ГЕРМЕТИЧНОЕ РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ НЕФТЕПРОМЫСЛОВЫХ ТРУБ
SEALED THREADED CONNECTION OF OIL-FIELD PIPELINES

Изобретение относится к области резьбовых соединений труб и может быть использовано при строительстве нефтяных и газовых скважин. Наиболее эффективно использование предлагаемого изобретения для применения в высокогерметичных резьбовых соединениях обсадных, насосно-компрессорных и других видах труб при обустройстве горизонтальных и наклонных нефтяных и газовых скважин, эксплуатирующихся в сложных геологических условиях.
В современных условиях происходит повышение требований к герметичности резьбового соединения обсадных труб, связанное с постоянным усложнением условий добычи. Недостаточная герметичность резьбового соединения зачастую приводит к преждевременному появлению коррозионного поражения металла в зоне резьбового соединения, течи и, в дальнейшем, к разрушению колон. Одним из путей повышения герметичности резьбового соединения является подбор оптимального соотношения геометрических параметров элементов резьбового соединения.
Из уровня 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 A1, F16L 15/00, опубл. 23.03.2001).
Недостатком известного устройства является недостаточная герметичность резьбового соединения из-за выполнения его конструкции с малым углом конусности опорных конических поверхностей, что не позволяет получить заданную величину натяга при малых осевых перемещениях ниппеля, что увеличивает период от первого контакта уплотнительных поверхностей до обеспечения заданного натяга.
Из уровня техники известно наиболее близкое по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату герметичное резьбовое соединение нефтепромысловых труб, образованное охватываемой и охватывающей трубами с упорными коническими резьбами с конусностью 1:16 и углом профиля от 12,5° до 13,5°, при этом профиль упорной конической резьбы имеет вид неравнобедренной трапеции с упорной гранью витка, расположенной под большим углом к направлению действия нагрузки, охватываемая и охватывающая трубы контактируют между собой коническими опорными поверхностями, выполненными соответственно на внешней поверхности охватываемой трубы на участке между конической резьбой и торцом трубы в виде конической опорной поверхности с конусностью 1:10 в сторону этой трубы и на внутренней поверхности охватывающей трубы на участке между конической резьбой и телом трубы в виде конической опорной поверхности с конусностью 1:10 в сторону этой трубы, и коническими упорными поверхностями, выполненными соответственно на торце охватываемой трубы в виде конической упорной торцевой поверхности с углом конусности от 74,5° до 75,5° в направлении охватываемой трубы и на внутренней поверхности охватывающей трубы на участке перехода конической опорной поверхности к телу трубы в виде конической упорной поверхности с углом конусности 74,5° до 75,5° в направлении охватывающей трубы /RU 2297512 С2 (Открытое акционерное общество "Таганрогский металлургический завод"), 20.04.2007/.
Недостатком известного устройства является недостаточная герметичность резьбового соединения и низкая технологичность при изготовлении уплотнительных элементов на охватывающей и охватываемой поверхностях.
Недостаточная герметичность резьбового соединения обусловлена травмированием конической части уплотнительного элемента при сборке резьбового соединения как на заводе при изготовлении, так и при сборке обсадной колоны в процессе эксплуатации.
Низкая технологичность при изготовлении уплотнительных элементов на охватывающей и охватываемой поверхностях обусловлена сложностью выполнения проточки на охватывающей поверхность и последующего контроля ее качества, что, в свою очередь, приводит к снижению герметичности в случае несоответствия геометрических параметров проточки.
В основу настоящего изобретения оставлена задача создания такого герметичного резьбового соединения нефтепромысловых труб, использование которого позволило бы повысить герметичность резьбового соединения и технологичность изготовления за счет упрощения конструкции, которое, в свою очередь, исключает вероятность травмирования конической части уплотнительного элемента в момент сборки резьбового соединения при изготовлении или в процессе эксплуатации при сборке обсадных колонн.
Поставленная задача решается тем, что в герметичное резьбовое соединение нефтепромысловых труб, образованное охватываемой и охватывающей трубами с упорными коническими резьбами с конусностью 1:16 и углом профиля от 12,5° до 13,5°, при этом профиль упорной конической резьбы имеет вид неравнобедренной трапеции с упорной гранью витка, расположенной под большим углом к направлению действия нагрузки, охватываемая и охватывающая трубы контактируют между собой коническими опорными поверхностями, выполненными соответственно на внешней поверхности охватываемой трубы на участке между конической резьбой и торцом трубы в виде конической опорной поверхности с конусностью 1:10 в сторону этой трубы и на внутренней поверхности охватывающей трубы на участке между конической резьбой и телом трубы в виде конической опорной поверхности с конусностью 1:10 в сторону этой трубы, и коническими упорными поверхностями, выполненными соответственно на торце охватываемой трубы в виде конической упорной торцевой поверхности с углом конусности от 74,5° до 75,5° в направлении охватываемой трубы и на внутренней поверхности охватывающей трубы на участке перехода конической опорной поверхности к телу трубы в виде конической упорной поверхности с углом конусности 74,5°до 75,5° в направлении охватывающей трубы, согласно изобретению на охватываемой трубе выполнена цилиндрическая расточка, параллельная оси указанной трубы, а на охватывающей трубе выполнена цилиндрическая расточка, параллельная оси указанной трубы, при этом цилиндрические расточки выполнены таким образом, что при сборке резьбового соединения образуют полость, которая с одной стороны ограничена цилиндрической расточкой на охватываемой трубе, а с другой стороны цилиндрической расточкой на охватывающей трубе, причем длина цилиндрической расточки на охватываемой поверхности находится в интервале от
1.max
5
9
L=(L+1)-((⌀F+0,25)-⌀ C)×0,1+(L-1)
до
1.min
5
9
L=L-((⌀F-0,15)-⌀C)×0,l+(L+0,5),
а длина цилиндрической расточки на охватывающей трубе находится в интервале от
2.max
3
L=L-(((В-1,25)+((⌀E-1,607)-(⌀A+0,5))×0,0625)
до
2.min
3
E
A
L=(L-0,5)-(((В+1,75)+((⌀-1,533)-(⌀-0,25))×0,0625),
1.max
1.min
где L и L - максимальная и минимальная длины цилиндрической расточки на охватываемой трубе;
2.max
2.min
L и L - максимальная и минимальная длины цилиндрической расточки на охватывающей трубе;
А - диаметр цилиндрической расточки в охватывающей трубе;
В - расстояние от торца охватывающей трубы до основной плоскости;
F - диаметр уплотнительной расточки в охватываемой трубе;
С - диаметр конусной части уплотнительного элемента;
Е - средний диаметр конической резьбы в основной плоскости;
3
L - расстояние от торца охватывающей трубы до конца цилиндрической расточки;
5
L - общая длина уплотнительного элемента охватываемой трубы;
9
L - расстояние от торца охватываемой трубы до измерительной плоскости диаметра ее уплотнительного элемента.
Выполнение герметичного резьбового соединения нефтепромысловых труб таким образом, что на охватываемой трубе выполнена цилиндрическая расточка, параллельная оси указанной трубы, а на охватывающей трубе выполнена цилиндрическая расточка, параллельная оси указанной трубы, при этом цилиндрические расточки выполнены таким образом, что при сборке резьбового соединения образуют полость, которая с одной стороны ограничена цилиндрической расточкой на охватываемой трубе, а с другой стороны цилиндрической расточкой на охватывающей трубе, причем длина цилиндрической расточки на охватываемой и охватывающей трубах определяется вышеуказанной зависимостью, обеспечивает повышение герметичности резьбового соединения и технологичности изготовления за счет упрощения конструкции, что, в свою очередь, исключает вероятность травмирования конической части уплотнительного элемента в момент сборки резьбового соединения при изготовлении или в процессе эксплуатации при сборке обсадных колонн.
В дальнейшем изобретение поясняется подробным описанием его выполнения со ссылками на чертежи, на которых изображено:
на фиг.1 - схема элементов охватываемой трубы;
на фиг.2 - схема элементов охватывающей трубы;
на фиг.3 - схема заявляемого герметичного резьбового соединения нефтепромысловых труб в сборе (вырез);
на фиг.4 - схема профиля трапециевидной резьбы.
Герметичное резьбовое соединение нефтепромысловых труб (фиг.1-4) образовано охватываемой 1 (фиг.1) и охватывающей 2 трубами с упорными коническими резьбами 3 с конусностью 1:16 и углом профиля от 12,5° до 13,5°. Профиль упорной конической резьбы 3 имеет вид неравнобедренной трапеции с опорной гранью витка 4 (фиг.4), расположенной под большим углом к направлению действия нагрузки.
Контактирующие между собой конические опорные поверхности выполнены на внешней поверхности охватываемой трубы 1 (фиг.1) на участке между конической резьбой 3 и торцом трубы 1 в виде конической опорной поверхности 5 с конусностью 1:10 в сторону этой трубы и на внутренней поверхности охватывающей трубы 2 на участке между конической резьбой 3 и телом охватывающей трубы 2 в виде конической опорной поверхности 6 с конусностью 1:10 в сторону этой трубы.
Контактирующие между собой конические упорные поверхности выполнены соответственно на торце охватываемой трубы 1 в виде конической упорной торцевой поверхности 7 с углом конусности от 74,5° до 75,5° в направлении охватывающей трубы 1 и на внутренней поверхности охватывающей трубы 2 на участке перехода опорной конической поверхности 6 к телу охватывающей трубы 2 в виде конической упорной поверхности 8 с углом конусности от 74,5° до 75,5° в направлении охватывающей трубы 2.
На охватывающей 1 и охватываемой 2 трубах выполняется цилиндрические расточки 9 и 10, параллельные оси трубы 1 и 2, которые при сборке резьбового соединения образуют полость 11, которая с одной стороны ограничена цилиндрической расточкой 9 на охватываемой трубе 1, и с другой стороны - цилиндрической расточкой 10 на охватывающей трубе 2.
Цилиндрическая расточка 9 и коническая опорная поверхность 5 образуют уплотнительный элемент на охватываемой трубе 1.
Цилиндрическая расточка 10 и коническая опорная поверхность 6 образуют уплотнительный элемент на охватывающей трубе 2.
1
Длинна L цилиндрической расточки 9 на охватываемой трубе 1 находится в интервале от
1.max
5
9
L=(L+l)-((⌀F+0,25)-⌀C)×0,1+(L-1)
до
1.min
5
9
L=L-((⌀F-0,15)-⌀C)×0,1+(L+0,5),
2
а длина L цилиндрической расточки 10 на охватывающей трубе 2 находится в интервале от
2.max
3
E
A
L=L-(((В-1,25)+((⌀-1,607)-(⌀+0,5))×0,0625)
до
2.min
3
E
A
L=(L-0,5)-(((В+1,75)+((⌀-1,533)-(⌀-0,25))×0,0625).
Диаметр А цилиндрической расточки охватывающей трубы 2 зависит от диаметра соединяемых труб и может находится в интервале от 0.9 до 0,996 диаметра соединяемых труб.
Расстояние В от торца охватывающей трубы 2 до основной плоскости (на чертеже не указана) определяется в интервале от 40 до 50 мм.
Диаметр F цилиндрической расточки 9 в охватываемой трубе зависит от диаметра соединяемых труб и может находиться в интервале от 0.9 до 0,996 диаметра соединяемых труб.
9
Диаметр С конусной части уплотнительного элемента охватываемой трубы 1 определяется на расстоянии L от торца, образованного условным пересечением конической упорной торцевой поверхности 7 с опорной поверхность 5.
Средний диаметр Е конической резьбы 3 в основной плоскости определяется на расстоянии В от торца охватывающей трубы 2.
3
Расстояние L от торца охватывающей трубы 2 до конца цилиндрической расточки 10 может находиться в интервале от 90 до 12 мм.
5
Общая длинна L уплотнительного элемента охватываемой трубы 1 может находиться в интервале от 8 до 20 мм.
9
Расстояние L от торца охватываемой трубы 1 до измерительной плоскости диаметра С ее уплотнительного элемента определяют на расстоянии 2,5-5,5 мм от условного торца, образованного условным пересечением конической упорной торцевой поверхности 7 с конической опорной поверхностью 5.
Охватывающая труба 2 может быть выполнена как в виде трубы с раструбным элементом (на чертеже не показан), так и в виде муфты.
Работа герметичного резьбового соединения нефтепромысловых труб осуществляется следующим образом.
При выполнении операций свинчивания соединения первоначально осуществляется взаимодействием охватываемой 1 и охватывающей 2 труб с помощью конической резьбы 3. В процессе свинчивания происходит продвижение конической опорной поверхности 5 охватываемой трубы 1 вдоль конической опорной поверхности 6 охватывающей трубы 2 с одновременным образованием полости 11. Затем коническая опорная поверхность 6 взаимодействует с конической опорной поверхностью 5, при этом за счет возникающих диаметральных деформаций этих поверхностей создается уплотнительный узел "металл-металл".
При относительном перемещении труб 1 и 2 осуществляется силовой контакт конической упорной торцевой поверхности 7 охватываемой трубы 1 и конической упорной торцевой поверхности 8 охватывающей трубы, в результате чего на их поверхностях возникают контактные напряжения, величина которых должна находиться в области упругих деформаций. Уровень контактных напряжений, при всех равных условиях, определяется величиной контактирующих площадей конических упорных поверхностей 7 и 8.
Конические упорные поверхности 7 и 8 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 "разворачивания", т.е. поперечную деформацию с увеличением диаметра в области упорных торцов, что делает соединение менее критичным к превышению крутящего момента свинчивания и увеличивает его эксплуатационную надежность.
Высокогерметичное соединение может быть свинчено с использованием полимеризирующейся смазки, отвердевающей после сборки соединения резьбовой.
Кроме этого, выполнение на охватываемой 1 и охватывающей 2 трубах цилиндрических расточек 9 и 10 позволяет исключить влияние заусенец, которые возникают в процессе нарезания резьбы при отводе резьбообразующего инструмента на участке сбега резьбы, на кромках ее вершин, по ее внутреннему диаметру на охватывающей детали, которые выступают в сторону оси соединения и являются препятствием, нарушают зацепление и влияют на режим уплотнения.
Таким образом, при свинчивании резьбового соединения участки схода резьбы всегда располагаются в зоне проточек, что исключает влияние поверхности резьбы на участке схода и на точность взаимодействия поверхностей охватываемой и охватывающей труб.
Преимуществом заявляемого резьбового соединения по сравнению с известным является также повышение надежности герметичности, увеличение прочности соединения при его сборке-разборке и эксплуатации, а также повышение степени его контролепригодности, что позволит использовать данное соединение труб как для жидких, так и для газообразных сред.
Заявляемое герметичное резьбовое соединение нефтепромысловых труб может быть изготовлено в условиях промышленного производства на стандартном оборудовании. Наибольший экономический эффект от использования заявляемой полезной модели достигается при его использовании в обсадных трубах.