Труба для скважин с высокогерметичным резьбовым соединением

Полезная модель относится к нефтегазодобывающим трубам с резьбой, а именно к обсадным с высокогерметичными резьбовыми соединениями, предназначенным для крепления стенки ствола пробуренной скважины, а также к насосно-компрессорным трубам с высокогерметичными резьбовыми соединениями, предназначенным для добычи нефти, газа, газового конденсата или закачки в подземные пласты каких-либо жидкостей.
В первую очередь полезная модель относится к трубам, используемым при освоении месторождений нефти и газа, к которым предъявляются высокие требования по прочности, надежности и герметичности резьбового соединения в различных эксплуатационных условиях, например, таких как:
- эксплуатация при изгибных нагрузках до 100% в эквиваленте осевых нагрузок по телу трубы;
- эксплуатация при действии комбинированных нагрузок (сжатие-растяжение и внутреннее или наружное давление с изгибом), иногда с циклическим их изменением, которые могут возникать как при спуске трубы в скважину, так и при ее работе;
- высокие моменты кручения трубной колонны, что имеет место при спуске колонны труб в наклонно-направленную и горизонтальную скважины или проведении цементирования с вращением колонны.
В таких условиях обычно целесообразным считают применение обсадных и насосно-компрессорных труб с высокогерметичными резьбовыми соединениями, имеющими уплотнения «металл-металл» и упорные торцевые элементы, т.к. наибольшему риску повреждения при спуске трубы в скважине подвержено именно резьбовое соединение. В таком случае высокие эксплуатационные свойства высокогерметичных резьбовых соединений снижают риски аварийных ситуаций в скважине, сопровождающиеся большими экономическими потерями и экологическими проблемами.
В настоящий момент для строительства скважин с вертикально-направленной (наклонной) геометрией ствола или с горизонтальными участками ствола применяются обсадные и насосно-компрессорные трубы с резьбовыми соединениями с трапецеидальной конической резьбой и уплотняющими поверхностями сопрягаемых элементов на охватываемом и охватывающем сопрягаемом элементе (ниппель и муфта/муфтовый конец, соответственно) - как радиальными, так и торцевыми герметизирующими поверхностями. При этом торцевые поверхности дополнительно служат для создания предварительных осевых напряжений на стадии осевого докрепления резьбового соединения, для ниппельной части создаются сжимающие напряжения, а для ответной (муфтовой) части - растягивающие.
Например, в техническом решении, описанном в патенте на полезную модель RU 116952, авторы предлагают резьбовое соединение с уплотнением «конус-конус» с увеличенной конусностью 1:10, при этом уплотнительные поверхности через скругление переходят в торцевые упорные поверхности, в результате уплотнение оказывается расположенным у торца трубного элемента, а техническое решение по патенту на изобретение RU 2310058 предлагает вариант резьбового соединения с уплотнением «сфера-конус», при этом конусный участок с конусностью 1:10 расположен на муфтовом элементе, а на ниппельном элементе соединения - сферический участок радиального уплотнения плавно переходящий в упорную торцевую поверхность. Эти предлагаемые технические решения имеют преимущества только в определенных эксплуатационных условиях, например, авторы RU 2310058 обоснованно предлагают повышение эксплуатационной надежности соединения обеспечивать за счет увеличения контактирующих площадей торцов для увеличения крутящего момента свинчивания при сохранении контактных напряжений в пределах упругой деформации. Тем не менее, одновременное повышение герметичности минимально при воздействии больших изгибных моментах в сочетании с растягивающими нагрузками и внешнем давлении среды из-за наличия только одних уплотняющих поверхностей сопрягаемых элементов, при потере контакта в котором, герметичность соединения теряется. Аналогично и для технического решения RU 116952, в котором геометрические характеристики соединения немного отличаются от RU 2310058.
Следует отметить, что соединения с уплотнением металл - металл труб работают следующим образом: при сборке соединения уплотнительные поверхности испытывают радиальные упругие или пластические деформации, в результате чего создается контактная площадка с большими контактными напряжениями, которая обеспечивает необходимую герметичность. Свойства герметичности соединения обеспечиваются длиной возникающего контакта, характером контактирующих поверхностей - фактически формой этих поверхностей.
Например, из уровня техники известно, что высокогерметичные резьбовые соединения, разработанные в 1980-1990-х годах, обеспечивали 100% эффективность на растяжение и внутреннее давление, однако обладали низкими эксплуатационными характеристиками на сжатие и внешнее давление. Причинами низкого сопротивления сжатию являются определенные конструктивные ограничения - толщина так называемого носика (концевого участка), где располагались уплотняющие поверхности сопрягаемых элементов, составляла чаще всего не более 50-60% от толщины стенки трубы. В этом случае при действии на резьбовое соединение сжимающей нагрузки она практически полностью передается на торцевую поверхность носика (концевого участка), что приводит к возникновению пластических деформаций, смещению носика (концевого участка) ниппеля к оси трубы и раскрытию уплотнения металл-металл, т.е. имеет место потеря герметичности резьбового соединения.
Например, способ увеличения сопротивляемости внешнему давлению и сопротивления сжатию резьбового соединения за счет увеличения радиальной жесткости ниппеля в месте расположения уплотнения и сопутствующего увеличения радиального размера упорного торца достаточно технически обосновано в решении ЕА 008078. В соответствии с данным изобретением уплотнение размещается вблизи резьбовой части, а между уплотнением и упорным торцем находится носик (концевой участок) специальной формы, между наружной поверхностью которого и муфтой существует зазор, образованный за счет специальной расточки муфты. Но при всех преимуществах, авторы указанного технического решения, показывают, что даже при большой толщине носика (концевого участка) при одновременном приложении сильной силы сжатия и внешнего давления возможна разгерметизация.
Также известны технические решения, например, DE4446806, WO 2009/060729 или WO 2004/109173, в которых решение рассматриваемой авторами проблемы осуществляется за счет смещения основных уплотняющих поверхностей сопрягаемых элементов далее от торца трубы. Но из литературных данных по проблеме известно, что в случае большого расстояния между уплотнением и осевым упором (заплечиком) необходимо учитывать возможность упругого изгиба носика (концевого участка) ниппеля в бесконтактной зоне между уплотнением и заплечиком. При этом сложная деформации носика (концевого участка) может привести к тому, что контактное давление в уплотнении может как повыситься, так и уменьшиться, что приведет в первом случае к появлению задиров, а во втором - к потере герметичности при нагрузках.
Для преодоления этого явления авторы технических решений, описанных в DE 4446806 и WO 2009/060729, между основным уплотнением и упорным торцом добавляют дополнительный элемент, ограничивающий перемещения носика (концевого участка) ниппеля наружу и обеспечивающий центрирование и стабилизацию работы основного уплотнения под комбинированными нагрузками. Но во всех этих случаях авторы указывают, что функции этого дополнительного элемента заключаются только в центрировании соединения при свинчивании и стабилизации носика концевого участка при нагрузках.
Таким образом, различными исследователями предпринимались попытки создать такое геометрическое решение уплотняющих поверхностей сопрягаемых элементов, который будет сохранять герметичность при различных вариантах нагрузок - но существует такая комбинация нагрузок, когда введенные специалистами вспомогательные элементы становятся «вредными» для резьбового соединения.
Техническое решение - труба с герметичным резьбовым соединением нефтепромысловых труб по патенту RU 2310058 принят в качестве ближайшего аналога (прототипа) заявленной полезной модели.
Общими признаками указанного прототипа с заявляемым техническим решением «Труба для скважин: являются следующие признаки: конические резьбовые поверхности охватываемого и охватывающего элементов с трапецеидальной резьбой и радиальным герметизирующим узлом, образованным при силовом свинчивании резьбового соединения и представляющим собой концевой безрезьбовой участок с сопрягаемыми уплотнительными поверхностями, который имеет заплечик на охватывающем элементе и торец на охватываемом элементе, упирающийся в упомянутый заплечик.
Задача заявляемой полезной модели состоит в создании трубы для скважин с резьбовым соединением, которая бы обладала максимально возможными характеристиками герметичности и повышенной надежностью для самого широкого диапазона эксплуатационных нагрузок, включая изгибные, сжимающие, комбинированные и циклические нагрузки с сохранением рабочих характеристик после многократных операций сборки-разборки, как для обсадной, так и насосно-компрессорной трубы.
Технический результат, обеспечиваемый заявленной полезной моделью, заключается в создании трубы с резьбовым соединением, обладающим высоким запасом герметичности в уплотнении «металл-металл» при действии на резьбовое соединение трубы значительных разнонаправленных нагрузок (растяжение, сжатие и изгиб трубы, внутреннее в трубе и наружное в скважине/затрубном пространстве давление газа), способной выдерживать многократные циклы свинчивания-развинчивания при отсутствии или минимизации задиров металла на уплотняющих поверхностях сопрягаемых элементов и резьбе.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в следующем.
Труба для скважин с высокогерметичным резьбовым соединением включает конические резьбовые поверхности охватываемого и охватывающего элементов с трапецеидальной резьбой и радиальным герметизирующим узлом, образованным при силовом свинчивании резьбового соединения и представляющим собой концевой безрезьбовой участок с сопрягаемыми уплотнительными поверхностями, который имеет заплечик на охватывающем элементе и торец на охватываемом элементе, упирающийся в упомянутый заплечик. Новым является то, что сопрягаемая уплотнительная поверхность охватывающего элемента выполнена конусной с конусностью не более 1:6, а ответная указанной сопрягаемой поверхности - уплотнительная поверхность охватываемого элемента - выполнена с двумя последовательно расположенными выпуклыми тороидальными участками, при этом центр окружности тороидального участка, расположенного у торца охватываемого элемента, отстоит от данного торца на расстоянии не более 2/3 длины концевого безрезьбового участка радиального герметизирующего узла.
Перед описанием технических параметров предлагаемого технического решения сделаем некоторые пояснения и будем применять некоторые устоявшиеся в среде проектировщиков и технологов резьбовых соединений понятия:
- «сфера» - используется для пояснения профиля уплотняющих поверхностей сопрягаемых элементов, в сечении которого представляет собой дугу (любого радиуса), при этом на самом теле вращения (на трубе или муфте/муфтовом конце-раструбе, например) этот элемент представляет собой фактически поверхность, близкую к тороиду;
- «заплечик» - это торцевое уплотнение с выступом (буртом), получившее название от английского «shoulder».
Использование таких специфических понятий позволит специалистам в области рассматриваемых резьбовых соединений четко понимать, о чем идет речь.
Заявленный авторами технический результат полезной модели достигается посредством изготовления насосно-компрессорных и обсадных труб с высокогерметичным резьбовым соединением с конической трапецеидальной резьбой с торцевым и радиальным герметизирующими узлами. При этом радиальные уплотняющие поверхности сопрягаемых элементов выполняется в виде контактирующей пары последовательно расположенных (тороидальных поверхностей - для одного элемента пары (охватываемого элемента) и конических поверхностей с конусностью не более 1:6. для второго элемента (охватывающего элемента); указанные пары поверхностей образуют при силовом свинчивании резьбового поверхности типа «сфера-конус».
При этом дополнительным очень важным элементом является то, на каком расстоянии тороидальные уплотняющие поверхности расположены относительно остальных элементов соединения. По результатам проведенных расчетов методом конечных элементов и исследованиями/испытаниями образцов соединения авторы предлагают установить определенные закономерности - центры указанных сферических элементов (в продольном сечении соединения - это центры окружностей, описывающих эти поверхности) должны располагаться относительно торца трубного элемента:
для первого сферического элемента на расстоянии не более 2/3 всей длины концевого безрезьбового участка радиального герметизирующего узла.
- для второго сферического элемента на расстоянии, рассчитанным исходя из условия обеспечения при эксплуатации трубы в скважине с различными комбинированными нагрузками постоянного контакта и по первому и по второму сферическим участкам уплотнения и обеспечения в результате 100% эффективность работы резьбового соединения на сжатие и растяжение. Однако данная особенность не рассматривается в качестве существенного признака предлагаемой полезной модели.
Сущность данной полезной модели и возможность достижения заявленного технического результата становятся ясны благодаря описанию примера ее исполнения показанного с помощью сопроводительных фигур:
на фигуре 1 - схематично представлено резьбовое соединение в изометрии с местным разрезом (частный случай - муфтовое соединение; муфта является охватывающим элементом);
на фигуре 2а - схематично представлен главный вид резьбового соединения в разрезе (частный случай - муфтовое соединение; муфта является охватывающим элементом);
на фигуре 2б и 2г - схематично представлена часть трубного элемента резьбы (ниппеля) в продольном сечении с указанием радиусов тороидальных уплотняющих поверхностей и расстояний между их центрами: фиг. 2б - вариант с 2 (двумя) тороидальными уплотняющими поверхностями, фиг. 2г - вариант с 3 (тремя) тороидальными поверхностями;
на фиг. 2в - схематично представлена часть муфтового элемента в продольном сечении.
Согласно предложениям авторов труба с высокогерметичным резьбовым соединением в части резьбового соединения (фиг. 1 и 2а) включает в себя внутренний охватываемый (1) и наружный охватывающий (2) сопрягаемые элементы с коническими поверхностями, на которых выполнены резьбовые участки, и радиальный герметизирующий (уплотнительный) узел (3).
Следует отметить, что, несмотря на то, что в качестве примера авторы иллюстрируют описание муфтовым резьбовым соединением, все технические решения эквивалентны для безмуфтового соединения, т.е. когда две трубы соединяются не посредством отдельной муфты, а в конструкции трубы предусмотрено, что один конец трубы выполнен в виде традиционного ниппеля с наружной резьбы, а противоположный конец трубы - в виде раструба, т.е. - это муфтовый конец трубы.
В соответствии с заявленной полезной моделью в наиболее оптимальном случае герметизирующий узел (3) на трубе (фиг. 2б, для муфтового резьбового соединения) включает в себя расположенные на внутреннем (1) охватываемом сопрягаемом элементе уплотнительные радиальные поверхности в виде последовательно расположенных конусных (линейных) и тороидальных (криволинейных) участков (фиг. 2б, поз. 4 и 5), а на муфтовом элементе ответный ему участок выполнен с конусностью не более 1:6 (фиг. 2в).
Такое расположение - на ниппеле криволинейные участки, а на муфте - конусная поверхность, наиболее оптимально с точки зрения производства - проще контролировать форму и размеры сферических (криволинейных) участков на внешней резьбе (трубе), чем на внутренней.
На фиг. 2б показан наиболее оптимальный с точки зрения простоты изготовления и контроля ниппеля вариант, когда количество (тороидальных) участков (поз 4 и 5) не превышает 2 (двух). В этом случае и расчет геометрических параметров (например, диаметров, центров окружностей и взаимного расположении) этих элементов проще, и изготовление в промышленных условиях требует меньше усилий (с точки зрения нарезки и контроля). Но следует отметить, что авторы допускают, что количество тороидальных участков на уплотнительной радиальной поверхности может быть более двух. Например, технически возможно расположить еще один сферический участок (фиг. 2г, поз. 9), который будет помимо функций дополнительной герметизации выполнять свою основную другую функцию - центрирование ниппельной части (трубы) относительно муфтовой части (например, муфты) при начальном этапе свинчивания, когда отклонения от соосности элементов могут привести к образованию задиров на сопрягаемых поверхностях или повреждению первых витков резьбы и соответственно снижению эксплуатационной надежности. Но данный вариант авторы рассматривают в качестве возможной опции из-за сложности в изготовлении на текущем этапе развития нарезного оборудования - для обеспечения требуемых характеристик соединения при эксплуатации все три (тороидальных) элемента должны выполняться с очень высокой точностью (±0,01 мм против ±0,03-0,05 мм для случая с двумя элементами). В промышленных условиях при поточном производстве продукции обеспечить такую точность на данном этапе развития промышленного оборудования невозможно - только в условиях штучного производства (например, в условиях экспериментального производства), что пока не приемлемо для производства обсадных и насосно-компрессорных труб на больших трубных заводах, которые в час могут производить до нескольких сотен изделий (в зависимости от размера). В будущем при развитии нарезных станков данная проблема может быть решена.
Рассматривая далее приведенную в качестве примера конструкцию, следует отметить, что расстояние (поз. 6, фиг. 2б) от торца труб до сферического элемента (поз. 4, фиг. 2б) с радиусом R1 составляет не более 2/3 всей длины (поз. 8, фиг. 2б, т.е. это расстояние до резьбы) радиального уплотнительного узла, а до второго (расстояние поз. 6 + расстояние поз. 7, фиг. 2б) сферического элемента с радиусом R2 (поз.5, фиг. 2б) рассчитывается экспериментальным путем из условия обеспечения при эксплуатации трубы в скважине с комбинированными нагрузками постоянного контакта и по первому и по второму сферическим участкам (поз. 4 и 5, фиг. 2б), и при этом обеспечивая 100% эффективность работы резьбового соединения на сжатие и растяжение. Случай же с еще одним дополнительным тороидальным элементом показан на фиг. 2г. Уплотняющие поверхности сопрягаемых элементов (поз. 9, фиг. 2г) в данном случае будет выполнять основную техническую задачу - центрирование (стабилизацию) соединения при свинчивании, что позволит для элемента по поз. 4 оставить только основную задачу - герметизации, исключив для него задачу центрирования (стабилизации) соединения при свинчивании. В таком варианте расстояние для элементов по поз. 4 и поз. 5 (фиг. 2б) будет рассчитываться по указанному выше принципу, а элемент по поз. 9 будет расположен максимально близко к торцу трубы для выполнения своей основной роля - он первым будет входить в контакт с соответствующими уплотняющими поверхностями сопрягаемых элементов муфтовой части соединения и осуществлять центрирование.
В целях дальнейшего избегания путаницы авторы предлагают рассматривать далее исполнение с двумя уплотнительными сферами и первым считать уплотнение, расположенное со стороны упорного торца, т.е. ближе к торцу трубы (поз. 4, фиг. 2б), а вторым считать уплотнение, расположенное со стороны резьбы (поз. 5, фиг. 2б).
Предложенные выше авторами расстояния от торца трубы до центра первого сферического элемента (поз. 6, фиг. 2б), также как и расстояния между этими сферическими элементами (поз. 7, фиг. 2б) предложены авторами результате проверочных прочностных расчетов методами конечных элементов и натурных испытаний образцов резьбовых соединений на испытательных стендах: выполнение данного соотношения ограничивает негативное влияние «отжатия» уплотнения при воздействии неблагоприятных комбинаций нагрузок, что позволяет создать резьбовое соединении класса «Премиум» с повышенными характеристиками герметичности и надежности.
Например, технические решения по DE 4446806 предусматривают, что вторая опорная точка (т.е. вторые уплотняющие поверхности сопрягаемых элементов) обеспечивает дополнительный контакт между поверхностью ниппеля и ответной поверхностью муфты, что позволяет более полно использовать ресурс радиальной жесткости длинного ниппеля. Однако для определенного вида нагрузок (например, наружное давление в сочетании с изгибом, может приводить к образованию во второй опорной точке зазора или необратимых пластических деформаций - т.е. к созданию условий для потери герметичности. Все это имеет место из-за выбранной технической сути этого дополнительного уплотняющего элемента (ближнего к торцу трубы).
Авторы же предлагаемой полезной модели в результате расчетов и опытных работ с образами резьбового соединения нашли способ решения данной проблемы - создать такую трубу с узлом герметизации, содержащим два разнесенных в осевом направлении уплотнения сфера-конус, первое из которых расположено со стороны упорного торца, второе со стороны резьбовой части, отличающиеся тем, что оба уплотнения сохраняют герметичность во всем круге VME повторяющихся комбинированных нагрузок.
При расположении на ниппеле группы из минимум двух уплотнений, в каждом из которых создается определенный геометрический натяг, достигается увеличение герметичности соединения за счет синергии, т.е. влияния уплотнений друг на друга. Выполнение данных условий обеспечивается правильным подбором радиусов уплотняющих поверхностей и геометрическое положение каждого элемента относительно торца трубы и относительно друг друга.
Расчеты авторов предлагаемого технического решения показывают, что предпочтительное расстояние от точки (центра окружности сечения) первого уплотнения до торца носика (концевого участка) ниппеля составляет не более 2/3 его длины, носика. При большем расстоянии от точки (центра окружности сечения) первого уплотнения до торца носика концевого участка ниппеля существенно увеличивается риск того, что из-за создания поджимающего эффекта за счет заплечика (выступа) при осевом докреплении будет происходить отжатие вторых (дальнего от торца) уплотняющих поверхностей сопрягаемых элементов, а при очень больших расстояниях может произойти отжатие и первого сферического элемента. При этом соответственно уменьшается запас герметичности во втором уплотнении.
Для второго же уплотнения выбор расстояния от точки (центра окружности сечения) до торца носика концевого участка ниппеля определен из соображения, чтобы максимальные контактные напряжения в уплотнении составляли 100-160% от предела текучести материала ниппеля. Так, если максимальные контактные напряжения меньше 100% текучести, снижается надежность соединения по показателям герметичности, а при превышений максимальных контактных напряжений более 160% возможно возникновение пластических деформации в контактной области, что повышает риск возникновения задиров при свинчивании.
Предложенная авторами труба была изготовлена промышленным способом с использованием обычных технологий металлообработки, применяемых в производстве насосно-компрессорных и обсадных труб, в том числе и с использование различного материального исполнения трубы - были изготовлены образцы труб с предложенным резьбовым соединением из обычной углеродистой стали (сталь группы прочности Q125 по API 5СТ), а также были изготовлены образцы труб из высокохромистой стали 13Cr-P1 10L.
Труба для скважин в соответствии с заявленной полезной моделью может быть использовано для различных типоразмеров труб и групп прочности материала. При изменении типоразмера или группы прочности необходимо правильно выбирать геометрические параметры, влияющие на работоспособность соединения. Специалист, обладающий соответствующими навыками и умениями в области теории упругости и прочности, а также имеющий навыки конструирования и расчета толстостенных и тонкостенных оболочек работающих под давлением, может выбрать данные параметры с учетом описанных технических особенностей работы резьбового соединения, сконструированного в соответствии с представленной полезной моделью.
Испытания опытного образца по методикам в соответствии со стандартом API 5С5 подтвердила влияние совокупности существенных признаков на достигаемый технический результат.