РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ ОБСАДНЫХ ТРУБ

Заявленная полезная модель относится к резьбовым соединениям обсадных труб и может быть использована для соединения элементов колонн обсадных труб, применяемых при строительстве наклонно-направленных и горизонтальных скважин нефтяных, газовых и газоконденсатных месторождений. Также заявленное соединение может быть использовано при вращении обсадной колонны труб во время спуска, цементирования, а также бурения на обсадной колонне.
Обсадные трубы для нефтяных, газовых и газоконденсатных месторождений эксплуатируются в сложных условиях - в присутствии агрессивных рабочих сред и при значительных разнонаправленных комбинированных механических нагрузках (растяжение, сжатие, изгиб). В связи с этим, основным требованием к резьбовым соединениям обсадных труб является сохранение герметичности, в том числе газовой, при вышеуказанных сложных условиях эксплуатации. При вращении обсадной колонны труб во время спуска, при использовании обсадных труб для цементирования и бурения на обсадной колонне важной характеристикой соединения является стойкость к повышенному крутящему моменту.
Из уровня техники известно резьбовое соединение обсадных труб, содержащее охватываемый и охватывающий элементы, на концах которых на наружной и внутренней поверхностях, соответственно, выполнены упорные трапецеидальные конические резьбы. Профиль витка резьбы указанного соединения имеет отрицательный угол по опорной грани. При этом, соединение выполнено с внутренним герметизирующим узлом, образованным контактирующими между собой радиальными уплотнительными поверхностями, выполненными коническими, и упорными торцевыми поверхностями. Упорные торцевые поверхности выполнены под углом 5-25° к нормали осевой линии резьбы (RU 2338866 С1, 20.11.2008 (1).
Резьбовое соединение обсадных труб, раскрытое в документе (1), не обеспечивает герметичность соединения при воздействии значительных разнонаправленных комбинированных нагрузок, необходимую стойкость к повышенному крутящему моменту.
Данное техническое решение (1) принято в качестве прототипа заявленной полезной модели.
Задача, на достижение которой направлена заявленная полезная модель -создание резьбового соединения обсадных труб с повышенными техническими и эксплуатационными характеристиками - обеспечивающего герметичность при особо сложных условиях эксплуатации (предельных комбинированных изгибающих, сжимающих, растягивающих нагрузках), стойкость к высокому крутящему моменту, показывающего улучшенные характеристики свинчиваемости.
Технический результат, обеспечиваемый заявленной полезной моделью, заключается в сохранении герметичности соединения при значительных механических комбинированных нагрузках (растяжение, сжатие, изгиб), в том числе при воздействии высокого крутящего момента, улучшении показателей свинчиваемости соединения.
Соединение содержит охватываемый и охватывающий элементы, на концах которых на наружной и внутренней поверхностях, соответственно, выполнены трапецеидальные конические резьбы и образующие внутренний герметизирующий узел контактирующие между собой радиальные уплотнительные и упорные торцевые поверхности. Резьбы на охватываемом и охватывающем элементах выполнены с конусностью 1:16, углом наклона закладной грани 23-25° к нормали осевой линии резьбы и углом наклона опорной грани от -3 до -5° к нормали осевой линии резьбы. Вершины и закладные грани профиля витка резьб при свинчивании соединения образуют между собой зазоры. Радиальные уплотнительные поверхности на охватываемом и охватывающем элементах выполнены коническими и распложены под углом 71-73° к нормали осевой линии резьбы. Упорные торцевые поверхности на охватываемом и охватывающем элементах распложены под углом 14-16° к нормали осевой линии резьбы. Толщина упорного торца охватываемого элемента составляет не менее 50% толщины стенки охватываемого элемента.
На фиг. 1 изображено заявленное резьбовое соединение обсадных труб в собранном состоянии.
Резьбовое соединение обсадных труб содержит охватываемый (1) и охватывающий (2) элементы, на концах которых на наружной и внутренней поверхностях, соответственно, выполнены упорные трапецеидальные конические резьбы (3).
Резьбы (3) на охватываемом (1) и охватывающем (2) элементах выполнены с конусностью 1:16. Выполнение резьб (3) с конусностью 1:16 с одной стороны обеспечивает высокую степень их зацепления друг с другом при свинчивании соединения и возможность восприятия соединением изгибающих и растягивающих нагрузок, действующих на соединение во время его эксплуатации, с другой стороны - сохраняет высокие характеристики свинчиваемости соединения (возможность многократного свинчивания-развинчивания соединения, предотвращение заклинивания соединения при его сборке).
Профиль витка резьб (3) представляет собой неравнобедренную трапецию, боковые стороны которой выполнены в виде опорной (4) и закладной (5) граней.
Угол наклона закладной грани (5) профиля витка резьбы (3) на охватываемом (1) и охватывающем (2) элементах составляет 23-25° к нормали осевой линии резьбы, а угол наклона опорной грани (4) профиля витка резьбы (3) составляет -3 до -5° к нормали осевой линии резьбы.
Под нормалью осевой линии резьбы понимается перпендикуляр, проведенный к осевой линии резьбы.
Выполнение угла наклона закладной грани (5) профиля витка резьбы (3) величиной 23-25° к нормали осевой линии резьбы (3) облегчает свинчиваемость соединения за счет четкой стабилизации положения охватываемого (1) и охватывающего (2) элементов относительно друг друга на начальном этапе свинчивания, что предотвращает заклинивание соединения и повреждение (задиры) поверхностей витков резьб (3). Также обеспечивается быстрое свинчивание соединения.
Отрицательный угол (-3 до -5° к нормали осевой линии резьбы (3)) наклона контактирующих между собой опорных граней (4) профиля витка резьбы (3) исключает возможность выхода витков резьб (3) на охватываемом (1) и охватывающем (2) элементах из зацепления друг с другом при воздействии даже значительных растягивающих нагрузок. Также достигается стойкость соединения к изгибающим нагрузкам.
Вершины (6) профиля витка резьб (3) охватываемого (1) и охватывающего (2) элементов при свинчивании соединения образуют между собой зазор.
Зазор между вершинами (6) профиля витка резьб (3) охватываемого (1) и охватывающего (2) элементов обеспечивает улучшенную свинчиваемость соединения и повышение его износостойкости, а также служит для выхода излишек смазки при свинчивании соединения, скопление которой на контактирующих поверхностях соединения снижает его герметичность.
При свинчивании соединения по закладным граням (5) профиля витка резьб (3) также образуется зазор, что обеспечивает улучшение характеристик свинчиваемости соединения - возможность многократного свинчивания-развинчивания без повреждения (задиров) контактирующих поверхностей резьбы и при сохранении эксплуатационных характеристик соединения, предотвращение заклинивания соединения при его сборке.
Соединение выполнено с внутренним герметизирующим узлом, образованным контактирующими между собой радиальными уплотнительными (7), (8) и упорными торцевыми поверхностями (9), (10), выполненными на охватываемом (1) и охватывающем (2) элементах соединения.
Наличие в соединении герметизирующего узла, радиальные уплотнительные (7), (8) и упорные торцевые (9), (10) поверхности которого контактируют между собой со значительными контактными напряжениями, с возникновением деформации в упругой области и образованием уплотнения типа «металл-металл», обеспечивает высокую герметичность соединения при воздействии на него разнонаправленных комбинированных механических нагрузок.
Радиальные уплотнительные поверхности (7), (8) соединения выполнены в виде конических поверхностей, расположенных под углом 71-73° к нормали осевой линии резьбы (3).
Радиальные уплотнительные поверхности (7), (8) обеспечивают высокую герметичность всей конструкции соединения за счет уплотнения типа «металл-металл», образуемого при контакте радиальных уплотнительных поверхностей (7), (8) и характеризуемого значительными контактными напряжениями и возникновением деформации поверхностей (7), (8) в упругой области. Для обеспечения высокой надежности и герметичности соединения радиальные уплотнительные поверхности (7), (8) выполняются с высокой точностью и чистотой обработки их поверхностей.
Выполнение радиальных уплотнительных поверхностей (7), (8) под углом 71-73° к нормали осевой линии резьбы (3) позволяет получить заданную величину натяга при сравнительно малом осевом перемещении охватывающего элемента (2), что снижает период от первого контакта уплотнительных поверхностей (7), (8) друг с другом до обеспечения заданного натяга (быстрота входа и выхода из сопряжения уплотнительных поверхностей в зоне контакта). Это гарантирует большую износостойкость соединения при его многократном свинчивании-развинчивании. Также обеспечивается оптимальная площадь контакта уплотнительных поверхностей (7), (8) и высокий уровень контактирующих напряжений, обеспечивающий герметичность соединения при всех сочетаниях воздействующих на него нагрузок.
Упорные торцевые поверхности (9), (10) выполнены под углом 14-16° к нормали осевой линии резьбы (3).
Выполнение упорных торцевых поверхностей (9), (10) под углом наклона 14-16° к нормали осевой линии резьбы (3), обеспечивает "поджатие" и фиксацию радиальных уплотнительных поверхностей (7), (8) соединения, создает его устойчивость к сжимающим нагрузкам, обеспечивает дополнительный уплотнительный барьер. Кроме того, обеспечивается четкое позиционирование охватываемого (1) и охватывающего (2) элементов относительно друг друга, точное фиксирование заданной величины натяга и крутящего момента в процессе свинчивания соединения - то есть улучшенные характеристики свинчиваемости, возможность контроля свинчивания соединения.
1
Толщина S упорного торца охватываемого элемента (1) соединения составляет не менее 50% толщины стенки S охватываемого элемента (1).
Увеличенная толщина упорного торца охватываемого элемента (1) увеличивает площадь контакта упорных торцевых поверхностей (9), (10) друг с другом при свинчивании соединения, позволяет сохранить работоспособность соединения при значительном крутящем моменте и сжимающем усилии, точно фиксировать положение элементов внутреннего герметизирующего узла и резьбы друг относительно друга с заданными натягами.
Резьбовое соединение обсадных труб работает следующим образом.
При выполнении операции свинчивания соединения первоначально осуществляется взаимодействие охватываемого (1) и охватывающего (2) элементов с помощью трапецеидальных конических резьб (3), выполненных на концах на наружной поверхности охватываемого элемента (1) и внутренней поверхности охватывающего элемента (2).
Далее, в процессе свинчивания соединения происходит продвижение радиальной уплотнительной поверхности (7) охватываемого элемента (1) вдоль уплотнительной поверхности (8) охватывающего элемента (2) и их взаимодействие. За счет деформаций радиальных уплотнительных поверхностей (7), (8) создается уплотнение типа "металл-металл".
Одновременно происходит взаимодействие упорных торцевых поверхностей (9), (10).
Окончание процесса свинчивания соединения происходит при смыкании упорных торцевых поверхностей (9), (10), выполненных на охватываемом (1) и охватывающем (2) элементах.