РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ БУРИЛЬНЫХ ТРУБ

Заявленная полезная модель (ПМ) относится к области горного дела, а именно к бурильным трубам, в том числе к толстостенным и утяжеленным трубам, забойным механизмам (пакеры, яссы и др.), применяемым при бурении, аварийных работах и капитальном ремонте скважин.
Наиболее слабым элементом большинства типов бурильных труб является их резьбовое соединение (PC), прочность которых на кручение и изгиб в основном слабее тела трубы. Поэтому в промышленности используют конструкцию труб с зарезьбовыми канавками, снижающими концентрацию напряжения в опасных сечениях резьбы, и с резьбовыми концами сбалансированными на изгиб по критерию Wм/Wн, где
Wм - момент сопротивления муфты;
Wн - момент сопротивления ниппеля.
Резьбовое соединение бурильных труб считается сбалансированным на изгиб, если отношение Wм/Wн находится в пределах 2,3-2,7.
Также находят применение резьбы, угол профиля (угол при вершине ниток) которых равен 90 градусов. Резьба с углом профиля 90 градусов при прочих равных условиях передает высокий момент кручения.
С целью увеличения момента кручения замковой резьбы без одновременного увеличения наружного диаметра замка и уменьшения его внутреннего отверстия в практике бурения широко применяют PC со вторым внутренним упором, в котором торец безрезьбового участка за малым основанием резьбового конуса ниппеля дополнительно упирается в специальный уступ в муфте. Известно несколько конструкций PC с двумя упорами (внешним и внутренним), в которых применяются резьбы с конусностью 1:6, 1:8, 1:16, с шагом, равным 6,35-8,47 мм, и углом профиля 60 и 90 градусов. Длина безрезьбового участка ниппеля колеблется от 9,6 до 25,4 мм и выполяется с наружней цилиндрической или конической поверхностью, угол уклона последней принимается постоянным по всей длине. В замках с увеличенным внутренним отверстием толщина стенки упорного пояска уменьшается и, как следствие, снижается осевая сжимающая нагрузка и момент кручения. [Grant Prideko. Drill Pipe data tables. All rights reserved. December, 2003, http://www.oilproduction.net].
Известна конструкция соединения бурильной колонны [патент на полезную модель RU №88729, приор. 11.01.2009 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 профиля - 60 градусов. В патенте №88729 дана кинематическая схема известного соединения бурильных труб с двумя упорами в резьбе. Поясок внутреннего упора и ответная расточка в муфте по всей длине выполнены конической формы с постоянным углом уклона, соответствующим углу уклона резьбы.
Известна конструкция PC с трапецеидальной резьбой, шаг которой 8,47 мм, конусность - 1:9,6, угол профиля - 90 градусов, выполненное с двумя упорами [патент на ПМ RU №134570, приор. 07.05.2013 г., опублик. 20.11.2013 г., Бюл. 32]. Угол уклона конической наружной поверхности упорного пояска соответствует углу уклона поверхности резьбы. Оптимально сбалансированное PC с конусностью 1:9,6 имеет ограниченное применение, поскольку предназначено для замков диаметром 100 и 108 мм, применяемых в скважинах диаметром 120,6-151.0 мм, т.е. в скважинах малого диаметра.
Наиболее близко к заявленной ПМ по совокупности признаков относится PC с двумя упорами со стандартной резьбой 3-94 (NC - 35),шаг которой - 6,35 мм, конусность -1:6 [патент на ПМ RU №114087, приор. 03.08.2014 г., опубл. 10.03.2012, Бюл. №7]. В ПМ №114087 наружный диаметр замка равен максимум 123 мм, внутренний диаметр - минимум 50 мм. Упорный поясок в PC с двумя упорами по всей длине выполнен в виде конуса с углом уклона, соответствующим углу уклона внутренней резьбы муфты. К недостатком этого PC следует отнести низкую стойкость на сжатие упорного пояска. Ввиду ограничения по наружному диаметру, невозможно применять PC при выполнении работ в скважинах диаметром более 165,1 мм.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является увеличение момента кручения резьбового соединения.
Технический результат обеспечивается тем, что в резьбовом соединении бурильных труб, включающем ниппельный и муфтовый концы с трапецеидальной конической резьбой, с внешним и внутренним упорами, согласно полезной модели, внутренний упор ниппельного конца имеет конический и цилиндрический участки, а внутренняя расточка в муфтовом конце имеет торроидальный карман.
Указанный технический результат достигается за счет того, что наружная поверхность внутреннего упора ниппельного конца имеет конический и цилиндрические участки, что позволяет увеличить наружный диаметр и толщину стенки упора, и соответственно площадь поверхности упора. Это в свою очередь пропорционально увеличивает момент кручения резьбового соединения. Торроидальный карман во внутренней расточке муфтового конца обеспечивает более плотное сопряжение плоскости внутреннего упора с увеличенной плоскостью внутреннего упора ниппельного конца за счет дополнительно образованной полости, куда перемещаются твердые частицы шлама и т.п., которые могут находиться на плоскости упора, вместе с увеличенным количеством смазки, что в свою очередь позволяет снизить напряжения на упоре резьбового соединения и повысить крутящий момент.
На фигуре 1 представлено резьбовое соединение.
На фигуре 2 представлено увеличенное изображение внутреннего упора резьбового соединения.
На фигуре 3 представлена таблица «Параметры и характеристики резьбовых соединений БТ (резьба: шаг - 8,47 мм; конусность - 1:9,6; угол профиля - 90 градусов с двумя упорами и конструкцией внутреннего упора согласно заявленной ПМ) - строчки 1; 2; 3; 4; 5 и резьба с одним внешним упором - строчка 6».
На фигуре 4 представлена таблица «Параметры и характеристика резьбовых соединений БТ (резьба по ГОСТ Р 50864-96 с двумя упорами и конструкцией внутреннего упора согласно заявленной ПМ) - строчки 1; 2; 3; 4 и резьба по ГОСТ Р 50864-96 с одним упором - строчка -5».
Конструкция резьбового соединения представлена на чертеже фиг. 1.
На фиг. 1 изображено резьбовое соединение, состоящее из ниппельного конца 1 соединения, муфтового конца 2 соединения, конической трапецеидальной резьбы 3, внутреннего 4 и внешнего 5 упоров, указанные обозначения: lр - длина резьбы, lon -расстояние от плоскости внешнего упора до основной плоскости с, D - наружный диаметр PC, d - внутренний диаметр PC.
На фиг. 1 изображено резьбовое соединение, свинченное до соприкосновения плоскостей внешнего 5 и внутреннего 4 упоров.
Конструкция внутреннего упора резьбового соединения представлена на фиг. 2.
На фиг. 2 изображено увеличенное изображение внутреннего упора резьбового соединения, состоящего из внутреннего упора ниппельного конца 6, внутреннего упора муфтового конца 7, цилиндрической расточки 8, тороидального кармана 9 с радиусом  конического 10 длиной а и цилиндрического 11 участка внутреннего упора ниппельного конца, угол внутреннего ниппельного упора 12 с радиусом притупления  указанные обозначения: dpn - наружный диаметр внутреннего упора ниппельного конца в плоскости торца, lр - длина трапецеидальной конической резьбы, ф - угол уклона резьбы и конического участка внутреннего упора ниппельного конца.
На фиг. 2 изображена конструкция внутреннего упора резьбового соединения: наружная поверхность ниппельного конца 6 имеет конический участок 10 длиной а с углом уклона ф и цилиндрический участок 11, позволяющие увеличить наружный диаметр dpn и соответственно площадь поверхности внутреннего упора ниппельного конца 6, что повышает момент кручения резьбового соединения.
Тороидальный кольцевой карман 9 образует дополнительную полость с радиусом  во внутреннем упоре муфтового конца 7 обеспечивает более плотное соединение с увеличенной плоскостью поверхности внутреннего упора ниппельного конца 6. Твердые частицы шлама и т.п., которые могут находиться на плоскости упорного уступа муфтового конца 7 при докреплении резьбового соединения вместе со смазкой могут перемещаться в тороидальный карман 9 и внутреннее отверстие соединения d, что снижает возможность повреждения плоскостей ниппельного конца 6 и муфтового конца 7 внутреннего упора, что снижает напряжения и повышает момент кручения резьбового соединения.
На фиг. 3 в таблице факультативно даны примеры основных конструктивных параметров и характеристика PC Z2-99; Z2-105; Z2-119; Z2-130; Z2-83 с двумя упорами и конструкцией внутреннего упора согласно заявленной ПМ - строчки 1-5, и PC З-130 с одним упором - строчки 6.
На фиг. 4 в таблице факультативно даны примеры основных конструктивных параметров и характеристика PC Z2-102; Z2-108; Z2-122; Z2-133 с резьбой по ГОСТ Р 50864-96 с двумя упорами и конструкцией внутреннего упора согласно заявленной ПМ -строчки 1-4, и для сравнения значений момента кручения в строчку 5 внесены данные PC с резьбой З-133 по ГОСТ Р 50864-96 с одним внешним упором. Растягивающие нагрузки Qpc и момент кручения Мкр.рс в таблицах на фигурах 3 и 4 даны для PC из стали, предел текучести бт которой равен 758 Н/мм2.
Как видно из приведенных значений в таблицах, момент кручения, например, PC с двухупорной резьбой Z2-130 с конструкцией внутреннего упора согласно заявленной ПМ в 1,54 раза (108,8/70,4=1,54) превышает момент кручения одноупорного PC со стандартной резьбой З-130. Момент кручения двухупорного PC с резьбой стандартного профиля Z2-133 с конструкцией внутреннего упора согласно заявленной ПМ превышает момент кручения одноупорного PC со стандартной резьбой З-133 в 1,4 раза (89,2/63,7=1,4).
Таким образом, применение конструктивных элементов в виде конического и цилиндрического участков внутреннего упора ниппельного конца, внутренней зарезьбовой расточки муфтового конца в виде торроидального кармана, при прочих равных условиях, позволяют успешнее строить горизонтальные и сильно искривленные стволы скважин с большим удалением от основного вертикального ствола за счет увеличения крутящего момента резьбового соединения.
По способу изготовления заявленные в ПМ резьбовые соединения не отличаются от способа изготовления стандартных PC, поэтому не требуется использование специальных технологий и оснастки.
Таким образом, ПМ позволяет увеличить момент кручения резьбового соединения бурильных труб.