СОЕДИНЕНИЕ ТРУБ С КОНИЧЕСКОЙ РЕЗЬБОЙ И ТОРЦЕВЫМ УПЛОТНЕНИЕМ "МЕТАЛЛ-МЕТАЛЛ"

Полезная модель относится к области производства обсадных и насосно-компрессорных труб с элементами уплотнения «металл-металл», строительства, последующей эксплуатации и ремонта нефтяных, газовых, водяных скважин и может применяться при производстве и эксплуатации бурильных, обсадных и насосно-компрессорных труб, выполненных с любым типом уплотнения (радиальное «металл-металл», с тефлоновыми кольцами и т.д.), но обязательно с элементами упорного торцевого уплотнения «металл-металл».
Соединение труб с конической резьбой и элементами торцевого уплотнения «металл-металл» предназначено для использования в скважинах любой конструкции, в том числе вертикальных, наклонно-направленных, пологих и горизонтальных со стандартными и сложными условиями строительства и эксплуатации в части нагрузок на колонну труб, добываемых сред, пластовых давлений и т.д.
Наворот муфт на трубы (обсадные и насосно-компрессорные) в заводских (заводское соединение) условиях, проводится на специальных муфтозатяжных (муфтонаверточных) станках, точно центрирующих неподвижную трубу и вращающуюся муфту в горизонтальном положении и гарантирующих в достаточно жестких пределах, определенный крутящий момент процесса свинчивания. (Технические условия на применение нарезных труб, проставляемых фирмой «Сумитомо Метал Инд. «Лтд», на сероводородосодержащих месторождениях СССР; З.Баба - Сумитомо метал индастриз Лтд. Япония; В.Ф.Кузнецов - ВНИИТнефть, СССР, издание второе, 1986)
Известно, что величина контактных давлений на уплотнительных поверхностях резьбовых соединений трубных изделий, определяемая, в конечном счете, крутящим моментом сборки, должна быть выше давления перекачиваемого рабочего тела - бурового раствора, добываемого флюида и т.д. для обеспечения герметичности соединения. Таким образом, заявленный изготовителем крутящий момент сборки резьбового соединения, определяющий уровень контактных давлений на уплотнительных поверхностях, является гарантом его герметичности.
Сборка соединений труб в условиях промыслов (промысловое соединение), осуществляется следующим образом: в муфтовый конец трубы, закрепленной вертикально в пневмоклиньях буровой установки, осуществляется «посадка» ниппельного конца другой трубы, свободно подвешенной на спускаемом устройстве, с последующим завинчиванием его возрастающим крутящим моментом. Сборка по такой схеме значительно усложнена из-за трудности отслеживания величины крутящего момента в завершающей стадии свинчивания.
Сборка подобных соединений в промысловых условиях производится обычно с помощью гидравлических ключей (Ойл Кантри, «Фрегат» и т.д.), которыми при определенном навыке опытный оператор достаточно четко может «отбить» заданные значения крутящего момента, варьирующиеся при сборке трубных колонн нефтяных скважин в пределах от 100 до 3000÷4000 кгм в зависимости от типоразмера используемых труб.
К недостаткам упомянутой технологии сборки конических соединений необходимо отнести в первую очередь нестабильность позиционирования исполнительных механизмов на буровой установке, приводящую к ошибкам в определении величины крутящего момента исполнительного механизма.
Кроме того, ключи, в том числе гидравлические, имеют определенную инерцию, а нарастание момента свинчивания при свершившемся контакте торцевых уплотнительных элементов происходит за 0,5-1,0 с и зачастую не оставляют оператору возможности «удержать» крутящий момент в пределах, заданных техническими требованиям на сборку.
Контакт торцевых уплотнительных элементов при свинчивании приводит к резкому росту крутящего момента в соединении и может привести к разрушению либо уплотнительных поверхностей, либо элементов резьбы, либо к недовороту соединения и соответственно его негерметичности.
В настоящее время, очень небольшое количество буровых установок и агрегатов для ремонта скважин оснащены ключами с моментомерами.
В этих условиях промысловую сборку резьбовых соединений выполняют различными способами, позволяющими достаточно грамотно собрать колонну с помощью предварительной разметки соединения либо на промысле, либо на заводе-изготовителе.
Все они предполагают разметку ниппельного и муфтового конца труб краской. Поэтому более предпочтительной является разметка в условиях промысла, т.к. заводская разметка при транспортировке и хранении труб может быть стерта, и потребители вынуждены будут заниматься ею заново.
Известно техническое решение, обеспечивающее промысловую сборку скважинных труб, одна из которых спущена в скважину и закреплена в ней от падения и вращения муфтовым концом вверх, а ниппельный конец другой трубы с наружной конической резьбой ввинчивается в нее с плавно нарастающим крутящим моментом. В момент контакта торцевых уплотнительных поверхностей при продолжении ввинчивания ниппельного конца первой трубы в муфту второй трубы начинается резкий рост крутящего момента.
Совмещение меток (полос), предварительно нанесенных на муфтовом и ниппельном концах труб (первой и второй), свидетельствуют о начале контакта упорных поверхностей торцевых уплотнительных элементов упомянутых труб. Дальнейшим вращением ниппельного конца трубы осуществляется довинчивание соединения.
Указанное техническое решение (RU 2297511, Е21В 17/00, Е21В 19/16 публикация 20.04.2007 г.) принято в качестве прототипа заявляемого технического решения.
Основным недостатком упомянутого технического решения является отсутствие связи между нанесенными метками на ниппельном и муфтовом концах трубы и необходимым крутящим моментом сборки (т.е. величин контактных давлений), гарантирующих герметичность соединения.
Кроме того, параметры сборки резьбовых соединений выбираются без учета специфических условий работы труб: геологических характеристик месторождения, проектов скважин, способов добычи и т.д., то есть в чем больше всего заинтересованы потребители.
Указанное в рассматриваемом техническом решении расстояние от торца муфты до поперечной метки не более 0,5 мм, необходимое для определения последнего витка резьбы перед доворотом соединения к совпадению вертикальных меток, практически невозможно увидеть при стандартных условиях промысловой сборки из-за выделения по торцу муфты излишней смазки, закрывающей эту метку при вращении ниппеля верхней трубы.
Задача, положенная в основу настоящей полезной модели, заключается в создании соединения труб с конической резьбой и уплотнением «металл-металл», конструкция которого позволит осуществить использование разработанных труб в скважинах со стандартными и сложными условиями эксплуатации и обеспечить гарантированную герметичность колонны, в том числе без использования ключей с моментомерами за счет сборки резьбовых соединений с заданным потребителем оптимальным крутящим моментом.
Технический результат, достигаемый при использовании настоящей полезной модели, заключается в повышении надежности сборки колонны труб, спускаемых в скважину, за счет наиболее явно определенного положения начала контакта уплотнительных элементов и наиболее четкого определения минимального (заявленного потребителем), оптимального и максимального момента свинчивания соединения.
Заявленный технический результат достигается тем, что соединение труб с конической резьбой и уплотнением «металл-металл», содержит внутренние и наружные конические сопрягаемые элементы, на которых выполнена резьба, причем обе резьбовые части имеют общий контур поверхности в виде усеченного конуса, а со стороны меньшего диаметра усеченного конуса выполнен герметизирующий узел, внутренняя (ниппельная) и наружная (муфтовая) части которого имеет торцевые уплотнительные поверхности коаксиальные с осью резьбы. На наружных поверхностях муфты и трубы (в ниппельной частей соединения) выполнены метки контрастной краской:
- на муфтовой поверхности одна метка (полоса шириной не более 5 мм) вдоль оси муфты от торца муфты,
- на поверхности трубы одна метка вдоль оси трубы от конца сбега резьбы и далее по образующей трубы шириной, соответствующей диапазону между max и min моментом сборки соединения.
- на зарезьбовой поверхности ниппельной части трубы одна кольцевая полоса шириной, равной шагу резьбы (и/или клеймение треугольного знака).
Указанная выше маркировка позволяет достаточно точно провести сборку соединения и достаточно точно визуально определить значение момента сборки, то есть величину контактного давления на поверхностях герметизирующего узла.
Метки нанесены с помощью специальных приспособлений, базовыми поверхностями которых являются полнопрофильные резьбовые и уплотнительные элементы, соответствующие данному соединению.
На первом этапе сборки ввинчивание ниппеля трубы в муфту производят до достижения торцом муфты кольцевой полосы шириной равной шагу резьбы (торец муфты должен располагаться на кольцевой полосе).
Дальнейшее свинчивание производится до совпадения метки ниппеля с первой меткой на муфте или зоны между первой и второй метками на муфте. Совпадение метки ниппеля с первой меткой муфты свидетельствуют о достигнутом крутящем моменте в соединении, соответствующем минимальному значению для данного соединения. По требованию заказчика значение минимального момента может быть уточнено. Сказанное относится и к максимальному моменту.
Совпадение метки муфты с зоной широкой метки на ниппеле свидетельствует о достигнутом моменте сборки, заданном нормативной документацией или потребителем.
Превышение момента максимального момента требует разборки соединения, оценки состояния резьбы и уплотнительных поверхностей и дальнейшего решения либо о повторной сборке его, либо о замене.
Настоящая полезная модель является новой и промышленно применимой, так как, расположение, характеристики и функции меток, используемые в данном техническом решении, ранее не применялось.
Вариант исполнения полезной модели описывается конкретным примером, который наглядно демонстрирует возможность получения требуемого технического результата.
На фиг.1 изображено соединение скважинных труб с конической резьбой и торцевым уплотнением «металл-металл».
При отсутствии дополнительных требований потребителя левая сторона 6 метки длиной 450-550 мм. соответствует минимальному крутящему моменту сборки, определяемому нормативной документацией, а правая сторона 7 метки соответствует максимальному допустимому крутящему моменту сборки, т.е. длина дуги метки определяемой расстоянием между сторонами ее 6-7 определяет диапазон между минимальным и максимальным моментом сборки. Для определения момента начала последнего свинчиваемого витка на поверхности трубы имеется треугольный знак 3 и информационный маяк 4 и (или) выполняться кольцевая метка 8, нижняя граница которой соответствует основанию треугольного знака. По требованию заказчика разметка 3, 4 и 8 может наноситься одновременно.
Сборка соединения происходит следующим образом. При навороте муфты 1 на резьбу ниппеля 2 происходит приближение торца муфты 1 к кольцевой метке 8 и треугольному знаку 3, отмеченному информационным маяком 4.
После выхода торца муфты на кольцевую полосу и (или) треугольный знак (основание треугольного знака совпадает с нижней границей кольцевой полосы) дальнейший доворот ниппеля ведется до тех пор, пока метка 5 не окажется в зоне между сторонами 6 и 7 широкой метки.
Указанная труба может быть поставлена любому потребителю, не предъявившему специальных требований по величине момента сборки.
Возможное наличие дополнительных уплотнительных поверхностей (радиальных или близких к радиальным) не оказывает существенного влияния на параметры сборки конического резьбового уплотнения с торцевым уплотнением «металл-металл» (упором).