ВЫСОКОГЕРМЕТИЧНОЕ РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ ТРУБ

Настоящая полезная модель относится к резьбовому соединению металлических обсадных труб предназначенных для крепления нефтяных, газовых, водяных, геотермальных и других стволов скважин.
Из уровня техники известно герметичное резьбовое соединение нефтепромысловых труб, (см. патент РФ №2058505, МПК F16J 15/00, E21B 17/08, опубл. 20.04.1996, включающее охватываемую и охватывающую поверхность (трубы) с коническими резьбами и коническими опорными (уплотнительными) поверхностями радиальными и торцевыми, конические радиальные опорные поверхности герметизирующего узла выполнены с конусностью в диапазоне 6,25%-9,25%, где поверхность радиального уплотнения внутреннего элемента, контактирующая с внутренней поверхностью наружного элемента составляет 0,5-2,5 мм, а торцевые упорные уплотнительные поверхности выполнены под углом 5°-10° к нормали оси резьбы.
Известное техническое решение уступает по уровню достигаемой герметичности резьбового соединения в процессе эксплуатации трубной колонны.
Данное техническое решение принято в качестве прототипа для заявленной полезной модели.
В основу настоящей полезной модели поставлена задача создания конструкции высокогерметичного, износостойкого резьбового соединения с увеличенным контактным давлением в узле герметичности, создаваемым с помощью дополнительного радиального обжатия конического уплотнения на стадии осевого докрепления, после начала взаимодействия упорных торцов, при малых осевых перемещениях ниппеля.
Задача, положенная в основу настоящей полезной модели, решается тем, что в высокогерметичном резьбовом соединении труб, содержащем внутренний и наружный контактирующие элементы с коническими поверхностями, на которых выполнена резьба, причем обе резьбовые части имеют общий контур поверхности в виде усеченного конуса, а со стороны меньшего диаметра усеченного конуса внутреннего и наружного элементов выполнены два герметизирующих узла, состоящих из контактирующих между собой двух конических радиальных и двух конических упорных (торцевых) поверхностей, между конической радиальной поверхностью и конической упорной торцевой поверхностью наружного элемента выполнена цилиндрическая проточка протяженностью от 2,5 до 3,5 мм, которая не контактирует с конической радиальной герметизирующей поверхностью внутреннего элемента, а между конической радиальной герметизирующей поверхностью и первым витком резьбы внутреннего элемента выполнена сферообразная канавка, при этом фаска первого витка входит в зону завершения радиуса сферообразной канавки.
Кроме того, радиальный герметизирующий узел наружного и внутреннего элементов имеет конусность от 1:8 до 1:16, а упорный торцевой герметизирующий узел наружного и внутреннего элементов имеет угол уплотнительных поверхностей от 8° до 27° к нормали оси резьбы.
Введение в полезную модель описанных элементов, выполняющих роль разгрузочных канавок, гарантирует увеличение доли запаса герметичности конического уплотнения, создаваемой на этапе осевого докрепления резьбового соединения.
Дополнительный запас герметичности определяется величиной дополнительного обжатия конических уплотнительных поверхностей в результате перераспределения сил, обусловленных краевым эффектом при совместной работе описанных разгрузочных канавок и упорного торцевого уплотнения.
Увеличение величины дополнительного обжатия конических уплотнительных поверхностей повышает надежность и герметичность соединения, а также обеспечивает стабильность его работы - сохранение требуемого запаса герметичности в узле герметизации при сложных условиях эксплуатации, включая высокие значения растягивающих нагрузок при одновременном действии избыточного внутреннего или наружного давления и наложении дополнительных изгибных деформаций.
Перечисленные признаки являются существенными и взаимосвязанными между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточных для получения указанного технического результата.
Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого полезная модель явным образом не следует для специалиста по производству и эксплуатации обсадных труб, показал, что она не известна, а с учетом возможности промышленного серийного изготовления высокогерметичного резьбового соединения труб, можно сделать вывод о ее соответствии критериям патентоспособности.
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером выполнения высокогерметичного резьбового соединения труб, который не является единственно возможным и наглядно демонстрирует возможность получения указанного технического результата. Допускаются различные модификации и улучшения, не выходящие за пределы области действия полезной модели, определенные прилагаемой формулой.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:
- на фиг.1 изображен общий вид высокогерметичного резьбового соединения обсадных труб;
- на фиг.2 изображен герметизирующий узел уплотнения «металл-металл»;
- на фиг.3 изображена цилиндрическая проточка между радиальной герметизирующей поверхностью и торцевой упорной герметизирующей поверхностью;
- на фиг.4 показана сферообразная канавка между конической радиальной герметизирующей поверхностью и первым витком резьбы внутреннего элемента;
- на фиг.5 показана стадия осевого докрепления резьбового соединения без цилиндрической проточки;
- на фиг.6 показана стадия осевого докрепления резьбового соединения с цилиндрической проточкой;
- на фиг.7 показано распределение контактных напряжений в зоне радиального конического уплотнения без цилиндрической проточки;
- на фиг.8 показано распределение контактных напряжений в зоне перехода цилиндрической проточки.
В графических материалах соответствующие конструктивные элементы высокогерметичного резьбового соединения труб обозначены следующими позициями:
1. - наружный контактирующий элемент (муфта);
2. - внутренний контактирующий элемент (труба);
3. - раструбный резьбовой конец;
4. - ниппельный резьбовой конец;
5. - радиальная коническая уплотнительная поверхность;
6. - цилиндрическая проточка;
7. - коническая упорная торцевая поверхность;
8. - радиальная коническая уплотнительная поверхность;
9. - коническая упорная торцевая поверхность;
10. - сферообразная канавка.
Высокогерметичное резьбовое соединение обсадных труб включает в себя наружный элемент (муфта) 1 с раструбным резьбовым концом 3, и внутренний элемент (труба) 2 с ниппельным резьбовым концом 4.
Отличительной особенностью узла герметизации является введение в конструкцию новых элементов: цилиндрической проточки 6 наружного элемента, которая начинается после радиальной конической уплотнительной поверхности 5 и сопряжена радиусом с конической упорной (торцевой) поверхностью 7, и сферообразной канавки 10 на внутреннем элементе, которая находится между радиальной конической уплотнительной поверхностью 8 и первым витком резьбы ниппельного резьбового конца 4. Введение цилиндрической проточки 6 повышает эффективность дополнительного радиального обжатия конического уплотнения на стадии осевого докрепления, после начала взаимодействия упорных торцов. Повышение уровня интенсификации контактного давления в коническом уплотнении при осевом докреплении совместно с ограниченной контактной поверхностью, заканчивающейся на расстоянии 3-4 мм от упорного торца, позволяет увеличить до 20-40% долю запаса герметичности, создаваемого за счет осевого докрепления. Это обеспечивает стабильность работы уплотнения при сложных условиях эксплуатации, в результате уменьшения зависимости контактного давления в уплотнении от фактической величины радиального натяга. Введение сферообразной канавки 10 ограничивает влияние натяга в резьбовой части на напряженно-деформированное состояние радиального конического уплотнения, а также создает зазор, обеспечивающий безопасную сборку соединения.
Основным элементом, обеспечивающим герметичность резьбового соединения при эксплуатации обсадных труб, является герметизирующий узел «металл-металл» (фиг.2). В процессе свинчивания резьбового соединения коническая радиальная поверхность ниппеля вступает в контакт с конической радиальной поверхностью муфты. После завершения сборки резьбового соединения уровень герметичности зависит от величины контактных давлений и площади контакта, обеспечивающей барьер герметичности.
Создание герметизирующего давления на радиальном коническом уплотнении при свинчивании соединения приложением крутящего момента происходит следующим образом:
На начальном этапе свинчивания, до соприкосновения упорного торцевого уплотнения, величина контактных давлений определяется величиной диаметрального натяга в коническом герметизирующем узле «металл-металл». При этом на величину контактных давлений влияют краевые условия для ниппельной части трубы: носик ниппеля является свободным краем, а начало ниппельной части упруго опирается на резьбовую часть трубы. Введение сферической проточки уменьшает влияние диаметрального натяга в резьбе на действующий натяг в коническом уплотнении, а введение цилиндрической проточки муфты обеспечивает постоянство площади контакта в коническом уплотнении на заключительном этапе сборки соединения, при больших контактных давлениях в уплотнении. В результате обеспечивается стабильность роста момента свинчивания, повышается однородность контактного давления, что приводит к облегчению сборки-разборки соединения, снижению рисков заедания и возникновения задиров в резьбе, повышению износостойкости резьбового соединения.
После соприкосновения упорного торцевого уплотнения - перехода к этапу осевого докрепления, ростом величины диаметрального натяга в коническом герметизирующем узле можно пренебречь. Увеличение контактного давления при осевом докреплении обеспечивается за счет эффекта Пуассона (увеличение наружного диаметра конического уплотнения внутреннего элемента при его сжатии и уменьшение внутреннего диаметра конического уплотнения наружного элемента при его растяжении), а также за счет передачи на уплотнение поперечного усилия, создаваемого упорным заплечиком, выполненным с отрицательной конусностью по отношению к резьбовой части.
Введение дополнительной цилиндрической проточки обеспечивает оптимальные условия для поджатия радиального уплотнения ниппеля при осевом докреплении, что приводит к увеличению контактного давления в точке А, а уменьшение длины контакта в уплотнении радиальных конических поверхностей обеспечивает рост среднего контактного давления при более равномерном распределении давления по контактной поверхности, в результате чего достигается увеличение запаса герметичности соединения без пластических деформаций в области контакта.
Увеличение расстояния до 3,5 мм от упорного (торцевого) уплотнения до начала контакта (точка А) в радиальном уплотнении способствует интенсификации контактного давления на стадии осевого докрепления за счет более равномерной передачи на радиальное уплотнение поперечного усилия, создаваемого упорным (торцевым) уплотнением.
Настоящая полезная модель позволяет увеличить до 20-40% долю запаса герметичности, создаваемого за счет осевого докрепления. Созданный после сборки соединения запас герметичности определяется системой самоскомпенсированных сил, действующих в узле герметизации: растягивающие окружные напряжения в наружном элементе и сжимающие окружные напряжения во внутреннем элементе; растягивающие осевые напряжения в наружном элементе и сжимающие осевые напряжения во внутреннем элементе; радиальные усилия, создаваемые торцевым упорным узлом и воспринимаемые радиальным коническим уплотнением.
В результате настоящая полезная модель обеспечивает стабильность сборки соединения приложением крутящего момента с гарантированной величиной контактного давления и без пластической деформации радиальных контактных поверхностей, и сохранность герметичности уплотнения при сложных условиях эксплуатации, когда в результате действия эксплуатационных нагрузок происходит изменение величины эффективного радиального натяга между внутренним и наружным элементами.
Преимуществом заявляемого высокогерметичного соединения обсадных труб является повышение надежности и герметичности при эксплуатации обсадных колонн.
Настоящая полезная модель промышленно применима, так как, используя известные технологии, применяемые для изготовления резьбовых концов труб, может быть осуществлена на новом отличном от известных конструкций принципе создания контактного давления в радиальном коническом уплотнении.