КОНИЧЕСКОЕ ТРУБНОЕ СОЕДИНЕНИЕ С РЕЗЬБОЙ БЕЗ ПРИНУДИТЕЛЬНОГО СБЕГА

Заявленная полезная модель относится к области горного дела, а именно к трубам нефтяного сортамента, в частности насосно-компрессорным, обсадным и изделиям с трубными резьбами, предназначенных для добычи нефти и газа, а также для строительства скважин.
Известны конструкции насосно-компрессорных и обсадных труб (НКТ и ОТ) с конической треугольной (закругленной) резьбой наружной, нарезаемой на концах труб, и внутренней, нарезаемой в соединительных муфтах. [ГОСТ 633-80 «Трубы насосно-компрессорные и муфты к ним. Технические условия. Резьбовые соединения труб гладких и с высаженными наружу концами», п.2.13.1, п.2.13.2, черт.5 и черт.6; ГОСТ 632-80 «Трубы обсадные и муфты к ним. Технические условия. Соединения труб с треугольной резьбой», п.2.13.1, п.2.13.2, черт.5 и черт.6]
В конструкциях данных соединений наружная коническая резьба треугольного профиля от торца трубы до определенного расстояния нарезается с углом уклона φ ее образующей, соответствующем конусности (К), равной 1/16. Затем угол уклона образующей впадин резьбы увеличивается (примерно до 15°), и выполняется так называемый сбег резьбы. Линия пересечения конуса по впадинам сбегающих ниток с наружной поверхностью трубы является индикатором контроля свинчиваемости муфты и трубы.
Известна конструкция ОТ с конической упорной (трапецеидальной) резьбой, нарезаемой от торца трубы под одним углом уклона φ ее образующей (по впадинам ниток) до точки пересечения с наружной поверхностью трубы, т.е. без принудительного сбега резьбы под углом 15° к оси трубы. [ГОСТ Р 51906-2002 «Соединения резьбовые обсадных, насосно-компрессорных труб и трубопроводов и резьбовые калибры для них. Общие технические требования. П.4.3.2, рис.7, табл.12]
Ввиду значительного допуска по наружному диаметру обсадных труб (+1,0% и -0,5%) и небольшого угла уклона φ образующей впадин резьбы, соответствующего конусности 1/16, расстояние от торца трубы до линии пересечения впадин резьбы и наружной поверхности трубы по сравнению с расчетным может изменятся, например, для труб диаметром 140 мм от 0 до 22 мм, что затрудняет контроль свинчиваемости. В этом случае за точкой пересечения образующей впадин резьбы и наружной поверхности трубы наносится специальная метка, например, в виде треугольного клейма.
Также известны конические трубные резьбовые соединения, в которых на участке принудительного сбега стандартных резьб протачивается кольцевая канавка, являющаяся индикатором свинчиваемости трубы и муфты [патент РФ №2294476, МПК (2006.01) F16L 15/00, опубл. 27.02.2007; патент РФ №2244195 МПК (7) F16L 15/00, опубл. 01.10.2005; патент РФ №2360692 МПК (2006.01) F16L 15/00, опубл. 10.06.2007].
Ширина кольцевой канавки согласно указанным патентам равна продольному перемещению торца муфты в пределах допускаемого осевого натяга (5,1÷6,4 мм). Наружный диаметр канавки согласно патенту №2294476 может быть меньше номинального наружного диаметра трубы на 1,5 мм; диаметр канавки согласно патенту №2244195 больше диаметра впадин резьбы, при этом винтовая поверхность впадин может проходить по дну канавки на всю ее ширину; диаметр в начале канавки согласно патенту №2300692 меньше диаметра впадин резьбы в этом сечении. Конструкция указанных резьбовых соединений с кольцевым индикатором свинчивания разработана для стандартных резьб, рабочая длина которых ограничена дальней от торца трубы стенкой канавки.
К недостаткам всех указанных конструкций следует отнести небольшую ширину канавок, которая при довинчивании с максимальным моментом перекрывается муфтой, что затрудняет контроль процесса свинчивания резьбы, покрытой смазкой.
Поскольку коническая резьба, например, НКТ свинчивается многократно, то по мере приработки и небольшого износа около контактирующих ниток возникают зазоры, которые могут быть перекрыты путем более глубокого ввинчивания трубы в муфту. Но в случае со стандартными резьбами дальнейшему ввинчиванию препятствует принудительный сбег резьбы под углом 15° к оси, а в случае с резьбами, имеющими кольцевой индикатор свинчиваемости - задняя боковая стенка канавки. В этом случае соединение работает в скважине без надлежащего радиального натяга в сопрягаемых нитках резьбы, что приводит к потере герметичности и повреждениям.
Наиболее близко к заявленной полезной модели относится резьбовое соединение (прототип) [патент РФ №2386072, МПК (2006.01 (F16L 15/00, опубл. 10.04.2010], состоящее из трубы, на концах которых имеется коническая удлиненная резьба треугольного профиля с шагом, равным 2,54 мм или 3,175 мм, последовательно расположенная зарезьбовая цилиндрическая канавка, и муфты с соответствующей внутренней резьбой. Причем наружная удлиненная резьба на трубе изготовлена с постоянным углом уклона φ образующей конуса по впадинам ниток от торца трубы до зарезьбовой канавки, являющейся одновременно индикатором свинчиваемости трубы и муфты. Ширина зарезьбовой цилиндрической канавки в первом приближении рекомендуется равной 12,7 мм и более.
В патенте №2386072 приводятся формулы, по которым рекомендуется рассчитывать длину резьбы L от торца трубы до канавки и диаметр по дну канавки Dп.
Диаметр по дну канавки Dп, рассчитанный согласно формулам патента, меньше диаметра впадин резьбы в плоскости, контактирующей с началом канавки на расстоянии L от торца трубы. Таким образом, канавка получается в виде кольцевого надреза на теле трубы, глубина которого больше глубины ниток резьбы в соответствующем сечении. При действии только осевых растягивающих нагрузок напряжение, возникающее в сечении НКТ и ОТ, проходящем через канавку, значительно ниже напряжения в сечениях, проходящих через впадины сопряженных ниток, расположенных между основной плоскостью и канавкой.
Но в процессе цементирования ОТ или проведения гидравлического разрыва пластов (ГРП) с применением НКТ возникает очень высокое внутритрубное давление, которое в сочетании с максимальной осевой нагрузкой в верхней части спущенной в скважину колонны труб может привести к разрыву, приуроченному к канавке.
Расчеты по 4-й теории прочности на максимально допустимую осевую нагрузку в сочетании с технологически необходимым внутренним давлением показывают, что в плоскости поперечного сечения тела трубы эквивалентное напряжение σэ существенно ниже допустимого при любых возможных значениях размеров наружного диаметра трубы и толщины стенки.
Поскольку наружный диаметр канавки задается постоянным, а наружный диаметр тела трубы за счет плюсового допуска может быть увеличен и толщина стенки трубы за счет минусового допуска (до минус 12,5%) может быть существенно уменьшена, то площадь сечения металла по канавке заметно снижается по сравнению с площадью сечения металла в теле трубы. И, как следствие, эквивалентное напряжение в плоскости поперечного сечения по канавке выше допустимого напряжения. В стандартных резьбовых соединениях тело трубы в опасном сечении, приуроченном к основной плоскости резьбы, от разрыва высоким внутренним давлением защищено муфтой.
Целью полезной модели является повышение прочности и надежности удлиненной резьбы, выполненной без принудительного сбега от торца трубы до зарезьбовой проточки-индикатора свинчивания трубы и муфты.
х
х
Указанная цель достигается за счет выполнения зарезьбовой конической проточки с углом уклона, соответствующим конусности резьбы, при этом начальный (малый) диаметр Dп конической проточки соответствует наружному диаметру НКТ и ОТ с учетом максимально возможного минусового допуска, и нарезания конической резьбы (неполного профиля) на поверхности проточки на длине от ее начала, равной длине 2÷3 ниток резьбы.
Например, для НКТ-89 с номинальным наружным диаметром, равным 88,9 мм и минусовым допуском -0,79 мм, начальный диаметр конической проточки Dп должен быть не менее 88,1 мм.
Как показывают результаты фактических измерений НКТ и ОТ, допуск на наружный диаметр в основном имеет плюсовое значение или близок к нулю, поэтому начало канавки будет заметно. За счет эллипсности трубы, некоторого смещения резьбы по отношению к оси трубы канавка на определенной длине по периметру также прослеживается.
В крайне редких случаях, когда диаметр трубы будет с максимальным минусовым допуском и начало канавки будет малозаметным, контроль свинчиваемости следует проводить по расстоянию от торца муфты до последней риски резьбы. При изготовлении труб расстояние от торца трубы до последней риски резьбы должно выдерживаться постоянным.
Сущность полезной модели поясняется следующими чертежами.
а
На фиг.1 изображена труба с треугольной удлиненной резьбой в сборе с муфтой. Положение  - при машинном свинчивании с номинальным заданным моментом. Положение б - при ручном свинчивании резьбы. На фиг.2 (вид А) дано взаимное расположение трубы 1 и муфты 2 и зарезьбовой проточки 3, начальный диаметр которой Dп, в собранном положении.
Труба 1 (фиг.1, 2) с наружным диаметром D на концах имеет коническую резьбу треугольного (трапецеидального) профиля с постоянным углом уклона образующей по впадинам ниток на всей длине и зарезьбовую коническую проточку, конусность которой соответствует конусности резьбы. На расстоянии l от торца трубы 5 до основной плоскости 6 расположена резьба с нитками полного профиля на участке за основной плоскостью - резьба с нитками неполного профиля.
Муфта 2 (фиг.1, 2) имеет коническую резьбу, соответствующую резьбе трубы 1, в торце 7 муфты 2 выполнена заходная фаска под углом β, равным 75°, к плоскости торца муфты.
При машинном докреплении резьбового соединения с заданным моментом торец 7 муфты 2 должен совпадать с началом зарезьбовой проточки 3.
0
Зазоры в контактирующих нитках резьбы, образующиеся при их износе или радиальной деформации (сжатии) ниппеля, устраняются путем более глубокого ввинчивания трубы в муфту. За счет нарезанных ниток по поверхности проточки 3 на длине l (фиг.2) и конусной расточки в торце муфты под углом β труба имеет возможность более глубокого ввинчивания в муфту на 4-5 оборотов.
Глубина ввинчивания резьбы в муфту 2 ограничивается перемещением торца трубы 5 до середины 4 муфты 2, при этом торец 7 муфты 2 не должен перекрывать проточку 3 полностью, т.е. торец муфты не должен доходить до конца конической проточки 3.
По способу изготовления заявленное коническое трубное соединение с резьбой без принудительного сбега не отличается от способа изготовления существующих резьбовых соединений.
Анализом уровня техники по патентным и научно-техническим источникам, содержащих сведения об аналогах, заявителем не выявлена конструкция конического трубного соединения с резьбой без принудительного сбега тождественного всем существенным признакам заявленной полезной модели.
Таким образом, предлагаемая полезная модель по совокупности своих существенных признаков, характеризующихся оптимальными параметрами зарезьбовой конической проточки, позволяет повысить эксплуатационную надежность резьбового соединения и увеличить срок его работы в скважине.