6 - резьба ниппеля и муфты замка с дополнительным внутренним упором по третьему и четвертому вариантам;
фиг.7 - ниппель и муфта бурильной трубы в собранном виде по четвертому варианту.
Бурильная труба по первому варианту (фиг.1) включает тело трубы 1 с высаженными концами 2, приваренные ниппель 4 и муфту 5 замка со своими хвостовиками 3 под приварку к высаженным концам 2 трубы 1, со своей замковой резьбой 3-94 (6) и наружными упорными поверхностями 7. В муфте 5 выполнена зарезьбовая расточка 8 под одним углом (р с внутренней поверхностью резьбы 6. Длина расточки 8 не менее 54 мм, при этом расточка 8 сопряжена с внутренним отверстием муфты dM посредством второй конической расточки 9 под углом Р не более 15° (фиг.5). Принятая конструкция зарезьбовой расточки в муфте позволяет снизить концентрацию напряжений на участке перехода от внутренней резьбы 6 к внутреннему отверстию dM муфты 5. Увеличенная длина зарезьбовой расточки позволит ввинчивать в резьбу 6 муфты 5 резьбу ниппеля очередной бурильной трубы, имеющей второй внутренний упор с пояском в торце любой известной длины.
Для регионов с легкими условиями бурения, где не предусматривается применение бурильных труб с двумя упорами, допускается изготовление муфты 5 со стандартной зарезьбовой расточкой (стандарт API Spec. 7, рисунок 20, таблица 25), т.е. длина зарезьбовой расточки 8 равна минимум 12,7 мм, угол β=30°.
Бурильная труба по второму варианту (фиг.2) отличается от бурильной трубы по первому варианту тем, что диаметр (с1н) внутреннего отверстия в ниппеле в интервале резьбы 6 (на выходе жидкости) меньше внутреннего отверстия dM в муфтовом конце трубы и внутреннего отверстия в ниппеле d'H, примыкающего к высадке 2 трубы 1. Данное решение позволяет для определенных конструкций труб оптимизировать (снизить) толщину стенки высадки. Например, при очень высокой толщине стенки высадки трудно обеспечить плавный переход от ее внутренней поверхности к внутренней поверхности трубы. Наличие диффузора 10 на выходе жидкости из ниппеля и небольшая длина суженного внутреннего отверстия dH в ниппеле позволяют снизить местные гидравлические потери давления в замках в 2 раза (Ж. Нефтяное хозяйство, №11, 1988, с.13-14).
Бурильная труба по третьему варианту (фиг.3) отличается от бурильной трубы по первому варианту тем, что в резьбовом соединении 3-94 дополнительно применен внутренний упор 11 (фиг.6). Толщина стенки §п упорного пояска 12 в плоскости торца не менее 7 мм, радиус закругления цилиндрической расточки dp в муфте и плоскости упорного уступа 11 не менее 2,3 мм. Указанные конструктивные особенности позволяют повысить устойчивость упорного пояска 12 при осевой сжимающей нагрузке, снизить концентрацию напряжения по линии пересечения цилиндрической расточки dp и упорной плоскости 11 в муфте.
Бурильная труба по четвертому варианту (фиг.4) отличается от бурильной трубы по третьему варианту тем, что диаметр внутреннего отверстия ниппельного и муфтового концов в интервале хвостовика 3 замка, сварки 13 и высадки 2 трубы 1 увеличен с целью уменьшения толщины стенки сварного шва 13 и, как следствие, оптимизации профиля внутренней поверхности высадки, при этом основное отверстие с1 м в муфте сопряжено с ее увеличенным отверстием d'M конической поверхностью - диффузором 14.
Ниппель и муфта замка бурильной трубы по четвертому варианту в собранном виде показаны на фиг.7. Поток промывочной жидкости, перемещаясь по стрелке АБ плавно сжимается в высадке ниппельного конца трубы и в ниппеле 4, проходит гладкий канал с постоянным диаметром dн и dм и плавно расширяется в диффузоре 14 и в высаженной части 2 муфтового конца трубы. Таким образом, внутреннее очертание замкового соединения бурильной трубы по четвертому варианту сопоставимо с соплом Вентри, в котором потери давления минимальные.
H
M
H
В таблице 1 факультативно дан пример конструктивных параметров бурильной трубы диаметром 89 мм с резьбой 3-94 по вариантам выполнения согласно фиг.1, 2, 3 и 4. Отношение момента сопротивления муфты wm к моменту сопротивления ниппеля W равно 2,42 для всех вариантов примера, поскольку типоразмер резьбы, внутренний диаметр с1н ниппеля и наружный диаметр Dз замка остаются постоянными. Бурильная труба с замковой резьбой 3-94 всех вариантов исполнения оптимально сбалансирована по прочности на изгиб ниппеля и муфты, т.к. отношение W к W находится в пределах 2,3 - 2,7.
Толщина стенки dм муфты (фиг.6) замка ЗП-119-51 в плоскости первого упора на 2,5 мм больше толщины стенки муфты замка прототипа, что позволит существенно увеличить ресурс работы на износ по наружной поверхности.
Прочностная характеристика бурильной трубы с замком ЗП-119-51 с одним и двумя упорами приведена в таблице 2. Как видно из таблицы 2, бурильные трубы размером 89×8 и 89×9,35 мм групп прочности (марок) Л и М по прочности на кручение оптимально сбалансированы с замками ЗП-119-51 как с двумя упорами, так и с одним упором, поскольку отношение момента кручения замка к моменту кручения трубы во всех случаях соответствует критерию
где Мкр.зам - момент кручения замка;
Мкр.т - момент кручения трубы.
На фиг.6ив таблице 3 факультативно даны основные размеры второго упора. Рабочая осевая сжимающая нагрузка для уплотнительного пояска ниппеля замка ЗП-119-51 с резьбой 3-94 составляет не менее 1300 кН.
По сравнению с прототипом бурильные трубы с замками ЗП-119-51, резьба 3-94, всех вариантов выполнения позволяют снизить потери давления в кольцевом пространстве скважины, а трубы второго и четвертого вариантов позволяют снизить и суммарные потери давления на промывку.
Наружный и внутренний диаметры замка с резьбой 3-94 могут варьировать в пределах приемлемых значений параметров  и допустимой толщины стенки 5п упорного пояска. Толщина стенки δп и длина lп упорного пояска должны быть такими, чтобы обеспечивать его устойчивость при сжатии.
Например, в легких условиях бурения для труб БВ-89×8 мм групп прочности Л и М вполне применимы замки со следующими размерами:
Dз=116 мм; dн=54 мм. Момент кручения резьбы 3-94 с одним упором в этом случае равен 25,7 кН·м, с двумя упорами - 33,4 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, заявителем 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, прочности на изгиб и на сжатие, а также высокой износостойкостью замкового соединения, позволяет в сборе повысить эксплуатационную надежность бурильной трубы и увеличить срок ее работы в скважине.