ВЫСОКОГЕРМЕТИЧНОЕ РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ НЕФТЕГАЗОПРОМЫСЛОВЫХ ТРУБ

Полезная модель относится к высокогерметичным резьбовым соединениям обсадных, насосно-компрессорных и других труб и элементов бурильных колонн и может быть использована при строительстве нефтяных и газовых скважин.
Из уровня техники известно герметичное резьбовое соединение нефтегазопромысловых труб, содержащее охватываемый и охватывающий элементы с выполненными на их концах наружной и внутренней коническими резьбами и контактирующими между собой поверхностями, образующими внутренний герметизирующий узел, при этом герметизирующий узел образован коническими уплотнительными поверхностями и упорными торцевыми поверхностями (FR 2798716, F16L 15/00, 23.03.2001).
Указанное резьбовое соединение имеет недостаток, заключающийся в недостаточной герметичности соединения из-за выполнения его конструкции с малым углом конусности уплотнительных поверхностей, что не позволяет получить заданную величину натяга при малых осевых перемещениях охватываемого элемента, что увеличивает период от первого контакта уплотнительных поверхностей до обеспечения заданного натяга.
Данное техническое решение принято в качестве прототипа для заявленной полезной модели.
Задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является разработка высокогерметичного резьбового соединения с параметрами резьбы и внутреннего герметизирующего узла, отвечающими условиям получения оптимального натяга по уплотнительным поверхностям соединения и оптимальной величины напряжений по уплотнительным и упорным торцевым поверхностям соединения при его свинчивании.
Достигаемый технический результат заключается в повышении надежности и герметичности резьбового соединения, увеличении износостойкости соединения при его сборке-разборке и эксплуатации.
Указанный технический результат достигается тем, что в герметичном резьбовом соединении нефтегазопромысловых труб, содержащем охватываемый и охватывающий элементы, на концах которых выполнены, соответственно, наружная и внутренняя конические резьбы и контактирующие между собой конические уплотнительные и упорные торцевые поверхности, образующие внутренний герметизирующий узел. Уплотнительные поверхности охватываемого и охватывающего элементов выполнены с конусностью 1:10 с увеличением диаметра конуса в сторону резьбы, а упорные торцевые поверхности охватываемого и охватывающего элементов образуют с указанными уплотнительными поверхностями острый угол и наклонены к нормали осевой линии резьбы под углом 15°. На охватывающем элементе на участке схода резьбы выполнена окружная канавка, диаметр которой превышает внутренний диаметр резьбы на охватывающем элементе. Наружная и внутренняя резьбы выполнены трапецеидальными с конусностью 1:16, углом наклона опорной грани профиля 2-4° к нормали осевой линии резьбы и углом наклона закладной грани профиля 9-11° к нормали осевой линии резьбы.
На фиг.1 изображено высокогерметичное резьбовое соединение нефтегазопромысловых труб в свинченном состоянии.
Высокогерметичное резьбовое соединение нефтегазопромысловых труб содержит охватываемый элемент (ниппель, трубу) 1 и охватывающий элемент (муфту) 2, на наружной и внутренней поверхностях концов которых выполнены конические трапецеидальные резьбы 3, наружная и внутренняя, соответственно. Резьбовое соединение также содержит выполненные соответственно на охватываемом и охватывающем элементе упорные торцевые поверхности 4, 5 и уплотнительные поверхности 6, 7, контактирующие между собой. На охватывающем элементе 2 на участке перехода резьбы 3 к уплотнительной поверхности 6 (на участке схода резьбы) выполнена окружная канавка 8, диаметр которой превышает внутренний диаметр резьбы 3 на охватывающем элементе 2.
При свинчивании соединения наружная и внутренняя резьбы 3 охватываемого и охватывающего элементов взаимодействуют друг с другом, а контактирующие между собой поверхности 4, 5, 6, 7 образуют внутренний герметизирующий узел, обеспечивающий высокую герметичность всей конструкции (резьбового соединения).
Указанный внутренний герметизирующий узел образует уплотнение типа «металл-металл».
Герметизирующий узел образован уплотнительными поверхностями 6, 7 охватываемого 1 и охватывающего 2 элементов, выполненными с конусностью 1:10 при увеличении диаметра конуса в сторону резьбы, и упорными торцевыми поверхностями 4, 5 охватываемого 1 и охватывающего 2 элементов, образующими с уплотнительными поверхностями 6, 7 острый угол и наклоненными к нормали осевой линии резьбы под углом 15°.
Под нормалью осевой линии резьбы понимается перпендикуляр, проведенный к осевой линии резьбы.
Контактирующие между собой при свинчивании уплотнительные поверхности 6, 7 за счет деформации в упругой области образуют диаметральный натяг и уплотнение "металл-металл". Для обеспечения высокой надежности и герметичности соединения уплотнительные поверхности 6 и 7 выполняются с высокой точностью и чистотой обработки их поверхностей.
Упорные торцевые поверхности 4, 5 образуют с уплотнительными поверхностями 6, 7 острый угол. Упорная торцевая поверхность 4 на охватываемом элементе 1 выполнена в форме клина, который упирается в ответную клиновую проточку на охватывающем элементе 2, и за счет возникновения упругих деформаций на обоих элементах 1, 2 при их контакте при свинчивании соединения они обеспечивают герметичность конструкции.
Выполнение уплотнительных поверхностей с конусностью 1:10 позволяет получить заданную величину натяга при сравнительно малом осевом перемещении охватывающего элемента, что снижает период от первого контакта уплотнительных поверхностей до обеспечения заданного натяга. Это гарантирует большую износостойкость соединения при его многократном свинчивании-развинчивании.
Угол наклона упорных торцевых поверхностей 15° к нормали осевой линии резьбы обеспечивает дополнительное "поджатие" радиального уплотнения, что позволяет снизить радиальный натяг, что в свою очередь снижает вероятность повреждения уплотнительных поверхностей и возникновения на них задиров. При увеличении указанного угла начинают возникать значительные деформации внутреннего диаметра охватывающего элемента при сжатии или перекручивании соединения. При уменьшении угла теряется эффект клина, так как клиновая проточка охватывающего элемента становится более жесткой в осевом направлении.
При нарезании резьбы 3 при отводе резьбонарезного инструмента на участке сбега резьбы 3 на кромках ее вершин на охватывающем элементе образуются заусенцы, выступающие в сторону оси резьбового соединения, которые, являясь препятствием, нарушают зацепление и влияют на режим уплотнения. Для исключения их влияния на охватывающем элементе на участке перехода резьбы 3 к уплотнительной поверхности 6 (на участке схода резьбы) выполнена окружная канавка 8 с диаметром, превышающим внутренний диаметр резьбы на охватывающем элементе.
Под внутренним диаметром резьбы охватывающего элемента понимается диаметр, измеренный по вершине профиля резьбы охватывающего элемента.
Таким образом, при свинчивании охватываемого и охватывающего элементов участки схода резьбы всегда располагаются в зоне окружной канавки, что исключает влияние поверхности резьбы на участке схода на точность взаимодействия уплотнительных поверхностей.
Кроме того, указанная окружная канавка служит для выдавливания излишек смазки, наносимой на резьбу для снижения трения элементов резьбы, и облегчения вывода резьбонарезного инструмента.
Наружная и внутренняя резьбы 3 в высокогерметичном соединении выполнены трапецеидальными с конусностью 1:16, углом наклона опорной грани профиля 2-4° к нормали осевой линии резьбы и углом наклона закладной грани профиля 9-11° к нормали осевой линии резьбы.
Указанная резьба относится к упорным резьбам и вышеуказанные ее параметры обеспечивают оптимальное восприятие растягивающей нагрузки, возникающей от собственного веса колонны, опускаемой в скважину.
Высокогерметичное соединение нефтегазопромысловых труб работает следующим образом.
При выполнении операций свинчивания-развинчивания соединения первоначально осуществляется взаимодействие охватываемого 1 и охватывающего 2 элементов с помощью наружной и внутренней резьб 3. В процессе свинчивания происходит продвижение наружной уплотнительной поверхности 6 вдоль участка канавки 8, затем уплотнительная поверхность 7 взаимодействует с уплотнительной поверхностью 6. За счет диаметральных деформаций этих поверхностей создается уплотнение типа "металл-металл".
При перемещении элементов 1 и 2 относительно друг друга осуществляется силовое контактирование упорной торцевой поверхности 4 охватываемого элемента 1 и упорной торцевой поверхности 5 охватывающего элемента 2, в результате чего на указанных поверхностях возникают контактные напряжения, величина которых находится в области упругих деформаций. Уровень контактных напряжений, при всех равных условиях, определяется величиной площадей контакта упорных торцевых поверхностей 4 и 5.
Повышение эксплуатационной надежности резьбового соединения обеспечивается за счет увеличения контактирующих площадей упорных торцевых поверхностей 4 и 5 (путем выполнения указанных упорных торцевых поверхностей наклоненными к нормали осевой линии резьбы под углом 15°, а не перпендикулярными осевой линии резьбы, как в известных технических решениях), что позволяет увеличить крутящий момент свинчивания при сохранении контактных напряжений на необходимом уровне в пределах упругой деформации. Окончание процесса свинчивания охватываемого 1 и охватывающего 2 элементов сопровождается взаимодействием упорных торцевых поверхностей 4 и 5. Конические поверхности упорных торцевых поверхностей 4 и 5 выполнены таким образом, что при действии на них осевого усилия, возникающего при свинчивании резьбы, поперечная составляющая этого усилия направлена к оси соединения. Это исключает так называемое явление "разворачивания", т.е. поперечную деформацию с увеличением диаметра в области упорных торцевых поверхностей 4 и 5, 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 и герметичности, увеличение износостойкости соединения при его сборке-разборке и эксплуатации, а также повышение степени его контролепригодности, что позволяетт использовать данное соединение элементов бурильных колонн как для жидких, так и для газообразных сред.
Пример осуществления полезной модели.
Резьба на охватываемом и охватывающем элементах выполнена с конусностью 1:16. Профиль резьбы имеет вид неравнобедренной трапеции и выполнен с углом профиля 13° - угол опорной грани профиля, работающей на растяжение, составляет 3°, а угол упорной грани профиля, работающей на сжатие, составляет 10°. Шаг резьбы составляет 5,08 мм, высота профиля резьбы - 1,575 мм.
Внутренний герметизирующий узел образован уплотнительными поверхностями с конусностью 1:10 при увеличении диаметра конуса в сторону резьбы и упорными торцевыми поверхностями с углом их наклона 15° к нормали осевой линии резьбы.
На охватывающем элементе на участке схода резьбы выполнена окружная канавка, диаметр которой превышает внутренний диаметр резьбы на охватывающем элементе.
Описанное резьбовое соединение имеет свойства нефтегазогерметичного, способно работать при действии комбинированных нагрузок в агрессивных средах, в том числе возникающих при строительстве наклонных скважин с интенсивностью искривления ствола до 10° на 10 м и избыточном давлении свыше 250 атм.