Труба бурильная с замками переменного внутреннего сечения (варианты)

Полезная модель (варианты) относится к инструменту, применяемому при строительстве скважин, а именно к трубам, предназначенным для бурения. Трубы бурильные включают собственно тело трубы диаметром 89 мм с высаженными концами и приваренные замки диаметром 108 (105,5) мм с трапецеидальной резьбой (шаг - 8,467 мм, конусность 1:9,6, угол при вершине нитки - 90°) с одним внешним упором (первый вариант) и с двумя упорами - внешним и внутренним (второй вариант). При этом с целью оптимизации профиля высадки внутреннее отверстие в сварке больше внутреннего отверстия в ниппеле замка, равного минимум 50 мм. Трубы оптимально сбалансированы по прочности на кручение и изгиб, отличаются повышенной усталостной прочностью. Гидравлические сопротивления внутри труб - минимальные.

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 140-168 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 высокий крутящий момент и осевую сжимающую нагрузку на забой. Поэтому буровые организации в вышеуказанных обсадных колоннах вместо БТ диаметром 73 мм стали применять более жесткие трубы диаметром 89 мм с внутренней высадкой и замками уменьшенного размера.

Известны бурильные трубы размером 89×8 мм с приваренными замками ЗП-105-53, резьба 3-86 (ТУ 14-161-137-94), момент кручения замков которых значительно ниже момента кручения тела трубы. Известны более прочные трубы ПВ-89х9,4 мм с замками ЗП-108-44 (ГОСТ Р 50278-92, таблица 1), но внутреннее отверстие в замках, равное 44,5 мм, не позволяет спускать в скважину существующие геофизические приборы.

При уменьшении наружного диаметра замка автоматически уменьшается диаметр его внутреннего отверстия, что в замках стандартной конструкции приводит к увеличении толщины стенки высаженного конца трубы, к которому приваривается замок. Если отношение площади поперечного сечения высадки к площади поперечного сечения тела трубы (коэффициент высадки К_в ) более 2,2, то поверхность внутреннего конуса высаженной части трубы получается крутой и неровной, что снижает ее прочность и приводит к увеличению местных гидравлических сопротивлений. Коэффициент высадки К_в заготовки БТ под приварку к вышеуказанному замку ЗП-108-44 равен 2,45.

С целью увеличения рабочего момента кручения получают распространение резьбовые замковые соединения с двумя упорами - внешним и внутренним. Применение второго внутреннего упора позволяет увеличить момент кручения резьбового соединения на 30-40% без увеличения наружного диаметра замка.

Наиболее близко к заявленной полезной модели труб с одним упором в резьбе по технической сущности (прототип) относится бурильная труба с высокомоментным замком (варианты) [патент РФ 53405, МПК F16L 9/02, опубл. 10.05.2006, Бюл. 13], включающая собственно тело трубы размером 89х8 мм с высаженными концами и приваренные к ним муфту и ниппель диаметром 105(108) мм с соединительной замковой резьбой, имеющий следующие параметры: шаг резьбы - 8,47 мм, конусность - 1:9,6, угол при вершине нитки - 90°.

Недостаток этих известных труб состоит в том, что внутреннее отверстие ниппельного и муфтового концов бурильной трубы на всей длине, включая замок, сварку и высадку имеет постоянный диаметр равный 51,5 мм. В этом случае коэффициент высадки К_в трубной заготовки под приварку замков равен 2,5, что превышает предпочтительное значение. Запатентованные бурильные трубы размером 89×8 мм с высокомоментным замком по прочности на кручение соответствуют только трубам группы прочности Е и Л, что не удовлетворяет требованиям бурения глубоких горизонтальных скважин.

Наиболее близко к заявленной полезной модели труб с двумя упорами в замковом соединении по технической сущности (прототип) относится соединение бурильной колонны [патент РФ 88729, МПК Е21 В 31/00, опубл. 10.01.2010, Бюл. 1], включающее конусную резьбу, снабженную внутренним и наружным упорами, причем внутренний упор выполнен по меньшей мере 10 мм. Соединение бурильной колонны с двумя упорами разработано на базе широко распространенных стандартных резьб, конусность которых 1:6, шаг - 6,35 мм, угол при вершине нитки 60°.

Внутреннее отверстие в ниппеле и муфте соединения имеет постоянный размер на всей длине, что в некоторых типоразмерах бурильных труб малого диаметра (60; 73 и 89 мм) затрудняет выполнение устойчивого второго упорного пояска. 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.

Полезной моделью решается задача создания конструктивно простой бурильной трубы диаметром 89 мм с приваренными замками, наружный диаметр которых максимум 108 мм, а внутреннее отверстие не менее 50 мм, обладающей повышенной усталостной прочностью и более низкими гидравлическими сопротивлениями при течении промывочной жидкости.

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 замковыми деталями, на которых выполнена трапецеидальная коническая резьба с одним наружным упором и зарезьбовой конической расточкой в муфте замка, при этом диаметр внутреннего отверстия ниппеля в интервале резьбы меньше диаметров внутренних отверстий в муфте и в высадках трубы. Переход от уменьшенного отверстия в ниппеле к увеличенному отверстию в муфте выполнен в виде диффузора.

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 замковыми деталями, на которых выполнена трапецеидальная коническая резьба с двумя упорами - внешним и внутренним, при этом внутреннее отверстие ниппеля и муфты в интервале, примыкающем к плоскости второго упора, меньше внутреннего отверстия ниппеля и муфты в интервале хвостовика 4 замка и сварки 14. Увеличение внутреннего отверстия в интервале сварки позволяет оптимизировать значение коэффициента высадки К_в трубы.

Переход от уменьшенного отверстия dм муфты, примыкающего ко второй упорной плоскости 10, к ее увеличенному отверстию d' _м, примыкающему к сварке 14, выполнен в виде диффузора 12.

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 - ниппель и муфта бурильной трубы в собранном виде по первому варианту;

фиг.4 - ниппель и муфта бурильной трубы в собранном виде по второму варианту.

Бурильная труба диаметром 89 мм по первому варианту (фиг.1) включает тело трубы 1 с высаженными концами 13, приваренные по хвостовику 4 муфту 2 и ниппель 3 с трапецеидальной конической резьбой 5 и внешними упорными поверхностями 6. В муфте 2 выполнена зарезьбовая расточка 8 под одним углом уклона ( с внутренней поверхностью резьбы 5. Длина l_к расточки не менее 51 мм, при этом расточка 8 сопряжена с внутренним отверстием d'_м муфты второй конической расточкой 9, угол уклона (3 которой 15° (фиг.3).

Принятая конструкция зарезьбовой расточки в муфте позволяет снизить концентрацию напряжений на участке перехода от внутренней резьбы 5 к внутреннему отверстию d'_м муфты 2.

Диаметр dн внутреннего отверстия в ниппеле 3 меньше диаметра внутреннего отверстия d'_м в муфте и высаженных концах трубы, примыкающих к сварке 14. Данное решение позволило снизить толщину стенки высадки и, как следствие, повысить качество конического перехода от высадки и телу трубы. Небольшая длина суженного отверстия d_н в ниппеле 3, наличие диффузора 7 на выходе жидкости из ниппеля позволяют снизить местные гидравлические сопротивления в замках.

Бурильная труба по второму варианту (фиг.2) отличается от бурильной трубы по первому варианту тем, что в резьбовом соединении дополнительно выполнен внутренний упор 10. Толщина стенки упорного пояска 11 не менее 6,6 мм, радиус rм закругления по линии пересечения цилиндрической расточки dp и упорной плоскости 10 в муфте равен 3 мм, фиг.4, вид I. Радиус rп закругления угла упорного пояска 11 равен 1,2 мм. Контактирующие упорные поверхности 10 ниппеля и муфты плавно расходятся по своим радиусам закругления, фиг.4, вид I. Поскольку упорные поверхности ниппеля и муфты многократно сжимаются при очень высоких контактных напряжениях, и в процессе бурения дополнительно испытывают изгибающие знакопеременные нагрузки, то упорный поясок 11 ниппеля, не имеющий плавного закругления, как это выполнено в известных прототипах, своим внешним углом или фаской будет врезаться в ответную поверхность муфты, вызывая локальные повреждения, которые развиваясь будут приводить к отказам по плоскости 10 муфты.

Как и в БТ по первому варианту, внутреннее отверстие dн в ниппеле в интервале его резьбы меньше его внутреннего отверстия d'H, примыкающего к сварке 14. Диаметр dм внутреннего отверстия в муфте, примыкающего к упорной поверхности 10, равен диаметру ответного отверстию da в ниппеле. Переход от уменьшенного отверстия dм в муфте к ее увеличенному отверстию м примыкающему к сварке 14, выполнен, также в виде диффузора 12, (фиг.4). Диаметры d'м d'н отверстия в муфте и ниппеле определяются, исходя из предпочтительного значения коэффициента высадки Кв.

Ниппель и муфта замка трубы бурильной по второму варианту в собранном виде показаны на фиг.4. Поток промывочной жидкости, перемещаясь внутри бурильной колонны, плавно сжимается в высадке ниппельного конца трубы и в ниппеле, проходит гладкий канал с постоянным внутренним диаметром dп и dм и плавно расширяется в диффузоре 12 и в высадке 13 муфтового конца трубы. Предлагаемая конструкция бурильной трубы позволяет снизить гидравлические сопротивления в замках по сравнению с аналогом в два раза.

В таблице 1 факультативно дан пример основных конструктивных параметров трубы бурильной размером 89×8 мм и 89×9,35 мм с приваренными замками ЗП - 108-51 первого и второго вариантов выполнения согласно фиг.1 и фиг.2. Характеристика указанных труб приведена в таблице 2.

Трубы бурильные размером 89×9,35 мм марки Л и М по прочности на кручение оптимально сбалансированы только с замками ЗП - 108-51 с двумя упорами в резьбовом соединении. Отношения момента кручения замка к моменту кручения трубы только в этом случае соответствует критерию

где Мкр.зам. - момент кручения замка;

Мкр.тр. - момент кручения трубы.

На фиг.3 и в таблице 3 факультативно даны основные размеры замка с одним упором, на фиг.4, 4-1 и в таблице 4 - размеры замка с двумя упорами. Параметры профиля трапецеидальной конической резьбы соответствуют резьбе SL-H90 приведенной в стандарте API-70 «Recommended Practice for Drill Stem Design and Operating Limits», sixteentn edition, 1998, Table A - 1, т.е. шаг резьбы - 8,467 мм (8 ниток на длине 25,4 мм), конусность - 1:9,6, угол при вершине нитки - 90°.

Упорный поясок 11 выдерживает осевую сжимающую нагрузку, равную 1170 кН, что превышает осевую нагрузку от крутящего момента воспринимаемую вторым упором.

Отношение момента сопротивления муфты к моменту сопротивления ниппеля для предлагаемого резьбового соединения с замками диаметром 105,5 и 108 мм мм равно 2,35 и 2,58 соответственно, т.е. соединение отвечает критерию прочности на изгиб. Для оптимально сбалансированного замкового соединения отношения должно быть в пределах

где Wм - момент сопротивления муфты;

Wн - момент сопротивления ниппеля.

С целью обеспечения возможности спускать в скважину через БТ современные геофизические приборы диаметр dн внутреннего отверстия замка по первому и второму вариантам выполнения в зависимости от типоразмера и марки стали бурильных труб равен 50-53 мм.

По способу изготовления заявленная труба бурильная 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 повышенной усталостной прочностью, позволяет в сборе повысить эксплуатационную надежность бурильных труб и снизить потери давления в замках в процессе промывки скважины.

Таблица 2.
Характеристика труб бурильных с замками переменного внутреннего сечения
Наименование параметров			Труба БВ-89×8,0									Труба БВ-89×9,35
			марка трубы					замок ЗП-108-51 с одним упором				марка трубы				замок ЗП-108-51 с двумя упорами
			Е				Л					Л		М
Растягивающая нагрузка Q, соответствующая (7 т, при Мкр=0, кН			1051				1331	2227				1530		1691		2227
Момент кручения Мкр, соответствующий от, при Q=0, кН·м			22,5				28,5	22				31,8		35,2		29,5
Отношение Мкр.зам/Мкр.тр			1,0				0,8	-				0,9		0,8		-
Таблица 3.
Основные размеры резьбового соединения с одним упоромразмеры в мм
Типоразмер замка		Диаметр							Длина
		отверстия					зарезьбовой расточки, dK		общая, lм		зарезьбовой расточки, lк
		ниппеля, dH			муфты, d' M
ЗП-108-51		50,8			60,0		63,6		155		51				15°
Таблица 4.
Основные размеры резьбового соединения с двумя упорами размеры в мм
Типоразмер замка	Диаметр							Длина					Радиус
	отверстия муфты и ниппеля, dH и dM			упорного пояска, dn		резьбы в плоскости торца ниппеля, d3		l		lп			rм			rп
ЗП-108-51	50,8			66,2		72,2		112,7		12,7			3,0			1,2

1. Труба бурильная с замками переменного внутреннего сечения, включающая тело трубы диаметром 89 мм с высаженными концами и с приваренными к ним ниппелем и муфтой замка диаметром 105,5-108 мм, соединяемыми между собой посредством трапецеидальной конической резьбы (шаг - 8,467 мм, конусность 1:9,6, угол при вершине нитки - 90°) с одним внешним упором, отличающаяся тем, что диаметр внутреннего отверстия ниппеля в интервале его резьбы, равный 50-53 мм, меньше его внутреннего диаметра в интервале сварки, хвостовика и внутреннего диаметра муфты, при этом на выходе жидкости из ниппеля выполнен диффузор, а в муфте - зарезьбовая коническая расточка длиной не менее 51 мм, конусность которой 1:9,6.

2. Труба бурильная с замками переменного внутреннего сечения, включающая тело трубы диаметром 89 мм с высаженными концами и с приваренными к ним ниппелем и муфтой замка диаметром 105,5-108 мм, соединяемыми между собой посредством трапецеидальной конической резьбы (шаг - 8,467 мм, конусность 1:9,6, угол при вершине нитки 90°) с двумя упорами - внешним и внутренним, отличающаяся тем, что внутреннее отверстие ниппеля и внутреннее отверстие муфты диаметром 50-53 мм, примыкающие к внутреннему упору, меньше внутреннего отверстия ниппеля и муфты, примыкающих к сварке (хвостовик замка и высадка трубы), при этом переход от меньшего отверстия муфты, примыкающего к внутренней упорной плоскости, к ее большему отверстию, примыкающему к сварке, выполнен в виде диффузора, а внешний контур внутреннего упорного торца ниппеля сопрягается с ответным внутренним упорным уступом муфты по закругленной поверхности.