RU2796709C1 - Threaded connection of the drill string - Google Patents
Threaded connection of the drill string Download PDFInfo
- Publication number
- RU2796709C1 RU2796709C1 RU2022133186A RU2022133186A RU2796709C1 RU 2796709 C1 RU2796709 C1 RU 2796709C1 RU 2022133186 A RU2022133186 A RU 2022133186A RU 2022133186 A RU2022133186 A RU 2022133186A RU 2796709 C1 RU2796709 C1 RU 2796709C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- thread
- nipple
- diameter
- outer diameter
- coupling
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Предложенное изобретение относится к области горного дела, а именно к упорным резьбовым соединениям (замкам) бурильных труб с наружным диаметром замка 120–169 мм конусностью резьбы 1:9,6, предназначенным в основном для бурения, в том числе горизонтальных и сильно искривлённых скважин.The proposed invention relates to the field of mining, namely to thrust threaded joints (locks) of drill pipes with an outer diameter of the lock of 120–169 mm with a thread taper of 1:9.6, intended mainly for drilling, including horizontal and highly deviated wells.
В настоящем описании некоторые термины будут использоваться в следующих толкованиях:In the present description, some terms will be used in the following interpretations:
- длина свинчивания – длина участка взаимного перекрытия наружной и внутренней резьб в осевом направлении (ГОСТ 11708-82 п. 42);- make-up length - the length of the section of mutual overlap of the external and internal threads in the axial direction (GOST 11708-82 p. 42);
- максимально допустимый момент кручения (крутящий момент) резьбового соединения (далее – РС) замка – момент кручения, при котором в материале замка достигается предел текучести;- the maximum allowable torsion moment (torque moment) of the threaded connection (hereinafter referred to as PC) of the lock is the torsion moment at which the yield strength is reached in the lock material;
- основная плоскость конической резьбы – плоскость, перпендикулярная к оси резьбы, в которой задаются номинальные размеры наружного, среднего и внутреннего диаметров конической резьбы (ГОСТ 11708-82 п. 69). Согласно ГОСТ 28487-2018 основная плоскость независимо от размеров резьбы всегда принимается расположенной на расстоянии 15,875 мм от упорного торца муфты или упорного уступа ниппеля;- the main plane of the tapered thread - a plane perpendicular to the axis of the thread, in which the nominal dimensions of the outer, middle and inner diameters of the tapered thread are specified (GOST 11708-82 p. 69). According to GOST 28487-2018, the main plane, regardless of the size of the thread, is always taken as located at a distance of 15.875 mm from the stop end of the coupling or the stop ledge of the nipple;
- ремонтопригодность – величина, оцениваемая длиной металла замка, отрезаемого при перенарезке изношенного соединения: чем эта длина меньше, тем больше раз можно перенарезать резьбу, тем выше ремонтопригодность соединения;- maintainability - a value estimated by the length of the metal of the lock cut off when re-cutting a worn joint: the smaller this length, the more times the thread can be re-cut, the higher the maintainability of the joint;
- резьбовое соединение и замковое соединение (кратко – замок) являются синонимами;- threaded connection and locking connection (briefly - lock) are synonymous;
- средний диаметр конической резьбы – диаметр в основной плоскости воображаемого прямого кругового конуса, соосного с конической резьбой, каждая образующая которого пересекает профиль резьбы таким образом, что проекции на ось резьбы отрезков, образованных при пересечении с канавкой, равны половине номинального шага резьбы (ГОСТ 11708-82 п. 69);- average diameter of a conical thread - the diameter in the main plane of an imaginary straight circular cone, coaxial with a conical thread, each generatrix of which intersects the thread profile in such a way that the projections onto the thread axis of the segments formed at the intersection with the groove are equal to half the nominal thread pitch (GOST 11708 -82 p. 69);
- средний радиус участка конической резьбы в зацеплении – половина среднего диаметра резьбы в плоскости, проходящей через середину длины свинчивания (эффективной длины резьбы) и перпендикулярной оси резьбы (по ГОСТ 11708-82 пп. 42 и 69);- the average radius of the section of the tapered thread in engagement is half the average diameter of the thread in the plane passing through the middle of the make-up length (effective thread length) and perpendicular to the thread axis (according to GOST 11708-82, paragraphs 42 and 69);
- упорный торец муфты и опорный уступ ниппеля – по ГОСТ 27834-95;- the thrust end of the coupling and the bearing ledge of the nipple - in accordance with GOST 27834-95;
- упорный торец ниппеля – в двухупорном резьбовом соединении торцевая часть ниппеля, образующая во взаимодействии с внутренним упорным уступом муфты второй, внутренний упор. - thrust end of the nipple - in a double-shoulder threaded connection, the end part of the nipple, which, in cooperation with the internal thrust ledge of the coupling, forms a second, internal stop.
Муфты и ниппели всех резьбовых соединений (далее – РС) имеют одинаковый наружный диаметр и подвергаются абразивному износу, по мере которого прочность муфты снижается быстрее, чем прочность ниппеля. При бурении сложных, горизонтальных и сильно искривлённых скважин к этой причине добавляется ещё и усталостное разрушение от воздействия знакопеременных нагрузок. Поэтому отказы по причине разрушения муфт наблюдаются в случаях превышения допустимых нагрузок и в случаях, когда муфта является более слабым элементом замкового соединения.Couplings and nipples of all threaded connections (hereinafter - PC) have the same outer diameter and are subject to abrasive wear, as the strength of the coupling decreases faster than the strength of the nipple. When drilling complex, horizontal and highly deviated wells, fatigue failure from the impact of alternating loads is added to this reason. Therefore, failures due to the destruction of couplings are observed in cases where the permissible loads are exceeded and in cases where the coupling is a weaker element of the interlock connection.
РС со стандартными профилями резьбы, с конусностью от 1:4 до 1:8, установленные ГОСТ 28487-2018 (API 7-2), в некоторых случаях уже не могут воспринимать возросшие нагрузки при бурении сложных скважин. RS with standard thread profiles, with a taper from 1:4 to 1:8, established by GOST 28487-2018 (API 7-2), in some cases can no longer perceive increased loads when drilling complex wells.
Появилась необходимость разработки новых типов замковых РС, отвечающих современным требованиям, на основе нестандартных профилей резьбы.There was a need to develop new types of interlocking PCs that meet modern requirements, based on non-standard thread profiles.
Начиная с конца 90-х годов прошлого столетия стали применяться конструкции двухупорных РС, которые позволили увеличить крутящий момент замка на 30–40 % и применять замки с меньшим наружным и бóльшим внутренним диаметром. Первые двухупорные соединения разрабатывались на основе стандартных профилей резьбы, обычно с конусностью резьбы 1:6. Но при такой конусности повышать дальше прочность замка при заданных его габаритах стало уже невозможно.Starting from the end of the 90s of the last century, designs of double-thrust PCs began to be used, which made it possible to increase the torque of the lock by 30-40% and use locks with a smaller outer and larger inner diameter. The first double shoulder joints were developed based on standard thread profiles, typically with a thread taper of 1:6. But with such a taper, it has become impossible to further increase the strength of the lock with its given dimensions.
Требование надёжной работы в условиях знакопеременных нагрузок, характерных для сильно искривлённых скважин, означает, что замки должны обладать не только прочностью, соизмеримой с прочностью тела бурильных труб, но и высоким сопротивлением усталости, или высокой усталостной прочностью. Кроме того, РС должны быть стойкими к изгибающим нагрузкам, что учитывается коэффициентом прочности на изгиб Wм/Wн, где Wм – момент сопротивления опасного сечения замковой муфты, а Wн – момент сопротивления опасного сечения замкового ниппеля. В зарубежной технической литературе этот коэффициент обозначается как BSR – Bending Strength Ratio. В стойком одноупорном РС он должен лежать в пределах от 2,05 до 2,7. The requirement of reliable operation under the conditions of alternating loads, typical for highly deviated wells, means that locks must have not only strength commensurate with the strength of the drill pipe body, but also high fatigue resistance, or high fatigue strength. In addition, the RS must be resistant to bending loads, which is taken into account by the bending strength factor Wm / Wn, where Wm is the moment of resistance of the dangerous section of the locking coupling, and Wn is the moment of resistance of the dangerous section of the lock nipple. In foreign technical literature, this coefficient is referred to as BSR - Bending Strength Ratio. In a resistant single-thrust PC, it should lie in the range from 2.05 to 2.7.
В стойком двухупорном РС коэффициент BSR может быть в более широких пределах от 1,9 до 3,0.In resistant double-thrust PC, the BSR factor can be in a wider range from 1.9 to 3.0.
Например, стандарт API RP 7G требует, чтобы прочность на кручение замка, оцениваемая максимально допустимым моментом кручения, составляла не меньше чем 80 % от прочности на кручение тела трубы. При этом желательно, чтобы РС имело минимально возможный наружный диаметр и максимально возможный внутренний диаметр для минимизации гидравлических потерь при прокачке бурового раствора и проводке геофизических приборов.For example, the API RP 7G standard requires that the torsional strength of the lock, measured by the maximum allowable torsional moment, be no less than 80% of the torsional strength of the pipe body. At the same time, it is desirable that the RS have the minimum possible outer diameter and the maximum possible inner diameter to minimize hydraulic losses during drilling fluid pumping and geophysical instruments.
РС должны быть стойкими к заеданиям и износу, быстро собираться и разбираться, легко ремонтироваться.RS should be resistant to seizing and wear, quickly assembled and disassembled, easy to repair.
Чтобы получить минимальные габариты РС при сохранении их прочности, разработчики замков стали применять конструкции с небольшой конусностью РС, нехарактерной для стандартных замков.In order to obtain the minimum dimensions of the RS while maintaining their strength, the developers of the locks began to use designs with a small taper of the RS, which is not typical for standard locks.
Известна конструкция двухупорного РС с трапецеидальной резьбой, шаг которой – 8,467 мм, конусность – 1:9,6, угол профиля – 90 градусов [RU 128912]. Угол уклона конической наружной поверхности упорного пояска ниппеля соответствует углу уклона поверхности резьбы. Известное РС с конусностью 1:9,6 оптимально сбалансировано по прочности на изгиб, кручение и на сжатие. Но оно имеет ограниченное применение, поскольку предназначено для замков с наружным диаметром 105,5 и 108,0 мм и внутренним диаметром 51 мм, применяемых в скважинах диаметром 120,6 и 151,0 мм, то есть в скважинах малого диаметра.A well-known design of a double-shouldered RS with a trapezoidal thread, the pitch of which is 8.467 mm, the taper is 1:9.6, the profile angle is 90 degrees [RU 128912]. The slope angle of the conical outer surface of the thrust collar of the nipple corresponds to the slope angle of the thread surface. The well-known RS with a taper of 1:9.6 is optimally balanced in terms of bending, torsion and compressive strength. But it has limited application, since it is intended for locks with an outer diameter of 105.5 and 108.0 mm and an inner diameter of 51 mm, used in wells with a diameter of 120.6 and 151.0 mm, that is, in wells of small diameter.
Для соединения элементов бурильной колонны при бурении скважин большего диаметра необходимо более мощное РС.To connect the elements of the drill string when drilling larger diameter wells, a more powerful RS is required.
Известны двухупорные РС типа ХТ (Extreme Torque) фирмы Grant Prideco, профиль резьбы которых имеет следующие геометрические параметры: конусность – 0,75 дюйма/фут (соответствует конусности 1:16 мм/мм), шаг резьбы составляет 3,5 витка на дюйм (7,257 мм) и высота профиля резьбы – 0,14 дюйма (3,556 мм), угол при вершине резьбы – 60 градусов. Данные параметры приведены в эскизах Grant Prideco [https://vdocuments.mx/drill-pipe-charts.html], предназначенных для проведения ремонта замковых соединений бурильных труб в полевых условиях.Known are double-shouldered RS type XT (Extreme Torque) from Grant Prideco, the thread profile of which has the following geometric parameters: taper - 0.75 inches / foot (corresponds to a taper of 1:16 mm / mm), thread pitch is 3.5 threads per inch ( 7.257 mm) and thread profile height of 0.14 in. (3.556 mm), thread angle of 60 degrees. These parameters are given in the sketches of Grant Prideco [https://vdocuments.mx/drill-pipe-charts.html] intended for repairing drill pipe tool joints in the field.
В частности, известно соединение ХТ39 с наружным диаметром замка 123,83 мм и внутренним диаметром замка от 61,91 до 68,3 мм, имеющее высокий максимально допустимый момент кручения от 47850 до 52200 Н×м. In particular, an XT39 joint with an outer lock diameter of 123.83 mm and an inner lock diameter of 61.91 to 68.3 mm is known, having a high maximum allowable torque of 47,850 to 52,200 N×m.
Слабым элементом данного соединения является муфта, отчего оно имеет низкое значение коэффициента прочности на изгиб (BSR от 1,5 до 1,67). Так как прочность замка главным образом зависит от величины наружного диаметра муфты, то при уменьшении наружного диаметра замка вследствие износа от трения о стенки скважины в процессе бурения неизбежно будет происходить потеря прочностных свойств замкового соединения. Из-за низкого коэффициента прочности на изгиб известное соединение не сбалансировано и склонно к накоплению усталостных повреждений муфтового конца.The weak element of this connection is the coupling, which is why it has a low bending strength factor (BSR from 1.5 to 1.67). Since the strength of the lock mainly depends on the value of the outer diameter of the coupling, then with a decrease in the outer diameter of the lock due to wear from friction against the borehole walls during drilling, the strength properties of the lock joint will inevitably be lost. Due to the low coefficient of bending strength of the known connection is not balanced and is prone to the accumulation of fatigue damage to the coupling end.
Малая конусность 1/16 нехарактерна для РС и требует особо осторожного обращения при проведении спускоподъёмных операций. В частности, для исключения перекоса резьбы ниппеля и муфты при свинчивании обязательно применение направляющей воронки, на установку и снятие которой затрачивается дополнительное время.A small taper of 1/16 is uncharacteristic for the RS and requires special care when carrying out tripping operations. In particular, to avoid misalignment of the pin and box threads during make-up, it is necessary to use a guide funnel, the installation and removal of which takes additional time.
Для полного свинчивания соединений с такой конусностью требуется 13 оборотов, в то время как для стандартных соединений по стандарту API 7-2 с конусностью 1/6 требуется всего 5 оборотов.This taper requires 13 turns to fully make up, while standard API 7-2 1/6 taper connections require only 5 turns.
Все это приводит к увеличению срока строительства (ремонта) скважины и увеличивает операционные затраты.All this leads to an increase in the period of construction (repair) of the well and increases operating costs.
Соединения типа ХТ (Extreme Torque) с конусностью 1/16 обладают низкой ремонтопригодностью, так как при ремонте (перенарезке) как ниппельной, так и муфтовой резьбы приходится отрезать по 113 мм.XT (Extreme Torque) type connections with a 1/16 taper have low maintainability, since when repairing (recutting) both the nipple and box threads have to be cut off at 113 mm.
Известны также двухупорные РС типа HLST ООО «Техномаш» (HILONG Super Torque) [RU 201674, RU 202565 и RU 203057] с конусностью 1:12, шагом резьбы 7,26 мм (3,5 витка на дюйм), высотой резьбы в диапазоне от 3,4 до 3,6 мм (предпочтительно 3,556 мм) и углом при вершине резьбы 60 градусов.Also known are double-shouldered RLST type HLST LLC Tekhnomash (HILONG Super Torque) [RU 201674, RU 202565 and RU 203057] with a taper of 1:12, a thread pitch of 7.26 mm (3.5 turns per inch), a thread height in the range 3.4 to 3.6 mm (3.556 mm preferred) and 60 degree thread angle.
Профиль резьбы соединений типа HLST практически совпадает с профилем резьбы соединений типа ХТ (Extreme Torque), за исключением конусности резьбы, которая увеличилась с 1/16 до 1/12.The thread profile of HLST type connections is practically the same as the thread profile of XT (Extreme Torque) type connections, except for the taper of the thread, which has increased from 1/16 to 1/12.
За счёт этого немного улучшаются эксплуатационные характеристики замка. Due to this, the performance of the lock is slightly improved.
Для полного свинчивания соединения типа HLST с конусностью 1/12 требуется 9,8 оборотов.It takes 9.8 turns to fully make up a 1/12 taper HLST connection.
Соединения типа HLST с конусностью 1/12 также обладают низкой ремонтопригодностью, так как при ремонте (перенарезке) как ниппельной, так и муфтовой резьбы приходится отрезать по 85,3 мм.HLST type connections with a 1/12 taper also have low maintainability, since when repairing (re-cutting) both the pin and box threads have to be cut off at 85.3 mm.
Недостатком соединений HLST с наружным диаметром замка 123,8 мм и внутренним диаметром замка 61,9–68,3 мм является то, что почти во всех этих соединениях слабым элементом являются муфты, изнашиваемые трением о стенки скважины. Данные замки не сбалансированы по изгибу и имеют коэффициенты стойкости на изгиб BSR от 1,63 до 1,81 единиц.The disadvantage of HLST connections with an outer diameter of the tool joint of 123.8 mm and an inner diameter of the tool joint of 61.9–68.3 mm is that in almost all of these connections the weak element is the sleeves, which are worn out by friction against the borehole walls. These locks are not flex balanced and have BSR flex ratios from 1.63 to 1.81 units.
Известно резьбовое соединение бурильных труб, выполненное с внешним и внутренним упорами, включающее ниппельный и муфтовый концы с трапецеидальной конической резьбой, шаг которой – 8,467 мм, конусность – 1:9,6, угол профиля – 90 градусов, наружный диаметр которого составляет от 123,8 до 127 мм, внутренний диаметр – от 57,2 до 68,3 мм, а средний диаметр резьбы в основной плоскости – от 96,7 до 97,7 мм, причём внутренний упор ниппельного конца имеет цилиндрический участок, примыкающий к резьбе, и сопряжённый с ним конический участок, наружный диаметр торцевой части которого составляет от 83 до 84 мм [RU 2783935].A threaded connection of drill pipes is known, made with external and internal stops, including nipple and box ends with trapezoidal conical thread, the pitch of which is 8.467 mm, the taper is 1:9.6, the profile angle is 90 degrees, the outer diameter of which is from 123, 8 to 127 mm, inner diameter - from 57.2 to 68.3 mm, and the average thread diameter in the main plane - from 96.7 to 97.7 mm, and the internal stop of the nipple end has a cylindrical section adjacent to the thread, and a conical section associated with it, the outer diameter of the end part of which is from 83 to 84 mm [RU 2783935].
Технологичность известного соединения оставляет желать лучшего из-за того, что при нарезке резьбы на ниппеле при выходе резца на меньший диаметр приходится менять его траекторию, чтобы не повредить конец ниппеля. Изменение траектории резца занимает некоторое время и уменьшает производительность работ. Кроме того, малейшая риска, оставленная на конце ниппеля из-за несвоевременного вывода резца, становится концентратором напряжений и при эксплуатации РС в условиях знакопеременных нагрузок конец ниппеля может обломиться. The manufacturability of the known connection leaves much to be desired due to the fact that when threading a nipple, when the cutter reaches a smaller diameter, it is necessary to change its trajectory so as not to damage the end of the nipple. Changing the trajectory of the cutter takes some time and reduces productivity. In addition, the slightest risk left at the end of the nipple due to untimely withdrawal of the cutter becomes a stress concentrator, and when the RS is operated under conditions of alternating loads, the end of the nipple may break off.
Наиболее близким к заявленному по совокупности признаков является двухупорное РС бурильных труб, включающее ниппельный и муфтовый концы с трапецеидальной конической резьбой, с внешним и внутренним упорами, причём внутренний упор ниппельного конца имеет конический и цилиндрический участки, а внутренняя расточка в муфтовом конце имеет тороидальный карман [RU 181276].The closest to the claimed in terms of the totality of features is a double-shouldered RS of drill pipes, including a nipple and socket ends with trapezoidal tapered threads, with external and internal stops, and the internal stop of the nipple end has a conical and cylindrical sections, and the internal bore in the sleeve end has a toroidal pocket [ EN 181276].
В описании патента представлена таблица (фиг. 3), содержащая прочностные характеристики РС, выполненных согласно изобретению и представляющих размерный ряд, включающий РС, округлённое значение конуса основания ниппеля которого имеет значения 99, 105, 119 и 130 мм. Этими характеристиками являются: максимальная растягивающая нагрузка замка Qpc и максимальный крутящий момент замка (момент кручения) Мкр.рс.The description of the patent contains a table (Fig. 3) containing the strength characteristics of RS made according to the invention and representing a size range, including RS, the rounded value of the cone of the base of the nipple is 99, 105, 119 and 130 mm. These characteristics are: the maximum tensile load of the lock Qpc and the maximum torque of the lock (torsion moment) Mcr.rs.
Данные соединения хорошо сбалансированы и имеют довольно высокие прочностные характеристики. Но в современных условиях даже таких характеристик РС иногда недостаточно для бурения скважин сложного профиля. Анализ конструкции РС прототипа и анализ представленных в таблице его прочностных показателей показывают возможность улучшить прочностные характеристики приблизительно на 10–15 % при тех же габаритных размерах, что представлены в [RU 181276]. These compounds are well balanced and have fairly high strength characteristics. But in modern conditions, even such characteristics of the RS are sometimes not enough for drilling wells of a complex profile. An analysis of the design of the PC prototype and an analysis of its strength indicators presented in the table show the possibility of improving the strength characteristics by approximately 10–15% with the same overall dimensions as presented in [RU 181276].
Представленные характеристики относятся к РС, внутренний (второй) упор ниппельного конца которых имеет конический и цилиндрический участки, причём конический участок начинается сразу после окончания резьбового участка ниппеля, а цилиндрический участок находится ближе к торцу упора носика ниппеля. Недостатком этих соединений является тонкая стенка на торце внутреннего упора (носика) ниппеля, которая будет сминаться при реальных нагрузках на замковое соединение. Цилиндрическая форма конца ниппеля склонна к смятию в виде обратного конуса. Выступающий наружу металл смятого торца ниппеля может мешать свинчиванию замкового соединения.The presented characteristics refer to RS, the inner (second) stop of the nipple end of which has conical and cylindrical sections, and the conical section begins immediately after the end of the threaded section of the nipple, and the cylindrical section is closer to the end of the stop of the nipple nose. The disadvantage of these connections is a thin wall at the end of the internal stop (nose) of the nipple, which will be crushed under real loads on the lock connection. The cylindrical shape of the end of the nipple is prone to collapse in the form of an inverted cone. The protruding metal of the crumpled end of the nipple can interfere with the screwing of the interlock.
Ещё одним недостатком соединения-прототипа является его низкая ремонтопригодность из-за применения расточки на муфтовом конце в виде тороидального кармана, предназначенного для сбора твёрдых частиц шлама. Карман снижает ремонтопригодность замка, поскольку при ремонте (перенарезке) резьбового соединения на муфтовом конце приходится отрезать около 80 мм, что соответствует практически всему резьбовому участку муфты. Another disadvantage of the connection of the prototype is its low maintainability due to the use of boring on the sleeve end in the form of a toroidal pocket, designed to collect solid particles of sludge. The pocket reduces the maintainability of the lock, since when repairing (re-cutting) the threaded connection at the coupling end, it is necessary to cut off about 80 mm, which corresponds to almost the entire threaded section of the coupling.
Кроме того, затвердевшие остатки бурового раствора и частицы шлама со временем заполнят полости тороидальных карманов на всех трубах бурильной колонны. Можно с уверенностью предположить, что персонал буровой бригады не будет постоянно вычищать эти карманы от остатков бурового раствора и шлама в процессе бурения. Попытка прочистить эти карманы в процессе спускоподъёмных операций с бурильной колонной приведёт к тому, что извлечённый из кармана муфты затвердевший шлам будет падать в низ бурильной колонны и при использовании забойного двигателя затруднит его работу.In addition, solidified mud residues and cuttings particles will eventually fill the cavities of the toroidal pockets on all pipes of the drill string. It is safe to assume that drilling crew personnel will not be constantly cleaning these pockets of mud and cuttings residues during the drilling process. Attempting to clear these pockets while tripping the drillstring will cause hardened cuttings removed from the collar pocket to fall to the bottom of the drillstring and, if a downhole motor is used, will hinder its operation.
Задачей настоящего изобретения является создание РС с наружным диаметром от 120 до 169 мм, стойкого к знакопеременным нагрузкам, сбалансированного по изгибу и имеющего достаточный запас на износ по наружному диаметру без потери прочностных свойств замка. Иными словами, необходимо для данных габаритов замка получить максимальное значение допустимого момента кручения РС, но так, чтобы ниппель оставался более слабым звеном соединения.The objective of the present invention is to create a PC with an outer diameter of 120 to 169 mm, resistant to alternating loads, balanced in bending and having a sufficient margin for wear along the outer diameter without losing the strength properties of the lock. In other words, for the given dimensions of the lock, it is necessary to obtain the maximum value of the allowable torsion moment RS, but in such a way that the nipple remains the weaker link of the connection.
Техническим результатом заявленного изобретения является увеличение максимально допустимого момента кручения РС с наружным диаметром от 120 до 169 мм, их сбалансированности по изгибу в сочетании с запасом на износ по наружному диаметру и повышенной стойкости к знакопеременным нагрузкам, что в целом повышает надёжность РС за счёт улучшения таких показателей, как продолжительность безотказной работы и ресурс.The technical result of the claimed invention is an increase in the maximum allowable torsional moment of RS with an outer diameter of 120 to 169 mm, their balance in bending in combination with a margin for wear along the outer diameter and increased resistance to alternating loads, which generally increases the reliability of RS by improving such indicators such as uptime and resource.
Технический результат достигается за счёт того, что в резьбовом соединении бурильной колонны, выполненном с внешним и внутренним упорами, включающем ниппельный и муфтовый концы с трапецеидальной конической резьбой, шаг которой – 8,467 мм, конусность – 1:9,6, угол профиля – 90 градусов, а внутренний упор ниппельного конца имеет цилиндрический участок, примыкающий к резьбе, и сопряжённый с ним конический участок с конусностью 1/9,6, причём внутренний диаметр ниппельного конца находится в пределах от 54 до 96 мм, а наружный диаметр муфтового конца составляет от 120 до 169 мм, расстояние между конической поверхностью, проходящей по впадинам резьбы, и конической поверхностью внутреннего упора ниппеля превышает 0,2 мм, средний радиус упорного торца ниппеля составляет от 0,76 до 0,85 среднего радиуса участка резьбы в зацеплении, а средний радиус упорного торца муфты составляет от 1,20 до 1,26 среднего радиуса участка резьбы в зацеплении.The technical result is achieved due to the fact that in the threaded connection of the drill string, made with external and internal stops, including the nipple and box ends with a trapezoidal conical thread, the pitch of which is 8.467 mm, the taper is 1:9.6, the profile angle is 90 degrees , and the inner stop of the nipple end has a cylindrical section adjacent to the thread, and a conical section with a taper of 1/9.6 associated with it, and the inner diameter of the nipple end is in the range from 54 to 96 mm, and the outer diameter of the coupling end is from 120 up to 169 mm, the distance between the conical surface passing through the thread cavities and the conical surface of the internal stop of the nipple exceeds 0.2 mm, the average radius of the stop end of the nipple is from 0.76 to 0.85 of the average radius of the thread section in engagement, and the average radius the thrust end of the coupling is from 1.20 to 1.26 of the average radius of the thread section in engagement.
Кроме того, при наружном диаметре муфты от 120,7 до 124,0 мм внутренний диаметр ниппеля составляет от 54 до 65,1 мм, средний диаметр резьбы в основной плоскости составляет от 93,3 до 94,0 мм, наружный диаметр торцевой части конического участка составляет от 79,3 до 79,8 мм.In addition, with the outer diameter of the coupling from 120.7 to 124.0 mm, the inner diameter of the nipple is from 54 to 65.1 mm, the average thread diameter in the main plane is from 93.3 to 94.0 mm, the outer diameter of the end part of the conical area is from 79.3 to 79.8 mm.
Кроме того, при наружном диаметре муфты от 133,35 до 139,7 мм внутренний диаметр ниппеля составляет от 61,9 до 76,2 мм, средний диаметр резьбы в основной плоскости составляет от 103,6 до 104,2 мм, а наружный диаметр торцевой части конического участка составляет от 89,3 до 89,8 мм.In addition, when the outer diameter of the coupling is from 133.35 to 139.7 mm, the inner diameter of the nipple is from 61.9 to 76.2 mm, the average thread diameter in the main plane is from 103.6 to 104.2 mm, and the outer diameter the end part of the conical section is from 89.3 to 89.8 mm.
Кроме того, при наружном диаметре муфты от 152,4 до 159,0 мм внутренний диаметр ниппеля составляет от 76,2 до 82,6 мм, средний диаметр резьбы в основной плоскости составляет от 118 до 119 мм, а наружный диаметр торцевой части конического участка составляет от 102,5 до 103,5 мм.In addition, when the outer diameter of the coupling is from 152.4 to 159.0 mm, the inner diameter of the nipple is from 76.2 to 82.6 mm, the average thread diameter in the main plane is from 118 to 119 mm, and the outer diameter of the end part of the conical section is from 102.5 to 103.5 mm.
Кроме того, при наружном диаметре муфты от 161,9 до 168,3 мм внутренний диаметр ниппеля составляет от 76,2 до 95,3 мм, средний диаметр резьбы в основной плоскости составляет от 129 до 130 мм, а наружный диаметр торцевой части конического участка составляет от 113,5 до 114,5 мм.In addition, when the outer diameter of the coupling is from 161.9 to 168.3 mm, the inner diameter of the nipple is from 76.2 to 95.3 mm, the average thread diameter in the main plane is from 129 to 130 mm, and the outer diameter of the end part of the conical section is from 113.5 to 114.5 mm.
Благодаря тому, что средний радиус упорного торца ниппеля составляет от 0,76 до 0,85 среднего радиуса резьбы в зацеплении, а средний радиус упорного торца муфты составляет от 1,20 до 1,26 среднего радиуса резьбы в зацеплении, предложенное соединение оказывается сбалансированным по изгибу (BSR от 1,92 до 2,98) и обладающим достаточным запасом на износ по наружному диаметру при максимальном для заявленных габаритов допустимом моменте кручения.Due to the fact that the average radius of the thrust end of the nipple is from 0.76 to 0.85 of the average radius of the thread in engagement, and the average radius of the thrust end of the coupling is from 1.20 to 1.26 of the average radius of the thread in engagement, the proposed connection is balanced in terms of bending (BSR from 1.92 to 2.98) and having a sufficient margin for wear along the outer diameter at the maximum allowable torsion moment for the declared dimensions.
Если отношение среднего радиуса упорного торца ниппеля Rn к среднему радиусу резьбы в зацеплении Rt будет ниже, чем 0,76, то произойдет уменьшение предельно допустимого момента кручения соединения и одновременно возникнет опасность смятия второго упора ниппеля.If the ratio of the average radius of the thrust end of the nipple Rn to the average radius of the thread in the engagement Rt is lower than 0.76, then the maximum allowable torque of the connection will decrease and at the same time there will be a risk of crushing the second stop of the nipple.
Если отношение среднего радиуса упорного торца ниппеля Rn к среднему радиусу резьбы в зацеплении Rt будет выше, чем 0,85 то можно ожидать увеличение предельно допустимого момента кручения соединения, но при этом одновременно происходит уменьшение длины свинчивания РС и возникает опасность смятия витков резьбы.If the ratio of the average radius of the thrust end of the nipple Rn to the average radius of the thread in the engagement Rt is higher than 0.85, then an increase in the maximum allowable torque of the connection can be expected, but at the same time, the length of the make-up of the PC decreases and there is a risk of crushing the threads.
Если отношение среднего радиуса упорного торца муфты Rs к среднему радиусу резьбы в зацеплении Rt будет ниже, чем 1,20, то произойдет уменьшение предельно допустимого момента кручения соединения и возникнет опасность смятия основного упорного торца муфты. Также в этом случае более слабым элементом в РС становится муфта, что крайне нежелательно.If the ratio of the average radius of the coupling thrust end Rs to the average radius of the thread in engagement Rt is lower than 1.20, then the maximum allowable torque of the connection will decrease and there will be a danger of crushing the main thrust end of the coupling. Also in this case, the coupling becomes a weaker element in the RS, which is highly undesirable.
Если отношение среднего радиуса упорного торца муфты Rs к среднему радиусу резьбы в зацеплении Rt будет выше, чем 1,26, то можно ожидать увеличение предельно допустимого момента кручения соединения, но при этом одновременно происходит уменьшение длины свинчивания РС и возникает опасность смятия витков резьбы.If the ratio of the average radius of the butt end of the coupling Rs to the average radius of the thread in the engagement Rt is higher than 1.26, then an increase in the maximum allowable torque of the connection can be expected, but at the same time, the length of the make-up of the RS decreases and there is a risk of crushing of the threads.
Благодаря тому, что при наружных диаметрах муфты, лежащих в пределах от 120,7 до 124 мм, от 133,35 до 139,7 мм, от 152,4 до 159 мм и от 161,9 до 168,3 мм, величины внутреннего диаметра ниппеля, среднего диаметра резьбы в основной плоскости и наружный диаметр торцевой части конического участка находятся в указанных выше пределах, повышается продолжительность безотказной работы резьбового соединения за счёт увеличения максимально допустимого момента кручения резьбового соединения замков с наружным диаметром от 120 до 169 мм, их сбалансированности по изгибу в сочетании с запасом на износ по наружному диаметру. Due to the fact that with outer diameters of the coupling lying in the range from 120.7 to 124 mm, from 133.35 to 139.7 mm, from 152.4 to 159 mm and from 161.9 to 168.3 mm, the values of the internal diameter of the nipple, the average diameter of the thread in the main plane and the outer diameter of the end part of the conical section are within the above limits, the duration of the trouble-free operation of the threaded connection increases by increasing the maximum allowable torque of the threaded connection of locks with an outer diameter of 120 to 169 mm, their balance according to bending combined with a wear margin on the outside diameter.
Нахождение среднего диаметра резьбы в основной плоскости в заявленных пределах увеличивает диаметр большего основания конуса ниппельного конца, чем достигается наибольшее увеличение максимально допустимого момента кручения РС, то есть его прочность по сравнению с прототипом возрастает (по крайней мере на 5,1–18,8 % в зависимости от типоразмеров сравниваемых замков). При этом во всех вариантах заявленного соединения слабым элементом является ниппель. Созданием запаса по износу наружной части муфты без потери прочностных свойств РС повышается продолжительность его безотказной работы и ресурс.Finding the average thread diameter in the main plane within the stated limits increases the diameter of the larger base of the pin end cone, which achieves the greatest increase in the maximum allowable torsion moment of the RS, that is, its strength increases compared to the prototype (at least by 5.1–18.8% depending on the dimensions of the compared locks). Moreover, in all variants of the claimed connection, the weak element is the nipple. By creating a margin for wear of the outer part of the coupling without losing the strength properties of the RS, the duration of its trouble-free operation and resource increase.
При уменьшении среднего диаметра резьбы в основной плоскости ниже заявленных значений прирост максимально допустимого момента кручения становится незначительным, а при увеличении среднего диаметра резьбы в основной плоскости выше заявленных значений слабым элементом резьбового соединения становится муфта и соединение становится разбалансированным по условию прочности на изгиб.With a decrease in the average thread diameter in the main plane below the declared values, the increase in the maximum allowable torque becomes insignificant, and with an increase in the average thread diameter in the main plane above the declared values, the coupling becomes a weak element of the threaded connection and the connection becomes unbalanced in terms of bending strength.
Благодаря тому, что в предложенном РС расстояние между конической поверхностью, проходящей по впадинам резьбы, и конической поверхностью внутреннего упора ниппеля превышает 0,2 мм, повышается стойкость соединения к знакопеременным нагрузкам, характерным для наклонных, изогнутых и сложных скважин, оцениваемая как продолжительность безотказной работы. Также улучшается технологичность при нарезании резьбы ниппельного конца. Улучшение состоит в повышении производительности процесса нарезания.Due to the fact that in the proposed RS the distance between the conical surface passing through the thread cavities and the conical surface of the inner stop of the nipple exceeds 0.2 mm, the resistance of the connection to alternating loads characteristic of deviated, curved and complex wells is increased, estimated as the duration of trouble-free operation . It also improves manufacturability when threading the pin end. The improvement consists in increasing the productivity of the cutting process.
Благодаря тому, что замковая резьба и коническая поверхность внутреннего упора ниппеля имеют одинаковую конусность, исключается контакт торца ниппеля и резьбы муфтового конца и тем самым упрощается сборка колонны бурильных труб на буровой.Due to the fact that the tool thread and the conical surface of the inner stop of the nipple have the same taper, the contact of the end of the nipple and the thread of the box end is eliminated, and thus the assembly of the drill string on the drilling rig is simplified.
Дополнительным преимуществом предложенного резьбового соединения является лучшая по сравнению с прототипом ремонтопригодность муфтовой части. При перенарезке муфтовой части предложенного РС потеря длины составляет около 45 мм против 80 мм у прототипа.An additional advantage of the proposed threaded connection is the best in comparison with the prototype maintainability of the coupling part. When re-cutting the coupling part of the proposed RS, the loss of length is about 45 mm versus 80 mm for the prototype.
Существо изобретения поясняется чертежами.The essence of the invention is illustrated by drawings.
На фиг. 1 изображён частичный продольный разрез ниппеля предложенного изобретения. In FIG. 1 shows a partial longitudinal section of the nipple of the proposed invention.
На фиг. 2 показан в увеличенном виде конечный участок ниппеля.In FIG. 2 shows an enlarged view of the end section of the nipple.
На фиг. 3 изображён частичный продольный разрез муфты предложенного изобретения.In FIG. 3 shows a partial longitudinal section of the coupling of the proposed invention.
На фиг. 4 представлена таблица «Сравнение эксплуатационных характеристик предложенного РС с ближайшими аналогами».In FIG. Table 4 shows the table "Comparison of the operational characteristics of the proposed RS with the closest analogues."
На чертежах использованы следующие буквенные обозначения:The following symbols are used in the drawings:
- D1 – наружный диаметр ниппеля и муфты;- D 1 - outer diameter of the nipple and coupling;
- D2 – внутренний диаметр ниппельного конца;- D 2 - inner diameter of the nipple end;
- D3 – наружный диаметр торцевой части конического участка;- D 3 - outer diameter of the end part of the conical section;
- d1 – диаметр большого основания конуса ниппельного конца;- d 1 - diameter of the large base of the cone of the nipple end;
- dср – средний диаметр резьбы в основной плоскости;- d cf - the average diameter of the thread in the main plane;
- L – стандартное расстояние от упорного торца ниппеля до основной плоскости, одинаковое для всех РС и равное 15,875 мм; - L - standard distance from the stop end of the nipple to the main plane, the same for all RS and equal to 15.875 mm;
- Lt – длина участка резьбы в зацеплении (длина свинчивания, или эффективная длина резьбы);- Lt is the length of the thread section in engagement (make-up length, or effective thread length);
- Rn – средний радиус упорного торца ниппеля;- Rn – average radius of the nipple thrust end;
- Rs – средний радиус упорного торца муфты;- Rs - the average radius of the thrust end face of the coupling;
- Rt – средний радиус участка резьбы в зацеплении, измеренный посредине длины свинчивания в РС.- Rt is the average radius of the threaded section in engagement, measured in the middle of the make-up length in RS.
Предложенное РС имеет трапецеидальную коническую резьбу с шагом 8,467 мм, конусностью 1:9,6 и углом профиля 90 градусов. The proposed RS has a trapezoidal tapered thread with a pitch of 8.467 mm, a taper of 1:9.6 and a profile angle of 90 degrees.
Ниппельный конец (ниппель) 1 и муфтовый конец (муфта) 2 РС (фиг. 1 и 3) имеют наружный диаметр D1, лежащий в пределах от 120 до 169 мм. Внутренний диаметр D2 ниппельного конца лежит в пределах от 54 до 96 мм.The nipple end (nipple) 1 and the coupling end (coupling) 2 RS (FIGS. 1 and 3) have an outer diameter D 1 ranging from 120 to 169 mm. The inner diameter D 2 of the pin end ranges from 54 to 96 mm.
Предложенное РС является двухупорным, причём внутренний упор ниппельного конца (носик ниппеля) имеет цилиндрический участок 3, примыкающий к резьбе 4, и сопряжённый с ним конический участок 5 с конусностью 1/9,6 (фиг. 2). Расстояние между конической поверхностью, проходящей по впадинам резьбы, и конической поверхностью ниппеля лежит в пределах от 0,2 до 0,35 мм. The proposed RS is double-thrust, and the internal stop of the nipple end (nipple nose) has a
При этом средний радиус Rn упорного торца 6 ниппеля 1 (фиг. 2) составляет от 0,76 до 0,85 среднего радиуса Rt участка резьбы в зацеплении, а средний радиус Rs упорного торца 7 муфты 2 составляет от 1,20 до 1,26 среднего радиуса Rt участка резьбы в зацеплении. In this case, the average radius Rn of the
Использование в настоящем изобретении такого параметра, как средний радиус участка резьбы в зацеплении, объясняется следующим.The use in the present invention of such a parameter as the average radius of the thread in engagement is explained as follows.
Традиционно принято использовать в качестве одного из ведущих параметров при прочностных расчётах трубных конических резьб средний диаметр резьбы в основной плоскости dср. Оптимизация прочности РС при таком подходе практически достигла физического предела, превзойти который можно, только применяя для замков марки стали с повышенным пределом текучести, которых пока нет на рынке. Но между тем, понятие основной плоскости введено для стандартизации измерений геометрических параметров резьб, а не для прочностных расчётов. И установленное ГОСТ 28487-2018 её положение находится не в самом нагруженном месте резьбовых соединений.It is traditionally accepted to use as one of the leading parameters in strength calculations of pipe conical threads the average thread diameter in the main plane d cf. The optimization of the PC strength with this approach has practically reached the physical limit, which can be surpassed only by using steel grades with increased yield strength for locks, which are not yet on the market. But meanwhile, the concept of the main plane was introduced to standardize measurements of the geometric parameters of threads, and not for strength calculations. And established by GOST 28487-2018, its position is not in the most loaded place of threaded connections.
Если заданы наружный D1 и внутренний D2 диаметры замка и выбран средний радиус упорного торца муфты Rs, то при постепенном уменьшении длины конуса ниппеля будет, соответственно, уменьшаться и длина участка резьбы в зацеплении (длина свинчивания). Соответственно, будет увеличиваться средний радиус Rt участка резьбы в зацеплении, и появляется возможность для увеличения наружного диаметра торца ниппеля и увеличения среднего радиуса Rn упорного торца ниппеля. Это способствует увеличению предельно допустимого момента кручения замка. If the outer D 1 and inner D 2 diameters of the lock are given and the average radius of the coupling thrust end Rs is selected, then with a gradual decrease in the length of the nipple cone, the length of the thread section in engagement (make-up length) will also decrease, respectively. Accordingly, the average radius Rt of the threaded section in engagement will increase, and it becomes possible to increase the outer diameter of the pin end and increase the average radius Rn of the stop end of the pin. This helps to increase the maximum permissible torque of the lock.
Однако укорочение конуса ниппеля повышает нагрузки на смятие и срез витков резьбы РС. При заявленном, сравнительно большом шаге резьбы (8,467 мм) и относительно небольшой высоте профиля максимально допустимое усилие на срез витка резьбы будет значительно больше, чем максимально допустимое усилие на смятие витков резьбы. Поэтому предложенные РС рассчитаны из условия приложенной осевой растягивающей нагрузки для смятия витка резьбы с коэффициентом безопасности kсм ≥ 1,3. However, the shortening of the pin cone increases the load on crushing and shearing of the PC threads. With the stated, relatively large thread pitch (8.467 mm) and relatively small profile height, the maximum allowable force for shearing the thread will be significantly greater than the maximum allowable force for crushing the threads. Therefore, the proposed RS are calculated from the condition of the applied axial tensile load for the collapse of the thread with a safety factor k cm ≥ 1.3.
Всего в указанных выше диапазонах размеров и их соотношений были разработаны и испытаны четыре типоразмера РС, условно обозначенные как Z2-97/9,6, Z2-107/9,6, Z2-122/9,6 и Z2-133/9,6. В этих обозначениях число после дефиса – это диаметр большого основания конуса ниппельного конца, обозначенного на фиг. 1 как d1, а 9,6 – конусность резьбы.In total, in the above ranges of sizes and their ratios, four RS sizes were developed and tested, conventionally designated as Z2-97 / 9.6, Z2-107 / 9.6, Z2-122 / 9.6 and Z2-133 / 9, 6. In these notations, the number after the hyphen is the diameter of the large base of the pin end cone, indicated in FIG. 1 as d 1 , and 9.6 is the taper of the thread.
Расчётным путём установлено, а экспериментальным подтверждено, что РС, рассчитанные на основе оптимальных величин среднего радиуса участка резьбы в зацеплении Rt, среднего радиуса упорного торца ниппеля Rn и среднего радиуса упорного торца муфты Rs, обладают лучшими прочностными характеристиками, чем традиционные. It has been established by calculation and experimentally confirmed that PCs calculated on the basis of the optimal values of the average radius of the thread section in engagement Rt, the average radius of the nipple thrust end Rn and the average radius of the coupling thrust end Rs have better strength characteristics than traditional ones.
Средний диаметр dср резьбы в основной плоскости, обозначенной на фиг. 1 линией 4, в зависимости от D1 составляет: от 93,3 до 94,0 мм при 120,7 ≤ D1 ≤ 124 мм (Z2-97/9,6), от 103,6 до 104,2 мм при 133,35 ≤ D1 ≤ 139,7 мм (Z2-107/9,6), от 118 до 119 мм при 152,4 ≤ D1 ≤ 159 мм (Z2-122/9,6) и от 129 до 130 мм при 161,9 ≤ D1 ≤ 168,3 мм (Z2-133/9,6). The average diameter d cf of the thread in the main plane indicated in FIG. 1
Кроме того, внутренний диаметр ниппеля D2 в зависимости от D1 составляет: от 54,0 до 65,1 мм при 120,7 ≤ D1 ≤ 124 мм, от 61,9 до 76,2 мм при 133,35 ≤ D1 ≤ 139,7 мм, от 76,2 до 82,6 мм при 152,4 ≤ D1 ≤ 159 мм и от 76,2 до 95,3 мм при 161,9 ≤ D1 ≤ 168,3 мм. In addition, the inner diameter of the nipple D 2 depending on D 1 is: from 54.0 to 65.1 mm at 120.7 ≤ D 1 ≤ 124 mm, from 61.9 to 76.2 mm at 133.35 ≤ D 1 ≤ 139.7 mm, from 76.2 to 82.6 mm at 152.4 ≤ D 1 ≤ 159 mm and from 76.2 to 95.3 mm at 161.9 ≤ D 1 ≤ 168.3 mm.
Кроме того, наружный диаметр D3 торцевой части конического участка составляет от 79,3 до 79,8 мм при 120,7 ≤ D1 ≤ 124 мм, от 89,3 до 89,8 мм при 133,35 ≤ D1 ≤ 139,7 мм, от 102,5 до 103,5 мм при 152,4 ≤ D1 ≤ 159 мм и от 113,5 до 114,5 мм при 161,9 ≤ D1 ≤ 168,3 мм.In addition, the outer diameter D 3 of the end part of the conical section is from 79.3 to 79.8 mm at 120.7 ≤ D 1 ≤ 124 mm, from 89.3 to 89.8 mm at 133.35 ≤ D 1 ≤ 139 .7 mm, from 102.5 to 103.5 mm at 152.4 ≤ D 1 ≤ 159 mm and from 113.5 to 114.5 mm at 161.9 ≤ D 1 ≤ 168.3 mm.
Прочностные характеристики этих резьб в сравнении с прочностными характеристиками ближайших аналогов представлены в таблице на фиг. 4.The strength characteristics of these threads in comparison with the strength characteristics of the closest analogues are presented in the table in Fig. 4.
Ближайшим аналогом РС Z2-97/9,6 является замковое соединение Delta 377 американской компании NOV Grant Prideco [https://quailtools.com/assets/images/specsheets/drillpipe/QT-DP%204.500%2016.60%20S%20GPDS42%20%28130K%29%205.250%20x%202.813%20R2%2080RBW.pdf, дата обращения 05.12.2022] с размерами D1 = 120,7 мм, D2 = 65,1 мм и конусностью 1:9,6.The closest analogue of RS Z2-97 / 9.6 is the
Ближайшими аналогами РС Z2-107/9,6, Z2-122/9,6 и Z2-133/9,6 являются РС Z2-105, Z2-119 и Z2-130, эксплуатационные характеристики которых представлены на фиг. 3 патента РФ № 181276. Эти замковые соединения разработаны преимущественно для труб бурильных толстостенных (ТБТ) и утяжелённых бурильных труб (УБТ). Механические свойства материала данных замков выбраны исходя из применяемых для изготовления ТБТ и УБТ марок стали. Согласно патенту, минимальное значение предела текучести материала замковых соединений по прототипу σт =758 Н/мм2. The closest analogues of RS Z2-107/9.6, Z2-122/9.6 and Z2-133/9.6 are RS Z2-105, Z2-119 and Z2-130, the operational characteristics of which are shown in Fig. 3 patent of the Russian Federation No. 181276. These tool joints are designed primarily for thick-walled drill pipes (TBT) and drill collars (DC). The mechanical properties of the material of these locks are selected based on the steel grades used for the manufacture of TBT and UBT. According to the patent, the minimum value of the yield strength of the material of the interlocks according to the prototype σ t =758 N/mm 2 .
Сопоставление параметров предложенных РС с ближайшими аналогами представлено в таблице на фиг. 4. В этой таблице для сравнения представлены также эксплуатационные характеристики прототипа, пересчитанные на значение предела текучести, равное σт = 827 Н/мм2. Для того чтобы сопоставить РС Z2-97/9,6 с ближайшим аналогом Delta 377, изготовленного из стали с σт = 896 Н/мм2, характеристики Z2-97/9,6 были пересчитаны в предположении, что и оно изготовлено из стали с σт = 896 Н/мм2.A comparison of the parameters of the proposed RS with the closest analogues is presented in the table in Fig. 4. In this table, for comparison, the operational characteristics of the prototype are also presented, converted to the value of the yield strength, equal to σ t = 827 N/mm 2 . In order to compare RS Z2-97/9.6 with the closest analogue of
Из приведённых технических характеристик РС Delta 377 (таблица Connection Wear Table) следует, что уменьшения крутящего момента соединения начинает происходить при износе наружного диаметра замка до величины 119,2 мм. Это означает, что сбалансированный диаметр РС Delta 377 составляет (120,7 – 65,1) = 119,2 мм. При этом радиальный запас на износ замка Delta 377 составляет всего (120,7 – 119,2)/2 = 0,75 мм. From the given technical characteristics of the PC Delta 377 (Connection Wear Table) it follows that the decrease in the connection torque begins to occur when the outer diameter of the lock is worn to a value of 119.2 mm. This means that the balanced diameter of the
Сбалансированный диаметр предложенного соединения Z2-97/9,6 составляет (120,7 – 65,1) = 117,2 мм, а радиальный запас на износ составляет (120,7 – 117,3)/2 = 1,7 мм.The balanced diameter of the proposed Z2-97/9.6 joint is (120.7 – 65.1) = 117.2 mm, and the radial wear margin is (120.7 – 117.3)/2 = 1.7 mm.
Очевидно, что соединение Z2-97/9,6 более сбалансировано, чем соединение Delta 377, и имеет больший запас по эксплуатационной надёжности, без потери прочностных свойств.It is obvious that the Z2-97/9.6 connection is more balanced than the
Благодаря тому, что расстояние между конической поверхностью, проходящей по впадинам резьбы, и конической поверхностью ниппеля лежит в пределах от 0,2 до 0,35 мм, упрощается процесс нарезки резьбы ниппеля. При этом сохраняются все преимущества по эксплуатационным характеристикам перед ближайшими аналогами.Due to the fact that the distance between the conical surface passing through the thread cavities and the conical surface of the pin lies in the range from 0.2 to 0.35 mm, the threading process of the pin is simplified. At the same time, all the advantages in terms of operational characteristics over the closest analogues are retained.
Если бы носик ниппеля имел цилиндрическую форму на всей длине, то при нарезке резьбы нужно было бы менять траекторию резца, чтобы не повредить конец ниппеля. Изменение траектории резца занимает некоторое время и уменьшает производительность работ. Изготовитель приварных замков обычно имеет современный парк резьбонарезных станков с ЧПУ. Для нарезки резьбы ниппеля создаётся программа и в соответствии с ней, хотя и с некоторой потерей производительности, производится изменение траектории движения резца при нарезке резьбы ниппеля.If the nipple nose had a cylindrical shape along its entire length, then when threading, it would be necessary to change the trajectory of the cutter so as not to damage the end of the nipple. Changing the trajectory of the cutter takes some time and reduces productivity. A weld lock manufacturer usually has a modern fleet of CNC threaders. A program is created for cutting the thread of the nipple and in accordance with it, although with some loss of productivity, the trajectory of the cutter is changed when cutting the thread of the nipple.
Но у бурильных труб долгий жизненный цикл. Время от времени необходимо перерезать изношенные замковые резьбы. На трубных базах, расположенных вблизи нефтяных месторождений, где ремонтируют бурильные трубы, не всегда есть резьбонарезные станки с ЧПУ и квалификация персонала не так высока, как на заводе – изготовителе бурильных замков. Если перенарезать двухупорное РС на универсальном резьбонарезном станке, то возможен врез резцом в поверхность второго торца ниппеля замка. След от вреза, даже почти незаметный на глаз, становится концентратором напряжений, особенно опасным в условиях знакопеременных нагрузок.But drill pipes have a long life cycle. From time to time it is necessary to cut worn locking threads. At pipe bases located near oil fields, where drill pipes are repaired, there are not always CNC threading machines and the qualifications of the personnel are not as high as at the plant that manufactures drill joints. If you recut the double-shouldered RS on a universal thread-cutting machine, then it is possible for the cutter to cut into the surface of the second end of the lock nipple. The trace of the cut, even almost imperceptible to the eye, becomes a stress concentrator, especially dangerous under conditions of alternating loads.
Если при бурении с приложением момента на роторе, близким к моменту свинчивания двухупорных замков, произойдёт слом носика ниппеля, замок сразу же начнет работать как одноупорный. А у одноупорного замка предельный крутящий момент всегда гораздо ниже, чем у двухупорного замка с такой же резьбой. В этом случае возможно вообще разрушение ниппеля или муфты (в зависимости от того, что слабее) и дальнейший обрыв бурильной колонны с падением на забой.If during drilling with the application of torque on the rotor, close to the moment of make-up of double-shouldered locks, the nipple nose is broken, the lock will immediately begin to work as a single-shouldered one. And with a single-thrust lock, the limiting torque is always much lower than that of a double-thrust lock with the same thread. In this case, it is possible to destroy the nipple or sleeve (depending on which is weaker) and further breakage of the drill string with a fall on the bottom.
Имея гарантированный зазор от 0,2 до 0,35 мм, нет необходимости производить отвод резца. Он будет двигаться только по траектории с углом уклона резьбы φ. При этом исключается случайный врез кончика резца в участки внутреннего упора ниппельного конца. При зазоре менее 0,2 мм нельзя гарантировать, что резец на выходе не заденет поверхность носика. При зазоре более 0,35 мм эксплуатационные характеристики предложенных РС начинают заметно снижаться, в первую очередь из-за снижения диаметра упорного торца ниппеля. With a guaranteed clearance of 0.2 to 0.35 mm, there is no need to retract the cutter. It will only move along a path with a thread taper angle φ. This excludes an accidental cut of the tip of the cutter into the areas of the internal stop of the nipple end. With a gap of less than 0.2 mm, it cannot be guaranteed that the cutter at the exit will not touch the spout surface. With a gap of more than 0.35 mm, the operational characteristics of the proposed RSs begin to noticeably decrease, primarily due to a decrease in the diameter of the nipple thrust end.
Выполнение конца носика ниппеля коническим даёт ещё одно преимущество по сравнению с прототипом.Making the end of the nose of the nipple conical gives another advantage over the prototype.
При сборке колонны бурильных труб на скважине довольно трудно обеспечить соосность ниппеля верхней трубы и муфты нижней трубы, особенно в условиях ветра или плавучей буровой платформы.When assembling a drill pipe string on a well, it is quite difficult to ensure the alignment of the top pipe nipple and the bottom pipe sleeve, especially in wind or floating drilling platform conditions.
При перекосе осей ниппеля и муфты торец ниппеля может задеть вершины резьбы муфты и повредить как вершины резьбы муфты, так и поверхность ниппельного конца. При этом, если участок поверхности ниппельного конца имеет цилиндрическую форму, то при силовом контакте с муфтовой резьбой он может повреждать витки муфты или сам повреждаться. If the axes of the nipple and the box are misaligned, the end of the nipple can touch the tops of the thread of the box and damage both the tops of the thread of the box and the surface of the pin end. In this case, if the surface area of the nipple end has a cylindrical shape, then in force contact with the coupling thread, it can damage the coils of the coupling or be damaged itself.
При повторной спускоподъёмной операции эти повреждения будут затруднять сборку. Размеры повреждений от операции к операции будут прогрессировать и в конце концов могут вызвать или заедание резьбового соединения, или потерю его герметичности.If tripping is repeated, these damages will make reassembly difficult. The extent of damage from operation to operation will progress and in the end may cause either jamming of the threaded connection or loss of its tightness.
Напротив, если участок поверхности ниппельного конца будет иметь коническую форму, с такой же конусностью, как и конусность резьбы муфты, то даже при контакте конец ниппеля будет скользить по резьбовой поверхности муфты по касательной, не производя ни себе, ни резьбе муфты значимых повреждений.On the contrary, if the surface area of the pin end has a conical shape, with the same taper as the taper of the coupling thread, then even upon contact, the pin end will slide along the threaded surface of the coupling tangentially without causing significant damage to itself or the coupling thread.
Таким образом, РС с заявленной формой носика ниппеля увеличивает ресурс работы бурильной колонны.Thus, the RS with the claimed shape of the nose of the nipple increases the life of the drill string.
Предложенное резьбовое соединение при одних и тех же наружном и внутреннем диаметрах замка имеет выигрыш в максимально допустимом крутящем моменте перед соединениями-аналогами от 3,4 до 14,5 %.The proposed threaded connection with the same outer and inner diameters of the lock has a gain in the maximum allowable torque over analogue connections from 3.4 to 14.5%.
Дополнительным преимуществом предложенного замка является лучшая по сравнению с прототипом ремонтопригодность (меньшая потеря длины при перенарезке соединения).An additional advantage of the proposed lock is the best maintainability compared to the prototype (less loss of length when re-cutting the connection).
Claims (5)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2796709C1 true RU2796709C1 (en) | 2023-05-29 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005095840A1 (en) * | 2004-03-31 | 2005-10-13 | Nkktubes | Double shoulder tool joint |
| RU181276U1 (en) * | 2018-04-16 | 2018-07-09 | Общество с ограниченной ответственностью "Пермская компания нефтяного машиностроения" | DRILL PIPE THREADED CONNECTION |
| RU201674U1 (en) * | 2020-07-11 | 2020-12-28 | Общество с ограниченной ответственностью "ТЕХНОМАШ" | THREADED DRILL PIPE CONNECTION |
| RU208824U1 (en) * | 2021-08-03 | 2022-01-17 | Общество с ограниченной ответственностью «Темерсо-инжиниринг» | Threaded lock for drill pipes |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005095840A1 (en) * | 2004-03-31 | 2005-10-13 | Nkktubes | Double shoulder tool joint |
| RU181276U1 (en) * | 2018-04-16 | 2018-07-09 | Общество с ограниченной ответственностью "Пермская компания нефтяного машиностроения" | DRILL PIPE THREADED CONNECTION |
| RU201674U1 (en) * | 2020-07-11 | 2020-12-28 | Общество с ограниченной ответственностью "ТЕХНОМАШ" | THREADED DRILL PIPE CONNECTION |
| RU208824U1 (en) * | 2021-08-03 | 2022-01-17 | Общество с ограниченной ответственностью «Темерсо-инжиниринг» | Threaded lock for drill pipes |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ГОСТ 28487-2018 Соединения резьбовые упорные с замковой резьбой элементов бурильных колонн, Общие технические требования, Взамен ГОСТ 28487-90, введ. 01.01.2020, Москва: Межгос.совет по стандартизации, метрологии и сертификации, М.: Изд-во: Стандартинформ, 2018, 20 с. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CA2216459C (en) | Rod joint | |
| EP1861578B1 (en) | Drill stem connection | |
| US7210710B2 (en) | Drill stem connection | |
| EP1015802B1 (en) | Ultra high torque double shoulder tool joint | |
| EP1101056B1 (en) | Threaded and coupled connection for improved fatigue resistance | |
| US20140333065A1 (en) | Threaded Tool Joint Connection | |
| RU2713548C2 (en) | Drilling rod or adapter with reinforced connecting element in form of bushing | |
| US11795981B2 (en) | Threaded and coupled tubular goods connection | |
| GB2314391A (en) | High strength quick connector for tools | |
| US11898404B2 (en) | Drill string components having multiple-thread joints | |
| EP3536893B1 (en) | Connection for percussion drilling | |
| USH1329H (en) | Drill collar connections | |
| RU2796709C1 (en) | Threaded connection of the drill string | |
| RU2728105C1 (en) | Threaded locking conical connection of drilling pipes and method of increasing its carrying capacity and service life | |
| US5143411A (en) | Threaded tubular connection | |
| RU2783935C1 (en) | Balanced threaded drill string connection | |
| US10557316B2 (en) | Drill string components having multiple-thread joints | |
| EP0979922B1 (en) | Tube rod | |
| RU2747498C1 (en) | Threaded joint conical connectin of drill pipes | |
| RU210115U1 (en) | Drill pipe with double-shouldered locks of reduced outer diameter | |
| US20240133245A1 (en) | Coupling for connecting downhole tubulars with improved stress distribution | |
| US20240133246A1 (en) | Coupling for connecting downhole tubulars with reduced stress | |
| RU201674U1 (en) | THREADED DRILL PIPE CONNECTION | |
| US20200325736A1 (en) | Threaded connection | |
| US20200181989A1 (en) | Drill pipe and optimization thereof |