ВЫСОКОГЕРМЕТИЧНОЕ РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ ОБСАДНЫХ ТРУБ

Полезная модель относится к области крепления ствола нефтяных и газовых скважин, а так же скважин любого назначения, в том числе водяных, нагнетательных, структурных и т.д. ствол которых обсажен трубами с высокогерметичными резьбовыми соединениями. Кроме того, полезная модель относится к области строительства и ремонта скважин с помощью обсадных труб, сборка колонны которых проводится вертикально над устьем скважин.
Высокогерметичное резьбовое соединение включает наружную и внутреннюю радиальные конические уплотнительные поверхности, наружную и внутреннюю торцевые конические уплотнительные поверхности, наружную и внутреннюю конические резьбы, первый (заходной) виток которых (наружная и внутренняя резьбы) выполнен специальным образом. Указанные элементы выполнены на охватываемой (ниппель) и охватывающей (муфта) трубах и контактируют между собой.
Внутренняя коническая трапецеидальная резьба выполнена на охватывающей трубе и контактирует при сборке с наружной конической трапецеидальной резьбой, выполненной на охватываемой трубе. Конусность резьб равна 1:16. Профиль витка имеет опорные и закладные грани.
Внутренняя коническая радиальная уплотнительная поверхность выполнена на охватывающей трубе и контактирует при сборке с наружной конической радиальной уплотнительной поверхностью, выполненной на охватываемой трубе. Конусность уплотнительных радиальных поверхностей равна 1:10.
Внутренняя коническая торцевая уплотнительная поверхность выполнена на охватывающей трубе и контактирует при сборке с наружной конической торцевой уплотнительной поверхностью, выполненной на охватываемой трубе.
Конические торцевые уплотнительные поверхности выполнены с углом 15° относительно нормали к оси (трубы) в направлении конической резьбы на соответствующей трубе.
Первый виток внутренней и наружной резьбы, соответственно на муфте и ниппеле, в известных конструкциях выполнен таким образом, что его начало имеет вид заусенца, т.е. минимальную толщину при относительно большой высоте. Далее толщина витка постепенно увеличивается, и на длине не менее половины его длины виток становится полнопрофильным.
Известно герметичное резьбовое соединение нефтепромысловых труб, включающее наружную и внутреннюю радиальные конические уплотнительные поверхности, наружную и внутреннюю торцевые конические уплотнительные поверхности, наружную и внутреннюю конические резьбы, причем 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 (RU патент №2297512, Е21В 17/642, F16L 15/00 опубликован 2007.04.20).
Данное техническое решение принято в качестве прототипа для заявленной полезной модели.
Однако указанное резьбовое соединение обсадных труб имеет недостаток, связанный с отсутствием защиты герметизирующих поверхностей от возможных сломов элементов первого витка ниппеля и муфты (особенно исчезающей тонкой его части).
Сборка колонны обсадных труб на скважине происходит вертикально таким образом, что наращиваемая обсадная труба, подвешенная вертикально на крюке буровой установки всем своим весом перед свинчиванием опирается через свою наружную коническую резьбу на ответную внутреннюю коническую резьбу муфты трубы уже спущенной в скважину. Практически любой контакт неполноразмерного первого витка ниппеля или муфты приводит к слому их частей и возможному попаданию обломков на контакт герметизирующих и резьбовых поверхностей. Продолжение свинчивания приводит к задирам на контактирующих поверхностях, и к возможной потере или уменьшению герметичности соединения.
Выполнение фаски на первых витках резьбы трубы и муфты (ГОСТ 632-80) уменьшает возможность поломки указанных элементов конструкции, но не исключает проблему в целом.
Настоящая полезная модель позволяет исключить возможность слома элементов первого витка, обеспечивая наружную герметичность и долговечность эксплуатации разрабатываемого соединения.
Достигаемый технический результат заключен в повышении надежности и герметичности соединения в процессе его монтажа и эксплуатации.
Указанный технический результат достигается тем, что высокогерметичное резьбовое соединение выполнено с наружной и внутренней сопрягаемыми коническими трапецеидальными резьбами типа «Баттресс» с конусностью 1:16 имеющими опорную и закладные грани, и герметизирующим узлом с сопрягаемыми радиальными уплотнительными поверхностями наружной и внутренней с конусностью 1:10, и сопрягаемыми торцевыми уплотнительными поверхностями наружной и внутренней с углом конуса 15° к нормали оси резьбы, наружной и внутренней, первые витки которой выполнены с возрастанием высоты от 0 мм (заход витка) до высоты полного профиля на длине не менее половины дуги витка.
Указанные признаки являются существенными, взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков достаточной для получения указанного технического результата.
Предлагаемая конструкция позволяет не только предохранять герметизирующий узел и наружную и внутреннюю конические резьбы от возможных попаданий элементов сломов первых витков соединения, но позволит значительно увеличить число циклов сборки-разборки соединения за счет отсутствия деформаций или сломов наиболее уязвимых при сборке первых витков наружной и внутренней конических резьб.
На фигуре 1 изображен общий вид высокогерметичного резьбового соединения обсадных труб с внутренними и наружными элементами, описанного в предлагаемом техническом решении.
На фигуре 2 изображено изменение профиля первого витка наружной конической трапецеидальной резьбы на протяжении половины его дуги через 15°, выполненного соответственно на прототипе и предлагаемом техническом решении с настоящей полезной моделью. Аналогично изменяется форма первого витка резьбы на муфте.
На фигуре 3 представлена схема образования сломов первых витков резьбового соединения при сборке его на скважине.
Выкрошенная резьба, мосты холодной сварки, полностью срезанные первые нитки резьбы - все это последствия попадания сломов первого витка на контактирующие поверхности.
Фигура 4 поясняет схему образования сколов первого витка резьбы. Даже малейший перекос наружной резьбы ниппеля относительно внутренней резьбы муфты (угол α) приводит к контакту первого (ослабленного заходом резьбы) витка ниппеля с резьбой муфты, причем весь вес трубы приходится именно на него в точке 1. Аналогичная схема нагружения и возможного слома первого витка муфты происходит в точке 2. В предлагаемой полезной модели толщина первого витка увеличивается одновременно с его высотой, обеспечивая хорошую сопротивляемость его действию веса верхней трубы.
В предлагаемом высокогерметичном резьбовом соединении применена трапецеидальная с конусностью 1:16 резьба (1), опорная грань (2) которой выполнена под углом 3°, а закладная грань (3) с углом 10° к нормали оси резьбы. Высота первого витка наружной и внутренней резьб изменяется от 0 мм в начале захода резьбы до полной высоты профиля на длине не менее половины длины первого витка (фигура 2). Такие параметры резьбы обеспечивают резьбовому соединению улучшенную работу на растяжение и изгиб, а отсутствие исчезающих тонких элементов (см. фигура 2) первых витков наружной и внутренней резьбы обеспечивает сохранность резьбовых и конических уплотнительных поверхностей и соответственно увеличенную герметичность соединения.
Радиальное уплотнение (фиг.1) выполненное из наружной (5) и внутренней (3) конических поверхностей с конусностью 1:10, торцевое уплотнение с коническими упорными поверхностями наружной (3) и внутренней (4) выполненное под углом 15° к нормали оси резьбы, образуют герметизирующий узел, а первые витки резьбы которой обеспечивают отсутствие элементов, препятствующих проведению многократной бездефектной сборки соединения даже в условиях промысла.
При неоднократном свинчивании происходит взаимодействие наружного (1) и внутреннего (2) элементов резьбы, затем за счет свинчивания происходит продвижение наружного резьбового элемента (1) вдоль внутреннего (2), затем коническая радиальная (3) и коническая торцевая (4) поверхности уплотнения взаимодействуют с конической радиальной (5) и конической торцевой (6) поверхностями наружного элемента (1).
При приложении установленного момента затяжки осуществляется контакт уплотнительных поверхностей (3), (4) внутреннего и (5), (6) наружного элементов в результате чего на их поверхностях возникают контактные напряжения, величина которых должна находиться в области упругих деформаций, герметизируя узел «металл-металл». При последующем свинчивании с установленным моментом затяжки контактные напряжения обеспечивают герметичность соединения.
Преимуществом заявляемого высокогерметичного резьбового соединения по сравнению с известным является повышение надежности герметичности и увеличение его износостойкости.
Настоящая полезная модель является новой и промышленно применимой, увеличивает надежность герметичности соединения по сравнению с известными техническими решениями, применяемыми для изготовления резьб концов труб и муфт.