ГЕРМЕТИЧНОЕ РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ ДЛЯ ОБСАДНЫХ ТРУБ
SEALED THREADED CONNECTION OF CASING PIPES

Изобретение относится к области строительства водозаборных скважин, а также технологических скважин для транспортировки растворов, к которым материал поливинилхлорид (ПВХ) химически стоек, и может быть использовано в обсадных и других трубах технологического назначения с герметичными резьбовыми соединениями. Герметичное резьбовое соединение обсадных труб предназначено для использования в скважинах, имеющих как низкую, так и повышенную интенсивность искривления ствола и/или с затруднительными условиями эксплуатации (осевые и радиальные нагрузки). Технический результат заключается в повышении прочности и устойчивости резьбового соединения к осевым и радиальным нагрузкам, а также обеспечении герметичности резьбового соединения.
При заложении водозаборных скважин преимущественно используют металлические трубы с различными типами резьбового соединения, предназначенными для обсадных работ.
Известно резьбовое соединение для труб и способ резьбового соединения (Патент RU №2150040), которое содержит муфту, снабженную двумя пазами с конической резьбой, в которые ввинчиваются внутренние концы двух металлических труб. Изобретение повышает надежность герметичности соединения труб, а также позволяет повысить прочность соединения и скорость соединения за счет большего профиля и шага резьбы, но увеличивает количество элементов, участвующих в соединении.
Современные соединения имеют уплотнения типа металл-металл (Патент RU №2058505), образуемые контактом между двумя поверхностями, обычно на одном или двух концах резьбовой части соединения, расширяющиеся в диапазоне эластичности модуля эластичности, чтобы обеспечить соответствующую величину напряжения.
Однако в некоторых ситуациях вместо металлических уплотнений или в комбинации с ними необходимо использовать эластичные уплотнения, чтобы исключить проникновение жидкости извне в зазоры резьбы.
В таких случаях на смену металлическим трубам все чаще приходят пластиковые обсадные трубы, обеспечивающие качественное и долгосрочное прокладывание трубопровода.
Среди пластиковых труб, оптимальными эксплуатационными показателями обладает непластифицированный поливинилхлорид (нПВХ).Трубы из нПВХ обладают наилучшими свойствами и самыми высокими физико-механическими характеристиками по отношению к другим полимерам.
Известны способы резьбового соединения труб ПВХ без раструба с увеличенной толщиной стенки а с внутренней и внешней резьбой, при которых необходимо выполнять резьбовое соединение с малой высотой профиля резьбы и мелким шагом. Такая резьба выдерживает значительно меньшие осевые нагрузки, а мелкий шаг резьбы значительно усложняет начало ввинчивания одного конца трубы в другой и может привести к повреждению витков резьбы. Кроме того, при соединении труб данным образом возможны затекания жидкостей по резьбе внутрь трубы, что означает несовершенную систему герметизации.
Данный тип резьбового соединения реализован на производственной площадке ЗАО «Хемкор» и ими же представлен другой тип соединения (фиг.1), содержащий охватывающий элемент (раструб) с внутренней резьбой и охватываемый элемент с наружной резьбой трапециевидного профиля (http://www.chemkor.ru/assets/files/GOST_TU/Extract_TU_obsadnye.pdf).
Данное техническое решение принято в качестве прототипа для заявленного изобретения.
Такой тип резьбового соединения позволяет устранить недостатки вышеупомянутого резьбового соединения, уменьшая при этом толщину стенки a и, соответственно, стоимость изделия, однако обладает рисками поломки трубы в случае возникновения изгибных деформаций в искривленных скважинах и скважинах, пробуренных под углом.
Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по устойчивости к внешним (осевым и радиальным) нагрузкам за счет увеличения резьбового конуса и, как следствие, удлинения основания раструба, которое не контактирует с крайним витком наружной резьбовой зоны охватываемого элемента, тем самым отодвигая от торца зону с высоким уровнем напряжений и улучшая работу резьбового соединения на изгиб.
Указанный технический результат достигается тем, что герметичное резьбовое соединение содержит охватываемый и охватывающий элементы с трапецеидальным профилем резьбы, причем охватывающий конец трубы содержит удлиненный раструб с внутренним диаметром на величину двойной высоты профиля резьбы меньше, чем наружный диаметр охватываемого элемента. Резьба на охватываемом и охватывающем элементах имеет конусные участки, кроме того, перед первым витком резьбы труба имеет заходный поясок, выполненный в виде конуса. Дополнительная герметизация обеспечивается за счет резинового уплотнительного кольца, устанавливаемого за наружной резьбой охватываемого элемента и прилегающего к ровной цилиндрической части заходного пояска внутренней резьбы охватывающего элемента.
Достигаемый технический результат заключается в повышении прочности и устойчивости резьбового соединения к осевым и радиальным нагрузкам, а также обеспечении герметичности резьбового соединения.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточных для получения требуемого технического результата.
Настоящее изобретение поясняется конкретным примером, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность получения требуемого технического результата.
На фиг.2 представлено герметичное резьбовое соединение обсадных труб.
Согласно настоящему изобретению герметичное резьбовое соединение включает в себя охватываемую и охватывающую (раструб) трубчатые детали с трапецеидальным профилем резьбы с углом профиля 30°. Охватывающий конец трубы содержит удлиненный, по сравнению с прототипом, раструб, с внутренним диаметром D1 на величину двойной высоты профиля (высоту зацепления H) резьбы меньше, чем наружный диаметр D3 охватываемого элемента. Таким образом, внутренний диаметр раструба D1 равен диаметру впадин профиля охватываемой резьбы. Шаг резьбы P определяется как средний диаметр сопряженных деталей. Для облегчения ввинчивания труб, резьба на концах охватываемой и охватывающей детали имеет конусные участки с величиной конусности 0,75. Кроме того, перед первым витком резьбы располагается заходный поясок, выполненный в виде конуса с величиной угла 15° к оси трубы. В сопряженном состоянии между вершиной и канавкой резьбы образуются зазоры C1 и C2. При накатывании резьбы профиль канавки резьбы выполняется закругленным. Радиус скругления R1 по канавке наружной и внутренней резьбы равен C1, а радиус скругления R2 по вершине наружной резьбы равен 0,5 C2. Герметичность резьбового соединения обеспечивается за счет конусного резьбового соединения, а также дополнительного уплотняющего элемента - резинового кольца, устанавливаемого за наружной резьбой охватываемой трубчатой детали и прилегающего к ровной цилиндрической части заходного пояска внутренней резьбы охватывающей трубы.
Ниже приводятся описания конкретных исполнений указанных примеров (фиг.3, 4).
На фиг.3 представлено герметичное резьбовое соединение обсадных труб нПВХ номинальным диаметром 125 мм и толщиной стенки 5 мм. Толщина стенки обеспечивает высокие прочностные характеристики изделия при его эксплуатации с рабочими нагрузками и учетом коэффициента запаса прочности.
Герметичное резьбовое соединение содержит раструб с наружным диаметром внутренней резьбы 125,7 мм и с внутренний диаметром резьбы - 124,7 мм. Длина раструба в данном соединении увеличена на 15 мм по сравнению с прототипом, что позволяет погружать обсадную трубу в искривленную или пробуренную под углом скважину, без опасения поломки трубы. Внутренняя резьба раструба соединяется с ответной ей наружной резьбой, причем обе резьбы имеют трапецеидальный профиль с углом 30° и высотой профиля 2 мм, что обеспечивает высокую надежность резьбового соединения при возникновении осевых растягивающих усилий. Данный тип профиля резьбы обусловлен высокой работоспособностью при осевых нагрузках, возникающих в соединении.
Внутренняя и наружная резьба выполнены в виде конуса с величиной 0,75 на длине 50 мм (фиг.4), что обеспечивает облегчение ввинчивания труб. Заходный поясок перед первым витком наружной резьбы также выполнен в виде конуса с величиной угла 15° к оси трубы. Угол конусности 15° обеспечивает дополнительное прижатие радиального уплотнения, что позволяет снизить радиальный натяг, что в свою очередь снижает вероятность повреждения уплотнительных поверхностей. При увеличении указанного угла начинают возникать значительные деформации внутреннего диаметра охватываемой трубы при сжатии или перекручивании соединения. При уменьшении угла теряется эффект конусности, т.к. конусная проточка раструба становится более жесткой в осевом направлении. Отрицательный угол профиля резьбы исключает возможность выхода наружной резьбы из зацепления с внутренней резьбой при значительных растяжениях, т.к. радиальные составляющие реакций в резьбе стремятся прижать трубу к муфте.
Основная функция резьбы состоит в восприятии растягивающей нагрузки и изгиба, а также частично сжимающей нагрузки. Однако за счет конусности обеспечивается и герметичность резьбового соединения. Для усиления эффекта герметичности и пригодности использования данного соединения для обсадных работ, за наружной резьбой устанавливается уплотнительное кольцо 115×121×36 по ГОСТ 9833-73/18829-73, которое прилегает к ровной цилиндрической части заходного пояска внутренней резьбы.
За счет удлинения раструба и применения уплотнения резьбовое соединение приобретает способность работать при действии комбинированных нагрузок в агрессивных средах, в том числе возникающих при строительстве наклонных скважин с интенсивностью искривления ствола до 10°, что является преимуществом перед прототипом.