ШТАНГА БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ И БУРИЛЬНАЯ СИСТЕМА Российский патент 2023 года по МПК E21B17/42 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к штангам бурильной колонны для применения с буровыми долотами для ударного бурения горной породы. В частности, изобретение относится к повышению надежности и долговечности таких штанг бурильной колонны.

Уровень техники

Ударное бурение применяется для создания протяженного ствола скважины с помощью множества наращиваемых штанг бурильной колонны, соединяемых вместе концами с посредством соединяемых друг с другом охватываемого и охватывающего резьбовых концов. По общепринятой методике разрушают горную породу, нанося серии ударов, передаваемых с бурового долота для горной породы, смонтированного на одном конце бурильной колонны, на горную породу на дне забоя ствола скважины. Обычно, энергия, требуемая для разрушения горной породы генерируется поршнем с гидроприводом, входящим в контакт с концом бурильной колонны (через хвостовой переходник) для создания волны напряжения (или ударной волны), которая распространяется через бурильную колонну и в итоге на горную породу. Обычные охватываемые и охватывающие резьбовые соединения описаны в US 4,332,502; US 4,398,756; US 4,687,368 и DE 2800887.

Охватываемый и охватывающий резьбовые концы соседних бурильных штанг соединяют для создания бурильной колонны, и бурильный замок обычно подвергается воздействию больших сил во время бурения. Данные силы подвергают усталостному износу соединение и приводят к износу и разрушению в резьбовом участке бурильного замка. Обычно повреждается резьбовой охватываемый ниппель, который и определяет эксплуатационный ресурс соединения. В US 6,767,156 описан резьбовой бурильный замок между двумя ударными бурильными штангами, имеющими конические направляющие поверхности, обеспеченные на ведущих аксиальных концах охватываемого и охватывающего участков, с помощью которых пытаются получить надежное соединение и предотвратить повреждение резьб.

EP2845992B1 настоящего заявителя нацелен на минимизацию вышеупомянутых недостатков.

В современном бурении горной породы требуется бурить все больше скважин больших габаритов, и поэтому существует потребность обеспечения бурильных колонн, способных и работать с буровыми долотами больших диаметров, таких как буровые долота диаметром 130 мм и больше. Обычные штанги бурильной колонны являются слишком слабыми для несения буровых долот большого диаметра, и оказывается, что простое увеличение размеров обычных штанг бурильной колонны не является приемлемым решением, вследствие проявления тенденции к появлению трещин в ниппеле или в муфтовом участке, не допускающих эксплуатацию до износа резьб на участке ниппель /муфта.

Таким образом, требуется создание большеразмерных штанг бурильной колонны с улучшенной надежностью и долговечностью, также обеспечивающих ведение эффективной промывки выбуренной породы.

Сущность изобретения

Задачей изобретения является создание штанги бурильной колонны, обеспечивающей применение ударных буровых долот, которые больше нормальных, с улучшенной надежностью и долговечностью штанг бурильных колонн. В первом аспекте изобретения данную задачу решают с помощью патентоспособной штанги бурильной колонны по пункту 1 формулы изобретения, альтернативные варианты осуществления определены в зависимых пунктах формулы изобретения. Штанга бурильной колонны должна образовывать часть компоновки таких соединенных штанг бурильной колонны. Штанга бурильной колонны содержит удлиненный центральный участок, проходящий аксиально между охватываемым концом и охватывающим концом. Центральный участок штанги является пустотелым цилиндром, с первым внутренним диаметром (d_rod) и вторым наружным диаметром (D_rod). Охватываемый конец содержит ниппель, при этом ниппель содержит основание, выступающее аксиально от заплечика, которое аксиально разделяет ниппель и центральный участок штанги. Охватывающий конец содержит муфтовый участок, выполненный с возможностью плотного прилегания к ниппелю. Также, основание снабжено наружной резьбой и муфтовый участок снабжен внутренней резьбой, при этом внутренняя резьба соответствует наружной резьбе, так что внутренняя резьба муфтового участка может свинчиваться с наружной резьбой основания ниппеля наращиваемой штанги бурильной колонны компоновки. В радиальный плоскости, проходящей через продольную ось штанги бурильной колонны, основание ниппеля образовано третьим наружным диаметром (D_spigot) и четвертым внутренним диаметром (D_spigot), и муфтовый участок образован пятым наружным диаметром (D_sleeve) и шестым внутренним диаметром (d_sleeve). Настоящее изобретение ограничено штангами бурильной колонны с вторым наружным диаметром (D_rod), больше 60 мм, подходящим для применения с крупногабаритными и тяжелыми ударными буровыми долотами. C_sleeve и C_spigot соотносятся с диаметрами штанги бурильной колонны, как опредлено следующими формулами:

C_sleeve должен быть больше 2,31 или C_spigot должен быть больше > 0,68.

Штанги бурильной колонны и их применение известны в технике. Вместе с тем, штанги бурильной колонны с наружным диаметром D_rod больше 60 мм не являются обычными. Такие крупногабаритные штанги бурильной колонны являются очень прочными и подходящими для крупногабаритных буровых долот для горной породы. Хотя нормальные штанги бурильной колонны с диаметром штанги меньше 60 мм не проявляют тенденцию к разрушению материала, и их следует браковать и менять только когда резьбы участка ниппеля и муфты изношены, бурильные штанги большего диаметра проявляют тенденцию к поломке от трещин в муфтовом участке или ниппеле. Минимизация образования трещин простым увеличением толщины изделий в общем не является успешной, поскольку либо ослабляет некоторую другую часть бурильной штанги или уменьшает пространство, имеющееся для перемещения промывочной текучей среды и выбуренной породы. Специалисту в данной области техники понятно, что диаметры нельзя свободно выбирать. Например, наружный диаметр ниппеля естественно ограничен внутренним диаметром муфтового участка. Также, наружный диаметр муфтового участка обычно ограничен диаметром ствола, который бурят, и требованием иметь достаточное пространство для удаления промывкой выбуренной породы мимо муфтового участка между муфтовым участком и поверхностью стенки ствола. Аналогично, внутренний диаметр ниппеля ограничивает скорость, с которой можно перекачивать промывочную текучую среду через штангу бурильной колонны, и таким образом не должен быть слишком мал. Разработка данных штанг большого диаметра бурильной колонны является очевидно трудным действием по увязке и согласованию параметров, и настоящее изобретение дает направление специалисту в данной области техники по выбору комбинации параметров, обеспечивающих уменьшенный риск выхода из строя материала в штанге бурильной колонны с удовлетворительными показателями ведения промывки. Решение данной проблемы оказывается более трудным, чем может казаться.

Изобретатели настоящего изобретения представили себе, что выходы из строя штанг бурильной колонны являются следствием комбинации увеличенной жесткости центрального участка штанги и усиленного изгиба бурильной колонны, создаваемого более твердыми слоями или трещинами в горной породе. Изгиб штанги бурильной колонны происходит при вращении штанги, при этом создается как дополнительное механическое напряжение вследствие изгиба, так и усталостный износ вследствие постоянного изменения оси изгиба, обусловленного вращением штанги в стволе в ее изогнутом состоянии.

Предложено решение подбирать размер ниппеля и муфтового участка так, что вычисленное максимальное напряжение изгиба в ниппеле и муфтовом участке, соответственно соотносят с вычисленным максимальным напряжением изгиба в центральном участке штанги. Вместе с тем, изобретатели осознают, что вычисленные максимальные механические напряжения муфтового участка и ниппеля, соответственно, не должны быть равны вычисленному максимальному напряжению изгиба центрального участка штанги, но вместо этого относятся к вычисленному максимальному напряжению изгиба центрального участка штанги, умноженному на коэффициент C_sleeve или C_spigot, соответственно, для учета отличий в прочности, обычно возникающих, например, вследствие локальных изменений материала, вероятно возникающих вследствие неравномерной закалки и/или станочной обработки при изготовлении штанг бурильной колонны.

В некоторых вариантах осуществления C_sleeve > 2,31 и C_spigot > 0,68. Данный баланс имеющихся первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого диаметров обеспечивают высокую надежность и долговечностью штанги бурильной колонны.

В некоторых вариантах осуществления основание ниппеля является коническим.

В некоторых вариантах осуществления, основание ниппеля является цилиндрическим.

В некоторых вариантах осуществления первый диаметр (d_rod) составляет 50 мм, при этом второй диаметр (D_rod) составляет 80,5 мм, при этом третий диаметр (D_spigot) составляет 82 мм, при этом четвертый диаметр (d_spigot) составляет 50 мм, при этом пятый диаметр (D_sleeve) составляет 120 мм, и при этом шестой диаметр (d_sleeve) составляет 91,2 мм.

В некоторых вариантах осуществления штанга бурильной колонны подходит для применения с буровым долотом, имеющим седьмой наружный диаметр (D_hole), при этом пятый диаметр < 0,90* седьмого диаметра (D_hole).

Дополнительный аспект относится к системе, содержащей множество штанг бурильной колонны первого аспекта, описанных выше.

В некоторых вариантах осуществления штанги бурильной колонны системы имеют тип, упомянутый выше, и подходят для применения с буровым долотом, имеющим седьмой наружный диаметр (D_hole), при этом пятый диаметр < 0,90* седьмого диаметра (D_hole), и при этом система дополнительно содержит буровое долото.

Разность диаметров между скважиной и наружным диаметром муфтового участка обеспечивает эффективную промывку выбуренной породы, проходящей мимо муфтового участка, при этом обеспечены прочные штанги бурильной колонны способные выдерживать действующие силы.

В некоторых вариантах осуществления седьмой диаметр > 130 мм. Штанги бурильной колонны, имеющие второй диаметр > 60 мм подходят для таких буровых долот большого диаметра, при этом назначенные ограничения применяемых диаметров штанг бурильной колонны обусловленные C_sleeve и C_spigot обеспечивают прочную буровую систему.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показаны в изометрии две идентичных соединенных штанги бурильной колонны.

На фиг. 2 показан с увеличением в изометрии фрагмент A охватываемого конца штанги бурильной колонны фиг. 1.

На фиг. 3 показан с увеличением в изометрии фрагмент B охватывающего конца штанги бурильной колонны фиг. 1, который соединен с охватываемым концом другой штанги бурильной колонны.

На фиг. 4 показано продольное сечение муфтового участка и ниппеля двух соединенных штанг бурильной колонны, также показанных на фиг. 1, сечение проходит в плоскости, проходящей через продольную центральную ось штанги бурильной колонны.

1 штанга бурильной колонны 9 продольная ось бурильной
колонны 1b дополнительная однотипная
штанга бурильной колонны 10 система/компоновка
множества штанг
бурильной колонны 2 центральный участок штанги Р плоскость сечения для
определения C_spigot и C_sleeve 3 охватываемый конец d_rod внутренний диаметр штанги
/ первый диаметр 4 охватывающий конец D_rod наружный диаметр штанги
/ второй диаметр 5 ниппель D_spigot наружный диаметр ниппеля
/третий диаметр 6 основание (ниппеля) d_spigot внутренний диаметр ниппеля
четвертый диаметр 7 заплечик D_sleeve наружный диаметр муфтового
участка/пятый диаметр 8 муфтовой участок d_sleeve внутренний диаметр муфтового
участка/шестой диаметр D_hole диаметр скважины, которую
бурят /седьмой диаметр

Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Первый вариант осуществления изобретения показан на фиг. 1-4. Как показано на фигурах, множество идентичных штанг 1, 1b бурильной колонны можно соединять для формирования системы/компоновки 10. Штанга 1 бурильной колонны содержит удлиненный центральный участок 2 штанги, проходящий аксиально между охватываемым концом 3 и охватывающим концом 4. Как показано на фиг. 4, центральный участок 2 штанги является пустотелым цилиндром, образованным первым внутренним диаметром d_rod и вторым наружным диаметром D_rod. Охватываемый конец 3 содержит ниппель 5, и ниппель 5 содержит основание 6, выступающую аксиально от заплечика 7, который аксиально разделяет ниппель 5 и центральный участок 2 штанги. Охватывающий конец 4 содержит муфту /муфтовый участок 8, выполненный с возможностью плотного прилегания к ниппелю 5. Основание 6 снабжено наружной резьбой, и муфтовый участок 8 снабжен внутренней резьбой, при этом внутренняя резьба соответствует наружной резьбе, так что внутреннюю резьбу муфтового участка 8 можно свинчивать с наружной резьбой основания 6 ниппеля 5 наращиваемой штанги бурильной колонны компоновки. В радиальный плоскости P до продольной оси штанги бурильной колонны основание 6 ниппеля 5 образовано третьим наружным диаметром (D_spigot) и четвертым внутренним диаметром (d_spigot), и муфтовый участок 8 образован пятым наружным диаметром (D_sleeve) и шестым внутренним диаметром (d_sleeve). Следует отметить что на фиг. 4, D_spigot и d_sleeve оба упомянуты в соединении с одинаковой стрелкой хотя в реальности диаметры немного отличаются, d_sleeve больше D_spigot. Масштаб чертежа является таким, что разность диаметров нельзя показать на фиг. 4, применяя отдельные стрелки. Хотя диаметры могут варьироваться по длине ниппеля и муфтового участка, соответственно, радиальная плоскость P, которая по необходимости проходит через оба, ниппель и муфтовый участок, применяется для образования взаимосвязи между диаметрами в однозначном виде. Настоящее изобретение ограничено штангами бурильной колонны с наружным диаметром больше 60 мм, таким образом подходящим для применения с тяжелыми ударными буровыми долотами, такими как крупногабаритные буровые долота с диаметром больше 130 мм. Таким образом, второй диаметр (D_rod) > 60 мм. C_sleeve и C_spigot выводятся для диаметров штанги бурильной колонны с применением следующих формул:

Данные формулы получены из вычисления момента сопротивления сечения для пустотелых цилиндрических балок /тел, что обеспечивает удовлетворительную аппроксимацию представленных здесь форм сечения. Конкретно, уравнения момента сопротивления сечения для пустотелых цилиндрический сечений следующие: Данные формулы получены из вычисления момента сопротивления сечения для пустотелых цилиндрических балок /тел, что обеспечивает удовлетворительную аппроксимацию представленных здесь форм сечения. Конкретно, уравнения момента сопротивления сечения для пустотелых цилиндрический сечений следующие:

Наша исходная формула следующая:

и аналогично тому, что S_sleeve=C_sleeve*S_rod ->

В данном варианте осуществления первый диаметр d_rod составляет 50 мм, при этом второй диаметр D_rod составляет 80,5 мм, при этом третий диаметр D_spigot составляет 82 мм, при этом четвертый диаметр D_spigot составляет 50 мм, при этом пятый диаметр D_sleeve составляет 120 мм, и при этом шестой диаметр d_sleeve составляет 91,2 мм.

Данный вариант осуществления штанги 1, 1b бурильной колонны, подходит для применения с буровым долотом (не показано), имеющим расчетный диаметр (диаметр, не включающий в себя твердосплавные вставки) 140, 152, 165, 172 или 178 мм. Фактический диаметр пробуренных скважин немного больше, поскольку буровые долота выступают радиально. Первый - шестой диаметры можно в других вариантах осуществления выбирать отличающимися, при том, что второй диаметр D_rod, который образует наружный диаметр центрального участка 2 штанги, выполняет приведенное выше ограничение, по которому должен составлять по меньшей мере 60 мм, и другой диаметр выполняет приведенное выше ограничение, по которому C_sleeve должен быть больше 2,31 или C_spigot должен быть больше 0,68. Предпочтительно, C_sleeve больше 2,31 и C_spigot больше 0,68.

Штанги бурильной колонны выполняют из подходящего материала, такого, как сталь, и подвергают закалке, если необходимо.

Штанге 1, 1b бурильной колонны, выбирают размеры на основе размера бурового долота, для которого ее применяют. Вместе с тем, следует заботиться об обеспечении достаточного пространства вокруг муфтового участка 8 для промывки с проходом выбуренной породы мимо муфтового участка 8. Для данного действия штанга 1, 1b бурильной колонны может в некоторых вариантах осуществления быть подходящей для применения с буровым долотом, имеющим седьмой наружный диаметр D_hole, при этом наружный пятый диаметр D_sleeve муфтового участка 8 меньше 0,90* седьмого диаметра D_hole.

Множество идентичных штанг 1, 1b бурильной колонны можно обеспечивать вместе, как часть системы /компоновки 10 штанг 1, 1b бурильной колонны. Система 10 может альтернативно содержать буровое долото. Штанги 1, 1b бурильной колонны, системы 10 могут иметь седьмой наружный диаметр D_hole, при этом пятый диаметр < 0,90* седьмого диаметра D_hole, и при этом система дополнительно содержит буровое долото.

Разность диаметра скважины и наружного пятого диаметра D_sleeve муфтового участка 8 обеспечивает эффективную промывку выбуренной породы с проходом мимо муфтового участка 8, при этом обеспечивая прочные штанги 1, 1b бурильной колонны, способные выдерживать силы, действующие на них.

В некоторых вариантах осуществления седьмой диаметр D_hole может составлять 130 мм или больше. Как упомянуто выше, штанги бурильной колонны настоящего изобретения все имеют второй диаметр больше 60 мм и подходят для таких буровых долот большого диаметра. Заданные ограничения применяемых диаметров, данных как C_sleeve и C_spigot обеспечивают прочную систему /компоновку 10.

Группа изобретений относится к штангам бурильной колонны для применения с буровыми долотами для ударного бурения горной породы. Технический результат – повышение надежности и долговечности большеразмерных штанг бурильной колонны для обеспечения ведения эффективной промывки выбуренной породы. Штанга бурильной колонны служит для формирования части компоновки соединенных штанг бурильной колонны. Штанга бурильной колонны содержит: центральный участок штанги, проходящий аксиально между охватываемым концом и охватывающим концом. При этом центральный участок штанги является пустотелым цилиндром, образованным первым внутренним диаметром и вторым наружным диаметром. Охватываемый конец содержит ниппель, при этом ниппель содержит основание, выступающее аксиально от заплечика, который аксиально разделяет ниппель и центральный участок штанги. Охватывающий конец содержит муфтовый участок, выполненный с возможностью плотного прилегания к ниппелю, при этом основание снабжено наружной резьбой и при этом муфтовый участок снабжен внутренней резьбой, которая соответствует наружной резьбе так, что внутренняя резьба муфтового участка выполнена с возможностью свинчивания с наружной резьбой основания ниппеля наращиваемой штанги бурильной колонны компоновки. В радиальный плоскости до продольной оси штанги бурильной колонны основание ниппеля образовано третьим наружным диаметром и внутренним четвертым диаметром, и муфтовый участок образован пятым наружным диаметром и шестым внутренним диаметром. При этом второй диаметр >60 мм и при этом шесть упомянутых диаметров выбраны в заданных ограничениях. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Штанга (1) бурильной колонны для формирования части компоновки (10) соединенных штанг (1, 1b) бурильной колонны, причем штанга (1) бурильной колонны содержит:

центральный участок (2) штанги, проходящий аксиально между охватываемым концом (3) и охватывающим концом (4),

при этом центральный участок (2) штанги является пустотелым цилиндром, образованным первым внутренним диаметром (d_rod) и вторым наружным диаметром (D_rod),

при этом охватываемый конец (3) содержит ниппель (5),

при этом ниппель (5) содержит основание (6), выступающее аксиально от заплечика (7), который аксиально разделяет ниппель (5) и центральный участок (2) штанги,

при этом охватывающий конец (4) содержит муфтовый участок (8), выполненный с возможностью плотного прилегания к ниппелю (5),

при этом основание (6) снабжено наружной резьбой и при этом муфтовый участок (8) снабжен внутренней резьбой,

при этом внутренняя резьба совпадает с наружной резьбой так, что внутренняя резьба муфтового участка (8) выполнена с возможностью свинчивания с наружной резьбой основания (6) ниппеля (5) наращиваемой штанги (1b) бурильной колонны компоновки (10),

при этом в радиальной плоскости (P) до продольной оси (9) штанги (1) бурильной колонны основание (6) ниппеля (5) образовано третьим наружным диаметром (D_spigot) и четвертым внутренним диаметром (d_spigot), и муфтовый участок (8) образован пятым наружным диаметром (D_sleeve) и шестым внутренним диаметром (d_sleeve), при этом второй диаметр (D_rod) > 60 мм, при этом

,

при этом

,

при этом C_sleeve > 2,31 или C_spigot > 0,68, где C_sleeve представляет собой ограничение диаметра муфты, а C_spigot - ограничение диаметра ниппеля.

2. Штанга (1) бурильной колонны по п. 1, в которой C_sleeve > 2,31 и C_spigot > 0,68.

3. Штанга (1) бурильной колонны по любому из пп. 1, 2, в которой основание (6) ниппеля (5) является коническим.

4. Штанга бурильной колонны (2) по любому из пп. 1, 2, в которой основание (6) ниппеля (5) является цилиндрическим.

5. Штанга (1) бурильной колонны по п. 1 или 4, в которой первый диаметр (d_rod) составляет 50 мм, и при этом второй диаметр (D_rod) составляет 80,5 мм, при этом третий диаметр (D_spigot) составляет 82 мм, при этом четвертый диаметр (d_spigot) составляет 50 мм, при этом пятый диаметр (D_sleeve) составляет 120 мм и при этом шестой диаметр (d_sleeve) составляет 91,2 мм.

6. Штанга (1) бурильной колонны по любому из пп. 1-6, в которой штанга (1) бурильной колонны является подходящей для применения с буровым долотом, имеющим седьмой наружный диаметр (D_hole), при этом пятый диаметр (D_sleeve) < 0,90 седьмого диаметра (D_hole).

7. Бурильная система (10), содержащая множество штанг (1, 1b) бурильной колонны по любому из предшествующих пунктов.

8. Система (10) по п. 7, содержащая буровое долото.

9. Система (10) по п. 8, в которой буровое долото имеет седьмой наружный диаметр (D_hole), который составляет 130 мм или больше, например 140, 152, 165, 172 или 178 мм.