МУФТОВОЕ РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ ОБСАДНЫХ И НАСОСНО-КОМПРЕССОРНЫХ ТРУБ

Полезная модель относится к области строительства и последующей эксплуатации нефтяных, газовых и водяных скважин и может быть использована при производстве и промысловом монтаже обсадных и насосно-компрессорных колонн.
Муфтовое резьбовое соединение труб с конической резьбой и герметизирующим узлом «металл-металл» (в дальнейшем резьбовое соединение) используется в скважинах любой конструкции: вертикальных, наклонно-направленных, горизонтальных, в том числе со сложными условиями строительства и эксплуатации в части нагрузок на колонны обсадных и насосно-компрессорных труб, внутренних и наружных (критических) давлений и т.д.
Сборка труб с муфтами на предприятии-изготовителе (заводское соединение) производится в цехе, при сравнительно постоянной температуре (летом и зимой), при хорошо сцентрированных элементах (труба-муфта), в горизонтальном положении трубы и муфты (т.е. без каких-либо осевых нагрузок на соединение), при определенных задаваемых нормативными документами крутящих моментах сборки, обеспечиваемых современными муфтозатяжными станками.
Сборка труб в колонну на промысле (промысловая сборка) коренным образом отличается от заводской сборки. Прежде всего, сборка труба-муфта производится при вертикальном положении муфты и трубы и масса трубы практически вся реализуется в резьбовом соединении. Отклонение вышки буровой от центра (расцентровка), ветровая нагрузка, перепад температур от -40º до +40ºС, все это вызывает большие трудности при сборке колонны. Кроме того на большинстве буровых отсутствуют ключи для сборки, оснащенные моментомерами. Однако даже использование гидроприводных ключей типа «Ойл Кантри» не всегда обеспечивает возможность правильной сборки соединения, что связано с нестабильностью позиционирования исполнительных механизмов на буровой установке, недостаточной центровки вышки относительно ротора, сильного ветра, раскачивающего крюкоблок установки и т.д.
Контакт торцевых уплотнительных элементов (торцевой упор) приводит к мгновенному росту крутящего момента, допустимое значение которого достаточно сложно «поймать» даже опытному оператору (бурильщику).
К сожалению, в России спуск обсадных и насосно-компрессорных колонн проводят бурильщики, т.е. люди, достаточно редко выполняющие указанную операцию, в отличие от зарубежных нефтяных компаний, где специально сформированные бригады проводят спуск и заключительные операции (цементирование, опрессовку и т.д.) после спуска колонны. В связи с тем, что буровые установки, оснащенные ключами с моментомерами, встречаются в России крайне редко, а ревизия и тарировка гидроприводных ключей проводится еще реже, точность исполнения задаваемых крутящих моментов в промысловых условиях достаточно сомнительна. В тоже время из уровня техники известны различные способы разметки промысловых элементов (муфты и ниппеля) для сборки соединения, позволяющие надежно собрать колонну за счет предварительной разметки указанных элементов на заводе-изготовителе.
Так, фирма Sumitomo Metals в книге VAM running book (Printed in France-creaprint-January 1989) рекламирует разметку ниппелей и муфт соединений с помощью элементов BARRETTES (муфтовых и ниппельных) определенным образом вырезанных из соединения типа «Премиум». Причем подобную разметку рекомендуют проводить в промысловых условиях при подготовке труб к спуску на буровой установке, для избегания возможного повреждения разметки в процессе перевозок, перевалок и хранения. Однако технология изготовления упомянутых BARRETTES не приводится и о связи их с заданным в нормативной документации крутящим моментом можно только догадываться.
Наиболее близким к предлагаемому решению по технической сути является высокогерметичное резьбовое соединение труб (см. патент РФ №2297511, МПК Е21В 17/00, опубл. 24.02.2005 г.), включающее в себя охватываемый, (ниппельный), и охватывающий, (муфтовый), концы трубы, с коническими резьбами и упорными торцами, наружную и внутреннюю уплотнительные поверхности и метки, нанесенные на указанных концах труб. Метки наносят с помощью приспособления для нанесения метки на ниппельном конце трубы, представляющем собой прослабленную по резьбовому и уплотнительному конусу муфтовый конец трубы, и с помощью другого приспособления для нанесения метки на муфтовом конце трубы, представляющем собой прослабленный по резьбовому и уплотнительному конусу ниппельный конец трубы.
Указанное резьбовое соединение также не лишено недостатков, заключающихся в отсутствии какой-либо связи между наносимой разметкой на трубы и необходимыми контактными давлениями на герметизирующих поверхностях уплотнительных элементов или, что в принципе то же самое, между крутящим моментом сборки соединения и наносимой разметкой. Только «глухо» сказано о необходимом «довинчивании труб за счет упругой деформации элементов резьбы до достижения заданного натяга в резьбовом соединении, уплотнительных поясках и герметизации в упорных торцах», а каким образом определяется величина доворота и связь ее с расставленными метками или контактными давлениями на герметизирующих поверхностях должен определить «потребитель». Кроме того, контроль за правильностью свинчивания соединения определяется границами полос меток, которые наносятся краской и могут быть стерты при транспортировке и длительном хранении. В результате этого возможно или недовинчивание сборки труб или «перетяг». Ширина кольцевой метки в 0,5 мм также вызывает сомнение в отслеживании ее при свинчивании, т.к. излишек смазки нанесенной на соединяемые ниппель и муфту выдавливается последней и безусловно «поглотит» нанесенную метку указанной ширины.
Задача, поставленная при создании настоящей полезной модели, заключается в создании и осуществлении такой разметки конструкции резьбового соединения, которая позволит проводить его сборку в промысловых условиях без наличия ключей с моментомером, с обеспечением оптимальных условий по крутящему моменту сборки и герметичности соединения.
Технический результат при использовании настоящей полезной модели заключается в гарантированном повышении эксплуатационной надежности и долговечности работы соединения.
Задача, положенная в основу настоящей полезной модели, с достижением заявленного технического результата, решается тем, что в муфтовом резьбовом соединении обсадных и насосно-компрессорных труб, содержащих ниппельный и муфтовый концы, снабженные конической резьбой на взаимообращенных поверхностях, упорные и уплотнительные поверхности, первые из которых, контактирующие между собой, выполнены в виде торцевой поверхности на охватываемой трубе и ответной торцевой поверхности на охватывающей трубе и метки, нанесенные на указанных концах труб, на ниппельном конце нанесена кольцевая метка, шириной равной шагу резьбы, при достижении которой торцом муфтового конца, при свинчивании соединения, до конца сборки остается не более одного оборота, и вертикальная метка, при этом аналогичная метка нанесена на муфтовом конце, шириной соответствующей диапазону «доворота» соединения от минимального до максимального крутящего момента сборки, причем вертикальные метки на ниппельном и муфтовом концах, определяющие взаимное их расположение при достижении рекомендованного момента сборки, проставляют в зависимости от начала врезания резьбонарезных резцов в тело конусов ниппельного и муфтового концов, предварительно проточенных под нарезаемую резьбу.
Кроме того, совпадение начал вертикальных меток на ниппельном и муфтовом концах, соответствующее минимальному крутящему моменту сборки, или концов указанных вертикальных меток, соответствующее максимальному моменту сборки, и одновременное расположение торца муфтового конца на кольцевой метке ниппельного конца свидетельствует о сборке соединения в соответствии с заданным крутящим моментом, при этом любое промежуточное взаимное расположение вертикальных меток на ниппельном и муфтовом концах свидетельствует о правильности сборки соединения.
Кроме того, вертикальная метка, нанесенная на ниппельной части трубы выполнена шириной 3-5 мм.
Кроме того, указанные метки выполняют механическим или гальваническим способом, или краской, обеспечивающей сохранность разметки при транспортировке и длительном хранении.
Указанные в формуле полезной модели признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, достаточной для обеспечения необходимого качества сопряжения герметизирующих поверхностей, причем кольцевой характер индикаторной метки позволяет контролировать положение торца муфты в моменты сопряжения упомянутых поверхностей с минимальным и максимальным натягом либо любым другим натягом, находящимся внутри данного диапазона.
Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого полезная модель явным образом не следует для специалиста промысловой сборки обсадных и насосно-компрессорных колонн, показал, что она не известна, а с учетом возможности промышленного серийного изготовления муфтового резьбового соединения, можно сделать вывод о ее соответствии критериям патентоспособности.
Предпочтительный вариант исполнения полезной модели описывается далее на основе представленного чертежа, где показана предлагаемая схема разметки муфтового резьбового соединения.
Муфтовое резьбовое соединение обсадных и насосно-компрессорных труб содержит охватывающую трубу, имеющую муфтовый конец 1, и охватываемую трубу, имеющую ниппельный конец 2, которые связаны друг с другом по конической резьбе. На муфтовый конец 1 нанесена широкая полоса 3 (вертикальная метка), определяющая зону, в которой при правильной сборке соединения должна находиться вертикальная полоса 4 (вертикальная метка) на ниппельном конце 2 после достижения торцом муфты кольцевой полосы 5 (кольцевой индикаторной метки), определяющей последний оборот свинчивания соединения. При этом ширина метки 3 соответствует диапазону свинчивания соединения по крутящему моменту, определенному нормативной документацией от минимального до максимального, если в этот диапазон будет попадать вертикальная метка 4, нанесенная на ниппельном конце 2 охватываемой трубы. Причем вертикальные метки 4 и 3 на ниппельном 2 и муфтовом 1 концах, определяющие взаимное расположение последних при достижении рекомендованного момента сборки, проставляют в зависимости от начала врезания резьбовых резцов в тело конуса, предварительно проточенного под нарезаемую резьбу. Начало заходных витков (метка) 6 на муфтовом конце и начало заходных витков (метка) 7 на ниппельном конце используются в качестве начала отчета простановки меток 3 и 4 сборки соединения.
Нанесение меток на резьбовом соединении производят следующим образом. На наружную поверхность ниппельного конца 2 охватываемой трубы в конце схода резьбы и наружную поверхность муфтового конца 1 охватывающей трубы на расстоянии 0-5 мм от ее торца механическим путем наносят метку 6 (например, лунку диаметром 2-3 мм или V-образный пропил и т.д.), означающую начало заходного витка (соответствующей настройкой программы резьбонарезного станка). На расстоянии, равном длине от торцевого упора до торца муфтового конца 1 (в соответствии с нормативной документацией на сборку соединения), на ниппельном конце 2 наносят метку 7, аналогичную метке 6 на муфтовом конце. Просчитывают по нормативной документации отклонение положения метки 7 от положения метки 6 при сборке соединения с минимальным крутящим моментом. На полученном расстоянии наносят на муфтовом конце вертикальную метку минимального крутящего момента по соединению. Просчитывают по нормативной документации положение метки ниппельного конца от положения метки муфтового конца при сборке соединения с максимальным крутящим моментом. На полученном расстоянии наносят на муфтовом конце вертикальную метку максимального крутящего момента соединения. Расстояние между метками на муфтовом конце заливают, определяя область допустимого положения метки ниппельного конца после сборки. Положение метки ниппельного конца в указанной зоне повторяется неоднократно по мере сборки (свинчивания) соединения. Поэтому на ниппельном конце наносят метку (кольцевую полосу) шириной, равной шагу резьбы на расстоянии от торца ниппельного конца, равном расстоянию от торца муфтового конца до упорного торца уплотнения муфтового конца. По выходу торца муфтового конца на кольцевую полосу ниппельного (соответствует последнему обороту ниппельного конца при сборке соединения) попадание вертикальной метки последнего в зону, отмеченную на муфтовом конце широкой вертикальной полосой, означает, что соединение собрано в соответствии требованиями нормативно-технической документации.
Простановку границ сборки на муфтовом и ниппельном концах можно выполнить (по крайне мере, проверить точность просчета простановки границ) следующим образом.
Поставив на труборезном и муфтонарезном станках отметки начала заходного витка, проводят сборку соединения с минимальным крутящим моментом свинчивания. Наносят на муфтовом конце вертикальную метку, с продолжением ее на ниппельном конце, соответствующую минимальному крутящему моменту сборки. Разворачивают соединение. Собирают его заново с моментом соответствующим максимальному крутящему моменту, отмечая на муфтовом конце положение вертикальной метки на ниппельном. Сопоставляют разницу расчетную (первый вариант) и разметку станочную. При некотором несовпадении - более 1,5 мм по дуге все повторяют заново.
Настоящая полезная модель является новой и промышленно применимой, так как, используя существующие технологии, применяемые для изготовления, разметки для сборки резьбовых концов труб, она выполнена на новом, принципиально отличном от известных конструкций принципе взаимодействия контактирующих поверхностей.
Таким образом, свидетельством сопряжения герметизирующих поверхностей муфтового резьбового соединения с качеством, обеспечивающим необходимую герметичность, является положение торца муфтового конца 1 на кольцевой индикаторной метке 5 ниппельного конца 2 при одновременном совпадении вертикальной метки 4 на ниппельном конце с началом метки 3 на муфтовом конце или вертикальной метки 4 ниппеля с концом метки 3 на муфтовом конце трубы, при этом любое промежуточное взаимное расположение вертикальных меток на ниппельном и муфтовом концах свидетельствует о правильности сборки соединения. Кольцевой характер индикаторной метки 5 позволяет оператору надежно контролировать указанное положение непрерывно в условиях вращения трубы и, соответственно, обеспечивать необходимое качество свинчивания резьбового соединения.