БЫСТРОРАЗЪЕМНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ТРУБ

Изобретение относится к соединениям труб в различных областях техники, в частности, в строительной области.
Оно может быть применено при установке опор в буровой скважине или при установке быстроразъемного опорного элемента в стволе скважины, анкеровке стены в грунт при возведении фундамента строящегося объекта.
Известно быстроразъемное соединение труб (а.с. №217810 от 01.03.67 г., МПК F16L 37/12) [1], состоящее из прижимного механизма и ниппеля. Стакан прижимного механизма, являясь концом трубы, имеет патрубок для приварки к трубе и оканчивается шаровой поверхностью для соединения с концом ниппеля, являющегося другим концом соединяемой трубы.
С верхней и нижней сторон стакана приварены стержни. Внутри стакана размещен цилиндрический ползун-защелка, в который ввернут винт. Осевое смещение винта предотвращается буртиком, находящимся между торцом стакана и гайкой. Ползун от проворачивания фиксируется осью, которая заходит в пазы в стенках стакана. На концах оси закреплены щеки поворотной рамки с выступами. Другим концом в форме вилки рамка охватывает шейку ниппеля.
Недостатками соединения труб являются многоэлементность соединения, необходимость придания концам соединяемых труб сложной конфигурации, невозможность использования соединения труб при закреплении к опорной длинномерной трубе колонны бурильных труб из-за дороговизны приспособления, соединяющего эти трубы, технологии изготовления. Управление процессом разъединения
в стволе скважины после погружения всей компоновки сложно. Нет гарантии обеспечения неизменным вертикального положения опорной трубы, остающейся в стволе скважины после отсоединения от спускаемой трубы (бурильной колонны труб), тем более вместе с соединяющим их приспособлением.
Известно соединение труб быстроразъемное (а.с. №478160, МПК F16L 37/12, от 19.03.73 г.) [2], состоящее из наружного корпуса в виде штуцера, уплотняющего элемента и разборного внутреннего корпуса штуцера. В наружном корпусе выполнены две наружные канавки для установки С-образных пружин и проточка во внутренней полости, в которую помещены уплотняющий элемент, а также два окна для установки подпружиненных С-образными пружинами Т-образных защелок. С-образные пружины входят в отверстия защелок только с одной стороны, чем достигается эластичность хода защелок, удерживающихся в посадочных окнах. Посадочная втулка внутреннего штуцера выполнена с конической заходной частью и двумя лысками, входящими в зацепление с защелками. Втулка другая - наружная удерживается на внутреннем штуцере стопорящим кольцом. При стыковке внутренний разборный штуцер вставляют во внутреннюю полость наружного штуцера так, чтобы защелки находились против лысок поворотной втулки. При перемещении внутреннего штуцера вдоль оси, защелки находят на конусную заходную часть поворотной втулки, отжимают С-образные пружины и входят в пазы лысок поворотной втулки, обеспечивая надежное крепежное соединение. Для расстыковки соединения поворачивают втулку в любую сторону на 90°. И вынимают внутренний штуцер из внутренней полости наружного штуцера.
Соединение усложнено элементами, имеет многозвенное соединение этих элементов. Оно дорого в серийном применении при стыковке опорных труб, погружаемых в ствол буровой скважины. К тому же, с таким соединением трудно контролировать глубину погружения слепого движения соединения вдоль ствола необсаженных стенок скважины, усложненного наличием цементного раствора в нем.
Расстыковка в этих условиях затруднена в связи с наличием зазоров между защелками и конусной заходной частью поворотной втулки и попадания в них цементного раствора, обладающего закрепляющими и абразивными свойствами.
Известно соединение труб и стержней (а.с. №1359543, МПК F16L 37/02, от 02.01.85 г.) [3], применяемое при доставке геофизических приборов в ствол скважины. Оно состоит из доставочных штанг, на конце которых жестко закреплены муфта и стержень. На свободном конце муфты выполнены продольные прорези с отверстиями, а также выступы. В торце муфты выполнены конические проточки. На свободном конце стержня имеется диаметральный выступ. Конец муфты, который жестко закреплен на конце штанги, имеет торцевую и цилиндрическую поверхности. На стержне установлена поворотная втулка с наклонным пазом, в котором размещен неподвижный палец, жестко закрепленный в стержне. Свободный конец втулки имеет конический торец. Для соединения труб, поворотом втулки в пазу относительно пальца, ее перемещают до упора трубы. После этого стержень вводят в муфту до упора в торцевую поверхность. При этом выступ стержня раздвигает конические проточки с прорезями и выступы муфты охватывают конический выступ, чем обеспечивают соединение труб. Для разъединения труб втулку поворотом относительно пальца перемещают в сторону муфты. При этом коническая поверхность втулки входит в конические проточки муфты, раздвигает их, и выступы муфты освобождают конический выступ стержня, что приводит к разъединению труб. Многоэлементность соединения и необходимость точного выполнения множественных прорезей с отверстиями, как и ответных элементов, приводит, соответственно, к усложнению технологии получения соединительных элементов. Это приводит к удорожанию ее. Соединение металлоемко. Оно ненадежно при использовании в условиях доставки в скважину опорной трубы в предварительном присутствии цементного раствора в стволе скважины, т.к. имеются зазоры между коническими проточками в муфте и коническими поверхностями втулки после соединения муфты со стержнем. В процессе погружения в цементный раствор опорной трубы, устанавливаемой в стволе скважины строго вертикально, должно произойти заполнение цементным раствором как проточек с отверстиями, так и зазора между втулкой и стержнем и заклинивание соединения, делая соединение неразъемным.
Известно соединение труб (пат. США №2795398, Кл. 285-55, 1957 г. и пат. США №3345085, Кл. 285-27, 1967 г.) [4 и 5] соответственно, в котором конец одной трубы
охвачен концом другой, соединение зафиксировано стержнями, расположенными в отверстиях, выполненных в стенках труб. Но соединения являются неразъемными.
Известно соединение труб (а.с. №618605, МПК F16L 37/12, от 09.03.77 г.) [6], содержащее трубу, конец которой охватывает конец второй трубы. При этом оба конца зафиксированы стержнями, расположенными в отверстиях, выполненных в стенках этих труб. На внутренней поверхности охватываемой трубы закреплены пружинные элементы, снабженные выступами, взаимодействующими со стержнями. Длина каждого выступа равна толщине трубы. Для отсоединения охватывающей трубы в ее полость вводят, например, пробку, которая воздействует на элементы, и выступами выводят штифты-стержни из отверстий в стенах трубы охватываемой. После этого охватывающая труба посредством только осевого усилия свободно извлекается из конца охватываемой трубы. Известное соединение просто в исполнении, но усложнено само извлечение охватывающей трубы из скважины, в которой необходимо закрепить в грунте другую охватывающую - оставшуюся в скважине трубу, т.к. в данном соединении используют в качестве охватываемой - бурильную трубу (колонну труб) большой протяженности и использование пробки или любого другого аналогичного элемента в качестве толкателя сверху, действующего на стержни через пружинные элементы, затруднено и затратно. Опорная труба (охватывающая) при погружении в скважину соединения заполняется цементным раствором, который противодействует разъединяющему действию пробки.
В качестве прототипа заявляемому изобретению, предлагаемому в качестве полезной модели выбрано быстроразъемное соединение труб (а.с. №763643, МПК F16L 37/12, от 09.08.76 г.) [7], как наиболее близкое по технической сущности, так и положительному эффекту. Оно содержит корпус с пазами и кольцевой проточкой, в котором установлен ниппель с уплотнением; замок, выполненный в виде втулки, имеющий на одном конце два симметричных выступа, а на другом - пазы, пружину, фиксатор, снабженный внутренними и наружными шипами и захватами. Шипы фиксатора взаимодействуют с пазами и кольцевой проточкой корпуса. Гнездо корпуса имеет расточку и внутренний бурт. Корпус быстроразъемным соединением связан с трубой. При соединении труб необходимо совместить выступы замка с пазами корпуса, вставить ниппель в гнездо и
повернуть фиксатор в любую сторону до совпадения шипов с пазами. В момент совпадения пружина досылает фиксатор к корпусу так, что шипы входят в пазы корпуса. Так как положение фиксатора и замка взаимоориентированы выступами и пазами, то при повороте фиксатора в конечное положение выступы замка входят в расточку и зацепляются за бурт. Это обеспечивает закрепление труб в гнезде корпуса. Демонтаж соединения труб производят с помощью захватов, которые выводят из зацепления шипы с пазами, при повороте фиксатора вместе с замком на 90° трубы освобождаются из гнезда корпуса.
Соединение труб многозвенно, металлоемко. Устройство быстроразъемно, но пружинная фиксация соединения ненадежна, т.к. если соединение подвергать значительным осевым растягивающим усилиям, как в случае с соединением опорной трубы с бурильной трубой (колонной труб), то пружина будет менять свою жесткость в сторону уменьшения, что приведет к несрабатыванию фиксатора и эффекту самопроизвольного раскрепления.
Задачей изобретения является упрощение устройства, надежность погружения опорной трубы в скважину, ее закрепления, и простота дистанционного демонтажа соединенных частей, многократность использования соединяемых с фиксатором частей соединения.
Технический результат изобретения - полезной модели - быстроразъемное соединение труб достигается тем, что, как и в известном устройстве, включающем соединяемые трубы, переходник, имеющий пазы и сквозные отверстия - как элементы замка, фиксатор, выполненный в виде отдельного элемента, замок с фиксатором взаимоориентированные, согласно изобретению в качестве соединяемых труб используют бурильную трубу и опускаемую в скважину опорную трубу, переходник выполнен в виде втулки, которая в верхней части корпуса соединена со свободным концом бурильной трубы конической резьбой, а нижняя часть корпуса - это замок, выполненный в виде фигурного сквозного отверстия, образованного осевым сквозным П-образным пазом, переходящим в радиальные пазы, выполненные в горизонтальной плоскости на уровне верхней части осевого сквозного П-образного паза, радиальными пазами, асимметричными по отношению друг к другу, а также перпендикулярно осевому
сквозному П-образному пазу, сквозным радиальным отверстием, образующим с радиальными асимметричными пазами Z-образное соединение. Сквозное радиальное отверстие используется в фигурном сквозном отверстии в качестве эксцентрично выполненных канавок по отношению к радиальным асимметричным пазам. Имеется узел фиксации, состоящий из корпуса опорной трубы, в сквозных отверстиях которого жестко закреплен фиксирующий элемент в виде стержня цилиндрической формы, переходник размещен в корпусе опорной трубы с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения по кругу относительно фиксирующего элемента в фигурном сквозном отверстии, торцевая нижняя часть на нижней поверхности переходника имеет фаску.
Предлагаемая полезная модель обладает новизной и имеет промышленное применение. Имеется серия опытных образцов, проверенных в эксплуатационных условиях при возведении стен зданий в грунте.
Быстроразъемное соединение труб удовлетворяет требованиям задачи - повышение надежности фиксации соединяемых труб, упрощение устройства, повышение надежности и оперативности спусковых работ при слепом движении вдоль ствола скважины в закрепляющем цементном растворе опорной трубы, установки ее на забое и дистанционном демонтаже соединения в скважине без использования дополнительных средств за счет использования в качестве переходника только втулки цилиндрической формы, которая в нижней части корпуса имеет фигурное сквозное отверстие - замок, в виде Z-образного соединения радиальных асимметричных пазов и сквозного отверстия, объединенных П-образным осевым сквозным пазом в его верхней части, а также наличия «ключа» к замку в виде опорной части корпуса опорной трубы и «рабочей» его части, жестко соединенного в корпусе элемента фиксации в виде цилиндрической формы стержня, обладающего высокой несущей способностью (способного выдержать большие осевые нагрузки) и надежно работающего в условиях 2-х-точечного изгиба, которому подвергается стержень в корпусе опорной трубы во время установки соединения, что особенно важно, в момент закрепления опорной трубы строго вертикально в скважине.
Предлагаемая полезная модель на фиг.1 представлена схематично в общем виде. На фиг.2 - переходник с фигурным сквозным отверстием и резьбовым отверстием для соединения с бурильной трубой. На фиг.3 - переходник сбоку, общий вид. На фиг.4 - сечение А-А на фиг.2. На фиг.5 - узел фиксации, общий вид на фиг.6: положение
стержня узла фиксатора в осевом П-образном сквозном пазу в крайнем верхнем положении в нем, в разрезе. На фиг.7 - сечение А-А на фиг.2: положение стержня узла фиксатора до продвижения по радиальным асимметричным пазам. На фиг.8 - сечение А-А на фиг.2: положение стержня узла фиксатора в момент движения переходника по часовой стрелке и заведения стержня в радиальные пазы фигурного сквозного отверстия. На фиг.9 - сечение А-А на фиг.2: положение стержня узла фиксатора в момент закрепления в канавках фигурного сквозного отверстия. На фиг.10 - показано схематично размещение опорной трубы в скважине, общий вид. На фиг.11 - взаиморасположение рассоединенных компонентов устройства после демонтажа. На фиг.12 - компоновка опорной трубы со стеной в грунте, общий вид.
Полезная модель - быстроразъемное соединение труб содержит бурильную трубу 1, являющуюся одной из труб колонны труб (не показано), свободный конец соединяемой трубы имеет коническую резьбу 2 для соединения с верхней частью переходника 3, выполненного в виде втулки цилиндрической формы. Переходник имеет корпус 4 с фаской 5 на внешней поверхности в нижней части. Переходник соединен резьбой 6 с бурильной трубой. В нижней части в переходнике имеется фигурное сквозное отверстие, выполненное из осевого сквозного П-образного паза 7, радиальных пазов 8 и 9, выполненных асимметрично друг другу и радиально выполненного сквозного отверстия 10 со сторонами - упорами 11 и 12. Сквозное отверстие 10 выполнено перпендикулярно П-образному осевому сквозному пазу. Радиальные пазы 8, 9 переходят в канавки 10' на уровне верхней части П-образного осевого сквозного паза и совместно образуют Z-образное соединение в фигурном сквозном отверстии 7, 8, 9, 10. Фигурное сквозное отверстие служит замком для узла фиксатора; в качестве корпуса узла фиксатора используют опорную трубу 13, верхний конец которой соединяют с переходником 3. В корпусе 13 опорной трубы в сквозных отверстиях 14 жестко закреплен фиксирующий элемент узла фиксатора - стержень 15 цилиндрической формы. Переходник 3 внизу соединен с опорной трубой 13. В корпус опорной трубы 13 помещен корпус переходника 4 с возможностью его осевого и по дуге перемещения на стержне 15 переходника в фигурном сквозном отверстии.
Полезная модель работает следующим образом.
На поверхности колонну труб (не показано) и опорную трубу соединяют переходником. Для этого нижний свободный конец бурильной трубы 1 соединяют в верхней части переходника 3, внутри корпуса 4 (фиг.1). Соединение и закрепление осуществляют конической резьбой 2 бурильной трубы и резьбой 6 переходника (фиг.2-4). Во внутреннюю верхнюю часть опорной трубы 13 заводят нижнюю часть переходника с
возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения и по дуге за счет его продвижения в фигурном сквозном отверстии по стержню 15 (фиг.5), закрепленному жестко в сквозных отверстиях 14 в стенках корпуса опорной трубы или же перемещения стержня 15, заведенного в фигурное сквозное отверстие 7-10 в момент соединения переходника с опорной трубой (фиг.6). При первом варианте вращают по часовой стрелке бурильную трубу 1 совместно с соединенным с ней резьбой переходником. Поскольку заведение переходника в опорную трубу сопровождалось одновременным продвижением стержня 15 вдоль П-образного осевого сквозного паза 7 до упора (фиг.7), то далее корпус 4 переходника перемещают относительно фиксирующего элемента 15 в виде - по часовой стрелке в радиальных пазах 8, 9 (фиг.8) к канавкам 10' (фиг.9). Канавки эксцентрично выполнены относительно радиальных пазов в горизонтальной плоскости, что позволяет разместить стержень узла фиксации в канавках, глубже охватывающих его снизу, и более надежно удержать его как при спуске и установке соединения в скважину, так и в период закрепления опорной трубы на забое. Наличие фаски 5 на поверхности корпуса переходника способствует своевременному очищению окислов и загрязнений, имеющихся внутри опорной трубы. Компоновку 1, 3, 13 опускают в предварительно образованную вертикально скважину 18 с закрепляющим грунт и опорную трубу цементным раствором 17 в ней. Стержень 15 узла фиксации постоянно и надежно зафиксирован в канавках 10, опираясь на упоры - стенки сквозного отверстия 11 и 12 и под действием вращающих усилий бурильной колонны труб и, в частности, бурильной трубы, соединенной с переходником. После достижения дна забоя, опорную трубу (фиг.10) устойчиво устанавливают в укрепленном грунте (фиг, 11) вертикально, о чем свидетельствует увеличение сопротивления усилиям движения компоновки вдоль ствола скважины. Контроль за качеством установки опорного элемента - трубы осуществляют путем продолжения вращения по часовой стрелке верхней части компоновки. В случае увеличения сил сопротивления усилию вращения, получаем подтверждение, что узел фиксации закреплен в замке надежно. В противном случае, легко можно переходник завести вновь в корпус узла фиксации и в замок 7-10 (в фигурное сквозное отверстие), вращая верхнюю часть по часовой стрелке до момента появления и развития сил сопротивления узла фиксации 13, 15 в грунте на дне забоя. После закрепления опорной трубы 13 в скважине 16 вращают бурильные трубы (и, соответственно, соединяемую трубу) с переходником против часовой стрелки. При этом стержень 15 узла фиксации 13, 15 выходит из фигурного сквозного отверстия в порядке, обратном первоначальному (при закреплении узла фиксации). Опорная труба остается в скважине 16 (фиг.11),
закрепленная в закрепляющем грунт растворе, а бурильная колонна труб с переходником (фиг.10) извлекается на поверхность и вновь готова к использованию. Поскольку таких опорных труб необходимо закрепить в основании стены 18 (фиг.12), возводимой в грунте, множество (фиг.11), то заявляемое устройство значительно удешевляет технологию возведения стен, уменьшает затраты на технологический процесс как установки, так и демонтажа, не требуя привлечения дополнительных элементов для его выполнения. В полезной модели основные элементы устройства - бурильная труба, опорная труба и переходник. Бурильная труба выполнена из стали 20Х13 (ГОСТ 4543-71), опорная труба - 159×12 (ГОСТ 8734-75)/Б20 (ГОСТ 8733-87), а переходник из стали 40Х (ГОСТ 4543-71), способный выдержать напряжения на изгиб, на срез, как и стержень в опорной трубе.
Стержень выполнен из стали 20 (ГОСТ 1050 - 88-71). Фигурное сквозное отверстие выполнено фрезерованием. Стержень, устанавливаемый в сквозных отверстиях корпуса опорной трубы, жестко закреплен сваркой с внешней стороны сквозных отверстий.
По сравнению с прототипом предлагаемая полезная модель - быстроразъемное соединение труб имеет следующие преимущества:
- устройство в общем конструктивном плане проще в 2,5 раза, а поэлементно в 3 раза;
- устройство менее металлоемко;
- устройство обеспечивает при простоте конструкции надежное крепление соединяемых труб без дополнительных средств закрепления, надежность дистанционного управления установкой опорной трубы в скважину в строго вертикальном положении;
- позволяет контролировать момент закрепления опорной трубы в грунте;
- позволяет осуществить быстроразъемный демонтаж в сложных условиях (скважина имеет в месте установки опорной трубы закрепляющий цементный раствор, обладающий, к тому же, абразивными свойствами);
- демонтаж позволяет сохранить целым соединение - бурильную трубу с переходником, удешевляя тем самым технологию серийного возведения этих опорных элементов, служащих опорой стен в грунте, увеличить производительность процесса установки грунтового анкера в уплотненном грунте, формирования подпорной стенки.
Источники информации, принятые во внимание
1. а.с. №217810, МПК F16L 37/12, от 01.03.67 г. (аналог)
2. а.с. №478160, МПК F16L 37/12, от 19.03.73 г. (аналог)
3. а.с. №1359543, МПК F16L 37/02, от 02.01.85 г; (аналог)
4. пат. США №2795398, кл. 285-55, 1957 г. (аналог)
5. пат. США №3345085, кл. 285-27, 1964 г. (аналог)
6. а.с. №618605, МПК F16L 37/12, от 09.03.77 г. (аналог)
7. а.с. №763643, МПК F16L 37/12, от 09.08.76 г. (прототип)