RU226022U1 - Двухупорное резьбовое соединение для бурильных труб малого диаметра - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к резьбовым соединениям для соединения бурильных труб малого диаметра в бурильной колонне. Двухупорное резьбовое соединение для бурильных труб малого диаметра содержит муфту с резьбой на внутренней поверхности, внешним упорным торцом и внутренним упорным уступом, ниппель с соответствующей резьбой на наружной поверхности, внешним упорным уступом и внутренним упорным торцом. Резьбовое соединение имеет коническую резьбу, шаг которой равен 8,4667 мм, угол профиля 90 градусов, конусность 1:9,6 и отношение внутреннего диаметра замка к наружному диаметру замка составляет 0,42-0,52. Средний диаметр резьбового соединения, находящийся на расстоянии 15,875 мм от упорного уступа ниппеля, составляет 75%±2,5% от наружного диаметра резьбового соединения. Наружный диаметр резьбового соединения составляет 104-112 мм. Обеспечивается повышение момента кручения резьбового соединения для бурильных труб малого диаметра. 3 ил.

Description

Полезная модель относится к устройствам для бурения скважин, в частности к резьбовым соединениям труб, может быть использована для соединения бурильных труб в бурильной колонне. Может быть применима в соединениях стальных бурильных труб, тяжелых бурильных труб, утяжеленных бурильных труб при строительстве вертикальных, наклонно-направленных и горизонтальных нефтяных и газовых скважин. Может быть применима преимущественно для труб с наружными диаметрами в диапазоне 104-112 мм.

В современных условиях при бурении скважин необходимы большие расходы бурового раствора, для этого проходное сечение бурильной трубы должно быть, как можно больше. Однако трубы с большими диаметрами отверстия не обеспечивают требуемого уровня прочности, который необходим при бурении скважин. Широко известны резьбовые соединения бурильных труб, такие как 2-7/8 SL H90 по стандарту API SPECIFICATION 7-2 Threading and Gauging of Rotary Shouldered Connections, которые используют на бурильных трубах типоразмером 105/38 или 108/38. Для обеспечения необходимого расхода раствора при наружном диаметре таких труб, равном 104-112 мм, рекомендуется использовать диаметр отверстия не менее 50 мм. Однако резьба 2-7/8 SL H90 с таким диаметром отверстия не обеспечивает требуемого уровня прочности, который необходим при бурении скважин. Так же известно замковое соединение NC31 по API 7-2 или З-86 по ГОСТ 28487-2018, которое массово используется на бурильных трубах с замками с наружным диаметром 104-112 и диаметром отверстия 50-51 мм. Это соединение обеспечивает достаточное проходное сечение для прохождения жидкости, но не обеспечивает требуемые прочностные характеристики, а именно момент кручения и свинчивания замкового соединения.

Известно резьбовое соединение бурильной колонны по патенту России на изобретение RU2796709, E21B 17/042, 2019, с наружным диаметром замка 120-169 мм и конусностью резьбы 1:9,6, предназначенное в основном для бурения, в том числе горизонтальных и сильно искривленных скважин. Резьбовое соединение бурильной колонны выполнено с внешним и внутренним упорами и включает ниппельный и муфтовый концы с трапецеидальной конической резьбой. Шаг резьбы составляет 8,467 мм, конусность - 1:9,6, угол профиля - 90°. Внутренний упор ниппельного конца имеет цилиндрический участок, примыкающий к резьбе, и сопряженный с ним конический участок с конусностью 1:9,6. Внутренний диаметр ниппельного конца составляет от 54 до 96 мм, а наружный диаметр муфтового конца составляет от 120 до 169 мм. Средний радиус упорного торца ниппеля составляет от 0,76 до 0,85 среднего радиуса участка резьбы в зацеплении. Средний радиус упорного торца муфты составляет от 1,20 до 1,26 среднего радиуса участка резьбы в зацеплении. Недостатками являются большие габариты резьбового соединения, невозможность его использования в обсадных колоннах малого диаметра, недостаточные прочностные характеристики соединения.

Известно резьбовое соединение бурильной колонны по патенту России на изобретение RU 2783935, E21B 17/02, 2022. Резьбовое соединение выполнено с внешним и внутренним упорами, включает ниппельный и муфтовый концы с трапецеидальной конической резьбой. Шаг резьбы - 8,467 мм, конусность - 1:9,6, угол профиля - 90 градусов. Наружный диаметр соединения составляет от 123,8 до 127 мм, внутренний диаметр - от 57,2 до 68,3 мм, средний диаметр резьбы в основной плоскости - от 96,7 до 97,7 мм. Внутренний упор ниппельного конца имеет цилиндрический участок, примыкающий к резьбе, и сопряженный с ним конический участок. Наружный диаметр торцевой части конического участка составляет от 83 до 84 мм. Недостатком является невысокое значение максимально допустимого момента кручения резьбового соединения, несбалансированность его по изгибу, большие габариты соединения.

В качестве ближайшего аналога заявляемому техническому решению выбрана бурильная труба для скважин малого диаметра по патенту России на полезную модель RU134570, E21B 17/02. Бурильная труба содержит тело трубы, муфтовый и ниппельный концы диаметром 100-108 мм, на которых имеется трапецеидальная коническая резьба. Шаг резьбы составляет - 8,467 мм, конусность - 1:9,6, угол при вершине нитки - 90°. Трапецеидальная коническая резьба выполнена с двумя упорами - внешним и внутренним. Диаметр отверстия ниппельного конца, примыкающего к внутренней упорной плоскости, по всей длине конца равен 50-53 мм. Толщина стенки упорного пояска ниппеля равна 6,0-8,0 мм, а муфта и ниппель резьбового соединения выполнены сбалансированными по прочности на изгиб. Недостатком является низкий момент кручения и свинчивания замковых соединений при работе бурильной колонны, собранной из данных труб.

Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение момента кручения резьбового соединения для бурильных труб малого диаметра.

Технический результат достигается за счет того, что в резьбовом соединении, содержащем муфту с резьбой на внутренней поверхности, с внешним упорным торцом и внутренним упорным уступом, ниппель с соответствующей резьбой на наружной поверхности, внешним упорным уступом и внутренним упорным торцом, имеющем коническую резьбу, шаг которой равен 8,4667 мм, угол профиля 90 градусов, конусность 1:9,6 и отношение внутреннего диаметра замка к наружному диаметру замка равным 0,42…0,52, согласно полезной модели, средний диаметр резьбового соединения, находящийся на расстоянии 15,875 мм от упорного уступа ниппеля составляет 75%±2,5% от наружного диаметра резьбового соединения.

Технический результат обеспечивается за счет увеличения диаметра резьбового соединения в основной плоскости. Основная плоскость для труб малого наружного диаметра 104-112 мм находится на расстоянии 15,875 мм от упорного уступа ниппеля. Это расстояние является общей характеристикой для резьбовых упорных соединений и определяет положение основной плоскости, где измеряют средний диаметр резьбы. Экспериментально определено, что при среднем диаметре, составляющем 75%±2,5% от наружного диаметра резьбового соединения, в основной плоскости его момент кручения повышается и превышает момент кручения соединения ближайшего аналога. Для сбалансированных резьбовых соединений слабым местом обычно является ниппель резьбового соединения, все прочностные характеристики рассчитываются относительно опасного сечения ниппеля. Опасное сечение ниппеля располагается в плоскости первого витка зацепления и обычно рассчитывается по формуле Lоп+P/2, где Lоп - расстояние от упорного уступа ниппеля до основной плоскости и равняется 15,875 мм, P - шаг резьбового соединения. Увеличение момента достигается за счет увеличения диаметра опасного сечения ниппеля. Момент кручения увеличивается по квадратичной зависимости и зависит от площади опасного сечения. Ограничение верхней границы в соотношении между средним и наружным диаметрами резьбового соединения в основной плоскости объясняется тем, что увеличение диаметра резьбового соединения в основной плоскости не должно быть слишком большим, это приведет к ослаблению муфты соединения. Опасное сечение резьбового соединения перейдет с ниппеля на муфту, и соединение уже не будет сбалансированным, что может привести к усталостному разрушению муфты соединения в процессе работы. При чрезмерном увеличении среднего диаметра будет уменьшаться площадь упорного уступа ниппели и упорного торца муфты, что может привести к смятию упорных поверхностей, образованию задиров от высоких контактных давлений и как следствие, к нарушению герметичности и разрушению резьбового соединения. Из практики работы бурильных колонн, для бурильного инструмента таких размеров оптимальным считается контактное давление на наружных упорных поверхностях не менее 650 МПа и не более предела текучести материала. Эта величина рассчитывается из условия нераскрытия стыка при воздействии на резьбовое соединение максимальной растягивающей нагрузки на резьбовое соединение и внутреннего давления внутри бурильной колонны, т.е., забойного давления, при нахождении бурильного инструмента на устье скважины, или рассчитывается от максимального изгибающего момента, воспринимаемого резьбовым соединением и забойного давления при нахождении инструмента близко к забою скважины. На практике при работе бурильная колонна редко воспринимает максимальный крутящий момент, и для обеспечения правильности работы бурильной колонны резьбовые соединения собираются с рекомендуемым моментом свинчивания равным 50%-60% от максимального момента кручения. Именно момент свинчивания обеспечивает требуемое контактное давление на наружной упорной поверхности, чтобы исключить раскрытие стыка при работе бурильной колонны.

В таблице 1 и 2 представлены результаты испытаний резьбовых замковых соединений на определение момента кручения и контактные давления на наружной упорной поверхности от момента свинчивания.

Таблица 1
Средний диаметр резьбы в основной плоскости dcp, мм		Наружный диаметр резьбового конца D, мм		Диаметра отверстия муфты и ниппеля d, мм		Отношение среднего диаметра к наружному диаметру, %			Мкр, кН⋅м		Контактное давление, МПа
81		104,5		50,8		77,5			32		742
		111,7		50,8		72,5			32,4		815
Таблица 2
№	Средний диаметр резьбы в основной плоскости dcp, мм		Наружный диаметр резьбового конца D, мм		Диаметра отверстия муфты и ниппеля d, мм		Отношение среднего диаметра к наружному диаметру, %	Мкр, кН⋅м		Контактное давление, МПа
1	75,5		104,5		50,8		72,2	24,8		675
2	80		111,7		50,8		71,6	29,9		799
3	81,5		104,5		50,8		78,5	31,2		760
4	88		111,7		50,8		78,7	36,5		1010

Как видно из таблицы 2, при выходе среднего диаметра из заданного диапазона, для случаев №1, №2 и №3 момент кручения становится ниже, т.к. уменьшается площадь опасного сечения резьбового соединения. Для случаев №1 и №2 уменьшается площадь сечения ниппеля, который для данных примеров является слабым элементом. Для случая №3 уменьшается площадь сечения муфты в опасном сечении, которая для этого случая является слабым элементом. Как видим для случая №4 момент кручения возрастает, но в то же время контактное давление от момента свинчивания на внешней упорной поверхности становится чрезмерно большим и начинает превышать предел текучести материала. Расчеты, представленные в таблица 1 и 2 произведены для стандартного предела текучести бурильного замка трубы СБТ равного 827 МПа.

На фиг. 2 и 3 показано напряженно-деформированное состояние, а именно контактные давления в резьбе и пластическая деформация резьбы соответственно, для резьбового соединения №4 из таблицы 2.

На фиг. 2 контактные давления 1 на наружной упорной поверхности и давления 2 на внутренней упорной поверхности в крайних точках превышают 1700 МПа, что выше предела текучести для стандартного бурильного замка примерно на 250%, вероятность возникновения задиров в этих местах очень высокая, что подтверждается эксплуатацией бурильного инструмента, когда к резьбе приложили чрезмерный момент кручения.

На фиг. 3 в области А расточки муфтового конца и области В носика ниппеля при таком моменте кручения наступает пластическая деформация, следовательно, напряжения в этих местах превысили предел текучести материала. Такие высокие напряжения в металле приведут к быстрому усталостному разрушению резьбового соединения.

Результаты испытаний подтверждают, что отношение среднего диаметра к наружному диаметру резьбового соединения в основной плоскости, равное 75%±2,5% является оптимальным и позволяет увеличить момент кручения для указанного двухупорного сбалансированного резьбового соединения.

На фиг. 1 представлено резьбовое соединение.

На фиг. 2 представлен пример напряженно-деформированного состояния для резьбового соединения с отношением среднего диаметра к наружному диаметру равным 78,7%.

На фиг. 3 представлен пример напряженно-деформированного состояния для резьбового соединения с отношением среднего диаметра к наружному диаметру равным 78,7%.

Резьбовое соединение содержит ниппель 1 и муфту 2. Ниппель 1 выполнен с наружной конусной резьбой, наружным упорным уступом 3, внутренним упорным торцом 4. Муфта 2 выполнена с внутренней конусной резьбой, наружным упорным торцом 5, внутренним упорным уступом 6. Основная плоскость 7 резьбового соединения находится на длине Lоп от наружного упорного уступа 3 ниппеля 1 и от наружного упорного торца 5 муфты 2. Длина Lоп равна 15,875 мм. Резьбовое соединение характеризуется следующими геометрическими параметрами: общей длиной L, длиной носика ниппеля 1 - Lн, наружным диаметром D, внутренним диаметром d, средним диаметром dcp, шагом резьбы P. средний диаметр dcp - диаметр цилиндра, образующая которого пересекает профиль резьбы таким образом, что ее отрезки, образованные при пересечении с канавкой, равны половине номинального шага резьбы. При использовании резьбового соединения соединяют ниппель 1 с муфтой 2 при помощи конусной резьбы. Наружный упорный торец 5 муфты 2 при этом упирается в наружный упорный уступ 3 ниппеля 1, а в ее внутренний упорный уступ 6 соответственно упирается внутренний упорный торец 4 ниппеля 1.

Для сбалансированного резьбового соединения, шаг резьбы которого равен 8,4667 мм, угол профиля резьбы 90 градусов, конусность 1:9,6, с наружным диаметром D равным 108 мм, внутренним диаметром d равным 50,8 мм и средним диаметром dcp равным 81 мм на длине 15,875 мм от наружного упорного уступа 3 ниппеля 1 и от наружного упорного торца 5 муфты 2 момент кручения составляет 32,2 кН⋅м, а коэффициент отношения прочности на изгиб, т.е. отношение W_М/W_Н=2,31. Средний диаметр dcp в данном соединении соответствует условию его нахождения в пределах 75%±2,5% от наружного диаметра D резьбового соединения. Величина момента кручения превышает значения моментов кручения в подобных соединениях с иными средними диаметрами в опасном сечении примерно на 5,5%.

Таким образом, полезная модель позволяет повысить момент кручения резьбового соединения для бурильных труб малого диаметра.

Claims (1)

1. Двухупорное резьбовое соединение для бурильных труб малого диаметра, содержащее муфту с резьбой на внутренней поверхности, внешним упорным торцом и внутренним упорным уступом, ниппель с соответствующей резьбой на наружной поверхности, внешним упорным уступом и внутренним упорным торцом, имеющее коническую резьбу, шаг которой равен 8,4667 мм, угол профиля 90 градусов, конусность 1:9,6  и отношение внутреннего диаметра замка к наружному диаметру замка составляет 0,42-0,52, отличающееся тем, что средний диаметр резьбового соединения, находящийся на расстоянии 15,875 мм от упорного уступа ниппеля, составляет 75%±2,5% от наружного диаметра резьбового соединения, величина которого составляет 104-112 мм.