Отсоединительный переходник Российский патент 2018 года по МПК E21B17/06 E21B17/42 

Описание патента на изобретение RU2646280C2

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для отсоединения колонны бурильных труб от прихваченного в скважине колонкового снаряда или бурового долота при глубоком нефтяном и геологоразведочном бурении, преимущественно с применением комплекса инструмента со съемным керноприемником (ССК).

Эти устройства, называемые отсоединительными переходниками (далее переходник), по принципу действия делятся на следующие группы: свободно отвинчивающиеся; с легко разрушающимся слабым звеном; гидравлические; комбинированные и универсальные /2/. В большинстве своем они имеют сложную конструкцию и поэтому не вписываются в весьма малое сечение применяемых с ССК тонкостенных бурильных труб.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип предлагаемого изобретения, является широко распространенный свободно отвинчивающийся отсоединительный переходник, содержащий ниппель и муфту, соединенные двухзаходной цилиндрической резьбой крупного шага, и бронзовое кольцо, установленное в упорном стыке соединения /1, 2/. Совокупностью признаков аналога, совпадающих с совокупностью существенных признаков предлагаемого изобретения, являются: ниппель и муфта, соединенные двухзаходной резьбой крупного шага.

Конструкция прототипа имеет следующие недостатки.

1. Резьбовое соединение переходника уступает по прочности резьбовому соединению бурильной колонны, что вызвано неравнопрочностью опасных сечений ниппеля и муфты.

Расчеты конструкции прототипа, например, с наружным диаметром 146 мм, представленной на странице 11 в работе /1/, показали, что площади опасных сечений ниппеля и муфты соответственно составляют 3438 и 7475 мм2, т.е. у ниппеля в 2,2 раза меньше, чем у муфты. В то же время площадь опасного сечения ниппеля приварного замка ЗП-140-57 (ГОСТ 27834) бурильных труб ПВ 102x8 (ГОСТ Р 50278), составляющих бурильную колонну, в составе которой работает переходник, равен 5776 мм2, что на 68% больше, чем в опасном сечении ниппеля переходника. Это обусловлено тем, что средний диаметр резьбы переходника принят без учета фактора равнопрочности составляющих их деталей - ниппеля и муфты. При совместном действии повышенных крутящих моментов и растягивающих сил в процессе попыток освобождения колонны от прихваченного бурового снаряда это обстоятельство соответственно повышает риск обрыва переходника по опасному сечению ниппеля, а следовательно, вероятность невыполнения основной функции переходника - отсоединение бурильной колонны.

2. Применение кольца из цветного металла с целью уменьшения коэффициента трения в упорном стыке соединения переходника ограничивает создание надлежащего предварительного момента затяжки резьбового соединения, что снижает его сопротивление усталости и герметичность /6/, так как предел текучести цветного металла (например, бронзы), из которого выполнено кольцо, в несколько раз меньше, чем у стали. Кроме того, слабо затянутое соединение переходника склонно к саморазвинчиванию, приводящему к потере колонкового снаряда или долота в скважине при спуско-подъемных операциях. К сожалению, в методике расчета момента затяжки, рекомендуемой на странице 27, авторы работы /1/ упускают вариант расчета, учитывающего резкое снижение силы затяжки резьбового соединения из-за наличия в его упорном стыке этого кольца из цветного металла.

Техническая проблема заключается в создании переходника, не уступающего по прочности и герметичности резьбовым соединениям бурильной колонны и обладающего высокой безотказностью как при бурении, так и при выполнении своей основной функции по отсоединению бурильной колонны от прихваченного колонкового снаряда или долота, преимущественно при бурении с использованием комплекса ССК.

Для решения этой технической проблемы в переходнике, содержащем ниппель и муфту, соединенные между собой двухзаходной цилиндрической резьбой крупного шага, средний диаметр резьбы определяется выражением Dcp=|(D2+d2-2h2)/2|0,5, а крутящие моменты затяжки его соединения отвечают условиям Мрппк и Мпппк,

где:

D и d - наружный и внутренний диаметры переходника;

h - высота профиля резьбы;

Мрп - рабочий момент затяжки резьбового соединения переходника;

Мпк - предельный момент затяжки резьбовых соединений колонны бурильных труб (σзт);

Мпп - предельный момент затяжки резьбового соединения переходника (σзт);

σз - напряжение затяжки в опасном сечении резьбового соединения;

σт - предел текучести материала резьбового соединения.

Изобретение иллюстрируется фиг. 1 и фиг. 2.

На фиг. 1 представлен чертеж переходника, предназначенного для работы в составе тонкостенной бурильной колонны комплекса ССК. Здесь изображены: 1 - ниппель; 2 - муфта; 3 - резиновое кольцо; 4 - паронитовая прокладка.

На фиг. 2 представлен график зависимости коэффициента влияния предварительной затяжки (Квпз) на предел выносливости резьбового соединения от коэффициента его затяжки (Кззт) /6/.

Заявляемое устройство позволяет решить поставленную техническую проблему.

Действительно, условие равнопрочности резьбового соединения переходника может быть представлено следующим выражением:

где:

Fосн и Fосм - площади опасного сечения соответственно ниппеля и муфты.

При среднем диаметре резьбы Dср обе площади могут быть представлены следующими выражениями:

Вернувшись к условию равнопрочности (1) и используя выражения (2) и (3), получаем величину среднего диаметра резьбы, обеспечивающего равнопрочность опасных сечений ниппеля и муфты:

откуда

Пример реализации предлагаемого изобретения

Для примера произведем расчет конструкции отсоединительного переходника применительно к колонне бурильных труб диаметром 69,9 мм комплекса ССК с оптимальными параметрами резьбового соединения (см. табл. 1) согласно патенту «Резьбовое соединение бурильных труб» /3/.

1. Принимаем наружный и внутренний диаметры переходника такими же, как у наружной колонковой трубы, с которой он соединяется, т.е. D=73 мм и d=60,3 (см. фиг. 1).

Резьба двухзаходная, трапецеидального профиля с углом при вершине 10°, шаг резьбы S=12,7 мм, ход t=25,4 мм, высота профиля резьбы h=1,5 мм. Пределы прочности и текучести стали резьбовых соединений бурильной колонны и переходника одинаковые: σв=980 МПа и σт=833 МПа.

Средний диаметр резьбы переходника из выражения (4) равен:

Dср=|(732+60,32-2×1,52)/2|0,5=66,935 мм.

Используя средний диаметр резьбы, находим основные диаметры резьбы ниппеля и муфты:

Dрн - Наружный диаметр резьбы ниппеля - 66,935+1,5=68,435 мм;

dрн - Внутренний диаметр резьбы ниппеля - 66,935-1,5=65,435 мм;

Dрм - Наружный диаметр резьбы муфты - 66,935+1,5=68,435 мм;

dрм - Внутренний диаметр резьбы муфты - 66,935-1,5=65,435 мм.

Имея наружные и внутренние диаметры резьбы, находим площади опасных сечений:

Ниппеля Fосн=(65,4352-60,32)×0,785=506,835~507 мм2;

Муфты Fосм=(732-68,4352)×0,785=506,835~507 мм2.

Те же величины опасных сечений должны быть получены из выражений (2) и (3):

У ниппеля Fосн=|(66,935-1,5)2-60,32)|×0,785=506,835~507 мм2;

У муфты Fосм=|732-(66,935+1,5)2|×0,785=506,835~507 мм2,

что указывает на равнопрочность ниппеля и муфты и справедливость выражения /4/.

2. Крутящий момент сопротивления трению в резьбе при ее затяжке определяется зависимостью /5, 6/:

где:

Q - оптимальная сила затяжки резьбы, определяемая выражением

σт - предел текучести стали резьбового соединения переходника и бурильной колонны;

Кз - коэффициент затяжки резьбового соединения Кззт (принимаем для обоих типов соединения Кз=0,66) /6/;

Кр - коэффициент пропорциональности параметров резьбы, который определяется следующей зависимостью /5, 6/

Kp=Dcp/2(A+μ)/(l-μ),

где:

n - число заходов резьбы;

μ - коэффициент трения скольжения (для «сталь по стали» с графитовой смазкой μ=0,1);

3. Крутящий момент сопротивления трению в наружном или во внутреннем упорных стыках определяется зависимостью /5/

где:

Kст - коэффициент пропорциональности параметров упорного стыка

Величина k0 для наружного стыка

где:

Dр - диаметр расточки торца муфты резьбового соединения.

Величина k0 для внутреннего стыка

где:

dп - диаметр проточки торца ниппеля резьбового соединения

4. Крутящий момент затяжки соединения равен сумме крутящих моментов сопротивления трению в резьбе и в упорных стыках.

Результаты расчетов на основе приведенных зависимостей сведены в табл. 1.

** На основании результатов стендовых испытаний ОАО «Завод бурового оборудования» /3/ натурных образцов соединения бурильных труб предельный изгибающий момент его из стали с временным сопротивлением 980 МПА составит Мпред=980×0,4:8,6×6,4×2,8=817 Нм, где 0,4 - коэффициент снижения прочности при испытании на усталость гладкого образца, 6,4 - коэффициент снижения предела выносливости за счет концентрации напряжений в резьбе (Кσ)Д. Поскольку сравниваемые резьбовые соединения с точки зрения влияния на усталость отличаются лишь моментом сопротивления на изгиб (Wи), предельный изгибающий момент переходника с учетом этого отличия составит 980×0,4:8,6×8,9×2,8=1135 Нм.

Здесь же следует отметить, что резьбовое соединение переходника затягивается с крутящим моментом, равным предельному крутящему моменту затяжки резьбовых соединений бурильной колонны, т.е. на 22% процента ниже оптимального значения для него (см. п. 18 табл. 1), и, следовательно, коэффициент затяжки снизится до значения Кз=0,66×0,78=0,51 и соответственно Квпз=2,3 (см. график на фиг. 2). Тогда для соединения переходника Мпред=1135×2,3/2,8=932 Нм. Даже в этом случае Мпред переходника оказывается выше, а следовательно, выше и запас прочности по знакопеременному изгибу, чем у соединений бурильной колонны (932/817=1,14).

*** Поскольку соединения бурильной колонны имеют двухупорную резьбу, суммарный крутящий момент является для них одновременно оптимальным (рабочим) и предельным (Мпк=2551 Нм). Это объясняется тем, что площадь внутреннего стыка для двухупорного соединения (275 мм2) установлена /3/ из условия создания в нем напряжения, равного пределу текучести стали (σзт=833 МПа). Для переходника, в резьбовом соединении которого отсутствует внутренний стык, оптимальная сила затяжки обеспечивается только за счет наружного стыка, и напряжение в нем за счет большей площади (464 мм2) составляет 278738/464=600 МПа. Поэтому предельная сила затяжки (при σт=833 МПа) и соответствующий предельный крутящий момент соединения переходника существенно выше (Мпп=3105,2 Нм).

**** Сила затяжки обусловливает силы трения, общая величина которых зависит от числа контактов деталей соединения и не зависит от площади контактируемых поверхностей. В соединении бурильной колонны три таких контакта, а в соединении переходника только два. Поэтому общая величина силы трения в соединении переходника при рабочем моменте затяжки (Мрп), равном предельному моменту (Мпп) для соединений бурильной колонны, в 1,5 раза меньше (229×3/229×2=1,5), что и обеспечивает срабатывание переходника в процессе проведения операции по отсоединению бурильной колонны от прихваченного колонкового снаряда или долота.

***** Недостаток сил трения на контактах деталей соединения переходника, необходимых для формирования крутящего момента затяжки, равного предельному моменту затяжки соединений бурильной колонны (Мпк), полностью компенсируется более высокими величинами коэффициентов пропорциональности резьбы Кр и наружного упорного стыка Кст. Первый больше аналогичного коэффициента соединений бурильной колонны на 62% (7,56 против 4,66), а второй - на 5% (3,58 против 3,4), причем в первом случае это обусловлено тем, что ход резьбы соединения переходника втрое выше (25,400:8,466=3), чем у резьб соединений бурильной колонны, а во втором - большим соотношением наружного и внутреннего диаметров соединения переходника.

Для герметизации резьбового соединения в правой (с открытым нерабочим внутренним стыком) части переходника (фиг. 1) устанавливаем резиновое кольцо и паронитовую прокладку.

Перед сборкой переходника его детали (ниппель и муфта), а также резиновое кольцо смазываются специальной графитовой смазкой типа Р-2 /7/. Затем устанавливаются резиновое кольцо и паронитовая прокладка и после свинчивания от руки соединение затягивается с крутящим моментом Mрп=2551 Нм, т.е. с моментом, равным предельному моменту затяжки резьбового соединения бурильной колонны (Мпк). Собранный и затянутый переходник устанавливается перед спуском между бурильной колонной и колонковым снарядом или буровым долотом. В аварийной ситуации перед отсоединением колонну растягивают силой, превышающей ее вес на 5-10%, затем сначала вращают ее вправо с крутящим моментом, равным предельному крутящему моменту соединений бурильной колонны, затем влево, что приводит к ее освобождению от прихваченного в скважине колонкового снаряда или долота (см. табл. 1).

Таким образом, из рассмотренного примера, с одной стороны, следует, что прочность на растяжение и кручение соединения предлагаемого отсоединительного переходника благодаря равнопрочности составляющих его деталей на 22% выше прочности соединений бурильной колонны (Fоснп>Fоснк, п. 10, и Мпппк, п. 18 табл. 1), что исключает возможность поломки его как в процессе бурения, так и при проведении аварийных работ, связанных с прихватом бурового снаряда. С другой стороны, в результате упразднения в упорном стыке соединения переходника слабого элемента (кольца из цветного металла) и выполнения условия Мрппк (п. 19 табл. 1), обеспечивается сохранение повышенной прочности и герметичности его в процессе бурения и надежное отсоединение бурильной колонны от прихваченного в скважине колонкового снаряда или бурового долота.

Источники информации

1. Копылов В.Е., Артюшкин В.Н. Быстроразъемные и упругие соединения бурильных труб. – Тюмень: ТГУ, 1983. С. 96.

2. Справочник инженера по бурению геологоразведочных скважин: В 2-х томах / Под общей редакцией проф. Е.А. Козловского. - Том I. - М.: Недра, 1984. 512 с.

3. Лачинян Л.А. Медведев А.К. Пат. 2549620 РФ, МПК E21B 17/042. Резьбовое соединение бурильных труб. №20131477559/03. Заявл. 28.10.2013. Опубл. 27.04.2015.

4. Калинин А.Г. и др. Разведочное бурение. Учебн. для вузов. - Недра - ООО Бизнесцентр, 2000. - 748 с.

5. Биргер И.А. Расчет резьбовых соединений. Гос. изд. обор. пром. М., 1959. 250 с.

6. Лачинян Л.А., Угаров С.А. Конструирование, расчет и эксплуатация бурильных геологоразведочных труб и их соединений. М.: Недра, 1975. 232 с.

7. ТУ 38.101332-90. Смазка для резьбовых соединений. Технические условия.

Похожие патенты RU2646280C2

название год авторы номер документа
РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ БУРИЛЬНЫХ ТРУБ 2013
  • Лачинян Леонид Артемьевич
  • Медведев Александр Константинович
RU2549620C1
Отсоединительный переходник 1990
  • Имаев Радиф Разяпович
  • Певзнер Владимир Павлович
  • Тян Петр Михайлович
SU1719615A1
ДВУХУПОРНОЕ РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ БУРОВЫХ ТРУБ 2016
  • Лачинян Леонид Артемьевич
  • Медведев Александр Константинович
RU2616950C2
УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ПРОТИВОАВАРИЙНЫЙ ПЕРЕХОДНИК 1998
  • Егоров Н.Г.
RU2151266C1
ГЕРОТОРНЫЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ 2008
  • Андоскин Владимир Николаевич
  • Астафьев Сергей Петрович
  • Кобелев Константин Анатольевич
  • Тимофеев Владимир Иванович
  • Муравьев Михаил Юрьевич
RU2386003C1
ОТСОЕДИНИТЕЛЬ БУРОВЫХ ШТАНГ 2006
  • Кравченко Алексей Евгеньевич
  • Черкасов Владимир Иванович
  • Бебенин Владимир Юрьевич
  • Шпехт Валерий Павлович
  • Морозов Владислав Витальевич
RU2286434C1
Отсоединительный переходник 1974
  • Куртов Вениамин Дмитриевич
  • Климиов Юрий Александрович
SU582376A1
РАЗЪЕДИНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО 1992
  • Пинчук Николай Петрович[Ru]
  • Мельничук Игорь Павлович[Ru]
  • Думкин Лев Николаевич[Ru]
  • Перетяка Павел Владимирович[Ua]
  • Мязитов Касим Усманович[Ru]
  • Панин Николай Митрофанович[Ru]
  • Куртов Вениамин Дмитриевич[Ua]
RU2071542C1
Универсальный соединитель 1976
  • Покальчук Алексей Семенович
SU655811A1
РЕЗЬБОВОЕ ДВУХУПОРНОЕ СОЕДИНЕНИЕ С ВЫСОКИМ ПЕРЕДАВАЕМЫМ КРУТЯЩИМ МОМЕНТОМ 2008
  • Андоскин Владимир Николаевич
  • Астафьев Сергей Петрович
  • Кобелев Константин Анатольевич
  • Тимофеев Владимир Иванович
  • Кузнецов Алексей Валериевич
RU2386887C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 646 280 C2

Реферат патента 2018 года Отсоединительный переходник

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для отсоединения колонны бурильных труб от прихваченного в скважине колонкового снаряда или бурового долота, преимущественно при бурении со съемным керноприемником. Технический результат – обеспечение прочности, герметичности и высокой безотказности при бурении и отсоединении бурильной колонны от прихваченного колонкового снаряда или долота. Отсоединительный переходник содержит ниппель и муфту, соединенные между собой двухзаходной цилиндрической резьбой крупного шага. Средний диаметр резьбы определяется выражением Dcp=|(D2+d2-2h2)/2|0,5, при этом крутящие моменты затяжки соединения отвечают условиям Мрппк и Мпппк, где D и d - наружный и внутренний диаметры переходника; h - высота профиля резьбы; Мрп - рабочий момент затяжки резьбового соединения переходника; Мпк - предельный момент затяжки резьбовых соединений колонны бурильных труб (σзт); Мпп - предельный момент затяжки резьбового соединения переходника (σзт); σз - напряжение затяжки в опасном сечении резьбового соединения; σт - предел текучести материала резьбового соединения. 2 ил., 1 табл.

Формула изобретения RU 2 646 280 C2

Отсоединительный переходник, содержащий ниппель и муфту, соединенные между собой двухзаходной цилиндрической резьбой крупного шага, отличающийся тем, что средний диаметр резьбы определяется выражением Dcp=|(D2+d2-2h2)/2|0,5, а крутящие моменты затяжки его соединения отвечают условиям Мрппк и Мпппк,

где:

D и d - наружный и внутренний диаметры переходника;

h - высота профиля резьбы;

Мрп - рабочий момент затяжки резьбового соединения переходника;

Мпк - предельный момент затяжки резьбовых соединений колонны бурильных труб (σзт);

Мпп - предельный момент затяжки резьбового соединения переходника (σзт);

σз - напряжение затяжки в опасном сечении резьбового соединения;

σт - предел текучести материала резьбового соединения.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2018 года RU2646280C2

Под ред
проф
Е.А.КОЗЛОВСКОГО
Справочник инженера по бурению геологоразведочных скважин
Печь для непрерывного получения сернистого натрия 1921
  • Настюков А.М.
  • Настюков К.И.
SU1A1
Отсоединительный переходник 1974
  • Куртов Вениамин Дмитриевич
  • Климиов Юрий Александрович
SU582376A1
Резьбовое соединение бурильных труб 1980
  • Веселов Вячеслав Федорович
  • Давыдов Георгий Александрович
  • Сторожев Михаил Петрович
SU941535A1
Способ проектирования замкового конусного резьбового соединения 1986
  • Щербюк Николай Давыдович
  • Газанчан Юрий Иванович
  • Барышников Анатолий Иванович
SU1437489A1
Способ завинчивания резьбовых соединений для стальных труб 1985
  • Дидье Рене Марсель Грар
  • Эрве Ив-Мари Огюст Салкин
SU1540661A3
ОТСОЕДИНИТЕЛЬНЫЙ ПЕРЕВОДНИК 2001
  • Комаров М.А.
  • Алискеров В.А.
  • Мязитов К.У.
  • Мулловский В.В.
  • Панин Н.М.
RU2197595C2
РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ ТРУБ 2011
  • Лачинян Леонид Артемьевич
RU2518702C2
РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ БУРИЛЬНЫХ ТРУБ 2013
  • Лачинян Леонид Артемьевич
  • Медведев Александр Константинович
RU2549620C1

RU 2 646 280 C2

Авторы

Лачинян Леонид Артемьевич

Медведев Александр Константинович

Даты

2018-03-02Публикация

2016-12-02Подача