Герметичное резьбовое соединение труб
SEALED THREADED PIPE CONNECTION

Область техники: настоящее изобретение относится к области строительства и ремонта нефтяных и газовых скважин 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 высокую интенсивность искривления ствола и/или со сложными условиями эксплуатации (высокие значения растягивающих, сжимающих нагрузок, избыточное внутреннее и наружное давления, необходимость применения крутящего момента).
Уровень техники: 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 FR 2798716 В1, F16L 15/004, опубл. 23.03.2001. Недостатком соединения FR 2798716 В1 является недостаточная герметичность из-за конструктивных особенностей исполнения (из-за малого угла конусности опорных конических поверхностей, нет возможности получения заданной величины натяга при малых осевых перемещениях ниппеля, что увеличивает период от первого контакта уплотнительных поверхностей до обеспечения заданного натяга).
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является герметичное резьбовое соединение бурильных труб RU 2310058, F16L 15/00, Е21Б 17/042, 15.09.2005, включающее охватываемую и охватывающую трубы с коническими резьбами и опорными поверхностями, из которых первые контактирующие между собой выполнены соответственно на внешней поверхности охватываемой и на внутренней конической 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 в виде трапеции в сечении выполнены с конусностью 1:16, профиль резьб имеет отрицательный угол по опорной грани и увеличенный угол по закладной грани, а высота профиля резьбы охватываемой трубы меньше высоты профиля резьбы охватывающей трубы, при этом опорная поверхность охватываемой трубы в зоне контакта с внутренней конической опорной поверхностью охватывающей трубы выполнена сферообразной.
Недостатком соединения, описанного в прототипе RU 2310058, является невозможность приложения относительно высокого крутящего момента к соединению с сохранением достаточной герметичности и невозможность работы в скважинах, имеющих малый зазор между диаметром скважины и колонны с сохранением постоянного внутреннего диаметра, равного внутреннему диаметру тела трубы.
Существующие решения не обеспечивают необходимые характеристики герметичного резьбового соединения.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается при использовании предлагаемого изобретения, и которая не могла быть решена при использовании аналогов изобретения, является недостаточная надежность герметичности соединения, недостаточный крутящий момент, передаваемый резьбовым соединением и невозможность эксплуатации в скважинах, имеющих малый зазор между диаметром скважины и колонны с постоянством внутреннего диаметра, равного внутреннему диаметру тела трубы, по сравнению с резьбовыми соединениями, известным из уровня техники.
Сущность изобретения как технического решения выражается в совокупности группы существенных признаков, достаточной для решения технической проблемы и получения обеспечиваемого представленным изобретением технического результата.
Решение указанной технической проблемы достигается за счет того, что в предлагаемом герметичном резьбовом соединении труб, включающем охватываемую и охватывающую части труб соединенные коническими резьбами и имеющем помимо двух пар контактирующих опорных поверхностей, из которых первые контактирующие между собой поверхности выполнены соответственно на внешней поверхности охватываемой и на внутренней конической поверхности охватывающей частях труб на участке между конической резьбой и трубой, вторые контактирующие поверхности выполнены соответственно на охватываемой части трубы в виде конической торцевой поверхности с углом конусности в направлении конической резьбе на этой трубе, выполненной на участке перехода первой конической поверхности этой трубы к ее телу, используется еще третья пара контактирующих опорных поверхностей, которые выполнены соответственно на охватывающей трубе в виде конической поверхности с углом конусности в направлении конической резьбы на этой трубе и ответной конической поверхности на охватываемой трубе, а коническая резьба выполнена в виде трапеции по всей длине резьбы с конусностью 1:28,64, высота профиля резьбы охватываемой трубы больше высоты профиля резьбы охватывающей трубы, при этом величина наружных и внутренних диаметров ниппельной и муфтовой частей выполнена одинаковой, а посадка осуществляется: по образующей коническую поверхность наружной вершине ниппеля, рабочим граням, по наружному и внутреннему упорному стыку и по конической поверхности с углом конусности в направлении конической резьбы.
Техническим результатом является создание герметичного резьбового соединения с использованием трех герметизирующих элементов, в котором обеспечивается надежная герметичность соединения, сохраняется возможность приложения крутящего момента и сохраняется возможность эксплуатации в скважинах, имеющих малый зазор между диаметром скважины и колонны с постоянством внутреннего диаметра, равного внутреннему диаметру тела трубы.
Недостатком соединения, описанного в прототипе RU 2310058, также является недостаточная технологичность соединения, сложность и неудобство при эксплуатации соединения, в сравнении с предлагаемой конструкцией герметичного резьбового соединения.
Также технической проблемой, решение которой обеспечивается при использовании предлагаемого изобретения, является недостаточная технологичность резьбового соединения, по сравнению с резьбовыми соединениями, известным из уровня техники.
В ходе собственных исследований был выявлен еще один технический результат, достигаемый при использовании предлагаемого резьбового соединения, заключающийся в повышении технологичности, простоты конструкции соединения, и как, следствие, облегчении работ при его эксплуатации.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в предлагаемом герметичном резьбовом соединении труб, коническая резьба выполнена в виде трапеции по всей длине резьбы с конусностью 1:28,64, высота профиля резьбы охватываемой трубы больше высоты профиля резьбы охватывающей трубы, что дает возможность работы в скважинах, имеющих малый зазор между диаметром скважины и колонны с сохранением постоянного внутреннего диаметра, равного внутреннему диаметру тела трубы, простоты конструкции и легкости обслуживания в процессе эксплуатации герметичного резьбового соединения, облегчение свинчиваемости соединения, положительно сказывается на показателях надежности, в частности показателях ресурса и выносливости, а также за счет уменьшения конусности резьбы, есть возможность размещения третьего герметизирующего элемента в конструкции резьбового соединения.
Недостатком соединения прототипа RU 2310058 является недостаточная эксплуатационная технологичность соединения, ограниченная область применения такой конструкции соединения, а также сложность и неудобство в процессе эксплуатации соединения.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается при использовании предлагаемого изобретения, и которая не могла быть решена при использовании аналогов изобретения, является недостаточная эксплуатационная технологичность соединения и ограниченная область применения данной конструкции соединения, по сравнению с резьбовыми соединениями, известным из уровня техники.
В результате собственных исследований заявителя, дополнительно было установлено, что в предлагаемом изобретении, достигаемым техническим результатом является повышение эксплуатационной технологичности соединения, определяющей ее приспособленность к достижению оптимальных затрат при производстве, эксплуатации и ремонте соединения для заданных значений показателей качества, условий выполнения работ, а также расширение области применения данной конструкции резьбового соединения.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в предлагаемом герметичном резьбовом соединении труб, величина наружных и внутренних диаметров ниппельной и муфтовой частей выполнена одинаковой, а посадка осуществляется: по образующей коническую поверхность наружной вершине ниппеля, рабочим граням, по наружному и внутреннему упорному стыку и малой конусности, что дает возможность использования конструкции гладкого резьбового соединения, в следствии чего, облегчаются работы при сборке-разборке соединения в процессе его эксплуатации.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Представленное изобретение герметичного резьбового соединения труб с коническими резьбами с конусностью 1:28,64 и тремя парами опорных контактирующих поверхностей (герметизирующих элементов) иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показано резьбовое соединение в свинченном состоянии, на фиг. 2 показана охватываемая деталь, на фиг. 3 показана охватывающая деталь, на фиг. 4 показан профиль витка резьбы.
Первый герметизирующий элемент 3 представляет контактирующие между собой опорные поверхности, выполненные соответственно на внешней конической поверхности торцевого участка охватываемой части трубы и на внутренней конической поверхности охватывающей части трубы на участке между конической резьбой и телом трубы.
Второй герметизирующий элемент 4 представляет собой контактирующие между собой поверхности, выполненные соответственно на охватываемой части трубы в виде конической торцевой поверхности 10 с углом конусности 15° в направлении противоположном конической резьбе на этой части трубы и ответной торцевой конической поверхности 11 на охватывающей части трубы, выполненной на участке перехода первой конической поверхности этой трубы к ее телу.
Третий же герметизирующий элемент 5 представляет контактирующие между собой поверхности, выполненные соответственно на охватывающей части трубы в виде конической торцевой поверхности с углом конусности 15° в направлении конической резьбы на этой трубе и ответной торцевой конической поверхности на охватываемой части трубы.
Три герметизирующих элемента резьбового соединения дают: увеличение надежности герметичности соединения, повышение передаваемого крутящего момента соединения, возможность работы в скважинах, имеющих малый зазор между диаметром скважины и колонны с сохранением постоянного внутреннего диаметра, равного внутреннему диаметру тела трубы.
Коническая резьба выполнена в виде трапеции по всей длине резьбы, а высота профиля резьбы охватываемой трубы больше высоты профиля резьбы охватывающей трубы.
Заявленное герметичное резьбовое соединение работает следующим образом.
При выполнении операций свинчивания или развинчивания соединения первоначально осуществляется взаимодействие охватываемой 1 и охватывающей 2 деталей с помощью резьбы 6. В процессе свинчивания происходит продвижение наружной уплотнительной поверхности 7 вдоль участка цилиндрической проточки 8, затем уплотнительная поверхность 7 взаимодействует с уплотнительной поверхностью 9. За счет диаметральных деформаций этих поверхностей создается уплотнительный узел «металл-металл».
При относительном перемещении деталей 1 и 2 осуществляется силовое контактирование внутреннего торца 10 охватываемой детали и внутреннего уступа 11 охватывающей детали, в результате чего на их поверхностях возникают контактные напряжения, величина которых должна находится в области упругих деформаций. Уровень контактных напряжений, при всех равных условиях, определяется величиной контактирующих площадей внутреннего торца 10 охватываемой детали и внутреннего уступа 11 охватывающей детали, одновременно с этим осуществляется силовое контактирование наружного уступа 12 охватываемой детали и наружного торца 13 охватывающей детали.
Повышение эксплуатационной надежности соединения происходит за счет увеличения контактирующих площадей внутренних и наружных торцов и уступов соответственно, что позволяет увеличить крутящий момент свинчивания при сохранении контактных напряжений в пределах упругих деформаций. Увеличение количества упорных стыков обусловлено относительно малой конусностью 1:28,64. Окончание процесса свинчивания охватываемой 1 и охватывающей 2 деталей сопровождается взаимодействием их внутреннего торца 10 охватываемой детали и внутреннего уступа 11 охватывающей детали, и наружного уступа 12 охватываемой детали и наружного торца 13 охватывающей детали. Конические поверхности внутренних и наружных торцов и уступов соответственно, выполнены таким образом, что при действии на них осевого усилия, возникающего при свинчивании резьб, поперечная составляющая этого усилия направлена к оси соединения. Это исключает так называемое явление «развинчивания», т.е. поперечную деформацию с увеличением диаметра в области внутренних и наружных торцов и уступов соответственно, что делает соединение менее критичным к превышению крутящего момента свинчивания и увеличивает его эксплуатационную надежность.
Преимуществами заявляемого герметичного резьбового соединения по сравнению с известными являются: повышение надежности герметичности соединения; повышение передаваемого крутящего момента соединения, за счет внедрения в конструкцию резьбового соединения третьего герметизирующего элемента; возможность работы в скважинах, имеющих малый зазор между диаметром скважины и колонны с сохранением постоянного внутреннего диаметра, равного внутреннему диаметру тела трубы; повышение технологичности и облегчение работ при сборке-разборке соединения в процессе эксплуатации; технологическая простота соединения; облегчение свинчиваемости соединения; положительное влияние на показатели надежности, в частности, показатели ресурса и выносливости за счет того, что коническая резьба выполнена в виде трапеции по всей длине резьбы с конусностью 1:28,64, высота профиля резьбы охватываемой трубы больше высоты профиля резьбы охватывающей трубы, при этом опорная поверхность охватываемой части трубы в зоне контакта с внутренней конической опорной поверхностью охватывающей части трубы выполнена в виде конической поверхности; повышение эксплуатационной технологичности соединения, определяющей ее приспособленность к достижению оптимальных затрат при производстве, эксплуатации и ремонте соединения для заданных значений показателей качества, условий выполнения работ; расширение области применения данной конструкции резьбового соединения, за счет использования конструкции гладкого резьбового соединения.
Настоящее изобретение промышленно применимо, так как, используя известные технологии, применяемые для изготовления резьбовых концов труб, может быть осуществлено на новом принципиально отличным от известных конструкций принципе взаимодействия контактирующих поверхностей.