ВЫСОКОГЕРМЕТИЧНОЕ РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ НЕФТЕГАЗОВЫХ ТРУБ

Настоящая полезная модель относится к конструкции резьбового соединения труб с герметизирующим узлом, где применено уплотнение металл-металл, которое предназначено для использования в конструкции насосно-компрессорных труб для обеспечения герметичности соединения при строительстве, эксплуатации и испытании нефтегазодобывающих, водонагнетательных, опорных и прочих скважин различного назначения, для эксплуатации в различных климатических зонах.
Усложнение условий извлечения жидких и газообразных углеводородов, связанные с выходом в районы Крайнего Севера, в том числе с добычей на арктических шельфах, предъявляет жесткие требования к характеристикам используемых резьбовых соединений насосно-компрессорных труб в части прочности и герметичности.
Из уровня техники известно резьбовое соединение нефтяных труб, включающее ниппельный и раструбный соединительные элементы с конической резьбой и упорными торцами, наружную и внутреннюю уплотнительные поверхности и сбег резьбы на охватывающей детали на участке между резьбой с полным профилем и внутренней уплотнительной поверхностью (см., патент СССР №993829, МПК E21B 17/042, опубл. 30.01.1983).
При сборке-разборке известного соединения существует опасность, что при приложении крутящего момента из-за образующихся на раструбном элементе заусенцев на кромках вершин по внутреннему диаметру резьбы на участке ее сбега и их взаимодействий с высокоточной уплотнительной поверхностью ниппельного элемента, последняя будет повреждена и деформирована, на ней образуются задиры, в результате чего в соединении не будет обеспечена герметичность.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели по совокупности существенных признаков является техническое решение, защищенное патентом СССР №530653, МПК E21B 17/042, опубл. 30.09.1976, описывающее герметичное резьбовое соединение, включающее ниппельный и раструбный соединительные элементы с конической резьбой, уплотнительные и упорные поверхности, при этом на меньших диаметрах конусов наружных и внутренних резьб выполнен герметизирующий узел с уплотнительными радиальными и торцевыми коническими поверхностями.
Основным недостатком известного технического решения является потеря герметичности при низкой точности исполнения герметизирующих элементов, а также при недостаточной точности исходной трубы-заготовки.
Технической задачей настоящей полезной модели является создание конструкции резьбового соединения нефтегазовых труб, которая позволяла бы обеспечить высокую герметичность и прочность соединения при его спуске и эксплуатации.
Задача, положенная в основу настоящей полезной модели, с достижением заявленного технического результата, решается тем, что в высокогерметичном резьбовом соединении нефтегазовых труб, включающем ниппельные и раструбные соединительные элементы с конической трапецеидальной резьбой, при этом со стороны меньшего диаметра усеченного конуса последних выполнен герметизирующий узел с уплотнительными радиальными и торцевыми коническими поверхностями, упорная грань витка конической трапецеидальной резьбы выполнена параллельной перпендикуляру оси резьбы, причем радиальная коническая поверхность раструбного элемента и радиальная коническая поверхность ниппельного элемента сопряжены и выполнены с конусностью 1:12, в конце зоны конусного радиального уплотнения раструбного элемента выполнена дополнительная радиальная коническая поверхность, сопряженная со сферической поверхностью, выполненной в конце зоны конусного радиального уплотнения ниппельного элемента с радиусом, равным 1,0-1,3 мм с образованием дополнительного герметизирующего узла.
Кроме того, коническая трапецеидальная резьба выполнена с конусностью 1:20.
Кроме того, дополнительная радиальная коническая поверхность раструбного элемента выполнена под углом 65° к нормали оси резьбы.
Кроме того, на упорном торце ниппельного и раструбного элементов выполнена фаска с углом среза от 5° до 15° выполненная в виде обратного конуса к конусу обоих элементов.
Вышеперечисленные признаки являются взаимосвязанными и существенными и подтверждают достижение технического результата от использования предложенной конструкции, который заключается в повышении герметичности и увеличении прочности соединения при его спуске и эксплуатации, что позволяет использовать предлагаемое соединение, в том числе и для газообразных сред.
Выполнение упорной грани витка конической трапецеидальной резьбы параллельной перпендикуляру оси резьбы позволяет получить гарантированный контакт по прямолинейному участку опорной грани резьбы при свинчивании-развинчивании соединения и увеличение сопротивляемости сжимаемым нагрузкам. Предлагаемая оптимизация величины угла упорной грани витка трапецеидальной резьбы насосно-компрессорных труб снижает технологические трудности, которые возникают при изготовлении, контроле, использовании и ремонте резьбы с отрицательным углом упорной грани, и трудоемкость изготовления специального резьбового инструмента.
Выполнение в конце зоны конусного радиального уплотнения раструбного элемента дополнительной радиальной конической поверхности, сопряженной со сферической поверхностью, выполненной в конце зоны конусного радиального уплотнения ниппельного элемента с образованием дополнительного герметизирующего узла, обеспечивает дополнительную герметичность соединению в условиях действия изгибных деформаций и позволяет работать соединению на изгиб.
Герметичность соединения обеспечивается протяженным радиальным уплотнением типа "металл-металл". Контакт по торцевым упорным поверхностям и дополнительной посадке сфера-конус рассматривается как вторичное уплотнение. Это связано с тем, что поверхности данных контактов могут быть механически повреждены при эксплуатации и хранении соединения.
Оценка герметичности основного уплотнения металл-металл производится по запасу герметичности (коэффициенту герметичности), который должен быть больше единицы.
На запас герметичности влияют средние контактные давления и величина длины контактирующих поверхностей.
Пластическая приспосабливаемость соответствует малым пластическим деформациям, которые возникают в концентраторах напряжений. Приспосабливаемость заключается в том, что пластические деформации возникают только при первом нагружении конструкции, в дальнейшем при снятии и повторении нагрузок, дополнительного накопления пластических деформаций не происходит. Пластические деформации после приспособления конструкции к нагрузкам постоянны и носят локальный характер.
Локальные пластические деформации возникают при работе любого резьбового соединения: при растяжении в местах сопряжения поверхности впадин резьбы трубы с упорными гранями зубьев, при свинчивании и докреплении в тех местах, где по каким-либо причинам, возникли условия соответствующие точечному контакту.
Протяженное радиальное уплотнение конус - конус, обеспечивает стабильность работы уплотнения при комбинированных нагрузках и допустимых отклонениях геометрии, а также условий сборки и эксплуатации.
В свинченном состоянии радиальный натяг по уплотнению больше натяга по резьбе. Разность натягов обеспечивает требуемый уровень герметичности в уплотнении металл-металл, независимо от особенностей свинчивания резьбовой части соединения.
Конструкция узла герметизации: расстояние между концом резьбы и началом уплотнения, размер уплотнения (осевая длина), форма конца ниппеля, включающая упорную торцевую поверхность, обеспечивает эффективную работу уплотнения. За счет краевого эффекта по краям уплотнения возникают пики давления, каждый из которых сам по себе достаточен для обеспечения требуемого запаса герметичности соединения. В то же время контактные давления во внутренней области уплотнения между сферической и конической поверхностью создают дополнительный барьер герметизации, который отвечает за герметичность соединения при эксплуатации насосно-компрессорных труб в скважинах с большим углом искривления колонны. Разность величин радиуса сферического уплотнения равных 1,1-1,3 мм минимальна с точки зрения сложности изготовления и контроля данного элемента. Проведен точный расчет методом математического моделирования в реальном времени с минимальной величиной 1,1 мм и максимальной величиной 1,3 мм. При свинчивании резьбового соединения и приложении знакопеременных нагрузок отмечено, что допускаемое отклонение с диапазоном 0,2 мм приводит к микронному смещению точки контакта сферической и ответной конической поверхности, но при этом величины контактных напряжений остаются не измененными и соответственно контактирующие элементы сохраняют герметизирующую способность центрального участка уплотнительного элемента «металл-металл».
2
1
1
2
Упорный торец с обратным конусом поджимает зону сферического поверхности к конической и создает пятно контакта и способствует увеличению запаса по герметичности при осевом докреплении. В результате запас герметичности, создаваемый первоначально за счет радиального натяга в уплотнении, возрастает на 30-40%. В процессе проведения расчета методом конечных элементов определено, что при угле обратного конуса менее 5° упорного торца ниппельного и раструбного элементов сила F не обеспечивает достаточного поджатия сферической поверхности к конической, не создает запирающего эффекта, и снижает степень герметичности уплотнительного элемента. При угле обратного конуса упорного торца ниппельного и раструбного элементов более 15°, при минимальном запасе полезной толщины стенки S, действие силы F направлено в сторону отсутствия жесткой опоры и может приводить к пластической деформации внутреннего участка по периметру всего диаметра (фиг.8). Действие сил F, F подтверждено как математическим расчетом так экспериментальным путем проведенных на натурных образцах соединения в промышленных условиях. Пластическая деформация внутреннего участка по периметру всего диаметра исключает возможность повторного свинчивания и применения соединения.
Отрицательный упорный торец обеспечивает сохранение герметичности резьбового соединения при изгибных нагрузках, в том числе знакопеременных.
Конструкция радиального уплотнения металл-металл, совместно с отрицательным упорным торцем, обеспечивает сохранение герметичности соединения при возникновении пластики в узле герметичности. В частности для случая перевинченного соединения, а также соединения нагруженного растягивающей или сжимающей силой, превышающей допускаемое значение (случай аварийных нагрузок, при которых происходит пластическое деформирование тела трубы вне резьбового соединения).
Конструкция резьбы обеспечивает защиту узла герметизации от деформирования при действии эксплуатационных нагрузок. При достижении предельных нагрузок пластические деформации происходят в резьбовой части соединения и отсутствуют в узле герметизации.
Величины натягов в резьбе и уплотнении обеспечивают упругое радиальное обжатие носика при сборке соединения. В результате при развинчивании соединения изменения наружного диаметра концевого участка трубы не происходит.
Три зоны контакта обеспечивают несколько уровней герметичности, которые имеют различные значения при различных стадиях нагружения. Каждая зона контакта отвечает за свой диапазон нагрузок при работе соединения.
Угол опорной грани витка уменьшен, что обеспечивает преимущество перед классическими резьбовыми соединениями типа БАТТРЕСС по API 5B, ОТТМ по ГОСТ 632, ОТТГ по ГОСТ 632. В соединении применена резьба конусность 1:20, что позволяет увеличить общую полезную длину конуса L и обеспечить нарезание до 12 полных витков резьбы до сбега, что значительно больше стандартных резьбовых соединений. Данная конструкция обусловлена использованием заготовки для насосно-компрессорных труб с тонкими стенками и позволяет оставить запас сечения стенки трубы S до 4 мм, необходимый для выполнения упорного торца узла герметизации и захода резьбонарезного инструмента. Ниппельный соединительный элемент имеет ограничение по запасу полезного сечения металла для выполнения элементов резьбового соединения, что заставляет точно определять линейные и угловые величины всех элементов резьбового соединения. Увеличенное количество полных витков резьбы обеспечивает наилучшие прочностные характеристики при растяжении и сжатии известные из общепринятых теорий резьбовых соединений. Большее количество витков резьбы позволяют равномерно распределить возникающие нагрузки. Конусность радиального конического поверхности уплотнительного элемента составляет 1:12, угол которой обеспечивает зону захода резьбонарезного инструмента на конусность 1:20 ниппельного элемента. Резьбонарезная пластина осуществляет движение по координате X и должна иметь достаточное расстояние для разбега (см. фиг.7). Комбинация конусности 1:12 радиальной конической поверхности уплотнительного элемента и конуса резьбы является предпочтительной для оптимизации режимов обработки металла резанием на токарно-винторезных станках, что подтвердилось в процессе подбора операций, отработки технологии нарезания резьбы в промышленных условиях.
Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого полезная модель явным образом не следует для специалиста по производству и эксплуатации обсадных и насосно-компрессорных труб, показал, что она не известна, а с учетом возможности промышленного серийного изготовления высокогерметичного резьбового соединения труб, можно сделать вывод о ее соответствии критериям патентоспособности.
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером выполнения высокогерметичного резьбового соединения нефтегазовых труб, который не является единственно возможным и наглядно демонстрирует возможность получения указанного технического результата. Допускаются различные модификации и улучшения, не выходящие за пределы области действия полезной модели, определенные прилагаемой формулой.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:
- на фиг.1 изображен общий вид предлагаемого высокогерметичного резьбового соединения нефтегазовых труб;
- на фиг.2 представлена схема профиля трапециевидной резьбы;
- на фиг.3 изображены герметизирующие узлы уплотнения «металл-металл»;
- на фиг.4 изображен выносной элемент "Б" на фиг.3;
- на фиг.5 показана разница между величиной 1,1 мм и 1,3 м радиуса сферического уплотнения и смещение точки контакта в плоскости ответной конической поверхности в состоянии свинченного соединения;
- на фиг.6 показана зависимость величин конусов резьбовой части 1:20, конусной радиальной уплотнительной поверхности, длины полной резьбы L, необходимой величины торцевой уплотнительной поверхности S;
1
- на фиг.7 показано действие силы F на торцевую (упорную) поверхность раструбного соединительного элемента при угле фаски торцевой (упорной) поверхности более 15° и пластическая деформация материала по внутреннему диаметру элемента;
2
- на фиг.8 показано действие силы на торцевую (упорную) поверхность раструбного соединительного элемента при угле фаски торцевой (упорной) поверхности менее 5° и недостаточность действия силы F для поджатия сферической уплотнительной поверхности;
- на фиг.9 показана реализованная технология нарезания резьбы по конусу с разбега по траектории оси X.
В графических материалах соответствующие конструктивные элементы высокогерметичного резьбового соединения нефтегазовых труб обозначены следующими позициями:
1. - ниппельный соединительный элемент (ниппель);
2. - раструбный соединительный элемент;
3. - коническая трапецеидальная резьба раструбного элемента 2;
4. - коническая трапецеидальная резьба ниппельного элемента 1;
5. - радиальная уплотнительная поверхность ниппельного элемента 1;
6. - радиальная уплотнительная поверхность раструбного элемента 2;
7. - торцевая уплотнительная поверхность раструбного элемента 2;
8. - торцевая уплотнительная поверхность ниппельного элемента 1;
9. - упорная грань витка трапецеидальной резьбы раструбного элемента 2;
10. - упорная грань витка трапецеидальной резьбы ниппельного элемента 1;
11. - дополнительная радиальная коническая поверхность раструбного элемента 2.
12. - сферическая поверхность ниппельного элемента 1.
Высокогерметичное резьбовое соединение нефтегазовых труб включает ниппельный 1 и раструбный 2 соединительные элементы с коническими поверхностями, на которых выполнена трапецеидальная с конусностью 1:20 резьба, причем обе резьбовые части 3 и 4 имеют общий контур поверхности в виде усеченного конуса, а со стороны меньшего диаметра усеченного конуса последних выполнен герметизирующий узел с уплотнительными радиальными 5 и 6 и торцевыми 7 и 8 коническими поверхностями. Упорная грань 9 и 10 витка конической трапецеидальной резьбы 3 и 4 выполнена параллельной перпендикуляру оси резьбы. Радиальная коническая поверхность 6 раструбного элемента 2 и радиальная коническая поверхность 5 ниппельного элемента 1 сопряжены и выполнены с конусностью 1:12. В конце зоны конусного радиального уплотнения 6 раструбного элемента 2 выполнена дополнительная радиальная коническая поверхность 11, сопряженная со сферической поверхностью 12, выполненной в конце зоны конусного радиального уплотнения 5 ниппельного элемента 1 с радиусом, равным 1,0-1,3 мм с образованием дополнительного герметизирующего узла, который отвечает за герметичность соединения при эксплуатации насосно-компрессорных труб скважинах с большим углом искривления колонны. Дополнительная радиальная коническая поверхность 11 раструбного элемента 2 выполнена под углом 65° к нормали оси резьбы. На упорном торце 7 и 8 ниппельного 1 и раструбного 2 элементов выполнена фаска с углом среза от 5° до 15°, выполненная в виде обратного конуса к конусу обоих элементов.
Таким образом, в предлагаемом резьбовом соединении применена комбинированная схема герметизирующих узлов, которые состоят из контактирующих между собой пары конических радиальных поверхностей 5, 6, пары конических упорных торцевых поверхностей 7, 8 и дополнительной пары контактирующей между собой конической радиальной поверхности 11 и сферическая поверхность 12, входящие в контакт друг с другом и образующих дополнительный барьер герметизации. На ниппельном конце контакт радиального уплотнения в форме сферической поверхности с ответной конической радиальной поверхностью раструбного элемента происходит с натягом на сравнительно небольшой площади, при этом возникают большие контактные напряжения, обеспечивая необходимую герметичность. Предлагаемая конструкция позволяет производить повторную сборку резьбового соединения без повреждений уплотнительной поверхности за счет быстрого достижения величины радиального натяга в процессе сборки. Сферический узел уплотнения позволяет резьбовому соединению оставаться герметичным при действии значительных изгибных нагрузок.
Высокогерметичное резьбовое соединение нефтегазовых труб работает следующим образом.
При сборке резьбового соединения осуществляется контакт ниппеля 1 и раструбного элемента 2 с помощью конической резьбы, наружной 3 и внутренней 4 с конусностью 1:20, при дальнейшем свинчивании в соединении вступают в контакт радиальные уплотнительные поверхности 5 и 6. При дальнейшем продвижении резьбы ниппеля в раструб радиальный натяг по резьбовым 3, 4 и уплотнительным 5, 6 поверхностям увеличивается до момента стыковки торцевых уплотнительных поверхностей 7 и 8 и при суммарном натяге (при достижении заданного крутящего момента), дальнейшие операции по сборке приостанавливаются (соединение собрано). В завершающей стадии свинчивания соединения сферическая поверхность 12 ниппеля 1 входит в контакт с дополнительной конической радиальной поверхностью 11 раструбного элемента 2.
Длина контактной поверхности уплотнения металл-металл на начальном этапе свинчивания растет за счет входа ниппеля 1 в ответную выточку раструбного элемента 2. На стадии осевого докрепления, после соприкосновения упорных торцов, длина контактной поверхности постоянна и соответствует длине контактной поверхности ниппеля. На заключительной стадии осевого докрепления и перевинчивании соединения длина контактной поверхности может уменьшаться из-за работы дополнительной посадки сфера-конус и пластической деформации упорного торца раструбного элемента.
Конструкция резьбы обеспечивает защиту узла герметизации от деформирования при действии эксплуатационных нагрузок. При достижении предельных нагрузок пластические деформации происходят в резьбовой части соединения и отсутствуют в узле герметизации.
Преимуществом заявляемой полезной модели перед известными является повышение герметичности и увеличение прочности соединения при его спуске и эксплуатации, что позволяет использовать предлагаемое соединение, в том числе для газообразных сред.
Настоящая полезная модель промышленно применима, так как используемое промышленное оборудование и технология изготовления конических трапецеидальных резьб с целью повышения прочности и герметичности соединения осуществлены на новом принципе взаимодействия контактирующих поверхностей.