КОМПОНЕНТЫ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ, ИМЕЮЩИЕ МНОГОЗАХОДНЫЕ РЕЗЬБОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ Российский патент 2017 года по МПК E21B17/42 

[0001] В этой заявке заявлен приоритет по Предварительной заявке на патент №61/700401, поданной 13 сентября 2012 года под названием "DRILL STRING COMPONENTS HAVING MULTIPLE THREAD JOINTS", содержание которой включено в данный документ посредством ссылки в полном объеме.

Уровень техники

Область техники

[0002] Варианты реализации настоящего изобретения относятся в целом к компонентам и к системам для бурения. В частности, варианты реализации настоящего изобретения относятся к буровым компонентам, обладающим повышенной прочностью, а также устойчивостью к заеданию, свинчиванию не по резьбе и заклиниванию.

Релевантная технология

[0003] Резьбовые соединения были хорошо известны с незапамятных времен, и резьбы обеспечивают значительное преимущество в том, что винтовая структура резьбы может преобразовывать вращательное движение и усилие в линейное движение и усилие. Резьбы присутствуют на многих видах элементов и могут быть использованы в неограниченных областях применения и отраслях промышленности. Например, резьбы являются неотъемлемой частью винтов, болтов и других видов механических крепежных деталей, которые могут входить в зацепление с поверхностью (например, в случае винта) или использоваться вместе с гайкой (например, в случае болта) для скрепления вместе нескольких элементов, приложения усилия к элементу или для любой другой подходящей цели. Резьба также распространена практически в любой отрасли промышленности, в которой элементы механически скрепляют друг с другом. Например, в области трубопроводно-технических работ трубы используют для доставки жидкостей или газов под давлением. Трубы могут иметь концы с резьбой, которые сопрягаются с соответствующими резьбами примыкающей трубы, пробки, переходника, соединительного элемента или другой структуры. Резьбы могут быть использованы в создании герметичного уплотнения для защиты от утечки жидкости в месте соединения.

[0004] Нефтепромысловые, разведочные и другие технологии бурения также широко используют резьбу. Например, после того, как скважина вырыта, внутри скважины могут быть размещены обсадные элементы. Обсадные трубы, как правило, имеют фиксированную длину, и несколько обсадных труб соединяют друг с другом с целью получения обсадной трубы желаемой высоты. Обсадные трубы могут быть соединены друг с другом с использованием резьбы на их противоположных концах. Точно так же, как буровые элементы используют для создания скважины или для размещения объектов внутри скважины, может быть использована буровая штанга или другое подобное устройство. Если глубина скважины достаточно велика, несколько буровых штанг могут быть соединены друг с другом, чему может способствовать использование сопряженных резьб на противоположных концах буровой штанги. Зачастую, буровые штанги и обсадные трубы являются очень большими, и механизмы прилагают большие усилия для того, чтобы скрепить резьбой штанги или обсадные трубы друг с другом.

[0005] Значительные усилия были предприняты для стандартизации оборудования в нефтепромысловой, разведочной и других отраслях бурения. В случае буровых штанг, были разработаны стандарты как внешних, так и внутренних диаметров и, в случае резьбы, были разработаны стандарты многозаходных резьб, чтобы обеспечить разным производителям возможность производить взаимозаменяемые детали. Например, типовые схемы стандартизации включают Унифицированный стандарт резьбы (UTS), Британский стандарт Витворта (BSW), Британский стандарт конической трубной резьбы (BSPT), Национальный стандарт конической трубной резьбы (NPT), метрические винтовые резьбы в соответствии со стандартами Международной организации по стандартизации (ISO), резьбы в соответствии со стандартами Американского института нефти (API), а также многочисленные другие схемы стандартизации резьб.

[0006] Хотя стандартизация обеспечила возможность большей предсказуемости и взаимозаменяемости, когда компоненты разных производителей подходят по размерам, стандартизация также снизила количество инноваций в конструкции буровых компонентов. В одном примере как внешние, так и внутренние диаметры буровых штанг фиксировались промышленными требованиями. Соответственно, часть толщины стенки, предназначенная для сопряжения резьб, выполненных с возможностью передавать нагрузки при бурении и выдерживать износ в связи с повторяющимся свинчиванием и развинчиванием буровых компонентов, должна быть сбалансирована с оставшимся материалом на резьбовых частях компонентов таким образом, чтобы компоненты могли выдерживать нагрузки при бурении и износ из-за истирания по отношению к пробуренной стенке скважины и полученной в результате выбуренной породы.

[0007] В другом примере резьбы могут быть созданы с использованием существующих форм поперечного сечения - или формы резьбы - и различных комбинаций хода, шага и количества заходов резьбы. В частности, ход относится к линейному расстоянию вдоль оси, которое захватывается при полном обороте. Шаг относится к расстоянию от вершины одной резьбы до другой, а заход относится к количеству заходов или выступов, навитых на цилиндр резьбовой крепежной детали. Однозаходный соединительный элемент является наиболее распространенным и содержит один выступ, навитый на корпус крепежной детали. Двухзаходный соединительный элемент содержит два выступа, навитых на корпус крепежной детали. Число витков резьбы на один дюйм также является элементом стандарта резьб, но непосредственно относится к ходу, шагу и заходу резьбы.

[0008] Хотя существующие резьбы и формы резьб подходят для ряда областей применения, необходимо постоянное улучшение в других областях, таких как области применения с высоким крутящим моментом, большой мощностью и/или высокой скоростью. В одном случае существующие резьбовые конструкции по сути склонны к заеданию. В другом случае существующие резьбовые конструкции не используют эффективно доступный материал. В другом варианте реализации изобретения существующие резьбовые конструкции уменьшают допускаемую нагрузку сопряженных компонентов. В еще одном случае существующие резьбовые конструкции демонстрируют чрезмерный износ.

[0009] Заедание представляет собой неправильное взаимодействие между заходом резьбы и сопряженной резьбы таким образом, что при осуществлении одного витка одна резьба частично проходит под другой, тем самым заклинивая в ней. Заедание может быть особенно частым, если резьбовые соединительные элементы имеют коническую форму. В другом случае существующие конструкции буровых компонентов могут иметь ограниченную допускаемую нагрузку при бурении и допускаемую усталостную нагрузку из-за материала, предусмотренного для наружной резьбы или базового материала на охватываемом конце бурового компонента.

[0010] В некоторых областях применения, например, с использованием буровых установок, может быть свинчено несколько буровых штанг, обсадных труб и тому подобного. По мере добавления большего количества штанг или обсадных труб натяг по причине заклинивания или свинчивания не по резьбе может увеличиваться. Более того, достаточная мощность (например, при свинчивании с использованием гидравлической мощности буровой установки) может разрушить соединение штанг. Колонковые штанги в бурении также зачастую имеют резьбы с большим шагом с широкими, плоскими вершинами резьб, параллельными сопряженным вершинам благодаря сопряженной посадке с натягом или посадке с небольшим зазором, обусловленной многими конструкциями соединений буровых штанг. Комбинация сбегов резьб и плоских параллельных вершин резьб на конических резьбах с большим шагом создает еще больший потенциал для взаимодействия при свинчивании не по резьбе, которое в ином случае может не наблюдаться в других областях применения.

[0011] В конических резьбах противоположные концы компонентов с наружной и внутренней резьбой могут иметь разные размеры. Например, компонент с наружной резьбой может сходить на конус и постепенно увеличиваться в размерах по мере увеличения расстояния от конца. Для приспособления к увеличению в размерах внутренняя резьба может быть больше на конце. Разница в размерах конических резьб также делает конические резьбы особенно склонными к заеданию, которое также называют свинчиванием не по резьбе. Свинчивание не по резьбе в конических или других резьбах может привести к значительному повреждению резьб и/или компонентов, которые содержат резьбы. Повреждение резьб может потребовать замены резьбового компонента, привести к ослаблению соединения, снизить герметичные характеристики уплотнения между компонентами или оказывать другое воздействие, или включать любую комбинацию изложенного выше.

[0012] Например, заходы резьб с зацеплением на сбеге резьбы имеют вершины с общим конусом. В случае сопряжения компонентов с наружной и внутренней резьбой без вращения вершины на сбеге резьбы могут заклинивать между собой. В случае вращения вершины на сбеге резьбы также могут заклинивать при введении, основанном на относительно соосной установке сбегов. В частности, поскольку сбег резьбы составляет, как правило, около половины окружности, и так как резьба имеет общий конус, менее половины окружности соответствующих компонентов с наружной и внутренней резьбой обеспечивает угловое положение для резьб без заклинивания. Таких требований к установке положения может быть особенно трудно достичь в областях применения, в которых используют большие усилия подачи и вращательные усилия для сопряжения соответствующих компонентов. Например, при автоматизированном установлении соединений колонковой штанги в буровой промышленности оборудование может работать с достаточными усилиями для того, чтобы заедание, заклинивание или свинчивание не по резьбе возникало слишком часто.

[0013] Кроме того, при соединении компонентов с наружной и внутренней резьбой, которые смещены относительно центра (эксцентрические), соединения с зацеплением на сбеге резьбы также могут быть склонны к свинчиванию не по резьбе, заеданию и заклиниванию. Соответственно, когда компоненты с наружной и внутренней резьбой вводят без вращения, сбег может заклинивать в сопряженной резьбе. При вращении сбег также может заклинивать в сопряженной резьбе. Заклинивание может быть уменьшено, но после возможности резьбового соединения (например, сопряжение конца сбега в отверстии, смежном сопряженному сбегу), заклинивание все еще может произойти из-за упущенной возможности резьбового соединения и смещения оси. Смещенные относительно центра резьбы могут быть выполнены таким образом, чтобы середина вершины сбега на компоненте сбега имела равную или соответствующую геометрию по отношению к вершине внутренней резьбы.

[0014] Как обсуждалось выше, резьбовые соединительные элементы, имеющие заходы резьб с зацеплением на сбеге резьбы, могут быть особенно склонны к заеданию резьбы, свинчиванию не по резьбе, заклиниванию, застреванию соединительных деталей и тому подобному. Такие трудности могут быть особенно распространенными в некоторых отраслях, например, в связи с конструкциями штанг для колонкового бурения. Заход резьбы обеспечивает передний конец, или первый конец, наружной или внутренней резьбы и сопрягается с передним концом сопряженной резьбы для свинчивания штанги или другого соединения. Если заходы резьб с зацеплением на сбеге резьбы заедают, заклинивают, свинчиваются не по резьбе и тому подобное, может возникнуть потребность убрать штанги с буровой площадки и может потребоваться корректирование, которое требует остановки буровых работ.

[0015] Кроме того, буровые штанги и обсадные трубы, как правило, используют конические резьбы и конические соединения таким образом, чтобы диаметры на заходах резьб были меньше, чем диаметры на концах резьб. Конические резьбы и соединения уменьшают количество материала поперечного сечения, доступного для передачи нагрузок. Конические резьбы и соединения также склонны к проблемам со свинчиванием не по резьбе. Так как колонковая штанга может иметь коническую резьбу, сбег на заходе наружной резьбы может быть меньше в диаметре, чем сбег на заходе внутренней резьбы. В результате, может быть промежуточная геометрия на заходе каждой резьбы для перехода от гладкого к полному профилю резьбы. Так как заход резьбы и промежуточная геометрия могут иметь размеры, отличные от размеров внутренней резьбы, промежуточная геометрия и заход резьбы могут сопрягаться неправильно и заклинивать между собой.

[0016] Если существует достаточный конус на сбеге, заход наружной резьбы может иметь некоторый зазор между заходом внутренней резьбы, например, когда геометрия середины сбега соответствует геометрии внутренней резьбы. Однако промежуточная геометрия захода резьбы может, тем не менее, неправильно взаимодействовать с витками резьбы за пределами захода резьбы, как правило, на последующих витках вершин сопряженных резьб, тем самым также приводя к заеданию, свинчиванию не по резьбе, заклиниванию и тому подобному. Таким образом, наличие сбега, как правило, выполняет функцию клинового механизма с сопряженным сбегом, тем самым увеличивая возможность и вероятность заедания резьбы.

[0017] Ограничения резьбовых конструкций с зацеплением на сбеге резьбы, как правило, обусловлены ограничениями существующих токарных станков. В частности, резьбы, как правило, нарезают с помощью станков для обработки деталей типа тел вращения, которые только постепенно могут применять изменения в высоте или глубине резьбы с вращением детали. Соответственно, получают, как правило, резьбы, содержащие сбеги с геометрией и сбегами, идентичными или подобными другим частям захода резьбы. Например, помимо всего прочего, традиционные токарные станки не способны применять резкий вертикальный или почти вертикальный переход от гладкого к полному профилю резьбы с вращением детали во время обработки. Постепенное изменение также необходимо для удаления острых, отдельных элементов кромок материала, полученных при столкновении небольшого угла подъема резьбы, или угла подъема винтовой резьбы, с разрезаемым материалом.

[0018] Существующие резьбовые конструкции не обязательно эффективно используют доступный материал. Как объяснялось ранее, использование общей впадины и конической резьбы приводит к потере площади поперечного сечения компонента, а потеря материала поперечного сечения приводит к снижению допускаемой нагрузки и усталостной прочности для данного компонента. В другом случае использование однозаходной резьбы обеспечивает простоту изготовления и легкость свинчивания и развинчивания. Тем не менее, использование однозаходной резьбы ограничивает площадь опорной поверхности боковой стороны под давлением, и соответственно, эффективность нагрузки компонента. Эта практика также ограничивает материал в месте перехода боковой стороны профиля резьбы во впадину резьбы, место максимального напряжения и вызывающего образование трещин усталостного разрушения, а также усталостную прочность компонента.

[0019] Кроме того, существующие резьбовые конструкции, использующие однозаходную резьбу, приводят к компонентам, которые по сути являются несбалансированными при приведении в контакт сопряженных компонентов. Не желая быть связанными теорией и/или моделированием, при приведении компонентов бурильной колонны, имеющих однозаходную резьбу, в стыковой контакт наружную резьбу устанавливают в растянутом состоянии, а внутреннюю резьбу устанавливают в сжатом состоянии. Отсюда следует, что, так как нагрузка в резьбовом соединении идет к первой точке сопряженного контакта, существует более высокая доля нагрузки, принимаемая частью сопряженной резьбы, ближайшей к первой точке контакта на одной стороне соединения. Эта несимметричная динамическая нагрузка может создавать нагрузку, вызывающую изгиб в сопряженных компонентах бурильной колонны, и может уменьшать допускаемую нагрузку.

[0020] Износ представляет собой эрозию или сдвиг материала резьбы с его первоначального положения на поверхности резьбы из-за относительных механических воздействий сопряженных резьб. Существующие конструкции резьб также могут быть выполнены с возможностью создания посадки с натягом, например, на наружном диаметре сопряженных компонентов. Например, вершина наружной резьбы может быть выполнена с возможностью создания радиального натяга во впадине внутренней резьбы. По мере свинчивания резьб посадка с натягом может служить значительным источником износа резьбы, так как она может значительно усиливать давление на поверхности контакта между резьбами по мере их скольжения по отношению друг к другу. В конечном итоге посадки с натягом на резьбовые элементы увеличивают износ резьбы. Износ резьбы ухудшает геометрию резьбы, а значит и допускаемую нагрузку или эффективность нагрузки компонента бурильной колонны.

[0021] Таким образом, недостаток традиционных резьб может быть усилен буровыми компонентами. В частности, соединения компонентов бурильной колонны могут требовать соединения с высокой допускаемой нагрузкой на растяжение из-за длины и веса многих бурильных колонн. Кроме того, соединение зачастую будет испытывать необходимость в том, чтобы выдерживать многочисленные свинчивания и развинчивания, так как одни и те же компоненты бурильной колонны могут быть установлены и удалены из бурильной колонны несколько раз во время бурения ствола скважины. Аналогичным образом, компоненты бурильной колонны могут быть использованы несколько раз на протяжении их срока службы. Эти проблемы усугубляет тот факт, что многие отрасли буровой промышленности, такие как поисково-разведочное бурение, требуют использования тонкостенных компонентов бурильной колонны. Эта тонкостенная конструкция таких компонентов бурильной колонны может ограничивать геометрию резьб.

[0022] Соответственно, существует потребность в улучшенных резьбовых конструкциях и буровых компонентах, которые уменьшают износ, заедание и свинчивание не по резьбе, а также эффективно используют доступный материал, чтобы увеличивать допускаемую нагрузку при бурении и надежность соединения.

Сущность изобретения

[0023] Следует понимать, что это описание сущности изобретения не представляет собой широкий обзор настоящего изобретения. Это описание сущности изобретения является типовым и не ограничивающим, и оно не предназначено ни для выявления ключевых или критических элементов данного изобретения, ни для определения его объема. Единственная цель этого описания сущности изобретения состоит в том, чтобы объяснить и привести примеры некоторых понятий настоящего изобретения в качестве введения в следующее полное и широкое подробное описание.

[0024] Один или более вариантов реализации настоящего изобретения преодолевают одну или более из указанных выше или других проблем в данной области техники, касающихся буровых компонентов, инструментов и систем, которые обеспечивают эффективное и продуктивное создание резьбовых соединений. В одном аспекте один или более вариантов реализации настоящего изобретения включают компоненты бурильной колонны, обладающие повышенной прочностью, а также устойчивостью к заеданию и свинчиванию не по резьбе. Такие компоненты бурильной колонны могут уменьшать или исключать повреждения резьб по причине заедания и свинчивания не по резьбе. В частности, один или более вариантов реализации изобретения включают компоненты бурильной колонны, имеющие резьбы с передним концом или заходом резьбы, ориентированным под острым углом по отношению к центральной оси компонента бурильной колонны. Дополнительно или в альтернативном варианте передний конец резьб может обеспечивать резкий переход к полной глубине и/или ширине профиля резьбы. Дополнительно или в альтернативном варианте резьбы могут иметь по меньшей мере один параметр из переменного шага резьбы и переменной ширины профиля резьбы. Дополнительно или в альтернативном варианте резьбы могут иметь цилиндрическую впадину резьбы и вершину резьбы, которые описывают усеченный конус по меньшей мере на части осевой длины резьб.

[0025] В одном аспекте в одном или более вариантах реализации изобретения резьбовой компонент бурильной колонны, обладающий повышенной прочностью, а также устойчивостью к заеданию и свинчиванию не по резьбе, содержит полый корпус, имеющий первый конец, противоположный второй конец и центральную ось, проходящую через полый корпус. Компонент бурильной колонны также содержит по меньшей мере одну резьбу, расположенную на первом конце полого корпуса. По меньшей мере одна резьба содержит ряд винтовых витков, проходящих вдоль первого конца полого корпуса. По меньшей мере одна резьба имеет глубину профиля резьбы, ширину профиля резьбы и шаг резьбы. По меньшей мере одна резьба содержит передний конец вблизи первого конца полого корпуса. Передний конец указанной по меньшей мере одной резьбы ориентирован под острым углом по отношению к центральной оси полого корпуса. Передний конец указанной по меньшей мере одной резьбы обращен к смежному витку резьбы. Шаг указанной по меньшей мере одной резьбы увеличивается от первого значения вблизи переднего конца по меньшей мере на части осевой длины указанного ряда ее винтовых витков до конечного значения в желаемой точке на указанной по меньшей мере одной резьбе.

[0026] В одном аспекте в одном или более вариантах реализации изобретения компонент бурильной колонны, обладающий повышенной прочностью, а также устойчивостью к заеданию и свинчиванию не по резьбе, содержит по меньшей мере одну резьбу, имеющую вершину и впадину резьбы. Впадина указанной по меньшей мере одной резьбы описывает цилиндрическую поверхность по осевой длине указанного ряда ее винтовых витков. Вершина указанной по меньшей мере одной резьбы описывает поверхность в форме усеченного конуса, проходящую по меньшей мере на части осевой длины указанного ряда ее винтовых витков.

[0027] В одном аспекте в одном или более вариантах реализации изобретения компонент бурильной колонны, обладающий повышенной прочностью, а также устойчивостью к заеданию и свинчиванию не по резьбе, содержит компонент бурильной колонны, имеющий ряд резьб.

[0028] В одном аспекте в одном или более вариантах реализации изобретения компонент бурильной колонны, обладающий повышенной прочностью, а также устойчивостью к заеданию и свинчиванию не по резьбе, содержит компонент бурильной колонны, который исключает посадки с натягом на резьбовые элементы. В дополнительном аспекте описываются посадки с натягом на элементы компонентов без резьбы, такие как, например, поверхности заплечика.

[0029] В одном аспекте в одном или более вариантах реализации изобретения резьбовой компонент бурильной колонны, обладающий повышенной прочностью, а также устойчивостью к заеданию и свинчиванию не по резьбе, содержит корпус, конец с внутренней резьбой, противоположный конец с наружной резьбой и центральную ось, проходящую через корпус. Компонент бурильной колонны также содержит внутреннюю резьбу, расположенную на конце с внутренней резьбой корпуса. Внутренняя резьба имеет глубину и ширину. Кроме того, компонент бурильной колонны также содержит наружную резьбу, расположенную на конце с наружной резьбой корпуса. Наружная резьба имеет глубину и ширину. Каждая из внутренней резьбы и наружной резьбы содержит передний конец. Передний конец каждой из внутренней резьбы и наружной резьбы содержит плоскую поверхность, проходящую под прямым углом к корпусу. Плоская поверхность переднего конца внутренней резьбы проходит по всей ширине и по всей глубине внутренней резьбы. Аналогичным образом, плоская поверхность переднего конца наружной резьбы проходит по всей ширине и по всей глубине наружной резьбы.

[0030] В дополнение к изложенному выше, вариант реализации способа создания соединения в бурильной колонне с повышенной прочностью и без заедания или свинчивания не по резьбе включает помещение конца с наружной резьбой первого компонента бурильной колонны в конец с внутренней резьбой второго компонента бурильной колонны. Данный способ также включает вращение первого компонента бурильной колонны по отношению ко второму компоненту бурильной колонны; тем самым соединяя впритык плоский передний конец наружной резьбы на конце с наружной резьбой первого компонента бурильной колонны с плоским передним концом внутренней резьбы на конце с внутренней резьбой второго компонента бурильной колонны. Плоский передний конец наружной резьбы ориентирован под острым углом по отношению к центральной оси первого компонента бурильной колонны. Аналогичным образом, плоский передний конец внутренней резьбы ориентирован под острым углом по отношению к центральной оси второго компонента бурильной колонны. Кроме того, данный способ включает скольжение плоского переднего конца наружной резьбы от и вдоль плоского переднего конца внутренней резьбы для направления наружной резьбы в зазор между витками внутренней резьбы.

[0031] Дополнительные признаки и преимущества типовых вариантов реализации настоящего изобретения будут изложены в следующем далее описании, и они частично станут понятными из этого описания или могут быть изучены при практическом осуществлении таких типовых вариантов реализации. Признаки и преимущества таких вариантов реализации могут быть реализованы и получены посредством инструментов и комбинаций, конкретно указанных в прилагаемой формуле изобретения. Эти и другие признаки станут более понятными из следующего далее описания и прилагаемой формулы изобретения или могут быть изучены при практическом осуществлении таких типовых вариантов реализации, как изложено ниже.

Описание чертежей

[0032] Прилагаемые чертежи, которые включены в данное описание и составляют его часть, иллюстрируют варианты реализации изобретения и вместе с описанием служат для объяснения принципов указанных способов и систем.

[0033] Фигура 1 иллюстрирует местный вид в продольном разрезе через ряд соединенных буровых штанг в бурильной колонне с продольной средней частью буровых штанг, вынесенной в сторону;

[0034] Фигура 2 представляет собой увеличенный местный вид в продольном разрезе одного из соединений буровой штанги фигуры 1, на котором пунктирные линии указывают расположение вершин и впадин резьб, диаметрально противоположных тем, которые показаны сплошными линиями, а также соединение, показанное в закрученном до упора состоянии;

[0035] Фигура 3 представляет собой местный продольный вид конца с наружной резьбой буровой штанги, ориентированного вдоль оси концом с внутренней резьбой смежной буровой штанги, на которой в поперечном разрезе показаны муфта и половина ниппеля;

[0036] Фигура 4 иллюстрирует вид сбоку охватываемого конца компонента бурильной колонны и вид в поперечном разрезе охватывающего конца другого компонента бурильной колонны, каждый из которых имеет резьбу с передним концом в соответствии с одним или более вариантами реализации настоящего изобретения;

[0037] Фигура 5 иллюстрирует вид сбоку бурильной колонны в разобранном виде, имеющей компоненты бурильной колонны с передними концами в соответствии с одним или более вариантами реализации настоящего изобретения; и

[0038] Фигура 6 иллюстрирует схематический чертеж буровой системы, содержащей компоненты бурильной колонны с передними концами в соответствии с одним или более вариантами реализации настоящего изобретения.

Подробное описание изобретения

[0039] Перед раскрытием и описанием настоящих способов и систем следует понимать, что данные способы и системы не ограничиваются конкретными синтетическими методами, конкретными компонентами или конкретными композициями. Также следует понимать, что терминология, используемая в данном документе, предназначена для описания лишь конкретных вариантов реализации изобретения, и она не предназначена для ограничения.

[0040] При использовании в данном описании и прилагаемой формуле изобретения единственное число включает ссылки на множественное число, если из контекста явно не следует иное. Диапазоны могут быть выражены в данном документе как от "около" одного конкретного значения и/или до "около" другого конкретного значения. При таком выражении диапазона другой вариант реализации изобретения включает диапазон от одного конкретного значения и/или до другого конкретного значения. Точно так же, если значения выражены в виде приближений с использованием предшествующего "около", следует понимать, что конкретное значение образует другой вариант реализации. Дополнительно следует понимать, что конечные значения каждого диапазона являются значимыми как в отношении другого конечного значения, так и независимо от другого конечного значения.

[0041] "Необязательный" или "необязательно" означают, что описанное далее событие или обстоятельство может либо произойти, либо не произойти, и что данное описание включает случаи, когда указанное событие или обстоятельство происходит, и случаи, когда оно не происходит.

[0042] В описании и формуле изобретения данного описания слово "содержать" и вариации данного слова, такие как "содержащий" и "содержит", означают "в том числе, без ограничения им" и не предназначены для исключения, например, других добавок, компонентов, целых чисел или этапов. Слово "типовой" означает "пример чего-либо" и не предназначено для выражения указания предпочтительного или оптимального варианта реализации. Словосочетание "такой как" используют не в ограничительном смысле, а в пояснительных целях.

[0043] Описываются компоненты, которые могут быть использованы для выполнения описанных способов и систем. В данном документе описаны эти и другие компоненты, и следует понимать, что при описании комбинаций, подмножеств, взаимодействий, групп и т.д. этих компонентов, хотя конкретное упоминание каждой различной отдельной и групповой комбинации и их перестановок может не быть описано в явной форме, каждая из них специально подразумевается и описывается в данном документе для всех способов и систем. Это применимо ко всем аспектам данной области применения, в том числе без ограничения ими, к стадиям в раскрытых способах. Таким образом, если существует ряд дополнительных стадий, которые могут быть выполнены, то следует понимать, что каждая из этих дополнительных стадий может быть выполнена в любом конкретном варианте реализации или в комбинации вариантов реализации описанных способов.

[0044] Настоящие способы и системы могут быть более легко понятны посредством ссылки на следующее подробное описание предпочтительных вариантов реализации и примеров, включенных в данный документ, а также на фигуры и их предыдущее и последующее описание.

[0045] Варианты реализации настоящего изобретения направлены на буровые компоненты, инструменты и системы, которые обеспечивают эффективные резьбовые компоненты для бурения и продуктивное создание резьбовых соединений. Например, один или более вариантов реализации настоящего изобретения включают компоненты бурильной колонны с повышенной эффективностью нагрузки и допускаемой нагрузкой, и которые также могут быть устойчивыми к износу, заеданию и свинчиванию не по резьбе. Такие компоненты бурильной колонны могут уменьшать или исключать повреждения резьб по причине износа, заедания и свинчивания не по резьбе, и в то же время увеличивать эффективность нагрузки и допускаемую нагрузку по сравнению с обычными буровыми компонентами. В частности, один или более вариантов реализации включают компоненты бурильной колонны, имеющие многозаходные резьбы с передними концами или заходами резьб, ориентированными под острым углом по отношению к центральной оси компонента бурильной колонны. Дополнительно или в альтернативном варианте передний конец резьбы может обеспечивать резкий переход к полной глубине и/или ширине профиля резьбы. Кроме того, один или более вариантов реализации компонентов бурильной колонны, которые выполнены с возможностью обеспечения постепенной посадки и сохранения материала поперечного сечения, включают по меньшей мере одну из переменных ширин резьбы для обеспечения постепенной посадки в осевом направлении по меньшей мере на части резьбы и конусность по меньшей мере одной из сопряженных вершин резьб по меньшей мере на части резьбы, сохраняя при этом постоянный внутренний диаметр по всей резьбе.

[0046] Далее будет сделана ссылка на графические материалы для описания различных аспектов одного или более вариантов реализации настоящего изобретения. Следует понимать, что графические материалы представляют собой графические и схематические изображения одного или более вариантов реализации и не ограничивают настоящее изобретение. Кроме того, хотя различные графические материалы представлены в масштабе, который считается функциональным для одного или более вариантов реализации, графические материалы необязательно вычерчены в масштабе для всех рассматриваемых вариантов реализации. Таким образом, графические материалы представляют типовой масштаб, но не следует делать вывод из графических материалов относительно любого необходимого масштаба.

[0047] В следующем далее описании многочисленные конкретные детали изложены для того, чтобы обеспечить возможность полного понимания настоящего изобретения. Тем не менее, специалистам в данной области техники следует понимать, что настоящее изобретение может быть осуществлено на практике без этих конкретных деталей. В других случаях хорошо известные аспекты стандартов резьб, изготовления резьб, внутрипромыслового оборудования для соединения резьбовых компонентов и тому подобного не были описаны особенно подробно во избежание излишне неясных аспектов описанных вариантов реализации.

[0048] Обращаясь теперь к фигуре 1, иллюстрируется вариант реализации типового резьбового компонента бурильной колонны. Резьбовые компоненты бурильной колонны, обладающие повышенной допускаемой нагрузкой и эффективностью нагрузки, которые также могут быть соединены, чтобы избежать или снизить риск износа, свинчивания не по резьбе и заедания, особенно подробно описаны ниже. Как показано на фигурах 1-4, первый компонент 102 бурильной колонны может содержать корпус 103 и охватываемый соединительный элемент или конец 104 с наружной резьбой. Второй компонент 106 бурильной колонны может содержать корпус 107 и охватывающий соединительный элемент или конец 108 с внутренней резьбой. Конец 104 с наружной резьбой первого компонента 106 бурильной колонны может быть выполнен с возможностью соединения с концом 108 с внутренней резьбой второго компонента 106 бурильной колонны.

В одном или более вариантах реализации изобретения каждый компонент 102, 106 бурильной колонны может содержать полый корпус, имеющий центральную ось 126, проходящую через него, как показано на фигурах 1-4. В альтернативных вариантах реализации изобретения один или более компонентов 102, 106 бурильной колонны могут содержать сплошной корпус (такой как ударная буровая штанга или буровое долото) или частично полый корпус. Более конкретно, в случае полого корпуса, полый корпус может содержать внутренний диаметр (ID), внешний диаметр (OD) и толщину стенки. В одном типовом аспекте компонент бурильной колонны может иметь следующие характерные размеры:

Пример 1 Пример 2 Пример 3 Пример 4 OD (дюймов) 2,20 2,75 3,50 4,50 ID (дюймов) 1,91 2,38 3,06 4,0 Толщина стенки (дюймов) 0,15 0,19 0,22 0,25 Наружный диаметр (дюймов) 2,09 2,61 3,34 4,35

[0049] Конец 104 с наружной резьбой может содержать по меньшей мере одну наружную резьбу 110 (то есть резьбу, которая выступает радиально наружу от внешней поверхности конца 104 с наружной резьбой). С другой стороны, конец 108 с внутренней резьбой может содержать по меньшей мере одну внутреннюю резьбу 112 (то есть резьбу, которая выступает радиально внутрь от внутренней поверхности конца 108 с внутренней резьбой). По меньшей мере одна наружная резьба 110 и по меньшей мере одна внутренняя резьба 112 могут иметь, как правило, соответствующие характеристики (например, ширину, высоту или глубину, длину резьбовой части, конусность, ход, шаг, число витков резьбы на один дюйм, количество заходов резьбы, средний диаметр, витки сопряженной резьбы и т.д.) или они могут отличаться по одной или более из перечисленных характеристик.

[0050] В другом аспекте настоящего изобретения при определении характеристик компонентов бурильной колонны по настоящему изобретению рассматриваются следующие диапазоны и соотношения:

Диапазоны/Соотношения Пример 1 Пример 2 Пример 3 Пример 4 Толщина стенки к внешнему диаметру (%) 7% 6% 6% 7% Глубина резьбы к толщине стенки (%) 19% 16% 21% 16% Диапазон общего конуса (град) 0,8 1,0 1,0 0,5 Диапазон угла наклона боковой стороны (град) -10 15 2 -20 Длина резьбовой части к диаметру (%) 55% 39% 44% 43% Диапазон шага резьбы (витков на дюйм) 3,50 3,00 2,50 1,75 Наружный диаметр меньше внутреннего диаметра, к толщине стенки 62% 62% 70% 63% Толщина заплечика к толщине стенки (%) 38% 38% 30% 37%

[0051] В одном или более вариантах реализации изобретения по меньшей мере одна наружная резьба 110 и по меньшей мере одна внутренняя резьба 112 могут содержать прямые вершины и впадины. В дополнительном варианте реализации изобретения по меньшей мере одна из вершин указанной по меньшей мере одной наружной резьбы и указанной по меньшей мере одной внутренней резьбы 110, 112 имеют коническую форму, в то время как впадины резьбы резьб 110, 112 остаются постоянными. В другом аспекте нет необходимости в том, чтобы резьбы 110, 112 были постоянными по всей своей длине. Более того, по меньшей мере одна наружная резьба 110 может иметь характеристики, соответствующие характеристикам указанной по меньшей мере одной внутренней резьбы 112, несмотря на изменение характеристик вдоль соответствующих длин конца 104 с наружной и конца 108 с внутренней резьбой. В одном или более вариантах реализации изобретения по меньшей мере одна наружная и по меньшей мере одна внутренняя резьбы 110, 112 могут иметь переменный шаг резьбы по меньшей мере на части резьб 110, 112. В других дополнительных или альтернативных вариантах реализации изобретения по меньшей мере одна наружная и по меньшей мере одна внутренняя резьбы 110, 112 могут иметь постоянный шаг при измерении между резьбой по меньшей мере одного резьбового параметра, и переменную ширину резьбы по меньшей мере на части резьб 110, 112. В дополнительных или альтернативных вариантах реализации изобретения по меньшей мере одна из вершин указанной по меньшей мере одной наружной резьбы и указанной по меньшей мере одной внутренней резьбы 110, 112 имеют коническую форму на желаемой части длины резьб 110, 112, в то время как впадины резьб 110, 112 остаются постоянными.

[0052] В одном или более вариантах реализации изобретения наружная и внутренняя резьбы 110, 112 могут обладать характеристиками, идентичными или подобными тем, которые описаны в патенте США №5788401, полное содержание которого включено в данный документ посредством ссылки. Например, в одном или более вариантах реализации изобретения наружная и внутренняя резьбы 110, 112 имеют вершину, впадину, боковую сторону под давлением и боковую сторону с зазором. В соответствии с одним аспектом резьбы 110, 112 могут иметь угол наклона боковой стороны под давлением (или угол наклона опорной стороны), который может составлять от около -30 до около 15 градусов; более конкретно, от около -20 до около -10 градусов; и, еще более конкретно, от около -20 до около -15 градусов при измерении по отношению к поверхности, перпендикулярной центральной оси бурильной колонны. Как будет понятно специалисту в данной области техники в свете настоящего описания, такие отрицательные углы наклона боковой стороны под давлением могут способствовать сохранению соединения в сопряженном состоянии, даже при перегрузке, а также снижать общую нагрузку по сравнению с положительными углами наклона боковой стороны резьбы.

[0053] В другом аспекте конец с внутренней резьбой и конец с наружной резьбой компонента бурильной колонны могут иметь заплечики с конусностью, составляющей от около 0 до около 15 градусов. В другом аспекте заплечики могут иметь толщину внешнего диаметра, составляющую от около 0,055 до около 0,080 дюйма; и, более конкретно, около 0,055 дюйма, около 0,083 дюйма, около 0,070 дюйма или около 0,075 дюйма.

[0054] В других аспектах критическая толщина части ниппеля, или заданная толщина материала под наружной резьбой, может быть использована в качестве индикатора предела прочности на растяжение и усиления напряжения в результате нарезания резьбы. В одном аспекте критическая толщина части ниппеля может составлять от около 40% до около 50% от толщины стенки; и более конкретно, около 44%, около 45%, около 46% или около 47% от толщины стенки.

[0055] В других аспектах критическая жесткость заплечика муфты, или момент сопротивления сечения или "модуль инерции" заплечика муфты, может способствовать сопротивлению скручиванию и может быть экспоненциально чувствительной к толщине заплечика. В одном аспекте критическая жесткость заплечика муфты может составлять от около 34% до около 48% от жесткости труб; более предпочтительно, около 40%, около 41% или около 43% от жесткости труб.

[0056] В свете описания в данном документе следует понимать, что изложенное выше описание представляет собой всего лишь одну конфигурацию наружной и внешней резьб 110, 112. В альтернативных вариантах реализации изобретения конфигурация наружной и внешней резьб 110, 112 может отличаться от описания, приведенного выше. В некоторых альтернативных вариантах реализации изобретения резьбы 110, 112 могут также иметь отрицательные углы наклона боковой стороны под давлением, составляющие от около 5 до 30 градусов по отношению к плоскости, перпендикулярной центральной оси бурильной колонны, и боковые стороны с зазором под углом, составляющим по меньшей мере 45 градусов, чтобы способствовать сохранению соединения в сопряженном состоянии, даже при перегрузке, и способствовать свинчиванию соединения. Кроме того, конец с внутренней резьбой и конец с наружной резьбой могут иметь заплечики с конусностью, составляющей от около 5 до 20 градусов.

[0057] В другом аспекте угол наклона боковой стороны резьбы может характеризоваться разложением радиальной нагрузки угла наклона боковой стороны резьбы, которое описывает радиальную нагрузку, созданную углом наклона опорной стороны, которая должна быть поглощена в соединении. Как будет понятно специалисту в данной области техники в свете настоящего описания, значения разложения радиальной нагрузки угла наклона боковой стороны могут быть ограничены углами наклона боковой стороны резьбы, которые вызывают чрезмерное напряжение резьбы. Радиальные нагрузки могут быть определены как процент осевой нагрузки, приложенной к боковой стороне резьбы или к соединению, определяемому углом наклона боковой стороны резьбы. В частности, созданная радиальная нагрузка равна осевой нагрузке, умноженной на тангенс угла наклона боковой стороны резьбы. Как также будет понятно специалисту в данной области техники в свете настоящего описания, положительные значения радиальной нагрузки могут вызвать нежелательное разложение, тогда как отрицательные значения могут обеспечивать положительное сжатие. Сжатие является положительным, потому что оно может уменьшать общие уровни напряжения или напряжение по Мизесу, и оно может увеличивать давление на поверхности контакта между сопряженными резьбами, что увеличивает трение и скручивающую нагрузку, передаваемую соединению. Тем не менее, положительное сжатие из-за отрицательных значений радиальной нагрузки может стать нежелательным после пересечения определенного порогового значения. В данном описании разложение радиальной нагрузки угла наклона боковой стороны резьбы может составлять от около -18% до около -36%; более конкретно, от около -18% до около -36%; и еще более конкретно, около -27%.

[0058] Наружная резьба 110 может начинаться вблизи передней кромки 140 конца 104 с наружной резьбой. Например, Фигуры 1-3 иллюстрируют, что наружная резьба 110 может быть отклонена на расстояние (показанное имеет линейное расстояние 116) от передней кромки 140 конца 104 с наружной резьбой. Расстояние отклонения может позволить не сопряженной части заплечика резьбового элемента эластично сжиматься под крутящим моментом, прилагаемым во время свинчивания соединения. Как будет понятно специалисту в данной области техники, полученное соединение может поддерживать состояние предварительного натяга в условиях приложения крутящего момента свинчивания, при этом может потребоваться достаточное расстояние отклонения, чтобы обеспечить возможность хода резьбы, и может обеспечивать возможность создания "предварительного натяга", так как заплечик подвергается эластичному сжатию. Этот "предварительный натяг" может потребоваться для поддержания соединения в закрытом состоянии, тогда как при больших нагрузках на растяжение во время бурения или отклонении нагрузок, вызывающих изгиб, которые могли бы иначе привести к открытию контактной поверхности заплечика, тем самым увеличивая вызывающую изгиб нагрузку на ниппель и создавая потенциал того, что конец с наружной резьбой подвергается усталостному разрушению. Соответственно, в разных аспектах расстояние 116 отклонения может изменяться по желанию и, в частности, может по-разному зависеть от размера компонента 102 бурильной колонны, конфигурации резьбы 110 или зависеть от других факторов. По меньшей мере в одном варианте реализации изобретения расстояние 116 отклонения находится в диапазоне от около половины до около удвоенной ширины 118 наружной резьбы 110. В альтернативном варианте расстояние 116 отклонения может быть больше или меньше. Например, в одном или более вариантах реализации изобретения расстояние 116 отклонения равно нулю, так что наружная резьба 110 начинается на передней кромке 140 конца 104 с наружной резьбой.

[0059] Аналогичным образом, внутренняя резьба 112 может начинаться вблизи передней кромки 120 конца 108 с внутренней резьбой. Например, фигуры 1-4 иллюстрируют, что внутренняя резьба 112 может быть отклонена на расстояние (показанное имеет линейное расстояние 122) от передней кромки 120 конца 108 с внутренней резьбой. Расстояние 122 отклонения может изменяться по желанию и, в частности, может по-разному зависеть от размера компонента 106 бурильной колонны, конфигурации внутренней резьбы 110 или зависеть от других факторов. По меньшей мере в одном варианте реализации изобретения расстояние 122 отклонения находится в диапазоне от около половины до около удвоенной ширины 124 внутренней резьбы 112. В альтернативном варианте расстояние 122 отклонения может быть больше или меньше. Например, в одном или более вариантах реализации изобретения расстояние 122 отклонения равно нулю, так что внутренняя резьба 112 начинается на передней кромке 120 конца 108 с внутренней резьбой.

[0060] Кроме того, расстояние 116 отклонения может быть равно расстоянию 122 отклонения, как показано на фигурах 1-4. В альтернативных вариантах реализации изобретения расстояние 122 отклонения может быть больше или меньше, чем расстояние 116 отклонения. В любом случае, по мере помещения передней кромки 140 конца 104 с наружной резьбой в конец 108 с внутренней резьбой и вращения наружная резьба 110 может входить в зацепление с внутренней резьбой 112, а конец 104 с наружной резьбой может линейно продвигаться вдоль центральной оси 126 конца 108 с внутренней резьбой.

[0061] В частности, наружная и внутренняя резьбы 110, 112 могут быть расположены по винтовой линии по отношению к соответствующим концам 104, 108 с наружной и внутренней резьбой. Иными словами, каждая из наружной 110 и внутренней резьбы 112 может содержать ряд винтовых витков, проходящих вдоль соответствующего компонента 102, 106 бурильной колонны. По мере сопряжения наружной и внешней резьб 110, 112 резьбы могут, таким образом, вращаться по отношению друг к другу и садиться в пределах зазоров между соответствующими резьбами. На фигурах 1-4 наружная резьба 110, как правило, навита на конец 104 с наружной резьбой под углом 128, который также может быть измерен по отношению к передней кромке 140 конца 104 с наружной резьбой.

Заходы многозаходных резьб

[0062] Один или более вариантов реализации настоящего изобретения включают компоненты бурильной колонны, имеющие ряд резьб. Например, в одном или более вариантах реализации изобретения компонент бурильной колонны содержит по меньшей мере две резьбы, имеющие соответствующие заходы резьб, которые, необязательно, расположены на равных расстояниях от переднего конца компонента бурильной колонны.

[0063] В одном аспекте использование многозаходных резьб может увеличивать площадь опорной поверхности опорной стороны резьбы и может приводить к большей общей эффективности нагрузки при соединении друг с другом компонентов с наружной и внутренней резьбой. В одном примере использование двух резьб удваивает площадь опоры резьбы по сравнению с однозаходной резьбой, с сохранением всех других характеристик резьбы постоянными.

[0064] В другом аспекте использование многозаходных резьб может также увеличивать количество материала в месте перехода боковой стороны профиля резьбы во впадину резьбы и, соответственно, усталостную прочность бурового компонента. Не желая быть связанными теорией и/или моделированием, место перехода боковой стороны профиля резьбы во впадину резьбы представляет собой место максимального напряжения и вызывающего образование трещин усталостного разрушения в соединениях компонентов бурильной колонны. Отсюда следует, что при сохранении постоянными всех других факторов, использование многозаходных резьб может увеличивать усталостную прочность бурового компонента, так как усталостная прочность доступного материала уменьшается за счет средней нагрузки, как проиллюстрировано стандартной модифицированной усталостной диаграммой Гудмана.

[0065] В дополнительном аспекте использование многозаходных резьб, размещенных на равном расстоянии около соответствующих передних концов компонентов бурильной колонны, может увеличивать допускаемую нагрузку компонентов бурильной колонны, размещенных в стыковом контакте, посредством создания симметричной динамической нагрузки около центральной оси компонента.

[0066] С другой стороны, угол подъема резьбы может увеличиваться по мере уменьшения шага резьбы и увеличения количества резьб. Увеличение угла подъема резьбы после достижения оптимального угла может уменьшать требование крутящего момента раскрепления резьбового соединения, в результате чего сопряжение компонентов бурильной колонны можно разобрать во время эксплуатации. В другом аспекте отдельная ширина резьбы и, соответственно, площадь сдвига нагрузки могут уменьшаться по мере увеличения количества резьб на заданном буровом компоненте, в конечном счете, приводя к повреждению вследствие перегрузки сдвига резьбы.

[0067] В одном варианте реализации изобретения количество резьб, которое увеличивает эффективность нагрузки, допускаемую нагрузку и усталостную прочность компонента бурильной колонны при сохранении приемлемых углов подъема резьбы и площади сдвига для компонента бурильной колонны заданных размеров, может быть определено как максимально возможное количество резьб, при этом ширина резьбы составляет не меньше, чем высота резьбы. В другом варианте реализации изобретения данное описание предусматривает компоненты бурильной колонны, имеющие по меньшей мере две резьбы, и, предпочтительно, от около двух до около четырех резьб, выполненных с возможностью увеличения эффективности нагрузки, допускаемой нагрузки и усталостной прочности компонентов бурильной колонны при сохранении приемлемых углов подъема резьбы и площади сдвига по сравнению с обычными однозаходными компонентами бурильной колонны.

[0068] В одном примере по меньшей мере две наружные резьбы 110 могут начинаться вблизи передней кромки 140 конца 104 с наружной резьбой. В дополнительном аспекте по меньшей мере две наружные резьбы могут быть размещены на равном расстоянии около передней кромки 140 конца 104 с наружной резьбой. Например, предполагается, что конец с наружной резьбой имеет две наружные резьбы с заходами резьб, расположенными на расстоянии около 180 градусов друг от друга и вблизи передней кромки 140 конца 104 с наружной резьбой. В другом примере предполагается, что конец с наружной резьбой имеет три наружные резьбы с заходами резьб, которые могут быть расположены на расстоянии около 120 градусов друг от друга и вблизи передней кромки 140 конца 104 с наружной резьбой.

[0069] Аналогичным образом, по меньшей мере две внутренние резьбы 112 могут начинаться вблизи передней кромки 120 конца 108 с внутренней резьбой. В дополнительном аспекте по меньшей мере две внутренние резьбы могут быть размещены на равном расстоянии около передней кромки 120 конца 108 с внутренней резьбой. Например, предполагается, что конец 108 с внутренней резьбой имеет две внутренние резьбы 112 с заходами, расположенными на расстоянии около 180 градусов друг от друга и вблизи передней кромки 120 конца 108 с внутренней резьбой. В другом примере предполагается, что конец 108 с внутренней резьбой имеет три внутренние резьбы 112 с заходами, которые могут быть расположены на расстоянии около 120 градусов друг от друга и вблизи передней кромки 120 конца 108 с внутренней резьбой.

[0070] В частности, по меньшей мере две наружные резьбы 110 и по меньшей мере две внутренние резьбы 112 могут быть расположены по винтовой линии по отношению к соответствующим концам 104, 108 с наружной и внутренней резьбой. Иными словами, каждая из наружных резьб 110 и каждая из внутренних резьб 112 может содержать ряд винтовых витков, проходящих вдоль соответствующего компонента 102, 106 бурильной колонны. Каждая из наружных резьб 110 и каждая из внутренних резьб 112 может содержать передние концы, ориентированные под острым углом по отношению к центральной оси соответствующего компонента 102, 106 бурильной колонны и размещенные на равном расстоянии около нее. По мере сопряжения по меньшей мере двух наружных резьб 110 и по меньшей мере двух внутренних резьб 112 они могут, таким образом, вращаться по отношению друг к другу и садиться в пределах зазоров между соответствующими резьбами и, в конечном итоге, образовывать соединение бурильной колонны. Соответственно, в одном или более вариантах реализации изобретения получают соединение бурильной колонны, обладающее повышенной эффективностью нагрузки, допускаемой нагрузкой и усталостной прочностью при сохранении приемлемых углов подъема резьбы и площади сдвига для заданного диаметра компонента бурильной колонны.

Оптимальные поперечные сечения материала для максимальной допускаемой нагрузки

[0071] Один или более вариантов реализации настоящего изобретения включают компоненты бурильной колонны, которые по сути исключают общую конусность впадины и резьбы в пользу по меньшей мере одного из переменного шага резьбы, переменной ширины резьбы и конусности по меньшей мере части вершины резьбы, при этом обеспечивая равномерную впадину резьбы. Другой аспект настоящего изобретения включает компоненты бурильной колонны, которые исключают общую конусность впадины и резьбы в пользу по меньшей мере одного из переменного шага резьбы, переменной ширины резьбы и конусности по меньшей мере части вершины резьбы, при этом обеспечивая равномерную впадину резьбы.

[0072] В одном аспекте материал, который, как правило, теряется на общую конусность соединения и резьбы, сохраняется за счет предоставления компонентов бурильной колонны, имеющих по меньшей мере одну резьбу, содержащую шаг резьбы, который изменяется от первого значения вблизи переднего конца по меньшей мере на части осевой длины указанного ряда ее винтовых витков до конечного значения в желаемой точке на указанной по меньшей мере одной резьбе, тем самым выборочно обеспечивая осевую постепенную посадку. В одном аспекте шаг резьбы может равномерно увеличиваться от первого значения по меньшей мере на первом витке до конечного значения по меньшей мере на последнем витке указанного ряда винтовых витков. В альтернативном аспекте шаг резьбы может неравномерно увеличиваться от первого значения до конечного значения по всей осевой длине указанного ряда винтовых витков. В дополнительном аспекте шаг резьбы может увеличиваться от первого значения до конечного значения на части осевой длины указанного ряда винтовых витков и после этого может оставаться постоянным. В еще одном аспекте по меньшей мере у одной резьбы может быть высота, которая изменяется от около 2,0 до 5,0 витков/дюйм, предпочтительно, от около 3 до около 4 витков/дюйм и, наиболее предпочтительно, от около 3 до около 3,5 витков/дюйм. В других аспектах резьба может иметь переменный шаг по меньшей мере на одном витке и, предпочтительно, двух витках резьбы. В альтернативном аспекте резьба может иметь шаг, который изменяется от переднего конца к заднему концу резьбы.

[0073] В другом аспекте материал, который, как правило, теряется на общую конусность соединения и резьбы, сохраняется за счет предоставления компонентов бурильной колонны, имеющих по меньшей мере одну резьбу, содержащую шаг резьбы, который является постоянным при измерении по меньшей мере одного заданного параметра резьбы, но ширина которого может изменяться от первого значения вблизи переднего конца по меньшей мере на части осевой длины указанного ряда ее винтовых витков до конечного значения в желаемой точке на указанной по меньшей мере одной резьбе, тем самым выборочно обеспечивая осевую постепенную посадку. В одном аспекте ширина резьбы может равномерно увеличиваться от первого значения по меньшей мере на первом витке до конечного значения по меньшей мере на последнем витке указанного ряда винтовых витков. В альтернативном аспекте ширина резьбы может неравномерно увеличиваться от первого значения до конечного значения по всей осевой длине указанного ряда винтовых витков. В дополнительном аспекте шаг резьбы может увеличиваться от первого значения до конечного значения на части осевой длины указанного ряда винтовых витков и после этого может оставаться постоянным. В других аспектах шаг на опорной стороне резьбы может поддерживаться на постоянном уровне, в то время как на передней стороне увеличивается. В альтернативных аспектах шаг на передней стороне резьбы может поддерживаться на постоянном уровне, в то время как на опорной стороне увеличивается. В других аспектах середина резьбы может иметь постоянный шаг, в то время как обе боковые стороны имеют переменный шаг. В других дополнительных аспектах переменный шаг опорной стороны может отличаться от переменного шага передней стороны.

[0074] В еще одном аспекте по меньшей мере у одной резьбы может быть ширина, которая изменяется от около 50% от полной ширины резьбы вблизи переднего конца и возрастает до полной ширины резьбы вблизи заднего конца. В дополнительном аспекте по меньшей мере у одной резьбы может быть ширина, которая изменяется от около 75% от полной ширины резьбы вблизи переднего конца и возрастает до полной ширины резьбы вблизи заднего конца. В других аспектах резьба может иметь переменную ширину по меньшей мере на одном витке и, предпочтительно, двух витках резьбы. В альтернативном аспекте резьба может иметь ширину, которая изменяется от переднего конца к заднему концу резьбы. В одном типовом варианте реализации изобретения резьба с 2 витками на один дюйм, имеющая полную ширину, составляющую 1/4'' вблизи заднего конца, может иметь уменьшенную ширину, составляющую около 1/8'' на переднем конце. Как будет понятно специалисту в данной области техники, самым большим расстоянием между смежными витками указанной по меньшей мере одной резьбы является на переднем конце и обеспечивает дополнительный осевой зазор при наживлении резьб.

[0075] В еще одном аспекте материал, который, как правило, теряется на общую конусность соединения и резьбы, сохраняется за счет предоставления компонентов бурильной колонны, имеющих по меньшей мере одну резьбу, содержащую впадину, которая описывает цилиндрическую поверхность, проходящую по всей осевой длине указанного ряда винтовых витков резьбы, и вершину, которая описывает поверхность в форме усеченного конуса, проходящую по меньшей мере на части осевой длины указанного ряда ее винтовых витков, тем самым выборочно обеспечивая радиальную постепенную посадку. Образующая поверхность в форме усеченного конуса представляет собой прямую линию, имеющую угол по отношению к центральной оси полого корпуса. В одном аспекте вершина описывает поверхность в форме усеченного конуса по всей осевой длине указанного ряда винтовых витков. В другом аспекте по меньшей мере одна резьба может иметь вершину в форме усеченного конуса по меньшей мере на части осевой длины указанной по меньшей мере одной резьбы с образующей усеченного конуса с углом от около 0,75 до 1,6 градусов, в то время как по меньшей мере одна резьба может иметь цилиндрические впадины. В другом аспекте вершина описывает поверхность в форме усеченного конуса, проходящую по осевой длине по меньшей мере одного витка резьбы и, предпочтительно, по меньшей мере двух витков резьбы. В альтернативных аспектах осевая длина может представлять собой по сути полную осевую длину резьбы.

[0076] В еще одном аспекте материал, который, как правило, теряется на общую конусность соединения и резьбы, сохраняется за счет предоставления компонентов бурильной колонны, имеющих по меньшей мере как одну резьбу, включающую шаг резьбы, который изменяется от первого значения вблизи переднего конца по меньшей мере на части осевой длины указанного ряда ее винтовых витков до конечного значения в желаемой точке на указанной по меньшей мере одной резьбе, так и дополнительно содержащих впадину резьбы, которая описывает цилиндрическую поверхность, проходящую по всей осевой длине указанного ряда винтовых витков, и вершину, которая описывает поверхность в форме усеченного конуса, проходящую по меньшей мере на части осевой длины указанного ряда ее винтовых витков, тем самым выборочно обеспечивая как осевую постепенную посадку, так и радиальную постепенную посадку.

[0077] В одном примере по меньшей мере одна наружная резьба 110 может начинаться вблизи передней кромки 140 конца 104 с наружной резьбой. По меньшей мере одна наружная резьба 110 может содержать ряд винтовых витков, проходящих вдоль соответствующей длины конца 104 с наружной резьбой. В дополнительном аспекте по меньшей мере одна наружная резьба может иметь шаг, который увеличивается от первого значения вблизи передней кромки 140 по меньшей мере на части осевой длины указанного ряда ее винтовых витков до конечного значения в желаемой точке на указанной по меньшей мере одной наружной резьбе 110, и после этого поддерживается постоянным. В другом аспекте по меньшей мере одна наружная резьба может иметь шаг, который увеличивается от первого значения вблизи передней кромки по всей осевой длине указанного ряда ее винтовых витков до конечного значения. В альтернативных аспектах шаг может равномерно или неравномерно увеличиваться по осевой длине указанной по меньшей мере одной наружной резьбы 110. Например, предполагается, что конец с наружной резьбой имеет две наружные резьбы, имеющие шаг, который увеличивается от передней кромки конца 104 с наружной резьбой до конечного значения в желаемой точке вдоль осевой длины резьбы при измерении этой точки от конца 104 с наружной резьбой.

[0078] Аналогичным образом, по меньшей мере одна внутренняя резьба 112 может начинаться вблизи передней кромки 120 конца 108 с внутренней резьбой. По меньшей мере одна внутренняя резьба 112 может содержать ряд винтовых витков, проходящих вдоль соответствующей длины конца 108 с внутренней резьбой. В дополнительном аспекте по меньшей мере одна внутренняя резьба может иметь шаг, который увеличивается от первого значения вблизи передней кромки 120 по меньшей мере на части осевой длины указанного ряда ее винтовых витков до конечного значения в желаемой точке на указанной по меньшей мере одной внутренней резьбе 112, и после этого поддерживается постоянным. В другом аспекте по меньшей мере одна внутренняя резьба может иметь шаг, который увеличивается от первого значения вблизи передней кромки 120 по всей части осевой длины указанного ряда ее винтовых витков до конечного значения. В альтернативных аспектах шаг может равномерно или неравномерно увеличиваться по осевой длине указанной по меньшей мере одной внутренней резьбы 112. Например, предполагается, что конец с наружной резьбой имеет две внутренние резьбы, имеющие шаг, который увеличивается от передней кромки 120 конца 108 с внутренней резьбой до конечного значения в желаемой точке вдоль осевой длины резьбы, при измерении этой точки от конца 108 с внутренней резьбой.

[0079] В частности, по меньшей мере одна наружная резьба 110 и по меньшей мере одна внутренняя резьба 112 могут быть расположены по винтовой линии по отношению к соответствующим концам 104, 108 с наружной и внутренней резьбой. Иными словами, по меньшей мере одна наружная 110 и по меньшей мере одна внутренняя резьба 112 могут содержать ряд винтовых витков, проходящих вдоль соответствующего компонента 102, 106 бурильной колонны. По меньшей мере одна наружная 110 и по меньшей мере одна внутренняя резьба 112 - каждая может содержать передние концы, ориентированные под острым углом по отношению к центральной оси соответствующего компонента 102, 106 бурильной колонны и размещенные около нее. По мере сопряжения по меньшей мере одной наружной резьбы 110 и по меньшей мере одной внутренней резьбы 112 резьбы могут, таким образом, вращаться по отношению друг к другу и садиться в пределах зазоров между соответствующими резьбами и, в конечном итоге, образовывать соединение бурильной колонны. Постепенная посадка в осевом направлении выборочно создается между соответствующими концами 104, 108 с наружной и внутренней резьбой по мере увеличения шага по меньшей мере одной из указанной по меньшей мере одной наружной резьбы 110 и указанной по меньшей мере одной внутренней резьбы 112. Соответственно, в одном или более вариантах реализации изобретения получают соединение бурильной колонны, имеющее оптимальные поперечные сечения материала для максимально допускаемой нагрузки.

[0080] В другом примере по меньшей мере одна наружная резьба 110 может начинаться вблизи передней кромки конца 104 с наружной резьбой. По меньшей мере одна наружная резьба 110 может содержать ряд винтовых витков, проходящих вдоль соответствующей длины конца 104 с наружной резьбой, а также может иметь по меньшей мере один параметр резьбы с постоянным шагом по всей осевой длине резьбы. Типовые параметры резьб, высота которых может поддерживаться постоянной, могут включать опорную сторону, переднюю сторону, середину резьбы и тому подобное. В дополнительном аспекте по меньшей мере одна наружная резьба может иметь ширину, которая увеличивается от процента полной ширины резьбы вблизи передней кромки по меньшей мере на части осевой длины указанного ряда ее винтовых витков до полной ширины резьбы в желаемой точке на указанной по меньшей мере одной наружной резьбе 110, и после этого поддерживается постоянной. В другом аспекте по меньшей мере одна наружная резьба может иметь ширину, которая увеличивается от процента полной ширины резьбы вблизи передней кромки по всей осевой длине указанного ряда ее винтовых витков до полной ширины резьбы. В альтернативных аспектах ширина резьбы может равномерно или неравномерно увеличиваться по осевой длине указанной по меньшей мере одной наружной резьбы 110. Например, предполагается, что конец с наружной резьбой имеет две наружные резьбы, при этом по меньшей мере одна наружная резьба имеет по меньшей мере один параметр, имеющий постоянный шаг по всей осевой длине этой резьбы, и ширину, которая увеличивается от процента полной ширины резьбы на передней кромке конца 104 с наружной резьбой до полной ширины резьбы в желаемой точке вдоль осевой длины резьбы.

[0081] Аналогичным образом, по меньшей мере одна внутренняя резьба 112 может начинаться вблизи передней кромки 142 конца 108 с внутренней резьбой. По меньшей мере одна внутренняя резьба 112 может содержать ряд винтовых витков, проходящих вдоль соответствующей длины конца 108 с внутренней резьбой, а также может иметь по меньшей мере один параметр резьбы с постоянным шагом по всей осевой длине резьбы. Типовые параметры резьб, высота которых может поддерживаться постоянной, могут включать опорную сторону, переднюю сторону, середину резьбы и тому подобное. В дополнительном аспекте по меньшей мере одна внутренняя резьба может иметь ширину, которая увеличивается от процента полной ширины резьбы вблизи передней кромки 142 по меньшей мере на части осевой длины указанного ряда ее винтовых витков до полной ширины резьбы в желаемой точке на указанной по меньшей мере одной внутренней резьбе 112, и после этого поддерживается постоянной. В другом аспекте по меньшей мере одна внутренняя резьба может иметь ширину резьбы, которая увеличивается от процента полной ширины резьбы вблизи передней кромки 142 по всей осевой длине указанного ряда ее винтовых витков до полной ширины резьбы. В альтернативных аспектах ширина резьбы может равномерно или неравномерно увеличиваться по осевой длине указанной по меньшей мере одной внутренней резьбы 112. Например, предполагается, что конец с внутренней резьбой имеет две внутренние резьбы, при этом по меньшей мере одна внутренняя резьба имеет по меньшей мере один параметр, имеющий постоянный шаг по всей осевой длине этой резьбы, и ширину, которая увеличивается от процента полной ширины резьбы на передней кромке 142 конца 108 с внутренней резьбой до полной ширины резьбы в желаемой точке вдоль осевой длины резьбы.

[0082] В частности, по меньшей мере одна наружная резьба 110 и по меньшей мере одна внутренняя резьба 112 могут быть расположены по винтовой линии по отношению к соответствующим концам 104, 108 с наружной и внутренней резьбой. Иными словами, по меньшей мере одна наружная резьба 110 и по меньшей мере одна внутренняя резьба 112 могут содержать ряд винтовых витков, проходящих вдоль соответствующего компонента 102, 106 бурильной колонны. По меньшей мере одна наружная резьба 110 и по меньшей мере одна внутренняя резьба 112 - каждая может содержать передние концы, ориентированные под острым углом по отношению к центральной оси соответствующего компонента 102, 106 бурильной колонны и размещенные около нее. По мере сопряжения по меньшей мере одной наружной резьбы 110 и по меньшей мере одной внутренней резьбы 112 они могут, таким образом, вращаться по отношению друг к другу и садиться в пределах зазоров между соответствующими резьбами и, в конечном итоге, образовывать соединение бурильной колонны. Постепенная посадка в осевом направлении выборочно создается между соответствующими концами 104, 108 с наружной и внутренней резьбой по мере увеличения ширины указанной по меньшей мере одной из по меньшей мере одной наружной резьбы 110 и указанной по меньшей мере одной внутренней резьбы 112, в то время как по меньшей мере один параметр как по меньшей мере одной наружной резьбы 110, так и по меньшей мере одной внутренней резьбы 112 имеет постоянный шаг по всей осевой длине соответствующей резьбы. Соответственно, в одном или более вариантах реализации изобретения получают соединение бурильной колонны, имеющее оптимальные поперечные сечения материала для максимальной допускаемой нагрузки.

[0083] В другом примере по меньшей мере одна наружная резьба 110 может начинаться вблизи передней кромки конца 104 с наружной резьбой. По меньшей мере одна наружная резьба 110 может содержать ряд винтовых витков, проходящих вдоль соответствующей длины конца 104 с наружной резьбой. В одном аспекте по меньшей мере одна наружная резьба 110 может иметь впадину резьбы, которая описывает цилиндрическую поверхность по всей осевой длине указанного ряда винтовых витков. В дополнительном аспекте по меньшей мере одна наружная резьба 110 может иметь вершину резьбы, которая описывает поверхность в форме усеченного конуса от первого диаметра вблизи передней кромки, проходящей по меньшей мере на части осевой длины указанного ряда ее винтовых витков, до конечного диаметра в желаемой точке на указанной по меньшей мере одной наружной резьбе 110 и после этого поддерживается постоянной. Указанная образующая поверхности в форме усеченного конуса представляет собой прямую линию, проходящую через вершины резьбы, которая лежит под углом по отношению к центральной оси, проходящей через полый корпус. В другом аспекте по меньшей мере одна наружная резьба 110 может иметь вершину резьбы, которая описывает поверхность в форме усеченного конуса от первого диаметра вблизи передней кромки, проходящей по всей осевой длине указанного ряда ее винтовых витков, до конечного диаметра. Например, предполагается, что конец с наружной резьбой имеет по меньшей мере одну наружную резьбу, имеющую вершину резьбы, которая описывает цилиндр, и вершину резьбы, которая описывает поверхность в форме усеченного конуса от первого диаметра вблизи передней кромки, проходящей на желаемой части осевой длины указанного ряда ее винтовых витков, до конечного диаметра в желаемой точке на указанной по меньшей мере одной наружной резьбе 110 и после этого поддерживается постоянной.

[0084] Аналогичным образом, по меньшей мере одна внутренняя резьба 112 может начинаться вблизи передней кромки 120 конца 108 с внутренней резьбой. По меньшей мере одна внутренняя резьба 112 может содержать ряд винтовых витков, проходящих вдоль соответствующей длины конца 108 с внутренней резьбой. В одном аспекте по меньшей мере одна внутренняя резьба 112 может иметь впадину резьбы, которая описывает цилиндрическую поверхность по всей осевой длине указанного ряда винтовых витков. В дополнительном аспекте по меньшей мере одна внутренняя резьба 112 может иметь вершину резьбы, которая описывает поверхность в форме усеченного конуса от первого диаметра вблизи передней кромки 120, проходящей по меньшей мере на части осевой длины указанного ряда ее винтовых витков, до конечного диаметра в желаемой точке на указанной по меньшей мере одной внутренней резьбе 112 и после этого поддерживается постоянной. Указанная образующая поверхности в форме усеченного конуса представляет собой прямую линию, проходящую через вершины резьбы, которая лежит под углом по отношению к центральной оси, проходящей через полый корпус. В другом аспекте по меньшей мере одна внутренняя резьба 112 может иметь вершину резьбы, которая описывает поверхность в форме усеченного конуса от первого диаметра вблизи передней кромки 120, проходящей по всей осевой длине указанного ряда ее винтовых витков, до конечного диаметра. Например, предполагается, что конец 108 с внутренней резьбой имеет по меньшей мере одну внутреннюю резьбу 112, имеющую вершину, которая описывает цилиндр, и вершину, которая описывает поверхность в форме усеченного конуса от первого диаметра вблизи передней кромки 120, проходящей на желаемой части осевой длины указанного ряда ее винтовых витков до конечного диаметра в желаемой точке на указанной по меньшей мере одной внутренней резьбе 112, и после этого поддерживается постоянной.

[0085] В частности, по меньшей мере одна наружная резьба 110 и по меньшей мере одна внутренняя резьба 112 могут быть расположены по винтовой линии по отношению к соответствующим концам 104, 108 с наружной и внутренней резьбой. Иными словами, по меньшей мере одна наружная 110 и по меньшей мере одна внутренняя резьба 112 могут содержать ряд винтовых витков, проходящих вдоль соответствующего компонента 102, 106 бурильной колонны. По меньшей мере одна наружная 110 и по меньшей мере одна внутренняя резьба 112 - каждая может содержать передние концы, ориентированные под острым углом по отношению к центральной оси соответствующего компонента 102, 106 бурильной колонны. В одном аспекте как по меньшей мере одна наружная 110, так и по меньшей мере одна внутренняя резьба 112 могут иметь впадину, которая описывает цилиндрическую поверхность по всей осевой длине указанного ряда винтовых витков. В дополнительном аспекте указанная по меньшей мере одна наружная 110 и указанная по меньшей мере одна внутренняя резьба 112 могут иметь вершину, которая описывает поверхность в форме усеченного конуса от первого диаметра вблизи передней кромки, проходящей по меньшей мере на части осевой длины указанного ряда ее винтовых витков, до конечного диаметра в желаемой точке на указанной по меньшей мере одной внутренней резьбе 112 и после этого поддерживается постоянной. По мере сопряжения по меньшей мере одной наружной 110 и по меньшей мере одной внутренней резьбы 112 они могут, таким образом, вращаться по отношению друг к другу и садиться в пределах зазоров между соответствующими резьбами и, в конечном итоге, образовывать соединение бурильной колонны. Постепенная посадка в радиальном направлении выборочно создается между соответствующими концами 104, 108 с наружной и внутренней резьбой по мере увеличения диаметра вершины по меньшей мере одной из указанной по меньшей мере одной наружной 110 и указанной по меньшей мере одной внутренней резьбы 112. Соответственно, в одном или более вариантах реализации изобретения получают соединение бурильной колонны, имеющее оптимальные поперечные сечения материала для максимальной допускаемой нагрузки.

[0086] В другом примере по меньшей мере одна наружная резьба 110 может начинаться вблизи передней кромки конца 104 с наружной резьбой. По меньшей мере одна наружная резьба 110 может содержать ряд винтовых витков, проходящих вдоль соответствующей длины конца 104 с наружной резьбой. В одном аспекте по меньшей мере одна наружная резьба может иметь по меньшей мере один параметр из шага и ширины, который увеличивается от первого значения вблизи передней кромки по меньшей мере на части осевой длины указанного ряда ее винтовых витков до конечного значения в желаемой точке на указанной по меньшей мере одной наружной резьбе 110 и после этого поддерживается постоянным. В дополнительном аспекте по меньшей мере одна наружная резьба 110 может иметь впадину, которая описывает цилиндрическую поверхность по всей осевой длине указанного ряда винтовых витков. В еще одном дополнительном аспекте по меньшей мере одна наружная резьба 110 может иметь вершину, которая описывает поверхность в форме усеченного конуса от первого диаметра вблизи передней кромки, проходящей по меньшей мере на части осевой длины указанного ряда ее винтовых витков, до конечного диаметра в желаемой точке на указанной по меньшей мере одной наружной резьбе 110 и после этого поддерживается постоянной. Указанная образующая поверхности в форме усеченного конуса представляет собой прямую линию, проходящую через вершины резьбы, которая лежит под углом по отношению к центральной оси, проходящей через полый корпус. В другом аспекте по меньшей мере одна наружная резьба 110 может иметь вершину, которая описывает поверхность в форме усеченного конуса от первого диаметра вблизи передней кромки, проходящей по всей осевой длине указанного ряда ее винтовых витков, до конечного диаметра. Например, предполагается, что конец с наружной резьбой имеет по меньшей мере одну наружную резьбу, имеющую вершину, которая описывает цилиндр, и вершину резьбы, которая описывает поверхность в форме усеченного конуса от первого диаметра вблизи передней кромки, проходящей на желаемой части осевой длины указанного ряда ее винтовых витков, до конечного диаметра в желаемой точке на указанной по меньшей мере одной наружной резьбе 110 и после этого поддерживается постоянной. По меньшей мере одна наружная резьба 110 также имеет по меньшей мере один параметр из шага и ширины, который увеличивается от передней кромки конца 104 с наружной резьбой до конечного значения в желаемой точке вдоль осевой длины резьбы, при измерении этой точки от конца 104 с наружной резьбой.

[0087] Аналогичным образом, по меньшей мере одна внутренняя резьба 112 может начинаться вблизи передней кромки 120 конца 108 с внутренней резьбой. По меньшей мере одна внутренняя резьба 112 может содержать ряд винтовых витков, проходящих вдоль соответствующей длины конца 108 с внутренней резьбой. В одном аспекте по меньшей мере одна наружная резьба может иметь по меньшей мере один параметр из шага и ширины, который увеличивается от первого значения вблизи передней кромки 120 по меньшей мере на части осевой длины указанного ряда ее винтовых витков до конечного значения в желаемой точке на указанной по меньшей мере одной внутренней резьбе 112 и после этого поддерживается постоянным. В дополнительном аспекте по меньшей мере одна внутренняя резьба 112 может иметь впадину резьбы, которая описывает цилиндрическую поверхность по всей осевой длине указанного ряда винтовых витков. В еще одном дополнительном аспекте по меньшей мере одна внутренняя резьба 112 может иметь вершину, которая описывает поверхность в форме усеченного конуса от первого диаметра вблизи передней кромки 120, проходящей по меньшей мере на части осевой длины указанного ряда ее винтовых витков, до конечного диаметра в желаемой точке на указанной по меньшей мере одной внутренней резьбе 112 и после этого поддерживается постоянной. Указанная образующая поверхности в форме усеченного конуса представляет собой прямую линию, проходящую через вершины резьбы, которая лежит под углом по отношению к центральной оси, проходящей через полый корпус. В другом аспекте по меньшей мере одна внутренняя резьба 112 может иметь вершину, которая описывает поверхность в форме усеченного конуса от первого диаметра вблизи передней кромки 120, проходящей по всей осевой длине указанного ряда ее винтовых витков, до конечного диаметра. Например, предполагается, что конец 108 с внутренней резьбой имеет по меньшей мере одну внутреннюю резьбу 112, имеющую вершину, которая описывает цилиндр, и вершину резьбы, которая описывает поверхность в форме усеченного конуса от первого диаметра вблизи передней кромки 120, проходящей на желаемой части осевой длины указанного ряда ее винтовых витков, до конечного диаметра в желаемой точке на указанной по меньшей мере одной внутренней резьбе 112, и после этого поддерживается постоянной. По меньшей мере одна внутренняя резьба 112 также имеет по меньшей мере один параметр из шага и ширины, который увеличивается от передней кромки 120 конца 108 с внутренней резьбой до конечного значения в желаемой точке вдоль осевой длины резьбы, при измерении этой точки от конца 108 с внутренней резьбой.

[0088] В частности, по меньшей мере одна наружная 110 и по меньшей мере одна внутренняя резьба 112 могут быть расположены по винтовой линии по отношению к соответствующим концам 104, 108 с наружной и внутренней резьбой. Иными словами, по меньшей мере одна наружная 110 и по меньшей мере одна внутренняя резьба 112 могут содержать ряд винтовых витков, проходящих вдоль соответствующего компонента 102, 106 бурильной колонны. По меньшей мере одна наружная 110 и по меньшей мере одна внутренняя резьба 112 - каждая может содержать передние концы, ориентированные под острым углом по отношению к центральной оси соответствующего компонента 102, 106 бурильной колонны. В одном аспекте как по меньшей мере одна наружная 110, так и по меньшей мере одна внутренняя резьба 112 могут иметь впадину резьбы, которая описывает цилиндрическую поверхность по всей осевой длине указанного ряда винтовых витков. В дополнительном аспекте указанная по меньшей мере одна наружная 110 и указанная по меньшей мере одна внутренняя резьба 112 могут иметь вершину, которая описывает поверхность в форме усеченного конуса от первого диаметра вблизи соответствующей кромки 114, 120, проходящей по меньшей мере на части осевой длины указанного ряда ее винтовых витков, до конечного диаметра в желаемой точке на соответствующей по меньшей мере одной резьбе и после этого поддерживается постоянной. По мере сопряжения по меньшей мере одной наружной 110 и по меньшей мере одной внутренней резьбы 112 они могут, таким образом, вращаться по отношению друг к другу и садиться в пределах зазоров между соответствующими резьбами и, в конечном итоге, образовывать соединение бурильной колонны. Постепенная посадка в радиальном направлении выборочно создается между соответствующими концами 104, 108 с наружной и внутренней резьбой по мере увеличения диаметра вершины по меньшей мере одной из указанной по меньшей мере одной наружной 110 и указанной по меньшей мере одной внутренней резьбы 112. Также постепенная посадка в осевом направлении выборочно создается между соответствующими концами 104, 108 с наружной и внутренней резьбой. По меньшей мере один параметр из шага и ширины по меньшей мере одной из указанной по меньшей мере одной наружной 110 и указанной по меньшей мере одной внутренней резьбы 112 увеличивается. Соответственно, в одном или более вариантах реализации изобретения получают соединение бурильной колонны, имеющее оптимальные поперечные сечения материала для максимальной допускаемой нагрузки.

Заходы резьб с защитой от заедания

[0089] Один или более вариантов реализации настоящего изобретения включают компоненты бурильной колонны, имеющие резьбы, соответствующие передние концы которых ориентированы под острым углом по отношению к центральной оси компонента бурильной колонны и, дополнительно или в альтернативном варианте, передний конец резьбы может обеспечивать резкий переход к полной глубине и/или ширине профиля резьбы.

[0090] Наружная резьба 110 может включать ширину 118 профиля резьбы и внутренняя резьба 112 может включать ширину 124 профиля резьбы, как упоминалось ранее. При использовании по тексту данного документа термин "ширина профиля резьбы" может включать линейное расстояние между кромками вершины резьбы при измерении вдоль линии, перпендикулярной кромкам вершины резьбы. Следует понимать, что ширины 118, 124 профиля резьб могут изменяться в зависимости от конфигурации резьб 110, 112. В одном или более вариантах реализации изобретения ширина 118 профиля наружной резьбы 110 равна ширине 124 профиля внутренней 112. В альтернативных вариантах реализации изобретения ширина 118 профиля наружной резьбы 110 больше или меньше, чем ширина 124 профиля внутренней 112.

[0091] Наружная резьба 110 может включать глубину 130 резьбы и внутренняя 112 может включать глубину 132 резьбы. При использовании по тексту данного документа термин "глубина резьбы" может включать линейное расстояние от поверхности, от которой проходит резьба (например, наружная поверхность конца 104 с наружной резьбой или внутренняя поверхность конца 108 с внутренней резьбой), до самой дальней в радиальном направлении точки на вершине резьбы при измерении вдоль линии, перпендикулярной поверхности, от которой проходит резьба. Следует понимать, что глубины 130, 132 резьб могут изменяться в зависимости от конфигурации резьб 110, 112 и/или размера компонентов 102, 106 бурильной колонны. В одном или более вариантах реализации изобретения глубина 130 наружной резьбы 110 равна глубине 132 внутренней резьбы 112. В альтернативных вариантах реализации изобретения глубина 130 наружной резьбы 110 больше или меньше, чем глубина 132 внутренней резьбы 112.

[0092] В одном или более вариантах реализации изобретения ширина 118, 124 каждой резьбы 110, 112 больше, чем глубина 130, 132 каждой резьбы 110, 112. Например, в одном или более вариантах реализации изобретения ширина 118, 124 каждой резьбы 110, 112 по меньшей мере в два раза больше, чем глубина 130, 132 каждой резьбы 110, 112. В альтернативных вариантах реализации изобретения ширина 118, 124 каждой резьбы 110, 112 приблизительно равна или меньше, чем глубина 130, 132 каждой резьбы 110, 112.

[0093] Как упоминалось выше, как наружная, так и внутренняя резьбы 110, 112 могут содержать передний конец или заход резьбы. Например, фигуры 1-4 иллюстрируют, что наружная резьба 110 может содержать заход резьбы или передний конец 114. Аналогичным образом, внутренняя резьба 112 может содержать заход резьбы или передний конец 120.

[0094] В одном или более вариантах реализации изобретения передний конец 114 наружной резьбы 110 может содержать плоскую поверхность, которая проходит от внешней поверхности конца 104 с наружной резьбой. Например, передний конец 114 наружной резьбы 110 может содержать плоскую поверхность, которая проходит в радиальном направлении наружу от поверхности конца 104 с наружной резьбой, тем самым образуя торцевую поверхность. В одном или более вариантах реализации изобретения передний конец 114 проходит в направлении, перпендикулярном наружной поверхности конца 104 с наружной резьбой. В альтернативных вариантах реализации изобретения передний конец 114 проходит в направлении, по сути перпендикулярном наружной поверхности конца 104 с наружной резьбой (то есть в направлении, ориентированном под углом менее чем около 15 градусов к направлению, перпендикулярному наружной поверхности конца 104 с наружной резьбой). В других дополнительных вариантах реализации изобретения передний конец 114 может содержать поверхность, которая изгибается вдоль одной или более его высот и ширин.

[0095] Кроме того, в одном или более вариантах реализации изобретения передний конец 114 наружной резьбы 110 может проходить по всей ширине 118 наружной резьбы 110. Иными словами, передний конец 114 наружной резьбы 110 может проходить от передней к задней кромке 138 наружной резьбы 110. Таким образом, плоская поверхность, образующая передний конец 114, может охватывать всю ширину 118 наружной резьбы 110.

[0096] Кроме того, в одном или более вариантах реализации изобретения передний конец 114 наружной резьбы 110 может проходить по всей глубине 130 наружной резьбы 110. Иными словами, высота переднего конца 114 наружной резьбы 110 может быть равна глубине резьбы 130. Таким образом, плоская поверхность, образующая передний конец 114, может охватывать всю глубину 130 наружной резьбы 110. Таким образом, передний конец 114 или заход резьбы могут содержать резкий переход к полной глубине и/или ширине профиля наружной резьбы 110. Иными словами, в одном или более вариантах реализации изобретения наружная резьба 110 не содержит конец сбега резьбы, который постепенно сходит на конус к полной глубине наружной резьбы 110.

[0097] Аналогичным образом, передний конец 120 внутренней резьбы 112 может содержать плоскую поверхность, которая проходит от внутренней поверхности конца 108 с внутренней резьбой. Например, передний конец 120 внутренней резьбы 112 может содержать плоскую поверхность, которая проходит в радиальном направлении внутрь от внутренней поверхности конца 108 с внутренней резьбой, тем самым образуя торцевую поверхность. В одном или более вариантах реализации изобретения передний конец 120 проходит в направлении, перпендикулярном внутренней и/или наружной поверхности конца 108 с внутренней резьбой. В альтернативных вариантах реализации изобретения передний конец 120 проходит в направлении, по сути перпендикулярном внутренней или наружной поверхности конца 108 с внутренней резьбой (то есть в направлении, ориентированном под углом менее чем около 15 градусов к направлению, перпендикулярному внутренней и/или наружной поверхности конца 108 с внутренней резьбой). В других дополнительных вариантах реализации изобретения передний конец 120 может содержать поверхность, которая изгибается вдоль одной или более его высот и ширин. Например, передний конец 114 и передний конец 120 могут содержать общие криволинейные поверхности.

[0098] Кроме того, в одном или более вариантах реализации изобретения передний конец 120 внутренней резьбы 112 может проходить по всей ширине 124 внутренней резьбы 112. Иными словами, передний конец 120 внутренней резьбы 112 может проходить от передней кромки 144 к задней кромке 144 внутренней резьбы 112. Таким образом, плоская поверхность, образующая передний конец 120, может охватывать всю ширину 124 внутренней резьбы 112.

[0099] Кроме того, в одном или более вариантах реализации изобретения передний конец 120 внутренней резьбы 112 может проходить по всей глубине 132 внутренней резьбы 112. Иными словами, высота переднего конца 120 внутренней резьбы 112 может быть равна глубине резьбы 132. Таким образом, плоская поверхность, образующая передний конец 120, может охватывать всю глубину 132 внутренней резьбы 112. Таким образом, передний конец 120 или заход резьбы могут содержать резкий переход к полной глубине и/или ширине профиля внутренней резьбы 112. Иными словами, в одном или более вариантах реализации изобретения внутренняя резьба 112 не содержит конец сбега резьбы, который постепенно сходит на конус к полной глубине внутренней резьбы 112. В проиллюстрированном варианте реализации изобретения показано, что передний конец или заход 120 внутренней резьбы 112 образован материалом, который остается после механической обработки или другого способа, используемого для получения резьб. Таким образом, передний конец или заход резьбы 120 могут быть выполнены, по отношению к внутренней поверхности конца 108 с внутренней резьбой, выдавливанием прессом, а не обработкой резанием.

[00100] В одном или более вариантах реализации изобретения передний конец 114 наружной резьбы 110 может иметь размер и/или форму, равные переднему концу 120 внутренней резьбы 112. В альтернативных вариантах реализации изобретения размер и/или форма переднего конца 114 наружной резьбы 110 может отличаться от размера и/или формы переднего конца 120 внутренней резьбы 112. Например, в одном или более вариантах реализации изобретения передний конец 114 наружной резьбы 110 может быть больше, чем передний конец 120 внутренней 112.

[00101] В одном или более вариантах реализации изобретения передние концы 114, 120 каждой из наружной и внутренней резьб 110, 112 могут иметь неаксиальную ориентацию. Иными словами, плоские поверхности передних концов 114, 120 каждой из наружной и внутренней резьб 110, 112 могут проходить в направлении, отстоящем или не параллельном центральной оси 126 компонентов 102, 106 бурильной колонны. Например, как показано на Фигурах 1-4, плоская поверхность переднего конца 114 наружной резьбы 110 может быть обращена к смежному витку наружной резьбы 110. Аналогичным образом, плоская поверхность переднего конца 120 внутренней резьбы 112 может быть обращена к смежному витку внутренней резьбы 112.

[00102] В частности, плоская поверхность переднего конца 114 наружной резьбы 110 может проходить под углом по отношению к передней кромке 140 или центральной оси 126 конца 104 с наружной резьбой. Например, фигуры 1-4 иллюстрируют, что плоская поверхность переднего конца 114 наружной резьбы 110 ориентирована под углом 146 по отношению к центральной оси 126 компонента 102 бурильной колонны, хотя угол может также быть измерен по отношению к передней кромке 114. Показанная ориентация и наличие плоской поверхности переднего конца 114 особенно заметны при сравнении с традиционными резьбами, которые сходят на конус в точку таким образом, что расстояние между передней и задней кромками резьбы практически отсутствует, тем самым обеспечивая отсутствие торцевой поверхности.

[00103] Аналогично переднему концу 114 передний конец 120 внутренней резьбы 112 может проходить под углом по отношению к передней кромке 120 или центральной оси 126 конца 104 с наружной резьбой. Например, фигуры 1-4 иллюстрируют, что плоская поверхность переднего конца 120 внутренней резьбы 112 ориентирована под углом 148 по отношению к центральной оси 126 компонента 106 бурильной колонны, хотя угол может также быть измерен по отношению к передней кромке 120.

[00104] Углы 146, 148 могут быть изменены в соответствии с настоящим изобретением и содержать любое количество различных углов. Углы 146, 148 могут быть изменены, основываясь на других характеристиках резьб 110, 112, или основываясь на значении, которое не зависит от характеристик резьб. В одном или более вариантах реализации изобретения угол 146 равен углу 148. В альтернативных вариантах реализации изобретения угол 146 может отличаться от угла 148.

[00105] В одном или более вариантах реализации изобретения каждый из углов 146, 148 представляет собой острый угол. Например, каждый из углов 146, 148 может включать угол от около 10 градусов до 80 градусов, от около 15 градусов до около 75 градусов, от около 20 градусов до около 70 градусов, от около 30 градусов до около 60 градусов, от около 40 градусов до около 50 градусов. В дополнительных вариантах реализации изобретения углы 146, 148 могут составлять около 45 градусов. В свете описания в данном документе следует понимать, что при динамической нагрузке между двумя смежными передними концами 114, 120 или заходными фасками с увеличением углов 146, 148 наблюдается уменьшение потери импульса и уменьшение сопротивления трению для приведения резьб 110, 112 в состояние полного сопряжения. В любом случае, передний конец 114 наружной резьбы 110 может сопрягаться с передним концом 120 внутренней резьбы 112, чтобы способствовать созданию соединения между первым 102 и вторым компонентом 106 бурильной колонны.

[00106] Таким образом, передние концы 114, 120 или заходная фаска резьбы могут быть обеспечены путем исключения длинного сбега захода резьбы и замены сбега более резким переходом к полной высоте резьбы 110, 112. Кроме того, хотя передние концы 114, 120 могут быть расположены под углом или иным образом ориентированы по отношению к оси 126, заходная фаска резьбы также может быть перпендикулярна наружному и/или внутреннему диаметрам цилиндрических поверхностей соответствующих концов 104, 108 с наружной и внутренней резьбой. Такая геометрия исключает заход резьбы с зацеплением на сбеге, который может выполнять функцию клинового механизма, тем самым исключая геометрию, которая приводит к заклиниванию при сопряжении концов 104, 108 с наружной и внутренней резьбой.

[00107] Кроме того, по мере стягивания концов 104, 108 с наружной и внутренней резьбой передние концы 114, 120 или заходы резьб могут иметь соответствующие поверхности, которые, при сопряжении, создают границу полосы скольжения в состоянии, близком к сопряжению резьбы. Например, когда каждый из передних концов 114, 120 ориентирован под острым углом, передние концы 114, 120 или заходные фаски резьб могут входить в зацепление друг с другом и совместно стягивать резьбы в полностью сопряженное состояние. В качестве примера во время свинчивания буровой штанги в сборе по мере введения конца 104 с наружной резьбой в конец 108 с внутренней резьбой передние концы 114, 120 могут входить в зацепление и направлять друг друга в соответствующие выемки между резьбами. Такое может происходить во время вращения и введения одного или обоих компонентов 102, 106 бурильной колонны. Кроме того, так как сбеги заходов резьб исключены, существует несколько - если вообще есть - ограничений относительно углового положения для сопряжения. Таким образом, концы 104, 108 с наружной и внутренней резьбой могут иметь всю окружность, доступную для сопряжения, без склонных к заеданию состояний.

[00108] В одном или более вариантах реализации изобретения резьба 110 может быть образована со сбегом с использованием обычных способов механической обработки. Сбег может быть по меньшей мере частично убран с образованием переднего конца 114. В таких вариантах реализации изобретения сбег может проходить приблизительно по половине окружности заданного конца 104 с наружной резьбой. Следовательно, если весь сбег резьбы 110 убран, резьба 110 может иметь передний конец 114, совпадающий с осью 126. Тем не менее, если за сбегом убрать больше резьбы 110, передний конец 114 может быть смещен относительно оси 126. Сбег может быть убран посредством отдельного способа обработки. Хотя этот пример иллюстрирует удаление сбега для получения захода резьбы, в других вариантах реализации изобретения заходная фаска резьбы может быть образована в отсутствие создания и/или последующего удаления захода резьбы с зацеплением на сбеге резьбы. Например, вместо использования обычных способов механической обработки, резьбу получают посредством электроискровой обработки. Электроискровая обработка может обеспечивать возможность получения переднего конца 114, так как металл может использоваться во время данного процесса. В альтернативном варианте электрохимическая обработка или другие способы, которые используют материал, также могут быть использованы для получения передних концов 114, 120 резьб 110, 112.

Оптимальная посадка с натягом

[00109] Один или более вариантов реализации настоящего изобретения включают исключение посадок с натягом на элементы резьб и, необязательно, перенесение посадки с натягом на другие элементы соединения, такие как радиально сопряженные поверхности заплечиков. В одном аспекте наружная и внутренняя резьбы 110, 112 могут иметь относительные глубины, такие, что вершина наружной резьбы поддерживает определенное радиальное расстояние со впадиной сопряженной внутренней резьбы, а вершина внутренней резьбы соответствует впадине наружной резьбы. В другом аспекте наружная и внутренняя резьбы 110, 112 могут иметь относительные глубины, такие, что вершина внутренней резьбы поддерживает определенное радиальное расстояние со впадиной сопряженной наружной резьбы, а вершина внутренней резьбы соответствует впадине наружной резьбы. В другом аспекте наружная и внутренняя резьбы 110, 112 могут иметь относительные глубины, такие, что вершина наружной резьбы поддерживает определенное радиальное расстояние со впадиной сопряженной внутренней резьбы, и вершина внутренней резьбы поддерживает определенное радиальное расстояние со впадиной сопряженной наружной резьбы. В одном аспекте радиальное расстояние между вершинами и впадинами сопряженных резьб может составлять от около 0,001 до около 0,010 дюйма, более конкретно, от около 0,003 до около 0,007 дюйма и наиболее предпочтительно - около 0,005 дюйма. В альтернативном аспекте радиальное расстояние между вершинами сопряженных резьб может составлять от около 1% до около 5%, более конкретно, от около 1,5% до около 3% и наиболее конкретно - от около 2% до около 2,5% от толщины стенки полого корпуса.

[00110] Как упоминалось ранее, в одном или более вариантах реализации изобретения компоненты 102, 106 бурильной колонны могут содержать полые корпуса. В частности, в одном или более вариантах реализации изобретения компоненты бурильной колонны могут быть тонкостенными. В частности, как показано на фигурах 1-4, компонент 106 бурильной колонны может содержать внешний диаметр 150, внутренний диаметр 152 и толщину 154 стенки. Толщина 154 стенки может быть равна половине внешнего диаметра 150 за вычетом внутреннего диаметра 152. В одном или более вариантах реализации изобретения компонент 106 бурильной колонны имеет толщину 154 стенки в диапазоне от около 5 до 15 процентов внешнего диаметра 150. В дополнительных вариантах реализации изобретения компонент 106 бурильной колонны имеет толщину 154 стенки в диапазоне от около 6 до 8 процентов внешнего диаметра 150. Следует понимать, что такие тонкостенные компоненты бурильной колонны могут ограничивать геометрию резьб 112. Однако тонкостенный компонент бурильной колонны может, тем не менее, содержать любую комбинацию элементов, описанных выше, несмотря на такие ограничения.

[00111] Обращаясь теперь к фигуре 5, иллюстрируется, что компоненты 102, 106 бурильной колонны могут содержать любое количество различных типов инструментов. Иными словами, практически любой резьбовой элемент, используемый в бурильной колонне, может содержать один или более концов 108 с внутренней резьбой и концов 104 с наружной резьбой, имеющих передние концы или заходы резьб, как описано в отношении фигур 1-4. Например, фигура 5 иллюстрирует, что компоненты бурильной колонны могут включать релитовый переходник 201, соединительную муфту 202, буровую штангу 204 и расширитель 206, каждый из которых может содержать как конец 104 с наружной резьбой, так и конец 108 с внутренней резьбой с передними концами 114, 120, обладающие повышенной эффективностью нагрузки и допускаемой нагрузкой, и которые также могут быть устойчивыми к износу, заеданию и свинчиванию не по резьбе, как описано выше в отношении фигур 1-4. Фигура 5 дополнительно иллюстрирует, что компоненты бурильной колонны могут включать стабилизатор 203, посадочное кольцо 205 и буровое долото 207, содержащие конец 108 с внутренней резьбой с передним концом 120, обладающие повышенной эффективностью нагрузки и допускаемой нагрузкой, и которые также могут быть устойчивыми к износу, заеданию и свинчиванию не по резьбе, как описано выше в отношении фигур 1-4. В других дополнительных вариантах реализации компоненты 102, 106 бурильной колонны могут включать обсадные трубы, расширители, кернорватели или другие компоненты бурильной колонны.

[00112] Обращаясь теперь к фигуре 6, иллюстрируется, что буровая система 300 может быть использована для бурения в пласт 304. Буровая система 300 может содержать бурильную колонну 302, образованную из ряда буровых штанг 204 или других компонентов 201-207 бурильной колонны. Буровые штанги 204 могут быть жесткими и/или металлическими, или в альтернативном варианте могут быть изготовлены из других подходящих материалов. Бурильная колонна 302 может содержать ряд соединенных буровых штанг, которые могут быть посекционно собраны по мере продвижения бурильной колонны 302 в пласт 304. Буровое долото 207 (например, открытое буровое долото или другой тип бурового долота) может быть прикреплено к дальнему концу бурильной колонны 302. При использовании по тексту данного документа термины "вниз", "нижний", "передний" и "дальний конец" относятся к концу бурильной колонны 302, в том числе к буровому долоту 207. При этом термины "вверх", "верхний", "задний" или "ближний" относятся к концу бурильной колонны 302, противоположному буровому долоту 207.

[00113] Буровая система 300 может содержать буровую установку 301, которая может вращать и/или продвигать буровое долото 207, буровые штанги 204 и/или другие части бурильной колонны 302 в пласт 304. Буровая установка 301 может содержать приводной механизм, например, бурильную головку 306 вращательного действия, салазки в сборе 308 и мачту 310. Бурильная головка 306 может быть соединена с бурильной колонной 302 и может вращать буровое долото 207, буровые штанги 204 и/или другие части бурильной колонны 302. При необходимости бурильная головка 306 вращательного действия может быть выполнена с возможностью изменения скорости и/или направления, в котором эти компоненты вращаются. Салазки в сборе 308 могут двигаться по отношению к мачте 310. По мере движения салазок в сборе 308 по отношению к мачте 310 салазки в сборе 308 могут обеспечивать усилие по отношению к бурильной головке 306 вращательного действия, которая может продвигать буровое долото 207, бурильные штанги 204 и/или другие части бурильной колонны 302 дальше в пласт 304, например, во время их вращения.

[00114] Тем не менее, следует принимать во внимание, что буровая установка 301 не требует бурильной головки вращательного действия, салазок в сборе, скользящей рамы или привода в сборе, и что буровая установка 301 может содержать другие подходящие компоненты. Также следует принимать во внимание, что буровая система 300 не требует буровой установки, и что буровая система 300 может содержать другие подходящие компоненты, которые могут вращаться и/или продвигать буровое долото 207, буровые штанги 204 и/или другие части бурильной колонны 302 в пласт 304. Например, могут быть использованы звуковые, ударные или погружные электродвигатели.

[00115] Как показано на фигуре 6, буровая система 300 может дополнительно содержать фиксатор 312 буровой штанги. Более подробно, приводной механизм может продвигать бурильную колонну 302 и, в частности, первую буровую штангу 204 до тех пор, пока хвостовик первой буровой штанги 204 не приблизится к устью скважины, образованной бурильной колонной 302. После того, как первая буровая штанга 204 достигает желаемой глубины, фиксатор 312 буровой штанги может зажимать первую буровую штангу 204, что может помогать предотвратить непреднамеренную потерю первой буровой штанги 204 и бурильной колонны 302 внизу ствола скважины. При зажимании первой буровой штанги 204 ее фиксатором 312 приводной механизм может быть отсоединен от первой буровой штанги 204.

[00116] Затем дополнительная или вторая буровая штанга 204 может быть соединена с приводным механизмом вручную или автоматически с использованием устройства управления буровыми штангами, такого, как описано в патенте США № 8186925, выданном 29 мая 2012 года, полное содержание которого включено в данный документ посредством ссылки. Затем приводной механизм может автоматически продвигать конец 104 с наружной резьбой второй буровой штанги 204 в конец 108 с внутренней резьбой первой буровой штанги 204. Соединение между первой 204 и второй буровой штангой 204 может быть выполнено посредством резьбового соединения второй 204 с первой буровой штангой 204. В свете описания в данном документе следует понимать, что передние концы 114, 120 наружной и внутренней резьб 110, 112 буровых штанг 204 могут предотвращать или уменьшать заедание и свинчивание не по резьбе, даже если соединение между буровыми штангами 204 выполняется автоматически посредством буровой установки 301.

[00117] После подсоединения второй буровой штанги 204 к приводному механизму и к первой буровой штанге 204 фиксатор 312 буровой штанги может высвободить бур 302. Приводной механизм может продвигать бурильную колонну 302 дальше в пласт на большую желаемую глубину. Этот процесс зажимания бурильной колонны 302, отсоединения приводного механизма, подсоединения дополнительной буровой штанги 204, размыкания зажима и продвижения бурильной колонны 302 на большую глубину может быть выполнен повторно для прохода глубже и глубже в пласт.

[00118] Соответственно, фигуры 1-Y, соответствующий текст, обеспечивают ряд различных компонентов и механизмов для создания соединений между компонентами бурильной колонны с повышенной эффективностью нагрузки и допускаемой нагрузкой, и которые также могут быть устойчивыми к износу, заеданию и свинчиванию не по резьбе. В дополнение к изложенному выше, варианты реализации настоящего изобретения также могут быть описаны в терминах действий и этапов в способе достижения конкретного результата. Например, способ создания в бурильной колонне соединения с повышенной эффективностью нагрузки и допускаемой нагрузкой, а также устойчивостью к износу, заеданию и свинчиванию не по резьбе описан ниже со ссылкой на компоненты и диаграммы фигур с 1 по Y включительно.

[00119] Данный способ может включать помещение конца 104 с наружной резьбой первого компонента 102 бурильной колонны в конец 108 с внутренней резьбой второго компонента 106 бурильной колонны. Данный способ может также включать вращение первого компонента 102 бурильной колонны по отношению ко второму компоненту 108 бурильной колонны. Данный способ может дополнительно включать соединение впритык плоского переднего конца 114 наружной резьбы 110 на конце 104 с наружной резьбой первого компонента 102 бурильной колонны с плоским передним концом 120 внутренней резьбы 112 на конце 108 с внутренней резьбой второго компонента 106 бурильной колонны.

[00120] Плоский передний конец 114 наружной резьбы 110 может быть ориентирован под острым углом 146 по отношению к центральной оси 26 первого компонента 102 бурильной колонны. Аналогичным образом, плоский передний конец 120 внутренней резьбы 112 может быть ориентирован под острым углом 148 по отношению к центральной оси 26 второго компонента 106 бурильной колонны.

[00121] Данный способ может дополнительно включать скольжение плоского переднего конца 114 наружной резьбы 110 от и вдоль плоского переднего конца 120 внутренней резьбы 112 для направления наружной резьбы 110 в зазор между витками внутренней резьбы 112. Скольжение плоского переднего конца 114 наружной резьбы 110 от и вдоль плоского переднего конца 120 внутренней резьбы 112 может приводить к вращению первого компонента 102 бурильной колонны по отношению ко второму 106 в связи с острыми углами 146, 148 плоских передних концов 114, 120 наружной и внутренней резьб 110, 112. Данный способ может включать автоматическое вращение и продвижение первого компонента 102 бурильной колонны по отношению ко второму компоненту 106 бурильной колонны с использованием буровой установки 301 без ручного управления компонентами 106, 108 бурильной колонны.

[00122] Плоский передний конец 120 внутренней резьбы 112 может проходить по всей глубине 132 внутренней резьбы 110. Плоский передний конец 114 наружной резьбы 110 может проходить по всей глубине 130 наружной резьбы 110. При вращении первого компонента 102 бурильной колонны по отношению ко второму компоненту 108 бурильной колонны глубины плоских передних концов 114, 120 внутренней 112 и наружной резьбы 110 могут предотвращать заедание или заклинивание наружной и внутренней резьб 110, 112.

[00123] Таким образом, варианты реализации изложенного выше обеспечивают различные требуемые параметры. Например, за счет включения передних концов или заходных фасок, которые необязательно составляют полную ширину резьбы, заход резьбы с зацеплением на сбеге резьбы может быть исключен, тем самым обеспечивая возможность: (a) по сути установки вращения на 360 градусов для резьбы; и (b) направления поверхности для размещения сопряженных резьб в положение резьбы. Например, расположенная под углом заходная фаска может входить в зацепление с соответствующей резьбой или заходной фаской резьбы и направлять соответствующую резьбу в положение резьбы между винтовыми резьбами. Кроме того, в любом положении соответствующих резьб сбег был исключен, чтобы практически исключить склонную к заклиниванию геометрию.

[00124] Подобные преимущества могут быть получены независимо от того, является ли характер резьбы концентрическим или эксцентрическим. Например, при эксцентрическом размещении линия, пересекающая вершину резьбы и заходную фаску резьбы, может содержать общий конус. При подаче заходная фаска резьбы может сопрягаться с сопряженной вершиной резьбы таким образом, чтобы снижать или исключать заклинивание при пересечении, а идущая далее резьба препятствует заклиниванию, заеданию и свинчиванию не по резьбе. В таком варианте реализации изобретения общего конуса может быть достаточно для уменьшения наружного диаметра на меньшем конце наружной резьбы до диаметра, который был бы меньше, чем внутренний диаметр на большом конце внутренней резьбы. Таким образом, эксцентрическая резьба может быть использована для конических резьб.

[00125] Резьбы по настоящему изобретению могут быть получены любым количеством подходящих способов. Например, как описано выше, кантующие устройства, такие как токарные станки, могут иметь проблемы с созданием резкой заходной фаски резьбы, такой, как описано в данном документе. Соответственно, в некоторых вариантах реализации изобретения может быть получена резьба, содержащая сбег. Затем может быть использовано последующее шлифование, фрезерование или другой способ для удаления части сбега и создания захода резьбы, такого, как описан в данном документе, или о котором можно узнать из обзора описания в данном документе. В других вариантах реализации изобретения может быть применено другое оборудование, в том числе комбинации токарного и другого оборудования механической обработки. Например, токарный станок может производить часть резьбы, тогда как другое механическое оборудование может дополнительно обрабатывать компонент с наружной или внутренней резьбой для добавления заходной фаски. В других вариантах реализации изобретения литье, отливка, резание однолезвийным инструментом, обработка метчиками и плашками, винторезными головками, фрезеровка, шлифовка, прокатка, доводка или другие способы, или любые комбинации изложенного выше, могут быть использованы для создания резьбы в соответствии с описанием в данном документе.

[00126] Таким образом, настоящее изобретение может быть воплощено в других конкретных формах без отхода от его сущности или существенных характеристик. Описанные варианты реализации изобретения следует рассматривать во всех отношениях только как иллюстративные и неограничивающие. Следовательно, объем данного изобретения определяется прилагаемой формулой изобретения, а не приведенным выше описанием. Все изменения, которые подпадают под значение и диапазон эквивалентности формулы изобретения, должны быть включены в ее объем.

Группа изобретений относится к компонентам и системам для бурения и, в частности, к резьбовым соединениям бурильного инструмента, обладающим повышенной прочностью, а также устойчивостью к заеданию, свинчиванию не по резьбе и заклиниванию. Технический результат – повышение надежности резьбовых соединений. Резьбовой компонент бурильной колонны содержит: полый корпус, имеющий первый конец, противоположный второй конец и центральную ось, проходящую через полый корпус. Имеются две резьбы, расположенные на первом конце полого корпуса и имеющие передние концы, которые расположены по окружности на расстоянии 180 градусов друг от друга вблизи передней кромки первого конца полого корпуса. При этом каждая из указанных двух резьб содержит ряд винтовых витков, проходящих вдоль первого конца полого корпуса от расположения вблизи передней кромки первого конца полого корпуса по направлению ко второму концу полого корпуса. Каждая из указанных двух резьб имеет впадину резьбы, вершину резьбы, постоянный шаг резьбы и ширину резьбы. Каждая из указанных резьб имеет отрицательный угол наклона боковой стороны под давлением. 4 н. и 24 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Резьбовой компонент бурильной колонны, содержащий:

полый корпус, имеющий первый конец, противоположный второй конец и центральную ось, проходящую через полый корпус; и

две резьбы, расположенные на первом конце полого корпуса и имеющие передние концы, которые расположены по окружности на расстоянии 180 градусов друг от друга вблизи передней кромки первого конца полого корпуса, при этом:

каждая из указанных двух резьб содержит ряд винтовых витков, проходящих вдоль первого конца полого корпуса от расположения вблизи передней кромки первого конца полого корпуса по направлению ко второму концу полого корпуса;

каждая из указанных двух резьб имеет впадину резьбы, вершину резьбы, постоянный шаг резьбы и ширину резьбы, и

каждая из указанных резьб имеет отрицательный угол наклона боковой стороны под давлением.

2. Компонент бурильной колонны по п.1, отличающийся тем, что ширина равномерно увеличивается от первого значения до конечного значения по всей осевой длине указанного ряда винтовых витков.

3. Компонент бурильной колонны по п.1, отличающийся тем, что ширина неравномерно увеличивается от первого значения до конечного значения по всей осевой длине указанного ряда винтовых витков.

4. Компонент бурильной колонны по п.1, отличающийся тем, что ширина увеличивается от первого значения до конечного значения на части осевой длины ряда винтовых витков и после этого остается постоянной.

5. Компонент бурильной колонны по п.1, отличающийся тем, что впадина каждой из двух резьб описывает цилиндрическую поверхность, проходящую по осевой длине указанного ряда винтовых витков двух резьб.

6. Компонент бурильной колонны по п.5, отличающийся тем, что вершина каждой из двух резьб описывает поверхность в форме усеченного конуса, проходящую по меньшей мере на части осевой длины указанного ряда винтовых витков двух резьб, и при этом указанная образующая поверхности в форме усеченного конуса представляет собой прямую линию, которая лежит под углом по отношению к центральной оси, проходящей через полый корпус.

7. Компонент бурильной колонны по п.1, отличающийся тем, что передний конец каждой из указанных двух резьб ориентирован под острым углом по отношению к центральной оси полого корпуса и обращен к первому концу полого корпуса.

8. Компонент бурильной колонны по п.7, отличающийся тем, что передний конец каждой из указанных двух резьб содержит плоскую поверхность, проходящую перпендикулярно полому корпусу.

9. Компонент бурильной колонны по п.8, отличающийся тем, что плоская поверхность переднего конца каждой из указанных двух резьб проходит по всей ширине резьбы.

10. Компонент бурильной колонны по п.1, отличающийся тем, что полый корпус представляет собой тонкостенной корпус, имеющий толщину стенки в диапазоне от 5 до 15 процентов внешнего диаметра полого корпуса.

11. Компонент бурильной колонны по п.1, отличающийся тем, что первый конец включает конец с внутренней резьбой, при этом резьбы включают внутренние резьбы.

12. Компонент бурильной колонны по п.1, отличающийся тем, что компонент бурильной колонны включает один элемент из буровой штанги, обсадной трубы, соединительной муфты, расширителя, бурового долота или релитового переходника.

13. Компонент бурильной колонны по п.1, отличающийся тем, что передний конец каждой из указанных двух резьб отступает от первого конца полого корпуса на расстояние, равное или меньше, чем ширина резьбы.

14. Резьбовой компонент бурильной колонны, содержащий:

две резьбы, расположенные на первом конце полого корпуса и имеющие передние концы, которые расположены по окружности на расстоянии 180 градусов друг от друга вблизи передней кромки первого конца полого корпуса, при этом:

каждая из указанных двух резьб содержит ряд винтовых витков, проходящих вдоль первого конца полого корпуса от расположения вблизи передней кромки первого конца полого корпуса по направлению ко второму концу полого корпуса;

каждая из указанных двух резьб имеет впадину резьбы, вершину резьбы, постоянный шаг резьбы и ширину резьбы;

каждая из указанных двух резьб имеет отрицательный угол наклона боковой стороны под давлением;

впадина каждой из указанных двух резьб описывает цилиндрическую поверхность, проходящую по осевой длине указанного ряда винтовых витков двух резьб, и

вершина каждой их указанных двух резьб описывает поверхность в форме усеченного конуса, проходящую по меньшей мере на части осевой длины указанного ряда винтовых витков двух резьб, при этом указанная образующая поверхность в форме усеченного конуса представляет собой прямую линию, которая лежит под углом по отношению к центральной оси, проходящей через полый корпус.

15. Компонент бурильной колонны по п.14, отличающийся тем, что ширина резьбы каждой из указанных двух резьб увеличивается от первого значения вблизи переднего конца по меньшей мере на части осевой длины указанного ряда винтовых витков двух резьб до конечного значения в требуемой точке на резьбе.

16. Компонент бурильной колонны по п.15, отличающийся тем, что ширина равномерно увеличивается от первого значения до конечного значения по всей осевой длине указанного ряда винтовых витков.

17. Компонент бурильной колонны по п.15, отличающийся тем, что ширина неравномерно увеличивается от первого значения до конечного значения по всей осевой длине указанного ряда винтовых витков.

18. Компонент бурильной колонны по п.15, отличающийся тем, что ширина неравномерно увеличивается от первого значения до конечного значения на части осевой длины указанного ряда винтовых витков и после этого остается постоянной.

19. Компонент бурильной колонны по п.14, отличающийся тем, что передний конец каждой из указанных двух резьб содержит плоскую поверхность, проходящую перпендикулярно полому корпусу.

20. Компонент бурильной колонны по п.19, отличающийся тем, что плоская поверхность переднего конца каждой из указанных двух резьб проходит по всей ширине резьбы.

21. Компонент бурильной колонны по п.14, отличающийся тем, что полый корпус представляет собой тонкостенной корпус, имеющий толщину стенки в диапазоне от 5 до 15 процентов внешнего диаметра полого корпуса.

22. Компонент бурильной колонны по п.14, отличающийся тем, что первый конец включает конец с внутренней резьбой, а две резьбы включает внутренние резьбы.

23. Компонент бурильной колонны по п.14, отличающийся тем, что компонент бурильной колонны включает один элемент из буровой штанги, обсадной трубы, соединительной муфты, расширителя, бурового долота или релитового переходника.

24. Компонент бурильной колонны по п.14, отличающийся тем, что передние концы двух резьб отступают от первого конца полого корпуса на расстояние, равное или меньше, чем ширина резьбы.

25. Резьбовой компонент бурильной колонны, содержащий:

две резьбы, расположенные на первом конце полого корпуса и имеющие передние концы, которые расположены по окружности на расстоянии 180 градусов друг от друга вблизи передней кромки первого конца полого корпуса, при этом:

каждая из указанных двух резьб содержит ряд винтовых витков, проходящих вдоль первого конца полого корпуса от расположения вблизи передней кромки первого конца полого корпуса по направлению ко второму концу полого корпуса;

каждая из указанных двух резьб имеет впадину резьбы, вершину резьбы, постоянный шаг резьбы и ширину резьбы, и

каждая из указанных двух резьб имеет отрицательный угол наклона боковой стороны под давлением, составляющий от 20 до 10 градусов.

26. Резьбовой компонент бурильной колонны, содержащий:

корпус, конец с внутренней резьбой, противоположный конец с наружной резьбой и центральную ось, проходящую через корпус;

две внутренние резьбы, расположенные на конце с внутренней резьбой корпуса и имеющие передние концы, которые расположены по окружности на расстоянии 180 градусов друг от друга вблизи передней кромки конца с внутренней резьбой корпуса, при этом:

каждая из указанных двух внутренних резьб имеет впадину резьбы, вершину резьбы, постоянный шаг резьбы и ширину резьбы,

каждая из двух внутренних резьб содержит ряд винтовых витков, проходящих вдоль конца с внутренней резьбой корпуса от расположения вблизи передней кромки конца с внутренней резьбой корпуса по направлению к концу с наружной резьбой корпуса;

имеется ряд наружных резьб, расположенных на конце с наружной резьбой корпуса и имеющих передние концы, которые расположены на расстоянии 180 градусов друг от друга у передней кромки конца с наружной резьбой корпуса, при этом каждая из указанного ряда наружных резьб имеет впадину резьбы, вершину резьбы, постоянный шаг резьбы и ширину резьбы, при этом каждая из двух наружных резьб содержит ряд винтовых витков, проходящих вдоль конца с наружной резьбой корпуса от расположения вблизи передней кромки конца с наружной резьбой корпуса по направлению к концу с внутренней резьбой корпуса;

каждая из указанного ряда внутренних и каждая из указанного ряда наружных резьб имеет отрицательный угол наклона боковой стороны под давлением.

27. Компонент бурильной колонны по п.26, отличающийся тем, что компонент бурильной колонны включает буровую штангу.

28. Компонент бурильной колонны по п.27, отличающийся тем, что буровая штанга является полой и тонкостенной, при этом буровая штанга имеет толщину стенки в диапазоне от 5 до 15 процентов внешнего диаметра полого корпуса.