КОНСТРУКЦИЯ БУРИЛЬНОЙ ТРУБЫ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Изобретение относится к области изготовления бурильной трубы, а именно к соединению металлических трубчатых деталей со стальными замками.

Известно соединение трубчатых деталей сваркой трением и способ сварки трением соединения трубчатых деталей, содержащее деталь замка и трубу с сопрягаемыми свариваемыми торцами, деталь замка со стороны сопрягаемого торца расточена с образованием кольцевого выступа, имеющего внутреннюю коническую поверхность, а труба у сопрягаемого свариваемого торца проточена с образованием ответной наружной конической поверхности, при этом упомянутые конические поверхности размещены с возможностью их посадки с гарантированным натягом после сварки деталей замка и трубы (патент РФ №RU 2366551, МПК В23К 20/12, опубл. 10.09.2009 г.).

Известно соединение бурильных труб, в котором торцы трубы соединены с деталями замка (ниппель или муфту) сваркой. В данном соединении перед операцией сварки для упрочнения сварного соединения концы трубы высаживают, т.е. утолщают (см. ГОСТ Р 50278-92 «Трубы бурильные с приваренными замками. Технические требования»).

В известных технических решениях использование сварки в неразъемных соединениях, как правило, снижает прочность до 35% от прочности трубы и не обеспечивает необходимую соосность замков с трубой.

Наиболее близкой по совокупности существенных признаков является труба бурильная с замками переменного внутреннего сечения, включающая тело трубы с высаженными концами и с приваренными к ним ниппелем и муфтой замка, соединяемыми между собой посредством трапецеидальной конической резьбы с двумя упорами - внешним и внутренним, внутреннее отверстие ниппеля и внутреннее отверстие муфты, примыкающие к внутреннему упору, меньше внутреннего отверстия ниппеля и муфты, примыкающих к сварке, при этом переход от меньшего отверстия муфты, примыкающего к внутренней упорной плоскости, к ее большему отверстию, примыкающему к сварке, выполнен в виде диффузора, а внешний контур внутреннего упорного торца ниппеля сопрягается с ответным внутренним упорным уступом муфты по закругленной поверхности (патент РФ на ПМ №RU 128912, МПК F16L 9/00, Е21В 17/00, опубл. 10.06.2013 г.).

Недостатком данной полезной модели является недостаточно прочное соединение трубы с муфтой и ниппелем из-за использования сварки при их соединении и не обеспечивает заданную соосность замков с осью трубы.

Задача предлагаемого технического решения заключается в повышении эксплуатационных качеств бурильных труб.

Поставленная задача решается тем, что в конструкции бурильной трубы, включающей трубы с высаженными концами и с присоединенными к ним ниппелем и муфтой замка, соединенными между собой посредством резьбы, с внешней и внутренней упорными поверхностями, высаженные концы труб и сопряженные с ними поверхности ниппеля и муфты выполнены с цилиндрической и конической поверхностями, при этом конические поверхности выполнены ступенчатыми с образованием канавок, в которых размещен припой, припой размещен и на торце сопрягаемой цилиндрической поверхности, трубы соединены с ниппелем и муфтой посредством пайки с натягом, кроме того, на наружной поверхности ниппеля и муфты выполнены наплавлением износостойкие пояски.

Геометрия сопряженных поверхностей трубы, ниппеля и муфты обеспечивает гарантированную посадку с натягом и обеспечивает соосность труб и замков. Высота ступеней на конических поверхностях выполнена в пределах допуска на упругие деформации материала соединяемых деталей.

Угол наклона конических сопряженных поверхностей соединения выбирается таким образом, чтобы суммарная срезающая толщина всех выступов у основания не была меньше толщины стенки невысаженной части трубы. Внутренний диаметр ниппеля и муфты и внутренний диаметр трубы равны.

Выполнение высаженных концов труб и сопряженных с ними концов муфты и ниппеля с цилиндрической и конической поверхностями обеспечивает посадку с натягом, что обеспечивает прочность и надежность соединения.

Выполнение конических поверхностей ступенчатыми с образованием канавок, позволяет обеспечить надежную фиксацию деталей замка с трубой, а также равномерно разместить припой, что обеспечивает герметичность и надежность соединения.

Соединение трубы с ниппелем и муфтой посредством пайки позволило получить равнопрочное соединение, обладающее высокой герметичностью, вибрационной и усталостной прочностью.

Наличие на наружной поверхности ниппеля и муфты износостойких поясков и позволяет противостоять комбинированному износу бурильной трубы, такому, как истирание грубым абразивом разбуриваемых горных пород, эрозии, сильным ударам и давлению.

Все вышеперечисленные признаки в совокупности позволяют повысить эксплуатационные качества бурильной трубы.

Для решения поставленной задачи в способе изготовления бурильной трубы, включающем высадку концов труб, соединение концов труб с ниппелем и муфтой, соединение ниппеля и муфты между собой резьбовым соединением, производят механическую обработку соединяемых концов труб, ниппеля и муфты с образованием сопрягаемых цилиндрических и конических поверхностей, при этом на конических поверхностях выполняют ступени с образованием канавок, в которых размещают припой, припой размещают и на торце сопрягаемой цилиндрической поверхности, на наружной поверхности ниппеля и муфты наплавляют износостойкие пояски, соединение ниппеля, муфты с трубой осуществляют посредством пайки с натягом.

Новыми признаками являются то, что производят механическую обработку соединяемых концов труб, ниппеля и муфты с образованием цилиндрических и конических поверхностей, при этом на конических поверхностях выполняют ступени с образованием канавок, в которых размещают припой, припой размещают и на торце сопрягаемой цилиндрической поверхности, на наружной поверхности ниппеля и муфты выполняют износостойкие пояски, соединение ниппеля, муфты с трубой осуществляют посредством пайки с натягом.

Угол наклона конусных сопряженных поверхностей соединения выбирается таким образом, чтобы суммарная срезающая толщина всех выступов у основания не была меньше толщины стенки невысаженной части трубы.

Ниппель, муфту и трубы перед соединением подвергают термообработке по отдельности.

Заявленная совокупность признаков позволила повысить эксплуатационные качества бурильной трубы.

Техническим результатом заявленного технического решения является получение равнопрочного соединения труб с деталями замка, обладающего высокой герметичностью, вибрационной и усталостной прочностью.

Анализ известных технических решений в данной области техники показал, что заявляемое техническое решение имеет признаки, которые отсутствуют в аналогах, а их использование в заявляемой совокупности существенных признаков позволяет получить новый технический результат, следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условиям патентоспособности «новизна» и «изобретательский уровень».

Заявляемое техническое решение поясняется чертежами:

фиг. 1 - конструкция бурильной трубы, в разрезе;

фиг. 2 - конец трубы, в разрезе;

фиг. 3 - ниппель, в разрезе;

фиг. 4 - муфта, в разрезе;

фиг. 5 - реализация способа сборки ниппеля с трубой, в разрезе;

фиг. 6 - реализация способа сборки муфты с трубой, в разрезе;

Бурильная труба состоит из металлических труб 1, соединенных между собой при помощи замков. Замки выполнены из стали и состоят из ниппеля 2 и муфты 3.

Трубы 1 выполнены из легированной стали или алюминиевого сплава с высаженными концами 4. Трубы 1 с высаженными концами 4 термически обработаны (закалкой, нормализацией, отпуском).

Высаженные концы 4 труб 1 выполнены с цилиндрической и конической поверхностями. Коническая поверхность трубы 1 выполнена ступенчатой с образованием кольцевых канавок, в которых размещен припой 5 или выполнено лужение конических и цилиндрических сопряженных поверхностей припоем. Кроме того, припой 5 заложен и на торце сопрягаемой цилиндрической поверхности.

Ниппель 2 и муфта 3 для бурильной трубы изготовлены по требованиям ГОСТ 27834-95 из легированной стали. Поверхности ниппеля 2 и муфты 3, сопрягаемые с трубой 1, выполнены комбинированными, состоящими из цилиндрических и конических участков. Конические участки ниппеля 2 и муфты 3 выполнены ступенчатыми с образованием кольцевых канавок, в которых размещен припой 5, или выполнено лужение конических и цилиндрических сопряженных поверхностей припоем.

Припой 5 выполнен в виде ленты, имеющей профиль канавок. В качестве припоя 5 может использоваться серебряный припой, который дает возможность использования более низких температур, не влияющих на их термическую обработку и при этом получения прочных швов.

Ниппель 2 и муфта 3 соединены между собой резьбовым соединением. В резьбовой части ниппеля 2 и муфты 3 выполнены внешние и внутренние упорные поверхности 6, обеспечивающие увеличенные моменты свинчивания при соединении труб 1. Данное резьбовое разъемное соединение позволяет выдерживать моменты свинчивания, на 35-70% большие, чем стандартные замки, в зависимости от диаметра.

Ниппель 2 и муфта 3 термообработаны, а их резьбовые части упрочнены.

На наружной поверхности ниппеля 2 и муфты 3 выполнены, например, наплавлением износостойкие пояски 7. А на внутреннюю поверхность нанесено покрытие. Это повышает эксплуатационные характеристики при работе в условиях скважины с необсадным стволом и имеет наименьшие показатели износа бурильной трубы в условиях скважины с обсадной колонной. Износостойкие пояски 7 позволяют противостоять комбинированному износу, такому как истирание грубым абразивом разбуриваемых горных пород, эрозии, сильным ударам и давлению.

Высота ступеней на конических поверхностях трубы 1, ниппеля 2 и муфты 3 выполнена в пределах допуска на упругие деформации материала соединяемых деталей. Вершины ступеней притуплены.

Сопрягаемые конические поверхности трубы 1, ниппеля 2 и муфты 3 имеют одинаковую конусность по отношению к осевой линии и одинаковый шаг ступеней. Геометрия сопряженных поверхностей при соединении ниппеля 2 и муфты 3 с трубой 1 обеспечивает посадку с гарантированным натягом.

Угол наклона конических сопряженных поверхностей соединения выбирается таким образом, чтобы суммарная срезающая толщина всех выступов у основания не была меньше толщины стенки невысаженной части трубы 1.

Внутренний диаметр ниппеля 2 и муфты 3 и внутренний диаметр трубы 1 равны.

Трубы 1 соединены с ниппелем 2 и муфтой 3 посредством пайки с натягом.

Способ изготовления бурильной трубы осуществляется следующим образом.

Берут металлическую трубную заготовку, фиксируют на горизонтально-ковочной машине в нескольких местах с помощью гидравлического зажима и осуществляют высадку одновременно обоих концов трубы за один проход пуансона, затем трубную заготовку термически обрабатывают. Трубы 1 подвергают правке, контролю по геометрическим характеристикам и по дефектам поверхности. Затем высаженные концы 4 труб 1 подвергают механической обработке и формируют на них ступенчатые конические с образованием кольцевых канавок и цилиндрические сопрягаемые поверхности. В кольцевые канавки закладывают припой 5 или выполняют лужение конических и цилиндрических сопряженных поверхностей припоем. Кроме того, припой 5 закладывают и на торец сопрягаемой цилиндрической поверхности.

Берут ниппель 2 и муфту 3, изготовленные по ГОСТ 27834-95. Ниппель 2 и муфту 3 подвергают термической обработке по отдельности и упрочняют их резьбовые части. В резьбовой части ниппель 2 и муфта 3 выполнены с внешней и внутренней упорными поверхностями 6, которые обеспечивают увеличенные моменты свинчивания при соединении труб 1.

Внутренние сопрягаемые поверхности ниппеля 2 и муфты 3 подвергают механической обработке и получают конические ступенчатые с образованием кольцевых канавок и цилиндрические сопрягаемые поверхности. Механическую обработку осуществляют на токарных станках с соблюдением всех допусков и посадок. Затем на наружную поверхность ниппеля 2 и муфты 3 производят наплавление износостойких поясов 7, а на внутреннюю поверхность ниппеля 2 и муфты 3 наносят покрытие.

В кольцевые канавки закладывают припой 5 или выполняют лужение конических и цилиндрических сопряженных поверхностей припоем.

Соединение ниппеля 2 и муфты 3 с трубой 1 осуществляют на горизонтальном прессе с предварительным нагревом замков индуктором ТВЧ и создают необходимое осевое давление. Давление и нагрев замков обеспечивают термическую посадку сопрягаемых поверхностей с гарантированным натягом. Нагретые замки разогревают припой 5 и нагревают ответные охватываемые сопряженные поверхности концов трубы 1, обеспечивая герметичность и повышенную прочность соединения. Полученное соединение охлаждают на воздухе.

Проводят контроль геометрических размеров и гидравлическое испытание. На внутреннюю поверхность трубы 1 наносят защитные покрытия.

Использование пайки позволило получать соединения, равнопрочные с основным металлом, обладающие высокой герметичностью, вибрационной и усталостной прочностью.

В качестве примера для изготовления бурильной трубы использовали трубы группы прочности Х80, XI20, G105, S135 диаметром 127 мм, внутренним диаметром 109,8 мм, толщиной стенки 9,2 мм, длиной 11 м из стали 37Г2Ф с исходной структурой, имеющей размер зерна 9-10 баллов, использован индукционный нагрев. Нагрев при пайке производился установкой ТВЧ с частоты 2500 Гц, мощностью 100 кВт. Пайка велась серебряным припоем. Нагрев - на высокочастотной установке МГЗ-102А (с преобразователем частоты ПВС-100-2500 и трансформатором ВТО-500) и ЛГ-363 с частотой 68 кГц. Нагрев осуществлялся с применением индуктора, обеспечивающего равномерный нагрев труб разного диаметра. Пайка трубы с замком производилась в оснастке, обеспечивающей соосность в условиях поджатия в осевом направлении на гидравлическом прессе. Вытекание жидкого припоя предотвращается образованием замкнутых поверхностей при сопряжении поверхностей.

Изобретение обеспечивает улучшение качества изготовления бурильной трубы и повышает надежность, долговечность работы бурильной трубы.

Таким образом, заявляемое техническое решение позволило повысить эксплуатационные качества бурильной трубы за счет получения равнопрочного соединения труб с деталями замка, обладающего высокой герметичностью, вибрационной и усталостной прочностью и за счет отсутствия мест сужения в бурильной трубе, снижающего гидравлические потери при прохождении жидкости по трубам с покрытием.

Конструкция бурильной трубы и способ ее изготовления могут быть осуществлены на стандартном оборудовании с использованием современных материалов и технологий.