Резьбовое соединение обсадных гладких безмуфтовых труб

Полезная модель относится к области резьбовых соединений труб и может быть использована при обустройстве и эксплуатации нефтяных и газовых скважин.
Наиболее эффективно использование предложенной полезной модели для применения в высокогерметичных резьбовых соединениях обсадных гладких безмуфтовых труб, и других видах труб в наклонных и горизонтальных нефтяных и газовых скважинах, которые эксплуатируются в сложных геологических условиях и агрессивных средах.
На современном этапе развития нефтяной и газовой промышленности предъявляются все большие требования к герметичности резьбовых соединений обсадных труб, связанное с постоянным усложнением условий добычи нефти и газа.
Недостаточная герметичность резьбового соединения наиболее часто приводит к появлению коррозионного поражения металла обсадных труб в зоне резьбового соединения, затем течи и далее к разрушению колонн.
Наличие резьбы на трубах ослабляет прочность на растяжение в связи с уменьшением толщины стенки под резьбой. При этом зачастую прочность резьбового соединения меньше прочности основного тела трубы. Степень равнопрочности соединения характеризуется его эффективностью (в процентах), т.е. отношением прочности соединения к прочности тела трубы. При этом эффективность резьбового соединения определяется прочностью материала трубы, толщинами стенок тела трубы и под резьбой (Повышение эксплуатационных характеристик стальных труб/ В.М. Друян, С.А. Чукмасов, Н.Ю. Гуляева, Теория и практика металлургии, 2001, №5, с. 32-40).
Применение обсадных труб с высокопрочными резьбовыми соединениями для крепления и эксплуатации нефтяных и газовых скважин обеспечивает снижение расхода металла и на метр проходки до 12%.
Необходимая прочность и герметичность резьбового соединения труб обеспечиваются выбором типа резьбы, предварительного утолщения одного или двух концов трубы, применением термической обработки, дополнительного уплотнения по резьбе с помощью тефлонового (фторопластового кольца), применением уплотнительных поверхностей «металл по металлу», наличием специального упорного уступа.
Известно соединение тонкостенных обсадных труб с отношением наружного диаметра к толщине стенки больше 22, содержащее ниппельную и муфтовую части с конической треугольной резьбой, причем конец трубы на длине от ее торца до основной плоскости резьбы выполнен с постоянной толщиной стенки (Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР SU 857427 А1, опубл. 28.08.1981). Недостатком данного соединения является отсутствие герметичности соединения тонкостенных обсадных труб с треугольной резьбой на ниппельной и муфтовой частях и как следствие низкая надежность соединения.
Известна конструкция резьбового соединения обсадных гладких безмуфтовых труб типа ОГ1М, позволяющая уменьшить диаметр колонны и существенно сократить расход металла (Резьбовые соединения труб нефтяного сортамента и забойных двигателей/Н.А. Щербюк, Н.В. Якубовский, М., Недра, 1974, с. 122-126). Прочность резьбового соединения труб ОГ1М при действии растягивающих нагрузок составляет около 50% от прочности по телу трубы, что позволяет спускать обсадную колону из труб ОГ1М на глубину 2000-3500 м в зависимости от прочности материала труб. На ниппельном конце трубы выполнен упорный уступ, который находится в плоскости, перпендикулярной оси резьбы и взаимодействует с упорным торцом муфтового конца трубы при сборке резьбового соединения. Ширина упорных поверхностей должна быть не менее 1,9 мм. Недостаток данного резьбового соединения заключается в том, что не обеспечивается газогерметичность в наклонно направленных и горизонтальных скважинах и как следствие низкая надежность резьбового соединения.
Наиболее близким является резьбовое соединение обсадных гладких безмуфтовых труб, принято за прототип, содержание охватываемый элемент - ниппельную часть одной труб с наружной конической резьбой трапецеидального профиля и охватывающий элемент - муфтовую часть другой трубы с внутренней конической резьбой, навинчивающуюся на ниппельную часть и имеющая ответную резьбу (Трубы нефтяного сортамента: Справочник/ Под общей ред. А.Е. Сарояна/ А.Е. Сароян, Н.Д. Щербюк, Н.В. Якубовский и др. - 3-е изд. перераб. и доп.- М.: Недра, 1987, с. 224-226). В соединении труб ОГ1М применена трапецеидальная резьба с шагом 5,08 мм, конусностью 1:12, рабочий высотой профиль 1,4 мм и углами наклона 3 и 30°. Посадка резьбы осуществляется по внутреннему диаметру резьбы с зазором 0,1 мм по наружному диаметру и 0,2 мм по боковой стороне профиля резьбы. Для увеличения жесткости муфтового конца предусмотрена посадка с натягом по срезанным вершинам профиля резьбы на участке от начала сбега резьбы ниппельного конца до упорного уступа. Разрушающие нагрузки для труб ОГ1М определяют исходя из площади оконных сечений по телу ниппельной или муфтовой части трубы под крайними витками резьбы, находящимися в зацеплении. Рекомендуемые допустимые нагрузки при спуске труб ОГ1М рассчитывают при коэффициенте запаса прочности 1,8 от разрушающей нагрузки. Основная герметизация резьбового соединения труб типа ОГ1М осуществляется за счет применения уплотнительной смазки. Использование различных уплотнительных смазок показало, что добиться повышения герметичности и особенно газоплотности соединения невозможно только за счет использования уплотнительной смазки и даже за счет повышения точности изготовления элементов резьбового соединения для снижения зазоров. Недостатком данного резьбового соединения обсадных гладких безмуфтовых труб является низкая эксплуатационная надежность резьбового соединения вследствие недостаточной его герметичности особенно при эксплуатации обсадных труб в сложных геологических условиях, характеризуемых внешними температурами, давлением газа и воды.
Недостаточная герметичность резьбового соединения обсадных гладких безмуфтовых труб типа ОГ1М связана с тем, что герметичность этих соединений обеспечивается в основном за счет применения уплотнительных смазок, которые удовлетворительно работают в обычных условиях эксплуатации. В тоже время эти смазки не обеспечивают высокую герметичность и, прежде всего газоплотность, в сложных геологических условиях. Повышенная точность изготовления элементов резьбы не решает кардинальным образом эту проблему.
Целью полезной модели является усовершенствовать резьбовое соединение обсадных гладких безмуфтовых труб.
Технический результат полезной модели - повышение надежности эксплуатации резьбового соединения обсадных гладких безмуфтовых труб.
Технический результат достигается за счет того, что резьбовое соединение обсадных гладких безмуфтовых труб содержит охватываемый элемент - ниппельную часть одной трубы с наружной конической резьбой трапецеидального профиля и охватывающий элемент - муфтовую часть другой трубы с внутренней конической резьбой, навинчивающуюся на ниппельную часть и имеющую ответную резьбу, со стороны торцов ниппельной и муфтовой частей выполнены два герметизирующих узла «металл по металлу», первый герметизирующий узел - внутренний, состоящий из контактирующих между собой двух конических уплотнительных радиальных поверхностей с конусностью 20% к оси резьбы, а второй герметизирующий узел - наружный, состоящий из четырех конических уплотнительных упорных торцевых поверхностей, на ниппельной части трубы между сбегом резьбы и конической уплотнительной радиальной поверхностью выполнена цилиндрическая проточка параллельная оси резьбы длиной от 2 до 4 мм, диаметром, равным диаметру по впадине резьбы в плоскости пересечения резьбы с цилиндрической проточкой, а на муфтовой части трубы между сбегом резьбы и конической уплотнительной радиальной поверхностью выполнена коническая проточка с конусностью 20% к оси резьбы и максимальным диаметром, равным диаметру по впадине сбега резьбы, при этом после сборки резьбового соединения с натягом цилиндрическая проточка на ниппельной части и коническая проточка на муфтовой части труб образуют кольцевую полость, представляющую собой гидравлический затвор для сбора уплотнительной смазки. Углы наклона уплотнительных упорных торцевых поверхностей ниппельной и муфтовой частей, контактирующих между собой при сборке резьбового соединения, составляют 25-35° к оси резьбы и 15-20° к линии перпендикулярной оси резьбы, при этом уплотнительные поверхности образуют упорный клин с углом между ними 100-105°.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежами:
на фиг. 1 показан общий вид резьбового соединения в разрезе, которое выполнено в габаритных размерах тела гладких труб;
на фиг. 2 и 3 - охватываемый элемент - ниппельная часть трубы и охватывающий элемент - муфтовая часть другой трубы соответственно;
на фиг. 4 - место I на фиг. 2;
на фиг. 5 - место II на фиг. 2;
на фиг. 6 - место III на фиг. 3;
на фиг. 7 - место IV на фиг. 3;
на фиг. 8 - внутренний герметизирующий узел;
на фиг. 9 - внешний герметизирующий узел;
на фиг. 10 - место V на фиг. 9.
На фиг. 1-10 обозначены 1 - охватывающий элемент - ниппельная часть и 2 - охватывающий элемент - муфтовая часть соответственно, 1.1 и 2.1 - резьбовые участки ниппельной и муфтовой частей соответственно, 1.2.1 - коническая радиальная уплотнительная поверхность ниппельной части, 1.2.2 и 1.2.3 - уплотнительные упорные поверхности ниппельной части, 1.3 - цилиндрическая проточка ниппельной части между сбегом резьбы и конической радиальной уплотнительной поверхностью, 1.4 - внешний торец ниппельной части, 2.2.1 - коническая радиальная уплотнительная поверхность муфтовой части, 2.2.2 и 2.2.3 -уплотнительные упорные поверхности муфтовой части, 2.3 - внутренний торец муфтовой части, 3 - кольцевая полость, образующая гидравлический затвор.
т
т
D и S - диаметр и толщина стенки труб, которые соединяются с помощью предложенного резьбового соединения;
n
D и F - диаметр и ширина цилиндрической проточки ниппельной части соответственно;
А и Н - длина конической радиальной уплотнительной поверхности и длина ниппельной части соответственно;
В - длина упорного узла ниппельной части;
О и М - длина проточки на конце и длина муфтовой части соответственно;
G - длина конической проточки муфтовой части между сбегом резьбы и внутренним торцом;
С - зазор между внешним и внутренним торцами ниппельной и муфтовой частей соответственно;
1
2
r и r - радиусы закругления конических уплотнительных упорных поверхностей ниппельной и муфтовой частей соответственно;
1
2
β и β - углы наклона образующих конических уплотнительных упорных поверхностей ниппельной и муфтовой частей;
3
β - угол клина переднего конца муфтовой части;
δ - угол наклона образующей конической радиальной уплотнительной поверхности ниппельной и муфтовой частей;
1
2
α и α - углы наклона боковых поверхностей цилиндрической проточки ниппельной части;
γ - угол сбега резьбы на муфтовой части.
Причинно-следственная связь между совокупностью признаков, которые заявляются и техническим результатом, который достигается, состоит в следующем.
Повышение надежности эксплуатации резьбового соединения обсадных гладких безмуфтовых труб достигается за счет обеспечения надежной герметичности за счет выполнения двух герметизирующих узлов «металл по металлу».
Герметизирующие узлы образованы коническими уплотнительными поверхностями, выполненными на ниппельной и муфтовой частях труб.
Выбор рациональных параметров уплотнительных поверхностей со стороны торцов ниппельной и муфтовой частей обеспечивает надежную герметичность и прежде всего газоплотность при создании достаточных контактных напряжений при сборке соединения с натягом.
Наличие упорных уплотнительных конических поверхностей на ниппельной и муфтовой частях стабилизирует величину крутящего момента при свинчивании обсадных труб на буровых установках, где трудно достоверно контролировать величину крутящего момента.
Выбор конусности уплотнительных радиальных поверхностей равным 20%, контактируемых между собой при сборке резьбового соединения, обусловлен условиями эксплуатации обсадных, а именно значительными наружными и внутренними давлениями, действием изгибающих моментов при наклонном бурении и значительными растягивающими нагрузками при глубинном бурении.
При этом необходимо учитывать реальную шероховатость контактирующих уплотнительных поверхностей.
Повышение надежности при сборке и эксплуатации предложенного резьбового соединения обеспечивается также за счет образования кольцевой полости для уплотнительной смазки. Кольцевая полость образована цилиндрической поверхностью на ниппельной части и конической поверхностью на муфтовой части, расположенными между сбегом резьбы и уплотнительной конической поверхностью ниппельной части, и сбегом резьбы и конической уплотнительной поверхности муфтовой части соответственно. Параметры кольцевой полости способствуют сбору и удержанию уплотнительной смазки в резьбовом соединении, что предупреждает зазоры и заедания при сборке резьбового соединения, а также способствуют выходу резьбообразующего инструмента при нарезании резьбы. Особенно важно повышение надежности сборки безмуфтовых резьбовых соединений, когда сборка колонны из обсадных труб осуществляется над устьем скважины на буровой установке.
Длина цилиндрической проточки на ниппельной части в пределах 2-4 мм обусловлена необходимостью создания кольцевой полости для удержания смазки рационального объема и зависит от диаметра обсадных труб. При этом с увеличением диаметра обсадных труб соответственно растет и длина цилиндрической проточки.
Надежная герметичность резьбового соединения ниппельной части одной трубы и муфтовой части другой трубы достигается за счет контактирования уплотнительных конических поверхностей внутреннего и внешнего герметизирующих узлов.
Выбор рациональных параметров уплотнительных поверхностей герметизирующих узлов обеспечивает надежную герметичность резьбового соединения при создании достаточных контактных напряжений при сборке соединения методом «металл по металлу». Выполнение угла наклона образующей конической уплотнительной поверхности конусностью 20% внутреннего герметизирующего узла обеспечивает основную герметичность, так как при сборке резьбового соединения с натягом имеют место максимальные радиальные напряжения на контакте уплотнительных поверхностей.
Дополнительная герметичность резьбового соединения обеспечивается за счет внешнего герметизирующего узла, образованными четырьмя уплотнительными упорными коническими поверхностями. При этом основное назначение этого узла состоит в стабилизации величины крутящего момента при свинчивании труб на буровых установках над устьем скважин.
Выбор конусности уплотнительных поверхностей внутреннего герметизирующего узла равным 20% относительно оси резьбы, контактирующих между собой при сборке резьбового соединения обусловлен условиями эксплуатации обсадных труб, а именно значительным наружным и внутренним давлением, действием изгибающих моментов при наклонном бурении и значительными растягивающими нагрузками при глубоком бурении.
Уплотнительные упорные конические поверхности внешнего герметизирующего узла образуют своего рода замок, ограничивающий взаимное перемещение труб при сборке резьбового соединения. В результате этого ограничивается натяг при свинчивании труб и стабилизируется величина крутящего момента. Это позволяет осуществлять достаточно легкое восстановление резьбового соединения после его разборки для повторной эксплуатации.
Выбор углов наклона образующих четыре уплотнительные упорные поверхности в пределах 25-35° к оси резьбы и 15-20° к перпендикуляру к оси резьбы обусловлен необходимостью создания наиболее рациональных условий работы внешнего герметизирующего узла. Параметры углов наклона образующих уплотнительных поверхностей в указанных пределах обеспечивают с одной стороны повышение герметичности узла за счет действия контактных напряжений между уплотнительными поверхностями при увеличении площадей контактных поверхностей, с другой стороны указанные параметры уплотнительных поверхностей обеспечивают создание упорного клина на торце муфтовой части с рациональным углом 100-105° и ответного ему конического углубления в ниппельной части резьбового соединения. Величина угла упорного клина в пределах 100-105° обеспечивает достаточную его прочность при действии нагрузок в результате сборки соединения с натягом и последующей эксплуатации на буровых установках.
т
т
Предлагаемое резьбовое соединение обсадных гладких безмуфтовых труб содержит охватываемый элемент - ниппельную часть 1 одной трубы и охватывающий элемент - муфтовую часть 2 другой трубы (фиг. 1). Соединяемые трубы имеют наружный диаметр D и толщину стенки S.
На ниппельной части 1 выполнена наружная коническая резьба 1.1 трапецеидального профиля. На муфтовой части 2 выполнена внутренняя коническая резьба 2.1 с ответным профилем, навинчивающаяся на ниппельную часть 1 (фиг. 1). Конусность резьбы составляет 6,25%. Рабочая высота профиля 1,4 мм, шаг резьбы 5,08 мм, углы наклона профиля резьбы 3° и 30°.
Со стороны торцов ниппельной 1 и муфтовой частей 2 выполнены два герметизирующих узла «металл по металлу». Первый герметизирующий узел - внутренний состоит из контактирующих между собой двух конических радиальных уплотнительных поверхностей ниппельной части 1.2.1 и муфтовой части 2.2.1, расположенных под углом 5 к оси резьбы (фиг. 2 и 3).
Второй герметизирующий узел - наружный состоит из четырех конических уплотнительных упорных торцевых поверхностей, расположенных попарно на ниппельной части 1.2.2 и 1.2.3 и муфтовой части 2.2.2 и 2.2.3 (фиг. 2 и 3).
В предложенном резьбовом соединении его повышенная герметичность обеспечивается за счет наличия двух герметизирующих узлов, указанных выше. При этом основная герметичность соединения обеспечивается внутренним герметизирующим узлом, а дополнительная герметичность - наружным герметизирующим узлом.
n
1
2
Между сбегом резьбы 1.1 и конической уплотнительной радиальной поверхностью 1.21 ниппельной части выполнена цилиндрическая проточка 1.3 диаметром D и шириной F с углами наклона боковых поверхностей α и α (фиг. 4).
На внешнем торце муфтовой части выполнена цилиндрическая проточка длиной О с углом γ сбега резьбы, которая облегчает начальные условия свинчивания резьбовых участков ниппельной и муфтовой частей и обеспечивает выход резьбообразующего инструмента (фиг. 6).
1
2
На муфтовой части между сбегом резьбы 2.1 и внутренним торцом 2.3 выполнена коническая проточка с углом наклона образующей δ к оси резьбы и максимальным диаметром, равным диаметру по впадине сбега резьбы. Ширина этой проточки G (фиг. 7) соответствует сумме длины уплотнительной поверхности 1.21 равной А и ширине F цилиндрической проточки с учетом ее наклонных боковых поверхностей, расположенных под углами α и α к оси резьбы.
При этом после сборки резьбового соединения с натягом цилиндрическая проточка 1.3 и коническая проточка 2.2.1 длиной А образуют кольцевую полость 3, представляющую собой гидравлический затвор для сбора уплотнительной смазки (фиг. 8).
1
2
1
2
Внешний герметизирующий узел образован контактирующими между собой уплотнительными торцевыми коническими поверхностями на ниппельной части 1.2.2 и 1.2.3, причем поверхность 1.2.2 расположена под углом β к перпендикуляру относительно оси резьбы, а поверхность 1.2.3 - под углом β к оси резьбы (фиг. 5). Уплотнительные торцевые конические поверхности муфтовой части 2.2.2 и 2.2.3 расположены под углами β и β соответственно конгруэнтно поверхностям 1.2.2 и 1.2.3.
3
Поверхности 2.2.2 и 2.2.3 переднего конца муфтовой части образуют между собой упорный клин, имеющий угол β, при этом упорный клин конца муфтовой части и ответная ему форма углубления в ниппельной части образуют своего рода замок, ограничивающий взаимное перемещение ниппельной и муфтовой частей (фиг. 9).
В результате этого ограничивается натяг при сборке резьбового соединения и стабилизируется величина крутящего момента при свинчивании труб, что особенно важно на буровых установках при сборке трубных колонн над устьем скважин, где отсутствует возможность объективного контроля крутящего момента с применением компьютерной системы контроля свинчивания с построением графиков. Кроме того, обеспечивается легкое восстановление резьбового соединения после разборки для повторной эксплуатации.
1
2
3
Углы β и β на торце муфтовой части образуют упорный клин с углом между уплотнительными поверхностями 1.2.2 и 1.2.3 составляющим β, от величины которого зависит его прочность, так как он должен выдерживать значительные осевые и тангенциальные нагрузки при соединении ниппельной и муфтовой частей в упор, а также нагрузки в процессе эксплуатации резьбового соединения.
1
2
3
т
Величина угла β=15-20°, β=25-35°, а β=100-105°. Длина В упорного узла определяется конструктивно при заданной толщине стенки труб S (фиг. 5).
Длина Н ниппельной части выполнена на 0,5-1,0 мм больше длины М муфтовой части для обеспечивания гарантированного зазора С между торцами 1,4 ниппельной части и 2.3 муфтовой части (фиг. 8), что обеспечивает упор уплотнительных поверхностей в замок внешнего герметизирующего узла (фиг. 9 и 10).
1<
2
Радиус закругления rr, что обеспечивает надежный плотный контакт уплотнительных поверхностей 1.2.2 и 2.2.2, 1.2.3 и 2.2.3 (фиг. 10).
Конкретный пример выполнения предложенного резьбового соединения обсадных гладких безмуфтовых труб.
т
т
Размер обсадной трубы D×S=139,7×7,72 мм. Конусность резьбы 6,25%. Параметры профиля трапецеидальной резьбы: высота рабочая - 0,8 мм, шаг - 4 мм; углы наклона профиля - 10° и 40°.
Параметры ниппельной части резьбового соединения:
n
1
2
1
2
3
1
Н=84,99 мм; D=129,3 мм; F=4 мм; А=5 мм; α=65°; α=15°; β=15°; β=30°; β=105°; r=0,3 мм.
Параметры муфтовой части резьбового соединения:
1
2
3
2
М=85,9 мм; О=6,2 мм; G=9,0 мм; γ=65°; В=4,8 мм; β=15°; β=30°; β=105°; r=0,5 мм.
При свинчивании ниппельной и муфтовой частей с натягом зазор С=М - Н=0,9 мм.
Работа резьбового соединения обсадных гладких безмуфтовых труб осуществляется следующим образом.
На заводе изготовителе осуществляется контроль геометрических параметров резьбового соединения, а также проводится гидроиспытания труб в соответствии с требованиями технических условий. На резьбовые ниппельные и муфтовые части наносится консервационная смазка и осуществляется защита резьбовых соединений с помощью резьбовых пробок и колец в соответствии с техническими условиями. На нефтепромыслах осуществляется расконсервация резьбовых частей труб и нанесение уплотнительной смазки. Сборка резьбового безмуфтового соединения осуществляется на буровой установке над устьем скважины.
При сборке соединения осуществляется свинчивание ниппельной и муфтовой частей обсадных труб с помощью конической резьбы трапецеидального профиля. В процессе свинчивания происходит взаимное перемещение конических радиальных уплотнительных поверхностей 1.2.1 и 2.2.1. В результате диаметральных деформаций этих поверхностей создается уплотнительный внутренний герметизирующий узел методом «металл по металлу». При дальнейшем относительном перемещении частей 1 и 2 труб осуществляется силовое контактирование конических упорных уплотнительных поверхностей 1.2.3 ниппельной части и 2.2.2 и 2.2.3 муфтовой части, в результате чего на их контактирующих поверхностях возникают контактные напряжения, величина которых определяется величиной натяга и величиной контактирующих площадей. Окончание процесса сборки соединения частей 1 и 2 резьбового соединения труб сопровождается взаимодействием их упорных поверхностей внешнего герметизирующего узла, образующих своего рода замок.
Это делает соединение менее критическим к превышению крутящего момента свинчивания и увеличивает его эксплуатационную надежность, что особенно важно при сборке резьбовых соединений на буровых установках, где трудно регламентировать крутящий момент при свинчивании гладких трубы.
Выполнение на ниппельной и муфтовой частях резьбового соединения цилиндрических проточек и канавки, образующих кольцевую полость, позволяет исключить влияние задиров, которые возникают в процессе нарезания резьбы при отводе резьбообразующего инструмента. В результате при свинчивании резьбового соединения участки схода резьбы располагаются в зоне проточки и канавки, что исключает влияние поверхности резьбы на участке сбега на точность взаимодействия уплотнительных поверхностей трубы и муфты.
Наличие уплотнительной смазки улучшает процесс сборки ниппельной и муфтовой частей резьбового соединения и позволяет избежать задиров и заеданий, а также заклиниваний. Кроме того, уплотнительная смазка защищает резьбовые соединения от коррозии. Свинчивание ниппельной и муфтовой частей при соединение обсадных труб осуществляется до упора уплотнительных торцевых конических поверхностей, образующих замок.
Резьбовое соединение повышает эксплуатационную надежность за счет повышения герметичности при использовании обсадных гладких безмуфтовых труб для добычи нефти и газа с больших глубин в сложных геологических условиях.
Заявляемое резьбовое соединение может быть изготовлено в условиях завода-изготовителя на стандартном оборудовании.