РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ ЭЛЕКТРОСВАРНЫХ ОБСАДНЫХ ТРУБ

Настоящая полезная модель относится к области добычи жидких и газообразных углеводородов и может быть использована при строительстве, испытаниях и эксплуатации скважин в процессе сборки, спуска и эксплуатации колонн обсадных труб.
Резьбовое соединение предлагаемой полезной модели предназначено для использования в скважинах с высокой интенсивностью искривления ствола, аномальных условий эксплуатации в части действия осевых растягивающих и сжимающих нагрузок, увеличенных наружных и внутренних давлений, наличия агрессивных составляющих в добываемом флюиде и т.д.
Широкое распространение со второй половины прошлого столетия за рубежом получили резьбовые соединения типа «Премиум», обеспечивающие самые высокие требования к резьбовым соединениям скважинных труб, к которым относятся также и обсадные трубы, обеспечивающих длительную безаварийную работу различного типа колонн нефтяных и газовых месторождений.
Все типы этих соединений достаточно близки по конструктивным особенностям, зачастую взаимозаменяемы друг с другом и базируются на следующих основных принципах:
- коническая трапецеидальная резьба в основном с конусностью 1:16;
- наличие герметизирующего узла с радиальным уплотнением и торцевого упора, который является ограничителем (упором) взаимоперемещения соединяемых элементов при сборке резьбовых соединений;
- последним эффективным конструкторским решением явилось применение трапецеидальной резьбы с отрицательным углом упорной грани и наличие разности в высоте профиля витков трубы и муфты.
Известны технические решения резьбовых соединений, включающие все перечисленные выше признаки, приведшие к целому семейству аналогичных решений для строительства и эксплуатации скважин в различных геологических условиях. Они известны под торговой маркой VAM TOP и позиционируются для:
- скважин большой глубины;
- скважин сероводородсодержащих;
- наклонно-направленных и горизонтальных скважин;
- скважин с высокой интенсивностью искривления;
- для использования в обсадных и насосно-компрессорных трубах; и т.д.
Стальные обсадные трубы во всем мире выпускаются по двум технологиям:
- цельнокатаная труба, выполняемая из предварительно прошитой заготовки на автомат или пильгер-станах в горячем состоянии (горячекатаная труба);
- электросварная (обычно прямошовная) труба, изготавливаемая на трубоэлектросварочных агрегатах из рулонного проката (штрипса).
Технология получения электросварной трубы обеспечивает готовому изделию более точные геометрические параметры по сравнению с горячекатаной. У электросварной трубы значительно выше точность изготовления так, например, допуск на толщину стенки составляет 3-5% по сравнению с 12,5-15%, величина эллипсности меньше почти в 2 раза и т.д., что естественно сказывается на прочностных и весовых характеристиках трубных колонн. Так, например колонна из электросварных труб с номинальными значениями толщин стенок и наружных диаметров легче аналогичной колонны из горячекатаных труб на 5-10%.
Однако изготовление толстостенных электросварных труб с высокими значениями отношения наружного диаметра к толщине стенки технологически очень трудоемко.
При этом конструкции резьбовых соединений типа «Премиум» обычно такие, что они легко выполняются на достаточно низких значениях приведенного соотношения. Получение «приемлемых» конструкций герметизирующего узла таких соединений, включая выполнение торцевого упора на тонкостенной трубе достаточно сложно.
Не принимать во внимание вышеуказанное нельзя, так как, например, упорный уступ ниппеля трубы весьма чувствителен к прилагаемому моменту сборки соединения и при больших моментах он может деформироваться, что приведет к разгерметизации соединения и, соответственно, к потере герметичности колонны со всеми вытекающими последствиями. Увеличить его длину из-за малого размера толщины стенки электросварных труб на ряде размеров невозможно, в то время как на горячекатаных трубах эта проблема отсутствует.
Необходимо отметить, что практически все конструкции резьбовых соединений типа «Премиум» выполняются либо на сравнительно толстостенных трубах, либо на трубах с предварительной высадкой внутрь концов труб.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели по технической сущности является техническое решение, защищенное патентом Японии №6050476, МПК F16L 15/04, опубл. 22.02.1994. В известном резьбовом соединении для труб нефтяных скважин, выполненном в виде охватывающего - муфта, и охватываемого - ниппель элементов с внутренней (муфта) и наружной (ниппель) трапецеидальными резьбами имеется герметизирующий узел, при этом высота каждого витка резьбы ниппеля меньше высоты каждого витка муфты. Кроме того, последние три витка резьбы ниппеля и муфты, расположенные перед герметизирующим узлом, имеют меньшую высоту, по сравнению с другими витками.
К недостаткам известного резьбового соединения для труб нефтяных скважин можно отнести то, что снижение высоты нескольких витков резьбы с полным профилем неизбежно приводит к уменьшению несущей способности всего резьбового соединения от действия осевых нагрузок. Кроме того, в процессе спуска и эксплуатации труб на поверхности резьбы возможно появление незначительных дефектов в виде различных рисок, царапин, небольших вмятин и т.д. В соответствии с ГОСТ Р53365-2009 (п.4.6) и ГОСТ Р51906-2002 (п.4.4.1.2) в таких случаях допускается зачистка поверхностей резьбы и ее косметический ремонт. Выполнение таких операций на витках с уменьшенной высотой в промысловых условиях очень затруднительно, и может привести к дальнейшему снижению прочности резьбового соединения.
Технической задачей настоящей полезной модели является устранение упомянутых выше недостатков и создание резьбового соединения, конструкция которого увеличит его несущую способность по сравнению с прототипом, а также обеспечит повышенную надежность работы в составе обсадных колонн в наклонно направленных и горизонтальных скважинах.
Технический результат, достигаемый при реализации настоящей полезной модели, заключается в повышении надежности резьбовых соединений тонкостенных электросварных обсадных труб при сборке и спуске колонн, особенно в промысловых условиях, когда погодные условия, сложности вертикальной сборки соединений с учетом веса наворачиваемой свечи, типа используемой смазки и точности исполнительных механизмов вносят серьезные коррективы в качество монтажа соединений по сравнению со стандартной заводской технологией.
Задача, положенная в основу настоящей полезной модели, с достижением заявленного технического результата, решается тем, что в резьбовом соединении электросварных обсадных труб, включающем охватывающий - муфта, и охватываемый - ниппель, элементы с исходными внутренними и наружными сопрягаемыми коническими поверхностями, на которых нарезана трапецеидальная резьба с высотой профиля витков муфты большей высоты профиля витков ниппеля, шагом резьбы 5 витков на дюйм длины, с положительным или отрицательным углом упорной грани, при этом внутренняя и наружная контактирующие резьбы, а также площадки впадин и вершин имеют контур сопряжения в виде усеченных конусов, за меньшим основанием которых находятся элементы герметизирующего узла с коническими уплотнительными радиальными поверхностями и торцевым упором, отличающееся тем, конусность трапецеидальной резьбы ниппеля выполнена 1:16, а конусность резьбы муфты выполнена изменяющейся по длине - на одном участке 1:16, а на другом участке резьбы, на расчетной длине, со стороны упорного торца, нарезка впадин витков резьбы выполнена с большей конусностью.
Кроме того, количество витков резьбы муфты на расчетной длине определяется количеством режущих зубьев применяемой резьбовой гребенки с учетом величины радиального натяга, создаваемого на площадках сопряжения впадин муфты и вершин ниппеля, значением измененной конусности, и составляет не менее одного витка при использовании однозубой гребенки и не менее двух - при двузубой гребенке, а максимальное количество - не более половины числа витков резьбы ниппеля с полным профилем.
Кроме того, расчетная длина измененной конусности ℓ определяется по формуле:
1
ℓ=2(h+δ)/(K-K),
где:
h - разность высот витков ниппеля и муфты;
δ - радиальный натяг по вершине первого витка ниппеля со стороны герметизирующего узла в плоскости малого диаметра конуса;
К - конусность впадин витков муфты на расчетной длине;
1
K - конусность резьбы ниппеля.
Кроме того, величина измененной конусности впадин витков резьбы муфты на расчетной длине выполнена в диапазоне конусности 1:6-1:13.
Выполнение резьбы (последних витков) муфты с изменяющейся по длине конусностью позволяет снизить нагрузку на упорный торец при сборке соединения. Это приводит к частичному перераспределению нагрузки с торцевого упора на несколько витков конической резьбы, что позволяет применить даже на тонкостенных электросварных трубах конструкцию резьбового соединения типа «Премиум».
На прилагаемом чертеже (см. фиг.1) приведен предлагаемый вариант резьбового соединения электросварных обсадных труб, состоящего из охватываемого (ниппеля) и охватывающего (муфта) элементов.
Резьбовое соединение электросварных обсадных труб включает ниппель 1 и муфту 2 с соответственно наружной и внутренней трапецеидальными резьбами 3 с конусностью 1:16 и высотой профиля витков муфты большей высоты профиля витков ниппеля, шагом резьбы 5 витков на дюйм длины, с положительным или отрицательным углом упорной грани, причем резьба на ниппеле выполнена с постоянной конусностью 1:16, а на муфте - с изменяющейся по длине конусностью. Внутренняя и наружная контактирующие резьбы, а также площадки впадин и вершин имеют контур сопряжения в виде усеченных конусов, за меньшим основанием (диаметром) которых выполнены элементы герметизирующего узла, образованного коническими уплотнительными радиальными уплотнительными поверхностями 5 и 6 и торцевыми упорными поверхностями 7 и 8. Впадины резьбы нескольких последних витков муфты, примыкающих к малому диаметру усеченного конуса, имеют большую конусность (зона 4), причем нарезка впадин этих витков резьбы муфты на расчетной длине выполнена в диапазоне конусности 1:6-1:13.
Расчетная длина измененной конусности (ℓ) определяется по формуле:
1
ℓ=2(h+δ)/(K-K),
где:
h - разность высот витков ниппеля и муфты;
δ - радиальный натяг по вершине первого витка ниппеля со стороны герметизирующего узла в плоскости малого диаметра конуса;
К - конусность впадин витков муфты на расчетной длине;
1
K - конусность резьбы ниппеля.
Перераспределение натягов между торцевым упором и резьбовой частью соединения выполнено за счет изменения конусности впадин витков резьбы муфты на расчетной длине, соответствующей суммарному шагу нескольких витков муфты в районе герметизирующего узла, и отсчитываемой от плоскости малого диаметра конуса, т.е. появления на контактах вершин ниппеля с впадинами муфты радиального натяга на указанной длине и соответственно снижение натяга на торцевом упоре при одинаковом крутящем моменте сборки резьбового соединения.
Снижение торцевого натяга на упоре при прочих равных условиях приводит к уменьшению контактных напряжений на нем, а также к снижению деформаций и возможных износов торцевых упоров трубы и муфты при их сборке в промысловых условиях и повышению, таким образом, надежности работы резьбового соединения.
Возможное число витков на дополнительной конусности зависит от конкретного значения измененной конусности на расчетной длине, а также и от количества режущих зубьев гребенки используемой при нарезании резьбы. Так однозубая гребенка позволяет выполнить не менее одного витка резьбы муфты с измененной конусностью на их впадинах. Двузубая гребенка может выполнить уже два, и более таких витков и т.д. Для обеспечения необходимой точности контроля величины измененной конусности, желательно иметь на расчетной длине не менее двух витков с измененной конусностью на их впадинах. Таким образом, при проектировании резьбового соединения необходимо учитывать не только траекторию движения резьбовой гребенки, но и геометрическую характеристику используемого режущего инструмента.
Количество витков резьбы муфты на расчетной длине определяется количеством режущих зубьев применяемой резьбовой гребенки с учетом величины радиального натяга, создаваемого на площадках сопряжения впадин муфты и вершин ниппеля, значением измененной конусности, и составляет не менее одного витка при использовании однозубой гребенки и не менее двух - при двузубой гребенке, а максимальное количество - не более половины числа витков резьбы ниппеля с полным профилем.
Величина измененной конусности (К) зависит как от расчетной длины, так и от заданного радиального натяга по вершине первого витка ниппеля со стороны герметизирующего узла. Значение К определяется по выражению:
1
К=K+2(n+δ)/ℓ,
где:
1
K=0,062 (1:16) - конусность резьбы ниппеля;
h - разность высот витков ниппеля и муфты;
δ - радиальный натяг по вершине первого витка ниппеля со стороны герметизирующего узла в плоскости малого диаметра конуса;
ℓ - расчетная длина измененной конусности резьбы муфты.
Для сохранения несущей способности резьбового соединения, расчетную длину рекомендуется ограничить величиной, не превышающей половину длины витков резьбы с полным профилем.
Если принять, что ℓ=10,16 мм (два витка резьбы), h=0,2 мм, а δ=0,25 мм, то значение измененной конусности впадин витков муфты должно быть не более 1:6. При увеличенной расчетной длине ℓ=30,48 мм (шесть витков резьбы), минимальным значением радиального натяга δ=0,01 мм), h=0,2 мм, значение измененной конусности должно быть не менее 1:13.
Конкретные значения измененной конусности муфты для резьбовых соединений типа «Премиум» с отрицательным углом опорной грани зависят от диаметров обсадных труб, радиальных натягов резьбы, расчетной длины и лежат обычно в диапазоне 1:6-1:13.
Резьбовое соединение электросварных обсадных труб работает следующим образом.
При сборке соединения ниппель 1 взаимодействует с муфтой 2 через коническую трапецеидальную резьбу 3 с конусностью 1:16. При дальнейшем свинчивании вершины начальных витков резьбы ниппеля 1 начинают контактировать с впадинами витков резьбы муфты 2, нарезанными резьбовой гребенкой при ее движении по траектории с большей конусностью и ниппель 1, продвигаясь по резьбе зоны 4, создает на витках этой зоны определенный радиальный натяг. Одновременно происходит контакт уплотнительных радиальных поверхностей 5 и 6 герметизирующего узла. Окончание свинчивания происходит при силовом контакте торцевых упорных поверхностей 7 и 8.
Снижение нагрузки на упорный торец при сборке соединения происходит за счет того, что последние витки резьбы муфты (зона 4) выполнены с увеличенной конусностью. Это приводит к частичному перераспределению нагрузки с торцевого упора на несколько витков конической резьбы при заданном моменте сборки.
Преимуществом заявляемого резьбового соединения по сравнению с известными является возможность создания компоновки трубных колонн из тонкостенных, в том числе электросварных труб с резьбовым соединениями типа «Премиум», с повышенной надежностью при их работе в наклонно направленных и горизонтальных скважинах и значительным до 10% (при прочих равных условиях) снижениям затрат металла на спускаемую эксплуатационную колонну обсадных труб.
Пример выполнения резьбового соединения типа «Премиум» электросварных тонкостенных обсадных труб с измененной конусностью нарезки витков муфты равной 1:9, при ℓ=15,24 мм (три витка резьбы), h=0,2 мм, и δ=0,18 мм показан на фиг.2.
Настоящая полезная модель промышленно применима, так как, используя современные известные технологии изготовления резьбовых соединений труб на действующем оборудовании, может быть осуществлена на специфическом принципе взаимодействия контактирующих поверхностей.