ВЫСОКОГЕРМЕТИЧНОЕ РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ ОБСАДНЫХ ТРУБ

1. Область техники.
Заявляемая полезная модель - высокогерметичное резьбовое соединение обсадных труб относится к области строительства нефтяных и газовых скважин и может быть использовано в обсадных, насосно-компрессорных и других трубах технологического назначения с высокогерметичными резьбовыми соединениями.
2. Уровень техники.
Известно высокогерметичное износостойкое резьбовое соединение, содержащее сопрягаемые наружный и внутренний элементы с резьбовыми коническими участками и герметизирующий узел, выполненный в виде сопрягаемых конических радиальных и торцевых поверхностей внутреннего и наружного элементов, отличающееся тем, что коническая резьба элементов имеет в сечении профиль неравнобокой трапеции с рабочим углом при вершине 13°, сопрягаемые конические торцевые поверхности выполнены под углом 15° к нормали оси резьбы, а на наружной уплотнительной поверхности внутреннего элемента с конусностью 1:10 выполнена одна или несколько разгрузочных кольцевых проточек (патент на полезную модель RU 129186).
Также известно герметичное резьбовое соединение нефтепромысловых труб, включающее охватываемую и охватывающую трубы с коническими резьбами и коническими опорными поверхностями, первые контактирующие между собой из которых выполнены соответственно на внешней поверхности торцевого участка охватываемой трубы в виде конической поверхности с конусностью в сторону оси этой трубы и на внутренней поверхности охватывающей трубы на участке между конической резьбой и телом трубы, а вторые контактирующие поверхности выполнены соответственно на охватываемой трубе в виде конической торцевой поверхности с углом конусности в направлении конической резьбы на этой трубе и ответной торцевой конической поверхности на охватывающей трубе, выполненной на участке перехода первой конической поверхности этой трубы к ее телу, (патент FR 2798716).
Также известно герметичное резьбовое соединение нефтепромысловых труб, включающее охватываемую и охватывающую трубы с коническими резьбами и коническими опорными поверхностями, первые контактирующие между собой из которых выполнены соответственно на внешней поверхности торцевого участка охватываемой трубы в виде конической поверхности с конусностью в сторону оси этой трубы и на внутренней поверхности охватывающей трубы на участке между конической резьбой и телом трубы, а вторые контактирующие поверхности выполнены соответственно на охватываемой трубе в виде конической торцевой поверхности с углом конусности в направлении конической резьбы на этой трубе и ответной торцевой конической поверхности на охватывающей трубе, выполненной на участке перехода первой конической поверхности этой трубы к ее телу, отличающееся тем, что конические резьбы выполнены с конусностью 1:16, конические опорные поверхности на внешней поверхности торцевого участка охватываемой трубы и на внутренней поверхности охватывающей трубы выполнены с конусностью 1:10 в сторону оси этой трубы, конические торцевые поверхности выполнены с углом конусности 15° в направлении конической резьбы на соответствующей трубе, при этом на охватывающей трубе на участке перехода конической резьбы к телу трубы выполнена окружная канавка для выдавливания масла, а коническая резьба типа Баттресс с углом профиля 13° выполнена с витками в сечении, имеющими вид неравномерной трапеции с опорной гранью витка, расположенной под увеличенным углом к направлению действия нагрузки (патент на изобретение RU 2297512).
Данное техническое решение является наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели, однако, оно имеет недостаточную эксплуатационную надежность по причинам:
- низкой герметичности соединения из-за возможности неодновременного уплотнения двух конусов по причине разницы в углах расположения уплотнительных поверхностей резьбовой части и гладкой части - 3,5 град (конусность 1:16 резьбовой части) и 5,7 град. (конусность 1:10 гладкой части);
- низкой герметичности гладкого конического уплотнения при работе в искривленных и наклонных скважинах по причине значительной длины уплотнительного конуса и возможности появления негерметичности при изгибах трубы на искривленных участках скважины;
- низкой стойкости к задирам конических и резьбовых поверхностей при сборке соединения, низком рабочем ресурсе соединения из-за применения неполированных радиальных и торцовых поверхностей и отсутствия гальванического покрытия на контактных поверхностях;
- низкой герметичности соединения по причине применения масла вместо специальных герметизирующих графитонаполненных смазок для покрытия резьбовых поверхностей;
- перетока утечек жидкости из конической части в резьбовую по причине отсутствия гидрозатвора.
Заявляемая полезная модель позволит повысить эксплуатационную надежность соединения путем:
- повышения герметичности соединения посредством обеспечения одновременного уплотнения двух уплотнительных конусов за счет равных углов расположения уплотнительных поверхностей резьбовой конической части и гладкой конической части - 3°35′ град (конусность 1:16 резьбовой части и конической);
- повышения герметичности конического уплотнения при работе в искривленных и наклонных скважинах за счет применения уплотнительного конуса с системой канавок лабиринтного уплотнения;
- увеличения стойкости к задирам конических и резьбовых поверхностей при сборке соединения, повышения рабочего ресурса соединения за счет применения полированных радиальных и торцовых поверхностей и нанесения противозадирного гальванического покрытия на контактные поверхности;
- повышения герметичности соединения за счет применения специальных герметизирующих графитонаполненных смазок для покрытия резьбовых поверхностей и поверхностей конических уплотнений перед сборкой соединения;
- повышения герметичности соединения, достигаемой путем исключения перетока утечек жидкости из конической части в резьбовую часть за счет наличия в конструкции соединения камеры гидрозатвора.
Для чего конструкция высокогерметичного резьбового соединения обсадных труб имеет следующие особенности:
1. Конструкция обеспечивает одновременное уплотнение двух конических уплотнений за счет равных углов расположения уплотнительных поверхностей резьбовой части и конической части - 3°35′ (конусность 1:16 резьбовой части и конической);
2. Наличие конического уплотнения с системой канавок лабиринтного уплотнения;
3. Наличие противозадирного гальванического покрытия на контактных конических и резьбовых поверхностях;
4. Применение специальных герметизирующих графитосодержащих смазок для покрытия резьбовых поверхностей и поверхностей конических уплотнений.
5. Наличие в конструкции соединения камеры гидрозатвора;
3. Раскрытие сущности полезной модели.
В процессе свинчивания обсадной трубы и муфты по резьбовому коническому соединению происходит продвижение поверхности конического уплотнения муфты вдоль ответной поверхности конического уплотнения трубы до контакта поверхностей торцового клинового уплотнения.
За счет упругих диаметральных деформаций поверхностей конических уплотнений обсадной трубы и муфты создаются уплотнительные узлы "металл-металл" конического уплотнения.
Одновременно при относительном осевом перемещении муфты относительно обсадной трубы осуществляется силовое контактирование поверхностей торцевых клиновых уплотнений обсадной трубы и муфты, в результате чего на их поверхностях возникают контактные напряжения в области допустимых упругих деформаций.
За счет упругих линейных деформаций поверхностей торцевых клиновых уплотнений создается уплотнительный узел "металл-металл" торцового клинового уплотнения.
При этом повышение эксплуатационной надежности предлагаемого высокогерметичного соединения обсадных труб обеспечивается за счет:
1) Выполнения резьбового конического и гладкого конического соединения с углом конуса 3°35′ (конусностью 1:16), что обеспечивает одновременное уплотнение двух конических поверхностей: конического гладкого уплотнения и конического резьбового соединения.
2) Выполнения в полости муфты на участке перехода от резьбового конического соединения к поверхности конического уплотнения камеры гидрозатвора, заполненной уплотнительной смазкой, и работающей в качестве уловителя протечек жидкости.
3) Выполнения на трубной части поверхности конического уплотнения канавок лабиринтного уплотнения, которые в процессе соединения муфты и обсадной трубы заполняются уплотнительной смазкой.
4) Покрытия контактных поверхностей резьбового конического соединения и торцового клинового уплотнений муфты и обсадной трубы гальваническим покрытием с противозадирными и уплотняющими свойствами.
5) Смазывания поверхностей резьбового соединения и поверхностей конического и торцового клинового уплотнений перед сборкой соединения специальной уплотнительной противозадирной смазкой.
Высокогерметичное соединение свинчивается с использованием специальной противозадирной уплотняющей смазки типа РУСМА и др., содержащей порошки графита, свинца, цинка, меди, наносимой на поверхности резьбового соединения, конического уплотнения, торцового клинового уплотнения перед свинчивание муфты и трубы.
4. Краткое описание чертежей.
Изображенное на рис. 1, 2, 3 и 4 высокогерметичное резьбовое соединение обсадных труб включает трубу стальную сварную или цельнотянутую обсадную трубу (1) и оригинальную муфту (2), соединяемые друг с другом посредствам резьбового конического соединения (3), выполненного соответственно на внешней поверхности концевых участков обсадных труб (1) и на внутренней поверхности муфт (2), конические уплотнения (4) трубной части поверхности (11) и муфтовой части поверхности (14), выполненные соответственно на внешней поверхности концевых участков обсадных труб (1) и на внутренней поверхности муфт (2) и торцовые клиновые уплотнения (5) трубной части поверхности (12) и муфтовой части поверхности (15), выполненные на торцах труб (1) и ответной поверхности муфт (2).
При этом резьбовые конические соединения (3) и гладкие конические уплотнения (4) выполнены с углом конуса 3°35′ (конусностью 1:16), что обеспечивает одновременное уплотнение двух поверхностей конического уплотнения(4) и резьбового соединения (3).
Резьбовое соединение может иметь профиль треугольной, упорной резьбы по ГОСТ 632-80, ГОСТ Р 51906-2002 или оригинального профиля.
Поверхности конического уплотнения(4) и торцового клинового уплотнения (5) выполнены с конусностью 3°35′ и 75° по отношению к оси обсадной трубы (1). А в полости муфты (2) на участке перехода от резьбового конического соединения (3) к поверхности конического уплотнения (4) выполнена камера гидрозатвора (7), заполненная уплотнительной смазкой, работающая в качестве уловителя протечек жидкости.
На трубной части поверхности конического уплотнения (4) выполнены канавки лабиринтного уплотнения (6), которые в процессе соединения муфты (2) и трубы (1) заполняются уплотнительной смазкой.
Поверхность торцового клинового уплотнения (5) выполнена полированной для обеспечения максимальной герметичности узла уплотнения.
Контактные поверхности резьбового конического соединения (3), конического уплотнения (4) и торцового клинового уплотнений (5) муфты (2) и трубы (1) покрываются гальваническим покрытием (8) с противозадирными и уплотняющими свойствами.
Поверхности резьбового конического соединения (3), конического уплотнения (4) и торцового клинового уплотнения (5) перед сборкой соединения смазываются специальной уплотнительной противозадирной смазкой (9).
5. Осуществление полезной модели.
Высокогерметичное соединение обсадных труб работает следующим образом.
В процессе свинчивания трубы и муфты по резьбовому коническому соединению происходит продвижение уплотнительной поверхности муфты вдоль ответной поверхности трубы до контакта по конической поверхности.
За счет упругих диаметральных деформаций этих поверхностей создается уплотнительный узел "металл-металл" конического уплотнения.
После свинчивания между собой трубы и муфты крутящим моментом до «упора» происходит деформация в упругой области и образуются диаметральный натяг и уплотнение "металл-металл" контактирующих поверхностей уплотнений. Для обеспечения высокой надежности герметичности соединения уплотнительные поверхности и выполняются с высокой точностью и низкой шероховатостью - полируются.
Одновременно при относительном перемещении муфты относительно трубы осуществляется силовое контактирование торцевых клиновых уплотнительных поверхностей торца трубы и муфты, в результате чего на их поверхностях возникают контактные напряжения в области допустимых упругих деформаций.
За счет упругих линейных деформаций этих поверхностей создается уплотнительный узел "металл-металл" торцового клинового уплотнения, образованного коническими поверхностями.
Повышение эксплуатационной надежности соединения обеспечивается за счет увеличения контактирующих площадей торцев, что позволяет увеличить крутящий момент свинчивания при сохранении контактных напряжений на необходимом уровне в пределах упругой деформации. Окончание процесса свинчивания охватываемой и охватывающей деталей сопровождается взаимодействием их упорных торцов.
Высокогерметичное соединение свинчивается с использованием специальной противозадирной уплотняющей смазки содержащей порошки графита, свинца, цинка, меди наносимой на поверхность резьбового соединения, конического уплотнения, торцового клинового уплотнения перед свинчивание муфты и трубы.
Преимуществом заявляемого высокогерметичного резьбового соединения по сравнению с известными аналогами является повышение надежности герметичности, что позволит использовать данное соединение труб
- как для нефтедобывающих, так и для газодобывающих скважин;
- для работы в наклонных и искривленных скважинах;
- в скважинах с повышенным содержанием сероводорода.
Обеспечит увеличенную стойкость к задирам конических и резьбовых поверхностей при сборке соединения.
Гидравлические испытания, проведенные на изготовленной опытной партии обсадных труб диаметром 114 мм с предлагаемым высокогерметичным соединением, подтвердили герметичность соединения при нормированных в ГОСТ 632-80 испытательных давлениях.