Різьбове з’єднання бурильних труб з індикатором контролю технічного стану

Реферат: Різьбове з'єднання бурильних труб з індикатором контролю технічного стану може бути застосоване в нафтогазовій галузі, зокрема в компоновці низу бурильної колони, що використовується при бурінні свердловин. Різьбове з'єднання бурильних труб з індикатором контролю технічного стану містить ніпель, муфту з різьбовою ділянкою і індикатор, виконаний у вигляді товстостінного кільця з концентратором напружень та з тонкостінними елементами по обидві сторони від концентратора, жорстко з'єднаного з тонкостінною оболонкою. Згідно з винаходом, в товстостінному кільці виконані ортогональні пази вздовж осі оболонки з UA 111563 C2 (12) UA 111563 C2 внутрішнім діаметром, рівним діаметру дна концентратора напружень, в яких закріплена система тензодавачів з виходами, електрично з'єднаними з блоком реєстрації деформацій, що змонтований на оболонці в герметичній порожнині між внутрішньою поверхнею ніпеля і зовнішньою поверхнею оболонки та виконаний на базі аналого-цифрового перетворювача з картою пам'яті і блоком живлення. Позитивний ефект під час використання різьбового з'єднання бурильних труб з індикаторами контролю технічного стану запропонованої конструкції досягається через контроль в часі і просторі миттєвих значень деформацій та здійснення їх довготривалої реєстрації і збереження в автономному режимі. Це дає можливість підвищити точність реєстрації процесу накопичення втомних пошкоджень різьбових з'єднань в умовах буріння свердловин та прогнозування їх залишкового ресурсу. UA 111563 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до бурової техніки, зокрема до різьбових з'єднань бурильних труб, що містять засоби контролю їх технічного стану - індикатори втоми, і може бути застосований в нафтовидобувній галузі. Відоме різьбове з'єднання бурильних труб, що містить ніпель, муфту з різьбовою ділянкою і індикатор, який виконаний у вигляді тонкостінної циліндричної оболонки, яка відносно внутрішньої поверхні ніпеля встановлена з зазором більшим 1 мм, і товстостінного кільця з концентратором напружень, яке контактує з внутрішньою поверхнею ніпеля поверхнями по обидві сторони від концентратора [Різьбове з'єднання бурильних труб. Патент України № 62007, Е21В 17/042, Бюл. №12, 2003]. При згвинчуванні різьбового з'єднання зазор між циліндричною оболонкою індикатора і внутрішньою поверхнею ніпеля сприяє виникненню в оболонці деформацій, які визначають номінальний напружений стан у товстостінному кільці з концентратором напружень. Однак, при прикладанні до досліджуваного об'єкта згинальних навантажень, трапляються випадки руйнування індикатора не по концентратору, а за межами товстостінного кільця. Це зумовлено нерівномірним обтискання внутрішньою поверхнею ніпеля зовнішньої поверхні товстостінного кільця з утворенням пресової посадки різного рівня і призводить до неточності оцінки втомного пошкодження різьбового з'єднання бурильних труб. Відоме також різьбове з'єднання з індикатором контролю, яке містить ніпель, муфту з різьбовою ділянкою і індикатор, який виконаний у вигляді товстостінного кільця з концентратором напружень, жорстко з'єднаного з тонкостінною оболонкою, в якому товстостінне кільце контактує з внутрішньою поверхнею ніпеля площадкою по одну сторону від концентратора. По другу сторону від концентратора товстостінне кільце виконується діаметром, який менший на величину діаметральної деформації внутрішньої поверхні ніпеля [Різьбове з'єднання бурильних труб. Патент України №79493, Е21В 17/042, F16L 15/00, Бюл.№9, 2007]. У вказаній конструкції при правильному розташуванні зони контакту присутнє, умовно називаючи, розкриття берегів тріщини утворюваної в концентраторі, що зумовлено провертанням частини товстостінного кільця в сторону від концентратора, через нерівномірну деформацію внутрішньої поверхні ніпеля. Крім того, напружений стан індикатора, саме в перерізах концентратора, суттєво залежить від такого експлуатаційного параметра, як натяг в парі індикатор-ніпель після згвинчування різьбового з'єднання. Найбільш близьким до пропонованого є різьбове з'єднання бурильних труб, яке містить ніпель, муфту з різьбовою ділянкою і індикатор, виконаний у вигляді товстостінного кільця з концентратором напружень, жорстко з'єднаного з тонкостінною оболонкою, причому, в товстостінному кільці по обидві сторони від концентратора виконано тонкостінні елементи із зовнішнім діаметром, не меншим за діаметр дна концентратора напружень [Різьбове з'єднання бурильних труб з індикатором контролю технічного стану. Патент України №102958, Е21В 17/042, F16L 15/08, Бюл. № 16, 2013]. У вказаній конструкції товстостінне кільце у згвинченому різьбовому з'єднанні контактує з внутрішньою поверхнею ніпеля поверхнями по обидві сторони від кільцевої виточки. При цьому напружений стан в зоні концентратора формується під дією ніпеля і підсилюється через особливості напружено-деформованого стану тонкостінних елементів, виконаних по обидві сторони від концентратора. У процесі згвинчування в концентраторі виникають напруження, що відповідають рівню середніх напружень в небезпечному перерізі контрольованого різьбового з'єднання. При експлуатації також можливе сприйняття індикатором зовнішніх змінних навантажень такого рівня величини, що зумовлює втомне руйнування різьбового з'єднання. Однак, на величину накопиченого втомного пошкодження в елементах різьбових з'єднань колони в умовах експлуатації впливає як рівень діючих змінних навантажень, так і число повторень цих навантажень, що визначається числом циклів навантажень за аналітичними залежностями через довготривалість процесу буріння свердловини і кутову швидкість обертання колони. Це призводить до значної похибки в оцінці числа циклів навантаженості, а отже до низької достовірності прогнозу залишкового ресурсу різьбових з'єднань за допомогою таких індикаторів. В основу винаходу поставлено задачу вдосконалення різьбового з'єднання, а саме індикатора контролю шляхом його конструктивних змін, які б не порушили умов контакту пари індикатор-ніпель, що сприяють стабільності напруженого стану в індикаторі на рівні напруженого стану в небезпечному перерізі різьбового з'єднання, як під дією моменту згвинчування з'єднання, так і під дією змінних навантажень бурильної колони в усьому діапазоні величин, які зумовлюють втомне руйнування різьбового з'єднання, забезпечити можливість контролю в часі і просторі миттєвих значень деформацій і їх довготривалу реєстрацію та 1 UA 111563 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 збереження в автономному режимі, тобто забезпечити контроль числа циклів змінних навантажень колони, що діють на різьбові з'єднання. Поставлена задача вирішується завдяки тому, що у відомому різьбовому з'єднані бурильних труб з індикатором контролю технічного стану, яке містить ніпель, муфту з різьбовою ділянкою і індикатор, виконаний у вигляді товстостінного кільця з концентратором напружень та з тонкостінними елементами по обидві сторони від концентратора, жорстко з'єднаного з тонкостінною оболонкою, згідно з винаходом, в межах товстостінного кільця виконані ортогональні пази вздовж осі оболонки з внутрішнім діаметром, рівним діаметру дна концентратора напружень, в яких закріплена система тензодавачів з виходами, електрично з'єднаними з блоком реєстрації деформацій, виконаним на базі аналого-цифрового перетворювача з картою пам'яті і блоком живлення та змонтованим на оболонці в герметичній порожнині між внутрішньою поверхнею ніпеля і зовнішньою поверхнею оболонки. Таке технічне рішення дозволяє здійснити блоком реєстрації довготривалу реєстрацію змінних миттєвих значень величини деформацій індикатора в зоні концентратора напружень та записувати їх на карту пам'яті, яка є базою даних для комп'ютерної обробки і проведення математичного аналізу. Таким чином сукупністю відомих і пропонованих суттєвих ознак отримано нове технічне рішення, яке на винахідницькому рівні забезпечує технічний результат і є достатнім для вирішення поставленої задачі винаходу. Суть винаходу пояснюють креслення. На Фіг. 1 зображена конструкція різьбового з'єднання бурильних труб з індикатором контролю технічного стану. На Фіг. 2 - те ж в розрізі А-А (конструктивне виконання ортогональних пазів). Різьбове з'єднання з індикатором складається з ніпеля 1, муфти 2 з різьбовою ділянкою 3 і індикатора контролю виконаного у вигляді товстостінного кільця з концентратором напружень 4, тонкостінними елементами 5, площадками контакту 6 та ортогональними пазами 7, що виконані в межах товстостінного кільця. Товстостінне кільце виготовлене як одна деталь з тонкостінною циліндричною оболонкою 8, один кінець якої має виступ 9, а інший - різьбу 10, за допомогою якої індикатор з'єднують з монтажною втулкою 11, жорстко з'єднаною з зарізьбовою частиною ніпеля 1, що забезпечує герметичність порожнини 12. На дні пазів 7 в зоні концентратора напружень 4 прикріплена система тензодавачів 13, а на тонкостінній циліндричній оболонці 8 в порожнині 12 прикріплений блок реєстрації деформацій, в який входять: аналого-цифровий перетворювач 14, карта пам'яті 15, блок живлення 16. Блок реєстрації деформацій з'єднаний з системою тензодавачів 13 електричними провідниками 17. Різьбове з'єднання бурильних труб з індикатором контролю технічного стану працює наступним чином. Під час операції спуску бурового інструменту замкове різьбове з'єднання з індикатором встановлюють в компоновку низу бурильної колони в місцях, що потребують контролю величини накопиченого втомного пошкодження колони. Перед встановленням різьбового з'єднання вмикають блок реєстрації деформацій, робота якого запрограмована в певній послідовності, і індикатор вгвинчують за допомогою різьби 10 в монтажну втулку 11 до упора виступу 9 в торець ніпеля 1. При з'єднанні ніпеля 1 з муфтою 2 за допомогою різьбової ділянки 3, відбувається радіальна деформація ніпеля 1, завдяки чому створюються радіальні зусилля на площадках контакту 6 товстостінного кільця, виконаного як одне ціле з тонкостінною оболонкою 8 індикатора. Напружений стан в зоні концентратора напружень 4 формується під дією ніпеля 1, підсилюється через особливості напруженодеформованого стану тонкостінних елементів 5, виконаних по обидві сторони від концентратора, та відповідає рівню напружень в небезпечному перерізі контрольованої різьбової ділянки 3. При цьому забезпечується сприйняття індикатором зовнішніх змінних навантажень в діапазоні величин, що зумовлюють втомне руйнування різьбового з'єднання. Деформації в зоні концентратора напружень 4 фіксуються закріпленими в пазах 7 мостовими схемами тензодавача 13 і за допомогою електричних провідників 17 передаються в блок автоматичної реєстрації деформацій, в якому проходить їх обробка в аналого-цифровому перетворювачі 14 і запис у карту пам'яті 15. Після підйому бурильної колони на поверхню та розгвинчування різьбового з'єднання з індикатора демонтують блок реєстрації і дані записані на карту пам'яті 15 піддають комп'ютерній обробці та математичному аналізу. Позитивний ефект під час використання різьбового з'єднання бурильних труб з індикаторами контролю технічного стану запропонованої конструкції досягається через контроль в часі і просторі миттєвих значень деформацій та здійснення їх довготривалої реєстрації і збереження в автономному режимі. Це дає можливість підвищити точність 2 UA 111563 C2 реєстрації процесу накопичення втомних пошкоджень різьбових з'єднань в умовах буріння свердловин та прогнозування їх залишкового ресурсу. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 Різьбове з'єднання бурильних труб з індикатором контролю технічного стану, яке містить ніпель, муфту з різьбовою ділянкою і індикатор, виконаний у вигляді товстостінного кільця з концентратором напружень та з тонкостінними елементами по обидві сторони від концентратора, жорстко з'єднаного з тонкостінною оболонкою, яке відрізняється тим, що в межах товстостінного кільця виконані ортогональні пази вздовж осі оболонки з внутрішнім діаметром, рівним діаметру дна концентратора напружень, в яких закріплена система тензодавачів з виходами, електрично з'єднаними з блоком реєстрації деформацій, виконаним на базі аналого-цифрового перетворювача з картою пам'яті і блоком живлення та змонтованим на оболонці в герметичній порожнині між внутрішньою поверхнею ніпеля і зовнішньою поверхнею оболонки. Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3