ВЫСОКОГЕРМЕТИЧНОЕ РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ ЭЛЕКТРОСВАРНЫХ ОБСАДНЫХ НЕФТЕПРОМЫСЛОВЫХ ТРУБ

Настоящая полезная модель относится к резьбовому соединению электросварных обсадных труб, которое используется для соединения между собой труб и внутрискважинного оборудования при строительстве и эксплуатации нефтяных и газовых вертикальных, наклонно-направленных и горизонтальных скважин.
Из уровня техники известно резьбовое соединение труб, содержащее ниппель и муфту, соединяемые друг с другом резьбой трапецеидального профиля (патент RU 2541364 C1, 10.02.2015). На конце ниппеля рядом с резьбой расположена его передняя часть с радиальным уплотнением, и упорным участком на торце ниппеля. Муфта имеет внутреннюю резьбу, периферийную поверхность радиального уплотнения, а также упорный участок. Герметичность собранного резьбового соединения данной конструкции обеспечивается за счет натяга радиального уплотнения ниппеля, имеющего тороидальную поверхность, с ответной конической периферийной поверхностью муфты.
Тороидальное радиальное уплотнение начинается сразу после резьбы ниппеля, в самом утолщенном месте его передней части. Форма радиального уплотнения и место его расположения увеличивают жесткость и снижают его податливость. За счет этого происходит повышенное влияние резьбы на величины натягов и давлений в радиальном уплотнении при сборке. Для снижения этого влияния, угол торцевого упора относительно перпендикуляра к оси резьбы увеличен до 16°-18°. Это вызывает значительное повышение контактных давлений в торцевом упоре после сборки, что резко снижает допустимое количество циклов свинчивания и развинчивания резьбового соединения в процессе эксплуатации.
Для увеличения допустимых сжимающих нагрузок резьбового соединения необходимо уменьшать угол его торцевого упора. Однако в этой конструкции это невозможно сделать, так как при этом теряется герметичность резьбового соединения.
Изготовление тороидального профиля радиального уплотнения ниппеля данной конструкции возможно только на специальном высокоточном технологическом оборудовании. При этом любое, даже самое незначительное повреждение этого уплотнения, полученное в процессе сборки или дальнейшей эксплуатации, неизбежно приводит к его забраковке, так как его невозможно отремонтировать в условиях потребителей труб.
Из уровня техники известно также резьбовое соединение обсадных труб, содержащее охватываемую (ниппель) и охватывающую (муфта) детали, имеющие на этих деталях резьбы трапецеидального профиля, а также герметизирующий узел с уплотнительными радиальными и торцевыми коническими поверхностями. Между резьбой ниппеля и его радиальным уплотнением расположен конический переходный участок (ГОСТ 632-80, ГОСТ P 53365-2009).
Наиболее близким по совокупности существенных признаков является указанное техническое решение, которое принято в качестве прототипа заявленной полезной модели.
Основным недостатком конструкции прототипа является его недостаточная герметичность в современных скважинах, в которых на обсадные трубы действуют значительные осевые силы, изгибающие моменты и внутренние давления. В таких условиях эксплуатации происходит рассогласование и нарушение контакта герметизирующих поверхностей, сопровождающее изменением деформаций и контактных давлений в элементах узла герметичности.
Настоящая полезная модель направлена на решение технической задачи по созданию такой конструкции резьбового соединения, которая обеспечивает повышенную стабильную герметичность при эксплуатации труб в скважинах различного профиля и назначения.
В заявленной полезной модели поставленная техническая задача решается повышением однородности распределения контактных давлений по радиальному уплотнению и торцевому упору за счет увеличения податливости переходного участка ниппеля от резьбы к его радиальному уплотнению, а также поджатием и дополнительным центрированием радиального уплотнения ниппеля относительно радиального уплотнения муфты при сборке резьбового соединения.
Это достигается тем, что в высокогерметичном резьбовом соединении электросварных обсадных нефтегазопромысловых труб, содержащем охватываемую (ниппель) и охватывающую (муфта) детали, имеющих общий контур сопряжения в виде усеченного конуса, на котором выполнена резьба трапецеидального профиля, за меньшим основанием усеченного конуса на ниппеле расположен переходный участок от резьбы к радиальному уплотнению, само радиальное уплотнение, а также и торцевой упор, при этом переходный участок от резьбы ниппеля к его радиальному уплотнению имеет цилиндрическую форму, а величина угла упорного торца ниппеля и упорного уступа муфты относительно перпендикуляра к оси резьбы составляет 5,0°-7,5°.
Сущность заявленной полезной модели поясняется чертежами, на которых показано:
- на фиг. 1 изображена известная конструкция резьбового соединения;
- на фиг. 2 в увеличенном масштабе показано контактирование рабочих поверхностей радиального уплотнения и торцевого упора ниппеля и муфты после сборки;
- на фиг. 3 приведена конструкция радиального уплотнения ниппеля и муфты, а также упорный торец ниппеля и упорный уступ муфты по заявленной полезной модели.
Составляющие элементы заявленной полезной модели имеют основные узлы, сходные с известной конструкцией, показанной на фиг. 1. Такое резьбовое соединение содержит ниппель 1 и муфту 5 с конической резьбой трапецеидального профиля на ниппеле 2 и муфте 6. Узел герметичности состоит из конического радиального уплотнения 8 и торцевого упора 4. Между резьбой ниппеля и его радиальным уплотнением имеется конический переходный участок 3, а схождение радиального уплотнения к сбегу резьбы муфты происходит по фаске 7. При этом резьба, радиальное уплотнение ниппеля и муфты и переходный участок ниппеля имеют одинаковую конусность, а упорный торец ниппеля и упорный уступ муфты перпендикулярны к оси резьбы.
При сборке резьбового соединения вначале контактируют друг с другом витки резьбы ниппеля и муфты с заданным натягом. За счет радиальной деформации резьбы ниппеля и жесткого переходного участка появляются также радиальные перемещения и поворот носика ниппеля. В процессе дальнейшей сборки резьбового соединения на носик ниппеля со стороны муфты начинают действовать радиальные сжимающие контактные давления. При этом правый конец носика ниппеля ничем не ограничен и может свободно деформироваться в радиальном направлении, в то время как деформациям его левого конца препятствует переходный участок ниппеля. За счет этого радиальные деформации левого конца всегда меньше, чем правого и происходит изгиб и поворот носика. Такой поворот приводит также к изменению угла упорного торца ниппеля относительно перпендикуляра к оси резьбы. Все это вызывает не параллельность, рассогласование контактирующих поверхностей и приводит к их угловому контактированию, как в радиальном уплотнении, так и в торцевом упоре. В результате этого, после окончания сборки резьбового соединения по внутреннему диаметру упорного торца ниппеля и упорного уступа муфты остается зазор (фиг. 2).
В конструкции прототипа допускается наличие такого зазора после сборки. Так, например, по ГОСТ P 53365-2009 «Сопряжение упорных поверхностей трубы и муфты при механическом свинчивании проверяют пластинчатым щупом толщиной 0,1 мм. Щуп не должен проходить между упорными поверхностями по всему периметру стыка». По ГОСТ 632-80 щуп «толщиной 1 мм (для труб исполнения Б) не должен проходить по всему периметру стыка».
Для снижения как величины, так и неравномерности распределения контактных давлений в конических соединениях с гарантированным натягом, необходимо уменьшать не параллельность и не соосность контактирующих поверхностей (Гречищев Е.С.Соединения с натягом: Расчеты, проектирование, изготовление - М.: Машиностроение, 1981, 247 с.).
В известной конструкции резьбового соединения переходный участок ниппеля имеет коническую форму с минимальной толщиной в сечении А-А (фиг. 2). На всей длине переходного участка (А-Б) его толщина больше минимального значения, что вызывает увеличение жесткости и снижение податливости всего переходного участка. Жесткий переходный участок не компенсирует различные технологические погрешности изготовления резьбы и появившиеся при сборке натяги ее витков, а непосредственно передает их на носик ниппеля. Все это вызывает не параллельность и угловое контактирование поверхностей радиального уплотнения ниппеля и торцевого упора в процессе свинчивания.
При этом за счет краевых эффектов, в местах углового контакта поверхностей появляются зоны повышенных, пиковых давлений, которые увеличивают риски появления локальных износов, задиров и схватываний уже при первоначальном свинчивании резьбового соединения.
В процессе эксплуатации труб, за счет действующих на них внутренних и наружных давлений, а также внешних нагрузок происходит дальнейшее распространение очагов первоначальных локальных повреждений контактирующих поверхностей радиального уплотнения и торцевого упора, полученных при сборке.
Особенно опасными такие явления становятся для труб, работающих в промысловых средах, с повышенным содержанием в них углекислого газа и сероводорода, которые вызывают различные интенсивные коррозионные процессы, а также приводят к коррозионному растрескиванию под напряжением металла труб. В настоящее время такие условия отмечаются практически на всех нефтегазопромысловых месторождениях, находящихся на поздних стадиях их разработки. Одним из самых эффективных методов повышения коррозионной стойкости нефтегазопромысловых труб в таких средах является снижение, как общего, так и локального напряженного состояния поверхностей металла труб. (Гафаров Н.А. и др. Коррозия и защита оборудования сероводородсодержащих нефтегазовых месторождений - М.: Недра, 1998, 437 с.).
Повышенная жесткость переходного участка ниппеля увеличивает влияние натягов резьбы на радиальное уплотнение и контактные давления на нем, ограничивает его деформации при сборке, значительно ограничивает возможность "отслеживания" кривизны скважины. Для снижения величины контактных давлений необходимо увеличивать податливость переходного участка. Это можно сделать только за счет уменьшения его толщины. В то же время, прочность всего переходного участка ниппеля определяется толщиной его минимального сечения А-А (фиг. 2), дальнейшее уменьшение которой может привести к потере прочности всего переходного участка.
В связи с этим, в заявленной полезной модели наружная поверхность переходного участка от радиального уплотнения ниппеля к его резьбе имеет цилиндрическую форму (фиг. 3). Это не приводит к уменьшению прочности переходного участка, т.к. не изменяется его минимальная толщина (А-А), но при этом снижается жесткость и увеличивается радиальная податливость всего переходного участка. Кроме того, эти показатели становятся постоянными по всей длине переходного участка, в отличие от конструкции прототипа резьбового соединения. Это позволяет всей длине переходного участка ниппеля при сборке резьбового соединения участвовать в компенсации радиальных деформаций и углов поворота радиального уплотнения. Уменьшение максимальной толщины переходного участка (сечение Б-Б) ограничивает также влияние натяга по виткам резьбы на деформации и контактные давления в радиальном уплотнении.
Для снижения углов поворота носика ниппеля и устранения углового контактирования рабочих поверхностей упорного торца при сборке, в заявленной полезной модели изменяются углы упорного торца ниппеля и упорного уступа муфты В относительно перпендикуляра к оси резьбы (фиг. 3). Значение угла β выбрано с учетом минимизации напряженного состояния переходного участка ниппеля. После сборки резьбового соединения на ниппель со стороны упорного уступа муфты действуют контактные давления. Для снижения напряженного состояния переходного участка ниппеля, равнодействующая сила Q от этих давлений должна находиться внутри переходного участка и не выходить за пределы сечения Б-Б (фиг. 3). В том случае, если направление действия силы Q будет выходить за пределы этого сечения, от этой силы появится дополнительный изгибающий момент, который увеличит напряженное состояние переходного участка.
Предельное значение угла β, при котором результирующая сила контактных давлений Q не будет выходить за пределы сечения Б-Б, определяется выражением:
Б
tgβ=(h-h/2)/S
Б
Здесь: h - толщина переходного участка;
h - толщина носика ниппеля в плоскости торца трубы;
S - общая длина переходного участка и радиального уплотнения ниппеля.
Электросварные обсадные трубы с уплотнением типа «металл-металл» изготавливаются диаметрами 114-324 мм и толщинами стенок до 11 мм. Проведенный дополнительный анализ показал, что для обсадных труб таких типоразмеров предельные значения угла В составляют 5,0°-7,5°.
Сборка резьбовых соединений всегда производится с использованием специальных резьбоуплотнительных смазок (Резьбовые соединения «Премиум», Технический справочник, ТМК, 2013, 176 с.). Такие смазки содержат в своем составе порошки различных мягких металлов, специальные сорта графита, фторопласта, а также пакет противозадирных, адгезионных и антикоррозийных присадок. Коэффициент трения скольжения «сталь - по стали» в условиях смазки составляет 0,05-0,10 (Справочник конструктора-машиностроителя, под ред. Анурьева В.И., М., Машиностроение, т. 1, 728 с.). Для специальных резьбоуплотнительных смазок можно принять коэффициент трения равным 0,05, что соответствует углу трения 2,8°. Указанное выше минимальное значение угла β, равное 5,0° превышает полученный угол трения. Это гарантирует свободное взаимное скольжение рабочих поверхностей торцевого упора ниппеля и муфты друг относительно друга при сборке и обеспечивает отсутствие задиров и схватываний на них.
Конструкция резьбового соединения по заявленной полезной модели, в которой упорный уступ муфты и упорный торец ниппеля отклонены на угол β относительно перпендикуляра к оси резьбы имеет дополнительные преимущества перед известным техническим решением. За счет этого конический торцевой упор при сборке центрирует радиальное уплотнение ниппеля относительно муфты, что снижает влияние различных погрешностей их изготовления и выравнивает распределение контактных давлений как по длине, так и по периметру радиального уплотнения.
Кроме того, при отклонении равнодействующей силы контактных давлений торцевого упора Q на угол β относительно перпендикуляра к оси резьбы, появляется радиальная составляющая этой силы Q1. Для наглядности, сила Q1 на фиг. 3 смещена вверх по линии ее действия. Составляющая Q1 прижимает контактирующие поверхности радиального уплотнения друг к другу, уменьшает угол поворота носика ниппеля, способствует устранению зазора и равномерному распределению контактных давлений по торцевому упору после сборки резьбового соединения. При этом увеличивается площадь контактирования поверхностей радиального уплотнения и торцевого упора, что повышает однородность распределения контактных давлений на них, герметичность и стабильность работы в сложных условиях эксплуатации.
Пример осуществление полезной модели.
Высокогерметичное резьбовое соединение электросварных обсадных нефтегазопромысловых труб, содержащее охватываемую (ниппель) и охватывающую (муфта) детали, имеющих общий контур сопряжения в виде усеченного конуса, на котором выполнена резьба трапецеидального профиля, за меньшим основанием усеченного конуса на ниппеле расположен переходный участок от резьбы к радиальному уплотнению, само радиальное уплотнение, а также и торцевой упор.
Условный наружный диаметр электросварной обсадной трубы равен 178 мм, толщина стенки трубы - 10,7 мм, конусность резьбы и радиального уплотнения составляет 1:16, толщина носика ниппеля в плоскости торца трубы и толщина переходного участка от резьбы ниппеля к радиальному уплотнению соответственно равны 6,3 мм и 6,0 мм, а суммарная длина переходного участка и радиального уплотнения ниппеля составляет 29 мм.
Резьбовое соединение по заявленной полезной модели имеет наружный диаметр переходного участка ниппеля цилиндрической формы равный 168,4 мм, а углы упорного торца ниппеля и упорного уступа муфты относительно перпендикуляра к оси резьбы равны 5,6°.
В заявленной конструкции резьбового соединения значительно снижаются значения пиковых контактных давлений, стабилизируются процессы трения, уменьшаются риски появления различных повреждений поверхностей радиального уплотнения и торцевого упора при сборке. Все это позволяет повысить герметичность и надежность работы резьбового соединения при действии на него дополнительных изгибающих моментов, растягивающих или сжимающих сил, а также внутренних и наружных давлений в процессе эксплуатации электросварных обсадных трубных колонн в скважинах различного назначения.