Герметичное резьбовое соединение обсадных труб

Область техники
Резьбовое соединение относится к области строительства, крепления и эксплуатации как вертикальных, так и горизонтальных нефтяных и газовых скважин различного назначения и конструкций, как на суше, так и на шельфе. Муфтовое резьбовое соединение входит в конструкцию обсадных труб, используемых при строительстве и эксплуатации нефтяных и газовых скважин повышенной сложности и опасности для окружающей среды. В целом конструкция указанных скважин включает несколько обсадных колонн, в том числе эксплуатационную колонну, промежуточные колонны (одна или несколько) кондуктор и направление. Каждая из колонн выполняет свое назначение и  состоит из обсадных труб диаметром от 114 мм до 622 мм, соединяемых в колонну с помощью резьбового соединения.
Уровень техники
Из уровня техники известно резьбовое соединение обсадных труб (US 2015167869 A1, F16L 15/006, E21B 17/042, опубл. 18.06.2015), включающее обсадную трубу и оригинальную муфту, соединяемые друг с другом посредствам резьбового конического соединения, выполненного соответственно на внешней поверхности концевых участков обсадных труб и на внутренней поверхности муфт, при этом высокая герметичность и высокая стойкость на повышенные моменты кручения достигаются за счет наличия в конструкции торцевых упорных элементов в трубной части поверхности и муфтовой части поверхности, выполненных соответственно на внешней поверхности концевых участков обсадных труб и на внутренней поверхности муфт и торцовых уплотнений трубной части поверхности и муфтовой части поверхности, выполненных на торцах труб и ответной поверхности муфт, торцевые упорные части выполнены в виде клина с разными обратными углами.
Недостатком применения такого резьбового соединения обсадных труб является его низкая герметичность при воздействии высоких давлений.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является высокогерметичное резьбовое соединение обсадных труб (RU 185225 U1, E21B 17/08, опубл. 27.11.2018), включающее обсадную трубу и муфту, соединяемые друг с другом посредствам резьбового конического соединения, выполненного соответственно на внешней поверхности концевых участков обсадных труб и на внутренней поверхности муфт, при этом высокая герметичность и высокая стойкость на повышенные моменты кручения достигаются за счет наличия в конструкции торцевых упорных элементов в трубной части поверхности и муфтовой части поверхности, выполненных соответственно на внешней поверхности концевых участков обсадных труб и на внутренней поверхности муфт и торцовых уплотнений трубной части поверхности и муфтовой части поверхности, выполненных на торцах труб и ответной поверхности муфт – кольцевая канавка для сбора выжимаемой смазки при свинчивании. Поверхности резьбового конического соединения, конического уплотнения и торцового клинового уплотнения перед сборкой соединения смазываются специальной уплотнительной противозадирной смазкой.
Недостатком применения такого резьбового соединения обсадных труб является возможность замятия торца ниппеля трубы в сторону оси трубы при критических крутящих нагрузках, а также не достаточная герметичность при воздействии высоких давлений.
Раскрытие сущности полезной модели
Техническим результатом заявленной полезной модели является повышении герметичности резьбового соединения, достигаемое путем исключения перетока жидкости и/или газа в резьбовую часть за счет наличия в конструкции соединения камеры гидрозатвора и кольцевого уплотнительного элемента, при этом герметичность резьбового соединения также повышается за счет того, что при критических крутящих нагрузках в результате упругих диаметральных деформаций упорный элемент в процессе вхождения в клин перемещается в сторону обратную от оси резьбы до контакта с цилиндрической расточкой муфты и при этом происходит полное смыкание торцевых упорных частей муфты и ниппеля, при этом обеспечивается большая площадь пятна контакта упорных поверхностей, принимающая осевые нагрузки, и как следствие достигается увеличение максимального выдерживаемого гидравлического давления и как следствие достигается увеличение максимального выдерживаемого крутящего момента, а также исключается возможность смятия упорного торца ниппеля обсадной трубы в сторону оси резьбы.
Указанный технический результат достигается за счет того, что герметичное резьбовое соединение обсадных труб включает обсадную трубу и муфту, соединяемые друг с другом посредствам резьбового конического соединения, выполненного соответственно на внешней поверхности концевого участка обсадной трубы и на внутренней поверхности муфты. Обсадная труба содержит ниппель, содержащий гладкую герметизирующую поверхность и продолжающуюся в направлении от резьбы до торцевого упора. На ниппеле выполнена торцевая упорная часть, которая контактирует с торцевой упорной частью муфты, при этом муфта также имеет гладкую герметизирующую поверхность. Торцевые упорные части выполнены соответственно на внешней поверхности концевого участка обсадной трубы и на внутренней поверхности муфты. Торцевые упорные части муфты и ниппеля обсадной трубы выполнены в виде клиньев с разными обратными углами, при этом в полости муфты на участке перехода от резьбового конического соединения и поверхности цилиндрической расточки выполнена камера гидрозатвора, заполненная уплотнительной смазкой. Между камерой гидрозатвора и резьбовым коническим соединением, в кольцевой выемке муфты расположен кольцевой уплотнительный элемент. Кольцевой уплотнительный элемент выполнен из эластомера.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 – часть продольного разреза герметичного резьбового соединение обсадных труб;
Фиг. 2 – торцевые упорные части муфты и ниппеля обсадной трубы до свинчивания;
Фиг. 3 – торцевые упорные части муфты и ниппеля обсадной трубы при полном свинчивании.
Осуществление полезной модели
На Фиг.1 представлена часть продольного разреза герметичного резьбового соединение обсадных труб, включающее обсадную трубу (2) и муфту (1), соединяемых друг с другом посредствам резьбового конического соединения (8). Резьбовое коническое соединение (8) выполнено соответственно на внешней поверхности концевого участка обсадной трубы (2) и на внутренней поверхности муфты (1). Обсадная труба содержит ниппель, содержащий гладкую герметизирующую поверхность и продолжающуюся в направлении от резьбы до торцевого упора (5), также на ниппеле выполнена торцевая упорная часть (4), которая контактирует с торцевой упорной частью (3) муфты (1). Муфта (1) также имеет гладкую герметизирующую поверхность. Торцевые упорные части выполнены соответственно на внешней поверхности концевого участка обсадной трубы (2) и на внутренней поверхности муфты (1). Торцевые упорные части (3, 4) муфты (1) и ниппеля обсадной трубы (2) выполнены в виде клиньев с разными обратными углами. Обратные углы торцевых упорных частей муфты (1) и ниппеля обсадной трубы (2), выполненных в виде клина составляют 4° (В) на торцевой упорной части муфты (1) и 6° (В1) на торцевой упорной части ниппеля обсадной трубы (2) соответственно (Фиг. 2, 3). При полном свинчивании в результате упругих диаметральных деформаций упорный элемент в процессе вхождения в клин перемещается в сторону обратную от оси резьбы на 2° до контакта с цилиндрической расточкой муфты (1) и при этом происходит полное смыкание торцевых упорных частей муфты (1) и ниппеля. В результате обеспечивается большая площадь пятна контакта упорных поверхностей и как следствие достигается увеличение максимального выдерживаемого гидравлического давления, при этом исключается возможность смятия упорного торца ниппеля обсадной трубы (2) в сторону оси резьбы и увеличивается площадь пятна контакта, принимающая осевые нагрузки и как следствие достигается увеличение максимального выдерживаемого крутящего момента. В полости муфты (1) на участке перехода от резьбового конического соединения и поверхности цилиндрической расточки выполнена камера гидрозатвора (6), заполненная уплотнительной смазкой. Также в полости муфты (1) на участке перехода от торцевого участка и поверхности цилиндрической расточки выполнен радиус не более 0,4 мм, а на торцевой части ниппеля обсадной трубы (2) на участке перехода от торцевого участка и цилиндрической проточки выполнен радиус не менее 0.8 мм, при этом, при полном свинчивании за счет разницы радиусов, в зоне смыкания торцевых частей муфты (1) и ниппеля обсадной трубы (2) образуется дополнительная камера гидрозатвора (7) (Фиг. 2, 3). Между камерой гидрозатвора (6) и резьбовым коническим соединением, в кольцевой выемке муфты (1) расположен кольцевой уплотнительный элемент (9). Кольцевой уплотнительный элемент выполнен из эластомера. Торцевые упорные части (3, 4) муфты (1) и ниппеля обсадной трубы (2) и в зоне цилиндрической проточки ниппеля производится поверхностное уплотнение без изменения химического состава металла методом накатки. Контактные поверхности резьбового конического соединения, торцевые упорные части (3, 4) муфты (1) и ниппеля обсадной трубы (2) покрываются гальваническим покрытием с противозадирными и уплотняющими свойствами. Также поверхности резьбового конического соединения, торцевые упорные части муфты (3, 4) муфты (1) и ниппеля обсадной трубы (2) перед сборкой соединения смазываются уплотнительной противозадирной смазкой.
В зоне торцевых упорных частей муфты (1) и ниппеля обсадной трубы (2) и в зоне цилиндрической проточки ниппеля может производиться поверхностное уплотнение без изменения химического состава металла методами накатки и/или лазерного упрочнения. В зоне торцевых упорных частей муфты (1) и ниппеля обсадной трубы и в зоне цилиндрической расточки муфты (1) может производиться поверхностное уплотнение методом покрытия хромом с изменением химического состава поверхностного слоя металла и его структуры.
В результате использования полезной модели обеспечивается полная герметичность резьбового соединения, достигаемая путем исключения перетока жидкости и/или газа в резьбовую часть за счет наличия в конструкции соединения камеры гидрозатвора и кольцевого уплотнительного элемента, при этом герметичность резьбового соединения также повышается за счет того, что при полном свинчивании в результате упругих диаметральных деформаций упорный элемент в процессе вхождения в клин перемещается в сторону обратную от оси резьбы до контакта с цилиндрической расточкой муфты и при этом происходит полное смыкание торцевых упорных частей муфты и ниппеля, при этом обеспечивается большая площадь пятна контакта упорных поверхностей, принимающая осевые нагрузки, и как следствие достигается увеличение максимального выдерживаемого гидравлического давления и как следствие достигается увеличение максимального выдерживаемого крутящего момента, а также исключается возможность смятия упорного торца ниппеля обсадной трубы в сторону оси резьбы.
Преимуществом заявленного герметичного резьбового соединения по сравнению с известным является обеспечение гарантированной газогерметичности. Настоящая полезная модель является новой и промышленно применимой.