RU2549620C1 - Threaded connection of drill pipes - Google Patents

Threaded connection of drill pipes Download PDF

Info

Publication number
RU2549620C1
RU2549620C1 RU2013147759/03A RU2013147759A RU2549620C1 RU 2549620 C1 RU2549620 C1 RU 2549620C1 RU 2013147759/03 A RU2013147759/03 A RU 2013147759/03A RU 2013147759 A RU2013147759 A RU 2013147759A RU 2549620 C1 RU2549620 C1 RU 2549620C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
nipple
thread
coupling
joint
plane
Prior art date
Application number
RU2013147759/03A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2013147759A (en
Inventor
Леонид Артемьевич Лачинян
Александр Константинович Медведев
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Завод бурового оборудования"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Завод бурового оборудования" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Завод бурового оборудования"
Priority to RU2013147759/03A priority Critical patent/RU2549620C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2549620C1 publication Critical patent/RU2549620C1/en
Publication of RU2013147759A publication Critical patent/RU2013147759A/en

Links

Images

Landscapes

  • Earth Drilling (AREA)
  • Non-Disconnectible Joints And Screw-Threaded Joints (AREA)

Abstract

FIELD: mining.
SUBSTANCE: surface area of a thrust face of a coupling of a threaded connection in a maximum worn-out state is equal to surface area of a critical section of a nipple, which is multiplied by a coefficient of optimum stress of pre-tightening and at the same time, the surface area of the thrust face of the nipple, due to which optimum values of the main parameters of the connection are provided.
EFFECT: improving reliability and efficiency of functioning of a drill column both at drilling and during performance of lowering and lifting operations.
3 dwg, 1 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к буровой технике и касается преимущественно бурильных труб, применяемых при высокочастотном алмазном бурении со съемным керноприемником.The invention relates to drilling equipment and relates mainly to drill pipes used in high-frequency diamond drilling with a removable core receiver.

Имеется наиболее близкий аналог, принятый за прототип. Это резьбовое соединение бурильных труб NRQ фирмы Boart Longyear /2/.There is the closest analogue adopted for the prototype. This is a threaded joint for NRQ drill pipes from Boart Longyear / 2 /.

Особенностью конструкции такого резьбового соединения является наличие двух, наружного и внутреннего, упорных стыков, причем в новом, неизношенном соединении площадь внутреннего стыка всегда меньше площади наружного и напряжение от предварительной затяжки определяется площадью упорного торца ниппеля.A design feature of such a threaded connection is the presence of two, external and internal, thrust joints, and in a new, worn-out joint, the area of the inner joint is always less than the area of the outer and the tension from the preliminary tightening is determined by the area of the thrust end of the nipple.

Основным недостатком принятого за прототип резьбового соединения, разработанного фирмой Boart Longyear, является нерациональное соотношение площадей упорных торцов муфты, ниппеля и опасного сечения последнего, что приводит к недостаточной предварительной затяжке соединения, и, как следствие, к снижению его предела выносливости и крутящего момента.The main disadvantage of the threaded connection developed by Boart Longyear as a prototype is the irrational ratio of the areas of the thrust ends of the coupling, nipple and the dangerous section of the latter, which leads to insufficient preliminary tightening of the connection, and, as a result, to a decrease in its endurance and torque limit.

Предел выносливости наиболее точно оценивается по предельному знакопеременному изгибающему моменту (Mпред), и зависит от напряжения предварительной затяжки резьбового соединения /4/. На фиг.1 представлен график зависимости коэффициента влияния на предел выносливости напряжения предварительной затяжки. (Kвпз) от коэффициента Kз, которое определяется выражением /3/:The endurance limit is most accurately assessed by the alternating alternating bending moment (M before ), and depends on the pre-tension of the threaded connection / 4 /. Figure 1 presents a graph of the dependence of the coefficient of influence on the endurance limit of the tension of the pre-tightening. (K VPZ ) from the coefficient K s , which is determined by the expression / 3 /:

K в п з = f ( K з ) , ( 1 )

Figure 00000001
K at P s = f ( K s ) , ( one )
Figure 00000001

где Kззт - коэффициент напряжения предварительной затяжки соединения;where K z = σ z / σ t is the stress coefficient of the preliminary tightening of the connection;

σз - напряжение предварительной затяжки в опасном сечении ниппеля;σ s - pre-tension in a dangerous section of the nipple;

σт - предел текучести материала ниппеля.σ t - yield strength of the nipple material.

Данный график показывает, что величина Kвпз возрастает от значения, при котором соединение имело предел выносливости без предварительной затяжки (на графике положение соответствующее нулю), до максимального значения Kвпз=2,80 при Kз=0,66, после чего начинает снижаться.This graph shows that the value of K VPS increases from the value at which the compound had a fatigue limit without preliminary tightening (the position on the graph corresponds to zero) to the maximum value of K VPS = 2.80 at K s = 0.66, after which it begins to decrease .

В резьбовом соединении бурильной трубы NRQ площадь опасного сечения ниппеля составляет 450 мм2 и, при условии, что напряжение в упорном торце ниппеля равно пределу текучести, согласно графику его площадь должна составлять 450·0,66=297 мм2. Фактически она равна 203 мм2, т.е. на 46% меньше необходимой для обеспечения максимального значения Mпред.In the NRQ drill pipe threaded joint, the area of the dangerous section of the nipple is 450 mm 2 and, provided that the stress in the thrust end of the nipple is equal to the yield strength, according to the schedule, its area should be 450 · 0.66 = 297 mm 2 . In fact, it is equal to 203 mm 2 , i.e. 46% less than necessary to ensure the maximum value of M before .

В то же время площадь упорного торца муфты в предельно изношенном состоянии составляет 242 мм2, что на 19% больше, чем площадь упорного торца ниппеля. Этот излишек площади никак не реализуется, но он и не может реализоваться, так как напряжение от затяжки определяется меньшей площадью упорного торца ниппеля, что указывает на нерациональное использование суммарной площади поперечного сечения данного резьбового соединения.At the same time, the area of the persistent end of the coupling in the extremely worn state is 242 mm 2 , which is 19% more than the area of the persistent end of the nipple. This excess area is not realized in any way, but it cannot be realized, since the tension from the tightening is determined by the smaller area of the thrust end of the nipple, which indicates the irrational use of the total cross-sectional area of this threaded connection.

Кроме того, слишком малая площадь упорного торца ниппеля и упорного торца изношенной муфты резьбового соединения, приводят к известным случаям их деформации при постановке свечи на подсвечник в процессе подъема или на муфту верха колонны при спуске. Нередки также случаи конусообразной деформации торца ниппеля, приводящей к перекрытию внутреннего канала соединения и аварийной ситуации из-за невозможности прохождения керноприемной трубы как при спуске, так и, что особенно опасно, при извлечении ее, наполненной керном, т.е. при подъеме после окончания очередного рейса бурения.In addition, the too small area of the persistent end of the nipple and the persistent end of the worn coupling of the threaded connection, lead to known cases of their deformation when placing the candle on the candlestick during lifting or on the coupling of the top of the column during descent. Cases of cone-shaped deformation of the end face of the nipple are also frequent, leading to the overlap of the internal connection channel and an emergency situation due to the impossibility of passing the core-receiving pipe both during descent and, which is especially dangerous, when removing it filled with core, i.e. when lifting after the end of the next drilling trip.

Недостаточный крутящий момент резьбового соединения ограничивает достижение значительных глубин бурения и лишает также возможности надежного функционирования на небольших глубинах, но отличающихся сложными геолого-техническими условиями, связанными с повышенными затратами мощности на вращение и соответственно высокими крутящими моментами.Insufficient torque of the threaded connection limits the achievement of significant drilling depths and also deprives the possibility of reliable operation at shallow depths, but differing in complex geological and technical conditions associated with increased power consumption for rotation and, accordingly, high torques.

Задача изобретения состоит в том, чтобы создать резьбовое соединение с оптимальным соотношением геометрических параметров, обеспечивающим максимальные величины крутящего момента и предела выносливости соединения, более высокую прочность его упорных торцов для надежной работы бурильной колонны при бурении и спускоподъемных операциях.The objective of the invention is to create a threaded connection with the optimal ratio of geometric parameters, providing maximum values of torque and endurance limit of the connection, higher strength of its thrust ends for reliable operation of the drill string during drilling and hoisting operations.

Для решения этой задачи в резьбовом соединении бурильной трубы, состоящем из ниппеля и муфты, с конической резьбой и двумя, наружным и внутренним, упорными стыками, при заданных значениях наружного и внутреннего диаметров соединения, наружного его диаметра в предельно изношенном состоянии, длины резьбы, высоты ее профиля у ниппеля и муфты, площадь упорного торца муфты в предельно изношенном состоянии равна площади опасного сечения ниппеля, умноженной на коэффициент оптимального напряжения предварительной затяжки и одновременно площади упорного торца ниппеля.To solve this problem, in a threaded joint of a drill pipe, consisting of a nipple and a coupling, with a tapered thread and two, external and internal, thrust joints, at given values of the external and internal diameters of the connection, its outer diameter in the extremely worn state, thread length, height of its profile at the nipple and the coupling, the area of the persistent end of the coupling in the extremely worn state is equal to the area of the dangerous section of the nipple, multiplied by the coefficient of the optimal pre-tension voltage and simultaneously the area persistent end of the nipple.

Изобретение иллюстрируется чертежами (фиг.2), где изображены: 1 - муфта; 2 - ниппель; 3 - упорный торец муфты; 4 - упорный торец ниппеля; 5 - изнашиваемая часть тела соединения по наружному диаметру.The invention is illustrated by drawings (figure 2), which shows: 1 - coupling; 2 - nipple; 3 - persistent end face of the coupling; 4 - persistent end of the nipple; 5 - wear part of the body of the connection along the outer diameter.

Отметим, что плоскости опасных сечений ниппеля и муфты находятся вблизи соответственно плоскости наружного и внутреннего упорных стыков (далее стыков). Для удобства расчетов принимаем, что плоскость опасного сечения ниппеля совпадает с плоскостью наружного стыка, а плоскость опасного сечения муфты с плоскостью внутреннего стыка.Note that the plane of dangerous sections of the nipple and the coupling are located near the plane of the outer and inner thrust joints (hereinafter, joints), respectively. For the convenience of calculations, we assume that the plane of the dangerous section of the nipple coincides with the plane of the outer joint, and the plane of the dangerous section of the coupling with the plane of the inner joint.

Заявляемое изобретение позволяет решить поставленную задачу.The claimed invention allows to solve the problem.

Действительно, имеем следующие исходные параметры резьбового соединения:Indeed, we have the following initial parameters of the threaded connection:

D и d - наружный и внутренний диаметры резьбового соединения;D and d are the outer and inner diameters of the threaded connection;

Dи - наружный диаметр резьбового соединения в предельно изношенном состояния;D and - the outer diameter of the threaded connection in extremely worn condition;

tм и tн - высота профиля резьбы соответственно муфты и ниппеля;t m and t n - the height of the thread profile, respectively, of the coupling and nipple;

L - длина резьбы.L is the length of the thread.

Имеем также два условия оптимизации остальных параметров резьбового соединения. Первое условие:We also have two conditions for optimizing the remaining parameters of the threaded connection. The first condition:

S у т м = S о с н K з ( 2 )

Figure 00000002
S at t m = S about from n K s ( 2 )
Figure 00000002

где Sутм - площадь упорного торца муфты в предельно изношенном состоянии;where S utm - the area of the persistent end face of the coupling in extremely worn condition;

Sосн площадь опасного сечения ниппеля;S main area of the dangerous section of the nipple;

Kз - коэффициент напряжения предварительной затяжки резьбового соединения Второе условие:K s - stress coefficient of the preliminary tightening of the threaded connection The second condition:

S у т м = S у т н , ( 3 )

Figure 00000003
S at t m = S at t n , ( 3 )
Figure 00000003

где Sутм - площадь упорного торца ниппеля.where S utm - the area of the persistent end of the nipple.

Требуется, определить следующие параметры резьбового соединения с учетом заданных условий их оптимизации:It is required to determine the following parameters of the threaded connection taking into account the specified conditions for their optimization:

Dрнс - наружный диаметр резьбы муфты в плоскости наружного стыка;D rns - the outer diameter of the thread of the coupling in the plane of the outer joint;

Dрвс - наружный диаметр резьбы муфты в плоскости внутреннего стыка;D RVS - the outer diameter of the thread of the coupling in the plane of the inner joint;

dрнс - внутренний диаметр резьбы ниппеля в плоскости наружного стыка;d rns - the inner diameter of the thread of the nipple in the plane of the outer joint;

dрвс - внутренний диаметр резьбы ниппеля в плоскости внутреннего стыка;d RVS - the inner diameter of the thread of the nipple in the plane of the inner joint;

Kр - конусность резьбы.K p - the taper of the thread.

Примем, что tм+tн=a. Тогда согласно условию (2) имеем следующее равенствоWe assume that t m + t n = a . Then, according to condition (2), we have the following equality

Figure 00000004
Figure 00000004

После преобразований равенства (4) получаем величину Dрнс из следующего уравненияAfter transformations of equality (4), we obtain the value of D rns from the following equation

D р и с = B / 2 + | ( B / 2 ) 2 C | 0 , 5 , ( 5 )

Figure 00000005
D R and from = B / 2 + | ( B / 2 ) 2 - C | 0 , 5 , ( 5 )
Figure 00000005

где B=2aKз/(Kз+1);where B = 2 a K s / (K s +1);

Figure 00000006
Figure 00000006

Определив из выражения (5) наружный диаметр резьбы муфты в плоскости наружного стыка, находим внутренний диаметр резьбы ниппеля в этой же плоскостиHaving determined from the expression (5) the outer diameter of the thread of the coupling in the plane of the outer joint, we find the internal diameter of the thread of the nipple in the same plane

Figure 00000007
Figure 00000007

Чтобы определить внутренний диаметр резьбы ниппеля в плоскости внутреннего стыка находим сначала выражение площади упорного торца ниппеляTo determine the inner diameter of the thread of the nipple in the plane of the inner joint, we first find the expression of the area of the thrust end of the nipple

S у т н = ( d р в с 2 d 2 ) 0,785 ( 7 )

Figure 00000008
S at t n = ( d R at from 2 - d 2 ) 0.785 ( 7 )
Figure 00000008

и согласно условию (3) имеемand according to condition (3) we have

( d р в с 2 d 2 ) 0,785 = ( D и 2 D р н с 2 ) 0,785, ( 8 )

Figure 00000009
( d R at from 2 - d 2 ) 0.785 = ( D and 2 - D R n from 2 ) 0.785, ( 8 )
Figure 00000009

откуда находим внутренний диаметр резьбы ниппеля в плоскости внутреннего стыкаwhere do we find the inner diameter of the thread of the nipple in the plane of the inner joint

d р в с = ( D и 2 D р н с 2 + d 2 ) 0 , 5 ( 9 )

Figure 00000010
d R at from = ( D and 2 - D R n from 2 + d 2 ) 0 , 5 ( 9 )
Figure 00000010

Поскольку определены наружные диаметры резьбы ниппеля в плоскостях наружного и внутреннего стыков, определяем конусность резьбыSince the outer diameters of the thread of the nipple are determined in the planes of the external and internal joints, we determine the taper of the thread

K р = ( d р н с d р в с ) / L ( 10 )

Figure 00000011
K R = ( d R n from - d R at from ) / L ( 10 )
Figure 00000011

Наконец, имея выражение конусности, определяем наружный диаметр наружной резьбы в плоскости внутреннего стыкаFinally, having an expression of taper, we determine the outer diameter of the external thread in the plane of the internal joint

D р в с = D р н с L K р = D р н с ( d р н с d р в с ) L / L = D р н с d р н с + d р в с ( 11 )

Figure 00000012
D R at from = D R n from - L K R = D R n from - ( d R n from - d R at from ) L / L = D R n from - d R n from + d R at from ( eleven )
Figure 00000012

Таким образом, все искомые параметры резьбы определены в общем, т.е. в буквенном, виде с учетом исходных данных и заданных условий решения поставленной задачи. Поскольку геометрические параметры резьбового соединения определены с учетом также заданного соотношения площадей упорных торцов муфты ниппеля и его опасного сечения, обеспечивающего оптимальное напряжение предварительной затяжки соединения, крутящий момент и предел выносливости его должны иметь максимальные значения. В этом можно убедиться при решении задачи в численном виде для предлагаемого резьбового соединения и сравнить полученные параметры его с параметрами соединения, принятого за прототип, как это показано в примере реализации изобретения.Thus, all the desired thread parameters are defined in general, i.e. in letter form, taking into account the source data and the given conditions for solving the problem. Since the geometrical parameters of the threaded connection are also determined taking into account the given ratio of the areas of the thrust ends of the nipple coupling and its dangerous section, which ensures the optimum pre-tension of the connection, the torque and its endurance limit must have maximum values. You can verify this when solving the problem in numerical form for the proposed threaded connection and compare the obtained parameters with the connection parameters adopted for the prototype, as shown in the example implementation of the invention.

Пример реализации предлагаемого изобретения.An example implementation of the invention.

Для примера возьмем исходные параметры резьбового соединения, принятого за прототип, т.е. соединения бурильной трубы NRQ:For example, we take the initial parameters of the threaded connection adopted for the prototype, i.e. NRQ drill pipe connections:

D=69,90 мм; d=60,30 мм; Dи=69,00 мм; L=41,99 мм; tм=0,90 мм; tн=0,95 мм; предел текучести стали σт=1000 Мпа; временное сопротивление σв=1200 МПа. Принимаем Kз=0,66.D = 69.90 mm; d = 60.30 mm; D and = 69.00 mm; L = 41.99 mm; t m = 0.90 mm; t n = 0.95 mm; yield strength of steel σ t = 1000 MPa; temporary resistance σ in = 1200 MPa. We take K s = 0.66.

Для определения наружного диаметра резьбы муфты в плоскости наружного стыка вычисляем следующие величины, входящие в уравнение (5):To determine the outer diameter of the thread of the coupling in the plane of the outer joint, we calculate the following quantities included in equation (5):

a=0,90+0,95=1,85 мм; a = 0.90 + 0.95 = 1.85 mm;

B=2·1,85·0,66/(0,66+1)=1,47;B = 2 · 1.85 · 0.66 / (0.66 + 1) = 1.47;

C={0,66(1,852-60,302)-69,002}/(0,66+1)=-4312,4C = {0.66 (1.85 2 -60.30 2 ) -69.00 2 } / (0.66 + 1) = - 4312.4

Подставив эти величины в уравнение (5) имеемSubstituting these quantities into equation (5) we have

Dрнс=1,47/2+|(1,47/2)2+4312,4|0,5=66,40 ммD rns = 1.47 / 2 + | (1.47 / 2) 2 +4312.4 | 0.5 = 66.40 mm

Внутренний диаметр ниппеля в плоскости наружного стыка согласно (6)The inner diameter of the nipple in the plane of the outer joint according to (6)

dрнс=Dрнс-1,85=64,55 мм.d rns = D rns -1.85 = 64.55 mm.

Из выражения (9) находим внутренний диаметр резьбы ниппеля в плоскости внутреннего стыкаFrom expression (9) we find the inner diameter of the thread of the nipple in the plane of the inner joint

dрвс=(69,02-66,42+60,32)0,5=63,15 ммd RVS = (69.0 2 -66.4 2 +60.3 2 ) 0.5 = 63.15 mm

Конусность резьбы из выражения (10)Thread taper from expression (10)

Kр=(64,55-63,15)/41,99=0,0334(1:29,94)K p = (64.55-63.15) / 41.99 = 0.0334 (1: 29.94)

Имея конусность, определяем наружный диаметр резьбы муфты в плоскости внутреннего стыкаHaving taper, determine the outer diameter of the thread of the coupling in the plane of the inner joint

Dрвс=66,40-41,99·0,0334=65,00 ммD RVS = 66.40-41.99.0334 = 65.00 mm

Получив основные параметры резьбового соединения, вычисляем их производные: площади и толщины стенок наружного и внутреннего стыка и опасных сечений ниппеля и муфты, моменты сопротивления при изгибе этих сечений и их толщины стенок, крутящие моменты затяжки резьбового соединения и пределы выносливости соединений в зависимости от их предварительной затяжки и с учетом графика на фиг.1.Having obtained the main parameters of the threaded connection, we calculate their derivatives: the area and wall thicknesses of the external and internal joints and dangerous sections of the nipple and the coupling, the moments of bending resistance of these sections and their wall thicknesses, the tightening torques of the threaded connection and the endurance limits of the joints depending on their preliminary tightening and taking into account the schedule in figure 1.

Все эти параметры для нового соединения (вариант №1) и двух так называемых контрольных вариантов (№2 и №3) соединений в сравнении с аналогичными параметрами соединения, принятого за прототип, приведены в табл.1.All these parameters for the new compound (option No. 1) and two so-called control variants (No. 2 and No. 3) of compounds in comparison with the same parameters of the compound adopted as a prototype are shown in Table 1.

Таблица 1Table 1 Наименование параметров резьбового соединенияName of the parameters of the threaded connection Значения параметров резьбового соединенияThreaded connection values Прототипа (NRQ)Prototype (NRQ) Нового и контрольных вариантов*1 New and control options * 1 №2Number 2 №1No. 1 №3Number 3 1. Диаметры резьбового соединения, мм:1. The diameters of the threaded connection, mm: наружныйouter 69,9069.90 69,9069.90 69,9069.90 69,9069.90 внутреннийinterior 60,3060.30 60,3060.30 60,3060.30 60,3060.30 2. Запас на износ по наружному диаметру, мм*2 2. The stock of wear on the outer diameter, mm * 2 0,90.9 0,90.9 0,90.9 0,90.9 3. Наружный диаметр резьбы муфты, мм:3. The outer diameter of the thread of the coupling, mm: в плоскости наружного стыкаin the plane of the outer joint 66,7366.73 66,5066.50 66,4066.40 66,3066.30 в плоскости внутреннего стыкаin the plane of the inner joint 64,26 64.26 64,9064.90 65,0065.00 65,1165.11 средний посередине длины резьбыmiddle in the middle of the thread length 65,565.5 65,765.7 65,765.7 65,765.7 4. Внутренний диаметр резьбы ниппеля, мм:4. The internal diameter of the thread of the nipple, mm: в плоскости наружного стыкаin the plane of the outer joint 64,9564.95 64,6564.65 64,5564.55 64,4564.45 в плоскости внутреннего стыкаin the plane of the inner joint 62,5562.55 63,0563.05 63,1563.15 63,2663.26 5. Конусность резьбы5. Thread taper 1:171:17 1:26,251: 26.25 1:29,941: 29.94 1:35,281: 35.28 6. Площадь упорного торца муфты, мм2:6. The area of the persistent end of the coupling, mm 2 : новойnew 340340 364364 374374 385385 в предельном состоянии по износуin extreme wear condition 242242 266266 275275 287287 7. Толщина стенки упорного торца муфты, мм:7. Wall thickness of the coupling end face, mm: новойnew 1,581,58 1,701.70 1.751.75 1,801.80 в предельном состоянии по износуin extreme wear condition 1,141.14 1,251.25 1,301.30 1,351.35 8. Площадь упорного торца ниппеля, мм2:8. The area of the persistent end of the nipple, mm 2 : из условия оптимального напряжения затяжкиfrom the condition of optimum tension 297297 282282 275275 268268 фактическиactually 203203 266266 275275 287287 9. Толщина стенки упорного торца ниппеля, мм:9. Wall thickness of the persistent end of the nipple, mm: из условия оптимального напряжения затяжкиfrom the condition of optimum tension 1,501,50 1,451.45 1,401.40 1,351.35 фактическиactually 1,051.05 1,381.38 1,401.40 1,481.48 10. Площадь опасного сечения, мм2:10. The area of the dangerous section, mm 2 : ниппеляnipple 450450 427427 416416 406406 муфты новой муфты couplings of the new coupling 545545 527527 519519 508508 изношеннойworn out 447447 431431 421421 410410 11. Толщина стенки опасного сечения, мм:11. Wall thickness of the dangerous section, mm: ниппеляnipple 2,322,32 2,182.18 2,122.12 2,082.08 муфты новойcouplings new 2,752.75 2,502,50 2,452.45 2,402.40 муфты изношеннойworn couplings 2,302,30 2,052.05 2,002.00 1,951.95 12. Момент сопротивления опасного сечения при изгибе, 103 мм3:12. The moment of resistance of the dangerous section during bending, 10 3 mm 3 : ниппеляnipple 6,96.9 6,66.6 6,46.4 6,36.3 муфты новойcouplings new 9,89.8 8,88.8 8,78.7 8,48.4 муфты изношеннойworn couplings 8,18.1 7,17.1 7,07.0 6,86.8 13. Предельный знакопеременный изгибающий момент (Mпред), Нм: 13. Ultimate alternating bending moment (M before ), Nm: ниппеля (соединения без предварительной затяжки)*3:nipple (connections without preliminary tightening) * 3 : 385385 368368 357357 349349 муфты новойcouplings new 16801680 508508 14901490 14401440 муфты изношеннойworn couplings 13881388 12171217 12001200 11661166 14. Коэффициент напряжения предварительной затяжки резьбового соединения, Kз 14. The voltage coefficient of the preliminary tightening of the threaded connection, K s 0,450.45 0,620.62 0,660.66 0,710.71 15. Коэффициент влияния напряжения предварительной затяжки на предел выносливости резьбового соединения Kвпз 15. The coefficient of influence of the tension of the pre-tightening on the endurance limit of the threaded connection K VPZ 2,222.22 2,662.66 2,802.80 2,662.66 16. Предельный знакопеременный изгибающий момент соединения с предварительной затяжкой резьбы (Mпред), Нм:16. The alternating alternating bending moment of the connection with the preliminary tightening of the thread (M before ), Nm: 855855 980980 10001000 940940 17. Предельный крутящий момент затяжки резьбового соединения из условия достижения предела текучести материала в упорном торце ниппеля, кНм*4 17. The ultimate torque of the tightening of the threaded connection from the condition of reaching the yield strength of the material in the thrust end of the nipple, kNm * 4 2,642.64 3,493.49 3,573.57 3,523.52 18. Предельная глубина скважины, при которой крутящий момент в верхнем конце бурильной колонны достигает предельного крутящего момента затяжки, м*5 18. The maximum depth of the well, at which the torque in the upper end of the drill string reaches the maximum torque, m * 5 24502450 35003500 37003700 36003600 19. Предельная растягивающая нагрузка, при которой напряжение в опасном сечении соединения достигает предела текучести, кН*6 19. Ultimate tensile load at which the stress in the dangerous section of the joint reaches the yield strength, kN * 6 447447 427427 416416 406406 Примечания:Notes: *1 Основным является вариант №1, поскольку он рассчитан согласно заданным условиям (2) и (3). Контрольные варианты №2 и №3 отличаются тем, что наружный диаметр резьбы муфты в плоскости наружного стыка не рассчитывался, а был принят на ОД мм соответственно больше и меньше, чем в основном, а затем рассчитывались остальные параметры. Сравнение их параметров с параметрами основного варианта позволяет сделать вывод, что последний является оптимальным для данного типоразмера резьбового соединения.* 1 The main one is option No. 1, since it is calculated according to the given conditions (2) and (3). Control options No. 2 and No. 3 are distinguished by the fact that the outer diameter of the coupling thread in the plane of the outer joint was not calculated, but was adopted for OD mm larger and smaller, respectively, than basically, and then other parameters were calculated. Comparison of their parameters with the parameters of the main option allows us to conclude that the latter is optimal for a given size of a threaded connection. *2 В своем каталоге /1/ фирма Boart Longyear не дает рекомендаций по данному параметру. Величина предельного износа по наружному диаметру соединения принята на основании данных ОАО «Русская буровая компания», многие годы эксплуатирующая бурильные трубы NRQ. При этом средний ресурс бурильной трубы в породах VI-VII категорий по буримости и средней абразивности составляет около 6000 метров или 2000 ч чистого бурения при средней частоте вращения бурильной колонны 1000 об/мин. и механической скорости 3 м/ч.* 2 Boart Longyear does not recommend this parameter in its / 1 / directory. The value of the maximum wear on the outer diameter of the joint was adopted based on the data of Russian Drilling Company, which has been operating NRQ drill pipes for many years. At the same time, the average resource of a drill pipe in rocks of the VI-VII categories for drillability and average abrasiveness is about 6000 meters or 2000 hours of pure drilling at an average rotational speed of the drill string of 1000 rpm. and a mechanical speed of 3 m / h. *3 Согласно работе /6/ предел выносливости гладкого образца для стали с временным сопротивлением σв=1200 МПа равна σ-1=1200·0,40=480 МПа, а коэффициент снижения предела выносливости для муфты за счет концентрации напряжений на ее поверхности /4/ составляет величину (Kσ) д=2,8. В результате, предел выносливости, выраженный в предельном изгибающем моменте, например, для новой муфты резьбового соединения трубы NRQ, составит 480:2,8·9,8·103=1680·103 Нмм=1680 Нм, где 9,8·103 мм3 - момент сопротивления опасного сечения муфты при изгибе. Во всех рассматриваемых вариантах соединений принята резьба с шагом 8,466 мм трапецеидального профиля с отрицательным углом его рабочей стороны. На основании натурных испытаний резьбовых соединений, проведенных ОАО «Завод бурового оборудования», для резьбы такого профиля величина (Kσ) д=8,6. (для резьбы с треугольным профилем и закругленными впадинами он равен 6,3 /5/). Поэтому, например, для ниппеля, т.е. соединения без предварительной затяжки трубы NRQ, предельный изгибающий момент составит 480:8,6·6,9=385 Нм, а для этого же соединения, но с предварительной затяжкой - 385·Kвпз=385·2,22=855 Нм. Здесь ниппель недогружен из-за малой величины Kвпз. У контрольного варианта соединения №2 ниппель при затяжке наоборот перегружен (Kз=0,71 вместо 0,66). Поэтому силу затяжки и соответственно крутящий момент для этого соединения целесообразно принять не по фактической площади (287 мм2) упорного торца ниппеля, как это показано в таблице, а по площади (268 мм2), рассчитанной из условия оптимального напряжения затяжки. Тогда коэффициент Kвпз=2,8 и соответственно Mпред=349·2,8=977 вместо 940 Нм. Для всех сравниваемых вариантов соединений величина Mпред у опасного сечения муфты как новой, так и изношенной, существенно выше, чем у опасного сечения ниппеля, что подтверждается практикой - обрывы колонны практически всегда происходят по опасному сечению ниппеля.According to the * 3/6 / smooth specimen endurance limit for steel with a strength σ in = 1200 MPa is σ -1 = 1200 · 0.40 = 480 MPa, and fatigue strength reduction factor for the coupling due to stress concentration on its surface / 4 / is the value of (K σ ) d = 2,8. As a result, the endurance limit, expressed in the ultimate bending moment, for example, for a new NRQ pipe threaded coupling, will be 480: 2.8 · 9.8 · 10 3 = 1680 · 10 3 Nmm = 1680 Nm, where 9.8 · 10 3 mm 3 - the moment of resistance of the dangerous section of the coupling in bending. In all considered variants of connections, a thread with a pitch of 8.466 mm of a trapezoidal profile with a negative angle of its working side is adopted. Based on field tests of threaded joints carried out by Drilling Equipment Plant OJSC, for a thread of this profile, the value (K σ ) d = 8.6. (for threads with a triangular profile and rounded cavities, it is 6.3 / 5 /). Therefore, for example, for a nipple, i.e. the connection without pre-tightening the NRQ pipe, the ultimate bending moment will be 480: 8.6 · 6.9 = 385 Nm, and for the same connection, but with the preliminary tightening - 385 · K VPZ = 385 · 2.22 = 855 Nm. Here, the nipple is underloaded due to the small value of K VPS . In the control version of the connection No. 2, the nipple, when tightened, is on the contrary overloaded (K s = 0.71 instead of 0.66). Therefore, it is advisable to take the tightening force and, accordingly, the torque for this connection not according to the actual area (287 mm 2 ) of the thrust end of the nipple, as shown in the table, but according to the area (268 mm 2 ) calculated from the optimum tightening voltage. Then the coefficient K VBZ = 2.8 and, accordingly, M pre = 349 · 2.8 = 977 instead of 940 Nm. For all compared variants of connections, the value of M before the dangerous section of the coupling, both new and worn, is significantly higher than that of the dangerous section of the nipple, which is confirmed by practice - breaks in the column almost always occur along the dangerous section of the nipple. *4 Крутящий момент затяжки определяется из известных зависимостей /1/. Он включает три составляющие: моменты сопротивления силам трения в резьбе, наружном и внутреннем упорном стыках. Например, для резьбового соединения трубы NRQ сумма этих составляющих равна 1,333+0,690+0,617=2,64, а для предлагаемого 1,807+0,933+0,833=3,57 кНм.* 4 Tightening torque is determined from the known dependencies / 1 /. It includes three components: moments of resistance to friction forces in the thread, external and internal thrust joints. For example, for the threaded connection of the NRQ pipe, the sum of these components is 1.333 + 0.690 + 0.617 = 2.64, and for the proposed 1.807 + 0.933 + 0.833 = 3.57 kNm. *5 Данный параметр получен для следующих условий бурения: Скважина вертикальная, диаметр ее с учетом коэффициента разработки равен 83,6 мм (76·1,10=83,6). Частота вращения 1000 об/мин, осевая нагрузка на алмазную буровую коронку 19,6 кН. Сначала по формуле Кардыша-Окмянского /7/ определялась затрачиваемая мощность на вращение бурильной колонны на данной глубине скважины, а затем соответствующий ей на этой глубине крутящий момент вращения:* 5 This parameter was obtained for the following drilling conditions: The well is vertical, its diameter, taking into account the development coefficient, is 83.6 mm (76 · 1.10 = 83.6). The rotation speed is 1000 rpm, the axial load on the diamond drill bit is 19.6 kN. First, the consumed power for the rotation of the drill string at a given depth of the well was determined using the Kardysh-Okmyansky formula / 7 /, and then the rotation torque corresponding to it at this depth: Глубина скважины, мWell depth, m 10001000 20002000 30003000 40004000 Затраты мощности, кВт Power consumption, kW 143143 238238 322322 399399 Крутящий момент вращения, кНмTorque of rotation, kNm 1,361.36 2,272.27 3,083.08 3,813.81 На фиг.3 представлен график зависимости крутящего момента вращения бурильной колонны от глубины скважины в заданных условиях бурения.Figure 3 presents a graph of the dependence of the torque of the rotation of the drill string from the depth of the borehole in the given drilling conditions. *6 Предельная растягивающая нагрузка определялась по минимальной площади опасных сечений ниппеля и муфты при заданном пределе текучести материала бурильных труб. Например, для соединения трубы NRQ минимальной является площадь сечения муфты в изношенном состоянии. Поэтому предельная растягивающая нагрузка составит 447 мм2·1000 H/мм2=447000 Н=447 кН.* 6 The ultimate tensile load was determined by the minimum area of dangerous cross sections of the nipple and sleeve at a given yield strength of the material of the drill pipe. For example, to connect the NRQ pipe, the clutch section area in the worn state is minimal. Therefore, the ultimate tensile load will be 447 mm 2 · 1000 N / mm 2 = 447000 N = 447 kN.

Из приведенных в табл.1 данных следует, что резьбовое соединение, выполненное в соответствии с двумя заданными исходными положениями (2) и (3), обладает оптимальным сочетанием геометрических параметров и, в результате, предельный крутящий момент возрастает на 35%, предельная (в заданных условиях бурения) глубина скважины, как следствие, на 48%, а предел выносливости выше на 17%. Площадь упорного торца ниппеля больше на 33, а муфты в предельно изношенном состоянии на 14%, что способствует более надежному функционированию бурильной колонны с применением съемного керноприемника при спускоподъемных операциях с бурильной колонной.From the data given in Table 1, it follows that a threaded connection made in accordance with two predetermined initial positions (2) and (3) has an optimal combination of geometric parameters and, as a result, the limiting torque increases by 35%, the limiting (in specified drilling conditions) the depth of the well, as a result, is 48%, and the endurance limit is higher by 17%. The area of the persistent end of the nipple is larger by 33, and the couplings in extremely worn condition by 14%, which contributes to a more reliable functioning of the drill string using a removable core receiver during tripping with the drill string.

Следует отметить, что в результате несбалансированности геометрических параметров резьба предельная растягивающая нагрузка у соединения бурильных труб NRQ оказалась на 7% выше, чем предлагаемое, что несущественно, так как практически не реализуется.It should be noted that as a result of the unbalanced geometric parameters of the thread, the ultimate tensile load at the joint of the NRQ drill pipe turned out to be 7% higher than the proposed one, which is insignificant, since it is practically not realized.

Действительно, эта нагрузка закономерно возникает в момент начала подъема колонны бурильных труб с предельной глубины скважины (поз.18, табл.1) и фактически будет равна массе колонны (для вертикальной скважины можно принять, что выталкивающая сила промывочной жидкости уравновешивается силой сопротивления трению о стенки скважины). Для колонны NRQ предельная глубина скважины составляет 2450 м. При удельной массе трубы 7,8 кг/м масса колонны на данной глубине равна 19110 кг или 187 кН, что составляет 42% от ее предельной растягивающей нагрузки и, следовательно, преимущество в 7% по предельной растягивающей нагрузке здесь не играет никакой роли.Indeed, this load naturally arises at the moment of the beginning of the rise of the drill pipe string from the maximum depth of the borehole (pos. 18, Table 1) and will actually be equal to the mass of the string (for a vertical borehole, it can be assumed that the buoyancy force of the flushing fluid is balanced by the resistance to friction against the walls wells). For an NRQ column, the maximum depth of the well is 2450 m. With a specific gravity of 7.8 kg / m, the mass of the column at this depth is 19 110 kg or 187 kN, which is 42% of its ultimate tensile load and, therefore, an advantage of 7% for ultimate tensile load does not play any role here.

Для бурильной трубы с предлагаемым резьбовым соединением предельная глубина скважины составляет 3700 м при общей массе колонны 28860 кг или 283 кН в то время, как предельная растягивающая нагрузка равна 416 кН, что вполне достаточно.For a drill pipe with the proposed threaded connection, the maximum depth of the well is 3700 m with a total mass of the string of 28860 kg or 283 kN, while the ultimate tensile load is 416 kN, which is quite enough.

Рассмотренный пример реализации показал, что в результате решения поставленной задачи резьбовое соединение бурильных труб благодаря оптимальному сочетанию геометрических параметров имеет преимущества перед прототипом по предельному крутящему моменту и пределу выносливости, обладает более прочными упорными торцами, что в целом обеспечивает более надежное и эффективное функционирование бурильной колонны.The considered implementation example showed that as a result of solving the task, the threaded connection of drill pipes due to the optimal combination of geometric parameters has advantages over the prototype in terms of maximum torque and endurance limit, it has more durable thrust ends, which in general provides more reliable and efficient functioning of the drill string.

ЛитератураLiterature

1. Биргер И.А. Расчет резьбовых соединений. М.: Гос. изд. оборон. пром., 1959, 252 с.1. Birger I.A. Calculation of threaded connections. M .: State. ed. defense. prom., 1959, 252 p.

2. Бурильные и обсадные трубы. Сводный каталог продукции. BOART LONGYEAR™. .2. Drill and casing pipes. Consolidated product catalog. BOART LONGYEAR ™. .

3. Лачинян Л.A., Угаров С.А. Конструирование, расчет и эксплуатация бурильных геологоразведочных труб и их соединений. М.: Недра, 1975, 232 с.3. Lachinyan L.A., Ugarov S.A. Design, calculation and operation of drill exploration pipes and their compounds. M .: Nedra, 1975, 232 p.

4. Лачинян Л.А. Работа бурильной колонны. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1992, - 214 с., ил.4. Lachinyan L.A. The work of the drill string. - 2nd ed., Revised. and add. - M .: Nedra, 1992, - 214 p., Ill.

5. Сароян А.Е. Теория и практика работы бурильной колонны. - М.: Недра, 1990. - 263 с., ил.5. Saroyan A.E. Theory and practice of the drill string. - M .: Nedra, 1990 .-- 263 p., Ill.

6. Сопротивление материалов, Кинасошвили Р.С. Гл. ред. Физико-математической литературы изд. «Наука», 1968, 384 с.6. Resistance of materials, Kinasoshvili RS Ch. ed. Physical and mathematical literature ed. “Science”, 1968, 384 pp.

7. Справочник инженера по бурению геологоразведочных скважин: в 2-х томах / Под редакцией проф. Козловского. - Том 2. - М.: Недра, 1984, 437 с.7. Handbook of an engineer for drilling exploration wells: in 2 volumes / Edited by prof. Kozlovsky. - Volume 2. - M .: Nedra, 1984, 437 p.

Claims (1)

Резьбовое соединение бурильной трубы, состоящее из ниппеля и муфты, с конической резьбой и двумя, наружным и внутренним, упорными стыками, при заданных значениях наружного и внутреннего диаметров соединения, наружного его диаметра в предельно изношенном состоянии, длины резьбы, высоты ее профиля у ниппеля и муфты, отличающееся тем, что площадь упорного торца муфты в предельно изношенном состоянии равна площади опасного сечения ниппеля, умноженной на коэффициент оптимального напряжения предварительной затяжки и одновременно площади упорного торца ниппеля, благодаря чему обеспечиваются оптимальные значения основных параметров соединения, в том числе наружного диаметра резьбы муфты в плоскости наружного упорного стыка, определяемого из выражения:
D р н с = B / 2 + | ( B / 2 ) 2 C | 0 , 5
Figure 00000013
,
где B=2aKз(Kз+1);
C = | K з ( a 2 d 2 ) D и | / ( K з + 1 ) |
Figure 00000014
;
a=tм+tн - сумма высот профиля резьбы соответственно муфты и ниппеля;
Kз3т=0,66 - коэффициент оптимального напряжения предварительной затяжки соединения;
σз - напряжение предварительной затяжки в опасном сечении ниппеля;
σт - предел текучести материала соединения;
d - внутренний диаметр соединения;
Dи - наружный диаметр соединения в предельно изношенном состоянии, а также внутреннего диаметра резьбы ниппеля в этой же плоскости dрвс=Dрнс - а, внутреннего диаметра резьбы ниппеля в плоскости внутреннего упорного стыка d р н с = ( D и 2 D р н с 2 + d 2 ) 0 , 5
Figure 00000015
, конусности резьбы, определяемой из выражения (dрнс-dрвс)/L, где L - длина резьбы, и наружного диаметра резьбы муфты в плоскости внутреннего стыка Dрвс=Dрнс-dрнс+dрвс.
A threaded joint of a drill pipe consisting of a nipple and a sleeve with a tapered thread and two external and internal thrust joints for given values of the external and internal diameters of the joint, its outer diameter in extremely worn condition, the length of the thread, the height of its profile at the nipple and couplings, characterized in that the area of the persistent end of the coupling in the extremely worn state is equal to the area of the dangerous section of the nipple, multiplied by the coefficient of the optimal pre-tension voltage and simultaneously the end face of the nipple, which ensures optimal values of the main parameters of the connection, including the outer diameter of the thread of the coupling in the plane of the external stop joint, determined from the expression:
D R n from = B / 2 + | ( B / 2 ) 2 - C | 0 , 5
Figure 00000013
,
where B = 2aK s (K s +1);
C = | K s ( a 2 - d 2 ) - D and | / ( K s + one ) |
Figure 00000014
;
a = t m + t n - the sum of the heights of the thread profile, respectively, of the coupling and nipple;
K s = σ 3 / σ t = 0,66 - the coefficient of the optimal voltage of the preliminary tightening of the connection;
σ s - pre-tension in a dangerous section of the nipple;
σ t - yield strength of the compound material;
d is the inner diameter of the compound;
D and - the outer diameter of the connection in extremely worn condition, as well as the inner diameter of the thread of the nipple in the same plane d pbc = D rns - D, the inner diameter of the thread of the nipple in the plane of the internal thrust joint d R n from = ( D and 2 - D R n from 2 + d 2 ) 0 , 5
Figure 00000015
, the taper of the thread, determined from the expression (d rns -d rvs ) / L, where L is the length of the thread, and the outer diameter of the thread of the coupling in the plane of the inner joint D rvs = D rns -d rns + d rvs .
RU2013147759/03A 2013-10-28 2013-10-28 Threaded connection of drill pipes RU2549620C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013147759/03A RU2549620C1 (en) 2013-10-28 2013-10-28 Threaded connection of drill pipes

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013147759/03A RU2549620C1 (en) 2013-10-28 2013-10-28 Threaded connection of drill pipes

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2549620C1 true RU2549620C1 (en) 2015-04-27
RU2013147759A RU2013147759A (en) 2015-05-10

Family

ID=53283223

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013147759/03A RU2549620C1 (en) 2013-10-28 2013-10-28 Threaded connection of drill pipes

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2549620C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2646280C2 (en) * 2016-12-02 2018-03-02 Открытое акционерное общество "Завод бурового оборудования" Detachable adapter
RU2747498C1 (en) * 2020-10-13 2021-05-05 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тюменский индустриальный университет" (ТИУ) Threaded joint conical connectin of drill pipes

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1761425A1 (en) * 1990-01-30 1992-09-15 Ивано-Франковский Институт Нефти И Газа Assembling method for taper buttress thread connections
US5492375A (en) * 1994-07-21 1996-02-20 Grant Tfw, Inc. Drill pipe with improved connectors

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1761425A1 (en) * 1990-01-30 1992-09-15 Ивано-Франковский Институт Нефти И Газа Assembling method for taper buttress thread connections
US5492375A (en) * 1994-07-21 1996-02-20 Grant Tfw, Inc. Drill pipe with improved connectors

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Бурильные и обсадные трубы. Сводный каталог продукции, 2009, с. 31-34, найдено в сети интернет http://app.boartlongyear.com/brochures/Rods_and_Casing_Catalog_6_19_14.pdf. *
ЛАЧИНЯН Л.А. Работа бурильной колонны: Недра 1992, с. 128-129 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2646280C2 (en) * 2016-12-02 2018-03-02 Открытое акционерное общество "Завод бурового оборудования" Detachable adapter
RU2747498C1 (en) * 2020-10-13 2021-05-05 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тюменский индустриальный университет" (ТИУ) Threaded joint conical connectin of drill pipes

Also Published As

Publication number Publication date
RU2013147759A (en) 2015-05-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8678447B2 (en) Drill pipe system
US11754207B2 (en) Thread form and threaded article
US9222314B2 (en) Shale drill pipe
US20230129252A1 (en) Drill pipe
RU2549620C1 (en) Threaded connection of drill pipes
WO2010144184A2 (en) Slip free drill pipe
AU2021202556B2 (en) Pipe connector
US20160298400A1 (en) Pipe Connector
RU2728105C1 (en) Threaded locking conical connection of drilling pipes and method of increasing its carrying capacity and service life
CN205778593U (en) A kind of anti-galling drilling tool thread joint
US20200399964A1 (en) Drill pipe and optimization thereof
WO2021096758A1 (en) Improved drill pipe
US20070151739A1 (en) Connector for use in a wellbore
US11092266B2 (en) Pipe connector
US20080289879A1 (en) Connection Assembly For Drill Collars or Heavy Drill Pipes
RU95730U1 (en) DRILL AUGER
US12000214B2 (en) Drill pipe and optimization thereof
RU208444U1 (en) DRILL PIPE
RU210115U1 (en) Drill pipe with double-shouldered locks of reduced outer diameter
RU2747498C1 (en) Threaded joint conical connectin of drill pipes
EP3577304B1 (en) Modular tubular product for well applications
CN105909184A (en) Anti-galling drilling-tool thread joint
RU112975U1 (en) RESOURCE CONNECTION OF PUMP-COMPRESSOR OR DRILL PIPES
RU162489U1 (en) DRILL RIG ELECTRICAL SEPARATOR
RU2403368C2 (en) Pump rod

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20171029