Высокогерметичное муфтовое резьбовое соединение тонкостенных электросварных обсадных труб большого диаметра

Резьбовое соединение относится к области строительства и эксплуатации нефтяных и газовых скважин различного назначения и конструкций, как на суше, так и на шельфе.
Муфтовое резьбовое соединение входит в конструкцию обсадных труб, изготовляемых на отечественных трубных заводах и используемых при строительстве и эксплуатации нефтяных и газовых скважин повышенной сложности и опасности для окружающей среды. В целом конструкция указанных скважин включает несколько обсадных колонн, в том числе эксплуатационную колонну, промежуточные колонны (одна или несколько) и кондуктор. Каждая из колонн выполняет свое назначение и состоит из обсадных труб диаметром от 114 до 508 мм, соединяемых в колонну с помощью резьбового соединения.
Полезная модель предназначается для тонкостенных электросварных обсадных труб диаметром 406,4 мм и более, входящих преимущественно в последнюю промежуточную колонну и кондуктор, причем тонкостенными считаются трубы с отношением наружного диаметра к толщине стенки более 32.
Область применения муфтовых высокогерметичных резьбовых соединений типа «металл-металл» в действующих стандартах ограничена диаметром труб 339,7 мм и, следовательно, в отечественных обсадных трубах диаметром более 406,6 мм указанные резьбовые соединения не изготавливаются.
В настоящее время существенно усложнились условия работы обсадных колонн больших диаметров - 406,4 мм и более. Одновременно повысились требования к их надежности, так как все большее число скважин строится и эксплуатируется в зоне вечной мерзлоты, на шельфе и в труднодоступных северных районах с аномальными геологическими, климатическими и технологическими условиями добычи углеводородов.
В указанных выше условиях строится все больший объем многоколонных скважин, в том числе наклонно направленных и горизонтальных с высокой интенсивностью пространственного искривления ствола. Как правило, в подобных условиях возникает необходимость массового использования обсадных колонн диаметром 406,4; 426,0; 473,1; 508,0 мм.
Известно, что стальные обсадные трубы в настоящее время выпускаются по двум технологиям:
- цельнокатаная бесшовная труба, изготавливаемая из предварительно прошитой заготовки на автомат или пильгер-станах в горячем состоянии (горячекатаная труба);
- электросварная (обычно прямошовная) труба, изготавливаемая на трубоэлектросварочных агрегатах из рулонного проката (штрипса).
Технология изготовления электросварной трубы, в том числе большого диаметра, обеспечивает более точные и стабильные геометрические параметры по сравнению с горячекатаной. У электросварной трубы при изготовлении значительно ниже предельные отклонения: допуск на толщину стенки составляет 3-5% по сравнению с 12,5% для бесшовной трубы, величина эллипсности меньше почти в 2 раза и т.д., что естественно повышает качество и надежность работы колонн большого диаметра, собранных из тонкостенных электросварных труб. Указанное способствует созданию обсадных труб перечисленных диаметров с высокогерметичными резьбовыми соединениями. В существующих отечественных стандартах обсадные трубы диаметром 406,4 мм и более с подобными свойствами не предусмотрены и, следовательно, заводами не выпускаются (ГОСТ Р 53366-2009. Трубы стальные, применяемые в качестве обсадных или насосно-компрессорных труб для скважин в нефтяной и газовой промышленности. Общие технические условия. М. - Стандартинформ - 2010. 188 стр., ГОСТ 31446-2017. Трубы Стальные обсадные и насосно-компрессорные для нефтяной и газовой промышленности. Общие технические условия. М. - Стандартинформ - 2010. 245 стр.).
Для повышения герметичности резьбовых соединений стандартных труб большого диаметра с короткой резьбой треугольного профиля вышеприведенным ГОСТ Р рекомендовано применение уплотнительных колец из тефлона (фторопласта). Кольца вставляют в специальные кольцевые канавки, проточенные в резьбовой части муфты. Подобное уплотнение может быть использовано только для создания кратковременной герметичности колонн на момент ликвидации открытого нефтегазового фонтанирования при строительстве скважин. Длительная герметичность подобного резьбового соединения не изучена, более того, уплотняющая способность тефлона, как материала, крайне нестабильна и зависит от температуры. Например, коэффициент линейного температурного расширения максимален в пределах от +20°С до +25°С, в остальном температурном диапазоне работы резьбы уплотняющая способность тефлона падает в 2,0-2,5 раза (см. Физические свойства тефлона. Справочник компании ГК Матинс, М. 2017 г.).
Известно, что указанное соединение не может быть газогерметичным, так как не имеет узла уплотнения металл-металл и не рассчитано для предотвращения перетоков газа через резьбу в процессе продолжительной службы труб при эксплуатации скважин (см. СТО Газпром 2-4.1-158-2007 Технические требования к обсадным трубам. ОАО «Газпром», М. 2007 г.)
На первом этапе эксплуатации добывающей скважины газ неизбежно проникает из продуктивного газового пласта в цементное кольцо и мигрирует в нем вверх при превышении пластового давления в газоносном пласте над давлением за колонной, которое после формирования цемента может быть только гидростатическим.
Каналы вертикальной миграции газа образуются за обсадной колонной в цементном кольце вследствие следующих причин и факторов:
- плохого сцепления на границе раздела цемент-труба и цемент-порода, особенно в интервалах каверн и интенсивного искривления ствола скважины;
- растрескивания цемента при испытании колонн на герметичность с образованием вертикальных микротрещин по всей длине цементного кольца вплоть до устья спущенных обсадных колонн;
- ударной перфорации обсадной колонны и соответствующего разрушения цементного камня над продуктивной толщей и выше.
При вертикальном заколонном движении газ накапливается в замкнутом устьевом межколонном пространстве и создает повышенное межколонное давление прежде всего между эксплуатационной и последней предыдущей промежуточной колонной диаметром, как правило, менее 339,7 мм, причем обе указанные выше колонны оснащены газогерметичными резьбовыми соединениями типа «металл-металл».
Далее, в порядке эксплуатационного технадзора, проводимого недропользователем в соответствии с требованиями технологического регламента, накопившийся в указанном выше межколонном пространстве газ периодически, через выкидные линии, «разряжается» до нулевого значения внутреннего давления в межколонном пространстве (Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности. Правила безопасности в нефтяной и газовой промышленности. М. 2015 г.).
В то же время, практически непрерывно, газ поступает и в следующие межколонные пространства, укомплектованные обсадными трубами диаметром 406,4 мм и более со стандартными упорными резьбами типа Батресс, не имеющими герметизирующего уплотнения металл-металл. Далее, под действием повышенного устьевого давления газ мигрирует через стандартные резьбы за пределы предыдущей колонны большего диаметра, причем указанная выше миграция идет уже бесконтрольно и безнадзорно. Например, из межтрубного пространства, укомплектованного трубами диаметром 323,9 мм (уплотнение типа «металл-металл») и трубами 406,0 мм (со стандартными резьбами Батресс) газ проходит через стандартную резьбу и, накапливаясь далее в межтрубье колонны-кондуктора диаметром 508 мм, неизбежно мигрирует под непроницаемые пласты - покрышки (вечномерзлые породы), где либо создает техногенные газовые залежи, либо бесконтрольно и непрерывно поступает в окружающую среду через грифоны, родники и т.д.
Техногенные залежи углеводородов отмечены на газонефтяных месторождениях Вол го-Уральского региона, Прикаспийской нефтегазоносной провинции, в Северной части Западной и Восточной Сибири, включая Уренгойскую группу газовых месторождений, Ванкорскую группу газонефтяных эксплуатируемых площадей и т.д.
Особую опасность могут представлять техногенные залежи шельфовых месторождений северного Каспия, Арктики, Охотского моря и Сахалина.
Актуальность проблемы снижения числа техногенных залежей газа, образованных миграцией газа через резьбовые соединения стандартных промежуточных обсадных колонн, обусловлено не только экологической опасностью залежей, но и безвозвратными потерями ценного углеводородного сырья (см. патенты: RU 2256078 «Способ ликвидации техногенных залежей углеводородных газов в приповерхностных массивах горных пород на месторождениях углеводородов» и RU 2431033 «Способ восстановления герметичности заколонного пространства скважин газовой залежи или залежи, содержащей в своей продукции природный газ»).
Это выдвинуло задачу создания электросварных обсадных труб перечисленных выше диаметров с высокогерметичными (газогерметичными) резьбовыми соединениями. В существующих ГОСТ Р 51906-2015 и ГОСТ 31446-2017 обсадные трубы диаметром 406,6 мм и более с такими свойствами не предусмотрены, и, следовательно, заводами не выпускаются.
Из уровня техники известно муфтовое резьбовое соединение (RU 158152 U1, МПК Е21В 17/042, F16L 15/00, опубликовано 20.12.2015 г.). Соединение включает охватываемую (ниппель) и охватывающую (муфта) конические сопрягаемые детали, имеющие коническую трапецеидальную резьбу, а также радиальные и торцевые уплотнительные элементы, опорная грань резьбового профиля выполнена в виде отрицательного угла. Радиальное уплотнение ниппеля выполнено на участке между резьбой и торцевым уплотнением и имеет ответный уплотнительный элемент на муфте.
1
2
3
4
2
1
4
3
Перечисленные уплотнительные элементы выполнены в виде конуса и имеют угол относительно оси резьбы, возрастающий в сторону конической резьбы. Торцевое уплотнение выполнено на участке между радиальным коническим уплотнением ниппеля и внутренним диаметром тела трубы под углом к нормали оси резьбы и имеет ответный уплотнительный элемент на муфте, при этом угол торцевого уплотнительного элемента ϕ относительно нормали к оси резьбы ниппеля меньше угла соответствующего торцевого уплотнительного элемента ϕ на муфте, угол радиального уплотнительного элемента ϕ относительно оси резьбы ниппеля так же меньше угла соответствующего радиального уплотнительного элемента ϕ на муфте, причем ϕ-ϕ ≠ ϕ-ϕ, а острая кромка торцевого упорного уступа муфты скруглена таким образом, что окружность скругления расположена по касательной к поверхности торцевого уплотнительного элемента муфты, а центр радиуса данной окружности находится на линии внутреннего диаметра муфты вдоль оси соединения, причем радиус скругления не менее 2 мм.
К недостаткам данного известного резьбового соединения следует отнести использование профиля резьбы с отрицательным углом опорной грани витка. Приобретая определенные преимущества по увеличению прочности (соединения) за счет этого, соединение переходит в область усложнения его изготовления, свинчивания и эксплуатации у потребителя (необходимость существенной модернизации системы входного контроля, технологии свинчивания, сервисного наполнения и т.д.).
1
2
Необходимость преодоления разницы углов ϕ, ϕ и затем обеспечения заданного контактного давления по торцевым и коническим уплотнительным поверхностям, создает дополнительные напряжения в соединении, что отрицательно сказывается на его коррозионной стойкости под напряжением.
Из RU 88054 U1, МПК Е21В 17/00, F16L 15/00, опубликованного 27.10.2009 г., известно высокогерметичное резьбовое соединение (ВМ3-1) обсадных труб, включающее внутренние и наружные конические сопрягаемые элементы, на которых выполнена трапецеидальная неравнобокая резьба, имеющая опорную и закладные грани и герметизирующий узел, образованный наружной и внутренней радиальными уплотнительными коническими поверхностями и наружной и внутренней торцевыми упорными коническими поверхностями, при этом радиальные конические наружная и внутренняя поверхности выполнены с конусностью 1:10, а торцевые конические наружная и внутренняя поверхности выполнены под углом 15° к нормали оси резьбы, а первые витки наружной и внутренней резьбы выполнены так, что высота витка постепенно вырастает.
Данное высокогерметичное резьбовое соединение включает наружную и внутреннюю радиальные конические уплотнительные поверхности, наружные и внутренние торцевые конические уплотнительные поверхности, наружную и внутреннюю конические резьбы, первый (заходной) виток которых (наружная и внутренняя резьбы) выполнен специальным образом. Указанные элементы выполнены на охватываемой (ниппель) и охватывающей (муфта) деталях и контактируют между собой.
Внутренняя коническая трапецеидальная резьба выполнена на охватывающей детали (муфты) и контактирует при сборке с наружной конической трапецеидальной резьбой, выполненной на охватываемой детали (трубе). Конусность резьбы равна 1:16. Профиль витка имеет традиционные опорные и закладные грани.
Внутренняя коническая радиальная уплотнительная поверхность выполнена на охватывающей детали и контактирует при сборке с наружной конической радиальной уплотнительной поверхностью, выполненной на охватываемой трубе. Конусность уплотнительной радиальной поверхности равна 1:10.
Наружная коническая торцевая уплотнительная поверхность выполнена на охватываемой трубе и контактирует при сборке с внутренней конической торцевой уплотнительной поверхностью, выполненной на охватывающей трубе. Конусность уплотнительной радиальной поверхности равна 1:10.
Конические торцевые уплотнительные поверхности выполнены с углом 15° относительно нормали к оси (трубы) в направлении конической резьбы на соответствующей трубе. Данное техническое решение принято в качестве прототипа для заявляемой полезной модели.
Недостатком известного решения применительно к трубам большого диаметра является применение резьбового соединения с конусностью 1:16, а уплотнительных конических поверхностей 1:10, так как разная конусность резьбы и уплотнительного хвостовика на трубах больших диаметров (от 406,4 мм и выше) не позволяет оптимизировать напряженно-деформированное состояние узла герметизации соединения из-за возможной разницы деформаций контактирующих поверхностей вследствие влияния разницы отклонений фактических геометрических параметров сопрягаемых деталей. Отмеченное отрицательно сказывается на свойствах герметичности и коррозионной стойкости.
С точки зрения эксплуатационных характеристик недостатком резьбы с конусностью 1:16 относится сравнительно большее время процесса свинчивания при монтаже труб в колонну.
Настоящая полезная модель направлена на решение проблемы создания резьбового соединения применительно к муфтовым электросварным тонкостенным обсадным трубам больших (свыше 406,4 мм) диаметров, устойчиво обеспечивающего высокую газогерметичность без ухудшения монтажеспособности на устье скважины и усложнения существующей у потребителя технологии свинчивания и системы сервисного обслуживания.
Достижение указанных показателей обеспечивается использованием в конструкции соединения конусности 1:12 и применением ее не только в резьбе, но и на контактных гладких радиальных боковых поверхностях узла герметизации.
С целью снижения радиальных деформаций при растяжении (повышения прочности и герметичности) и свинчиваемости принята резьба, у которой за ось нарезания (формирования) резьбы взята ось трубы и конусность 1:12.
Применение конусности 1:12 взамен конусности 1:16 уменьшит радиальные деформации при растяжении, а применение в совокупности на ниппеле гладкого герметизирующего участка с конусностью, равной конусности резьбы, облегчит процесс монтажа соединения при спуске труб в скважину (уменьшит риски свинчивания с перекосом, сократит время непосредственно на свинчивание и др.).
Наружная и внутренняя гладкие контактные конические уплотнительные поверхности являются продолжением линии, проходящей соответственно через низшие точки профиля резьбы выступов муфты и впадин ниппеля.
Техническим результатом использования настоящей полезной модели является обеспечение газогерметичности разработанного резьбового соединения при эксплуатации газонефтедобывающий скважины обеспечивается газогерметичность промежуточных обсадных колонн большого диаметра и исключается возможность образования техногенных газовых залежей при промышленной эксплуатации газонефтеносного месторождения.
Указанный технический результат достигается также тем, что в стандартное резьбовое соединение с конической упорной резьбой Батресс с конусностью 1:12 введены герметизирующий радиальный гладкий конический уплотнительный узел «металл-металл» с конусностью 1:12 и торцевой упорный конический узел с сопрягаемыми наружной и внутренней поверхностями и с углом конуса 15° к нормали оси резьбы, причем минимальная длина сопрягаемых герметизирующих радиальных контактных поверхностей не менее длины сопрягаемых торцевых поверхностей.
Указанные признаки являются существенными, взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения указанного технического результата.
Сущность полезной модели поясняется следующим чертежом:
Фиг. 1 представляет собой часть продольного разреза соединительного узла для трубных элементов, показывающего взаимодействие посредством сборки муфты и ниппеля, где:
1 - ниппель;
2 - муфта;
3 - поверхность торцевого упора ниппеля;
4 - поверхность торцевого уступа муфты;
5 - образующая герметизирующей поверхности муфты;
6 - образующая герметизирующей поверхности ниппеля;
7 - кольцевая канавка для сбора выжимаемой смазки при свинчивании.
На Фиг. 1 представлена часть продольного разреза соединения для трубных элементов, которое содержит ниппель 1 и муфту 2, сопряженные друг с другом. Внешняя поверхность ниппеля 1 и внутренняя поверхность муфты 2 имеют части с конической резьбой (резьбовые части), причем вершины и впадины резьбы параллельны оси трубы, а конусность резьбы составляет 1:12. На ниппеле 1 выполнен торцевой упор 3, который контактирует с торцевым уступом 4 муфты 2.
Ниппель 1 содержит гладкую герметизирующую поверхность 6, продолжающуюся в направлении от резьбы до торцевого упора длиной не менее длины торцевых контактных поверхностей 3, 4.
Муфта 2 имеет гладкую герметизирующую коническую поверхность 5, длиной, равной длине герметизирующей поверхности ниппеля 3. Указанная длина герметизирующих поверхностей 5, 6 обеспечивает величину установленного контактного давления, необходимого для обеспечения герметичности узла и минимальную необходимую жесткость конструкции. Образующая герметизирующих поверхностей 5, 6 параллельна линии крайних точек впадин резьбы ниппеля 1. Герметизирующая поверхность 5 выполнена с возможностью перемещения по вершинам резьбовой части муфты 2 при осевом перемещении ниппеля 1.
При неоднократном свинчивании резьбового соединения осуществляется взаимодействие внутреннего (1) и наружного (2) элементов резьбы, затем за счет свинчивания происходит продвижение наружного резьбового элемента (2) вдоль внутреннего (1), далее конические радиальные (6) и конические торцевые (3) поверхности взаимодействуют с конической радиальной (5) и конической торцевой (4) поверхностями наружного элемента (2).
При приложении установленного момента затяжки осуществляется контакт уплотнительных поверхностей 4, 5 внутреннего 1 и наружного элемента 2, в результате чего на поверхностях возникают контактные напряжения (контактные давления), величина которых должна находиться в области упругой деформации, герметизируя узел уплотнения «металл-металл». При последующем свинчивании с установленным моментом затяжки контактные напряжения (контактные давления) обеспечивают газогерметичность резьбового соединения.
Преимуществом заявляемого высокогерметичного резьбового соединения по сравнению с известным является обеспечение гарантированной газогерметичности и улучшение качества промысловой сборки.
Настоящая полезная модель является новой и промышленно применимой, обеспечивает газогерметичность соединения по сравнению с известным техническим решением и тем самым предотвращает переток газа в окружающую среду, исключая образование техногенных залежей.