Двухупорная резьба бурильной трубы что это
Двухупорное резьбовое соединение буровых труб
Владельцы патента RU 2616950:
Изобретение относится к буровым трубам, т.е. к обсадным, бурильным и насосно-компрессорным трубам, применяемым в геологоразведочном и глубоком бурении.
В последнее время оно нашло применение в отечественных бурильных трубах с приваренными замками для глубокого бурения на нефть и газ, хотя и не стандартизовано.
Такое соединение позволяет повысить герметичность обсадных, насосно-компрессорных и бурильных колонн, а также крутящий момент последних в процессе бурения скважины.
Однако опыт применения бурильных труб с таким соединением, например, в составе комплексов со съемным керноприемником показал нестабильность его по показателю безотказности, выражавшееся в том, что обрывы бурильной колонны по резьбовым соединениям плохо коррелировались с их наработкой в скважине.
Это подтвердилось и результатами стендовых испытаний на знакопеременный изгиб образцов бурильных труб диаметром 55 мм с толщиной стенки 4,8 мм и трапецеидальной резьбой конусностью 1:32 комплекса ССК-59 (ГОСТ 26250). Циклическая долговечность при одном и том же изгибающем моменте (750 нм) и базе испытаний 5⋅10 6 циклов нагружения отличалась на несколько порядков [1].
Нестабильность циклической долговечности такого соединения объясняется несоответствием зазора во внутреннем упорном стыке соотношению сил, необходимых для создания заданных напряжений во внутреннем упорном стыке и в опасном сечении ниппеля.
Согласно ГОСТ 26250 расстояние между упорными торцами и уступами наружной резьбы (условно ниппель) и внутренней резьбы (условно муфта) для трех диаметров трубы 43; 55 и 70 мм установлено одинаковым и равным 41±0,05 мм.
Такой широкий диапазон зазора во внутреннем стыке не обеспечивает после затяжки резьбы требуемые нагрузки и напряжения, соответствующие площадям опасного сечения ниппеля и внутреннего упорного стыка.
Последний же случай, когда после затяжки соединения зазор может оказаться не во внутреннем, а в наружном стыке, приведет к незамедлительному обрыву бурильной колонны.
Как видим, диапазон разброса значений зазора во внутреннем стыке согласуется с разницей по циклической долговечности испытанных образцов.
Известно двухупорное резьбовое соединение [2], отличающееся тем, что между упорным уступом муфты и упорным торцом ниппеля установлена прорезная пружина, благодаря чему, после затяжки соединения, обеспечивается строго заданная осевая нагрузка на наружный стык, как разница между задаваемой общей силой затяжки резьбового соединения и силой, создаваемой пружиной на внутренний упорный стык. Однако недостатком такого соединения является то, что в тонкостенных трубах, к каковым относится труба по ГОСТ 26250, установить прорезную пружину с заданными геометрическими параметрами, из-за ограниченного пространства, практически невозможно.
Задача изобретения заключается в том, чтобы, для обеспечения прочности и герметичности двухупорного резьбового соединения буровых труб, зазор во внутреннем упорном стыке соединения обеспечивал после затяжки заданные нагрузки и соответствующие им напряжения в опасном сечении ниппеля и во внутреннем упорном стыке.
Для решения этой задачи в двухупорном резьбовом соединении буровых труб, включающем наружный и внутренний упорные стыки, в зависимости от его параметров и соотношения сил, необходимых для создания заданных напряжений в опасном сечении ниппеля и во внутреннем упорном стыке, зазор в последнем, при свинченном, но незатянутом соединении, определяется следующей зависимостью:
Заявляемое изобретение позволяет решить поставленную задачу.
Действительно, рассмотрим сначала нагрузки и деформации, имеющие место в обычном резьбовом соединении с одним наружным упорным стыком. Затяжка такого соединения предназначается для выполнения двух условий:
1. Создание оптимального напряжения растяжения ниппеля для обеспечения максимального предела выносливости соединения данной конструкции; это напряжение определяется следующей зависимостью
2. Создание герметичности соединения в наружном стыке; расчеты и практический опыт показали, что с учетом максимальных растягивающих и изгибающих нагрузок в процессе эксплуатации это условие выполняется, если обеспечивается первое условие, т.е. осевая сила затяжки, создающая напряжение согласно выражению (2), достаточна, чтобы обеспечить одновременно необходимую герметичность соединения [4].
При выполнении этих двух условий ниппель обычного соединения, не имея при затяжке препятствий со стороны своего торца, растягивается на величину Δlн, а муфта сжимается на величину Δlм.
Причем здесь все три условия должны быть выполнены одновременно в процессе одной операции затяжки. Поскольку выполнение первого условия обеспечивает одновременно и второе, то в конечном итоге задача заключается в том, чтобы одновременно выполнить первое и третье условия.
Для их выполнения необходимо установить образуемый при свинчивании от руки зазор во внутреннем упорном стыке с учетом действующих при затяжке сил и возникающих при ней деформаций ниппеля и муфты.
Если силы, необходимые для создания рассмотренных напряжений в сечении внутреннего упорного стыка Qвус и в опасном сечении ниппеля Qосн, равны, то создание нагрузки в этих сечениях должно осуществляться одновременно.
Поэтому с момента начала затяжки внутренний упорный стык при замкнутом, но незатянутом наружном упорном стыке, тоже должен быть замкнут, т.е. зазор во внутреннем упорном стыке должен быть равен нулю (δ=0). Но при замкнутом наружном упорном стыке перемещение торца ниппеля в результате растяжения его резьбового участка ограничено, и при этом муфта сжимается на величину Δlм. Поэтому, чтобы обеспечить полную деформацию ниппеля, во внутреннем упорном стыке в этом случае необходим зазор, равный этой величине деформации, т.е. при Qвyc=Qосн
Однако, в зависимости от параметров резьбового соединения, чаще всего представленного конической резьбой, потребная для создания заданного напряжения сила в опасном сечении ниппеля больше силы, необходимой для создания заданного напряжения во внутреннем упорном стыке. Поэтому в таком соединении действие силы в опасном сечении ниппеля должно опережать действие силы во внутреннем упорном стыке на величину, соответствующую отношению этих сил, которое учитывается коэффициентом
С учетом этого коэффициента величина зазора во внутреннем упорном стыке в общем виде может быть представлена следующим выражением:
или 
В выражении (6) первый член представляет собой часть зазора во внутреннем упорном стыке, соответствующую части удлинения ниппеля, определяемой соотношением сил, действующих во внутреннем упорном стыке и в опасном сечении ниппеля.
Пример реализации предлагаемого изобретения
В качестве примера примем три характерных типа резьбовых соединений буровых труб для расчета зазора δ во внутреннем упорном стыке их согласно выражению (5). Порядок расчета приведем на примере резьбового соединения бурильной трубы диаметром 70 мм для снарядов со съемными керноприемниками (ГОСТ 26250).
1. Сила Qосн, необходимая для создания напряжения в опасном сечении ниппеля
2. Сила, необходимая для создания напряжения во внутреннем упорном стыке
3. Удлинение ниппеля при затяжке соединения
4. Укорочение муфты при затяжке соединения
5. Согласно выражению (6) зазор во внутреннем упорном стыке при сомкнутом, но незатянутом соединении данной бурильной трубы, составляет:
Аналогичные расчеты выполнены для двухупорного резьбового соединения геологоразведочной обсадной трубы диаметром 219 мм (стандарт DSDMA) и замка ЗП-162-95-2 (ГОСТ 27834) нефтяной бурильной трубы ПК 127×9 (ГОСТ Р 50278). В последнем случае в серийную конструкцию замка введен внутренний упорный стык.
Результаты расчетов приведены в табл. 1
Согласно расчетам величина зазора 8 возрастает по мере увеличения толщины стенки резьбового соединения (п. 10, табл. 1); максимальные расчетные отклонения от номинального значения для представленных соединений соответственно составляют 14, 12 и 4% (см. п. 12).
Эти отклонения не приводят к существенным изменениям напряженного состояния соединения, т.е. заданных запасов прочности во внутреннем стыке и в опасном сечении ниппеля.
Например, в соединении бурильной трубы диаметром 70 мм и замка ЗП-162-95-2 зазор 8 вместо положительного имеет отрицательное значение (-0,1 мм), и, в результате, затяжка соединения приведет к остаточным деформациям во внутреннем упорном стыке и недостаточному предварительному напряжению в опасном сечении ниппеля и даже к появлению зазора в наружном упорном стыке и к усталостной поломке соединения в скважине.
Наоборот, увеличение положительного зазора более чем на 40-50% приведет к варианту обычного соединения без внутреннего упорного стыка, но с перегрузкой в опасном сечении ниппеля, так как крутящий момент рассчитан на преодоление сил сопротивления трению в наружном и внутреннем стыке, а фактически он будет действовать только на наружный упорный стык.
В предлагаемом двухупорном резьбовом соединении буровых труб такие опасные для прочности колебания напряженного состояния его элементов исключены. Это достигается тем, что зазор во внутреннем упорном стыке обеспечивает, после затяжки соединения, заданные нагрузки и соответствующие им напряжения в опасном сечении ниппеля и во внутреннем стыке, и, следовательно, заданные величины прочности и герметичности.
2. Лачинян Л.А. Лачинян Н.Л. Пат. 2521123 РФ, МПК Е21В 17/042. Резьбовое соединение бурильных труб. №2012121505/03. Заявл. 25.05.2012. Опубл. 27.06.2014. Бюл. №18.
3. Лачинян Л.А., Угаров С.А. Конструирование, расчет и эксплуатация бурильных геологоразведочных труб и их соединений. М., «Недра», 1975, 232 с.
5. Инструкция по сборке и эксплуатации бурильных труб с приваренными замками «ТМК TDS», «РЭ ПС 02-010-2013 (вторая редакция)». https//www.grou.
Двухупорное резьбовое соединение буровых труб, состоящее из ниппеля и муфты, имеющее наружный и внутренний упорные стыки, в зависимости от его параметров и соотношения сил, необходимых для создания заданных напряжений в опасном сечении ниппеля и во внутреннем упорном стыке, зазор в последнем, при свинченном, но незатянутом соединении, определяется следующей зависимостью:
УТЯЖЕЛЕННАЯ БУРИЛЬНАЯ ТРУБА С ДВУХУПОРНЫМ ЗАМКОВЫМ РЕЗЬБОВЫМ СОЕДИНЕНИЕМ Российский патент 2020 года по МПК E21B17/42
Описание патента на изобретение RU2726758C1
Изобретение относится к нефтегазодобывающей и горной промышленности, а именно, к устройствам, предназначенным для предохранения от износа утяжеленных бурильных труб за счет своей высокой массы и нагрузки на породоразрушающий инструмент, долото, фрезы и прочий инструмент, а также для повышения герметичности резьбового соединения бурильных труб и увеличения их крутящего момента.
Изобретение является промышленно применимым.
Утяжеленные бурильные трубы, предназначенные для создания осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент и поддержания колонны бурильных труб в растянутом состоянии, соединяются непосредственно труба в трубу, для чего снабжены замковым резьбовым соединением. На верхнем конце трубы распложено муфтовое замковое резьбовое соединение, на нижнем конце ниппельное замковое резьбовое соединение.
Замковое резьбовое соединение является концентратором напряжений утяжеленной бурильной трубы, так как оно работает в тяжелых условиях, имеет жесткую конструкцию и обладает низкими прочностными характеристиками. После свинчивания утяжеленной бурильной трубы резьба находится в напряженном состоянии из-за действия сил, растягивающих ниппель и сжимающих муфтовую часть. При прохождении искривленных участков скважины изгибающая нагрузка на резьбовое соединение увеличивается, а при вращении колонны дополнительно приобретает циклический характер, обладающий наиболее разрушительным действием, ведущим к накоплению усталостных напряжений, и, в последствии, к слому, либо промыву по усталостной трещине резьбового соединения утяжеленной бурильной трубы.
В действующей бурильной колонне крутящий момент зависит от глубины бурения, при этом соединения, находящиеся в нижней части бурильной колонны, подвергаются наиболее интенсивным нагрузкам и именно в них должна обеспечиваться затяжка с надлежащим крутящим моментом. Затяжка и закрепление резьбы является наиболее важным этапом сборки утолщенных бурильных труб.
Известна утяжеленная бурильная труба с замковым резьбовым соединением по стандарту API 7 и ГОСТ 28487-90, ГОСТ Р50864-96 и центральным промывочным каналом.
Недостатком известной утяжеленной бурильной трубы является малая усталостная прочность резьбового соединения и, как следствие, низкий срок службы трубы.
В отличие от известной конструкции утяжеленной бурильной трубы, содержащей одноупорное замковой резьбовое соединение, предлагаемая конструкция содержит двухупорное замковое резьбовое соединение, чем обеспечивает высокую сопротивляемость резьбовых соединений утяжеленных бурильных труб усталостному износу и передачу большего по сравнению с одноупорной замковой резьбой крутящего момента от бурильной колонны или реактивного момента от забойного двигателя, а также исключает заклинивание замков при экстремальных моментах кручения.
Целью заявленного изобретения является повышение прочности и герметичности резьбового соединения и, как следствие, надежности, срока службы и снижение затрат на содержание утяжеленной бурильной трубы за счет повышения сопротивления усталости резьбовых соединений более чем в 2 раза благодаря конструктивным особенностям заявляемой утяжеленной бурильной трубы и увеличения ее крутящего момента более, чем на 40%.
Поставленная задача достигается за счет выполнения в утяжеленной бурильной трубе замкового резьбового соединения двухупорной конструкции.
Утяжеленная бурильная труба на верхнем своем конце снабжена муфтой, имеющей муфтовое замковое резьбовое соединение, а на нижнем своем конце ниппелем, имеющим ниппельное замковое резьбовое соединение. Трубы в колонне соединяются непосредственно труба в трубу посредством соответствующих замковых резьбовых соединений ниппеля и муфты, соответственно. При этом ниппель верхней трубы колонны, расположенный в нижнем конце трубы, размещается в муфте, расположенной на верхнем конце размещенной ниже трубы, посредством замкового резьбового соединения муфты и ниппеля.
Соединение осуществляется с помощью заявленного в настоящем изобретении двухупорного замкового резьбового соединения.
Технический результат достигается за счет того, что в отличие от известного одноупорного замкового резьбового соединения в утяжеленной бурильной трубе выполнено двухупорное резьбовое замковое соединение, содержащее два упора, верхний упор и нижний упор. При этом нижний упор выполнен в виде внутреннего заплечика, который представляет собой продолжение торца ниппеля с формированием на окончании контактного торца в форме плоской площадки, и который при свинчивании упирается в нижний внутренний торец муфты, выполненный в виде специальной ответной проточки внутри муфты.
Двухупорное замковое резьбовое соединение состоит из охватываемой поверхности ниппеля и охватывающей поверхности муфты.
Охватываемая поверхность ниппеля, размещаемого внутри муфты, снабжена наружной резьбой, соответствующей внутренней резьбе охватывающей поверхности муфты, и двумя упорами, верхним и нижним, с наружными контактными торцами, верхним наружным контактным торцом и нижним наружным контактным торцом, соответственно.
Охватывающая поверхность муфты снабжена внутренней резьбой, соответствующей наружной резьбе охватываемой поверхности ниппеля, и двумя упорами, верхним и нижним, с внутренними контактными торцами, верхним внутренним контактным торцом и нижним внутренним контактным торцом, соответственно.
Наружные контактные торцы ниппеля верхний и нижний соответствуют двум внутренним контактным торцам муфты, верхнему и нижнему, образуя узлы, состоящие каждый из внутреннего контактного торца муфты и соответствующего ему наружного контактного торца ниппеля.
При этом замковое резьбовое соединение выполнено таким образом, что нижний упор охватываемой поверхности замкового резьбового соединения ниппеля с наружной резьбой выполнен в форме внутреннего заплечика, представляющего собой продолжение торца ниппеля с формированием на конце контактного торца в форме плоской площадки. А охватывающая поверхность замкового резьбового соединения муфты с соответствующей внутренней резьбой снабжена нижним внутренним контактным торцом в виде специальной ответной проточки.
При размещении охватываемой поверхности ниппеля внутри охватывающей поверхности муфты и свинчивании соответствующие наружные контактные торцы ниппеля упираются в соответствующие внутренние контактные торцы муфты. При этом соответствующий нижний наружный контактный торец охватываемой поверхности ниппеля, выполненный в форме плоской площадки, упирается в соответствующий нижний внутренний контактный торец муфты, выполненный в виде специальной ответной проточки, и расположенный за последним витком внутренней резьбы муфты 4 (Фиг. 1, Фиг. 2)
Ниже приводится перечень прилагаемых чертежей.
Ниже приводится осуществление изобретения со ссылкой на приложенные чертежи
Двухупорное замковое резьбовое соединение состоит из охватываемой поверхности 9 (Фиг. 3) ниппеля 3 (Фиг. 1, Фиг. 3) и охватывающей поверхности 6 (Фиг. 2) муфты 4 (Фиг. 1, Фиг. 2).
Охватываемая поверхность 9 (Фиг. 3) ниппеля 3 (Фиг. 1, Фиг. 3), размещаемая в охватывающей поверхности 6 (Фиг. 2) муфты 4 (Фиг. 1, Фиг. 2), снабжена наружной резьбой 10 (Фиг. 3), соответствующей внутренней резьбе 7 (Фиг. 2) охватывающей поверхности 6 (Фиг. 2) муфты 4 (Фиг. 1, Фиг. 2), и двумя упорами с наружными контактными торцами, верхним наружным контактным торцом 11а (Фиг. 3) и нижним наружным контактным торцом 11 (Фиг. 3), соответственно.
Охватывающая поверхность 6 (Фиг. 2) муфты 4 (Фиг. 1, Фиг. 2) снабжена внутренней резьбой 7 (Фиг. 2), соответствующей наружной резьбе 10 (Фиг. 3) охватываемой поверхности 9 (Фиг. 3) ниппеля 3 (Фиг. 1, Фиг. 3) и двумя упорами с внутренними контактными торцами, нижним внутренним контактным торцом 8 (Фиг. 2) и верхним внутренними контактным торцом 8а (Фиг. 2), соответственно.
Наружные контактные торцы ниппеля 3 (Фиг. 1, Фиг. 3), верхний наружный контактный торец 11а (Фиг. 3) и нижний наружный контактный торец 11 (Фиг. 3) соответствуют двум внутренним контактным концам муфты 4 (Фиг. 2), верхнему внутреннему контактному торцу 8а (Фиг. 2) и нижнему внутреннему контактному торцу 8 (Фиг. 2), образуя узлы, состоящие каждый из внутреннего контактного торца муфты и соответствующего ему наружного контактного торца ниппеля.
При этом замковое резьбовое соединение выполнено таким образом, что нижний упор 12а (Фиг. 4) охватываемой поверхности замкового резьбового соединения 9 (Фиг. 3) ниппеля 3 (Фиг. 1, Фиг. 3) с наружной резьбой 10 (Фиг. 3) выполнен в форме внутреннего заплечика, представляющего собой продолжение верхнего наружного контактного торца 11а (Фиг. 3) ниппеля 3 (Фиг. 1, Фиг. 3) с формированием на конце нижнего наружного контактного торца 11 (Фиг. 3) ниппеля 3 (Фиг. 1, Фиг. 3) в форме плоской площадки. А охватывающая поверхность замкового резьбового соединения 6 (Фиг. 2) муфты 4 (Фиг. 1, Фиг. 2) с соответствующей внутренней резьбой 7 (Фиг. 2) снабжена нижним внутренним контактным торцом 8 (Фиг. 2) в виде специальной ответной проточки.
При размещении охватываемой поверхности 9 (Фиг. 3) ниппеля 3 (Фиг. 1, Фиг. 3) внутри охватывающей поверхности 6 (Фиг. 2), муфты 4 (Фиг. 1, Фиг. 2) соответствующие наружные контактные торцы ниппеля 3 (Фиг. 1, Фиг. 3) упираются в соответствующие внутренние контактные торцы муфты 4 (Фиг. 1, Фиг. 2), при этом нижний наружный контактный торец 11 (Фиг. 3) охватываемой поверхности 9 (Фиг. 3) ниппеля 3 (Фиг. 1, Фиг. 3), выполненный в форме плоской площадки, упирается в выполненный в виде специальной ответной проточки и расположенный за последним витком внутренней резьбы муфты 4 (Фиг. 1, Фиг. 2) нижний внутренний контактный торец 8 (Фиг. 2) охватывающей поверхности 9 (Фиг. 2) муфты 4 (Фиг. 1, Фиг. 2).
Похожие патенты RU2726758C1
Иллюстрации к изобретению RU 2 726 758 C1
Реферат патента 2020 года УТЯЖЕЛЕННАЯ БУРИЛЬНАЯ ТРУБА С ДВУХУПОРНЫМ ЗАМКОВЫМ РЕЗЬБОВЫМ СОЕДИНЕНИЕМ
Изобретение относится к нефтегазодобывающей и горной промышленности, а именно к устройствам, предназначенным для предохранения от износа утяжеленных бурильных труб за счет своей высокой массы и нагрузки на породоразрушающий инструмент, долото, фрезы и прочий инструмент, а также для повышения герметичности резьбового соединения бурильных труб и увеличения их крутящего момента. Утяжеленная бурильная труба включает тело трубы, центральный промывочный канал, муфту и ниппель с замковыми резьбовыми соединениями. Замковое резьбовое соединение выполнено с двухупорной конструкцией, в которой замковое резьбовое соединение состоит из охватывающей поверхности муфты с внутренней резьбой, с двумя упорами, верхним и нижним, с верхним внутренним контактным торцом и нижним внутренним контактным торцом, расположенным за последним витком резьбы и выполненным в виде специальной ответной проточки, и охватываемой поверхности ниппеля с наружной резьбой, с двумя упорами, верхним и нижним, с верхним наружным контактным торцом и нижним наружным контактным торцом, представляющим собой продолжение верхнего торца ниппеля в форме заплечика с формированием на окончании плоской площадки, при свинчивании и контактировании соответствующих контактных торцов ниппеля и муфты, упирающейся в специальную ответную проточку, выполненную внутри муфты. Технический результат состоит в повышении прочности и герметичности резьбового соединения и, как следствие, надежности, срока службы, снижении затрат на содержание утяжеленной бурильной трубы за счет повышения сопротивления усталости резьбовых соединений более чем в 2 раза благодаря конструктивным особенностям заявляемой утяжеленной бурильной трубы и увеличению ее крутящего момента более чем на 40%. 4 ил.
Формула изобретения RU 2 726 758 C1
Утяжеленная бурильная труба, включающая тело трубы, центральный промывочный канал, муфту и ниппель с замковыми резьбовыми соединениями, отличающаяся тем, что замковое резьбовое соединение выполнено с двухупорной конструкцией, в которой замковое резьбовое соединение состоит из охватывающей поверхности муфты с внутренней резьбой, с двумя упорами, верхним и нижним, с верхним внутренним контактным торцом и нижним внутренним контактным торцом, расположенным за последним витком резьбы и выполненным в виде специальной ответной проточки, и охватываемой поверхности ниппеля с наружной резьбой, с двумя упорами, верхним и нижним, с верхним наружным контактным торцом и нижним наружным контактным торцом, представляющим собой продолжение верхнего торца ниппеля в форме заплечика с формированием на окончании плоской площадки, при свинчивании и контактировании соответствующих контактных торцов ниппеля и муфты, упирающейся в специальную ответную проточку, выполненную внутри муфты.