Трубное изделие нефтепромыслового сортамента

Область техники
Полезная модель относится к резьбовым соединениям трубных изделий нефтепромыслового сортамента, используемым при освоении нефтяных и газовых месторождений.
Уровень техники
Для разведки и добычи нефти или природного газа в нефтяных или газовых скважинах применяют трубные изделия нефтепромыслового сортамента. Трубные изделия последовательно соединяются друг с другом посредством резьбового соединения.
Соединительный участок конца трубного изделия, содержащий охватываемую резьбу, называется «ниппельным элементом». Соединительный участок конца трубного изделия, содержащий охватывающую резьбу, называется «раструбным элементом».
Резьбовые соединения характеризуются рядом показателей их работы, одним из которых является способность предотвращать заклинивание резьбы.
Ближайшим аналогом заявленной полезной модели является резьбовое соединение обсадных труб, раскрытое в патенте РФ на изобретение №2704075 (опубл. 23.10.2019). Указанное резьбовое соединение обсадных труб содержит ниппельный и муфтовый элементы. На наружной поверхности ниппельного элемента выполнена охватываемая трапецеидальная коническая резьба. На внутренней поверхности муфтового элемента выполнена охватывающая трапецеидальная коническая резьба. Профиль охватываемой резьбы содержит вершину, впадину, закладную сторону и опорную сторону. Профиль охватывающей резьбы содержит вершину, впадину, закладную сторону и опорную сторону. При этом переход от вершины к закладной стороне профиля резьб ниппельного и муфтового элементов выполнен в виде сложной поверхности, состоящей из двух сферических поверхностей с различными радиусами.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании прототипа относится то, что радиус сферической поверхности, прилегающей к вершине профиля резьб ниппельного и муфтового элементов, больше радиуса сферической поверхности, прилегающей к закладной стороне профиля резьб ниппельного и муфтового элементов. При таком соотношении указанных радиусов крайне высока вероятность того, что при сборке соединения вершина выступа охватываемой резьбы вступит в контакт с вершиной выступа охватывающей резьбы, что приведет к заклиниванию резьбового соединения.
Раскрытие сущности полезной модели
Задача, на решение которой направлена заявленная полезная модель, заключается в устранении недостатка прототипа и создании резьбового соединения трубных изделий нефтепромыслового сортамента, обладающего улучшенными характеристиками свинчиваемости.
Технический результат заявленной полезной модели заключается в предотвращении заклинивания резьбы.
1
2
3
4
Указанный технический результат достигается за счет того, что трубное изделие нефтепромыслового сортамента содержит стальную трубу и муфту, причем на обоих концах трубы выполнены ниппельные элементы с охватываемой резьбой, а на внутренней поверхности обоих концов муфты выполнены раструбные элементы с охватывающей резьбой, при этом один из ниппельных элементов трубы вставлен в один из раструбных элементов муфты так, что труба и муфта скреплены посредством резьбового соединения. Охватываемая резьба и охватывающая резьба являются коническими трапецеидальными резьбами. Профиль охватываемой резьбы содержит вершину, впадину, закладную сторону и опорную сторону, причем переход от вершины к закладной стороне профиля охватываемой резьбы выполнен в виде линии, состоящей из двух сопряженных дуг различного радиуса. Профиль охватывающей резьбы содержит вершину, обращенную к впадине профиля охватываемой резьбы, впадину, обращенную к вершине профиля охватываемой резьбы, закладную сторону, обращенную к закладной стороне профиля охватываемой резьбы, опорную сторону, обращенную к опорной стороне профиля охватываемой резьбы. При этом переход от вершины к закладной стороне профиля охватывающей резьбы выполнен в виде линии, состоящей из двух сопряженных дуг различного радиуса. Причем радиус R дуги, прилегающей к вершине профиля охватываемой резьбы, меньше радиуса R дуги, прилегающей к закладной стороне профиля охватываемой резьбы, при этом радиус R дуги, прилегающей к вершине профиля охватывающей резьбы, меньше радиуса R дуги, прилегающей к закладной стороне профиля охватывающей резьбы.
Кроме того, предусмотрены частные варианты реализации полезной модели, согласно которым:
1
2
3
4
R=0,2÷0,5 мм, R=1,0÷2,0 мм, R=0,2÷0,5 мм, R=1,0÷2,0 мм;
5
6
7
8
переход от впадины к закладной стороне профиля охватываемой резьбы выполнен в виде линии, состоящей из двух сопряженных дуг различного радиуса, причем радиус R дуги, прилегающей к впадине профиля охватываемой резьбы, меньше радиуса R дуги, прилегающей к закладной стороне профиля охватываемой резьбы, при этом переход от впадины к закладной стороне профиля охватывающей резьбы выполнен в виде линии, состоящей из двух сопряженных дуг различного радиуса, причем радиус R дуги, прилегающей к впадине профиля охватывающей резьбы, меньше радиуса R дуги, прилегающей к закладной стороне профиля охватывающей резьбы;
1
7
1
7
R≥R, причем (R-R)≤0,15 мм,
2
8
8
2
R≤R, причем (R-R)≤0,10 мм,
3
5
3
5
R>R, причем (R-R)≤0,15 мм,
4
6
6
4
R≤R, причем (R-R)≤0,10 мм;
вершина и впадина профиля охватываемой резьбы, вершина и впадина профиля охватывающей резьбы являются параллельными оси резьбового соединения;
закладная сторона профиля охватываемой резьбы имеет угол наклона от 10 до 20°, и закладная сторона профиля охватывающей резьбы имеет угол наклона, равный углу наклона закладной стороны профиля охватываемой резьбы;
опорная сторона профиля охватываемой резьбы имеет угол наклона от -1 до -5°, и опорная сторона профиля охватывающей резьбы имеет угол наклона, равный углу наклона опорной стороны профиля охватываемой резьбы;
вершина профиля охватываемой резьбы и впадина профиля охватывающей резьбы имеют зазор между собой, когда соединение скреплено, закладная сторона профиля охватываемой резьбы и закладная сторона профиля охватывающей резьбы имеют зазор между собой, когда соединение скреплено;
ниппельные элементы дополнительно содержат упорную поверхность, расположенную на их торце, и раструбные элементы дополнительно содержат упорную поверхность уступа, контактирующую с упорной поверхностью ниппельного элемента, когда соединение скреплено;
ниппельные элементы дополнительно содержат уплотнительную поверхность, расположенную на наружной поверхности ниппельного элемента между его торцем и охватываемой резьбой, и раструбные элементы дополнительно содержат уплотнительную поверхность, обращенную к уплотнительной поверхности ниппельного элемента и расположенную на внутренней поверхности раструбного элемента, причем уплотнительная поверхность раструбного элемента контактирует с уплотнительной поверхностью ниппельного элемента, когда соединение скреплено.
1
2
3
4
В отличие от прототипа, в заявленной полезной модели радиус R дуги, прилегающей к вершине профиля охватываемой резьбы, меньше радиуса R дуги, прилегающей к закладной стороне профиля охватываемой резьбы, при этом радиус R дуги, прилегающей к вершине профиля охватывающей резьбы, меньше радиуса R дуги, прилегающей к закладной стороне профиля охватывающей резьбы. Такое исполнение обеспечивает продвижение выступа охватываемой резьбы внутрь канавки охватывающей резьбы во время сборки соединения, исключает вероятность контакта вершин выступов указанных резьб и, соответственно, предотвращает заклинивание резьбы.
Краткое описание чертежей
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где:
на фиг. 1 показан вид продольного сечения резьбового соединения трубных изделий нефтепромыслового сортамента согласно одному из частных вариантов реализации заявленной полезной модели;
на фиг. 2 представлен увеличенный вид продольного сечения части охватываемой резьбы согласно одному из частных вариантов реализации заявленной полезной модели;
на фиг. 3 представлен увеличенный вид продольного сечения части охватывающей резьбы согласно одному из частных вариантов реализации заявленной полезной модели;
на фиг. 4 представлен увеличенный вид продольного сечения охватываемой резьбы и охватывающей резьбы, показанных на фиг. 1.
Элементы конструкции и другие объекты обозначены на фигурах следующими позициями:
1 - ниппельный элемент;
2 - раструбный элемент;
3 - охватываемая резьба;
4 - охватывающая резьба;
5 - уплотнительная поверхность ниппельного элемента;
6 - уплотнительная поверхность раструбного элемента;
7 - упорная поверхность торца ниппельного элемента;
8 - упорная поверхность уступа раструбного элемента;
9 - вершина профиля охватываемой резьбы;
10 - впадина профиля охватываемой резьбы;
11 - закладная сторона профиля охватываемой резьбы;
12 - опорная сторона профиля охватываемой резьбы;
1
13 - дуга радиусом R, прилегающая к вершине профиля охватываемой резьбы;
2
14 - дуга радиусом R, прилегающая к закладной стороне профиля охватываемой резьбы со стороны вершины профиля охватываемой резьбы;
5
15 - дуга радиусом R, прилегающая к впадине профиля охватываемой резьбы;
6
16 - дуга радиусом R, прилегающая к закладной стороне профиля охватываемой резьбы со стороны впадины профиля охватываемой резьбы;
17 - вершина профиля охватывающей резьбы;
18 - впадина профиля охватывающей резьбы;
19 - закладная сторона профиля охватывающей резьбы;
20 - опорная сторона профиля охватывающей резьбы;
3
21 - дуга радиусом R, прилегающая к вершине профиля охватывающей резьбы;
4
22 - дуга радиусом R, прилегающая к закладной стороне профиля охватывающей резьбы со стороны вершины профиля охватывающей резьбы;
7
23 - дуга радиусом R, прилегающая к впадине профиля охватывающей резьбы;
8
24 - дуга радиусом R, прилегающая к закладной стороне профиля охватывающей резьбы со стороны впадины профиля охватывающей резьбы.
Осуществление полезной модели
Ниппельный элемент 1 на наружной поверхности содержит охватываемую резьбу 3, а раструбный элемент 2 на внутренней поверхности содержит охватывающую резьбу 4, при этом охватываемая резьба 3 и охватывающая резьба 4 являются коническими трапецеидальными резьбами (см. фиг. 1).
1
2
1
2
Профиль охватываемой резьбы 3 содержит вершину 9, впадину 10, закладную сторону 11 и опорную сторону 12 (см. фиг. 2). Переход от вершины 9 к закладной стороне 11 профиля охватываемой резьбы 3 выполнен в виде линии, состоящей из двух сопряженных дуг - дуги 13 радиусом R и дуги 14 радиусом R. Радиус R дуги 13, прилегающей к вершине 9 профиля охватываемой резьбы 3, меньше радиуса R дуги 14, прилегающей к закладной стороне 11 профиля охватываемой резьбы 3.
3
4
3
4
Профиль охватывающей резьбы 4 содержит вершину 17, обращенную к впадине 10 профиля охватываемой резьбы 3, впадину 18, обращенную к вершине 9 профиля охватываемой резьбы 3, закладную сторону 19, обращенную к закладной стороне 11 профиля охватываемой резьбы 3, опорную сторону 20, обращенную к опорной стороне 12 профиля охватываемой резьбы 3. Переход от вершины 17 к закладной стороне 19 профиля охватывающей резьбы 4 выполнен в виде линии, состоящей из двух сопряженных дуг - дуги 21 радиусом R и дуги 22 радиусом R. Радиус R дуги 21, прилегающей к вершине 17 профиля охватывающей резьбы 4, меньше радиуса R дуги 22, прилегающей к закладной стороне 19 профиля охватывающей резьбы 4.
1
2
3
4
Предпочтительно обеспечивать следующие значения радиусов указанных дуг: R=0,2÷0,5 мм, R=1,0÷2,0 мм, R=0,2÷0,5 мм, R=1,0÷2,0 мм. В этом случае обеспечивается оптимальное значение угла между нормальной силой, возникающей при контакте закладных сторон резьб, и осью соединения, что дополнительно гарантирует беспрепятственное продвижение выступа охватываемой резьбы 3 внутрь канавки охватывающей резьбы 4 во время сборки соединения. Кроме того, не рекомендуется выполнять указанные дуги радиусами, больше указанных значений, с целью обеспечения максимальной длины прямолинейных участков закладных сторон 11 и 19, и, как следствие, улучшения работы резьбы на сжатие. Значения данных радиусов меньше указанных величин не рекомендуется применять с целью обеспечения достаточной площади контакта при первом взаимодействии зубьев резьбы в процессе свинчивания и повышения задиростойкости.
5
6
5
6
7
8
7
8
Переход от впадины 10 к закладной стороне 11 профиля охватываемой резьбы 3 может быть выполнен в виде линии, состоящей из двух сопряженных дуг - дуги 15 радиусом R и дуги 16 радиусом R. Причем радиус R дуги 15, прилегающей к впадине 10 профиля охватываемой резьбы 3, меньше радиуса R дуги 16, прилегающей к закладной стороне 11 профиля охватываемой резьбы 3. При этом переход от впадины 18 к закладной стороне 19 профиля охватывающей резьбы 4 также выполнен в виде линии, состоящей из двух сопряженных дуг - дуги 23 радиусом R и дуги 24 радиусом R. Причем радиус R дуги 23, прилегающей к впадине 18 профиля охватывающей резьбы 4, меньше радиуса R дуги 24, прилегающей к закладной грани 19 профиля охватывающей резьбы 4. Это обеспечивает улучшение работы резьбы на сжатие за счет увеличения контактной площади по закладным сторонам 11 и 19, так как при сжимающих нагрузках в данном случае в контакт будут вступать не только прямолинейные участки закладных сторон 11 и 19, но и дуга 14 с дугой 24, а также дуга 22 с дугой 16.
В данном случае предпочтительно обеспечивать следующие соотношения вышеуказанных радиусов дуг:
1
7
1
7
R≥R, причем (R-R)≤0,15 мм;
2
8
8
2
R≤R, причем (R-R)≤0,10 мм;
3
5
3
5
R>R, причем (R-R)≤0,15 мм;
4
6
6
4
R≤R, причем (R-R)≤0,10 мм.
Вершина 9 и впадина 10 профиля охватываемой резьбы 3, вершина 17 и впадина 18 профиля охватывающей резьбы 4 могут быть выполнены параллельными оси резьбового соединения. Это дополнительно снизит вероятность заедания резьб на начальном этапе свинчивания.
Охватываемая резьба 3 может быть выполнена с положительным углом α наклона закладной стороны 11 профиля в диапазоне от 10 до 20°, а охватывающая резьба 4 - с углом наклона закладной стороны 19, равным углу α наклона закладной стороны 11 профиля охватываемой резьбы 3. Под углом α наклона закладной стороны понимается угол, образованный плоскостью, перпендикулярной к оси резьбового соединения, и закладной стороной. В контексте угла наклона закладных сторон 11 и 19 положительное направление определено, как направление против часовой стрелки. Такое исполнение облегчает свинчиваемость соединения за счет стабилизации положения ниппельного 1 и раструбного 2 элементов относительно друг друга на начальном этапе свинчивания. Это дополнительной исключает риск заклинивания соединения и предотвращает образование задиров на поверхности резьб.
Охватываемая резьба 3 может быть выполнена с отрицательным углом β наклона опорной стороны 12 профиля в диапазоне от -1 до -5°, а охватывающая резьба 4 - с углом наклона опорной стороны 20, равным углу β наклона опорной стороны 12 профиля охватываемой резьбы 3. Под углом β наклона опорной стороны понимается угол, образованный плоскостью, перпендикулярной к оси резьбового соединения, и опорной стороной. В контексте угла наклона опорных сторон 12 и 20 отрицательное направление определено, как направление против часовой стрелки. Такое исполнение обеспечивает клиновой эффект, что улучшает работу соединения на наружное давление.
Кроме того, предпочтительным является вариант, при котором закладная сторона 11 профиля охватываемой резьбы 3 и закладная сторона 19 профиля охватывающей резьбы 4 имеют зазор между собой, когда соединение скреплено, а также вершина 9 профиля охватываемой резьбы 3 и впадина 18 профиля охватывающей резьбы имеют зазор между собой, когда соединение скреплено (см. фиг. 4). Это обеспечивает возможность многократного свинчивания-развинчивания без повреждения контактирующих поверхностей резьбы и дополнительно снижает вероятность заклинивания резьбы при сборке соединения.
Ниппельный элемент 1 может дополнительно содержать упорную поверхность 7, расположенную на торце ниппельного элемента 1. При этом раструбный элемент 2 дополнительно содержит упорную поверхность 8 уступа. Упорная поверхность 7 ниппельного элемента 1 контактирует с упорной поверхностью 8 раструбного элемента 2, когда соединение скреплено. Это улучшает сопротивление соединения сжимающей нагрузке и обеспечивает регулирование величины осевого натяга в соединении.
Ниппельный элемент 1 может дополнительно содержать уплотнительную поверхность 5, расположенную на наружной поверхности ниппельного элемента 1 между его торцем и охватываемой резьбой 3. При этом раструбный элемент 2 дополнительно содержит уплотнительную поверхность 6, обращенную к уплотнительной поверхности 5 ниппельного элемента 1 и расположенную на внутренней поверхности раструбного элемента 2. Уплотнительная поверхность 6 раструбного элемента 2 контактирует с уплотнительной поверхностью 5 ниппельного элемента 1, когда соединение скреплено. В данном случае улучшается герметичность соединения.
Процесс сборки резьбового соединения для специалиста понятен и далее описан для варианта, представленного на фиг. 1.
Резьбовое соединение собирается посредством ввинчивания охватываемой резьбы 3 ниппельного элемента 1 в охватывающую резьбу 4 раструбного элемента 2. В процессе свинчивания соединения происходит продвижение уплотнительной поверхности 5 ниппельного элемента 1 вдоль охватывающей резьбы 4 раструбного элемента 2. Затем уплотнительная поверхность 5 ниппельного элемента 1 взаимодействует с уплотнительной поверхностью 6 раструбного элемента 2 с образованием уплотнения типа «металл-металл». Свинчивание резьбового соединение осуществляется до соприкосновения упорной поверхности 7 торца ниппельного элемента 1 с упорной поверхность 8 уступа раструбного элемента 2 до значения заданного момента свинчивания.