Способ соединения замковых деталей с бурильными трубами

1710692 А СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 17/02, 17 1)5 Е ИЗОБРЕТЕНИДЕТЕЛ ЬСТВУ ОПИС К АВТОРСКОМУ ин т гвиКу Трубы и е за ру, с. Изобретенжин, в частносименно - к соезамками, муфтду собой. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР(56) Щербюк Н,ДЯкубовский Н.В.резьбовые соединения, применяемьбежом, Труды ВНИИБТ, вып,Х, М.113, рис. 6 4) СПОСОБ СОЕДИНЕНИЯ ЗАМКОВЫХЕТАЛЕЙ С БУРИЛЪНЫМИ ТРУБАМИ ие относится к бурению сква и к буровому инструменту, а динениям бурильных трубс ми, ниппелями, а также меж 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.(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,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 по5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 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 небольшихнеточностях 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; чрезмерно 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 зависимостиМ.=о, сРрс(3,4+0,70 ЛР+0,2 10 Ь 1, где Мк - крутящий момент, который необходимо приложить при свинчивании замковой детали и трубы, Н м;о - предел текучести материала труб, Па;бр - диаметр резьбы соединения, м; т - ширина площадки первоначального конта ктирован ия допол нител ьн ых упор н ых торцов замковой детали.и трубы, м;Ь - продольная деформация дополнительных упорных торцов замковой детали и трубы, м, величина которой определяется из выражения0,6 ОвОт оргде Ов - требуемая величина радиальной силы натягав 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 в местах посадкиПоскольку 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, 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.При получении расчетной зависимостиопределялись экспериментальньм путемследующие параметры; величина отношения радиального давления пластически деформированных зон к создаваемому в нихпродольному давлению; сложный коэффициент пропорциональности зависимостивеличины продольной деформации дополнительных упорных торцов от продольногосжимающего усилия; степень увеличенияплощадки контактирования дополнительных торцов по мере продольного их деформирования.В расчетной зависимости учтены результаты экспериментальных исследований, проведенных со стальнымибурильными трубами диаметром 33,5; 50 и73 мм с легкосплавными (сплав Д 16 Т) трубами диаметром 54 мм.Для осуществления способа необходимо сначала определить с помощью расчетной зависимости требуемый крутящиймомент, а затем навинтить замок на бурильную трубу с рассчитанным моментом.На фиг. 1 и 2 изображены соответственно начальный и конечный этапы процессаобразования напряженной посадки применительно к резьбовому соединению с внутренними основными упорными торцами; нафиг, 3 и 4 - то же, с внешними основнымиупорными торцами,Процесс образования напряженной посадки применительно к резьбовому соединению, показанному на фиг, 1 и 2, состоитиз двух этапов и осуществляется следующим образом.,На первом этапе (фиг, 1) резьбовое сое;динение, состоящее из бурильной трубы 1 изамка 2 с имеющимися у них резьбами 3диаметром бр, основными упорными торцами 4 и 5, гладкими посадочными поверхностями б и 7 с радиальным зазором междуними Ьш, на которых выполнены дополнительные упорные торцы 8 и 9 с шириной 1площадки их контактирования, свинчиваютдо соприкосновения дополнительных торцов 8 и 9,На втором этапе (фиг. 2) соединениесвинчивают 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 которогопроисходит локальное пластическое деформирование торцов в продольном направлении на величину Ь с выпучиваниемдеформированных зон 10 в радиальных направлениях и заполнением деформированным металлом кольцевого зазора Ьш, Приэтом поверхность выпучивания деформированной зоны трубы оказывает радиальное5 давление на посадочную поверхность (расточку) замка, а поверхность выпучиваниязамка - на посадочную поверхность (шейку)трубы, Величина указанного радиальногодавления, согласно экспериментальным10 данным, использованным в расчетной зависимости, составляет 500 от продольногодавления в деформированных зонах, создаонного в результате их сжатия. Суммарноерадиальное давЛение поверхностей выпучи 15 вания образует радиальную силу натяга Оя,которая вызывает локальное упругое сжатие трубы и растяжение замка в местах посадки.Для дополнительного контроля за до 20 стижением требуемой величины натяга замок и трубу целесообразно выполнитьтаким образом, чтобы в конце первого этапа, т,е, в момент вхождения дополнительных торцов 8 и 9 в соприкосновение,25 величина зазора между основными торцами4 и 5 была равной расчетной величине Ь.Напряженная посадка соединения свнешними основными упорными торцами(фиг. 3 и 4) осуществляется аналогично,30 После осуществления напряженной посадки бурильные трубы собираются в колон-ну с помощью легкоразьемных замковыхрезьб и вводятся в эксплуатацию,В процессе бурения действующие на35 бурильную колонну динамические нагрузкиот вибраций воспринимаются ослабленными резьбой участками труб и замков совместно благодаря наличию сил сцепления вместах посадки, чем достигается снижение40 уровня динамических напряжений на каждом резьбовом участке с соответствующимповышением надежности соединения в целом,Кроме описанных вариантов, предло 45 кенный способ напряженной посадки может быть осуществлен такжеприменительно к ниппельному соединениюи для непосредственного соединения трубыс трубой, Во всех случаях роль замкового50 элемента будет выполнять деталь с внутренней резьбой, а роль трубы - деталь с наруж-ной резьбой.По предложенному способу может бытьвыполнена напряженная посадка также по55 двум посадочным местам по обеим сторонам резьб, которая рекомендуется для соединения тонкостенных труб. В этом случаетребуемые крутящие моменты определяются отдельно для каждого посадочного места.а расчетный момент будет равен сумме указанных моментов.Соединение замков с бурильными трубами по предложенному способу было осуществлено применительно кмуфтово-замковому соединению бурильныхтруб диаметром 50 мм по ГОСТУ. котороебыло выполнено с цилиндрической резьбой,внешними основными упорными торцами иДополнительными упорными торцами, расположенными между резьбами и основными торцами.На первом этапе опытные соединениязамков и труб были свинчены до соприкос. новения дополнительных упорных торцов, ана втором этапе соединения были свинченыдо смыкания основных упорных торцов, чтосопровождалось деформированием дополнительных упорных торцов и образованиянапряженной посадки. Для сжатия основных упоров была произведена "дотяжка" соединения с дополнительным моментом80 - 120 кгс м,Опытные образцы соединения в количестве 10 шт были подвергнуты стендовымиспытаниям на усталость (изгиб с вращением) на базе 2 10 циклов нагружения.В качестве базы сравнения были использованы стандартные муфтово-замковые соединения бурильных труб такого жеразмера по ГОСТУ в количестве 12 образцов.В результате усталостных испытанийвсе опытные образцы отработали без поломок 2 10 циклов нагружения, в то время каку всех базовых образцов произошли поломки в области сбега резьбы труб при среднейнаработке 0,6 10 циклов.Учитывая положительные результатыусталостных испытаний, разработана конструкторская документация опытной партии стальных бурильных труб снапряженной посадкой по предложенному. способу с целью проведения приемочныхиспытаний в 1991 г,Внедрение бурильных колонн с предложенным способом напряженной посадкипланируется на первом этапе в геологических объединениях Украины с годовым объемом бурения 550 тыс, м скважин.Применение соединений бурильныхтруб 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 сбурильными трубами, включающий свинчивание замковой детали с трубой, посадку с деформацией размещенных по одной или по обеим сторонам резьбгладких посадоч ных поверхностей замковой детали и трубыдо взаимодействия их упорных торцов, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения надежности соединения и упрощения технологии ео выполнения, деформация поса дочных поверхностей и упорных торцовзамковой детали и трубы осуществляется в пластической области, причем свинчивание замковой детали и трубы производится крутящим моментом, определяемым из зависи мости,М к= отс 3 рс(3,4+0,7 10 Ь )+0,2 10 Ь Ц,где Мк - крутящий момент, который необходимо приложить при свинчивании замковой детали и трубы, Н м;35 о, - предел текучести материала труб,Па;бр - диаметр резьбы соединения, м;1 - ширина площадки первоначальногоконтактирования дополнительных упорных 40 торцов замка и трубы, м;Ь - продольная деформация дополнительных упорных торцов замка и трубы, м.величина которой определяется из выражения45 0,6 ОвО бргде Ов - требуемая величина радиальнойсилы натяга в месте посадки, Н.1710692 Составитель Л.ЧерепенкинаРедактор Н.Химчук Техред М.Моргентал Корректор О.Кравцов оизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10 аказ 317 ВНИИПИ 7б Гд Тираж Подписноесударственного комитета по изобретениям и открытиям при ГК 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5