THE PRINCIPLES OF CONCEALED NIPPLE THREAD CONNECTION IN DRILL STRING AT THE STRAIN WAVE PROPAGATION

Шадрина А.В.¹, Саруев Л.А.²

¹Кандидат технических наук,

²Доктор технических наук,

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

МЕХАНИЗМ РАБОТЫ НИППЕЛЬНОГО СОЕДИНЕНИЯ ЗАКРЫТОГО ТИПА БУРИЛЬНЫХ ТРУБ В ПРОЦЕССЕ ПРОХОЖДЕНИЯ ВОЛНЫ ДЕФОРМАЦИИ

Аннотация

В статье приведено описание механизма распределения тангенциальных напряжений в соединительном элементе закрытого типа бурильных труб в процессе прохождения волны деформации по бурильной колонне.

Ключевые слова: бурильная колонна, ниппельное соединение закрытого типа, волна деформации, тангенциальные напряжения.

Shadrina A.V.¹, Saruev L.A.²

¹Candidate of Technical Science,

²Doctor of Technical Science,

National Research Tomsk Polytechnic University

THE PRINCIPLES OF CONCEALED NIPPLE THREAD CONNECTION IN DRILL STRING AT THE STRAIN WAVE PROPAGATION

Abstract

The paper presents mechanism of tangential stress distribution in the drill string with concealed nipple thread connection at the strain wave propagation.

Keywords:  drill string, concealed nipple thread connection, strain wave, tangential stress.

В процессе ударно-вращательного бурения соединение труб испытывает влияние нагрузок, вызванных действием осевой нагрузки, импульса силы, а также крутящего момента [1]. Представление о характере этих нагрузок, их оценка и учет в процессе проектирования бурильных колонн позволяет повысить долговечность резьбовых соединений.

Для способов бурения, в которых реализуется ударная нагрузка, в качестве неудачных конструкторских решений можно назвать следующие типы соединений: «труба в трубу»; муфтовое, имеющее увеличенное сечение в резьбовой ее части, муфтово-замковое. Такие конструкции вызывают циклические напряжения растяжения, имеют низкий коэффициент передачи импульса силы.

Надежная работа резьбового соединения обеспечивается, прежде всего, снижением доли потерянной в нем энергии импульса силы. Энергия волны деформации, направленная не на продольное перемещение бурильной колонны с породоразрушающим инструментом, а рассеянная в соединениях связана с неоднократными знакопеременными деформациями, трением витков резьбы и, как следствие, с нагревом резьбовых соединений труб.

Альтернативным вариантом соединения труб, лишенного в значительной степени указанных недостатков, является ниппельное, имеющее соединительный элемент, полностью скрытый внутри соединяемых бурильных труб (рис. 1) [1].

Рис. 1 – Ниппельное соединение закрытого типа бурильных труб

Рассмотрим предлагаемое соединение как упруго-колебательную систему. В данной механической системе в процессе ударно-вращательного нагружения, помимо упругих сил, неизбежно развиваются силы сопротивления, связанные с различными скоростями точек системы. Как правило, такие силы совершают необратимую отрицательную работу. Это приводит к диссипации энергии, передаваемой волной деформации.

Воздействующий на соединение труб импульс силы вызывает относительное смещение витков резьбы труб относительно витков ниппеля. При этом возникающие силы трения совершают работу, определяющую существенную долю потерь передаваемой волной деформации энергии.

Экспериментами установлено, что сохранение поперечного сечения бурильной колонны постоянным по всей ее длине позволяет существенно снизить отражение импульсов силы от бурильных труб настолько, что им можно пренебречь.

Механизм работы соединения бурильных труб новой конструкции исследовалось на специальном стенде в режиме квазистатического нагружения («сжатие-растяжение»), получены характеристики диссипативной силы. На вертикальной оси диаграммы обозначена сила сопротивления – диссипативная сила F_д, на горизонтальной оси – относительное смещение сечений витков резьбы бурильной трубы относительно витков ниппеля δ по оси x.

Анализ полученных диаграмм (рис. 2) позволил выявить особенности деформирования соединения труб ниппелем закрытого типа (таб. 1).

Площадь петли гистерезиса представляет работу сил неупругого сопротивления или рассеянную энергию волны деформации при приложении циклической сжимающей и растягивающей нагрузок.

Воздействие на бурильную колонну внешнего крутящего момента вызывает появление в элементах резьбового соединения тангенциальных напряжений. А сам крутящий момент при этом может передаваться через витки ниппеля и стык бурильных труб.

Рис. 2 – Петлевая диаграмма «сила–перемещение» в ниппельном соединении труб закрытого типа при квазистатическом нагружении

Таблица 1– Описание механизма деформирования соединения труб ниппелем закрытого типа в процессе квазистатического нагружения

Участок диаграммы	Описание
I–II	Резьбовое соединение предварительно затянуто: величина приложенного крутящего момента определяет деформацию резьбовой части бурильных труб и ниппеля. Сила сцепления в витках резьбы бурильных труб и ниппеля больше прилагаемой силы сжатия. При последующем сжатии происходит увеличение усилия сжатия в бурильных трубах и постепенная разгрузка ниппеля. Трение покоя преобразуется в трение скольжения. В точке II сила трения равна нулю, отмечается полное освобождение ниппеля от нагрузки, появляется зазор между смежными витками ниппеля и бурильных труб. Данный участок диаграммы соответствует жесткости труб.
II–I	При снятии сжимающей нагрузки (до точки I) ниппель возвращается в первоначальное положение. Участок соответствует жесткости соединения.
I–III	Приложение к резьбовому соединению растягивающей силы вызывает  бóльшее растяжение ниппеля, увеличение силы трения по площади контакта между витками резьбы труб и ниппеля. Общая жесткость резьбового соединения увеличивается.
III-IV	Последующее снижение растягивающей силы приводит к незначительным относительным перемещениям витков резьбы бурильных труб и ниппеля за счет большой  жесткости контакта между витками резьбовой части бурильных труб и ниппеля.
IV–V	При снижении растягивающей нагрузки происходит снижение сил трения в резьбе ниппеля и труб.
отрезок V–I на диаграмме	В точке V сила растяжения принимает нулевое значение. На отрезке диаграммы отмечается значительная сила трения между контактирующими витками резьбы труб и ниппеля. Отрезок представляет неупругую деформацию в ниппельном соединения.
V–VI	Общая жесткость ниппельного резьбового соединения существенно  меньше жесткости участка I–II, так как в соединении бурильных труб происходит смена знака силы трения в резьбовой части.

Воздействие на бурильную колонну внешнего крутящего момента вызывает появление в элементах резьбового соединения тангенциальных напряжений. А сам крутящий момент при этом может передаваться через витки ниппеля и стык бурильных труб.

Изменение тангенциальных напряжений было зафиксировано в ниппеле в результате произведенной серии ударов при постоянной предударной скорости бойка 5,1 м/c (рис. 3).

Рис. 3 – Распределение тангенциальных напряжений в ниппеле при совместном воздействии крутящего момента и импульсов силы [2]

Объяснение характера данных зависимостей видим в перераспределении долей передаваемого крутящего момента между витками резьбы соединения и стыком бурильных труб. Сложный волновой процесс в рассматриваемом соединении труб можно свести к следующему описанию.

1. Усилие затяжки, действующее в начальный момент на резьбовое соединение (порядка 3 т), вызывает сжатие бурильных труб и растяжение ниппеля.
2. В процессе распространения волны деформации происходит увеличение усилия сжатия в бурильных трубах до амплитудных значений самого импульса (например, 15–18 т) и снижение усилия растяжения в ниппеле. Происходит существенное снижение величины контактной деформации смежных витков резьбы элементов соединения, что приводит к ввинчиванию ниппеля в резьбу труб за счет внешнего крутящего момента.
3. В процессе завершения прохождения импульса, бурильная труба как сжатая пружина, воздействует на витки ниппеля, вызывая его растяжение на большую величину, чем до воздействия импульса. Усилия в контактах витков и сила трения в них увеличиваются, тангенциальные напряжения также повышаются.
4. К приходу очередного импульса тангенциальные напряжения оказываются меньше предыдущих, поскольку увеличилась доля передаваемого внешнего момента через стык труб, и уменьшилась – через ниппель.

Этот процесс для данной конструкции и параметров нагружения повторяется до тех пор, пока порядка 70 – 75 % крутящего момента в соединении не будет передаваться через стык бурильных труб. При этом процесс передачи крутящего момента стабилизируется. В наших экспериментах это отмечалось через 5 ударов.

Литература

1. Шадрина А.В. Динамические процессы в колонне труб при вращательно-ударном бурении скважин малого диаметра из подземных горных выработок / А.В. Шадрина,   Л.А. Саруев, А.Л. Саруев. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009. – 175 с.
2. Саруев Л.А. Шадрина А.В., Саруев А.Л. Экспериментальная оценка напряжений в ниппельных соединениях бурильных труб при вращательно-ударном нагружении // Известия Томского политехнического университета; Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2010. – Т.317 – № 2. – S. 78–83.

References

1. Shadrina A.V., Saruev L.A., Saruev A.L. Dinamicheskie processy v kolonne trub pri vrashhatel'no-udarnom burenii skvazhin malogo diametra iz podzemnyh gornyh vyrabotok. – Tomsk: Izd-vo Tomskogo politehnicheskogo universiteta, 2009. – 175 s.
2. Saruev L.A. Shadrina A.V., Saruev A.L. Jeksperimental'naja ocenka naprjazhenij v nippel'nyh soedinenijah buril'nyh trub pri vrashhatel'no-udarnom nagruzhenii // Izvestija Tomskogo politehnicheskogo universiteta; Tomskij politehnicheskij universitet. – Tomsk: Izd-vo Tomskogo politehnicheskogo universiteta, 2010. – T.317 – № 2. – S. 78–83.