Бурильная труба с соединительными замками
Изобретение относится к буровой технике. Бурильная труба с соединительными замками, имеющими коническую резьбу и двухслойное покрытие, первый слой которого нанесен методом термодиффузионного порошкового цинкования, а второй - методом фосфатирования, на торцевой поверхности, предназначенной для сварки, и на прилегающей к ней части цилиндрической поверхности протяженностью 15-25 мм имеет только фосфатное покрытие, причем толщина δ первого слоя покрытия связана с конусностью К резьбы соотношением δ=0,09...0,13К. Техническим результатом является повышение износостойкости. 1 ил.
Изобретение относится к буровой технике, точнее к бурильным трубам, используемым в геологоразведочных, нефтяных или газовых скважинах.
Бурильная труба состоит из собственно трубы - сравнительно длинного и почти не подвергаемого механической обработке элемента, и резьбовых соединительных замковых деталей (далее: замков или соединительных замков), расположенных по концам трубы и выполненных заодно с телом трубы либо образующих с ним неразъемное соединение. Далее термином «бурильная труба» будет обозначаться именно такое изделие. Термином же «труба» будет обозначаться только заготовка бурильной трубы, без замковых деталей.
Замки служат для соединения бурильных труб в буровую колонну и представляют собой элемент с наружной конической резьбой (далее: ниппель) либо элемент с внутренней конической резьбой (далее: муфта). В отличие от труб, замки при изготовлении подвергаются довольно сложной механической обработке. Поэтому выгоднее изготавливать сравнительно короткие замки отдельно, а потом соединять их сваркой с торцами труб. В настоящее время значительная часть бурильных труб изготавливается с приварными замками. Для увеличения площади сварного соединения и снижения напряжений концы труб выполняются расширенными - высаживаются. Для соединения отдельно изготовленных замков с концами труб используется сварка трением (см., например, патент России №2291904, кл. C21D 9/08).
Бурильные трубы изнашиваются в процессе бурения. У известных бурильных труб с приварными замками износ происходит неравномерно, и долговечность тела бурильной трубы намного выше, чем у приварного замка. Замковая резьба изнашивается быстрее тела труб, и потому замки проектируются и изготавливаются с запасом, позволяющим их ремонтировать хотя бы один раз. Для ремонта торец замка подрезается на высоту 20...40 мм. Наличие запаса приводит к повышенному расходу металла, увеличивает изгибную жесткость буровой колонны и габариты замковых соединений. Ремонт возможен только в условиях трубных баз, и поэтому к стоимости ремонта добавляется и стоимость перевозки труб с буровой на базу и обратно.
На, по меньшей мере, резьбовые части замков бурильных труб наносятся покрытия. Покрытия наносятся для повышения коррозионной стойкости частей, износостойкости или того и другого вместе.
Известны резьбовые соединения, в частности, для насосно-компрессорных и буровых труб, на резьбовой поверхности которых механическим способом нанесен слой пластичного медьсодержащего сплава (патент России №2214478, кл. С23С 26/00). Покрытие наносится индивидуально на каждую упрочняемую деталь посредством прижатия к поверхности вращающейся детали натирающего прутка с одновременным смачиванием зоны контакта жидкостью определенного состава. Такое покрытие обеспечивает коррозионную стойкость и повышает износостойкость резьбовых соединений. Недостатком таких покрытий является сложность процесса их нанесения. Кроме того, параметры покрытия имеют большой разброс от детали к детали, связанный с тем, что покрытие наносится на каждую деталь индивидуально, а критерием завершения процесса является «появление резкого свистящего звука», то есть очень субъективный показатель.
Наиболее близкими к предложенным по технической сущности и достигаемому результату являются бурильные трубы, соединительные муфты и переходники, на резьбовых поверхностях которых имеется двухслойное защитное покрытие, состоящее из цинкового слоя толщиной 10...14 мкм, нанесенного способом термодиффузионного цинкования, и нанесенной на него фосфатной пленки толщиной 2...3 мкм (патент РФ на полезную модель №38498, кл. F16L 15/08). Технология термодиффузионного цинкования является наиболее пригодной для крупносерийного производства и обеспечивает хорошее качество покрытия. Цель нанесения дополнительного фосфатного покрытия состоит в усилении надежности термодиффузионного цинкового покрытия, которое при толщине менее 15 мкм не имеет гарантированной непрерывности. Такое двухслойное покрытие обеспечивает защиту элементов соединения от коррозии при хранении и транспортировке. Однако оно истирается при первых же циклах свинчивание-развинчивание, максимум после десяти циклов, далее начинает истираться металл самой резьбы. Поэтому известное покрытие не повышает долговечности замков.
Технический результат, достигаемый настоящим предложением, состоит в повышении износостойкости замковых соединений бурильных труб.
Указанный результат достигается тем, что у бурильной трубы с приваренными соединительными замками, имеющими коническую резьбу и двухслойное покрытие, первый слой которого нанесен методом термодиффузионного порошкового цинкования, а второй - методом фосфатирования, толщина 8 мкм первого слоя покрытия связана с конусностью К резьбы соотношением δ=0,09...0,13 К, а на участке протяженностью 15-25 мм от места сварки на замках имеется только фосфатное покрытие.
Технический результат от того, что толщина 5 покрытия, нанесенного методом термодиффузионного порошкового цинкования, составляет 0,09...0,13 К, где К - конусность резьбы, состоит в повышении износостойкости, или долговечности, замковых соединений, измеряемой числом циклов свинчивание-развинчивание.
Технический результат от нанесения фосфатного покрытия состоит в повышении коррозионной стойкости замка, в особенности на участках, не имеющих цинкового покрытия.
Технический результат от того, что на участке замка протяженностью 15-25 мм от места сварки имеется только фосфатное покрытие, состоит в повышении долговечности бурильной трубы за счет увеличения надежности сварного соединения замка с телом трубы.
Сущность предложения поясняется чертежом, на котором изображен конец предложенной бурильной трубы с приваренным замком.
Бурильная труба состоит из тела трубы 1, соединенного по концам через неразъемное соединение 2 (сварной шов) с соединительными замковыми деталями (замками) 3, имеющими коническую резьбу, наружную или внутреннюю. Для примера, на чертеже изображен замок 3 с наружной резьбой (ниппель). Второй конец трубы, имеющий замок с внутренней резьбой, на чертеже не показан. Относящиеся к предлагаемому техническому решению признаки для него совершенно аналогичны.
На всей поверхности замковых деталей, исключая участок 4 протяженностью 15...25 мм от зоны сварки, имеется покрытие 5, нанесенное методом порошкового термодиффузионного цинкования. Толщина δ покрытия 5 составляет 0,09...0,13 К, где К - конусность резьбы замков. Это соотношение экспериментально установлено для значений конусности, лежащих в пределах от 1/6 до 1/4, то есть для всех наиболее часто применяемых конических замковых резьб.
Поверх покрытия 5 нанесено защитное фосфатное покрытие (фосфатная пленка) 6. При изготовлении замков оно наносится и на участок 4 и торцевую часть. Толщина фосфатного покрытия 6 составляет 1...3 мкм, как обычно принято для фосфатных антикоррозионных покрытий. Лучше, когда она составляет 2...3 мкм.
На чертеже штриховой линией 8 для сравнения показан габарит известного замкового соединения.
Технология изготовления предложенных бурильных труб такова.
Сначала изготавливаются тела труб 1 в виде отрезков труб с высаженными концами. Изготавливаются замковые детали 3, на которые наносится покрытие 4 методом порошкового термодиффузионного цинкования. Режим нанесения покрытия устанавливается таким, чтобы его конечная толщина находилась в указанном выше соотношении с конусностью резьбы К замка 3. Далее, цинковое покрытие 4 удаляется с торцевой части замка, предназначенной для сварки с телом трубы 1, и с прилегающего к ней участка боковой поверхности замка 3 протяженностью 15...25 мм. После этого вся поверхность замковой детали 3 фосфатируется до образования на ней фосфатной пленки 6 толщиной 1...3 мкм.
Затем замковая деталь 3 соединяется с телом трубы 1 посредством сварки трением. При этом потеря длины обычно составляет 10...15 мм на соединение.
Благодаря отсутствию цинкового покрытия 4 на торцевой и прилегающей к ней боковой части замковой детали 3 интерметаллиды цинкового покрытия не попадают в зону сварного соединения и не ухудшают его прочностных характеристик. При длине участка 4 боковой поверхности замковой детали 3, свободной от цинкового покрытия 5, менее 15 мм прочностные характеристики сварного шва становятся нестабильными из-за попадания интерметаллидов цинкового покрытия в зону сварки. Увеличение длины указанного участка 4 сверх 25 мм не повышает качества шва, но увеличивает незащищенную цинковым покрытием 5 поверхность, что снижает долговечность изделия.
Фосфатное покрытие 6 защищает поверхности от коррозии во время хранения. Удалять его перед сваркой нет необходимости, так как при указанной толщине оно не влияет на качество сварного соединения. После операций сварки, зачистки, механической и термической обработки зоны сварки оно пропадает. Место сварки для защиты от коррозии, как и вся труба, покрывается слоем 7 защитного лака.
При толщинах δ термодиффузионного цинкового покрытия 4 ниже нижнего из заявленных пределов, то есть при δ<0,09 К, не обеспечивается сплошность цинкового покрытия, нельзя гарантировать заявленное увеличение ресурса бурильной трубы. При толщинах покрытия 4 выше верхнего из заявленных пределов, то есть при δ>0,13 К, величина приращения натяга соединения, обусловленного наличием покрытия, начинает превышать допустимые нормы, что может привести к отбраковке годных бурильных труб непосредственно в местах эксплуатации.
Диапазон толщин цинкового покрытия был установлен в ходе продолжительных и дорогостоящих испытаний на предельное число циклов свинчивание-развинчивание с максимальным рабочим моментом затяжки соединения. При испытаниях предложенных бурильных труб установлено, что при толщине покрытия, связанной с конусностью соединения указанным выше соотношением, оно сохраняется еще после 200...300 циклов, тогда как долговечность покрытия известных замковых соединений не превышает десяти циклов. Ресурс замкового соединения по сравнению с соединениями, имеющими только фосфатное покрытие, повышается до 2000...3000 циклов. Это приблизительно равно долговечности тела бурильной трубы. Такое повышение ресурса замковых соединений устраняет необходимость как в ремонте, так и в связанной с ним необходимости перевозки бурильных труб на трубные базы и обратно: полностью и одновременно изношенная по всем элементам бурильная труба просто отправляется в металлолом.
Кроме того, такое повышение ресурса позволяет не предусматривать в замковых деталях запаса металла на ремонт (ср. габариты предложенного замка с габаритами известного, показанными штриховой линией 8 на чертеже), что экономит до нескольких килограммов металла на одно замковое соединение, снижая тем самым массу буровых колонн на несколько тонн. Уменьшение габаритов замкового соединения за счет исключения запасаемого для ремонта металла уменьшает изгибную жесткость колонны бурильных труб, повышая тем самым условия прохождения криволинейных участков скважин, упрощает условия «зарезки» вторых стволов при капитальном ремонте скважин.
Бурильная труба с соединительными замками, имеющими коническую резьбу и двухслойное покрытие, первый слой которого нанесен методом термодиффузионного порошкового цинкования, а второй - методом фосфатирования, отличающаяся тем, что на торцевой поверхности, предназначенной для сварки, и на прилегающей к ней части цилиндрической поверхности протяженностью 15-25 мм имеется только фосфатное покрытие, причем толщина δ (мкм) первого слоя покрытия связана с конусностью К резьбы соотношением δ=0,09...0,13 К.
