ВЫСОКОГЕРМЕТИЧНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ОБСАДНЫХ ТРУБ

Полезная модель относится к области строительства и ремонта нефтяных, газовых, водонагнетательных и водяных скважин и может быть использовано в трубах любого технологического назначения, требующих высокогерметичного резьбового соединения.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели по технической сущности и достигаемому при ее использовании техническому результату является герметичное соединение металлических труб по патенту РФ №2058505, МПК Е21В 17/08, опубл. 20.04.1996, включающее охватываемую и охватывающую поверхность (трубы) с коническими резьбами и коническими опорными (уплотнительными) поверхностями радиальными и торцевыми, конические радиальные опорные поверхности герметизирующего узла выполнены с конусностью в диапазоне 6,25-9,25%, где поверхность радиального уплотнения внутреннего элемента, контактирующая с внутренней поверхностью наружного элемента составляет 0,5-2,5 мм, а торцевые упорные уплотнительные поверхности выполнены под углом 5-10° к нормали оси резьбы.
Указанное техническое решение не гарантирует полной защиты резьбового соединения обсадных труб от повреждений при воздействии динамических и вибрационных нагрузок в процессе сборки и спуска колонны в скважину.
Выполнение заходного витка, даже при наличии фаски, образуют постепенно (на протяжении полной длины заходного витка - одного оборота) расширяющуюся (до полной ширины витка) от нулевой толщины (начало витка) винтовую линию, «облокачивание» на которую очередной свечи часто приводит к ее слому, а попадание «осколков» на резьбовую часть или на элементы герметизирующего узла приводит к выходу соединения из строя.
Следовательно, задачей настоящей полезной модели является создание надежного высокогерметичного соединения обсадных труб, которое устраняет указанные проблемы, улучшение качества сборки резьбовых соединений при обеспечении улучшенного внутреннего уплотнения.
Достигаемый технический результат заключается в повышении надежности и герметичности резьбового соединения обсадных труб, колонна которых не подвергается разборке в процессе эксплуатации, в снижении аварийности с обсадными трубами при спуске колонн за счет уменьшения возможности попадания «оторванных» элементов резьбы (заходных витков муфты и ниппеля) на резьбу и уплотнительные поверхности соединения.
Поставленная задача решается за счет того, что в высокогерметичном соединении обсадных труб, содержащем внутренние и наружные сопрягаемые элементы с коническими поверхностями, на которых выполнена резьба, причем обе резьбовые части имеют общий контур поверхности в виде усеченного конуса, а со стороны меньшего диаметра усеченного конуса выполнен герметизирующий узел, внутренняя и наружная части которого образованы конической радиальной и конической упорной (торцевой) уплотнительными поверхностями, заходной виток внутренней и наружной резьбы снят до поверхности, соответствующей впадине резьбы витка, а высота второго витка плавно нарастает на длине дуги не более четвертой части длины дуги витка, при этом на охватываемой трубе конические поверхности сопряжены радиусом, а на охватывающей трубе в зоне сопряжения конических поверхностей выполнен элемент, образованный сопряжением радиусов, плавно соединяющих их в дугу криволинейной формы.
Кроме того, на охватывающей трубе в зоне перехода конической резьбы' к герметизирующему узлу выполнена цилиндрическая уплотнительная поверхность, являющаяся ответной для цилиндрической поверхности охватываемой трубы.
Выполнение заходного витка внутренней и наружной резьбы снятым до поверхности, соответствующей впадине резьбы витка и плавное нарастание высоты второго витка на длине дуги не более четвертой части длины дуги витка позволяет увеличить длину зоны контакта радиальных уплотнительных поверхностей на один виток и, соответственно, увеличить герметизирующую способность герметизирующего узла.
Выполнение на охватывающей трубе (муфте) в зоне сопряжения конических поверхностей элемента, образованного сопряжением радиусов, плавно соединяющих их в дугу криволинейной формы, обеспечивает «затекание» металла герметизирующего элемента ниппеля в упомянутую полость при переходе ее в упругопластическое состояние, повышая герметичность соединения и невозможность самостоятельного развинчивания соединения при воздействии динамических и вибрационных нагрузок в процессе сборки и спуска колонны в скважину.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленной полезной модели, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного технического решения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил установить новую совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном решении, изложенных в формуле полезной модели, которые явным образом не следуют для специалиста по производству и эксплуатации обсадных труб. С учетом возможности промышленного серийного изготовления высокогерметичного соединения обсадных труб, можно сделать вывод о соответствии настоящей полезной модели критериям патентоспособности.
Сущность полезной модели и возможность ее практической реализации поясняются чертежами, где:
- на фиг.1 изображен общий вид высокогерметичного соединения обсадных труб;
- на фиг.2 изображен выносной элемент Б на фиг.1;
- на фиг.3 изображены варианты выполнения элемента криволинейной формы;
- на фиг.4 представлена схема выполнения первого заходного и второго витка конической наружной резьбы (аналогично выполняется заходной и второй виток внутренней конической резьбы);
- на фиг.5 изображено возрастание высоты профиля второго заходного витка ниппеля на длине дуги не более четверти оборота (90°);
- на фиг.6 изображено возрастание высоты профиля второго заходного витка муфты на длине дуги не более четверти оборота (90°).
В предлагаемом высокогерметичном соединении обсадных труб применена трапецеидальная резьба 1, опорная грань 2 которой выполнена под углом 3° к нормали оси резьбы, а угол профиля ее равен 13°. Радиальное коническое уплотнение 3 «металл-металл», торцевое коническое уплотнение 4, являющееся одновременно упором, препятствующим продвижению ниппеля относительно муфты. Муфта соединения 5 (охватывающая труба) взаимодействует с ниппелем 6 (охватываемая труба) через упомянутую резьбу. В зоне сопряжения конических торцевых 4 и радиальных 3 уплотнительных поверхностей на муфте выполнен элемент 7 (кольцевая торообразная канавка) для «затекания» герметизирующего элемента ниппеля в упомянутую канавку муфты при переходе последнего в упругопластическое состояние.
Заходной виток внутренней и наружной резьбы 1 снят до поверхности, соответствующей впадине резьбы витка, а высота второго витка плавно нарастает на длине дуги не более четвертой части длины дуги витка, при этом на охватываемой трубе конические поверхности сопряжены радиусом. Увеличение длины зоны контакта радиальных уплотнительных поверхностей на один виток позволяет использовать ее для улучшения герметичности узла уплотнения. Чтобы использовать указанную длину без изменения контактного давления на уплотнительных поверхностях герметизирующего узла на месте заходного витка (ниппеля) на обеих плоскостях охватываемой и охватывающей выполнены цилиндрические уплотнительные контактирующие поверхности 8. Длина цилиндрического уплотнения не превышает шага резьбы, а уплотнительные цилиндрические поверхности выполняются по «переходной» посадке, улучшая при этом условия работы соединения при изгибающих нагрузках.
На фиг.3 представлено решение выполнения элемента криволинейной формы, где участки радиусов могут иметь как выпуклое, так и вогнутое исполнение, а для обеспечения криволинейной поверхности элемент состоит не менее чем из трех радиусов кривизны. На охватывающей трубе в зоне перехода от конической радиальной поверхности выполнен радиус R1 выпуклой формы входящий в сопряжение с данной поверхностью. Со стороны упорной торцевой поверхности охватывающей трубы также выполнен радиус R3 выпуклой формы. В свою очередь радиусы R1 и R3 входят в сопряжение с радиусом R2 имеющим значительно меньший радиус кривизны, что обеспечивает оптимальную величину радиусов R1, R3 для сопряжения конической радиальной и конической упорной поверхностями охватывающей трубы в точках сопряжения и исключения прерывистости кривизны. Радиусы R1, R2 могут быть соединены между собой дополнительным радиусом R4 вогнутой формы для обеспечения продолжения общей протяженности криволинейного элемента. Общая длина криволинейного элемента в зоне сопряжения конических поверхностей охватывающей трубы зависит от величины радиусов R1, R2, R3, R4 и во всех случаях имеет определенное значение. Радиус R1 может быть равен радиусу R3, при этом радиус R2 может быть значительно меньше радиуса R1. Данные варианты не являются единственно возможными.
На фиг.4 представлен первый (заходной) и второй виток наружной резьбы ниппеля. Сечения выполнены вдоль витка резьбы. На сечении А первый виток 9 полностью «снят» до поверхности, соответствующей впадине витка, причем срезание его выполнено по винтовой линии, соответствующей собственно витку, поэтому в представленном сечении его просто нет. Далее в сечении Б, выполненном вдоль второго витка 10, показано, что второй виток начинается с подъема его от поверхности, соответствующей впадине витка до полной высоты его и осуществляется на дуге не более четверти длины витка. Таким же образом срезаны заходные витки на муфте.
Отсутствие тонких элементов внутренней и наружной резьб заходных витков исключает их смятие и разрушение, обеспечивая сохранность резьбовых и уплотнительных элементов герметизирующего узла и соответственно гарантированную герметичность соединения.
Вариант технологического процесса доработки заходного (первого) и второго витков резьбы внутренней (муфта) и наружной (ниппельный конец трубы) резьб представлен ниже на примере изготовления наружной резьбы.
1. Нарезание резьбы происходит обычным способом на предварительно проточенной конической поверхности однозубой или n-зубой гребенкой в зависимости от принятой технологии.
2. Операция по снятию заходного (первого) витка и одной четверти второго (с плавным выходом на полную высоту витка в упомянутой четверти) производится резцом типа «отрезной». Установив (программой) резец (ширина режущий части которого несколько больше ширины основания витка) против середины заходного витка и задав глубину резанья для первого и последующих проходов, начинают «снимать» первый виток от его начала. Передвижение суппорта станка должно соответствовать шагу витка за один оборот изделия. При подходе резца к началу второго витка резец плавно, на протяжении четверти оборота изделия отводится от изделия. Последующими повторными операциями первый виток срезается полностью, второй плавно нарастает до полной высоты на протяжении четверти оборота.
Примечание. Использование упомянутого технологического процесса в массовом производстве может быть осуществлено только на станках с числовым программным управлением (ЧПУ).
При спуске обсадной колонны в промысловых условиях в первую очередь требуется быстрота сборки соединения, износостойкость, высокая статическая и усталостная прочность при знакопеременных нагрузках, отсутствие утечек в резьбовых соединениях.
Сборка соединения происходит следующим образом: при посадке ниппеля в муфту происходит удар поверхности резьбы ниппеля о поверхность резьбы муфты.
В результате значительного удара высока вероятность разрушения первого витка ниппеля, так как значительная часть длины витка имеет не полную высоту и минимальную толщину. При разрушении части первого витка ниппеля и попадания его частиц в процессе свинчивания в зазор уплотнения «металл-металл» приведет к разгерметизации соединения.
Дальнейшее вворачивание ниппеля в муфту приводит к контакту торцевых уплотнительных поверхностей герметизирующего узла и затекание металла элементов уплотнения ниппеля в канавку муфты, создавая надежное герметичное уплотнение, в том числе за счет контактных напряжений в торцевом упоре.
Преимуществом заявляемого высокогерметичного соединения обсадных труб является повышение надежности, герметичности, снижение аварийности при спуске обсадных колонн, исключения самоотвинчивания, увеличение области применения.
Предложенное высокогерметичное соединение обсадных труб является новым и промышленно применимым, изготовлено промышленным способом с использованием существующих технологий, применяемых для изготовления резьбовых концов труб, и выполнено на принципиально отличном от известных конструкций принципе взаимодействия контактирующих поверхностей.