РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ ОБСАДНЫХ И НАСОСНО-КОМПРЕССОРНЫХ ТРУБ

Настоящая полезная модель относится к области строительства и последующей эксплуатации нефтяных, газовых и водяных скважин и может быть использована при производстве и промысловом монтаже обсадных и насосно-компрессорных колонн в нефтяной и газовой промышленности.
Известны высокогерметичные резьбовые соединения обсадных труб, содержащие трубу, имеющую наружную трапецеидальную резьбу и расположенный между резьбой и торцом трубы хвостовик с наружной герметизирующей поверхностью, и охватывающий элемент, имеющий ответную внутреннюю резьбу и последовательно расположенную за ней внутреннюю герметизирующую поверхность, а также элемент принудительного ограничения относительно осевого перемещения трубы и охватывающего элемента при их свинчивании, выполненный в виде упорного уступа.
Подобным образом выполнены, например, резьбовые соединения обсадных и насосно-компрессорных труб с ограничителем относительно осевого перемещения трубы и охватывающего элемента (муфты), выполненным в виде упорного уступа в уплотнительной расточке муфты с углом 90° к оси резьбы. (1. ГОСТ 632 «Трубы обсадные и муфты к ним. Технические условия». Резьбовое соединение ОТТГ и ТБО; 2. ГОСТ 633 «Трубы насосно-компрессорные и муфты у ним» Резьбовые соединения НКМ и НКБ).
Их недостатком является отсутствие критериев промысловой сборки колонн, в том числе невозможность визуального контроля правильности сопряжения герметизирующих поверхностей трубы и муфты, а также потеря соединением герметичности из-за выпучивания хвостовика вовнутрь при превышении необходимого крутящего момента свинчивания. Определить визуально необходимость и достаточность параметров (величин крутящих моментов от min до max) качественной сборки в указанных соединениях невозможно. Сборка с гидроключами также невозможна в связи с отсутствием сведений по необходимой величине крутящих моментов сборки.
Известны также высокогерметичные резьбовые соединения обсадных и насосно-компрессорных труб, содержащие ниппельный и муфтовый концы, на которых выполнены наружная и внутренняя трапецеидальная резьба, соответственно, с наружными и внутренними герметизирующими элементами радиальными и торцевыми. На наружных поверхностях муфтового и ниппельного концов нанесены осевые метки, обеспечивающие визуальный контроль сборки соединения. Осевые метки проставляются на трубе и муфте с помощью пары специальных эталонов «Barrettes» имитирующих конструкцию резьбового соединения типа VAM «VAM running book», январь 1989. Sumitomo metals s-15, Kitahama, Higashi-Ku, Osaka, 541 Japan.
Основным недостатком данного решения является отсутствие критериев нанесения упомянутых меток. Простановка вертикальных меток определяет только начало контакта упорных поверхностей, а качество сборки должно определятся «довинчиванием». Необходимо отметить, что степень довинчивания является критерием герметичности соединения, так как величина крутящего момента, прилагаемого к сборке соединения, определяет величину контактных давлений в радиальном и торцевом уплотнениях и, следовательно, определяет герметичность, «недовинчивание» или «перенатяг» соединения, приводящие к выходу его за предельные значения и значительно ухудшающие эксплуатационные характеристики.
Наиболее близким к предлагаемому решению по технической сути является высокогерметичное резьбовое соединение труб (см. патент РФ №2297511, МПК Е21В 17/00, опубл. 24.02.2005 г.), включающее в себя охватываемый, (ниппельный), и охватывающий, (муфтовый), концы трубы, с коническими резьбами и упорными торцами, наружную и внутреннюю уплотнительные поверхности и метки, нанесенные на указанных концах труб. Метки наносят с помощью приспособления для нанесения метки на ниппельном конце трубы, представляющем собой прослабленную по резьбовому и уплотнительному конусу муфтовый конец трубы, и с помощью другого приспособления для нанесения метки на муфтовом конце трубы, представляющем собой прослабленный по резьбовому и уплотнительному конусу ниппельный конец трубы.
Указанное резьбовое соединение также не лишено недостатков, заключающихся в отсутствии какой-либо связи между наносимой разметкой на трубы и необходимыми контактными давлениями на герметизирующих поверхностях уплотнительных элементов или, что в принципе то же самое, между крутящим моментом сборки соединения и наносимой разметкой. Только «глухо» сказано о необходимом «довинчивании труб за счет упругой деформации элементов резьбы до достижения заданного натяга в резьбовом соединении, уплотнительных поясках и герметизации в упорных торцах», а каким образом определяется величина доворота и связь ее с расставленными метками или контактными давлениями на герметизирующих поверхностях должен определить «потребитель». Ширина кольцевой метки в 0,5 мм также вызывает сомнение в отслеживании ее при свинчивании, так как излишек смазки нанесенной на соединяемые ниппель и муфту выдавливается последней и, безусловно, «поглотит» нанесенную метку указанной ширины, что затрудняет (если не исключает полностью) определение начала контакта уплотнительных торцевых элементов, так как совпадение вертикальных (осевых) меток на муфте и ниппеле происходит при каждом обороте трубы относительно муфты.
Задача, поставленная при создании настоящей полезной модели, заключается в создании резьбового соединения с повышенной эксплуатационной надежностью и, в первую очередь, исключение потери им герметичности при сборке при «недогрузке» или «перегрузке» соединения, что приводит к снижению прочности соединения на растяжение в случае его «перенатяга» после вхождения в контакт упорного уступа на трубе и торца охватывающего элемента (муфты) вследствие возникновения в резьбе монтажных растягивающих напряжений, или негерметичности соединения при «недовинчивании».
Технический результат при использовании настоящей полезной модели заключается в гарантированном повышении эксплуатационной надежности и долговечности работы соединения.
Задача, положенная в основу настоящей полезной модели, с достижением заявленного технического результата, решается тем, что в резьбовом соединении обсадных и насосно-компрессорных труб, содержащих ниппельный и муфтовый концы с конической резьбой трапецеидального профиля и герметизирующим узлом, выполненным на малом диаметре конуса резьбы с радиальным уплотнительным элементом «металл-металл», образованным охватывающими и охватываемыми плоскостями и торцевыми уплотнительными коническими элементами, также образованными охватывающими и охватываемыми элементами с нанесенной на наружной поверхности муфтового конца и зарезьбовой поверхностью трубы разметкой для промыслового соединения труб в колонну, на муфтовый и ниппельный концы трубы нанесены вертикальные метки шириной, соответствующей половине дуги доворота соединения от минимального до максимального момента, полное совпадение которых соответствует оптимальному моменту сборки, контакт левой стороны метки ниппельного конца и правой стороны метки муфтового конца соответствует минимальному моменту сборки, а контакт правой стороны метки ниппельного конца и левой стороны метки муфтового конца соответствует максимальному моменту сборки, при этом вертикальные метки ниппельного и муфтового концов, определяющие взаимное расположение последних при достижении рекомендованного момента сборки, определяются в зависимости от предварительно проставленных произвольно при совпадении основных плоскостей резьбы на резьбовых калибрах, кольце и пробке, вертикальных меток и перенесенных затем на размечаемые ниппельный и муфтовый концы при определении натяга по резьбе. Вместо резьбовых калибров могут использоваться специальные эталоны, которыми можно отмерить расстояние, от торцов муфтового и ниппельного концов до точки витка соответствующей основной плоскости резьбы.
Кроме того, на ниппельном конце трубы нанесена кольцевая полоса, шириной равная шагу резьбы на расстоянии, равном длине от упорного торца муфты до ее торца, при довороте до которой торца муфты необходимо остановить вращение ее при совпадении вертикальных меток ниппельного и муфтового концов. При этом соединение будет собрано с заданным крутящим моментом, гарантирующим герметичность сборки.
Указанные в формуле полезной модели признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, достаточной для обеспечения необходимого качества сопряжения герметизирующих поверхностей, причем технический результат достигается за счет разметки муфтового и ниппельного концов соединения кольцевой и вертикальными метками, определяющими взаимное положение ниппельного и муфтового концов при свинчивании, в соответствии с заданным крутящим моментом сборки, определяемым величиной контактных давлений на герметизирующих поверхностях герметизирующего узла. При этом кольцевая метка на ниппельном конце, шириной равной шагу резьбы, является границей, которая свидетельствует о том, что стыковка уплотнительных торцевых плоскостей произойдет «не более» чем на очередном обороте ниппеля в муфте.
Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого полезная модель явным образом не следует для специалиста промысловой сборки обсадных и насосно-компрессорных колонн, показал, что она не известна, а с учетом возможности промышленного серийного изготовления предлагаемого резьбового соединения, можно сделать вывод о ее соответствии критериям патентоспособности.
Предпочтительный вариант исполнения полезной модели описывается далее на основе представленных чертежей, где:
- на фиг.1 показана предлагаемая схема разметки резьбового соединения;
- на фиг.2 представлен возможный вариант выполнения эталонов, определяющих положение точки основной плоскости на муфтовом и ниппельном концах трапецеидальной резьбы.
На фиг.1 приведено высокогерметичное резьбовое соединение с критерием сборки, имеющее индикатор на ниппельном конце трубы в виде кольцевой полосы, шириной, равной шагу резьбы, и вертикальных меток на муфтовом и ниппельном концах трубы, шириной равной половине дуги довинчивания соединения от минимального до максимального крутящего момента сборки (или допустимого осевого натяга).
Предлагаемое техническое решение содержит трубу с ниппельным концом 1 с нанесенной вертикальной меткой 2 и трубу с муфтовым концом 3 с нанесенной вертикальной меткой 4. Совпадение меток 2 и 4 при свинчивании обеспечивает допустимые границы сборки соединения. На ниппельном конце 1 трубы нанесена кольцевая метка 5, ширина которой равна шагу резьбы и которая является границей, свидетельствующей о том, что стыковка уплотнительных торцевых плоскостей произойдет «не более» чем на очередном обороте ниппельного конца в муфтовом. Достижение торцем муфты 3 кольцевой метки 5 свидетельствует о том, что до полного свинчивания соединения остается не более одного оборота муфты относительно ниппельного конца и оператор должен довести сборку на минимальной скорости до совпадения меток 2 и 4, после чего соединение будет собрано в соответствии с требованиями нормативной документации. Дальнейшее внимание оператора сборки должно быть обращено только на вертикальные (по оси трубы) метки. При начале совпадения вертикальных меток на ниппельном и муфтовом концах соединение будет собрано с минимально допустимым крутящим моментом. Окончание совпадения меток ниппельного и муфтового концов свидетельствует о сборке соединения с максимальным моментом. Продолжение «довинчивания» соединения и выход меток из совпадения приводит к перегрузке соединения по крутящему моменту и требует разборку и ревизию соединения.
На ниппельном конце 1 и муфтовом конце 3 имеются вспомогательные метки 6 и 7. Вспомогательные метки 6 и 7 (точки или V-образные канавки) служат реперной точкой для размещения соответствующих (для муфтового и для ниппельного концов трубы) трафаретов, через которые наносятся метки 2 и 4. Положение вспомогательных меток (реперные точки) определяется при проверке натяга резьб ниппельного и муфтового концов. Для этого на пару резьбовых калибров в собранном состоянии (т.е. при совмещении основных плоскостей резьб) произвольно наносится вертикальная метка (метка на калибре-кольце является продолжением метки на калибре-пробке). При проверке натяга резьбы метки с калибров (пробка-кольцо) переносятся на соответствующую деталь (ниппельный или муфтовый конец трубы) и становятся реперными точками 6 и 7.
Нанесение меток производят краской по трафарету, накладываемому на муфтовый и отдельно на ниппельный концы трубы в зависимости от положения основных плоскостей резьб ниппельного и муфтового концов (реперных точек 6 и 7). Вместо резьбовых калибров для определения точки, связанной с основной плоскостью резьбы, могут использоваться специальные эталоны, позволяющие быстро отметить упомянутую точку на наружной поверхностях муфты и ниппеле трубы. Расчет по конструкторской документации позволяет изготовить трафареты на муфтовый и ниппельный концы, которые, ориентируясь на положение реперных точек 6 и 7, определяют положение вертикальных меток на ниппельном и муфтовом концах трубы.
Для улучшения визуализации упомянутые метки могут наноситься индикационным покрытием, например, белой краской.
На фиг.2 представлен возможный вариант выполнения упомянутых по тексту эталонов, определяющих положение точки основной плоскости на муфтовом или ниппельном концах трапецеидальной резьбы, где: 8 - рукоятка эталона, 9 - шаблон торца ниппельного конца, 10 - щуп точки, L - расстояние от торца ниппеля до основной плоскости резьбы (устанавливается по конструкторской документации).
Аналогично выполняется эталон для муфтового конца. Вводя щуп точки во впадину резьбы, продолжаем его движение, по винтовой линии одновременно придерживая шаблон ниппельного конца на торце последнего до остановки его. Указанное место есть точка 7 на ниппельном конце (см. фиг.1).
Нанесение кольцевой метки, соответствующей расстоянию от торцевого уступа уплотнения муфтового конца до его торца, определяется конструкторской документацией.
Свидетельством сопряжения герметизирующих поверхностей трубы и охватывающего элемента (торцевых и радиальных) с качеством, обеспечивающим необходимую герметичность соединения с достаточной жесткими требованиями по контактным давлениям на уплотнительных поверхностях герметизирующего узла, является совпадение торца муфтового конца с кольцевой канавкой 5 ниппельного и совпадение (при этом условии) вертикальных меток 2 и 4 ниппельного и муфтового концов. При этом начало совпадения меток 2 и 4 соответствует минимальному допустимому моменту сборки, полное совпадение - оптимальному моменту, и конец совпадения -максимальному допустимому моменту сборки.
Настоящая полезная модель промышленно применима, так как, используя существующие технологии, применяемые для изготовления, разметки для сборки резьбовых концов труб, не меняя конструкций резьбовых соединений, основана на принципиально новом методе, нанесения информации на поверхности резьбовых концов труб, показывающих оптимальные условия сборки резьбовых концов в зависимости от необходимых крутящих моментов сборки, определяемых нормативной документации.