СПОСОБ ГЕРМЕТИЗАЦИИ ОБСАДНЫХ ТРУБ ПРОКЛАДКОЙ С ПАМЯТЬЮ
METHOD OF SEALING CASING BY GASKET WITH MEMORY

Изобретение относится к способам герметизации обсадных труб, применяемых в нефтяной и газовой промышленности.
Известен способ соединения обсадных труб (ОТ) с помощью конической резьбы треугольного профиля с использованием муфты, в соответствии с ГОСТом 632-64 [1].
Недостатками этого метода являются: недостаточная герметичность соединения; прочность соединения составляет от 55 до 70% прочности по телу ненарезанного участка трубы.
Известен способ обеспечения герметичности резьбовых соединений за счет применения смазочно-уплотнительных составов [2].
Недостатком этого метода является то, что смазки со временем изменяют свои свойства, как правило, в сторону их ухудшения, а следовательно, ухудшается герметичность соединения. Также используемые смазки выдавливаются по свободному винтовому каналу резьбы между сопрягаемыми поверхностями, появляющимися после свинчивания ОТ, внутренним давлением газа или жидкости.
Наиболее близким к предлагаемому является способ муфтового соединения ОТ с резьбой трепецеидального профиля повышенной герметичности (шифр ОТТГ1) [1]. Трубы с таким соединением имеют уплотнительные поверхности - наружную у ниппельного конца трубы, и внутреннюю - в срединной части муфты. Само резьбовое соединение закрепляется до упора торца трубы в срединный выступ муфты. При таком закреплении соединения создается посадка по уплотнительным коническим поверхностям и по внутреннему и наружному диаметрам резьбы, точно фиксируется заданный диаметральный натяг (примерно 0,5 мм), устраняется зазор между соединяемыми деталями, чем достигается более высокая герметичность.
Однако независимо от профиля резьбы и типа соединения в резьбовом соединении после свинчивания остается винтовой канал между сопрягаемыми поверхностями нарезки. Наличие дополнительных конструктивных элементов в соединениях повышенной герметичности, таких, как поясковые гладкие поверхности на ниппеле и муфте, упорные торцы, значительно повышают надежность резьбового соединения, но не обеспечивают их достаточной герметичности для жидкостей и газов при реальных перепадах давлений на резьбовых соединениях. [2]. Кроме того, отрицательное влияние допусков на геометрические размеры резьб и дефектов изготовления лишь частично снижается при закреплении соединений за счет локальных упругих и упругопластических деформаций и притирания сопрягаемых поверхностей. Следует также отметить, как недостаток, что обеспечивать упругие и особенно упругопластические деформации в элементах резьбового соединения ОТ, изготавливаемых из высокопрочных сталей, не всегда возможно, или для этого требуются огромные усилия, что недостижимо в реальных условиях свинчивания ОТ. Вместе с тем, в наклонных и горизонтальных скважинах из-за искривления ствола скважины появляются действующие на резьбовые соединения изгибающие моменты, которые нарушают равномерность нагружения резьбового соединения. В результате требуемая герметичность соединения не достигается.
Задачей изобретения является устранение (уменьшение) недостатков, указанных в отмеченных выше способах, в том числе и в прототипе.
Технической задачей является разработка способа, увеличивающего степень герметизации обсадной колонны, по сравнению с существующими методами герметизации.
Известно [3], что недостаточная герметичность резьбовых соединений колонн труб является причиной пропуска газа (газопроявление) в 80% случаев, когда наблюдаются большие потери газа и опасные явления. Поэтому желательно (необходимо) обеспечивать приемлемую герметичность обсадных колонн.
Поставленная задача решается предлагаемым способом, включающем использование локальных упругих и упругопластических деформаций элементов резьбовых соединений, а в качестве упругопластического герметизирующего элемента используется кольцевая прокладка из сплава с памятью, например нитинола, имеющая в поперечном сечении специальный профиль и помещаемая между торцами соединяемых обсадных труб, причем эта прокладка предварительно охлаждается в криостате до низкой температуры, например жидкого азота, и деформируется в нем, меняя свою форму и уменьшая размеры по высоте прокладки, после чего последняя устанавливается на предназначенное ей место внутри муфты между торцами соединяемых труб, которые быстро свинчиваются, чтобы прокладка не успела до полного их свинчивания прогреться; после этого, по мере прогревания, прокладка «вспоминает» свою первоначальную форму и начинает ее восстанавливать, а так как ее высота после деформации стала меньше ее высоты до деформации, а свободно распрямиться ей нет места между торцами соединяемых труб после их свинчивания, то внутри прокладки будут развиваться большие внутренние силы, направленные к торцам этих труб, которые будут заставлять прокладку плотно прижиматься к поверхностям этих торцов вплоть до деформации поверхностей прокладки, обеспечивая хорошую герметичность соединения; так как прокладка полностью не приняла свою первоначальную форму из-за отсутствия свободного пространства, то она остается сжатой этими внутренними силами, подобно пружине, и когда, в частности, при искривлении скважины или других подобных случаев зазор между торцами соединяемых труб становится неодинаковым и герметичность ухудшается, то прокладка, расширяясь, также обеспечивает неравномерное, но полное заполнение образующегося зазора, не давая нарушаться герметичности резьбового соединения.
Анализ отобранных известных технических решений, обнаруженных в ходе патентных исследований, показал, что на дату подачи заявки объекты, охарактеризованные такой совокупностью существенных признаков и которые при их использовании приводили бы к достижению более высокого технического результата, чем у предложенного, не обнаружены, что позволяет сделать заключение о соответствии заявленного объекта критериям «Новизна» и «Изобретательский уровень». А его промышленная применимость подтверждается полным описанием его осуществления.
Представленные чертежи поясняют суть изобретения, где на фиг.1 представлен продольный разрез муфтового резьбового соединения с использованием предлагаемой кольцевой прокладки, устанавливаемой между обсадными трубами. На фиг.2 изображен продольный разрез резьбового соединения с помощью муфты, имеющей срединный выступ. На фиг.3 приведен продольный разрез резьбового соединения при действии изгибающего момента Мизг. На фиг.4 изображена предлагаемая прокладка и ее деформация в криостате.
На фиг.1 представлен продольный разрез резьбового соединения обсадных труб 1 и 2 с помощью муфты 3. Между торцами обсадных труб устанавливается прокладка 4, выполненная из сплава с памятью. Муфта 3 навернута на торец одной из труб, например на трубу 1, на заводе с определенным натягом резьб на трубе и на муфте. Со стороны прокладки 4 на торцы соединяемых труб действуют усилия P. На фиг.2 представлен продольный разрез муфтового резьбового соединения обсадных труб 1 и 2, но муфта 3 имеет срединный выступ, между боковыми сторонами которого и торцами соединяемых обсадных труб размещаются прокладки 4 предлагаемой конструкции. На фиг.3 показано образование неодинакового по величине зазора между торцами соединяемых обсадных труб 1 и 2 муфтой 3 при действии изгибающего момента Мизг. Прокладка 4 выбирает этот зазор, становясь также неодинаковой в своих поперечных сечениях по окружности. На фиг.4 представлена форма прокладки 4, на виде сверху, вид «а», и в поперечном сечении, вид «б», также показаны подставка 6, на которую в криостате помещается прокладка, и плунжер 5, при помощи которого деформируется прокладка.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом.
Предварительно изготавливается прокладка 4 с соблюдением размеров d и D под размеры соединяемых обсадных труб 1 и 2. Высота накладки H1 выбирается из условия достаточности усилия Р (см. фиг.1, 2, 3), развивающегося в прокладке 4 и действующего на торцы соединяемых труб 1 и 2, и обеспечивающего требуемую герметичность резьбового соединения. После изготовления прокладки 4 (прокладок на каждое межтрубное соединение) подготавливается ее размещение между торцами обсадных труб 1 и 2. Для этого труба, например труба 1 (обсадная колонна с трубой) с навинченной на заводе муфтой 3, опускается в скважину на глубину возможности ввинчивания в нее следующей трубы 2, которая подвешивается в положение немедленного вворачивания в муфту (верхнюю ее часть) и находится в этом положении. Но до начала свинчивания прокладка 4 опускается в криостат, расположенный рядом со скважиной, и выдерживается в нем до тех пор, пока его температура не сравняется с температурой в криостате, например с температурой жидкого азота (-195°C) (время охлаждения до этой температуры определяется заранее экспериментально). Прокладка помещается на подставку 6 в криостате (см. фиг.4, вид «б»). Когда температура прокладки сравняется с температурой в криостате, прокладка деформируется плунжером 5, уменьшающим высоту прокладки 4 с величины H1 до величины H2 силой F. Когда оборудование будет подготовлено для свинчивания труб, деформированная прокладка 4 вынимается из криостата и быстро помещается на торец трубы 1 и сразу начинается вворачивание трубы 2 в муфту с обеспечением в конце этой операции требуемого натяга. Свинчивание трубы 2 с муфтой должно осуществляться как можно быстрее, чтобы нагрев прокладки от температуры криостата произошел как можно меньше. Если используется муфта со срединным выступом, как показано на фиг.2, тогда применяются две прокладки 4: между торцами труб 1 и 2 и боковыми поверхностями срединного выступа муфты. В этом случае прокладки устанавливаются поочередно: сначала размещается одна прокладка с одной стороны муфты с вворачиванием в нее трубы, например 1, до упора с натягом. После этого таким же образом устанавливается вторая прокладка и вворачивается в муфту вторая труба 2. Одну прокладку можно устанавливать на заводе. На фиг.3 изображено изменение формы и размеров прокладки 4 при неодинаковом изменении (появлении) зазоров между герметизируемыми поверхностями (торцами) обсадных труб. Такое состояние прокладки возможно, например при искривлении скважины и появлении изгибающего момента Мизг. Когда соединяются обсадные трубы с безмуфтовым резьбовым соединением, то в этом случае прокладка укладывается между торцом раструба одной трубы и упорным торцом ниппеля другой трубы. При этом также предварительно прокладка помещается в криостат на подставку 6, выдерживается в нем определенное время, деформируется плунжером 5, вынимается из криостата, устанавливается на место, и трубы быстро скручиваются. На фиг.4 изображена предлагаемая прокладка 4 на виде сверху, вид «а» и ее поперечное сечение, вид «б». Поперечное сечение прокладки может иметь и другую конфигурацию, но важно, чтобы деформирующая сила F при этом была бы минимальной. Прокладка имеет первоначальную высоту H1 и диаметры первоначальные: d - внутренний диаметр, D - внешний диаметр. Диаметр D при деформации увеличивается. Поэтому важно, чтобы он не превысил внутреннего диаметра, по выступам резьбы, муфты. Для упрощения установки прокладки 4 желательно обеспечить размер D после ее деформации на 1-2 мм меньше внутреннего диаметра муфты 3. Внутренний диаметр прокладки d не требует такого тщательного выполнения, по сравнению с диаметром D. Однако надо помнить, что если он будет больше внутреннего диаметра соединяемых труб, то это образует круговые выступы, которые будут увеличивать гидравлические сопротивления при циркуляции, уменьшат площадь внутреннего поперечного сечения труб и т.п. Поэтому этот диаметр рациональнее выполнять равным внутреннему диаметру обсадных труб или на 1-2 мм больше.
Предлагаемый способ герметизации труб обсадных колонн позволяет увеличить степень герметизации, ее надежность и долговечность.
Источники информации:
1. Соловьев Е.М. Заканчивание скважин. - М.: Недра, 1979. - 304 с.
2. Басаргин Ю.М., Будников В.Ф., Булатов А.И., Проселков Ю.М. Технологические основы освоения и глушения нефтяных и газовых скважин. Учебник для вузов.- М.: Недра, Бизнесцентр, 2001. - С.299.
3. Карабанов В.В., Бохоров И.О. Решение проблемы герметичности и надежности обсадных колонн. Статья в журнале «Нефтяное хозяйство», №1, 2012. - С.42-45.