РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ НАСОСНО-КОМПРЕССОРНЫХ ТРУБ

2
2
Полезная модель относится к резьбовым соединениям насосно-компрессорных труб и может быть использована для соединения элементов колонн, применяемых при эксплуатации нефтяных, газовых и газоконденсатных скважин, имеющих высокую интенсивность искривления ствола и/или со сложными условиями эксплуатации, например, при высоких растягивающих, сжимающих нагрузках, избыточном внутреннем и наружном давлениях, в средах, содержащих повышенные концентрации HS и CO
Насосно-компрессорные трубы нефтяных и газовых скважин эксплуатируются в сложных условиях в присутствии агрессивных рабочих сред и при значительных механических нагрузках. В связи с этим, основными требованиями к насосно-компрессорным трубам является их высокая коррозионная стойкость, износостойкость, сохранение герметичности при высоких разнонаправленных механических нагрузках, а также высокая прочность для обеспечения проходимости скважин, особенно в местах с сильным искривлением.
Из уровня техники известно резьбовое соединение насосно-компрессорных труб, содержащее ниппельный и муфтовый элементы, на концах которых на наружной и внутренней поверхностях, соответственно, выполнены конические трапецеидальные резьбы и образующие внутренний герметизирующий узел радиальные уплотнительные и упорные торцевые поверхности. Конусность резьб составляет 1:16. Вершины профиля витка резьб ниппельного и муфтового элементов выполнены таким образом, что при свинчивании соединения они образуют между собой зазор. Угол наклона закладной грани профиля витка резьб ниппельного и муфтового элементов составляет 10-24° к нормали осевой линии резьбы, а угол наклона опорной грани профиля витка резьб составляет от -4 до +5° к нормали осевой линии резьбы. Упорные торцевые поверхности внутреннего герметизирующего узла наклонены к нормали осевой линии резьбы под углом 10-20° (патент РФ №2500875, 29.07.2012).
Указанное резьбовое соединение имеет недостаток, заключающийся в недостаточной герметичности соединения при воздействии значительных механических комбинированных (растягивающих и изгибающих) нагрузок.
Раскрытое в документе (1) соединение принято в качестве ближайшего аналога заявленного соединения.
При разработке полезной модели ставилась задача разработать высокогерметичное резьбовое соединение насосно-компрессорных труб, которое может быть применено для соединения элементов колонн нефтяных, газовых и газоконденсатных скважин, работающих при повышенных нагрузках. Конструкция такого соединения позволит улучшить его работу на растяжение, сжимание и изгиб, а также обеспечит многократную сборку соединения без повреждения контактирующих поверхностей и элементов резьбы.
Достигаемый технический результат заключается в сохранении высокой герметичности соединения при сложных условиях эксплуатации-воздействии на соединение значительных механических комбинированных (растягивающих, сжимающих, изгибающих) нагрузок, крутящего момента. Также обеспечивается высокая износостойкость соединения при его многократном свинчивании-развинчивании.
Указанный технический результат достигается тем, что резьбовое соединение насосно-компрессорных труб содержит ниппельный и муфтовый элементы, на концах которых выполнены, соответственно, внешняя и внутренняя резьбы, упорные торцевые и уплотнительные радиальные поверхности, образующие внутренний герметизирующий узел. Резьбы выполнены с конусностью 1:16 и имеют трапецеидальный профиль с опорной гранью, выполненной под углом 1÷5° к нормали осевой линии резьбы, и закладной гранью, выполненной под углом 8÷12° к нормали осевой линии резьбы, при этом высота профиля резьбы ниппельного элемента меньше, чем высота профиля резьбы муфтового элемента. Внутренний герметизирующий узел образован упорными торцевыми поверхностями, выполненными под углом 10÷20° к нормали осевой линии резьбы, и уплотнительными радиальными поверхностями, выполненными под углом 55÷65° к нормали осевой линии резьбы, при этом участок перехода от уплотнительных радиальных поверхностей к упорным торцевым поверхностям выполнен скругленным, причем радиус скругления указанного участка на ниппельном элементе больше, чем на муфтовом.
В частном варианте выполнения соединения шаг резьбы составляет 3,175 мм.
В другом частном варианте выполнения соединения шаг резьбы составляет 4,233 мм.
В частном варианте выполнения соединения радиус скругления участка перехода от уплотнительных радиальных поверхностей к упорным торцевым поверхностям на ниппельном элементе составляет 0,4-0,5 мм, на муфтовом - 0,1-0,3 мм.
В частном варианте выполнения соединения высота профиля резьбы ниппельного элемента составляет 0,98-1,02 мм, высота профиля резьбы муфтового элемента - 1,18-1,22 мм.
На фиг. 1 изображено заявленное резьбовое соединение насосно-компрессорных труб в собранном состоянии.
На фиг. 2 изображен профиль резьбы, используемой в заявленном резьбовом соединении насосно-компрессорных труб.
На фиг. 3 изображен внутренний герметизирующий узел заявленного резьбового соединения насосно-компрессорных труб.
Резьбовое соединение насосно-компрессорных труб содержит ниппельный (1) и муфтовый (2) элементы, на концах которых выполнены внешняя и внутренняя резьбы (3), соответственно, и внутренний герметизирующий узел (4), образованный контактирующими между собой радиальными уплотнительными (5) и упорными торцевыми (6) поверхностями.
Резьбы (3), выполненные на наружной поверхности ниппельного элемента (1) и на внутренней поверхности муфтового элемента (2), имеют конусность 1:16.
Выполнение резьб (3) с конусностью 1:16 с одной стороны обеспечивает высокую степень их зацепления друг с другом в свинченном состоянии и возможность оптимального восприятия соединением изгибающих и растягивающих нагрузок, действующих во время эксплуатации соединения, с другой стороны - сохраняет высокие характеристики свинчиваемости соединения, обеспечивает износостойкость соединения при многократном свинчивании-развинчивании.
Профиль витка резьб (3) представляет собой неравнобедренную трапецию, боковые стороны которой выполнены в виде опорной (8) и закладной (7) граней.
Профиль витка резьб (3) ниппельного (1) и муфтового (2) элементов выполнен с углом наклона закладной грани (7) к нормали осевой линии резьбы равным 8-12° и углом наклона опорной грани (8) к нормали осевой линии резьбы равным 1-5°.
Под нормалью осевой линии резьбы понимается перпендикуляр, проведенный к осевой линии резьбы.
Выполнение угла наклона закладной грани (7) профиля витка резьб (3), равным 8-12° к нормали осевой линии резьбы, стабилизирует положение ниппельного элемента (1) относительно муфтового элемента (2) на начальном этапе свинчивания соединения, что предотвращает заклинивание соединения, повреждение поверхностей витков резьб (3), образование задиров и обеспечивает возможность многократного свиничивания-развиничивания соединения при сохранении герметичности.
Выполнение угла наклона опорной грани (8) профиля витка резьб (3) равным 1-5° к нормали осевой линии резьбы обеспечивает исключениевозможности выхода витков резьб (3) из зацепления друг с другом при значительных растягивающих и изгибающих нагрузках (потеря герметичности), воздействующих на соединение под действием собственного веса колонны, опускаемой в скважину.
Высота профиля резьбы (3) ниппельного элемента (1) меньше, чем высота профиля резьбы (3) муфтового элемента (2). Таким образом, при нахождении соединения в свинченном состоянии вершины (9) профиля витка резьб (3) образуют между собой зазор.
Зазор между вершинами (9) профиля витка резьб (3) обеспечивает улучшенную свинчиваемость соединения и повышение его износостойкости, а также служит для выхода излишек смазки при свинчивании соединения, скопление которой на контактирующих поверхностях соединения снижает его герметичность.
Внутренний герметизирующий узел (4) соединения образован контактирующими между собой радиальными уплотнительными (5) и упорными торцевыми (6) поверхностями, выполненными на концах на наружной поверхности ниппельного элемента (1) и на внутренней поверхности муфтового элемента (2).
При свинчивании соединения контактирующие между собой радиальные уплотнительные (5) и упорные торцевые (6) поверхности за счет возникновения деформации в упругой области образуют диаметральный натяг и уплотнение типа «металл-металл» и обеспечивают высокую герметичность всей конструкции (соединения) при действии комбинированных нагрузок и в агрессивных средах.
Упорные торцевые поверхности (6) выполнены с углом наклона к нормали осевой линии резьбы, составляющим 10-20°.
Указанный угол наклона упорных торцевых поверхностей (6) обеспечивает "поджатие" герметизирующего узла (4), что позволяет снизить радиальный натяг, что в свою очередь снижает вероятность повреждения уплотнительных поверхностей (5) и возникновения на них задиров. Кроме того, увеличивается площадь контакта упорных торцевых поверхностей (6) ниппельного (1) и муфтового (2) элементов, что позволяет увеличить крутящий момент свинчивания при сохранении контактных напряжений на необходимом уровне в пределах упругой деформации.
При увеличении заявленного угла наклона упорных торцевых поверхностей (6) к нормали осевой линии резьбы выше заявленного предела начинают возникать значительные деформации муфтового элемента (2) при сжатии или перекручивании соединения. При уменьшении угла ниже заявленного предела теряется эффект «клина», так как «клин» муфтового элемента (2) становится более жестким в осевом направлении.
Угол наклона радиальных уплотнительных поверхностей (5) к нормали осевой линии резьбы составляет 55-65°.
Указанный угол наклона уплотнительных поверхностей (5) обеспечивает оптимальную площадь их контакта и высокий уровень напряжений контактирующих уплотнительных поверхностей (5) ниппельного (1) и муфтового (2) элементов, обеспечивающий герметичность соединения при всех сочетаниях нагрузок во всем диапазоне полей допусков ниппельного (1) и муфтового (2) элементов.
Контакт уплотнительных поверхностей (5), расположенных под заявленным углом наклона, происходит с натягом на сравнительно небольшой площади, при этом возникают большие контактные напряжения, обеспечивая высокую герметичность. Также, заявленный наклон уплотнительных поверхностей (5) позволяет производить повторную сборку соединения без повреждений уплотнительных поверхностей (5) за счет быстрого достижения величины радиального натяга в процессе сборки. Кроме того, такая конструкция герметизирующего узла (4) позволяет соединению оставаться герметичным при действии значительных изгибающих нагрузок.
Участок перехода от уплотнительных радиальных поверхностей (5) к упорным торцевым поверхностям (6) выполнен скругленным, причем радиус скругления указанного участка на ниппельном элементе (1) больше, чем на муфтовом (2).
Указанное скругление увеличивают площадь контакта радиальных уплотнительных поверхностей (5) ниппельного (1) и муфтового (2) элементов, что положительно влияет на герметичность соединения. Кроме того, указанное скругление позволяют соединению работать на изгиб, что обеспечивает сохранение высокой герметичности соединения при действии изгибающих нагрузок.
Заявленное резьбовое соединение насосно-компрессорных труб работает следующим образом.
При выполнении операции свинчивания соединения первоначально осуществляется взаимодействие ниппельного (1) и муфтового (2) элементов с помощью упорных конических трапецеидальных резьб (3), выполненных на концах на наружной поверхности ниппельного (1) элемента и внутренней поверхности муфтового (2) элемента.
В процессе свинчивания соединения происходит продвижение уплотнительной поверхности (5) на ниппельном элементе (1) вдоль резьбы (3) на муфтовом элементе (2), затем уплотнительная поверхность (5) ниппельного элемента (1) взаимодействует с уплотнительной поверхностью (5) муфтового элемента (2). За счет пластических деформаций уплотнительных поверхностей (5) создается уплотнение типа "металл-металл".
Окончание процесса свинчивания соединения осуществляется при силовом контактировании упорных торцевых поверхностей (6), выполненных на ниппельном (1) и муфтовом (2) элементах, в результате чего на упорных торцевых поверхностях (6) также возникают контактные напряжения, величина которых находится в области упругих деформаций.
Пример осуществления полезной модели.
Проведено испытание образца заявленного резьбового соединения насосно-компрессорных труб, содержащего ниппельный (1) и муфтовый (2) элементы, на концах которых на наружной и внутренней поверхностях, соответственно, выполнены упорные конические трапецеидальные резьбы (3) и образующие внутренний герметизирующий узел (4) контактирующие между собой радиальные уплотнительные (5) и упорные торцевые (6) поверхности.
Профиль витка резьбы (3) на наружной и внутренней поверхностях ниппельного (1) и муфтового (2) элементов, соответственно, выполнен с углом наклона закладной грани (7) к нормали осевой линии резьбы равным 10° и углом наклона опорной грани (8) к нормали осевой линии резьбы равным 3°. Конусность резьб (3) составляет 1:16, шаг - 4,233 мм.
Ширина зазора (10) между вершинами (9) профиля витка резьб (3) на ниппельном (1) и муфтовом (2) элементах составляет 0,1 мм.
Радиальные уплотнительные поверхности (5), выполненные на наружной и внутренней поверхностях ниппельного (1) и муфтового (2) элементов, соответственно, наклонены к нормали осевой линии резьбы под углом 60°.
Упорные торцевые поверхности (6) выполнены под углом 15° к нормали осевой линии резьбы.
Участок перехода от уплотнительных радиальных поверхностей (5) к упорным торцевым поверхностям (6) выполнен скругленным, причем радиус скругления указанного участка на ниппельном элементе больше, чем на муфтовом.
Описанный выше образец заявленного резьбового соединения насосно-компрессорных труб показал по сравнению с другими образцами, обладающими геометрическими параметрами, отличающимися от заявленных, выдерживание более значительных механических нагрузок при сохранении герметичности, износостойкость при многократном свинчивании-развинчивании и эксплуатации соединения.