РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ ДЛЯ СКВАЖИННЫХ КОЛОНН ОБСАДНЫХ И НАСОСНО-КОМПРЕССОРНЫХ ТРУБ

Настоящая полезная модель касается резьбовых соединений труб, используемых при строительстве и эксплуатации скважинных колонн нефтяных и газовых месторождений.
В настоящее время при разработке нефтяных и газовых месторождений повсеместно используются наклонно-направленные и горизонтальные скважины. При спуске колонны обсадных и насосно-компрессорных труб в такие скважины необходимо преодолевать силы трения, возникающие на искривленных и горизонтальных участках профиля скважины. Это вызывает дополнительные нагрузки на резьбовые соединения труб как от их изгиба, так и осевых сил, напряжения от которых накладываются на уже имеющиеся напряжения в резьбовых соединениях труб от их свинчивания и собственного веса колонны.
Для таких условий работы используются резьбовые соединения с уплотнением типа «металл-металл». Отличительной особенностью таких резьбовых соединений является наличие у них кроме резьбовой, также уплотнительной герметизирующей части. Известны конструкции таких резьбовых соединений, учитывающих те или иные особенности работы труб при их эксплуатации в скважинах различных категорий.
Известно «Высокогерметичное резьбовое соединение нефтегазопропроводных труб» (патент RU 116952 U1, опубл. 10.06.2012). Конструкция этого соединения содержит охватываемый и охватывающий элементы, на концах которых выполнены наружная и внутренняя конические резьбы, и контактирующие между собой конические уплотнительные и упорные торцевые поверхности, которые образуют внутренний герметизирующий узел. При этом уплотнительные поверхности охватываемого и охватывающего элементов выполнены с конусностью 1:10, а упорные торцевые поверхности охватываемого и охватывающего элементов образуют с уплотнительными поверхностями острый угол и наклонены к нормали осевой линии резьбы под углом 15°.
Из уровня техники известно также «Высокогерметичное резьбовое соединение» (патент RU 74661 U1, опубл. 10.07.2008). Конструкция этого резьбового соединения содержит внутренние и наружные сопрягаемые элементы с коническими поверхностями, на которых выполнена резьба, а также имеется герметизирующий узел, состоящий из конических поверхностей. При этом коническая радиальная поверхность этого узла выполнена под углом 25-35°, а коническая упорная поверхность выполнена под углом 10-25° к нормали оси резьбы.
Особенностью данных известных резьбовых соединений, как и всех прочих используемых в настоящий момент отечественных и зарубежных конструкций резьбовых соединениях «металл-металл», является то, что номинальный угол торцевого упора ниппеля (α) и номинальный угол упорного уступа муфты (β) относительно перпендикуляра к оси резьбы всегда равны между собой (фиг. 1-2). В зависимости от типа и назначения обсадных или насосно-компрессорных труб величина этих углов может меняться и обычно составляет 15° или 0° (Трубы нефтяного сортамента, Справочник под ред. А.Е. Сарояна, М. Недра, 1987, 488 стр., Каталог резьбовых соединений, ТМК, 2010, 88 стр., Руководство по эксплуатации VAM, Vallourec Grouр, 2010, 320 стр.), но равенство этих номинальных углов между собой неизменно сохраняется.
Сборка резьбовых соединений проводится с нормированным моментом свинчивания, за счет которого на контактирующих поверхностях ниппеля и муфты создаются контактные давления (σ), обусловленные прикладываемым моментом. Величина этих давлений обычно составляют порядка 80% от предела текучести материала. На фиг. 2 в увеличенном масштабе приведен соответствующий уровню техники упорный узел собранного резьбового соединения, при этом в левой части показано соединение охватывающей детали (далее - муфта) 2 с охватываемой деталью (далее - ниппель) 1, собранное на заводе. Пунктирной линией на фиг. 2 показано положение упорного уступа 8 муфты до начала заводского свинчивания резьбы, а сплошной линией его положение после ввинчивания ниппеля с нормированным моментом в левую часть муфты. При заводском свинчивании, после приложения нормированного момента, по местам контакта торцевого упора ниппеля и упорного уступа муфты появляются большие по величине контактные давления. Под действием этих давлений упорный уступ муфты прогибается, угол упорного уступа муфты с правой стороны увеличивается и становится больше своего первоначального номинального значения β.
При сборке резьбового соединения на скважине, в свободную сторону муфты вворачивается другая труба. В связи с тем, что после заводской сборки на противоположной стороне упорного уступа муфты его угол увеличен, контактирование торцевого упора ниппеля и упорного уступа муфты уже происходит не по их полным поверхностям (фиг. 2). Первоначальное контактирование торцевых упоров в этом случае происходит по внутреннему углу уступа муфты и торцу ниппеля. При дальнейшем свинчивании резьбового соединения происходит внедрение угла уступа муфты в торец ниппеля. Это приводит к резкому увеличению контактных давлений на их стыке по внутреннему диаметру, появлению микротрещин, локальных зон пластичности и выдавливанию материала ниппеля и муфты внутрь трубы, что наглядно представлено на фиг. 3.
При этом коренным образом изменяется характер распределения контактных напряжений в упорном узле по поверхностям контакта торца ниппеля и уступа муфты. В свинченном заводском соединении эти напряжения имеют примерно постоянную величину по поверхностям контакта упорного узла. В соединении, свинченном на скважине, наибольшие по величине напряжения расположены по внутреннему диметру упорного узла, где имеют место пластические деформации металла, и напряжения при этом находятся на уровне предела текучести материала труб.
В процессе эксплуатации насосно-компрессорных труб они периодически поднимаются из скважины. При очередном их спуске, как правило, порядок свинчиваемых между собой труб не совпадает с их первоначальным значением. В результате этого, из-за предварительно появившихся при их первоначальных свинчиваниях необратимых зон локальных деформаций, при нарушении порядка свинчивания, и других последующих свинчиваниях, происходит не полное контактирование рабочих поверхностей упорного узла. Это вызывает перераспределение контактных давлений, дальнейший износ и повреждения всего узла герметичности труб.
Такие же явления происходят и на обсадных трубах, которые по существующим к ним требованиям должны обеспечивать работоспособность их резьбовых соединений при трехкратном процессе свинчивания и развинчивания.
Наличие незначительных зон пластических деформаций на внутренней поверхности обсадных или насосно-компрессорных труб в процессе их дальнейшей эксплуатации неизбежно запускает механизм интенсивной коррозии металла. Первоначально она возникает в местах повышенного напряжения по упорному торцу на внутренней поверхности труб, под воздействием добываемой коррозионно-активной среды, и в дальнейшем приводит к потере герметичности и снижению надежности работы всей колонны.
Указанный вид интенсивной коррозии классифицируется по ГОСТ 5272-68 как коррозия под напряжением, то есть «процесс коррозии деформированного металла (stress corrosion) под влиянием остаточных напряжений и внешней нагрузки». В результате этого происходит «коррозионная порча (corrosion damage), как крайне вредный эффект для функциональных характеристик металла и включающей его технической системы». (Коррозия и защита от коррозии: Энциклопедия международных стандартов, Г.С. Фомин, М. ИПК Изд-во стандартов, 1999, 520 стр.).
Вышеуказанные коррозионные процессы типичны для нефтяных и газовых скважин, они характерны для резьбовых соединений как обсадных, так и насосно-компрессорных труб при их эксплуатации, что нередко приводит к необходимости остановки скважин и проведения дорогостоящих и сложных ремонтных работ.
Подводя итог вышесказанному, одним из недостатков известных резьбовых соединений с уплотнением типа "металл-металл" является равенство номинальных углов упорного торца ниппеля и упорного уступа муфты, что в процессе сборки приводит к появлению локальных зон пластичности, напряжения в которых превышают предел текучести материала труб. Эти локальные зоны, в свою очередь, в процессе эксплуатации служат очагами зарождения интенсивных коррозионных процессов под воздействием агрессивных внутрискважинных сред и приводят к нарушению герметичности соединения.
Исходя из этого, задача данной полезной модели состоит в устранении условий для возникновения указанных локальных зон пластичности, вследствие чего снижаются напряжения в упорных торцах, повышается коррозионная стойкость резьбового соединения, увеличивается надежность и длительность герметичного действия всего узла в условиях воздействия агрессивных сред, имеющих место в газовых и нефтяных месторождениях, а также, по меньшей мере, значительно уменьшается возможность потери эксплуатационных характеристик резьбового соединения при многократной сборке и разборке труб.
В заявленной полезной модели решение данной задачи и достижение указанных технических результатов обеспечивается тем, что в резьбовом соединении для скважинных колонн обсадных и насосно-компрессорных труб, содержащем охватывающую (далее - муфта) и охватываемую (далее - ниппель) детали с внутренними и наружными сопрягаемыми коническими поверхностями, на которых нарезана коническая резьба, а также радиальное коническое уплотнение с торцевым упорным узлом, включающим упорный торец ниппеля и упорный уступ муфты, дополнительно предусмотрено, что величина номинального угла упорного торца ниппеля относительно перпендикуляра к оси резьбы больше величины номинального угла упорного уступа муфты относительно перпендикуляра к оси резьбы.
Кроме того, сопряжение боковой стороны упорного уступа муфты и его внутреннего диаметра происходит по радиусу, при этом величина радиуса сопряжения составляет 1,0-1,2 величины радиуса сопряжения радиального уплотнения и боковой стороны упорного уступа муфты.
Кроме того, разница величин номинального угла упорного торца ниппеля относительно перпендикуляра к оси резьбы и аналогичного номинального угла упорного уступа муфты составляет 1,8 -2,0°.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется посредством чертежей, на которых показано:
Фиг. 1 - общий вид резьбового соединения с уплотнением типа «металл-металл»;
Фиг. 2 - герметизирующий узел резьбового соединения с уплотнением типа «металл-металл»;
Фиг. 3 - в собранном виде упорный торцевой узел известных конструкций резьбовых соединений с уплотнением «металл-металл»;
Фиг. 4 - упорный торцевой узел с упорным торцем ниппеля и упорным уступом муфты по заявляемой полезной модели в момент первоначального контактирования;
Фиг. 5 - упорный торцевой узел резьбового соединения по заявляемой полезной модели, в собранном виде.
Фиг. 1-3 поясняют выполнение известных резьбовых соединений и возникающие в них проблемы, о чем уже говорилось выше. Собственно полезная модель поясняется на фиг. 4 и 5.
Заявленное резьбовое соединение имеет основные узлы, сходные с известной конструкцией, показанной на фиг. 1. Заявленное соединение включает в себя охватываемую деталь (ниппель) 1 и охватывающую деталь (муфта) 2, которые для соединения друг с другом снабжены соответственно наружной и внутренней сопрягаемыми коническими поверхностями, на которых нарезана коническая резьба 3, трапецеидального профиля. Для обеспечения герметичности соединения предусмотрен герметизирующий узел с радиальным коническим уплотнением 4, 6 ниппеля 1 и муфты 2 и торцевым упорным узлом, включающим в себя упорный уступ 8 муфты и упорный торец 9 ниппеля. Рабочие поверхности уступа 8 и торца 9 обозначены ссылочными позициями 7 и 5, соответственно.
Отличие заявленной полезной модели состоит в номинальных значениях взаимодействующих углов ниппеля и муфты упорного узла. Как видно на фиг. 4, номинальное значение угла упорного торца 9 ниппеля относительно перпендикуляра к оси резьбы 10 увеличено относительно номинального значения угла торцевого уступа 8 муфты на величину Δβ. Это приводит к устранению условий для появления показанного на фиг. 2 прогиба упорного уступа 8 муфты при заводском свинчивании трубы с муфтой и тем самым исключает нежелательное пластическое деформирование, как оно показано на фиг. 3 в случае известных соединений.
Для определения величины Δβ были проанализированы существующие требования по проведению сборки резьбовых соединений. Кроме того, проведена оценка влияния номинальных размеров труб, толщин стенок, упорных уступов муфт, различных допусков на изготовление резьбовых соединений, таких как овальность, несовпадение осей резьб левого и правого концов муфты, неплоскосность контактирующих поверхностей, торцевые биения и т.д. Так, например, при сборке резьбовых соединений отклонение момента свинчивания от своего номинального значения может составлять ±10%, кроме того, допуски на несовпадение осей резьб левого и правого концов муфты не более 0,04 мм, предельные отклонения от плоскосности - 0,06 мм (Резьбовые соединения «Премиум», Технический справочник, ТМК, 2013., 176 стр., ГОСТ 632-80, ГОСТ 633-80).
Проведенный анализ влияния указанных параметров позволил установить, что увеличение номинального значения угла упорного торца ниппеля относительно угла упорного уступа муфты составляет 1,8-2,0°. Таким образом, указанная разница углов выходит за рамки величин, которые определяются обычными технологическими допусками.
Взаимное положение ниппеля и муфты после их окончательного свинчивания показано на фиг. 5. В отличие от фиг. 3, имеющаяся здесь разница между углом торцевого упора ниппеля и углом упорного уступа муфты обеспечивает отсутствие пластических деформаций материала по внутренней поверхности торцевого упора. Более того, величина контактных напряжений значительно меньше предела текучести. Это снижает возможность зарождения очагов коррозии под напряжением и в условиях агрессивных сред в местах контакта упорных поверхностей ниппеля и муфты и, соответственно, увеличивает длительность герметичного действия данного соединения. Кроме того, обеспеченное разницей номинальных углов исключение появления пластических деформаций в ходе первоначального свинчивания влечет за собой исключение появления таких деформаций и при последующих производимых на скважинах работах по разборке и сборке труб, даже если будет использована не первоначальная труба. Таким образом, обеспечиваются условия для сохранения первоначальных характеристик заявленного резьбового соединения при многократных работах по сборке и разборке, производимых на месторождениях.
Первоначальное контактирование упорного торца ниппеля и уступа муфты по настоящей полезной модели при заводской сборке будет происходить по схеме, показанной на фиг. 4. Такое свинчивание может проводиться и с минимально допустимым моментом, который на 20% меньше максимально допустимого. При этом возможно, что после сборки по внутреннему диаметру торцевого упора муфты и трубы остается небольшой осевой зазор δ (фиг. 5). Это не приведет к отрицательным последствиям, так как такие зазоры допускаются при сборке и эксплуатации резьбовых соединений типа «металл-металл». Так, например, для резьбовых соединений труб такого типа - ОТТГ по ГОСТ 632-80 или труб НКМ по ГОСТ 633-80, после свинчивания «пластинчатый щуп толщиной 0,03 мм не должен проходить по всему периметру стыка торца трубы и упорного уступа муфты». Как видно, здесь также допускается осевой зазор по внутреннему диаметру стыка ниппеля и муфты, который должен быть не более 0,03 мм.
С целью снижения коэффициентов концентрации напряжений и уменьшения контактных напряжений, сопряжение боковой стороны упорного уступа муфты и его внутреннего диаметра может происходить не в виде острого угла, а по радиусу (R), величина которого составляет 1,0-1,2 от значения радиуса сопряжения радиального уплотнения и боковой стороны упорного уступа муфты (фиг. 4).