ТРУБА ОБСАДНАЯ С ВЫСОКОГЕРМЕТИЧНЫМ ГАЗОПЛОТНЫМ РЕЗЬБОВЫМ СОЕДИНЕНИЕМ "KSP PREMIUM"

Полезная модель относится к трубам нефтяного сортамента, применяемых в нефтяной, газовой промышленности для крепления скважин.
Известна конструкция обсадных высокогерметичных труб с коническим радиальным уплотнением «металл по металлу» и резьбой трапецеидального профиля типа «Баттресс» (ГОСТ 632-80 «Трубы обсадные и муфты к ним. Технические условия. Высокогерметичные соединения труб и муфт к ним - ОТТГ», п.2.15, черт.8 и черт.12, табл.16 и 19 соответственно). Герметичность данного соединения обеспечивается за счет конического уплотнительного пояска на конце трубы, который при ввинчивании трубы в муфту с натягом входит в соответствующую коническую расточку в муфте. В этом случае металлический уплотнительный поясок выполняет функцию самоуплотняющейся манжеты. При плотном прилегании за счет радиального натяга наружной конической поверхности пояска к соответствующей внутренней конической расточки в муфте происходит первоначальная герметизация соединения. За счет давления жидкости или газа внутри трубы происходит дополнительное прижатие уплотнительного пояска к расточке в муфте. Высота профиля нитки наружной трапецеидальной резьбы в ниппеле (на конце трубы) и внутренней резьбы в муфте одинаковая и равна 1,6 мм, шаг резьбы - 5,08 мм, конусность - 1/16. Конусность уплотнительного пояска и соответствующей расточки в муфте - 1/16.
С целью ограничения осевого перемещения ниппельной части трубы в муфте, и, как следствие, возникновения высоких контактных напряжений в конических уплотняющих элементах внутри муфты предусмотрен уступ, упорная поверхность которого перпендикулярна к оси резьбы. Ответный упорный торец в ниппеле выполнен также под прямым углом к оси резьбы. Длина уплотнительного пояска равна 29 мм, длина упорного уступа в муфте (вдоль оси трубы) равна 14 мм для всего размерного ряда обсадных труб (ОТ). Заход резьбы ниппеля в резьбу муфты без вращения для ОТ диаметром от 114 мм до 168 мм включительно равен 1,5-3,5 нитки. Осевой натяг в уплотнительном пояске равен 7-8 мм, соответственно радиальный натяг равен 0,44-0,5 мм.
К недостаткам данной конструкции высокогерметичного соединения ОТ относятся:
1. Небольшая толщина стенки в торце уплотнительного пояска, что в сочетании с прямоугольной опорной поверхности уступа в муфте приводит к загибу (деформации) уплотнительного пояска внутрь трубы.
2. Небольшой заход резьбы ниппеля в резьбу муфты без вращения, что не обеспечивает самоцентрирование их в начале свинчивания.
3. Небольшой угол уклона конического уплотнительного элемента, что приводит к значительному взаимному осевому перемещению контактирующих поверхностей, а это может вызывать задиры.
Из уровня техники известны также конструкции ОТ с коническим радиальным уплотнением и уступом внутри муфты, контактная поверхность которых не перпендикулярна к оси резьбы, а имеют вогнутую форму под углом 15° к перпендикуляру, направленному к оси резьбы (Проспект VAM Catalogue 11/3 - jan. 1977; Проспект INTERPIPE Oil and Gas Pipes, Ukraine, 49600, Dnepropetrovsk, Pisarzhevckogo str., 1-a; Проспект VOEST-ALPINE STAHLOHP KIND-BERG GMBH & Co KG, проспект «Ukrainian Premium joint (URJ)», INTERPIPE, 24.02.2011, стр.5, 7, 8) Во всех указанных проспектах приведена кинематически идентичная конструкция ОТ, в которых конусность радиальной уплотняющей поверхности равна 1/10, угол уклона вогнутой контактной плоскости упора в муфте и ответной поверхности в ниппеле равен 15°, трапецеидальная резьба Баттресс: шаг - 5,08 мм, конусность - 1/16, высота нитки резьбы ниппеля и муфты - 1,575 мм, угол несущей поверхности витка резьбы - 3°, угол упорной поверхности - 10°, длина внутреннего упора в муфте от 15 до 17 мм.
Известен, например, патент (FR патент №2798716, E16L 15/00, опубл. 23.03.2001 г.) на обсадные трубы с конической трапецеидальной резьбой и коническим радиальным уплотнением, в которых осевое перемещение ниппеля в муфте ограничено упором, плоскость которого также не перпендикулярна к оси трубы. Во всех отмеченных конструкциях упорные поверхности от осевого перемещения одновременно служат дополнительным герметизирующим элементом. Упорная поверхность ниппеля, выполненная под углом к оси трубы, при сжатии с ответной упорной плоскостью в муфте, воспринимает дополнительную радиальную составляющую от нагрузки сжатия, направленную от оси трубы к ее наружной поверхности, что способствует прижатию основного герметизирующего конуса ниппеля к конической выточке в муфте и также препятствует загибу (деформации) конуса ниппеля внутрь трубы.
На базе описанных конструкций труб с радиальным коническим уплотнением и упором от осевого перемещения разработано большое количество конструкций обсадных труб различных модификаций, касающихся вида исполнения и совершенствования отдельных их элементов.
Так, например, известны: обсадные трубы (патент РФ №2297512, МПК E21B 17/042, опубл. 20.04.2007) с трапецеидальной конической резьбой, конусным уплотнением и упором, ограничивающим осевое перемещение, у которых между окончанием резьбы и началом конического уплотнения в муфте выполнена окружная канавка; обсадные трубы (патент РФ на полезную модель №88054, МПК E21B 17/00, опубл. 27.10.2009) с конической трапецеидальной резьбой, конусным уплотнительным элементом и коническим упором от осевого перемещения, у которых высота первой заходной нитки постепенно возрастает от 0 до полной высоты профиля не менее чем на половине дуги витка; обсадные трубы (патент РФ на полезную модель №85605, МПК F16L 15/00, опубл. 10.08.2009) с конической трапецеидальной резьбой и герметизирующим узлом вышеописанной конструкции, в котором на наружной поверхности уплотняющего конуса ниппеля выполнены разгрузочные кольцевые проточки, предназначенные для снижения контактных напряжений в герметизирующем узле.
К недостаткам всех вышеописанных конструкций обсадных труб следует отнести то, что в них применено трапецеидальное резьбовое соединение типа «Баттресс», в котором отсутствуют зазоры по вершинам ниток ниппеля и муфты в свинченном состоянии, что создает дополнительное локальное радиальное напряжение при соединении конических уплотняющих элементов из-за возможной несоосности. В указанных конструкциях не оптимизирована глубина захода резьбы ниппеля в резьбу муфты без вращения. При оптимальной глубине захода облегчается свинчивание резьбы за счет самоцентрирования, особенно при ветре, когда талевая система отклоняет от центра верхнюю часть навинчиваемой трубы.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели по технической сущности и достигаемому при использовании полезной модели техническому результату является обсадная равнопроходная труба с коническим резьбовым соединением ТМК CS повышенной герметичности (патент РФ на полезную модель №52968, МПК F16L 15/00, опубл. 27.04.2006), включающая охватываемый элемент - ниппельную часть трубы с наружной конической резьбой трапецеидального профиля на обоих концах трубы и герметизирующими поверхностями с конической наружной поверхностью, расположенными между резьбой и торцами трубы, а также с упорными уплотнительными торцами, и охватывающий элемент - муфту, навинчивающуюся на один конец трубы, и имеющую ответные резьбу, герметизирующую коническую расточку и упорный уплотнительный уступ, взаимодействующие с резьбой и соответствующими герметизирующей и упорной поверхностями ниппельной части трубы. При этом конические уплотнительные поверхности охватывающего и охватываемого элементов расположены под углом с конусностью 1:12 или 1:16, а образующие упорных уплотнительных торцов и уступов наклонены к оси, перпендикулярной оси трубы под углом 7-20°.
Недостатками известной конструкции соединения обсадной трубы являются:
- отсутствие зазора в собранном состоянии между выступом нитки резьбы у ниппеля и впадиной резьбы у муфты, что приводит к дополнительным ассиметричным радиальным нагрузкам в процессе осевого перемещения с натягом уплотняющего конуса ниппеля в конической расточке муфты, т.е. отсутствуют компенсационные зазоры при возможной небольшой несоосности:
- согласно иллюстрации радиусы сопряжения конической уплотнительной поверхности к упорной поверхности у муфты и у ниппеля - одинаковые, что может приводить к задирам в поверхностях их соприкосновения или к значительному уменьшению ширины контакта в плоскости под углом 15° и, как следствие, к повреждению упора;
- отсутствует обоснование захода резьбы ниппеля в резьбу муфты без вращения.
Задачей положенной в основу настоящей полезной модели является создание обсадных труб с высокогерметичным газоплотным резьбовым соединением "KSP Premium", обеспечивающих надежность трубного соединения при многократном свинчивании и развинчивании.
Задача, положенная в основу настоящей полезной модели, решается тем, что в трубе обсадной с высокогерметичным газоплотным резьбовым соединением, включающей охватываемый элемент - ниппельную часть трубы с наружной конической резьбой трапецеидального профиля на обоих концах трубы и герметизирующими поверхностями с конической наружной поверхностью, расположенными между резьбой и торцами трубы, а также с упорными уплотнительными торцами, и охватывающий элемент - муфту, навинчивающуюся на один конец трубы, и имеющую ответные резьбу, герметизирующую коническую расточку и упорный уплотнительный уступ, взаимодействующие с резьбой и соответствующими герметизирующей и упорной поверхностями ниппельной части трубы, в точке пересечения герметизирующей поверхности с упорной поверхностью муфты выполнено закругление радиусом, равным 0,4 мм, а соответствующее закругление в ниппельной части - радиусом, равным 0,6 мм, при этом величина свободного захода резьбы ниппельной части в резьбу муфты составляет, по меньшей мере, 8 ниток, а высота нитки резьбы в муфте на 0,2 мм больше высоты нитки резьбы в ниппельной части.
Кроме того, диаметр расточки ниппельной части выполнен меньше внутреннего диаметра муфты на величину Δd, равную:
нат
Δd=I·К,
нат
где: I - осевой натяг в коническом уплотнении;
К - конусность в коническом уплотнении.
Кроме того, длина упорного выступа внутри муфты принята равной 25 мм.
Выполнение выступа герметизирующей поверхности ниппельной части радиусом, равным 0,6 мм, и ответной впадины в муфте радиусом, равным не более 0,4 мм, обеспечивает образование зазора «Z», заполненного смазкой. По мере осевого перемещения ниппельной части в муфте и упругой деформации контактирующих поверхностей «Y», «Н» и «М» (см. фиг.2) смазка из зазора «Z» будет выдавливаться вдоль поверхностей скольжения, предотвращая задиры. В процессе работы уплотнения «металл по металлу» в скважине под внутренним газовым давлением, смазка в кольцевом зазоре «Z» будет выполнять функцию гидрозатвора.
Выполнение свободного захода ниппельной части в муфту без вращения, по меньшей мере, на 8 ниток обеспечивает самоцентрирование резьб при свинчивании и распределение осевой нагрузки от веса трубы на несколько ниток. Величина захода без вращения установлена экспериментально в процессе произведенной сборки опытных труб в колонны и их эксплуатация на действующих месторождениях.
Выполнение зазора между вершиной нитки в ниппельной части и впадиной в муфте в собранном состоянии, равного 0,2 мм, достаточно для компенсации возможных радиальных перемещений.
Оптимизация длины упорного выступа внутри муфты (равной 25 мм) позволяет предотвратить деформацию от осевой нагрузки и от сжатия машинным ключом в процессе раскрепления резьбы.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, идентичных всем признакам заявляемого технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие предлагаемой полезной модели критерию охраноспособности «новизна».
Заявляемое техническое решение промышленно применимо, так как при его изготовлении использованы известные технологии, применяемые для изготовления резьбовых концов труб и не требует использования специальных технологий или специальной оснастки.
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером выполнения высокогерметичного газоплотного резьбового соединения обсадных труб, который не является единственно возможным и наглядно демонстрирует возможность получения указанного технического результата. Допускаются различные модификации и улучшения, не выходящие за пределы области действия полезной модели, определенные прилагаемой формулой
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:
- на фиг.1 изображена обсадная труба с соединением "KSP Premium" с навинченной муфтой;
- на фиг.2 укрупнено, схематично изображен узел соединения герметизирующих и упорных поверхностей ниппельной части трубы и муфты;
- на фиг.3 изображена ниппельная часть обсадной трубы;
- на фиг.4 изображена муфта обсадной трубы.
Труба обсадная с высокогерметичным газоплотным резьбовым соединением "KSP Premium" включает охватываемый элемент - ниппельную часть 1 трубы и охватывающий элемент - муфту 2, навинчивающуюся на один конец трубы с коническими резьбами 3 трапецеидального профиля с конусностью 1:16 и герметизирующими поверхностями 4 и 5. Герметизирующие поверхности 4 и 5 выполнены соответственно на наружной поверхности торцевого участка ниппеля в виде конической поверхности с конусностью 1:10 в сторону оси этой трубы и на внутренней поверхности муфты на участке между конической резьбой и телом трубы. Упорные контактирующие поверхности выполнены соответственно на ниппельной части в виде упорной торцевой поверхности 6 с углом 15° к перпендикуляру к оси трубы с образованием угла между уплотнительной радиальной конической и упорной поверхностью конца ниппеля и ответной упорной торцевой поверхности 7 на муфте, выполненной длиной 25 мм на участке перехода радиальной конической поверхности муфты к ее внутреннему диаметру расточки. Диаметр расточки 8 ниппельной части выполнен меньше внутреннего диаметра 9 муфты на величину Δd, равную:
нат
Δd=l·К,
нат
где: l - осевой натяг в коническом уплотнении;
К - конусность в коническом уплотнении.
В точке пересечения герметизирующей поверхности с упорной поверхностью муфты выполнено закругление радиусом, равным 0,4 мм, а соответствующее закругление в ниппельной части - радиусом, равным 0,6 мм.
зах
зах
В соединении применена резьба, по конструкции аналогичная «Баттресс». Угол профиля 13°, угол грани витка, воспринимающий растягивающую нагрузку, - 3°, угол грани витка, воспринимающий сжимающую нагрузку, - 10°, шаг резьбы - 5,08 мм, при этом величина свободного захода l резьбы ниппельной части в резьбу муфты составляет, по меньшей мере, 8 ниток, а высота нитки резьбы в муфте на 0,2 мм больше высоты нитки резьбы в ниппельной части. Величина свободного захода l резьбы ниппеля в резьбу муфты без вращения для обсадной трубы определена по формуле:
зax
4
1
k,
l=(d-d)/К-l
4
где: d - внутренний диаметр резьбы в плоскости торца муфты;
1
d - наружный диаметр резьбы в плоскости торца трубы;
К - конусность резьбы;
k
l - длина уплотнительного пояска ниппеля.
зах
Для обсадной трубы диаметром 139,7 мм l равна
где Р - шаг резьбы.
В Таблице даны основные размеры (мм) резьбового соединения ОТ-139,7×6,98 мм.
Таблица
Труба
Муфта
Ниппель ОТ
Муфта ОТ
D
s
d
D<sub>м</sub>
L<sub>м</sub>
l<sub>y</sub>
A<sub>1</sub>
l
g
l<sub>k</sub>
d<sub>1</sub>
D<sub>7</sub>
l<sub>м</sub>
l<sub>4</sub>
l<sub>5</sub>
d<sub>4</sub>
D<sub>7</sub>
d<sub>м</sub>
139,7
7
125,7
153,7
244,0
25
111
59,3
50,4
12,5
136,4
138,5
109,7
46,6
8,3
139,9
138,5
125,9
* размеры округлены до десятых долей мм.
При выполнении операций свинчивания или развинчивания обсадных труб с высокогерметичным газоплотным резьбовым соединением "KSP Premium" первоначально осуществляется взаимодействие ниппельной части 1 и муфты 2 с помощью конической резьбы 3. В процессе свинчивания происходит продвижение наружной герметизирующей поверхности 4 на ниппельной части 1 к ответной поверхности 5 на муфте 2, затем упорная торцевая поверхность 6 взаимодействует с упорной торцевой поверхностью 7. За счет диаметральных деформаций этих поверхностей создается уплотнительный узел "металл-металл". При относительном перемещении деталей 1 и 2 осуществляется силовое контактирование торцевой поверхности 6 ниппельной части 1 и торцевой поверхности 7 муфты 2, 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 торцевых поверхностей 6 и 7. В процессе работы уплотнения «металл по металлу» в скважине под внутренним газовым давлением, смазка в кольцевом зазоре «Z» будет выполнять функцию гидрозатвора. Из-за небольшой толщины стенок обсадной трубы (6,4 и 9,0 мм) радиус закругления уплотнительного пояска ниппеля и ответной впадины в муфте не может варьироваться в широком диапазоне, т.к. это будет приводить к недопустимым изменениям ширины контактной поверхности. Как видно из фиг.2, увеличение радиуса закругления выступа уплотнительного пояска ниппеля с 0,6 мм до 1 мм ширина контактной поверхности в трубах с небольшой толщиной стенки уменьшается на 22%.
Повышение эксплуатационной надежности соединения обеспечивается за счет увеличения контактирующих площадей торцов, что позволяет увеличить крутящий момент свинчивания при сохранении контактных напряжений на необходимом уровне в пределах упругой деформации. Окончание процесса свинчивания ниппельной части 1 и муфты 2 сопровождается взаимодействием их торцевых поверхностей 6 и 7. Конические поверхности упорных торцов 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.
Преимуществом заявляемого резьбового соединения по сравнению с известным является повышение надежности герметичности, увеличение прочности соединения при его сборке-разборке и эксплуатации, что позволит использовать данное соединение труб как для жидких, так и для газообразных сред.
Резьбовые соединения обсадных труб «KSP-Premium» обладают повышенной надежностью, герметичностью, увеличенной прочностью соединения при его сборке-разборке и эксплуатации.
Основными гарантиями уменьшения экологических рисков во время осложненной эксплуатации трубной колонны является ее повышенная герметичность. Это достигается за счет принятия значений радиусов закругления торцовой части уплотнительного пояска ниппеля, равного 0,6 мм, и радиуса закругления в конической расточки в муфте, равной 0,4 мм, что обеспечивает необходимую величину контактной поверхности.
В свою очередь надежность резьбовых соединений «KSP-Premium» значительно снижает риск обрыва колонны при тяжелых условиях эксплуатации.
Увеличенная прочность при сборке-разборке резьбовых соединений позволяет добиться долговечности при эксплуатации, что также немаловажно, как с экологической, так и с экономической точки зрения.