Резьбовое соединение и элемент инструмента для бурения
Группа изобретений относится к резьбовому соединению и элементу инструмента для ударного бурения с использованием промывочной воды. Обеспечивает увеличение сопротивления коррозионной усталости на участках с уменьшенным поперечным сечением элементов инструмента для ударного бурения. Соединение и элемент включают по крайней мере одну в основном цилиндрическую наружную резьбу и соответственно в основном цилиндрическую внутреннюю резьбу. Наружная резьба выполнена на части трубы, составляющей единое целое с компонентом колонны буровых штанг. Резьбы включают боковые стороны и впадины, расположенные между ними. Впадины цилиндрической наружной резьбы расположены в основном на расстоянии от соответствующих вершин цилиндрической внутренней резьбы. Один из участков с уменьшенным поперечным сечением частично содержит слой материала с более высоким электродным потенциалом, чем у стали, выполненный из никеля, хрома, меди, олова, кобальта, титана или их сплавов, 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 6 ил.
Назначение изобретения
Изобретение относится к резьбовому соединению и элементу инструмента для бурения.
Уровень техники
В процессе ударного бурения элементы инструмента, т.е. головки бура, штанги, трубы, муфты и хвостовые держатели, подвергаются воздействию коррозии. Это возникает в особенности при подземном бурении, когда вода используется как промывочная среда, а также во влажной окружающей среде. Воздействие коррозии особенно серьезно проявляется на наиболее нагруженных частях, т.е. на впадинах и зазорах резьбы. В сочетании с пульсирующими напряжениями, вызванными ударными волнами, и изгибающими нагрузками это приводит к возникновению так называемой коррозионной усталости, что является общей причиной разрушения элементов инструмента для бурения.
В настоящее время для изготовления элементов инструмента для бурения обычно используются низколегированные цементированные стали. Причина этого в том, что абразивное воздействие и износ резьбовых частей ограничивали их долговечность. По мере того, как буровое оборудование и элементы инструмента для бурения становились более эффективными, эти проблемы уменьшились и лимитирующим фактором стала коррозионная усталость.
В результате цементирования на поверхности возникают напряжения сжатия, которые дают определенный эффект при механической усталости. Низколегированные стали обладают малым сопротивлением коррозии и по этой причине коррозионная усталость развивается сравнительно легко.
В патентах США 4872515 или 5064004 раскрыт элемент инструмента для бурения, в котором резьбовая часть содержит металл более мягкий, чем сталь элемента инструмента для бурения. Это сделано для решения проблемы точечной коррозии резьбы посредством
покрытия, по крайней мере, части резьбы элемента инструмента для бурения, которая взаимодействует с другим элементом резьбового соединения.
Задача изобретения
Задача изобретения состоит в существенном увеличении сопротивления коррозионной усталости элементов инструмента для ударного бурения.
Другой задачей изобретения является существенное увеличение сопротивления коррозионной усталости на участках с уменьшенным поперечным сечением элементов инструмента для ударного бурения.
Еще одной задачей изобретения является существенное увеличение сопротивления коррозионной усталости во впадине резьбы для резьбовых частей элементов инструмента для ударного бурения.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показан на виде сбоку с частичным вырывом элемент инструмента для бурения в соответствии с изобретением.
На фиг.2 на виде сбоку показан один конец элемента инструмента для бурения.
На фиг.3 показано осевое сечение конца на фиг.2.
На фиг.4 показано осевое сечение варианта резьбового соединения в соответствии с изобретением.
На фиг.5 показан альтернативный вариант осевого сечения резьбового соединения в соответствии с изобретением.
На фиг.6 показано осевое сечение альтернативного варианта элемента инструмента для бурения в соответствии с изобретением.
Подробное описание изобретения
Элемент инструмента для бурения или первый компонент колонны буровых штанг 10 для ударного бурения, показанный на фиг.1-4, представляет собой трубу и имеет с одного конца охватывающую часть 11 с цилиндрической внутренней резьбой 12, составляющую одно целое с трубой 10. С другого конца труба 10 сформирована с охватываемой частью, имеющей в соответствии с изобретением цилиндрическую наружную резьбу 14. Показанная резьба является так называемой трапецеидальной резьбой. Однако могут использоваться другие виды резьб, например, “канатная” резьба. Элемент инструмента для бурения имеет сквозной канал 15, через который подается промывочная среда, обычно воздух или вода. Наружная резьба 14 включает боковые стороны 16 и 17 и впадины 20, расположенные между ними. Внутренняя резьба 12 включает боковые стороны 18 и 19 и впадины 21, расположенные между ними. В свинченном состоянии в соответствии с фиг.4 впадины 20 наружной резьбы 14 расположены на определенном расстоянии от вершин 22 внутренней резьбы.
В соответствии с изобретением впадины 20 охватываемой части элемента инструмента для бурения имеют покрытие, состоящее, по крайней мере, из одного поверхностно модифицированного коррозионнозащитного слоя. Покрытие нанесено только на наиболее опасные части, т.е. на участки с уменьшенным поперечным сечением такие, как впадины 20, канавки 24 и зазоры. Наибольшая толщина слоя 0,002-5 мм, предпочтительно 0,02-2 мм. Впадина резьбы имеет ширину W1, выступ резьбы 23 и непокрытая часть боковых сторон 16 и 17 имеют ширину W2 (см. фиг.3) с соотношением W1/W2, составляющим 0,02-1,2, предпочтительно 0,3-0,8. Например, “канатная” резьба (R35) была покрыта слоем толщиной 5 мм (W1). Шаг резьбы был равен 12.7 мм, отсюда W2=12,7-5=7,7 и W1/W2=0,65.
Упомянутый коррозионнозащитный слой в покрытии элемента инструмента для бурения в соответствии с изобретением выполнен более электроположительным, чем несущая или нижележащая сталь, т.е этот слой имеет более положительный электродный потенциал, по крайней мере, на 50 mV, предпочтительно, по крайней мере, на 100 mV и наиболее предпочтительно, по крайней мере, на 250 mV в существующей окружающей среде и таким образом имеет большее сопротивление коррозии. Примерами таких защитных материалов являются никель, хром, медь, олово, кобальт и титан, а также их сплавы, предпочтительно коррозионностойкие стали или сплавы на основе кобальта или никеля. Другие слои могут представлять собой слои связки для увеличения сцепления между покрытием и сталью.
Для получения упомянутого слоя покрытия может быть использован ряд различных способов, например, погружением в горячий расплав, химическим или электролитическим осаждением, термическим напылением или наплавкой, предпочтительно наплавкой с помощью лазера. В случае, если покрытие занимает большую площадь, чем участки с уменьшенным поперечным сечением такие, как впадины резьбы, канавки или зазоры, эта часть покрытия удаляется посредством механической обработки перед использованием или в результате износа после короткого периода использования. Последнее означает, что наносить покрытие на поверхности, передающие ударную нагрузку, невыгодно.
Пример
При выполнении глубоких отверстий в процессе так называемого бурения на очистных работах используются бурильные трубы длиной до 2 м (см. фиг.1), которые собраны в длинные колонны. Критическими частями труб являются впадины 20 наружных резьб 14 (см. фиг.2). Воздействие промывочной воды и пульсирующих напряжений приводят к коррозионной усталости, следствием которой является разрушение.
Впадины наружной резьбы в соответствии с фиг.3 на шести трубах из низколегированной стали были покрыты слоем с максимальной толщиной 0,6-0,9 мм с помощью лазерной наплавки. Использовались два различных сплава с электродным потенциалом и составами, представленными ниже.
| %С | %Cr | %Ni | %Мо | %Fe | %Со | электродный потенциал, (mV)* | ||
| Образец | 1-4 | 0,25 | 27 | 2,5 | 6 | 1 | остальное | +200 |
| Образец | 5,6 | 0,03 | 21,5 | 5 | 2,7 | остальное | - | +100 |
| *Приблизительное значение в морской воде, 10°С. Соответствующее значение для низколегированной стали составляет 500 mV. |
Шесть труб были использованы вместе с 14 обычными трубами в тех же колоннах буровых штанг и буровом оборудовании для бурения на очистных работах под землей и работали до поломки или выхода из строя по износу. Следующие соответствующие долговечности, измеренные в пройденных метрах, были получены для отдельных труб:
| Образец 1 | 751 м |
| Образец 2 | 881 м |
| Образец 3 | >1003 м |
| Образец 4 | >1003 м |
| Образец 5 | 892 м |
| Образец 6 | 1193 м |
Для образцов 3 и 4 полная величина долговечности не была достигнута вследствие аварии, связанной с тем, что колонна штанг застряла в породе до того, как они вышли из строя. Средняя величина долговечности для указанных выше образцов составляет 954 м.
Нормальная долговечность для обычных труб - около 500 м. Это означает, что покрытие элемента инструмента для бурения в соответствии с изобретением приводит почти к удвоению долговечности.
В альтернативном варианте резьбового соединения в соответствии с изобретением дополнительно резьба 12' охватывающей части 11' покрыта слоем материала с более высоким электродным потенциалом, чем у стали (см. фиг.5). Соответственно также участки охватывающей части 11' с уменьшенным поперечным сечением выполнены с покрытием, состоящим, по крайней мере, из одного поверхностно модифицированного коррозионнозащитного слоя. Покрытие наносится только на наиболее подверженные коррозии части, т.е. на участки с уменьшенным поперечным сечением, такие, как впадины 21', канавки и зазоры. То, что было установлено выше в отношении покрытия, также применялось для случая нанесения покрытия на охватывающую часть 11'.
В альтернативном варианте инструмента для бурения в соответствии с изобретением покрытие наносилось только на наиболее напряженные части впадины резьбы, например, на один (справа на фиг.6) или оба перехода от впадины трапецеидальной резьбы к ее боковой стороне, т.е. на части элемента инструмента для бурения с наименьшим радиусом (см. фиг.6).
Изобретение, следовательно, относится к резьбовому соединению и элементу инструмента для ударного бурения, ограниченная часть которых покрыта коррозионностойким слоем для существенного улучшения сопротивления коррозионной усталости. Слой покрытия предпочтительно является прерывистым в осевом направлении, чтобы избежать осаждения на боковые стороны и их размягчения.
1. Резьбовое соединение стальных элементов для ударного бурения с использованием промывочной воды, включающее участки (20; 21’; 24) с уменьшенным поперечным сечением, по крайней мере, одну в основном цилиндрическую наружную резьбу (14) и соответственно в основном цилиндрическую внутреннюю резьбу (12), упомянутая наружная резьба (14) выполнена на части трубы (13), составляющей единое целое с компонентом колонны буровых штанг, упомянутые резьбы (12, 14) включают боковые стороны (16, 17; 18, 19) и впадины (20; 21; 21’), расположенные между боковыми сторонами, упомянутые впадины (20) цилиндрической наружной резьбы (14) расположены в основном на расстоянии от соответствующих вершин (22) цилиндрической внутренней резьбы (12), отличающееся тем, что, по крайней мере, один из участков (20; 21’; 24) с уменьшенным поперечным сечением частично содержит слой материала с более высоким электродным потенциалом, чем у стали, выполненный из никеля, хрома, меди, олова, кобальта, титана или их сплавов.
2. Резьбовое соединение по п.1, отличающееся тем, что указанный слой выполнен в основном только во впадине (20; 21’) резьб (14; 12), при этом отношение ширины упомянутой впадины W1 к ширине вершины резьбы W2 составляет W1/W2=0,02-1,2, предпочтительно 0,3-0,8.
3. Резьбовое соединение по п.1 или 2, отличающееся тем, что материал указанного слоя имеет, по крайней мере, на 50 mV, предпочтительно, по крайней мере, на l00mV и более предпочтительно, по крайней мере, на 250 mV более высокий электродный потенциал, чем сталь.
4. Резьбовое соединение по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что наибольшая толщина указанного слоя составляет 0,002 - 5 мм, предпочтительно 0,02-2 мм.
5. Резьбовое соединение по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что для получения указанного слоя использован один из следующих способов нанесения покрытия: погружением в горячий расплав, химическим или электролитическим осаждением, термическим напылением и наплавкой, предпочтительно наплавкой с помощью лазера.
6. Элемент инструмента для ударного бурения с резьбовым соединением, выполненным в соответствии с п.1 и использованием промывочной воды, имеющий участки (20; 21’; 24) с уменьшенным поперечным сечением и, по крайней мере, одну в основном цилиндрическую наружную резьбу (14), выполненную на части (13) трубы, составляющей единое целое с компонентом колонны буровых штанг (10), указанные резьбы (12, 14) включают боковые стороны (16, 17; 18, 19) и впадины (20; 21; 21’), расположенные между боковыми сторонами, указанные впадины (20) цилиндрической наружной резьбы (14) расположены на расстоянии от соответствующих вершин (22) цилиндрической внутренней резьбы (12), отличающийся тем, что, по крайней мере, один из участков (20; 21’; 24) с уменьшенным поперечным сечением частично содержит слой материала с более высоким электродным потенциалом, чем у стали, выполненный из никеля, хрома, меди, олова, кобальта, титана или их сплавов.
7. Элемент инструмента по п.6, отличающийся тем, что указанный слой расположен в основном только во впадинах (20; 21’) резьб (14; 12’), при этом отношение ширины упомянутой впадины W1 к ширине вершины резьбы W2 составляет W1/W2=0,02 - 1,2, предпочтительно 0,3-0,8.
8. Элемент инструмента по п.6 или 7, отличающийся тем, что материал указанного слоя имеет, по крайней мере, на 50 mV, предпочтительно, по крайней мере, на 100 mV и более предпочтительно, по крайней мере, на 250 mV более высокий электродный потенциал, чем сталь.
9. Элемент инструмента по любому из пп.6-8, отличающийся тем, что наибольшая толщина указанного слоя составляет 0,002-5 мм, предпочтительно 0,02-2 мм.
10. Элемент инструмента по любому из пп.6-9, отличающийся тем, что для получения указанного слоя использован один из следующих способов нанесения покрытия: погружением в горячий расплав, химическим или электролитическим осаждением, термическим напылением и наплавкой, предпочтительно наплавкой с помощью лазера.
