СОЕДИНЕНИЕ НАСОСНО-КОМПРЕССОРНЫХ ИЛИ БУРИЛЬНЫХ ТРУБ

Полезная модель относится к области нефтедобычи, в частности к универсальным соединениям насосно-компрессорных или бурильных труб в колонну и может быть использовано при бурении скважин на нефть и газ и при добыче их из скважин, а также при выполнении технологических операций на скважине, при ремонте и обслуживании скважин
Известно соединение труб, включающее установленную на резьбовом конце одной из соединяемых труб соединительную цилиндрическую муфту, имеющую внутреннюю резьбовую поверхность, и полый цилиндрический переходник, выполненный на одном конце с внутренней, а на другом конце - с наружной резьбой, для взаимодействия с резьбой концевого участка другой соединяемой трубы и резьбой муфты соответственно (см., например, - Инструкция по эксплуатации бурильных труб - РД 39-2-961-83, г.Куйбышев, 1984 г.). При этом муфта и переходник выполнены из материала той же категории прочности, что и соединяемые трубы. Это соответствует требованиям п.2.5 ГОСТ 633-80 «Трубы насосно-компрессорные и муфты к ним»: «трубы и муфты должны изготавливаться из стали одной и той же группы прочности…». Кроме того, согласно этого же ГОСТ 633-80, резьба муфты должна иметь цинковое или фосфатное покрытие. Способ нанесения покрытия стандарт не нормирует, но во времена его разработки применялись только электролитические покрытия толщиной порядка 10 мкм, сравнительно мягкие и неизносостойкие, предназначенные для защиты резьбы от коррозии при хранении и транспортировке резьбовых элементов. Способ горячего цинкования опусканием муфты в ванну с расплавленным цинком не применяется из-за неравномерности получаемой на резьбе толщины покрытия и наплывов цинка на резьбе, препятствующих проверке калибрами. Цинковое электролитическое покрытие обладает низкой механической прочностью и подвержено водородному охрупчиванию в условиях агрессивной среды нефтяной или газовой скважины. Оно дороже, чем фосфатное, и потому в настоящее время применяется практически только на резьбах обсадных труб, где обычно производится только одно-два свинчивания с дальнейшим цементированием обсадной колонны. В настоящее время все российские трубные заводы применяют только фосфатное покрытие резьбы муфт насосно-компрессорных труб. В силу указанных выше свойств покрытий стандартные требования по обеспечению натягов резьбового соединения базируются на толщину наиболее распространенного фосфатного покрытия резьбы муфты порядка 10 мкм.
Недостатком известного соединения является его малая долговечность. Так, в «Инструкции по эксплуатации насосно-компрессорных труб» РД 39-136-95 в п.7.15 сказано: «При эксплуатации насосно-компрессорных труб необходимо вести учет количества циклов свинчивания-развинчивания резьбовых соединений. Работоспособность резьбовых соединений согласно проведенным исследованиям сохраняется до 6-8 циклов». Это очень небольшая величина, если учесть, что трубы даже на эксплуатируемых скважинах периодически поднимаются на поверхность для очистки или замены насосного оборудования. Поэтому повышение долговечности соединений НКТ является основной задачей разработчиков.
Известны также резьбовые соединения для стальных труб, в которых для повышения надежности на резьбовой поверхности, по меньшей мере, одного из элементов нанесена твердая смазочная пленка из смеси смазочного порошка (например, дисульфида молибдена) и связующего вещества (патенты РФ №№2258170, 2258859 и 2262029, МПК F16L 15/00). Недостатком известных соединений является сложность приготовления и нанесения твердой смазочной пленки, требующая специальной подготовительной обработки резьбовой поверхности, включающей создание пористого подслоя. Несмотря на всю сложность, срок службы соединений не превышает 10…20 циклов свинчивание-развинчивание.
Известна труба насосно-компрессорной или буровой колонны, содержащая соединительную муфту и переходник, на резьбовых поверхностях которых нанесено двухслойное защитное покрытие, состоящее из цинкового слоя толщиной 10…14 мкм, нанесенного способом термодиффузионного цинкования, и нанесенной на него фосфатной пленки толщиной 2…3 мкм (патент РФ на полезную модель, №38498, МПК F16L 15/08).
Предложенное покрытие обеспечивает защиту элементов соединения от коррозии при хранении и транспортировке, но для надежной герметизации соединения и повышения его ресурса толщина покрытия недостаточна. Фосфатное покрытие непрочно и легко истирается. Поскольку при нарезании резьбы чистота поверхности назначается обычно Rz 20, заявленная толщина в 2…3 мкм, в несколько раз меньшая неровностей, никак не может заметным образом повысить долговечность резьбы. Технология термодиффузионного цинкования резьбовых поверхностей указанной чистоты обработки не обеспечивает гарантированной непрерывности покрытия толщиной менее 15 мкм.
Все известные соединения имеют недостаточную эксплуатационную надежность, так как после многократных операций монтажа-демонтажа соединений труб в колонну нарушается герметичность резьбовых соединений из-за повреждения резьбы по причине недостаточной износостойкости резьбовых поверхностей переходника и соединительной муфты.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является соединение насосно-компрессорных или бурильных труб, включающее установленную на резьбовом конце одной из соединяемых труб соединительную цилиндрическую муфту, имеющую внутреннюю резьбовую поверхность, и полый цилиндрический переходник, выполненный на одном конце с внутренней, а на другом конце - с наружной резьбой, для взаимодействия с резьбой концевого участка другой соединяемой трубы и муфты соответственно, при этом тело муфты и тело переходника выполнено объемно упрочненными, а их резьбовые поверхности выполнены с приданием им дополнительной износостойкости (свидетельство на полезную модель N 14995, МПК F16L 15/08 от 23.03.2000 г.).
Объемное упрочнение муфты и переходника обеспечивает возможность многократных операций монтажа-демонтажа соединений при спусках и подъемах колонны труб (монтажный инструмент не деформирует наружную поверхность упрочненных муфты и переходника).
Однако, выполнение всех резьбовых поверхностей муфты и переходника более износостойкими приводит к тому, что при многократных операциях монтажа-демонтажа соединений при спусках и подъемах колонны труб происходит разрушение неупрочненных резьбовых поверхностей труб, взаимодействующих с упрочненными резьбовыми поверхностями муфты и переходника. Как следствие, после многократных операций по монтажу-демонтажу колонны нарушается герметичность резьбовых соединений.
Задачей настоящей полезной модели является повышение эксплуатационной надежности соединения с обеспечением герметичности резьбовых соединений после многократных операций монтажа-демонтажа соединений при спусках и подъемах колонны труб,
Указанная задача решается за счет того, что в известном соединении насосно-компрессорных или бурильных труб, включающем установленную на резьбовом конце одной из соединяемых труб соединительную цилиндрическую муфту, имеющую внутреннюю резьбовую поверхность, и полый цилиндрический переходник, выполненный на одном конце с внутренней, а на другом конце - с наружной резьбой, для взаимодействия с резьбой концевого участка другой соединяемой трубы и муфты соответственно, при этом резьбовые поверхности муфты и переходника выполнены с приданием им дополнительной износостойкости, новым является то, что дополнительно упрочненными с повышенной износостойкостью выполнены только резьбовые поверхности муфты и переходника, взаимодействующие друг с другом (замок), при этом, резьбовые соединения муфты и переходника с трубами выполнены равнопрочными, на резьбовые поверхности муфты и переходника в этих соединениях нанесен слой противозадирного покрытия.
Противозадирное покрытие может быть нанесено фосфатированием, цинкованием, напылением мягкими металлами и/или их сплавами.
Напыление мягкими металлами и/или сплавами может быть выполнено посредством кинематического (газодинамического) нанесения.
Поверхность резьбы замкового соединения муфты и переходника выполнена упрочненной с приданием ей дополнительной износостойкости посредством или термической, или химико-термической обработки, или посредством нанесения износостойкого покрытия, или посредством поверхностного деформирования металла.
Остальная наружная поверхность муфты и переходника снабжена антикоррозионным покрытием.
Достижение указанной выше цели обеспечивается благодаря следующему.
Выполнение поверхности резьбы на переходнике и муфте, взаимодействующей друг с другом, дополнительно упрочненной с приданием ей дополнительной износостойкости, позволяет исключить повреждение резьбы переходника и муфты, и тем самым обеспечить гарантированную герметичность резьбовых соединений после многократных операций монтажа-демонтажа соединений при спусках и подъемах колонны труб, что, в конечном итоге, повышает эксплуатационную надежность предлагаемого соединения. А выполнение участков резьбы переходника и муфты, взаимодействующих с трубами, с такими же прочностными характеристиками, как у труб, позволяет исключить преждевременное разрушение резьбы труб (что происходило у прототипа).
Кроме того, наличие на остальных резьбовых поверхностях муфты и переходника (резьбовое соединение с трубами) слоя противозадирного покрытия, в частности слоя мягкого металла, нанесенного например, методом газодинамического (кинематического) напыления, позволяет обеспечить необходимую эксплуатационную надежность соединения с обеспечением герметичности резьбовых соединений после многократных операций монтажа-демонтажа соединений при спусках и подъемах колонны труб.
Покрытие остальной поверхности муфты и переходника антикоррозионным слоем предотвращает преждевременное ржавление.
Проведенные патентные исследования не выявили аналогичных или близких технических решений, что позволяет предположить соответствие заявляемого устройства критерию «новизна».
Заявляемое устройство может быть использовано в промышленности, следовательно, оно является промышленно применимым.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежом, где представлен общий вид соединения насосно-компрессорных или бурильных труб.
Соединение насосно-компрессорных или бурильных труб включает соединительную цилиндрическую муфту 1, установленную на резьбовом конце одной из соединяемых труб 2, и полый цилиндрический переходник 3, установленный на резьбовом конце другой из соединяемых труб 4. Соединительная муфта 1 выполнена с внутренней резьбой на концевых участках, а переходник 3 выполнен на одном конце с внутренней, а на другом конце - с наружной резьбой. При этом резьбовой участок 5 муфты связан с резьбовым участком трубы 2, а резьбовой участок 6 - резьбовым участком переходника 3. Второй резьбовой участок 7 переходника 3 связан с резьбовым участком трубы 4. Тело муфты 1 и тело переходника 3 выполнены объемно упрочненными. При этом поверхности резьбы на участке 6 на соединительной муфте 1 и на переходнике 3 выполнены дополнительно упрочненными с приданием им дополнительной износостойкости. Наружные цилиндрические поверхности концевого участка муфты 1 и переходника 3 выполнены без дополнительного упрочнения, чтобы исключить проскальзывание рабочих органов механизма для монтажа-демонтажа.
Соединение насосно-компрессорных или бурильных труб включает соединительную цилиндрическую муфту 1, установленную на резьбовом конце одной из соединяемых труб 2, и полый цилиндрический переходник 3, установленный на резьбовом конце другой из соединяемых труб 4. Соединительная муфта 1 выполнена с внутренней резьбой на концевых участках, а переходник 3 выполнен на одном конце с внутренней, а на другом конце - с наружной резьбой. При этом резьбовой участок 5 муфты связан с резьбовым участком трубы 2, а резьбовой участок 6 - резьбовым участком переходника 3. Второй резьбовой участок 7 переходника 3 связан с резьбовым участком трубы 4.
Тело муфты 1 и тело переходника 3 выполнены объемно упрочненными. При этом поверхности резьбы на участке 6 на соединительной муфте 1 и на переходнике 3 выполнены дополнительно упрочненными с приданием им дополнительной износостойкости. Наружные цилиндрические поверхности концевого муфты 1 и переходника 3 выполнены без дополнительного упрочнения, чтобы исключить проскальзывание рабочих органов механизма для монтажа-демонтажа.
Упрочнение резьбовых поверхностей 6 соединительной муфты 1 и переходника 3 обеспечивается посредством термической (например, закалкой токами высокой частоты) или химико-термической обработки (например, азотирование, сульфоцианирование, нитроцементирование), или посредством нанесения износостойкого покрытия, например, путем оксикарбонитрирования или булатирования, или посредством поверхностного деформирования металла, например, пластическим деформированием накаткой, выглаживанием, холодной ковкой и т.п. При упрочнении необходимых резьбовых поверхностей производится защита от упрочнения остальных резьбовых поверхностей и цилиндрических поверхностей соединительной муфты 1 и переходника 3, например, установкой защитных металлических кожухов, нанесением на эти поверхности защитного слоя в виде обмазок, гальванических покрытий.
Резьбовые участки 5 муфты 1 и 7 переходника 3 не подвергаются упрочнению, и в соответствии с ГОСТ 633-80 имеют одну группу прочности с резьбовыми участками труб 2 и 4.
Поверхность резьбовых участков 5 муфты 1 и 7 переходника 3 подвергнута противозадирной обработке, например, на эти поверхности нанесен слой фосфатного покрытия, цинкового покрытия и др. Наиболее предпочтительно нанесение на эти резьбовые поверхности слоя мягкого металла, например, алюминия, никеля, меди, цинка и др., или их сплавов методом кинематического напыления, при котором происходит закрепление твердых частиц, движущихся со сверхзвуковой скоростью, на резьбовой поверхности при соударении с ней. При этом указанный слой мягкого металла адгезионно надежно связан с резьбовой поверхностью 6 муфты 1 и переходника 3.
Кроме того, на остальной наружной поверхности муфты и переходника нанесено антикоррозионное покрытие, например методом химического оксидирования.
Сборку насосно-компрессорных или бурильных труб посредством предлагаемого соединения производят при формировании колонны труб для спуска ее в скважину, а работы по монтажу-демонтажу переходников и муфт с трубой - при проведении ремонтных работ. При этом на резьбовом конце трубы 2 установлена муфта 1, а на резьбовом конце трубы 4 установлен переходник 3. Переходник 3 с трубой 4 ввинчивают в муфту 1. При этом завинчивание производится посредством механизма для монтажа-демонтажа, в котором захватный орган размещается на цилиндрических поверхностях переходника 3 и концевого участка муфты 1, а удерживающий орган - на цилиндрической поверхности средней части муфты 1.
Наличие упрочненных взаимосвязанных резьбовых поверхностей 6 у муфты 1 и переходника 3, наличие противозадирного покрытия на других резьбовых поверхностях 5 и 7 муфты 1 и переходника 3, а также антикоррозионная обработка остальной поверхности муфты 1 и переходника 3 обеспечивает герметичность резьбовых соединений при их многократном свинчивании и развинчивании.
Таким образом, заявляемое соединение труб значительно повышает эксплуатационную надежность соединений, обеспечивает герметичность резьбовых соединений после многократных операций монтажа-демонтажа соединений, увеличивает в несколько раз продолжительность их эксплуатации.
Кроме того, снижаются эксплуатационные затраты при эксплуатации колонны насосно-компрессорных или бурильных труб, упрощается проведение ремонтных работ, т.к. не требуется восстановления трубы, входящей в колонну (отрезание концевого участка трубы и перенарезание резьбы), поскольку места соединений, наиболее подверженные износу, перенесены с концевых участков соединяемых труб на переходник и муфту; поэтому ремонт потребует только замены переходников и муфт, заранее изготовленных и обработанных соответствующим образом.
Использование предлагаемого изобретения позволит применять в технологических колоннах трубы более низкой категории прочности.