Способ соединения замковых деталей с бурильными трубами

 

Изобретение относится к области буровой техники, к соединениям бурильных труб. Цель изобретения - повышение надежности соединения и упрощение технологии его выполнения. Способ соединения замковых деталей с бурильными трубами включает свинчивание замковой детали с трубой, посадку гладких посадочных поверхностей замковой детали и трубы до взаимодействия их упорных торцов, при этом деформация посадочных поверхностей и упорных торцов замковой детали и трубы осуществляется в пластической области, а свинчивание замковой детали и трубы производится крутящим моментом, определяемым из приведенной в изобретении зависимости.^

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 Е 21 В 17/02, 17/04

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

О ()с, 0

M (21) 4653069/03 (22) 22.02.89 (46) 07,02.92,Бюл. ¹ 5 (71) Московский геологоразведочный институт им. Серго Орджоникидзе (72) Ю.А. Батутин, Г.Н.Кириченко, Л.А.Логви-1 нов, Г.А.Воробьев, Г,С.Садыков и В.П.Кучерский (53) 622.24.05 (088.8) (56) Щербюк Н.Д„Якубовский Н.B. Трубы и резьбовые соединения, применяемые за рубежом, Труды ВНИИБТ, вып, IX, M. 1963, с.

113, рис. 6 (54) СПОСОБ СОЕДИНЕНИЯ ЗАМКОВЫХ

ДЕТАЛЕЙ С БУРИЛЬНЫМИ ТРУБАМИ

Изобретение относится к бурению скважин, в частности к буровому инструменту, а именно — к соединениям бурильных труб с замками, муфтами, ниппелями, а также между собой.

Для предотвращения поломок бурильных труб по ослабленным резьбами участкам практикуют напряженную посадку замка на трубу по посадочным местам, рас-, положенным по одну или обеим сторонам резьб, за счет чего достигается прочное сцепление между трубой и замком в местах напряженной посадки. При этом ослаблен- ные резьбами участки трубы и замка совместно воспринимают действующие на них в процессе бурения динамические нагрузки, в результате чего уменьшаются нагрузки на резьбовые участки, а долговечность соеди- нения повышается.

„„Б Ц „„1710692 А1 (57) Изобретение относится к области буровой техники, к соединениям бурильных труб. Цель изобретения — повышение надежности соединения и упрощение технологии его выполнения, Способ соединения замковых деталей с бурильными трубами включает свинчивание замковой детали с трубой, посадку гладких посадочных поверхностей замковой детали и трубы до взаимодействия их упорных торцов, при этом деформация посадочных поверхностей и упорных торцов замковой детали и трубы осуществляется в пластической области, а свинчивание замковой детали и трубы производится крутящим моментом, определяемым из приведенной в изобретении зависимости, Щ

Известен, например, способ напряженной посадки замковой муфты на бурильную трубу, примененный в соединении "Шоеллер-Блекман";

Недостатком способа является необходимость предварительного нагрева замков до 700 С с.помощью специального оборудования, что является сложным-для осуществления и приводит к изменению структуры.и разупрочнению металла в местах посадки.

Наиболее близким к предлагаемому является способ "горячей" напряженной посадки замка на бурильную трубу. При этом способе замок предварительно нагревается до 400 — 600 С, а затем навинчивается на бурильную трубу до вхождения в контакт упорных торцов замка и трубы. При остывании замок обжимает трубу по гладким посадочным поверхностям, имеющимся по !

1710692

10

55 обеим сторонам резьб трубы и замка, с упругой деформацией замка и трубы в местах посадки.

Недостатками описанного способа являются нестабильность величины натяга и опасность перенапряжения труб при даже небольших неточностях изготовления, при этом напряжения от натяга на наружной поверхности замка могут достигать 40 кгс/мм; раэупрочнение металла вследствие нагрева замков; необходимость в применении специального нагревательного оборудования; черезмерно высокие и не всегда выполнимые требования к точности изготовления резьбового соединения для осущЬствленйя посадки по нескольким цилиндрическим поверхностям.

Указанные недостатки снижают надежность соединения и усложняют технологию выполнения посадки.

Цель изобретения — повышение надежности соединения бурильных труб с замковыми элементами наряду с упрощением технологии выполнения напряженной посадки.

Указанная цель достигается тем, что в способе соединения замковых деталей с бурильными трубами, при котором осуществляются свинчивание замковой детали с трубой и посадка с деформацией размещенных по одной или по обеим сторонам резьб гладких посадочных поверхностей замковой детали и трубы до взаимодействия их упорных торцов, деформация посадочных поверхностей и упорных торцов замковой детали и трубы осуществляется в пластической области, причем свинчивание замковой детали и трубы производится крутящим моментом, определяемым из зависимости

Мк=От CI p(t(3,4+0,7 10 Ь +0,2 10 Ь), где Mê — крутящий момент, который необходимо приложить при свинчивании замковой детали и трубы, Н м; о, — предел текучести материала труб, Па;

dð — диаметр резьбы соединения, м;

t — ширина площадки первоначального конта ктирован ия допол нител ьн ых упор н ых торцов замковой детали и трубы, м;

Ь вЂ” продольная деформация дополнительных упорных торцов замковой детали и трубы, м, величина которой определяется из выражения

0,6 QR

От CIp где Ов — требуемая величина радиальной силы натяга в месте посадки, Н.

Осуществление деформации посадочных поверхностей в пластической области позволяет использовать свойства пластически деформированного металла как вязкой жидкости, в котором продольное давление, возникающее при осевом сжатии и пластическом деформировании дополнительных торцовых упоров, выполненных на гладких посадочных поверхностях замка и трубы, передается и в радиальных направлениях, чем обеспечивается радиальный натяг соединяемых деталей s местах посадки.,Поскольку требуемая величина продольной деформации, определяющая величину радиальной силы натяга, достаточно велика и сопоставима с погрешностями изготовления, то достигаемая величина радиальной силы натяга остается более стабильной, чем у известного способа, несмотря на возможные погрешности изготовления. а возникающие напряжения от натяга не превышают

6 кгс/мм, что намного ниже опасного уровня.

Осуществление пластического деформирования посадочных поверхностей и создание натяга с помощью резьб, за счет свинчивания замковой детали и трубы с за-данным крутящим моментом, определяемым из предложенной зависимости, r обеспечивает создание более стабильной величины радиального натяга и кроме того позволяет отказаться от нагревания охватывающей детали с приМенением специального нагревательного оборудования и мер предосторожности при навинчивании раскаленного замка.

Таким образом,-предложенный способ обеспечивает повышение надежности соединения, что достигается за счет большей стабильности силы натяга, исключения опасности перенапряжения соединяемых деталей и разупрочнения материала замка вследствие нагрева, Наряду с этим упрощается технология выполнения посадки за счет отказа от нагревания и горячей посадки охватывающей детали, а также понижаются требования к точности изготовления соединения.

Расчетная зависимость для определения требуемого момента свинчивания получена экспериментально-теоретическим путем и включает в себя сумму трех моментов: момента, который необходимо приложить к резьбам для сжатия с их помощью дополнительных торцов до образования в них зон пластической деформации с учетом трения в резьбах; момента, затрачиваемого на пластическое скручивание деформированных зон; момента на преодоление сил трения между боковыми поверхностями выпучивания деформированных зон и посадочными поверхностями трубы и замка.

1710692

При получении расчетной зависимости определялись экспериментальнь м путем следующие параметры; величина отношения радиального давления пластически деформированных зон к создаваемому в них продольному давлению; сложный коэффициент пропорциональности зависимости величины продольной деформации дополнительных упорных торцов от продольного сжимающего усилия; степень увеличения площадки контактирования дополнительных торцов по мере продольного их деформирования.

В расчетной зависимости учтены результаты экспериментальных исследований, проведенных со стальными бурильными трубами диаметром 33,5; 50 и

73 мм с легкосплавными (сплав Д16Т) трубами диаметром 54 мм.

Для осуществления способа необходимо сначала определить с помощью расчетной зависимости требуемый крутящий момент, а затем навинтить замок на бурильную трубу с рассчитанным моментом.

На фиг. 1 и 2 изображены соответственно начальный и конечный этапы процесса образования напряженной посадки применительно к резьбовому соединению с внутренними основными упорными торцами; на фиг, 3 и 4 — то же, с внешними основными упорными торцами, Процесс образования напряженной посадки применительно к резьбовому соединению, показанному на фиг. 1 и 2, состоит из двух этапов и осуществляется следующим образом., На первом этапе (фиг, 1) резьбовое сое; динение, состоящее из бурильной трубы 1 и замка 2 с имеющимися у них резьбами 3 диаметром d>, основными упорными торцами 4 и 5, гладкими посадочными поверхностями 6 и 7 с радиальным зазором между ними Ьш, на которых выполнены дополнительные упорные торцы 8 и 9 с шириной 1 площадки их контактирования, свинчивают до соприкосновения дополнительных торцов 8и 9.

На втором этапе (фиг. 2) соединение свинчивают с помощью специального механизма либо ключами вручную с предварительно рассчитанным крутящим моментом.

В процессе свинчивания резьбовая пара 3. действуя подобно домкрату, сжимает дополнительные упорные торцы 8 и 9 с большим усилием. под действием которого происходит локальное пластическое деформирование торцов в продольном направлении на величину Ь с выпучиванием деформированных зон 10 в радиальных направлениях и заполнением деформированным металлом кольцевого зазора Лш, При этом поверхность выпучивания деформированной зоны трубы оказывает радиальное

5 давление на посадочную поверхность (расточку) замка, а поверхность выпучивания замка — на посадочную поверхность (шейку) трубы, Величина указанного радиального давления, согласно экспериментальным

10 данным, использованным в расчетной зависимости, составляет 50О от продольного давления в деформированных зонах, создаонного в результате их сжатия. Суммарное радиальное давЛение поверхностей выпучи15 вания образует радиальную силу натяга Ор, которая вызывает локальное упругое сжатие трубы и растяжение замка в местах посадки.

Для дополнительного контроля за до20 стижением требуемой величины натяга замок и трубу целесообразно выполнить таким образом, чтобы в конце первого этапа, т.е. в момент вхождения дополнительных торцов 8 и 9 в соприкосновение, 25 величина зазора между основными торцами

4 и 5 была равной расчетной величине Ь .

Напряженная посадка соединения с внешними основными упорными торцами (фиг. 3 и 4) осуществляется аналогично.

30 После осуществления напряженной посадки бурильные трубы собираются в колон- ну с помощью легкоразьемных замковых резьб и вводятся в эксплуатацию.

B процессе бурения действующие на

35 бурильную колонну динамические нагрузки от вибраций воспринимаются ослабленными резьбой участками труб и замков совместно благодаря наличию сил сцепления в местах посадки, чем достигается снижение

40 уровня динамических напряжений на каждом резьбовом участке с соответствующим повышением надежности соединения в целом, Кроме описанных вариантов. предло45 >кенный способ напряженной посадки может быть осуществлен также применительно к ниппельному соединению и для непосредственного соединения трубы с трубой, Во всех случаях роль замкового

50 элемента будет выполнять деталь с внутренней резьбой, а роль трубы — деталь с наруж- ной резьбой.

По предложенному способу может быть выполнена напряженная посадка также по

55 двум посадочным местам по обеим сторонам резьб, которая рекомендуется для соединения тонкостенных труб. В этом случае требуемые крутящие моменты определяются отдельно для каждого посадочного места.

1710692 а расчетный момент будет равен сумме указанных моментов.

Соединение замков с бурильными трубами по предложенному способу было осуществлено применительно к муфтово-замковому соединению бурильных труб диаметром 50 мм по ГОСТУ. которое было выполнено с цилиндрической резьбой, внешними основными упорными торцами и

Дополнительными упорными торцами, расположенными между резьбами и основными торцами.

На первом этапе опытные соединения замков и труб были свинчены до соприкос. новения дополнительных упорных торцов, а на втором этапе соединения были свинчены до смыкания основных упорных торцов, что сопровождалось деформированием дополнительных упорных торцов и образования напряженной посадки. Для сжатия основных упоров была произведена "дотяжка" соединения с дополнительным моментом

80 — 120 кгс-м, Опытные образцы соединения в количестве 10 шт были подвергнуты стендовым испытаниям на усталость (изгиб с вращениeM) на базе 2 10 циклов нагружения.

B качестве базы сравнения были использованы стандартные муфтово-замковые соединения бурильных труб такого же размера по ГОСТУ в количестве 12 образцов.

В результате усталостных испытаний все опытные образцы отработали без поломок 2 10 циклов нагружения, в то время как у всех базовых образцов произошли поломки в области сбега резьбы труб при средней наработке 0,6 10 циклов.

Учитывая положительные результаты усталостных испытаний, разработана конструкторская документация опытной партии стальных бурильных труб с напряженной посадкой по предложенному . способу с целью проведения приемочных испытаний в 1991 г, Внедрение бурильных колонн с предложенным способом напряженной посадки планируется на первом этапе в геологических объединениях Украины с годовым объемом бурения 550 тыс. м скважин.

Применение соединений бурильных труб по предложенному способу повышает

5 технико-экономическую эффективность бурения за счет снижения расхода труб и замковых элементов, сокращения потерь времени на ликвидацию внезапных поломок труб в скважине, повышения скорости

10 бурения благодаря возможности форсирования режимов бурения, а также упрощения технологии изготовления и сборки бурильных колонн.

Формула изобретения

15 Способ соединения замковых деталей с бурильными трубами, включающий свинчивание замковой детали с трубой, посадку с деформацией размещенных по одной или по обеим сторонам резьб гладких посадоч20 ных поверхностей замковой детали и трубы до взаимодействия их упорных торцов, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения надежности соединения и упрощения технологии е о выполнения, деформация поса25 дочных поверхностей и упорных торцов замковой детали и трубы осуществляется в пластической области, причем свинчивание замковой детали и трубы производится крутящим моментом, определяемым из зависи30 мости ,М к= Отса p(t(3,4+0,7 10 Ь )+0,2 10 Л 1), где Мк — крутящий момент, который необходимо приложить при свинчивании замковой детали и трубы, Н м;

35 о - предел текучести материала труб, Па;

dp — диаметр резьбы соединения, м;

t — ширина площадки первоначального контактирования дополнительных упорных

40 торцов замка и трубы, м;

А — продольная деформация дополнительных упорных торцов замка и трубы, м. величина которой определяется из выражения

5 0,6 QR (JT dp где QR — -требуемая величина радиальной силы натяга в месте посадки, Н.

1710692

Ю

7 д

8 ling

Я Г

Ф

2

У

9 2

У

7 б 10

Составитель Л.Черепенкина

Техред M.Ìîðãåí Tàë Корректор О.Кравцова

Редактор Н.Химчук

Заказ 317 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101