Бурильная труба с высокомоментным замком (варианты)
Использование: к области горного дела, а именно к бурильным трубам, предназначенным для бурения, ловильных работ и капитального ремонта в скважинах, обсаженных трубами размером 140 мм, 146 мм и 168 мм. Задача полезной модели: создание высокопрочных бурильных труб с приваренными замками, наружный диаметр которых не более 108 мм и внутреннее отверстие не менее 50 мм, позволяющих повысить надежность бурения, ловильных и аварийных работ.(71) Заявитель полезной модели; ОАО «Синарский трубный завод» (73) Патентообладатель полезной модели: ОАО «Синарский трубный завод» Сущность полезной модели Бурильные трубы диаметром 73 мм и 89 мм с высокомоментными замками содержат тело трубы с высаженными концами и приваренные высокомоментные замки, состоящий из ниппеля и муфты, на которых выполнена соединительная замковая резьба увеличенного диаметра (Dcp=80,2 мм) и длины (lн=100 мм) с соотношением равным 1,25, при этом наружный и внутренний диаметры ниппеля и муфты замка имеют значения равные 105 (108) мм и 51 мм соответственно, что позволяет равномерно перераспределить нагрузку на ниппель и муфту и увеличить момент кручения на 24% и осевую растягивающую нагрузку на 10%. 1 с. и 3 илл., 5 табл
Заявленная полезная модель относится к области горного дела, а именно к бурильным трубам, предназначенным для бурения, аварийных работ и капитального ремонта в скважинах, обсаженных трубами размером 140-168 мм.
Известны конструкции высокопрочных бурильных труб диаметром 73 мм и 89 мм, включающие тело трубы с высаженными концевыми участками и приваренные к высаженным концам ниппельными и муфтовыми замковыми деталями, прочность которых соответствует прочности тела трубы (ГОСТ P 50278-92, таблица 2; стандарт API Spec. 7, 2001. Р.6, Table 7). Это в основном бурильные трубы с наружной высадкой (БН) концов и замками увеличенного размера, например, трубы БН-73-9,2 группы прочности P (по API-S-135) с замками 3П 11-41 и БН-89×9,4 группы прочности М (по API-G-105) с замками 3П-127-62. При строительстве сильно искривленных и горизонтальных скважин из обсадных колонн размером 140 мм; 146 мм и 168 мм требуются высокопрочные бурильные трубы с замками, диаметром 100-108 мм, внутреннее отверстие которых не менее 50 мм. Внутреннее отверстие диаметром 50 мм обусловлено необходимостью спуска через бурильные трубы геофизических приборов для ориентирования бурового инструмента и определения координат забоя скважины.
Заданным требованиям по конструктивным параметрам отвечают бурильные трубы размером 73×9,19 мм с приваренными замками 3П-98,4-54,8 с резьбой ОН, бурильные трубы размером 89х9,35 мм с приваренными замками 3П-105-51 с резьбой NC 31 (проспект фирмы Grant TFW «H-Series Driel Pipe», 1993, р.32-34) и бурильные трубы размером 89х8,0 мм с приваренными замками 3П-105-53 с резьбой 3-86 (ТУ 14-161-137-94, изменение 5, таблица 1). Но замки вышеуказанных бурильных труб равнопрочны только телу труб группы прочности Е.
Наиболее близко к заявленной полезной модели по совокупности признаков относятся бурильные трубы размером 73×9,19 мм с приваренными замками 3П-102-51 с резьбой SL H90 (стандарт API 7G, 2000, Р.13, Table 9). Диаметр большого основания конуса резьбы SL H90 равен 81,192 мм, средний диаметр резьбы (Dcp) равен 77,445. В данном случае замок оптимально
сбалансирован с трубой до группы прочности М (G-105), (Таблица 1-[прототип]). Однако замок 3П 102-51 не выдерживает требуемого момента крепления резьбы.
К недостаткам конструкции следует отнести непропорционально короткую длину lн резьбового конуса ниппеля замка, которая равна 74,6 мм.
В стандартных замковых резьбах малого диаметра типа 3-65 (NC 23), 3-86 (NC 31) отношение длины резьбового конуса ниппеля lн к среднему диаметру резьбы Dcp в основной плоскости равно 1,10-1,27. В аналогичной по размеру lн резьбе SL H90 отношение равно 0,96, то есть данная резьба имеет Dcp укороченную длину lн конуса ниппеля. С учетом увеличенного шага (8,467 мм) на конусе резьбы SL H90 нарезается всего нитки. При высоких нагрузках, действующих на резьбу в скважинах, указанное количество ниток недостаточно.
Кроме того, по мере износа наружной поверхности замка происходит интенсивное снижение момента сопротивления муфты Wм относительно момента сопротивления ниппеля WH, ввиду небольшой конусности и короткой длины lн резьбы ниппеля.
Оптимальные значения отношения равно 2,3-2,7. Уменьшение отношения в процессе износа замка особенно сильно проявляется в коротких резьбах с небольшой конусностью. В резьбе SL H90 конусность равна , а в резьбе, например, 3-76 ( REG) конусность равна ¼. При равном наружном износе замков на 3,2% отношение с резьбами SL H90 уменьшается на 17%, а с резьбами 3-76 - на 12%.
На базе существующих замковых резьб спроектировать высокопрочные бурильные трубы условным диаметром 73 мм и 89 мм с замками 3П-105-51 не представляется возможным.
Известно, что по мере увеличения прочности тела трубы закономерно увеличивается наружный диаметр замка и уменьшается его внутреннее отверстие, т.е. увеличивается площадь сечения металла ниппеля и муфты. Например, к бурильным трубам размером 73×9,19 мм группы прочности М привариваются замки 3П-105-51, а к бурильным трубам размером 73×9,19 мм группы прочности P - замки 3П-111-41. Но по требованиям современной технологии бурения
увеличение наружного диаметра замка и уменьшение его внутреннего отверстия недопустимы.
Задачей настоящей полезной модели является создание бурильной трубы размером 73 мм и 89 мм с приваренными высокомоментными замками, наружный диаметр которых не более 108 мм, а внутреннее отверстие не менее 50 мм.
Указанная задача решается за счет того, что бурильная труба с высокомоментным замком содержит тело трубы диаметром 73 мм или 89 мм с высаженными концами и приваренный замок состоящий из высокомоментных ниппеля и муфты, на которых выполнена соединительная замковая резьба увеличенного диаметра {Dcp=80,2 мм) и длины (lн=100 мм) с соотношением равным 1,25, при этом наружный и внутренний диаметр ниппеля и муфты замка и имеют значения равные 105 (108) мм и 51 мм соответственно, что позволяет равномерно перераспределить нагрузку на ниппель и муфту и увеличить момент кручения на 24% и осевую растягивающую нагрузку на 10%.
Сущность полезной модели представлена на фиг.1 и в Таблице 2. Бурильные трубы БН-73×9,19 и БК-89×8,0 включают тело трубы 1 с высаженными концами 2, приваренную муфту 3 и ниппель 4 высокомоментных замков 3ПИ 105-51 (3ПИ 108-51) с удлиненной соединительной замковой резьбой оптимального типоразмера 5. Параметры профиля ниток предлагаемой соединительной замковой резьбы даны на фиг.2 и в Таблице 3, основные размеры соединительной замковой резьбы - на фиг.3 и в Таблице 4. В отличие от прототипа (резьбы типа ОН и SL H90) в соединительной замковой резьбе отношение равно 1,25.
При работе в обсадных колоннах диаметром 146 мм с небольшой толщиной стенок труб и в обсадных колоннах диаметром 168 мм могут использоваться высокомоментные замки 3П-108-51, имеющие больший запас на износ. Характеристика бурильных труб БН-73×9,19 и БК-89×8,0 с замками 3П-105-51 приведены в Таблице 5. Параметры и характеристики бурильных труб с замками 3П-108-51 практически не отличаются от указанных в Таблице 5.
Таким образом, в предлагаемой конструкции бурильных труб размером 73×9,19 мм и 89×8,0 мм по сравнению с прототипом применены оптимально сбалансированные замковые соединения 3П-105(108)-51 с замковой резьбой увеличенного диаметра и длины, за счет чего увеличиваются рабочий момент кручения бурильной колонны на 24% и осевая растягивающая нагрузка на 10%.
Данное техническое решение позволит повысить надежность и безопасность работы при строительстве сильно искривленных и горизонтальных скважин.
Таблица 1Характеристика бурильной трубы размером 73×9,19 мм с замками 3ПИ 102-51 с резьбой SL H90 [прототип] | |||||
Наименование параметров | Бурильная труба 73х9,19 | Замок 3П-102-51 | Оптимальное значение параметров надежности | ||
Группа прочности | |||||
Л (Х-95) | М (G-105) | Р (S-135) | |||
Растягивающая нагрузка Q, соответствующая т, при Мкр=0, кН | 1206 | 1333 | 1712 | 1974 | - |
Момент кручения Мкр, соответствующий т при Q=0, кН·м | 19,8 | 21,9 | 28,1 | 17,9 | - |
Отношение Qм/Qн | 1,64 | 1,48 | 1,15 | - | 1,5 |
Отношение Мкр.зам/Мкр.тр | 0,9 | 0,8 | 0,6 | - | не менее 0,8 |
Отношение момента сопротивления муфты замка к моменту сопротивления ниппеля, | - | - | - | 2,29 | 2,3-2,7 |
Основные конструктивные параметры бурильных труб БН-73×9,19 и БК-89×8,0
Таблица 2Размеры в мм | ||||||||
Типоразмер | Группа прочности трубы | Dm | Dв | S | Dз | dм | dн | |
трубы | замка | |||||||
БН-73×9,19 | 3П-105-51 3П-108-51 | Е, Л, М, Р | 73,0 | 81,8 | 9,19 | 105,5 (108,0) | 51,0 | 51,5 |
БК-89×8,0 | 3П-105-51 3П-108-51 | Е, Л, М | 88,9 | 92,0 | 8,0 | 105,5 (108,0) | 51,0 | 51,5 |
Основные параметры профиля соединительной замковой резьбы
Таблица 3Размеры в мм | ||||||||||||
Форма профиля резьбы | Параметры резьбы | |||||||||||
Конусность К (2 tg ) | Шаг, p | Н | Рабочая высота, h | Высота профиля, h1 | а | b | с | f | r1 | r2 | ||
V-21/17* | 1:9,6 | 2°59' | 8,47 | 4,22 | 2,09 | 2,29 | 2,13 | 1,75 | 1,06 | 0,87 | 0,38 | 0,50 |
* - цифрами 21 и 17 показаны ширина площадки среза вершины нитки резьбы и ширина площадки впадины резьбы соответственно, округленных до двух знаков и умноженные на десять. |
Основные размеры соединительной замковой резьбы
Таблица 4Размеры в мм | ||||||||||||
Расстояние от торца до основной плоскости, lоп | Средний диаметр резьбы в основной плоскости, Dcp | d1 | d3 | d 4 | d5 | Dкп | lн | lм | l1 | lсб | lp | |
15,9 | 80,2 | 83,9 | 73,5 | 85,2 | 79,8 | 82,3 | 100 | 114 | 104 | 12,7 | 15 | 1,25 |
Таблица 5Характеристика бурильных труб диаметром 73 мм и 89 мм с высокомоментными замками (по полезной модели) | ||||||||||
Наименование параметров | Трубы БН-73×9,19 с замками 3П-105-51 | Трубы БК-89×8 с замками 3П-105-51 | Оптимальное значение параметров надежности | |||||||
Труба | Замок | Труба | Замок | |||||||
Е | Л | М | Р | Е | Л | М | ||||
Растягивающая нагрузка Q, соответствующая от, при Мкр=0, кН | 952 | 1206 | 1333 | 1712 | 2180 | 1052 | 1333 | 1473 | 2180 | - |
Момент кручения Мкр, соответствующий т, при Q=0, кН·м | 15,6 | 19,8 | 21,9 | 28,1 | 22,1 | 22,6 | 28,3 | 31,4 | 22,1 | - |
Отношение Qзам/Qтр | 2,3 | 1,8 | 1,6 | 1,3 | - | 2,1 | 1,6 | 1,5 | - | 1,5 |
Отношение Мкр.зам/Мкр.тр | 1,4 | 1,1 | 1,0 | 0,8 | - | 1,0 | 0,8 | 0,7 | - | не менее 0,8 |
Отношение момента сопротивления муфты замка к моменту сопротивления ниппеля, | - | - | - | - | 2,4 | - | - | - | 2,4 | 2,3-2,7 |
1. Бурильная труба с высокомоментным замком, включающая собственно тело трубы с высаженными концами и приваренный замок состоящий из ниппеля и муфты, отличающаяся тем, что на высокомоментном ниппеле и муфте бурильной трубы 73 мм выполнена соединительная замковая резьба увеличенного диаметра (Dcp=80,2 мм) и длины (lн=100 мм) с соотношением lн/Dср равным 1,25, при этом наружный и внутренний диаметры ниппеля и муфты имеют значения равные 105(108) мм и 51 мм соответственно.
2. Бурильная труба с высокомоментным замком, включающая собственно тело трубы с высаженными концами и приваренный замок состоящий из ниппеля и муфты, отличающаяся тем, что на высокомоментном ниппеле и муфте бурильной трубы 89 мм выполнена соединительная замковая резьба увеличенного диаметра (Dcp=80,2 мм) и длины (lн=100 мм) с соотношением lн/Dср равным 1,25, при этом наружный и внутренний диаметры ниппеля и муфты имеют значения равные 105(108) мм и 51 мм соответственно.