Способ соединения и разъединения труб лазерной сваркой
METHOD FOR CONNECTION AND DISCONNECTION OF PIPE BY LASER BEAM WELDING

Изобретение относится к добывающей промышленности и может найти применение для соединения пластмассовых труб, применяемых при строительстве скважин, используемых для добычи нефти, газа и методом химического выщелачивания.
Известен способ лазерной сварки труб (патент RU №2704947, МПК В 23/348, опубл. 31.10.2019, Бюл. №31) включающий лазерную сварку металлических труб большого диаметра, путем создания наружного рабочего шва.
Недостатком является невозможность использования для сварки пластмассовых труб.
Известен способ разработки нефтяного месторождения (патент RU №2433254, МПК Е21В 43/24, опубл. в Бюл. №31 от 21.04.2010 г.), спуск и крепление обсадных труб, спуск эксплуатационных колонн. Трубы при спуске в скважину соединяют между собой резьбовыми соединениями. Недостатки способа: применяемые трубы имеют высокую стоимость, а при знакопеременных нагрузках на резьбовые соединения труб, возникающие от изменений температуры, резьбовые соединения теряют герметичность. Невозможность использовать для пластмассовых труб.
Известен также способ бурения скважин (патент RU №2147664, МПК Е21В 7/00, 17/04, В23К 26/00, опубл. в Бюл. №11 от 20.04.2000 г.), включающий последовательное соединение бурильных труб при их спуске в скважину лазерной сваркой и последовательное разъединение их лазерной резкой при подъеме, причем лазерная головка нацелена на свариваемый стык труб и не перемещается, а бурильная труба совершает один оборот вокруг собственной оси.
Недостатки способа: при бурении скважины буровая установка подвергается сильным вибрациям, а буровая колонна - значительным продольным и радиальным колебаниям; это усложняет копирование лазерным лучом траектории свариваемого стыка труб и делает не возможной сварку без остановки бурения. Для резки труб лазером также не существует оборудования и инструментов. Невозможность использовать для пластмассовых труб.
Известен модуль лазерно-дуговой для орбитальной сварки неповоротных кольцевых стыков труб (патент RU №2548842, МПК В23К 28/02, 26/30, 101/10, опубл. в Бюл. №11 от 20.04.2015 г.), содержащий направляющий пояс, подвижную орбитальную каретку, установленную на направляющем поясе с возможностью перемещения вдоль направляющего пояса. На каретке установлены датчик слежения за стыком, механизм подачи проволоки и манипулятор. На поперечную направляющую установлены лазерная головка, дуговая сварочная горелка, камера видеонаблюдения и контроллер.
Недостатком устройства является то, что модуль лазерно-дуговой на каждый свариваемый стык труб необходимо настраивать индивидуально. В условиях буровой установки это занимает много времени, удорожает строительство скважин и снижает производительность труда. Невозможность использовать для пластмассовых труб.
В качестве прототипа выбран Способ соединения и разъединения труб для добычи битуминозной нефти и устройство для лазерной сварки и резки при реализации способа (патент RU №2630327, МПК Е21В 43/24, опубл. 07.09.2017 г. Бюл. №25), включающий спуск труб в скважину с соединением лазерной сваркой при расположении луча лазера в зоне стыка труб и вращении вокруг свариваемых или разрезаемых труб и подъем труб с разъединением лазерным лучом за один оборот вокруг места соединения, луч лазера сварки или резки располагается в зоне стыка труб при вращении вокруг свариваемых или разрезаемых труб, трубы стыкуют торец в торец, процесс сварки труб повторяют до спуска всех свариваемых труб в скважину, при извлечении из скважины труб первую с края трубу извлекают, с возможностью вращения со скоростью резки и извлекают из устьевого оборудования.
Недостатком способа является то, что способ используется для металлических труб, это удорожает строительство скважин и существует невозможность применения для скважин с агрессивными жидкостями. Невозможность использовать для пластмассовых труб.
Раскрытие изобретения.
Техническими задачами предлагаемого изобретения являются повышение производительности труда при строительстве скважины, сокращение затрат вследствие применения более дешевых труб из ПВХ (поливинилхлорида) и повышение надежности работы колонн труб при использовании химических и агрессивных скважинных жидкостей.
Технические задачи решаются описываемым способом, включающим спуск труб в скважину с соединением лазерной сваркой при расположении луча лазера в зоне стыка труб и вращении вокруг свариваемых или разрезаемых труб и подъем труб с разъединением лазерным лучом за один оборот вокруг места соединения.
Новым является то, что применяют трубы из ПВХ (поливинилхлоридные) с усиливающими компонентами непрозрачными или слабо прозрачными для лазерного излучения, в зоне стыка труб поверх которого вставляется кольцевая прокладка шириной с луч лазера из ПВХ прозрачного для лазерного луча, при этом в стык труб при резьбовом раструбном соединении кольцевая прокладка вкладывается в раструб и затягивается вращением на последнем витке, а при соединении в стык кольцевая прокладка зажимается между стыками труб, после чего производят нагрев кольцевой прокладки до расплавления, визуально контролируют равномерность расплава, спускают трубу и повторяют процесс со следующей трубой, а при извлечении труб из скважины разъединяют лазерным лучом стык труб со сваркой и последовательно извлекают их из устьевого оборудования.
Технический результат заключается повышение производительности труда при строительстве скважины, сокращение затрат вследствие применения более дешевых труб из ПВХ (поливинилхлорида) и повышение надежности работы колонн труб при использовании химических и агрессивных скважинных жидкостей.
Осуществление изобретения.
Заявляемый способ поясняется с помощью рисунков 1, 2, 3, на которых показаны (рис. 1) соединения ПВХ труб резьбовые муфтовые (а) и безмуфтовые (б) (раструбные) (1) и (рис. 2) соединение встык.
На обоих концах муфтового соединения трубы 1 нарезается наружная трубная резьба, а в соединительной муфте 2 соответствующая внутренняя резьба (рис. 1,а). Во втором случае на одном конце трубы делается высадка 3 и в ней нарезается внутренняя трубная резьба (рис. 1,б). Слабым элементом обсадной колонны как с точки зрения прочности на растяжение, так и герметичности является резьбовое соединение труб. Герметизация резьб в легких условиях работы обеспечивается за счет герметизирующих смазок, например смазка "Герметик". Для тяжелых условий работы и особенно для газовых скважин и скважин под жидкостным давлением этого недостаточно. Поэтому необходимо использовать лазерную сварку (2, 3).
Высокое качество, воспроизводимость и полное отсутствие растворителей - соединение пластиковых деталей с помощью лазера имеет много преимуществ и заменяет в различных отраслях классические методы, такие как склеивание, ультразвуковая или виброконтактная сварка. Кроме того, при соединении деталей лазером сварочный шов можно адаптировать под любую новую геометрию заготовки. Сварочные швы имеют неизменно высокое качество. При этом полученные швы обладают прочностью, которая соответствует прочности основного материала. Обычно различают четыре варианта лазерной сварки синтетических материалов: контурная, квазисинхронная, синхронная сварка и сварка по трафарету. Как правило, при сварке пластмасс используется мощность лазера до 300 Вт.
Сварка встык (рис. 2) является известным технологическим процессом, который осуществляется путем прижимания друг к другу двух противоположно направленных торцовых поверхностей двух намеченных к соединению деталей, причем указанные прилегающие концы деталей нагревают до температуры размягчения или плавления так, что их контакт под давлением позволяет получить сразу сварной шов удовлетворительного качества.
За редким исключением, хорошо свариваться вместе могут только полимерные материалы одинакового химического состава. Кроме того, материалы должны иметь близкий показатель текучести расплава (ПТР). На практике это обозначает, что при нагреве свариваемых поверхностей расплавленный материал обеих деталей должен иметь примерно одинаковую текучесть. Цвет полимерных материалов, как правило, определяется введением ничтожного количества (в процентном отношении) химически нейтрального пигмента.
Труба НПВХ (2) обсадная довольно распространена из-за высокой прочности и высокой устойчивости к химическим веществам. Способы соединения труб в обсадной колонне методом сварки дают положительный эффект для усиления прочности и герметичности конструкции. Пластиковая труба может быть изготовлена из поливинилхлорида (ПВХ), полиэтилена низкого давления (ПНД) и полипропилена (ПП). Пластик хорошо воспринимает боковые нагрузки, коррозионностоек.
Поливинилхлорид (ПВХ) относится к термопластичным синтетическим материалам. В зависимости от условий полимеризации образуются продукты различной степени полимеризации с различными физико-химическими свойствами. Материалы на основе ПВХ вырабатываются двух видов:
- с применением пластификатора (пластифицированный ПВХ);
- без применения пластификатора (не пластифицированный НПВХ). ПВХ - полимер, 56% веса которого составляет хлор. При использовании специальных добавок материал становится хорошо обрабатываемым и используемым. С помощью добавок можно получить широкий диапазон характеристик и адаптировать под планируемую сферу применения. Существует два класса материала ПВХ. Мягкий ПВХ, получаемый при добавлении пластификаторов (таких как, например, фталаты). Твердый ПВХ, так называемый, непластифицированный НПВХ используется в производстве трубопроводов. НПВХ - аморфный термопласт. Характеристики литых элементов из НПВХ сильно зависят от состава композита, но также от технологии. Неокрашенный НПВХ подвергается деструкции (разложению) под воздействием ультрафиолета, поэтому его окрашивают светонепроницаемыми красками.
При лазерной сварке (3, 4) синтетических материалов трансмиссионным методом соединяются два вида термопластичных синтетических материалов: луч лазера проходит через прозрачную деталь и нагревает поглощающую. Поглощающий пластик расплавляет прозрачную область соединения. Для достаточной передачи тепла необходимо прижать соединяемые детали друг к другу с помощью подходящей фиксирующей оснастки. При этом зазор должен быть по возможности меньше 150 мкм.
Поскольку множество пригодных для сварки термопластичных синтетических материалов поглощают только небольшую долю лазерного излучения твердотельных лазеров, добавляются дополнительные материалы (присадки), например, технический углерод. За счет этого обеспечивается расплавление и сварка этих термопластов с помощью лазерного излучения. Усилие при сварке обеспечивается за счет прижима заготовки к контурной зажимной маске или специальному стеклу.
Лазеры с иттербиевым волокном, излучающие длины волн 1064-1070 нм, уже использовались для сварки полимерных комбинаций прозрачного и темного цвета или там, где специальные добавки были включены для улучшения поглощения в одном или обоих полимерах для сварки. Излучение волоконного лазера с длиной волны 2 мкм непосредственно поглощается многими полимерами, что позволяет эффективно сваривать пластик/прозрачный пластик сочетания и другие сочетания цветов. Требования к зажимам при сборке под сварку ослаблены из-за более равномерного нагрева, достигаемого с обеих сторон сварного шва. Сварка излучением лазера с тулиевым волокном обычно проводится с помощью лазерного луча, с оптикой, рассчитанной на выходную мощность 2 мкм CW (обычно в диапазоне от 50 до 200 Вт) (3, 4).
Для достижения прочного соединения используются ПВХ трубы с усиливающими компонентами в соответствии с (7) ТУ 2248-002-51758796-2008 (введение стабилизаторов -углекислые соли свинца, стеарат кальция) непрозрачными или слабо прозрачными для лазерного излучения, поэтому в стык труб должна вставляться кольцевая прокладка из материала прозрачного для излучения (обычно ПВХ без добавок - Википедия-«Поливинилхлорид (ПВХ, полихлорвинил, винил, вестолит, хосталит, виннол, корвик, сикрон, джеон, ниппеон, сумилит, луковил, хелвик, норвик и др. - бесцветная, прозрачная пластмасса, термопластичный полимер винилхлорида»). При воздействии лазерного излучения, на поверхности контакта кольцевой прокладки прозрачной для лазерного излучения и поверхности трубы из непрозрачного материала образуется нагреваемый слой который расплавляет окружающий материал и сплавляет его (3, 4, 5). Прозрачный ПВХ характеризуется светопроницаемостью до 88%. Техническая реализация иллюстрируется рис. 2, 3.
На рис. 2 приведена схема расположения прозрачной прокладки при сварке труб в стык 5. При соединении в стык кольцевая прокладка 4 зажимается между стыками труб 5, после чего производят, нагрев кольцевой прокладки 4 обеспечивающей прохождение лазерного луча к непрозрачной поверхности 5 для нагрева и расплавления.
На рис 3 приведена сварка резьбовых соединений труб 1 при муфтовом соединении 6 и безмуфтовом соединении в раструб 7. В зоне стыка муфтового соединения труб 1-6 вставляется кольцевая прокладка 4 шириной с луч лазера из ПВХ прозрачного для лазерного луча. При безмуфтовом резьбовом раструбном соединении 7 в стык труб 1 кольцевая прокладка 4 вкладывается в раструб 7 и затягивается вращением на последнем витке, нагревается и расплавляется, обеспечивая сварку поверхностей.
Сварка и упрочнение торцов резьбовых соединений лазерным излучением обеспечивает дополнительную прочность и герметизацию для ответственных участков скважин. Обратный процесс резки обеспечивается испарением и разрушением участка сварки с кольцевой прокладкой прозрачной для лазерного излучения, обеспечивая возможность вторичного использования участков труб.
Сварка резьбовых соединений обеспечивает дополнительную прочность и герметизацию соединений, возможность использовать имеющиеся складированные запасы труб и возможность ремонта существующих скважин.
Предложенный способ имеет большое народнохозяйственное значение, позволит снизить затраты на буровые работы и повысить производительность имеющегося парка скважин (6).
Становится возможным быстрый текущий ремонт аварийного парка с восстановлением дебета продукта.
Литература.
1. Каталог резьбовых соединений, www.tmk-group.com.
2. Журнал ВСТ, №2, 2017 г., Романов А.А. Использование обсадных труб из непластифицированного поливинилхлорида.
3. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ПОРТАЛ ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ, Лазерная сварка пластмасс, Гордон Грэфф, http://www.omnexus.com
4. Рекламный проспект IPG Photonics Corporation, www.ipgphotonics.com.
5. СВАРКА ПЛАСТИКОВЫХ (ИЛИ ПЛАСТМАССОВЫХ, ПОЛИМЕРНЫХ) ИЗДЕЛИЙ, фирма «АДР-Технология», www.adr-t.ru.
6. Синев С. В. Модели процесса бурения // Нефтегазовое дело. 2009. №2.
7. ТУ 2248-002-51758796-2008.