ВЫСОКОГЕРМЕТИЧНОЕ УПОРНОЕ РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ ОБСАДНЫХ ТРУБ

Заявленная полезная модель (ПМ) относится к обсадным трубам (ОТ), применяемым при креплении скважин, а также при добыче нефти и газа. Известна конструкция обсадных высокогерметичных труб с трапецеидальной резьбой типа Батресс с коническим уплотнением «металл по металлу» (ГОСТ 632-80 «Трубы обсадные и муфты к ним. Технические условия. Высокогерметичное соединение труб и муфты к ним - ОТТГ», п. 2.15, чертеж 8 и чертеж 12, таблицы 16 и 19 соответственно). В данной конструкции конический уплотнительный поясок, расположенный на конце трубы, с натягом входит в соответствующую коническую расточку в муфте, обеспечивая герметичность соединения. С целью предотвращения чрезмерного осевого перемещения контактирующих конических поверхностей внутри муфты предусмотрен уступ, а на конце трубы - ответный упорный торец. Контактирующие упорные плоскости муфты и ниппеля расположены перпендикулярно к оси трубы. Высота профиля нитки наружной трапецеидальной резьбы ниппеля и внутренней резьбы в муфте равна 1,6 мм, шаг резьбы - 5,08 мм, конусность резьбы, уплотнительного пояска ниппеля и соответствующей расточки в муфте - 1/16, угол уклона грани нитки резьбы относительно перпендикуляра к оси соединения для стороны, воспринимающей растягивающую нагрузку, равен 3°, для стороны (противоположной), воспринимающей сжимающую нагрузку - 10°.
Также известна конструкция насосно-компрессорных высокогерметичных труб с трапецеидальной резьбой и с аналогичным вышеописанному коническим уплотнением «металл по металлу» (ГОСТ 633 «Трубы насосно-компрессорные и муфты к ним. Технические условия. Соединение гладких высокогерметичных труб и муфт к ним - НКМ», п. 2.14, чертеж 8 и чертеж 10, таблицы 13 и 14 (15) соответственно). В этом соединении высота профиля ниток наружной резьбы равна 1,2 мм, внутренней резьбы - 1,3 мм, угол наклона грани резьбы, воспринимающей растягивающую нагрузку, равен 3°, противоположной грани - 30°, конусность резьбы, уплотнительного пояска ниппеля и соответствующей расточки в муфте - 1/12. Наличие зазора по вершинам и боковым граням ниток, увеличенный угол (30°) противоположной грани нитки резьбы соответствуют повышению надежности соединения при передаче сжимающих нагрузок и искривлении труб НКМ.
К недостаткам вышеуказанных резьбовых соединений труб ОТТГ и НКМ следует отнести:
- перпендикулярное расположение относительно оси трубы упорных плоскостей, что может приводить к деформации и загибу внутрь канала трубы торцовой части ниппеля;
- небольшой угол уклона уплотнительного пояска ниппеля и соответствующей расточки в муфте, что приводит к их значительному взаимному перемещению и, как следствие, - к задирам.
Из уровня техники известны конструкции ОТ с коническим радиальным уплотнением «металл по металлу», упорным уступом внутри муфты и соответствующим ответным упорным торцом на конце трубы, контактные поверхности, которых расположены под углом 15° к перпендикуляру, направленному к оси резьбы (проспект VAM Catalogue 11/3 - jan. 1977, проспект VOEST - ALPINE STAHLOHP KIND-BERG GMBH&CoKG). В указанных проспектах приведены конструктивно одинаковые ОТ, в которых применена трапецеидальная резьба Батресс: шаг 0 5,08 мм, конусность - 1,575 мм, угол несущей поверхности витка резьбы - 3°, угол противоположной упорной поверхности 10°; конусность радиальной уплотняющей поверхности на трубе и в муфте 1/10; угол уклона вогнутой упорной плоскости в муфте и ответной поверхности в ниппеле равен 15°.
Известны конструкции ОТ с идентичным коническим уплотнением «металл по металлу» (патент РФ №2297512, МПК E21B 17/042, опубл. 20.04.2007; патент РФ №52968, МПК F16L 15/00, опубл. 27.04.2006), у которых в муфте на участке перехода внутренней конической резьбы к уплотнительной расточке выполнена окружная канавка (карман), для сохранения смазки. Недостатком конструкции ОТ с окружной канавкой в муфте является то, что смазка из кармана выдавливается в сторону большого основания конуса резьбы и практически не попадает в высоконагруженные конусные уплотняющие поверхности.
Известно равнопроходное резьбовое соединение ОТ типа ST-L фирмы Grant Prideco (Atlas Bradford, Houston, Texas 77060-2409, 2000), в которой сторона витка, воспринимающая растягивающую осевую нагрузку имеет отрицательный угол, равный -9°, а угол противоположной стороны витка, воспринимающей нагрузку на сжатие, равен 45°. За счет отрицательного угла возрастает нагрузка вырова резьбы, а за счет опорного угла в 45° облегчается посадка трубы в муфту. Конструкция не находит широкого применения из-за сложной технологии изготовления и трудностей при эксплуатации.
В проспекте "TenarisHydril / Premium Connections / Blue / Version 04, July, 2013" дана конструкция ОТ, имеющая некоторые отличительные элементы в резьбовом соединении и в узле уплотнения «металл по металлу». Например, угол уклона грани витка трапецеидальной резьбы, воспринимающей растягивающую осевую нагрузку, равен 3°, а угол уклона противоположной упорной грани витка резьбы равен 25°; как и в соединении НКМ по ГОСТ 633, конусность резьбы равна 1/12, конусность уплотняющей расточки в муфте - 1/6,4, ответная уплотняющая поверхность на пояске ниппеля выполнена в виде тора (кольца), что способствует сохранению герметичности соединения при значительном изгибе. Недостатком конструкции этих ОТ является расположение кольцевой выточки (кармана) для смазки над элементами конического уплотнения, что не способствует (практически исключает) ее поступлению в сопрягаемые уплотнительные плоскости.
Наиболее близким к заявленной ПМ по технической сущности и достигаемому техническому результату является герметичное резьбовое соединение нефтепромысловых труб (патент РФ на изобретение №2310058, МПК E21B 17/042, опубл. 11.10.2007), включающее трубу и муфту с соответствующей конической резьбой, выполненной в виде неравномерной трапеции в сечении витка, сферический узел уплотнения, выполненный в виде конической расточки в муфте и сопрягаемого с ней сферообразного пояска ниппельной части трубы, и ограничителя осевого перемещения ниппеля в муфте, состоящего из конического упорного торца на трубе и соответствующего упорного уступа в муфте. При этом, как и во многих других известных конструкциях, конусность резьбовой части соединения равна 1/16, конической уплотняющей расточки в муфте - 1/10, угол между перпендикуляром к оси резьбы и плоскостью конического упора составляет 15°. Грань витка резьбы, воспринимающая растягивающую осевую нагрузку имеет отрицательный угол, равный -4°, а угол противоположной грани равен 24°. Таким образом, резьба имеет вид «крючкообразной» формы, что должно препятствовать срыву ниток. За счет угла уклона в упорной грани витка, равного 24°, повышается надежность при передаче сжимающих нагрузок. Сопряжение конической расточки в муфте со сферической (сферообразной) поверхностью пояска ниппеля и наличие определенных зазоров по вершинам и опорным граням витков позволяют соединению выдерживать более высокие изгибающие нагрузки.
Недостатком указанного прототипа резьбового соединения являются:
- размещение ранее известной окружной канавки для выдавливания смазки вне узлов уплотнения, что затрудняет поступление смазки во взаимно перемещаемые поверхности, контактирующие с высоким напряжением;
- применение резьбы с отрицательным углом несущей грани витка создает трудности при изготовлении и эксплуатации соединения. Резьба ОТ с небольшим положительным углом несущей грани (до 3°, - что меньше угла трения граней витка), практически не приводит к снижению грузоподъемности. Как показывают экспериментальные разрушения и работа на скважинах, грузоподъемность трапецеидальных резьбовых соединений с углом несущей грани, равным 3°, и без принудительного сбега резьбы соответствует грузоподъемности тела трубы;
- применение «сферического узла уплотнения» к различным типоразмерам труб, т.к. при герметизации зазора в резьбовом соединении ОТ большого диаметра нормальная кривизна сферической поверхности принимает значения близкие к нулю. И при сопряжении с натягом сферической поверхности ОТ определенного диаметра и уплотнительного конуса возникает контакт практически двух конических поверхностей;
- отсутствие обоснования значений шага резьбы, радиусного сопряжения торцовой части уплотнительного пояска (ниппеля) и вогнутой части упорного уступа в муфте. В зависимости от сочетания шага, конусности, диаметра, высоты витка резьбы и толщины стенки под резьбой могут быть случаи невозможной реализации предлагаемого соединения;
- отсутствие обоснования захода резьбы ниппеля в резьбу муфты без вращения с целью самоцентрирования при сборке.
Настоящая ПМ решает технические задачи, направленные на создание ОТ с высокогерметичным и высокопрочным резьбовым соединением в скважинах с радиусом искривления, равным 190 м. При этом резьбовое соединение должно легко и многократно свинчивается при наклоне муфты и трубы под углом 45° к горизонту. Осевая растягивающая и сжимающая нагрузки должны соответствовать нагрузкам, которые выдерживает тело трубы.
Указанные требования к резьбовому соединению решаются:
- за счет применения тороидально-конического или сфероконического уплотнения «металл по металлу» с небольшим осевым перемещением контактирующих поверхностей;
- за счет размещения запаса смазки под контактирующими уплотнительными элементами;
- за счет применения трапецеидальной резьбы с конусностью 1/12 и с увеличенным шагом, равным 6,35 (4 витка на длине 25,4 мм), угол граней витков которой, воспринимающих осевую растягивающую нагрузку, равен 3°, а угол противоположных граней витка равен 25°-35°, при этом по вершинам ниппельных витков и в сопрягаемых боковых гранях, угол которых 25°-35°, имеются небольшие зазоры;
- за счет оптимизации кинематических размеров резьбового соединения, обеспечивающей свободный заход без вращения резьбы ниппеля в резьбу муфты минимум на 12 витков.
1
2
Сущность ПМ поясняется следующим чертежом. На фиг. 1 изображено резьбовое соединение ОТ с упорной трапецеидальной резьбой типа F-6,35 в сборе с муфтой и узлом уплотнения, состоящее из трубы 1, муфты 2, соединенных между собой конической трапецеидальной резьбой 3 с шагом Р, равным 6,35 мм, и конусностью 1/12, выполненной от уплотнительного пояска 4 до конца схода с наружной поверхности трубы под одним углом уклона φ. Угол уклона α грани витка резьбы, воспринимающей осевую растягивающую нагрузку, относительно перпендикуляра к оси трубы равен 3°, угол уклона противоположной грани α равен 25°-35°, фиг. 1, выноска I.
3
4
M
H
Узел уплотнения резьбового соединения состоит из внутренней конической расточки 5, конусность которой варьирует в пределах от 1/5 до 1/10, и уплотнительного пояска 4, поверхность 6 которого выполнена в виде тора для ОТ диаметром более 127 мм или в виде сферы для ОТ диаметром менее 127 мм. Контактирующие упорные поверхности 7 муфты и 8 уплотнительного пояска, ограничивающие осевое перемещение при сборке, выполнены конического вида с углом уклона относительно перпендикуляра к оси трубы, равным от 7,5° до 15°. При этом угол уклона α конуса в торце уплотнительного пояска 4 на 0,5° меньше угла уклона α в упорном уступе муфты 2. Закругление вогнутой упорной поверхности в муфте 2 выполнено радиусом R, равном 0,2 мм, закругление выступающего конуса уплотнительного пояска 4 выполнено радиусом R, равным 0,6 мм.
a
M
H
Положение «» - при машинном свинчивании резьбы с номинальным моментом до упора конического торца 8 пояска 4 в конический уступ 7 в муфте 2, фиг. 1, выноска II. Полость «В», фиг. 1, выноска II, образована поверхностями с радиусами R и R.
Положение «б» - при ручном свинчивании резьбы до соприкасания выступающей части уплотнительного пояска 4 с конической расточкой муфты в точке «С».
В процессе машинного докрепления резьбы ниппеля с резьбой муфты происходит перемещение выступающей части уплотнительного пояска (точка «С») в направлении малого диаметра конической расточки 5 в муфте, при этом за счет сжатия пояска увеличивается контактное напряжение соприкасающихся поверхностей. В конце довинчивания упорные конические плоскости 7 и 8 первоначально соприкоснутся точками d и I, замыкая пространство «Б». За счет докрепления резьбы с натягом смазка из полости «В» будет выдавливаться вдоль конической поверхности 5 и по плоскости соприкосновения упорных поверхностей 7 и 8, предотвращая задиры и сваривание.
Центрирование резьбы ниппеля в муфте ОТ, которые собираются в вертикальном или наклонном положении, значительно облегчается, если имеется свободный заход (без вращения) ниток резьбы ниппеля в нитки резьбы муфты на определенную величину. Проверка на стендах и на скважинах показала, что при заходе ниппеля в муфту ОТ без вращения на 5-6 витков снижается вероятность заедания резьбы и свинчивания на перекос. При этом нагрузка от веса навинчиваемой трубы распределяется на несколько ниток, что предотвращает их деформацию.
На фиг. 2 (фотография) показан свободный заход на 12 ниток трапецеидальной резьбы ниппеля в соответствующую резьбу муфты ОТ-244,5 мм, которые по конструкции соответствует ПМ. Общее количество ниток в этой резьбе составляет 18,5. Таким образом, полное свинчивание резьбы согласно ПМ осуществляется за 6,5 (18,5-12) оборотов трубы, что существенно ускоряет спуск ОТ в скважину. Например, полное свинчивание резьбы ОТ с аналогичным профилем витков при конусности 1/16, шаге резьбы - 5,08 мм осуществляется за 16,5 оборотов трубы.
Поскольку резьба ниппеля нарезана под одним углом φ от уплотнительного пояска 4 до полного схода с наружной поверхности трубы, то последние нитки ниппеля неполного профиля на участке схода при сопряжении с полными нитками муфты также воспринимают осевую нагрузку, которая постепенно увеличивается по мере увеличения высоты нитки резьбы ниппеля при перемещении от конца сбега до торца трубы. Эксперименты на растяжение показали, что нагрузка разрушения резьбового соединения (соответствующего ПМ) практически равна нагрузке разрушения гладкой части трубы.
По способу изготовления заявленное высокогерметичное резьбовое соединение ОТ не отличается от способа изготовления аналогичных существующих резьбовых соединений.
Анализом уровня техники по патентным и научно-техническим источникам, содержащим сведения об аналогах, заявителем не выявлена конструкция высокогерметичного упорного резьбового соединения ОТ, тождественного всем существенным признакам заявленной ПМ.
Преимуществами заявленного резьбового соединения по сравнению с известными аналогами являются повышение надежности и герметичности, увеличение прочности соединения при эксплуатации и сокращение времени при сборке-разборке при креплении скважин.