ШАРНИР БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ Российский патент 1994 года по МПК E21B7/08 

Изобретение относится к бурению, эксплуатации и ремонту скважин с большим углом искривления, например горизонтальных скважин.

Известно, что в шарнирном переходнике ниппель и раструб соединены при помощи шаров или штифтов размерами меньшими, чем пазы в ниппеле и муфте. Такой шарнир для герметизации требует специальных уплотняющих деталей, стопорящих винтов, а при изгибе и передаче крутящего момента имеющиеся люфты отрицательно сказываются на работе шарнира.

В универсальном шарнирном переходнике, сферическое соединение ниппеля с раструбом осуществлено полумуфтой. Крутящий момент в таком соединении передается шарами, размещенными в полусферических пазах ниппеля и удлиненных пазах полумуфты. Шары находятся у плоскости, проходящей через центр сферических поверхностей ниппеля, раструба и полумуфты. В данном шарнире герметизация также осуществляется специальными уплотнительными деталями, а регулирование угла искривления не предусмотрена [2] .

Задача предлагаемого изобретения состоит в создании шарнира бурильной колонны повышенной надежности при увеличенных углах искривления, позволяющего регулировать угол искривления.

Данное изобретение представляет собой шарнир бурильной колонны, включающей ниппель со сферическим торцом, полусферическими и тороидальными пазами и резьбовым соединительным участком для связи с бурильной колонной, муфту с ответным сферическому торцу ниппеля раструбом, полумуфту с полусферическими и тороидальными пазами, шары, расположенные в полостях, образованных совмещенными полусферическими и тороидальными пазами ниппеля и полумуфты, и уплотнительные элементы, отличающиеся тем, что, с целью повышения надежности работы шарнира при увеличенных углах искривления, полусферические пазы в ниппеле и полумуфте расположены на горизонтальной плоскости, проходящей через центр сфер шарнира, причем диаметр шаров и диаметр полости, образованной совмещенными полусферическими пазами ниппеля и полумуфты, выбираются из соотношения:
d₂-d₁ = · α, где d₂ - диаметр полости, образованной совмещенными полусферическими пазами ниппеля и полумуфты;
d₁ - диаметр шара;
R - радиус сферы шарнира;
α - угол искривления шарнира.

Повышенная надежность работы шарнира достигается тем, что функции ограничения искривления шарнира и передачи крутящего момента в предлагаемой конструкции распределены между шарами в полусферических и тороидальных пазах на ниппеле и полумуфте. Шары в полусферических пазах ограничивают угол искривления шарнира, а шары в тороидальных пазах передают крутящий момент и не влияют на искривление шарнира. Определением диаметра d₁ шаров в полусферических пазах по выражению d₂-d₁= · α задается необходимый угол кривизны шарнира бурильной колонны, что повышает надежность работы шарнира в плане технологии бурения скважины. Разность d₁ и d₂, то есть разность диаметров шара и полусферических пазов на ниппеле и полумуфте позволяет изменять угол искривления шарнира бурильной колонны.

На фиг. 1 представлен шарнир бурильной колонны, продольный разрез; фиг. 2 - поперечный разрез шарнира по А-А на фиг. 1; фиг. 3 - продольный разрез шарнира при изгибе.

Шарнир бурильной колонны состоит из бурильной трубы 1, ниппеля 2 со сферическим торцом, бурильной трубы 3 со сферическим раструбом, полумуфты 4, шаров 5 и 6 уплотнительных колец 7. Бурильная труба 1 соединена с ниппелем 2 резьбой 8 посредством использования фигурного отверстия 9. Ниппель 2 закреплен в сферическом раструбе трубы 3 полумуфтой 4 посредством конической быстроразъемной резьбы 10. Шары 5 находятся в полости а, образованной полусферическими пазами ниппеля 2 и полумуфты 4. Шары 6 находятся в полости b, являющейся отрезком тороида между ниппелем 2 и полумуфтой 4.

Сферическая полость a имеет диаметр d₂ больше диаметра d₁ шара 5 и нижней границей проходит через плоскость, проходящую через центр сферических поверхностей шарнира бурильной колонны. Тороидальная полость b нижней точкой также находится на плоскости, проходящей через центр сферических поверхностей шарнира.

Работает шарнир бурильной колонны следующим образом. Осевую нагрузку на сжатие воспринимают сферические поверхности ниппеля 2 и нижней трубы 3. Усилие растяжение шарнира воспринимают сферические поверхности ниппеля 2 и полумуфты 4. Усилия кручения передаются между ниппелем 2 и полусуфтой 4 шарами 6 в тороидальной полости b. Изгиб шарнира определяют шары 5, размещенные в полу- сферических полостях a. Регулирование угла изгиба производится сменой шаров 5, диаметр которых определяется из выражения
d₂-d₁ = · α
Смена шаров 5 в шарнире бурильной колонны осуществляется путем разворота конической быстроразъемной резьбы 10 и поднятием полумуфты 4 вверх на ниппеле 2.

Эффект от предлагаемого изобретения достигается следующим:
возможностью изменения угла искривления шарнира в сторону увеличения или уменьшения что повышает технологическую возможность бурения направленной скважины;
разделением функций шаров в сферических и тороидальных полостях на передачу изгибающего и крутящего моментов, что повышает надежность работы шарнира бурильной колонны;
увеличенной площадью сферических поверхностей при передаче сжимающей осевой нагрузке и достаточной площадью сферических поверхностей при растягивающей осевой нагрузке, что также повышает надежность работы шарнира;
возможностью быстрой замены на буровой шаров и уплотнений, что сокращает время подготовки шарнира к работе. (56) С. А. Волков и А. С. Волков. Справочник по разведочному бурению. Госнаучтехиздат литературы по геологии и охране недр. -М. : 1963, с. 357, рис. 231.

А. Е. Колесников и Н. Я. Милентьев. Искривление скважин. М. : Недра, 1979, с. 68, рис. 33.

Использование: в области бурения, эксплуатации и ремонта скважин с большим углом искривления. Сущность изобретения: шарнир содержит ниппель с полусферическими пазами и сферическим торцом, муфту с ответной сферической поверхностью раструба и полумуфту с полусферической поверхностью. Ниппель и полумуфта образуют на горизонтальной полости, проходящей через центр сфер шарнира, полость для размещения шаров. Диаметр шаров и диаметр полости для их размещения выбираются из соотношения d₂-d₁=πRα/180, где d₂ - диаметр полости, образованной совмещенными полусферическими пазами ниппеля и полумуфты; d₁ - диаметр шаров; R - радиус сферы шарнира: α - угол искривления шарнира. 3 ил.

ШАРНИР БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ, включающий ниппель со сферическим торцом, полусферическими пазами и резьбовым соединительным участком для связи с бурильной колонной, муфту с ответным сферическому торцу ниппеля раструбом, полумуфту с полусферическими пазами, шары, расположенные в полостях, образованных совмещенными полусферическими пазами ниппеля и полумуфты, и уплотнительные элементы, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности в работе шарнира при увеличенных углах искривления, полусферические пазы в ниппеле и полумуфте расположены на горизонтальной плоскости, проходящей через центр сфер шарнира, причем диаметр d₁ шаров и диаметр d₂ полости, образованной совмещенными полусферическими пазами ниппеля и полумуфты, выбираются из соотношения
d₂-d₁=
где R - радиус сферы шарнира;
α - угол искривления шарнира.