Элемент бурильной колонны с зоной активации текучих сред
Группа изобретений относится к области исследований и разработки нефтяных и газовых месторождений. Технический результат – предотвращение закупоривания скважин. Трубный элемент бурильной колонны содержит по существу цилиндрический корпус и два разъема, при этом каждый разъем расположен на конце корпуса и содержит резьбовой участок, выполненный с возможностью сопряжения с комплементарным элементом. При этом по меньшей мере один из разъемов имеет подъемную поверхность, выполненную с возможностью взаимодействия с подъемным устройством элемента для его сборки в бурильной колонне. Подъемная поверхность содержит некруглое поперечное сечение, образующее зону активации для бурового раствора. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 13 ил.
Изобретение относится к области исследований и разработки нефтяных и газовых месторождений, в которых применяют поворотные бурильные колонны. Бурильная колонна может включать в себя трубы, штанги («утяжеленные бурильные трубы»), утяжеленные штанги («муфты утяжеленных бурильных труб»), стабилизаторы и фитинги. Трубы соединены встык посредством свинчивания в бурильной колонне, которая составляет значительную часть или даже основную часть длины бурильной колонны. Более конкретно изобретение относится к профилированной детали вращательного бурового оборудования, такой как труба, расположенная во вращающейся бурильной колонне.
Характеристики бурильной колонны и, в общем, элемента бурильной колонны влияют на фундаментальные свойства, относящиеся к качеству, производительности и безопасности либо во время фаз собственно проходки, либо в фазах маневров между дном и поверхностью.
Достижения в разработке углеводородов требуют получения профилей все более сложных траекторий и во все более экстремальных геологических условиях. Углеводороды в настоящее время разрабатывают на глубинах, обычно более 4 км и с возможным отклонением от стационарной установки, превышающим десять километров. Изобретение относится к элементу бурильной колонны, предусмотренному специально для направленного бурения, то есть бурения, при котором можно варьировать наклон по отношению к вертикали или направлению азимута во время бурения. В настоящее время направленное бурение может достигать глубины порядка от 2 до 8 км и горизонтальных расстояний порядка от 2 до 15 км.
В случаях направленного бурения, включающих, по существу, горизонтальные участки, фрикционные моменты за счет вращения бурильной колонны в скважине в процессе бурения могут достигать очень больших величин. Фрикционные моменты могут повлиять на используемое оборудование или на задачи бурения. Кроме того, подъем шлама, производимого при бурении, часто очень затруднителен в связи с осаждением отвальных пород в стволе скважины, особенно в части ствола скважины, имеющей сильное отклонение от вертикали. Из этого следует плохая очистка ствола скважины и одновременное увеличение коэффициентов трения труб бурильной колонны в стволе скважины и контактных поверхностей между трубами и стенками ствола скважины.
Из документа FR 2 824 104 известен профилированный элемент вращательного бурового оборудования, содержащий зону опоры на стенку скважины, зону завихрения для осуществления активации циркуляции бурового раствора в стволе буровой скважины вокруг бурового оборудования и зону отклонения, примыкающую к зоне опоры и зоне завихрения, проходящую в осевом направлении профилированного элемента и содержащую по меньшей мере одну поверхность, отклоненную относительно оси бурения, меридианная линия которой в осевой плоскости отдалена от оси профилированного элемента в направлении, походящем снизу вверх в положении на момент эксплуатации профилированного элемента в буровой скважине.
Также из документа WO-2009-115687 известен элемент бурильной колонны, содержащий по меньшей мере одну зону опоры на стенку скважины, при этом зона опоры оборудована по меньшей мере одним опорным участком с внешним диаметром, превышающим диаметр других частей элемента, и две зоны активации, по существу примыкающие к зоне опоры перед указанной зоной опоры и за ней.
Этот тип устройства до недавнего времени был удовлетворительным. Тем не менее, возникает необходимость в бурильной колонне с облегченным весом и одновременно с меньшей жесткостью при сохранении или даже улучшении осуществляемого посредством бурового раствора извлечения отвальных пород, образующихся при выполнении скважины. В частности, существует потребность в каком-либо улучшении существующей бурильной колонны, поддерживающей наблюдаемые в буровом растворе потери давления в допустимых пределах во избежание закупоривания при затвердевании массы отвальной породы между буровой скважиной и колонной. Также существует необходимость в снижении стоимости производства таких бурильных колонн, и особенно - в упрощении производства. Наконец, существует необходимость в выравнивании скорости бурового раствора по всей длине колонны с целью предотвращения максимального закупоривания скважины.
Изобретение направлено на улучшение ситуации и предлагает трубный элемент бурильной колонны, содержащий по существу цилиндрический корпус и два разъема, при этом каждый разъем расположен на конце корпуса и содержит резьбовой участок, выполненный с возможностью сопряжения с комплементарным элементом, при этом по меньшей мере один из разъемов имеет подъемную поверхность, совместимую с подъемным устройством элемента для его сборки в бурильной колонне, и отличающийся тем, что подъемная поверхность содержит некруглое поперечное сечение, образующее зону активации для бурового раствора.
Подъемная поверхность согласно изобретению может содержать по меньшей мере одну часть поверхности, проходящую радиально относительно внешней окружности цилиндрического корпуса. Направление подъемной поверхности может позволять подвешивать элемент таким образом, чтобы продольная ось элемента была по существу вертикальна. Подъемная поверхность может быть расположена в подъемном устройстве, таким образом, чтобы вес элемента удерживал подъемную поверхность в подъемном устройстве.
Элемент согласно изобретению при его эксплуатации в бурильной колонне позволяет уменьшить статические и динамические нагрузки при вращении, уменьшить осевые нагрузки при спуске и подъеме бурильной колонны, повысить способность передачи веса на буровое устройство, достичь наилучшей производительности при подъеме бурильного шлама, установить лучший запас надежности при повышенных натяжениях и крутящих моментах, снизить критические условия потери устойчивости, снизить износ и истирание бурильной колонны, повысить производительность извлечения шлама при подъеме для снижения риска образования пробки, уменьшить потери гидравлических нагрузок, улучшить поток бурового раствора и шлама вокруг бурильной трубы, уменьшить износ вследствие истирания внутренней стенки бурильной скважины, значительно снизить вероятность слипания вследствие перепада давления, в частности, когда гидростатическое давление бурового раствора превышает давление материала, например породы, при бурении, значительно снизить вероятность заклинивания бурильной колонны при подъеме и улучшить состояние поверхности стенок бурильной скважины.
В частности, каждый из двух разъемов может содержать подъемную поверхность, при этом поперечное сечение каждой подъемной поверхности является некруглым, соответственно образуя область активации бурового раствора. Таким образом, когда такие элементы соединены друг с другом, соединение между двумя разъемами всегда ограничено с каждой стороны зонами активации. Каждое соединение, выполненное таким образом, способствует однородности потока вдоль колонны. Бурильная колонна согласно изобретению содержит среди элементов, расположенных у дна скважины и у поверхности, предпочтительно значительную часть, например, по меньшей мере 80% и даже более 95%, элементов согласно изобретению, таких как описаны выше. В частности, колонна содержит по меньшей мере одну, а предпочтительно несколько, последовательностей из трех элементов согласно изобретению.
Преимущественно поперечное сечение некруглой формы может содержать по меньшей мере одну из вогнутой или плоской поверхности. Некруглое поперечное сечение может также иметь по меньшей мере один край, или переднюю кромку, для соскабливания скоплений отвальной породы и обращения их в суспензию в буровом растворе.
В частности, подъемная поверхность может содержать огибающую поверхность в форме усеченного конуса, имеющую по меньшей мере одну выемку. Огибающая поверхность в форме усеченного конуса может образовывать угол от 10° до 100°, и предпочтительно от 18° до 90°, с продольной осью цилиндрического корпуса. Выемка позволяет образовать дополнительный объем, способствующий потоку бурового раствора.
Например, выемка одного разъема может образовывать паз, проходящий дальше подъемной поверхности в направлении свободного конца указанного разъема. Таким образом, может быть увеличен объем, способствующий потоку бурового раствора.
Преимущественно подъемная поверхность может содержать несколько отдельных выемок, расположенных по ее периметру. Также подъемная поверхность может содержать несколько краев или передних кромок для соскабливания скоплений отвальной породы. Эта конфигурация позволяет также увеличить объем, способствующий потоку бурового раствора, а также чистоту скважины в формации. Например, подъемная поверхность может содержать от 2 до 8, предпочтительно 4 выемки.
Преимущественно эти отдельные выемки могут быть расположены на одном и том же участке, проходящем перпендикулярно продольной оси разъема. В частности, зона активации разъема может располагаться на единственном кольцевом участке указанного разъема.
Преимущественно зона активации может иметь по существу винтовую форму, проходящую вокруг оси указанного элемента таким образом, что наклон винтовой формы относительно указанной оси предпочтительно составляет от 0° до 60°, и предпочтительнее от 10° до 30°. Также улучшается динамика раствора с завихрениями и даже рециркуляция вычерпываемой отвальной породы. Элемент согласно изобретению может содержать зону опоры, входящую в контакт со стенкой скважины таким образом, чтобы зона активации находилась между зоной опоры и цилиндрическим корпусом. Также не следует допускать возможности влияния зоны активации на стенку скважины.
Преимущественно подъемная поверхность может быть соединена с зоной опоры первым цилиндрическим участком, при этом зона опоры соединена в направлении свободного конца разъема со вторым цилиндрическим участком. Поверхность опоры также позволяет защитить второй цилиндрический участок, на котором осуществляется соединение с соседним элементом. Таким образом, можно увеличить срок эксплуатации соединения между двумя соседними элементами.
В случае, когда зона активации находится за пределами подъемной поверхности в направлении свободного конца указанного разъема, в частности, она может проходить от подъемной поверхности до первого цилиндрического участка.
Например, по меньшей мере одна зона опоры и первый цилиндрический участок могут содержать усиленную поверхность, например, из материала повышенной твердости по сравнению с материалом всего разъема, или усиленную посредством термической или механической обработки поверхности указанного разъема.
Более конкретно, разъемы могут быть сваренными посредством трения на осевых концах цилиндрического корпуса, таким образом чтобы выемка определяла отличное от нуля расстояние соединения между разъемом и цилиндрическим корпусом.
В частности, размеры предусмотренного разъема подъемной поверхности согласно изобретению таковы, что внешний диаметр (OD1) первого цилиндрического участка больше либо равен внешнему диаметру (OD3) второго цилиндрического участка, при этом указанный внешний диаметр (OD1) первого цилиндрического участка меньше внешнего диаметра (OD2) зоны опоры. Такая конфигурация позволяет увеличить огибающую поверхность подъемной поверхности без изменения критических технических и функциональных характеристик трубы и второго цилиндрического участка, отчасти образующего резьбовой участок разъема. Это увеличение огибающей поверхности подъемной поверхности позволяет компенсировать отсутствие поверхности контакта с подъемным устройством из-за зоны активации.
В результате невозможно регулировать элемент согласно изобретению при вращении в подъемном устройстве, и для поддержания грузоподъемности при натяжении устройства Заявитель определил, что необходимо создать подъемную поверхность, способную компенсировать недостатки несущей способности в одной или нескольких зонах активации.
В частности, подъемная поверхность может быть таковой, что осевая проекция по оси цилиндрического корпуса этой подъемной поверхности на ортогональную плоскость на указанной оси содержит сплошную внутреннюю кольцевую поверхность, окруженную радиально с наружной стороны внешней кольцевой поверхностью, при этом указанная внешняя кольцевая поверхность содержит внешнюю зубчатую кромку, причем выемки указанной внешней зубчатой кромки соответствуют зонам активации.
Элемент согласно изобретению может содержать охватывающий разъем с предусмотренной на нем подъемной поверхностью таким образом, что внутренняя кольцевая поверхность не равна нулю и, в частности, составляет по меньшей мере 5%, предпочтительно по меньшей мере 15% всей предполагаемой подъемной поверхности указанного охватывающего разъема.
Элемент согласно изобретению может также содержать охватываемый разъем с предусмотренной на нем подъемной поверхностью таким образом, что внутренняя кольцевая поверхность составляет от 0 до 15%, предпочтительно от 0 до 5% всей предполагаемой подъемной поверхности указанного охватываемого разъема. В этой конфигурации подъемные поверхности, соответственно расположенные на двух разъемах, могут не быть симметричными друг другу.
Также объектом изобретения является способ сборки трубных элементов бурильной колонны согласно изобретению, при котором разъем, содержащий подъемную поверхность и охватывающую резьбу на своей внутренней стенке, размещен в подъемном устройстве таким образом, что элемент подвешен вертикально для его соединения с другим, удерживаемым вертикально, элементом.
Настоящее изобретение будет более понятным по прочтению подробного описания нескольких вариантов осуществления, приведенных в качестве неограничивающих примеров и проиллюстрированных посредством прилагаемых графических материалов, на которых:
- фиг. 1 иллюстрирует работу классической бурильной колонны в скважине при бурении;
- фиг. 2 иллюстрирует работу бурильной колонны согласно изобретению в скважине при бурении;
- фиг. 3 показывает вид сбоку элемента согласно изобретению в вертикальном положении;
- фиг. 4 показывает вид сбоку охватывающего разъема элемента согласно изобретению до его сопряжения с корпусом;
- фиг. 5 показывает вид в поперечном сечении охватывающего разъема элемента согласно изобретению в плоскости сечения A-A, указанной на фиг.4;
- фиг. 6 показывает вариант осуществления изобретения по фиг. 5;
- фиг. 7 показывает вид в продольном сечении охватывающего разъема элемента согласно изобретению в плоскости сечения B-B, указанной на фиг. 4;
- фиг. 8 показывает увеличение зоны, указанной на фиг. 7;
- фиг. 9 показывает вариант осуществления изобретения по фиг. 8;
- фиг. 10 показывает осевую проекцию подъемной поверхности охватывающего разъема согласно изобретению, при этом проекция выполнена по оси цилиндрического корпуса в плоскости, ортогональной указанной оси;
- фиг. 11 показывает вид сбоку соединения между двумя разъемами двух элементов согласно изобретению;
- фиг. 12 показывает вид в продольном сечении охватываемого разъема элемента согласно изобретению;
- фиг. 13 показывает осевую проекцию подъемной поверхности охватываемого разъема согласно изобретению, при этом проекция выполнена по оси цилиндрического корпуса в плоскости, ортогональной указанной оси.
Фиг. 1 показывает участок бурильной колонны 1 на участке 2, почти горизонтальном дну скважины. Бурильная колонна 1 показана отчасти изогнутым трубным элементом 3, содержащим два разъема 4 и 5, по одному на край, и соединенным посредством указанных разъемов с комплементарными трубными элементами 6 и 7 колонны. Колонна 1 образует непрерывное центральное пространство для циркуляции бурового раствора, как показано стрелкой 8. У дна скважины, там, где работает буровой инструмент, такой как долото, буровой раствор или шлам сразу поднимается в кольцевое пространство, образованное между стенкой скважины и внешней поверхностью колонны 1, см. стрелку 9.
Буровой раствор в ходе подъема наружу бурильной трубы увлекает отвальные породы геологических формаций, пересекаемых буровым инструментом к поверхности, с которой осуществляют бурение. Эксплуатация буровой трубы, известной из уровня техники, представлена на фиг. 1. На фиг. 1 показана зона, в которой отвальные породы, перемещаемые буровым раствором, имеют тенденцию скапливаться. Эти зоны скопления образуют комья и, если они постепенно не рассасываются, могут забивать бурильную скважину и блокировать в скважине бурильную трубу. Когда бурильная труба заблокирована в скважине, ее очень тяжело извлечь из скважины без образования значительных трещин в стенке бурильной скважины.
Обычно бурильная труба продвигается внутри буровой скважины со скоростью около 10 футов в час. Параллельно буровой раствор имеет скорость перемещения, которая выше, чем скорость трубы. Конкретнее, во время подъема раствора, в силу изменений внешнего диаметра бурильной трубы, скорость бурового раствора колеблется по всей протяженности колонны. В частности, на уровне разъемов, таких как 4 и 5, раствор подвергается ускорению в силу большего внешнего диаметра разъемов относительно внешнего диаметра бурильной трубы.
Как показано на фиг. 2, где для лучшего понимания сохранена аналогичная нумерация, разъем 11 соседнего элемента 7 содержит зону 24 активации, способствующую потоку бурового раствора на уровне этого сопряжения. Предпочтительно разъем 5 также содержит зоны активации, подобные зоне 24, и также предпочтительно разъем 4 тоже содержит зону активации, подобную зоне 24. Эти зоны 24 активации способствуют созданию потоков с завихрениями, поднимающихся вдоль стрелки 9. Эти потоки с завихрениями, также как и кромки рабочих выемок, позволяют вычерпывать отвальные породы из зон их накапливания и, таким образом, позволяют избежать образования этих зон накапливания.
Например, каждый из двух соединенных разъемов, вместе образующих указанное соединение, содержит зоны активации, подобные зоне 24. Эти зоны 24 активации двух соединенных между собой разъемов могут быть идентичными или отличающимися, и/или симметричными относительно плоскости симметрии или точки. Еще как вариант, в случае, когда каждый из разъемов одного и того же элемента содержит зоны активации, подобные зоне 24, то они могут быть идентичными или симметричными относительно плоскости симметрии, перпендикулярной к оси элемента, или относительно точки или же могут быть отличающимися.
Зоны активации, подобные зоне 24 изогнутого трубного элемента согласно изобретению, имеют форму, выбранную, например, из описанных в виде желобов или рабочих выемок в документах EP-0866209; EP- 1026364, а также US-6732821.
На фиг. 3 показан изогнутый трубный элемент 3 согласно изобретению, центральная часть которого не показана. Этот элемент 3 имеет общую форму тела вращения вокруг оси X. Элемент 3 содержит внутренний канал, образованный внутренней стенкой, при этом указанная внутренняя стенка имеет, например, форму тела вращения вокруг оси X. Элемент 3 может быть выполнен из стали с высокой механической прочностью.
Элемент 3 содержит трубчатый корпус 12, имеющий основную протяженность вдоль оси X. Трубчатый корпус 12 по существу является цилиндрическим и содержит два противолежащих осевых конца 13 и 14 с внешним диаметром ODs, который больше, чем внешний диаметр ODp корпуса 12 между этими концами 13 и 14. Предпочтительно корпус 12 не имеет осевых сварных швов и имеет по существу постоянный внутренний диаметр.
Для формирования элемента 3 концы 13 и 14 корпуса 12 сварены посредством трения с разъемами 4 и 5, соответственно. Таким образом, на элементе 3 имеется две зоны 16 и 17 сварных швов, выполненных термическим путем и перпендикулярных оси X.
Разъемы 4 и 5, именуемые «бурильными замками», образуют относительно короткие изогнутые трубные профилированные участки, формирующие соединительные разъемы для соединения элементов друг с другом. Разъемы 4 и 5 могут быть охватывающими и охватываемыми. В примере, показанном на фиг. 3, разъем 4 является охватывающим, а разъем 5 - охватываемым. Охватывающий разъем 4 содержит охватывающую часть 18 резьбового соединения, составляющую первый свободный осевой конец элемента 3. Охватываемый разъем 5 содержит охватываемую часть 19 резьбового соединения, составляющую второй свободный осевой конец элемента 3.
Охватывающая часть 18 резьбового соединения имеет расточку, содержащую охватывающую резьбу, не показанную на фиг. 3. Охватывающая резьба может иметь форму усеченного конуса, например, согласно спецификации API 7 или согласно любому из патентов на имя Заявителя, например US 7 210 710, US 6 513 840. Предпочтительно охватываемая резьба 19 является комплементарной охватывающей резьбе.
Между свободным концом и зоной 16 сварных швов внешний периметр охватывающего разъема 4 содержит последовательно вдоль оси X кольцевой внешний периметр охватывающей части 18 резьбового соединения, зону 20 опоры для осуществления опоры на внутренние стенки скважины при бурении, первый цилиндрический участок 21, подъемную поверхность 22 и зону 23 сопряжения, содержащую внешнюю цилиндрическую поверхность, проходящую до конца, приваренного посредством зоны 16 сварных швов. Зона 23 сопряжения является цилиндрическим участком с внешним диаметром порядка внешнего диаметра ODs осевого конца 13.
Охватывающая часть 18 резьбового соединения имеет внешний периметр, образующий второй цилиндрический участок, противоположный первому цилиндрическому участку 21 относительно зоны 20 опоры.
На фиг. 4 второй цилиндрический участок 18 соединен первой муфтой радиусом R1 с зоной 20 опоры. Зона 20 опоры соединена второй муфтой радиусом R2 с первым цилиндрическим участком 21. Первый цилиндрический участок 21 соединен третьей муфтой радиусом R3 с подъемной поверхностью 22. Подъемная поверхность 22 соединена четвертой муфтой радиусом R4 с зоной сопряжения 23. Указанные муфты радиусом R1, R2, R3, R4 могут быть простыми торическими муфтами или сложными муфтами с несколькими радиусами кривизны и/или с различными изгибами вдоль оси X.
В примерах, показанных на фиг. 4, муфта радиусом R4 является торической поверхностью. Размер радиуса муфты радиусом R3 изменяется по окружности там, где она прерывается и сформирована справа только сопряжениями с подъемной поверхностью 22, в местах этой подъемной поверхности 22, содержащих зоны активации с выемками. Муфта с радиусом R3 является торической поверхностью.
Подъемная поверхность 22 является поверхностью, на которую будет действовать вес элемента 3, когда последний будет удерживаться вертикально подъемным устройством. На фиг. 3, элемент 3 показан вертикально в направлении его введения в подъемное устройство, при этом охватывающий разъем расположен вверху. Подъемное устройство, например, является подъемником буровой вышки.
Подъемная поверхность 22 имеет внешний диаметр, по существу увеличивающийся в зоне 23 сопряжения с первой цилиндрической частью, что соответствует увеличению диаметра в направлении выхода буровой породы согласно стрелке 9.
В показанном примере поверхность, огибающая подъемную поверхность 22, имеет форму усеченного конуса, образующего угол 18° с осью X.
Подъемная поверхность 22 и первый цилиндрический участок 21 содержат рабочие выемки или зоны 24 активации, проходящие, соответственно, в подъемную поверхность и цилиндрическую часть.
В варианте осуществления по фиг. 3 и 4 охватывающий разъем 4 содержит по своему периметру четыре зоны активации, такие как зоны 24, образующие различные выемки. Как показано на фиг. 5, эти четыре выемки 24 являются равноудаленными в радиальном направлении от подъемной поверхности 22 и первого цилиндрического участка 21.
В варианте, показанном на фиг. 6, охватывающий разъем 4 содержит семь выемок 24, равноудаленных в радиальном направлении.
Как показано на фиг. 5 и 6, зоны 24 активации имеют ковшеобразный ассиметричный профиль с тупым углом 25 относительно части внешнего периметра участка подъемной поверхности 22 с одной стороны, и острым углом 26 с противоположной стороны. Острый угол 26 составляет, например, от 50 до 80°, предпочтительно от 60 до 70°, например равный 65°. Острый угол 26 может находиться с задней стороны в направлении вращения 91 бурильной колонны. Следует напомнить, что бурильная колонна вращается всегда в одном направлении во избежание развинчивания резьбовых соединений 4 и 5. Тупой угол 25, расположенный на передней стороне или на стороне впуска, предусмотрен для облегчения впуска струй раствора. Тупой угол 25 находится в пределах, например, от 100 до 130°, предпочтительно от 110° до 120°, например составляет 115°. Посредством такого ассиметричного профиля обеспечивается функция вычерпывания отвальной породы.
Минимальное расстояние d2 по дуге окружности между двумя соседними рабочими выемками 24 может составлять от 10 до 50 мм, предпочтительно от 20 до 40 мм, например 30 мм.
Зона 24 активации имеет максимальную глубину по окружности периметра порядка от 5 до 30 мм, предпочтительно от 10 до 25 мм. Согласно фиг. 4 зоны 24 активации образуют спиральные участки с наклоном α, составляющим от 15 до 35° относительно оси X. Альтернативно, согласно непоказанному варианту осуществления, зоны 24 активации могут быть прямолинейными, либо прямолинейными и параллельными оси X.
В частности, как подробно показано на фиг. 7 и 8, зона 24 активации охватывающего разъема состоит из первой части 24a, образующей выемку, дно которой наклонено под острым углом βа в пределах от 30° до 60°, предпочтительно от 40° до 50°, например составляет 45°, относительно оси X. Эта первая часть 24a проходит во вторую центральную часть 24b, дно которой по существу параллельно оси X. Эта вторая центральная часть 24b проходит в третью часть 24c, дно которой наклонено под острым углом βс в пределах от 10° до 30°, предпочтительно от 15° до 25°, например составляет 20°, относительно оси X.
Осевая длина второй центральной части 24b может составлять от 20 до 60 мм, предпочтительнее от 30 до 40 мм, например составляет 36 мм. Осевая длина третьей части 24c может составлять от 10 до 50 мм, предпочтительно от 20 до 30 мм.
Зона 20 опоры на фиг. 7 и 8 содержит обшивку или армирование поверхности из более твердого материала, чем остальная часть элемента 3. Твердый материал может включать карбид вольфрама или хром. Твердый материал может иметь толщину, составляющую от 1 до 10 мм, например от 2 до 4 мм. Указанный твердый материал имеет форму твердой обшивки, которая может быть введена посредством операции сварки или термического нанесения (например, посредством факела или плазмы). Зона 20 опоры предусмотрена для поддержания осевого трения и вращения относительно стенки пробуриваемой скважины.
Как вариант, согласно фиг. 9 армирование поверхности наносят снаружи на цилиндрический участок 21 за исключением зон 24 активации. Армирование, таким образом, наносят после обработки зон 24 активации.
Согласно фиг. 8 и 9, первая цилиндрическая часть имеет максимальный внешний диаметр OD1, в частности, определяемый вне зон 24 активации, и определяемый относительно внешнего диаметра ODs зоны 23 сопряжения таким образом, что подъемная поверхность 22 имеет наклон γ порядка 18° относительно оси X.
В частности, согласно фиг. 8 и 9 максимальный внешний диаметр OD1 больше внешнего диаметра OD3 второго цилиндрического участка 21. В частности, OD1 в 1,05-1,5 раза больше внешнего диаметра OD3. Максимальный внешний диаметр OD1 также меньше либо равен внешнему диаметру OD2 поверхности 20 опоры. В результате, если максимальный внешний диаметр OD1 равен внешнему диаметру OD2, повышается польза от нанесения армирования поверхности на первом цилиндрическом участке 21 для его защиты. Такая конфигурация также позволяет ограничить общий максимальный диаметр элемента согласно изобретению.
Подъемная поверхность 22 определяет огибающую поверхность в виде усеченного конуса с предусмотренной в ней выемкой, в частности, третьих частей 24c зон 24 активации. Таким образом, предлагаемая поверхность опоры для подъема меньше ее огибающей поверхности. Для лучшего представления размера этой огибающей поверхности, охватывающей зоны 24 активации, на фиг. 10 показана проекция этой огибающей поверхности на плоскость, перпендикулярную оси X.
На фиг. 10 показана осевая проекция относительно оси X указанной подъемной поверхности 22 на плоскость, перпендикулярную указанной оси X. Осевая проекция образует кольцо. Это кольцо содержит внутреннюю кольцевую поверхность 30. Внутренняя кольцевая поверхность 30, смежная с участком с радиусом R4, является сплошной и не содержит зон 24 активации. Внутренняя кольцевая поверхность 30 окружена в радиальном направлении до внешней стороны второй кольцевой поверхностью 31. Этот второй кольцевой участок 31 содержит рабочие выемки 24.
Граница между внутренней кольцевой поверхностью 30 и внешней кольцевой поверхностью 31 определяется окружностью C, показанной пунктиром на фиг. 10, периметр которой предусмотрен таковым, чтобы входить в контакт по касательной по меньшей мере с одной из зон активации. Окружность C имеет диаметр ODc, больший либо равный диаметру ODs зоны 23 сопряжения. Этот диаметр ODc строго меньше диаметра OD1. Диаметр ODc, например, в 1,05-1,15 раза больше диаметра ODs.
В частности, первая кольцевая поверхность 30 не равна нулю. Она равна 3,14 * [(ODc)2 - (ODs)2]. Она составляет по меньшей мере 5%, предпочтительно по меньшей мере 15% от всей предполагаемой подъемной поверхности указанного охватывающего разъема. Вся эта предполагаемая поверхность равна 3,14 * [(OD1)2-(ODs)2]. Диаметр OD1 выполнен таковым, чтобы была предусмотрена поверхность опоры подъемной поверхности 22, позволяющая компенсировать недостатки опоры перпендикулярно зонам активации 24.
Второй кольцевой участок 31 содержит внешнюю зубчатую кромку, причем выемки указанной внешней зубчатой кромки соответствуют зонам 24 активации. Между зонами активации 24 указанная внешняя кромка содержит участок с радиусом R3.
На фиг. 3 элемент 3 согласно изобретению содержит охватываемый разъем 5. Подобно охватывающему разъему, охватываемый разъем может содержать зоны активации, такие как зоны 24, образующие выемки на участке в виде усеченного конуса. В частности, зоны активации охватываемого разъема частично выполнены на участке 42 в виде усеченного конуса, служащем поверхностью опоры в подъемном устройстве. Между зоной 17 сварных швов и свободным концом части 19 резьбового соединения внешний периметр охватываемого разъема 5 содержит, последовательно вдоль оси X, зону 43 сопряжения, подъемную поверхность 42 в виде усеченного конуса, третий цилиндрический участок 41, зону 40 опоры и четвертый цилиндрический участок 49, проходящий до части 19 резьбового соединения. Зона 43 сопряжения является цилиндрическим участком с внешним диаметром порядка внешнего диаметра ODs.
В отличие от подъемной поверхности 22 охватывающего разъема, подъемная поверхность 42 охватываемого разъема такова, что рабочие выемки почти выровнены с радиальным участком, определяющим подъемную поверхность 42 зоны 43 сопряжения.
Подобно фиг. 10, на фиг. 12 показан подобный вид подъемной поверхности 43. Внутренняя кольцевая поверхность сама по себе менее прочная, чем подъемная поверхность 22. Поверхность зон активации, таких как зоны 24, занимает часть охватываемой подъемной поверхности 42, большую, чем часть поверхности, занимаемая зонами активации на охватывающей подъемной поверхности 22.
Зона 40 опоры может иметь геометрические, физические и/или химические характеристики, подобные характеристикам зоны 20 опоры.
Факультативно разъемы 4 и/или 5 могут содержать не показанные на фигурах пазы, расположенные на поверхности второго цилиндрического участка охватывающей части 18 соединения вблизи зоны 20 опоры. Эти пазы также позволяют обеспечить рециркуляцию шлама и отвальной породы в ходе бурения и очистки стенок скважины при подъеме колонны труб.
1. Трубный элемент (3) бурильной колонны, содержащий по существу цилиндрический корпус (12) и два разъема (4, 5), при этом каждый разъем расположен на конце корпуса и содержит резьбовой участок (18, 19), выполненный с возможностью сопряжения с комплементарным элементом, при этом по меньшей мере один из разъемов имеет подъемную поверхность (22, 42), выполненную с возможностью взаимодействия с подъемным устройством элемента для его сборки в бурильной колонне, и отличающийся тем, что подъемная поверхность содержит некруглое поперечное сечение, образующее зону (24) активации для бурового раствора.
2. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что каждый из двух разъемов (4, 5) содержит подъемную поверхность (22, 42) таким образом, что поперечное сечение каждой подъемной поверхности является некруглым вследствие образованной в ней зоны (24) активации для бурового раствора.
3. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что некруглое поперечное сечение содержит по меньшей мере одно из выемки или плоской поверхности.
4. Элемент по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что подъемная поверхность (22, 42) имеет огибающую поверхность в форме усеченного конуса с предусмотренной в ней выемкой.
5. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что выемка разъема образует паз, проходящий дальше подъемной поверхности в направлении свободного конца указанного разъема.
6. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что подъемная поверхность содержит несколько отдельных выемок, расположенных по ее периметру.
7. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что зона (24) активации имеет в целом спиральную форму вокруг оси указанного элемента таким образом, что наклон спиральной формы относительно продольной оси предпочтительно составляет от 0° до 60°, предпочтительнее от 10° до 30°.
8. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что зона (24) активации разъема расположена на единственном кольцевом участке указанного разъема.
9. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что он содержит зону (20, 40) опоры для вхождения в контакт со стенкой скважины таким образом, чтобы зона (24) активации располагалась между зоной опоры и цилиндрическим корпусом.
10. Элемент по предыдущему пункту, отличающийся тем, что подъемная поверхность соединена с зоной опоры первым цилиндрическим участком (21), при этом зона опоры соединена в направлении свободного конца разъема со вторым цилиндрическим участком (18).
11. Элемент по предыдущему пункту, отличающийся тем, что зона активации расположена на первом цилиндрическом участке.
12. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере одно из зоны опоры и первого цилиндрического участка содержит усиленную поверхность, например, с применением материала большей твердости, чем твердость материала разъема, или усиленную посредством термической или механической обработки поверхности указанного разъема.
13. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что внешний диаметр (OD1) первого цилиндрического участка больше либо равен внешнему диаметру (OD3) второго цилиндрического участка, при этом указанный внешний диаметр (OD1) первого цилиндрического участка меньше внешнего диаметра (OD2) зоны опоры.
14. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что подъемная поверхность является таковой, что осевая проекция по оси цилиндрического корпуса этой подъемной поверхности на ортогональную плоскость на указанной оси содержит сплошную внутреннюю кольцевую поверхность (30), окруженную радиально с наружной стороны второй кольцевой поверхностью (31), содержащей внешнюю зубчатую кромку, так что выемки указанной внешней зубчатой кромки соответствуют зонам активации.
15. Элемент по п. 14, отличающийся тем, что содержит охватывающий разъем с предусмотренной на нем подъемной поверхностью таким образом, что внутренняя кольцевая поверхность (30) не равна нулю и, в частности, составляет по меньшей мере 5%, предпочтительно по меньшей мере 15% всей предполагаемой подъемной поверхности указанного охватывающего разъема.
16. Элемент по п. 14 или 15, отличающийся тем, что содержит охватываемый разъем с предусмотренной на нем подъемной поверхностью, при этом внутренняя кольцевая поверхность не равна нулю и, в частности, составляет от 0 до 15%, предпочтительно от 0 до 5% всей предполагаемой подъемной поверхности указанного охватываемого разъема.
17. Способ сборки трубных элементов бурильной колонны по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что разъем, содержащий подъемную поверхность и охватывающую резьбу на своей внутренней стенке, размещен в подъемном устройстве таким образом, что элемент подвешен вертикально для его соединения с другим удерживаемым вертикально элементом.
