Резьбовое соединение бурильных труб



Резьбовое соединение бурильных труб

 


Владельцы патента RU 2521123:

Открытое акционерное общество "Завод бурового оборудования" (RU)

Изобретение относится к буровой технике и касается преимущественно резьбового соединения замков бурильных труб геологоразведочного и нефтяного сортамента. Резьбовое соединение состоит из муфты, ниппеля и прорезной пружины, установленной между упорным уступом муфты и упорным торцом ниппеля. Причем между упорным уступом ниппеля и упорным торцом муфты образуется ликвидируемый в процессе затяжки соединения и сжатия пружины зазор, величина которого равна ходу пружины и, согласно ее параметрам, строго соответствует заданной осевой нагрузке на внутренний упорный стык. После затяжки соединения обеспечивается строго заданная осевая нагрузка на наружный упорный стык. Технический результат заключается в обеспечении создания строго заданных осевых нагрузок на внутренний и на наружный упорный стык, сохранение их соотношения на весь период эксплуатации. Надежное функционирование обоих упорных уступов позволяет увеличить осевую силу затяжки резьбового соединения в 1,5 раза и соответственно повысить его статическую прочность и циклическую долговечность. 1 ил.

 

Изобретение относится к буровой технике и касается преимущественно резьбового соединения замков бурильных труб нефтяного и геологоразведочного сортамента.

Известен наиболее близкий аналог, принятый за прототип, резьбовое соединение с конической резьбой бурильного замка фирмы «Хайдрил» /1/, которое имеет два упорных стыка - наружный и внутренний и, как показали исследования, наличие дополнительного внутреннего упорного стыка позволяет в 1,5 раза увеличить крутящий момент затяжки соединения /2/.

Однако, такое соединение имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что обеспечить надежный контакт и заданные нагрузки одновременно по трем поверхностям - по конической резьбе, наружному и внутреннему упорным стыкам - практически невозможно, несмотря на весьма жесткий допуск, задаваемый на расстояние между наружными и внутренними упорными торцами и упорными уступами ниппеля и муфты соединения.

В результате, один из упорных стыков оказывается недогруженным, а другой, наоборот, - перегруженным. Особую опасность представляет случай, когда из-за незначительных отклонений от заданных допусков, недогруженным, или даже вовсе открытым, оказывается наружный упорный стык, так как это приводит к ускоренному усталостному разрушению резьбы и, как следствие, к обрыву и аварии с бурильной колонной. Стендовые испытания на усталость при знакопеременном консольном изгибе натурных образцов бурильных труб ССК-59 с такими соединениями показали, что в зависимости от точности исполнения параметров, образующих их упорные стыки, циклическая долговечность соединения может отличаться на порядок /2/.

Именно этим недостатком объясняется тот факт, что, несмотря на предложения отдельных фирм, резьбовые соединения с двумя упорными стыками не находят своего отражения как в отечественных (ГОСТ 27834; ГОСТ 7918), так и в международном (7API) стандартах на бурильные замки

Исключение составляют только соединения тонкостенных обсадных и бурильных труб, применяемых при бурении со съемным керноприемником, функциональные возможности которых, в особенности по величине передаваемого на породоразрушающий инструмент крутящего момента последних без дополнительного внутреннего упорного стыка, весьма ограничены.

Задача изобретения состоит в создании резьбового соединения, в котором заданная нагрузка на внутренний упорный стык обеспечивается и поддерживается в процессе всего периода его, функционирования и не обусловлена жестким допуском на расстояние между упорными торцами и упорными уступами соединяемых деталей, образующими наружный и внутренний упорный стыки, а также их износом

Для решения этой задачи в резьбовом соединении бурильной трубы, включающем муфту и ниппель, образующих при свинчивании и затяжке наружный и внутренний упорные стыки, между упорным уступом муфты и упорным торцом ниппеля установлена прорезная пружина так, что между упорным уступом ниппеля и упорным торцом муфты образуется ликвидируемый в процессе затяжки соединения и сжатия пружины зазор, величина которого равна ходу пружины и, согласно ее параметрам, строго соответствует заданной осевой нагрузке на внутренний упорный стык, благодаря чему, после затяжки соединения, обеспечивается также строго заданная осевая нагрузка на наружный стык, как разница между общей силой затяжки резьбового соединения и силой, создаваемой пружиной на внутренний упорный стык.

Изобретение иллюстрируется чертежом (фиг.1), где представлено предлагаемое резьбовое соединение в виде бурильного замка, включающего ниппель 1, муфту 2 и прорезную пружину 5, которая установлена между упорным уступом 3 муфты и упорным торцом 4 ниппеля. При этом между упорным уступом 6 ниппеля и упорным торцом 7 муфты образуется зазор h, который ликвидируется в процессе затяжки соединения и сжатия пружины. Величина зазора h равна ходу пружины h0 и, согласно ее параметрам, строго соответствует заданной осевой нагрузке на внутренний упорный стык. Благодаря этому, после затяжки соединения, обеспечивается также строго заданная осевая нагрузка на наружный упорный стык, как разница между общей силой затяжки резьбового соединения и силой, создаваемой пружиной на внутренний упорный стык.

Заявляемое устройство позволяет решить поставленную задачу.

Действительно, установленная в резьбовом соединении бурильных труб между упорным уступом муфты и упорным торцом ниппеля прорезная пружина имеет параметры, обеспечивающие, при ее сжатии на величину хода h=h0, заданную осевую силу затяжки внутреннего упорного стыка. В результате этого одновременно обеспечивается строго заданная осевая сила затяжки наружного упорного стыка, так как она представляет собой разницу между строго задаваемой общей осевой силой затяжки резьбового соединения и строго обеспечиваемой пружиной осевой силой на внутреннем упорном стыке.

В обычном резьбовом соединении сила затяжки наружного и внутреннего упорного стыка обеспечивается деформацией опорных поверхностей соединяемых деталей, которая составляет всего 0,10-0,15 мм, что с одной стороны обусловливает соответствующий весьма жесткий допуск на расстояние между упорными стыками. С другой стороны, в процессе многократной сборки-разборки соединения при спуско-подъемных операциях, это точно заданное расстояние нарушается из-за износа опорных поверхностей, что приводит к существенным изменениям заданных соотношений осевых сил на обоих упорных стыках и снижению функциональных возможностей резьбового соединения.

В предлагаемом резьбовом соединении с применением прорезной пружины, деформация которой на порядок выше, чем у материала деталей соединения, требования к точности расстояния между упорными стыками резко снижаются, а износ опорных поверхностей не оказывает существенного влияния на заданную осевую силу затяжки соединения на внутренний стык, так как его величина также на порядок меньше хода пружины.

Пример реализации предлагаемого резьбового соединения бурильных труб.

В качестве примере принимаем приварной бурильный замок ЗП-95-32 по ГОСТ 27834 к бурильной трубе ПВ 73×9 по ГОСТ 50278.

Общая сила затяжки Q резьбового соединения

где:

М=4700 Нм - оптимальный момент затяжки для резьбы 3-73 /1/;

dcp=0,0667 м - средний наружный диаметр замковой резьбы 3-73 посередине ее длины;

µ=0,16 - коэффициент трения в резьбе, подвергнутой фосфатированию или меднению /3/.

Q=4700/0,0667·0,16=440000 H

Площадь опорной поверхности упорных стыков, мм2: наружного - 2118; внутреннего - 1280, суммарная 3398. Принимая силы на стыках пропорциональными площади соответствующей опорной поверхности, находим осевую силу, которую необходимо задать для внутреннего стыка

Р=Q·1280/3398=440000·0,376=165000 H

Подбор и расчет на прочность прорезной пружины проводим согласно рекомендациям, изложенным в работе /4/.

В соответствии с диаметром резьбы 3-73 у большего основания конуса принимаем наружный диаметр прорезной пружины равным 60 мм. Внутренний диаметр ее не может быть меньше диаметра проходного канала соединения, принимаем его равным 32 мм, откуда средний радиус пружины составляет R=23 мм, а ширина ее b=14 мм.

Путем предварительных расчетов с учетом длины корпуса муфты под ключ Iм=204 мм (см. фиг.1) устанавливаем толщину (высоту) образуемых при фрезеровании пазов колец t=25 мм, число колец i=4 и перемычек на одном из торцов кольца n=2. Принимая высоту прорези равной 3 мм, получим высоту (длину) пружины: 25·4+3·3=109 мм (см. фиг.1).

Ход (осадка) пружины определяется из выражения:

где:

ε - безразмерный коэффициент;

P - осевая сила;

R - средний радиус кольца пружины;

n - число перемычек на одном из торцов кольца пружины;

B - жесткость сечения кольца на изгиб;

B=b·t3·E/12;

b - ширина кольца пружины;

t - толщина (высота) кольца пружины;

E - модуль упругости материала пружины при изгибе;

i - число рабочих колец пружины;

ε=ν(β-χ·sinβ);

ν - коэффициент;

ν=B/C;

C - жесткость сечения кольца на кручение;

C=J·G

J - полярный момент инерции пружины при кручении;

G - модуль упругости материала пружины при кручении

β - половина угла между перемычками пружины;

β=0,5 π/n;

χ - коэффициент;

χ=2ν·sinβ/|β(1+ν)-0,5((1-ν)sin2β|

Помимо установленных выше, определяем значения остальных исходных величин, входящих в выражение (2)

Е=2,06·105 Н/мм2; В=14·253·2,06·105/12=0,38·1010 Н·мм2; J=0,1(604-324)=0,119·107 мм4; G=7,8·104 Н/мм2; G=0,119·107·7,8·104=0,93·1011 Н·мм2; ν=В/С=0,04; β=0,5·180/2=45°; χ=2·0,04·0,7/45(1+0,04)-0,5(1-0,04)·1=0,001; ε=0,04(45-0,001·0,7)=1,8

Подставив полученные величины в выражение (2), получим ход разрезной пружины

h0=1,8·165000·233·4/2·0,38·1010=1,90 мм

Определяем максимальное приведенное напряжение у перемычек пружины

где:

ξ - коэффициент, зависящий от отношения t/b. Согласно таблице, приведенной в работе (4), при значении t/b=25/14=1,78 величина ξ=1,34 и тогда

σ=1,34·165000·23/14·252=581 Н/мм2

В качестве материала для прорезной пружины принимаем согласно ГОСТ 14959 рессорно-пружинную сталь марки 60С2А с пределом текучести 1372 Н/мм2. Запас прочности пружины из этой стали составит

ϑ=1372/581=2,4.

Осевую силу затяжки и соответственно статическую и циклическую прочность резьбового соединения с двумя упорными стыками можно увеличить в 1,5 раза /2/, т.е. принять ее равной

165000·1,5=247500 H.

Тогда ход пружины согласно выражению (2) также увеличится в 1,5 раза и будет равен

h0=1,95·1,5=2,85 мм.

Следовательно, в этом случае (см. фиг.1) величины h=h0 должны быть приняты равными 2,85 мм, а запас прочности пружины соответственно уменьшится в 1,5 раза и составит

2,4/1,5=1,6,

что достаточно.

Общая осевая сила затяжки такого резьбового соединения составит

Q=440·1,5=660 кН,

а крутящий момент затяжки согласно выражению (1)

660·0,0667·0,16=7,04 кНм = 7040 Нм.

Таким образом, наличие прорезной пружины в предлагаемом резьбовом соединении обеспечивает создание строго заданных осевых нагрузок на внутренний, и, как следствие, на наружный упорный стык и сохранение их соотношения на весь период эксплуатации, так как оно практически не зависит от допуска на расстояние между ними и от износа составляющих их опорных поверхностей. Надежное функционирование обоих упорных стыков позволяет увеличить общую осевую силу затяжки резьбового соединения в 1,5 раза и соответственно повысить его статическую прочность и циклическую долговечность.

Литература:

1. Трубы нефтяного сортамента. Справочник / Под общей ред. А.Е. Сарояна. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1987. 488 с.

2. Лачинян Л.А. Работа бурильной колонны. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1992. - 214 с.: ил.

3. Биргер И.А., Иосилевич Г.Б. Резьбовые и фланцевые соединения. - М.: Машиностроение, 1990. - 368 с.: ил.

4. Биргер И.А. и др. Расчет на прочность деталей машин: Справочник / И.А. Биргер, Б.Ф. Шорр, Г.Б. Иосилевич. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1993. - 640 с.: ил.

Резьбовое соединение бурильных труб, включающее муфту и ниппель, образующие при свинчивании и затяжке наружный и внутренний упорные стыки, отличающееся тем, что между упорным уступом муфты и упорным торцом ниппеля установлена прорезная пружина так, что между упорным уступом ниппеля и упорным торцом муфты образуется ликвидируемый в процессе затяжки соединения и сжатия пружины зазор, величина которого равна ходу пружины и, согласно ее параметрам, строго соответствует заданной осевой нагрузке на внутренний упорный стык, благодаря чему, после затяжки соединения, обеспечивается также строго заданная осевая нагрузка на наружный стык, как разница между задаваемой общей силой затяжки резьбового соединения и силой, создаваемой пружиной на внутренний упорный стык.



 

Похожие патенты:

Группа изобретений относится к трубному компоненту для резьбового соединения. Соединение на одном из концов имеет резьбовую зону, сформированную на его наружной или внутренней периферийной поверхности в зависимости от того является ли резьбовой конец охватываемого или охватывающего типа.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к соединениям профильных труб, расширяемых в процессе перекрытия ими зон осложнения бурения или нарушения герметичности обсадных колонн в скважинах.

Изобретение относится к области трубных соединений, используемых при изготовлении нефтегазопромысловых труб и труб для морских трубопроводов. .

Изобретение относится к горному делу, в частности самобурящим анкерным болтам для крепления кровли и стен горной выработки. .

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к области калибровки резьбовых калибров соединений обсадных труб и муфт к ним. .

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, в частности к резьбовым соединениям бурильных или обсадных труб. .

Изобретение относится к соединениям насосных штанг для привода винтовых насосов. Техническим результатом является повышение прочности на кручение и устойчивости к нагрузкам на разрыв. Соединительное устройство насосной штанги для винтового насоса содержит накидную втулку с внутренним уступом с одной стороны и внутренней резьбой с другой стороны, стержень штанги, накидную гайку и позиционирующую гайку. Стержень штанги выполнен с наружной резьбой, а также клиновидным пазом на одном торце и с клиновидным выступом на другом торце. При этом со стороны клиновидного выступа на стержне установлены накидная гайка и направляющая накидная втулка, внутри которой до контакта с ее внутренним уступом на стержень установлена позиционирующая гайка. Клиновидный выступ выполнен с возможностью его размещения в клиновидном пазу соседнего стержня при соединении последнего с направляющей накидной втулкой. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к резьбовым соединениям для геологоразведочных работ или эксплуатации на углеводородных скважинах. Резьбовое соединение содержит первый компонент, содержащий охватываемый конец с резьбовой зоной, расположенной на его внешней периферийной поверхности, и второй компонент, содержащий охватывающий конец с резьбовой зоной, расположенной на его внутренней периферийной поверхности. Резьбовая зона охватываемого конца ввинчена в резьбовую зону охватывающего конца. Резьбовые зоны содержат соответствующие охватываемые и охватывающие витки резьбы, которые содержат основание, вершину, стыковочную боковую сторону и нагрузочную боковую сторону. В нагрузочной боковой стороне резьбовой зоны охватывающего конца и/или охватываемого конца соответственно рядом с основанием расположен паз, а также имеется выступ, который выступает из нагрузочной боковой стороны резьбовой зоны охватываемого конца и/или соответственно из охватывающего конца. Рядом с вершиной данный выступ содержит выпуклую поверхность и вогнутую поверхность. В соединенном состоянии между вогнутой поверхностью и пазом присутствует радиальный зазор, а между концом выступа и дном паза присутствует осевой зазор. Изобретение повышает надежность резьбового соединения. 19 з.п. ф-лы, 6 ил.

Герметичное резьбовое соединение для обсадных труб из непластифицированного поливинилхлорида содержит охватываемый и охватывающий элементы с трапецеидальным профилем резьбы, причем охватывающий конец трубы содержит удлиненный раструб с внутренним диаметром на величину двойной высоты профиля резьбы меньше, чем наружный диаметр охватываемого элемента. Резьба на охватываемом и охватывающем элементе имеет конусные участки, кроме того, перед первым витком резьбы труба имеет заходный поясок, выполненный в виде конуса. Дополнительная герметичность резьбового соединения обеспечивается за счет резинового уплотнительного кольца, устанавливаемого за наружной резьбой охватываемого элемента и прилегающего к ровной цилиндрической части заходного пояска внутренней резьбы охватывающего элемента. Технический результат заключается в повышении прочности и устойчивости резьбового соединения к осевым и радиальным нагрузкам, а также обеспечении герметичности резьбового соединения. 4 ил.

Группа изобретений относится к буровому долоту для ударного бурения горной породы и к его использованию. Технический результат заключается в увеличении прочности и устранении слабости соединительной муфты долота. Буровое долото содержит бурильную головку, соединительную муфту, имеющую первый конец и соединенную с бурильной головкой первым концом, расточку, проходящую аксиально через соединительную муфту от ее второго конца к первому концу и снабженную внутренней цилиндрической охватывающей резьбой для соединения с соответствующей наружной цилиндрической охватываемой резьбой бурильной штанги, и ударную поверхность для упора в концевую поверхность бурильной штанги, выполненную на дне расточки и проходящую перпендикулярно продольной оси бурового долота. Каждое поперечное сечение расточки между ударной поверхностью и частью расточки, где охватывающая резьба имеет полный профиль, имеет площадь меньше площади поперечного сечения расточки на части расточки, где охватывающая резьба имеет полный профиль. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к бурильным трубам, применяемым при высокочастотном алмазном бурении со съемным керноприемником. Техническим результатом является повышение надежности и эффективности функционирования бурильной колонны как при бурении, так и в процессе спускоподъемных операций. Площадь упорного торца муфты резьбового соединения 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. 3 ил., 1 табл., 1 пр.

Группа изобретений относится к области изготовления бурильной трубы, а именно к соединению металлических трубчатых деталей со стальными замками. Технический результат - получение равнопрочного соединения труб с деталями замка, обладающего высокой герметичностью, вибрационной и усталостной прочностью. Способ изготовления бурильной трубы включает высадку концов труб, соединение концов труб с ниппелем и муфтой, соединение ниппеля и муфты между собой резьбовым соединением. При этом производят механическую обработку соединяемых концов труб, ниппеля и муфты с образованием сопрягаемых цилиндрических и конических поверхностей. На конических поверхностях выполняют ступени с образованием канавок, в которых размещают припой, который размещен и на торце сопрягаемой цилиндрической поверхности. На наружной поверхности ниппеля и муфты наплавляют износостойкие пояски. Соединение ниппеля, муфты с трубой осуществляют посредством пайки с натягом. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

Группа изобретений относится к сцеплениям для соединения снабженных наружной резьбой звеньев, системам сцеплений, инжекционным буровым анкерам, а также способам соединения двух несущих звеньев. Технический результат заключается в обеспечении надежности уплотнения, а также в минимизации потерь осевой ударной энергии и в упрощении монтажа. Сцепление содержит втулкообразную муфту сцепления с исходящими от двух противоположных сторон, снабженными каждое внутренней резьбой отверстиями для ввинчивания, при этом между обеими внутренними резьбами отверстий для ввинчивания на внутренней стороне муфты сцепления образован обращенный радиально внутрь монтажный выступ, при этом между монтажным выступом и внутренними резьбами образована соответствующая радиальная выемка, которая граничит с выбегом соседней внутренней резьбы, при этом в обеих выемках установлено упруго деформируемое уплотнительное кольцо, и при этом в ненагруженном состоянии уплотнительных колец их наружный диаметр больше внутреннего диаметра монтажного выступа и/или больше или равен внутреннему диаметру внутренней резьбы. Сцепление имеет зажимное кольцо, наружный диаметр которого меньше или равен внутреннему диаметру монтажного выступа. Уплотнительные кольца имеют поверхность прилегания, которая проходит до прилегания к одной из обеих боковых поверхностей зажимного кольца в радиусном интервале, который при концентричной зажимному кольцу ориентации уплотнительных колец геометрически частично пересекает радиусный интервал боковых поверхностей зажимного кольца. 4 н. и 53 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к резьбовому соединению, содержащему первый и второй трубчатые компоненты, при этом каждый оснащен соответствующей охватываемой и охватывающей концевой частью, при этом охватываемая концевая часть содержит, по меньшей мере, один резьбовой участок на своей наружной периферийной поверхности и заканчивается на конечной поверхности, при этом охватывающая концевая часть содержит, по меньшей мере, один резьбовой участок на своей внутренней периферийной поверхности и заканчивается на конечной поверхности. Резьбовые участки содержат, по меньшей мере, на части их длины витки резьбы, каждый из которых содержит, если смотреть в направлении продольного сечения, проходящего через ось трубчатого компонента, вершину резьбы, впадину резьбы, рабочую сторону и нерабочую сторону. Профили рабочих поверхностей (30, 40) охватываемой и охватывающей резьбы, если смотреть в направлении продольного сечения, проходящего через ось вращения соединения, представляют собой непрерывную кривую выпуклой или вогнутой формы, при этом профиль охватываемых боковых поверхностей является комплементарным для охватывающих боковых поверхностей, по меньшей мере, на 70%, предпочтительно 90% указанной непрерывной кривой. Изобретение повышает надежность соединения. 15 з.п. ф-лы, 6 ил.
Наверх