ВЫСОКОРЕСУРСНЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ЗАМОК ДЛЯ НАСОСНО-КОМПРЕССОРНЫХ ТРУБ

Заявляемая полезная модель относится к области добычи нефти и газа, в частности к соединениям насосно-компрессорных труб при использовании в эксплуатационных скважинах, где требуется повышенная плотность соединения, а так же при проведении технологических операций по ремонту скважин, где требуется высокая надежность и износостойкость при частых спуско-подъемных операциях.
После многократных операций свинчивания-развинчивания, при проведении технологических работ на скважинах обычными НКТ резьбовое соединение отрабатывает не более 10 циклов, что приводит к необходимости частого ремонта НКТ. Также к необходимости частого ремонта труб из-за износа резьбового соединения, приводит добыча нефти на скважинах с высоким газовым фактором или большим количеством твердых примесей в добываемой жидкости.
Возможным решением проблемы быстрого выхода из строя труб и проведения частого ремонта резьбовых соединений может стать соединение НКТ, которое будет сочетать в себе повышенную эксплуатационную надежность, износостойкость, с обеспечением высокой герметичности после многократных операций свинчивания-развинчивания. Такое соединение так же должно выполнять и еще одну функцию, повышенную стойкость НКТ или конструктивного элемента с резьбовым соединением к воздействию оборудования, используемого при операциях свинчивания-развинчивания НКТ.
Так, из техники известны соединения НКТ включающие в себя муфту и полый переходник имеющий с одного конца внутреннюю муфтовую резьбу, а с другого конца - ниппельную резьбу НКТ (патенты РФ №26627, №23326, №2168102 и №41789).
Кроме того, известно соединение НКТ (патент 14995) включающие в себя цилиндрическую муфту, имеющую внутреннюю резьбовую поверхность и полый цилиндрический переходник, выполненный на одном конце с внутренней, а на другом конце - с наружной резьбой, для взаимодействия с резьбой концевого участка другой соединяемой трубы и резьбой муфты соответственно, при этом суммарная высота цилиндрических поверхностей муфты и переходника выполнена в соответствии с размером механизма для монтажа-демонтажа колонны труб, при этом тело муфты и тело переходника выполнены объемно упрочненными, а их резьбовые поверхности выполнены с приданием им дополнительной износостойкости.
Недостатком рассмотренных вариантов замков является невозможность контроля износа резьбы и соответственно контроля остаточной работоспособности самого замка.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели по технической сущности является патент РФ №2293244: труба НКТ, содержащая на одном резьбовом конце цилиндрическую муфту с внутренней резьбой, а на другом конце цилиндрический переходник с наружной резьбой. Внутренний проходной канал переходника имеет диаметр равный внутреннему диаметру соединяемых труб и муфты, в муфте и переходнике на переходных участках от гладкой внутренней поверхности к внутренней резьбе выполнены торцевые упорные поверхности, плоскости которых перпендикулярны или находятся под углом к оси, перпендикулярной оси муфты и переходника, для опирания торцевой поверхности стенки соединяемых труб при их вворачивании в муфту и переходник и при вворачивании переходника в муфту. В муфте и переходнике на участке между упорной торцевой поверхностью и внутренней резьбой выполнена канавка шириной 4-8 мм и диаметром, большим на 0.8-1.0 мм диаметра впадин внутренней резьбы, а на участке в зоне перехода гладкой внутренней поверхности к указанным упорным торцевым поверхностям муфты и переходника и гладкой внутренней поверхности соединяемых труб к торцевой поверхности стенки этих труб выполнены фаски.
Недостатками всех рассмотренных конструкций изделий, как прототипа, так и аналогов является недостаточная герметизация соединения, отсутствие возможности контроля со стороны эксплуатирующего персонала за остаточным ресурсом работы самого изделия. Кроме того, при выходе замков рассмотренных конструкций из строя отсутствует возможность их ремонта с перенарезанием резьбы.
Задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение более высокой герметичности и износостойкости рабочего соединения переходника и муфты по сравнению с аналогами и прототипом, обеспечение возможности контроля остаточной работоспособности соединения и создание дополнительной возможности по ремонту замка для увеличения его жизненного цикла.
Поставленная задача решается за счет того, что технологический замок для насосно-компрессорных труб (см. фиг.1) состоит из цилиндрической муфты [2] с внутренней резьбой и полого цилиндрического переходника [1] длиной не менее 450 мм с внутренней резьбой на одном конце для соединения с насосно-компрессорными трубами [3] и с внутренним диаметром равным внутреннему диаметру сопрягаемых труб, а на другом конце с наружной резьбой для взаимодействия с ответной резьбой муфты, отличающийся тем (см. фиг.2), что наружная резьбовая поверхность [6] полого цилиндрического переходника [1] и резьбовые поверхности [4, 5] муфты [2] имеют перед началом резьбовой части и в конце резьбы соответственно уплотнительные конические пояски [7] (переходник) и конические уплотнительные расточки [8] (муфта) шириной 6-30 мм, в результате чего ширина образующегося зазора между муфтой [2] и полым цилиндрическим переходником технологического замка в сборе составляет от более 3 мм до 22 мм [9]. При этом в процессе эксплуатации замка из-за износа резьбы и уплотнительных поясков указанный зазор будет уменьшаться до момента контакта торцевых поверхностей, т.е. до зазора 0 мм [10], что свидетельствует о выработке ресурса замкового соединения. Кроме того, резьбовое соединение ниппельной части полого цилиндрического переходника [1] и муфты [2] может быть выполнено двумя различными типами резьбы - треугольного профиля или профиля конической замковой резьбы.
Для придания дополнительной износостойкости и обеспечения высокого ресурса эксплуатации взаимодействующих резьб муфты и полого цилиндрического переходника выполняется химико-термическая обработка резьбовой поверхности, например азотирование.
Выбор исполнения и конструктивных элементов предлагаемого варианта технологического замка для НКТ определяется следующими факторами:
Длина цилиндрического полого переходника [1] принята не менее 450 мм из соображения того, что такой длины переходника будет достаточно для проведения свинчивания и развинчивания трубы с применением специальных механизмов (гидравлических ключей) с их фиксацией не на трубе, а на предлагаемом переходнике. В этом случае, за счет более высокой прочности металла переходника по сравнению с трубой НКТ снижается вероятность износа поверхности переходника и образование трещин от воздействия захватывающих элементов (зажимных плашек), а уменьшение исходной длины переходника менее 450 мм и при последующем его уменьшении по длине при ремонте не позволит осуществлять захват за тело переходника. Верхний предел длины переходника не ограничен по причине того, что в нефтяных компаниях эксплуатация НКТ зачастую проводится до достижения их длины в 6 м (начальная 8,5-10,5 м). В этом случае, в зависимости потребности нефтяной компании, которая будет использовать предлагаемые технологические замки с износостойким резьбовым соединением для комплектации НКТ будет самостоятельно определять какую длину переходника им необходимо и соответственно заказывать у производителя, а при эксплуатации технологического замка при выработке ресурса резьбового соединения длины полого переходника будет достаточно для нарезания новой резьбы как минимум два раза, что позволит увеличить ресурс эксплуатации замка.
Уплотнительные конические пояски перед началом резьбовой части и в конце участка с резьбой (см. фиг.3) полого цилиндрического переходника и муфты выполнены шириной 6-30 мм, т.к. меньшая ширина конических поясков не обеспечит необходимого герметичного сопряжения: при ширине пояска 6 мм контакт пояска переходника с расточкой муфты происходит в точке на расстоянии 0,56 мм от начала пояска [11], что обеспечивает при полном свинчивании, сопряжение поверхностей по пояску на участке длиной не менее 2,44 мм [13], для уплотнительного пояска шириной 30 мм не менее 8,00 мм, что достаточно для обеспечения герметичности соединения, при этом контрольный зазор между торцами муфты и полого цилиндрического переходника шириной от более 3 мм до 22 мм [12] рассчитан из особенностей предлагаемой конструкции технологического замка и обеспечивает визуальный контроль за остаточным ресурсом замка предлагаемой конструкции. Снижение ширины пояска менее 6 мм не обеспечит необходимой герметичности по большей части из-за того, что на переходе от поверхности пояска к торцевой поверхности могут быть технологически неизбежно образующиеся фаски [14] размерами не менее 1,2-2,0 мм, которые приведут к снижению ширины участка сопряжения поверхностей по пояску до величины близкой к нулю, а увеличение ширины поясков свыше 30 мм с одной стороны обеспечит более высокую герметичность, но при этом снизит конструктивную прочность данного элемента.
3
Диапазон ширины уплотнительного конического пояска рассчитан исходя из того, что при эксплуатации резьбовых соединений треугольного профиля, например по ГОСТ 633-80 «Трубы насосно-компрессорные и муфты к ним» происходит усталостный и абразивный износ поверхности профиля резьбы - происходит постепенное «стирание» боковых сторон зуба, что после 10-20 циклов свинчивания-развинчивания при спуско-подъемных операциях (СПО) приводит к изменению профиля резьбы - ее «прослаблению». В ГОСТ 633-80 учтен данный эффект и предусмотрен так называемый натяг - т.е. изначально закладывается запас на износ. Учитывая данный запас, расчетная толщина слоя металла, который фактически стирается при эксплуатации резьбы, составляет за 1 (один) цикл СПО в среднем 22-54 мм металла.
Расчетное смещение переходника и муфты относительно друг друга при постепенном износе - т.е. фактически изменение контрольного зазора между торцами муфты и полого цилиндрического переходника, будет зависеть от ширины уплотнительного пояска и влиять на размер контрольного зазора, как показано на рассчитанном графике на фиг.4:
Отдельные примеры значений ширины уплотнительного пояска, мм
Ширина контрольного зазора на замке в исходном состоянии, мм
Количество циклов СПО, обеспечиваемое на замке с конструктивными элементами указанного размера
6,0
более 3,0
16-47
12,0
≈8,5
51-132
18,0
≈14,0
95-240
24,0
≈18,0
147-371
30,0
≈22,0
203-510
Расчет проведен для замка, изготовленного без специальной упрочняющей обработки, а если упрочнить металл, то из-за повышения его твердости возрастает сопротивление усталостному и абразивному износу, что приведет к снижению «стираемого» объема металла за один цикл СПО и, соответственно, к увеличению общего количества циклов СПО до полного износа соединения:
Количество свинчиваний до выработки ресурса по информации, предоставленной нефтяными компаниями
Свидетельство на полезную модель №14995, 10823 Резьба с треугольным профилем по ГОСТ 633-80
120 (ТУ 3-07501343-20-2008)
Патент №41789, замок с резьбой треугольного профиля по ГОСТ 633-80
Не менее 100 (ТУ 1308-017-72226141)
Патент №41789, замок с замковой резьбой
Не менее 400 (ТУ 1308-017-72226141)
Расчетное значение
Результаты испытаний опытных образцов
без упрочнения
С упрочнение химико-термической обработкой (азотирование)
Предлагаемый вариант замка с резьбой треугольного профиля
Контрольный зазор 3 мм
16-47
40
73
Контрольный зазор 13 мм
95-240
90
145
Контрольный зазор 22 мм
95-240
-
180 (остановлено при достижении контрольного зазора 14,5 мм)
Таким образом, авторы предлагая новую конструкцию замка планируют обеспечить высокую износостойкость соединения при эксплуатации, а следовательно для обеспечения по крайней мерее не менее 50 циклов СПО необходимо обеспечить ширину уплотнительного пояска на уровне не менее 6 мм (контрольный зазор более 3 мм); если же учитывать потребность нефтяных компаний в обеспечении не менее 150-170 циклов СПО - ширина пояска должна быть на уровне не более 30 мм (контрольный зазор на уровне не более 22 мм).
Таким образом получаем, что снижение исходного зазора менее 3 мм не целесообразно, так как при многократном свинчивании из-за износа резьбы указанный зазор снизится до нулевого значения после 50 свинчивании, что является по мнению авторов не достаточным. Обеспечение зазора от более 3 до 22 мм позволяет эксплуатировать технологический замок не менее 50-150 свинчивании (возможно до 200-500 свинчивании). Увеличение исходного зазора свыше 22 мм приведет к увеличению ширины уплотнительных поясков и снижению конструктивной прочности замка, как было указано ранее.
Применение химико-термической обработки в виде азотирования взаимодействующих резьб муфты и полого цилиндрического переходника позволяет за счет создания упрочненного слоя повысить износостойкость резьбового соединения, что существенно повысит срок службы изделия. Так, применение печного азотирования позволяет провести 180 циклов свинчивания-развинчивания муфты с переходником (начальный контрольный зазор 22 мм, т.е зазор замка перед его первым использованием) без изменения геометрических параметров и герметичности рабочего резьбового соединения, что также обеспечило величину контрольного зазора после 180 циклов на уровне 13-15 мм.
Кроме того, дополнительное преимущество предлагаемой конструкции технологического замка для НКТ заключается в возможности нарезания резьбы двух различных типов - треугольного профиля или профиля конической замковой резьбы.
Технический результат, обеспечиваемый полезной моделью, заключается в том, что предлагаемая конструкция рабочего соединения технологического замка обеспечивает высокую герметичность при выработке резьбового соединения переходника и муфты, обеспечивает возможность контроля остаточной работоспособности соединения, а также создает дополнительную возможность по ремонту замка для увеличения его жизненного цикла.
Все операции по изготовлению замка осуществляются по принятой на трубном заводе технологии изготовления труб, а сборку трубы с муфтой и переходником производят в заводских условиях, по принятой для НКТ технологии, кроме того возможно производить сборку трубы с муфтой и переходником и ремонт замка с нарезанием новой резьбы на трубных базах нефтяных компаний по принятой на них технологии ремонта НКТ.