ВЫСОКОГЕРМЕТИЧНОЕ РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ

Полезная модель относится к области добычи жидких и газообразных углеводородов из нефтяных и газовых скважин и может быть использована при производстве и эксплуатации насосно-компрессорных труб.
Высокогерметичное резьбовое соединение насосно-компрессорных труб предназначено для использования в вертикальных скважинах и скважинах с высокой интенсивностью искривления ствола, со стандартными и сложными условиями эксплуатации в части растягивающих и сжимающих нагрузок, со средой, содержащей повышенные концентрации сероводорода или углекислого газа и т.д.
Известно техническое решение, защищенное патентом FR №1489013, приоритет от 05.11.1965, описывающее высокогерметичное резьбовое соединение, снабженное наружными и внутренними сопрягаемыми коническими поверхностями, на которых выполнена трапецеидальная резьба, имеющая опорную и закладную грани. Герметизирующий узел выполнен со стороны меньшего диаметра конуса из наружных и внутренних конических радиально-торцевых контактирующих плоскостей в форме клина.
Однако указанное резьбовое соединение имеет недостаток, заключающийся в снижении герметизирующей способности либо при растяжении его, либо от значительных изгибающих нагрузок в связи с почти полным отсутствием радиальных герметизирующих поверхностей. Практически все герметизирующие поверхности указанного технического решения расположены перпендикулярно или близко к перпендикуляру оси резьбы и при растяжении или изгибах соединения контактные напряжения между герметизирующими поверхностями уменьшаются, что, например, при больших значениях интенсивности набора кривизны скважины может привести к разгерметизации резьбового соединения. Аналогичная картина может наблюдаться в сложных условиях эксплуатации (высокие значения растягивающих нагрузок, избыточное внутреннее давление и т.д.).
Указанное техническое решение принято в качестве ближайшего аналога заявляемого технического решения.
Задача, положенная в основу настоящей полезной модели, заключается в создании высокогерметичного соединения, конструкция которого позволит осуществить использование разработанных насосно-компрессорных труб в скважинах со стандартными и сложными условиями эксплуатации и обеспечить гарантированную герметичность при многочисленных свинчиваниях-развинчиваниях в процессе эксплуатации.
Технический результат, достигаемый при осуществлении настоящей полезной модели, заключается в повышении эксплуатационной надежности и герметичности соединения.
Задача, положенная в основу настоящей полезной модели, с достижением заявленного технического результата, решается тем, что в высокогерметичном резьбовом соединении, содержащем внутренние и наружные сопрягаемые 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 выполнен герметизирующий узел, внутренняя и наружная части которого образованы конической радиальной и конической торцевой уплотнительными поверхностями, и цилиндрическим уплотнительным элементом, образованным контактирующими цилиндрическими наружными и внутренними поверхностями, коаксиальными с резьбовыми элементами, при этом цилиндрическое уплотнение может быть выполнено одной, двумя или более цилиндрическими ступенями, на которых может быть выполнена канавка для сбора смазки и соответствующим числом торцевых упоров.
Кроме того, резьба выполнена с конусностью 1:16.
Кроме того, коническая радиальная поверхность имеет угол от 52° до 67° к нормали оси резьбы, а коническая торцевая уплотнительная поверхность имеет угол от 8° до 27° к нормали оси резьбы.
Выбор диапазона значений предлагаемых углов выполнен на основании оптимального условия обеспечения контакта сопрягаемых поверхностей герметизирующего узла при значительных изгибающих и растягивающих нагрузках, характерных для нефтегазовых скважин глубиной более 2600 метров и искривленностью (интенсивностью набора кривизны скважины) более 10 градусов на 30 метров длины скважины. Кроме перечисленных элементов герметизирующий узел включает уплотнение по цилиндрической части, обеспечивающее дополнительную герметичность соединению, не зависящую от характеристик пробуренной скважины:
- глубины ее и, соответственно, растягивающих усилий на соединение;
- интенсивности искривления ствола скважины (интенсивность набора кривизны скважины);
- внутреннего и внешнего давления на соединение.
Выполнение конической радиальной поверхности под углом 52°-67° к нормали оси резьбы и конической торцевой уплотнительной поверхности под углом 8°-27° к нормали оси резьбы обеспечивает "поджатие" радиального уплотнения, что позволяет снизить радиальный натяг, что, в свою очередь, снижает вероятность повреждения уплотнительных поверхностей и возникновения на них задиров. При увеличении указанного угла свыше 27° начинают возникать значительные деформации внутреннего диаметра наружного элемента при сжатии или перекручивании соединения. При уменьшении угла ниже 8° теряется эффект клина, так как клиновая проточка наружного элемента становится более жесткой в осевом направлении.
Усиление эффекта герметичности может достигаться увеличением числа цилиндрических ступеней и, соответственно, числа торцевых уплотнений (более одного) на цилиндрическом участке. Упомянутые торцевые уплотнения вместе с коническими уплотнительными поверхностями служат помимо основной своей роли - обеспечение герметичности соединения - ограничителем перемещения элементов герметизирующего узла.
За счет предлагаемого уплотнения резьбовое соединение приобретает свойства нефтегазогерметичного, способного работать при действии комбинированных нагрузок в агрессивных средах.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязанными между собой с образованием устойчивых признаков, достаточных для получения указанного технического результата.
Для улучшения технического результата могут быть использованы следующие признаки: опорная грань трапецеидальной резьбы выполнена под углом 3°, а закладная под углом 10° к нормали оси резьбы.
Настоящая полезная модель является новой и промышленно применимой, т.к. используя существующие технологии и мерительный инструмент, применяемые для изготовления резьбовых концов труб, может быть выполнена на новом, принципиально отличном от известных конструкций принципе взаимодействия контактирующих поверхностей.
Предпочтительный вариант исполнения полезной модели описывается конкретным примером, который не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность получения требуемого технического результата на основе представленных чертежей, где:
- на фиг.1 представлено высокогерметичное резьбовое соединение насосно-компрессорных труб с внутренними и наружными элементами;
- на фиг.2 изображен герметизирующий узел;
- на фиг.3 изображен вариант выполнения герметизирующего узла;
- на фиг.4 изображен профиль резьбы.
Высокогерметичное резьбовое соединение содержит наружный (муфта) и внутренний (ниппель) элементы, которые взаимодействуют друг с другом по трапецеидальной резьбе 1 с конусностью 1:16 и углом профиля 13° (см. фиг.4), причем угол по опорной грани составляет 3° относительно нормали к оси резьбы. Высота профиля резьбы внутреннего и наружного элементов равны.
Герметизирующий узел 2 состоит из внутреннего и наружного элементов, конические герметизирующие радиальные поверхности 3 и 4, плоскости которых выполнены под углом 60° к нормали оси резьбы, а осевые поверхности 5 и 6 выполнены под углом 20° к нормали оси резьбы.
Кроме указанных конических герметизирующих поверхностей, герметизирующий узел выполнен с цилиндрическим уплотнительным элементом, образованным контактирующими цилиндрическими наружными и внутренними поверхностями 7 и 8, коаксиальными с резьбовыми элементами, при этом цилиндрическое уплотнение может быть выполнено с одной, двумя или более цилиндрическими ступенями и соответствующим числом торцевых упоров 9, выполненных перпендикулярными относительно оси резьбы.
На фиг.3 показан вариант выполнения герметизирующего узла 2, который предусматривает наличие двух цилиндрических радиальных внутренних 7 и 10 и контактирующих с ними наружных 8 и 10 поверхностей. На поверхностях цилиндрического уплотнения выполнена канавка 12 для сбора смазки.
Высокогерметичное резьбовое соединение работает следующим образом.
При выполнении операций свинчивания резьбового соединения первоначально осуществляется взаимодействие наружного (муфта) и внутреннего (ниппель) элементов с помощью резьбы 1. При продолжении свинчивания происходит взаимное перемещение поверхностей внутреннего и наружного элементов, при этом осуществляется контакт внутренней и внешней цилиндрических поверхностей. При дальнейшем свинчивании происходит контакт конических радиальных внутренней и наружной поверхностей 3 и 4. При последующем движении контактируют наружная и внутренняя конические осевые поверхности 5 и 6. При выполнении конструкции по одному из возможных вариантов практического воплощения настоящего технического решения (см. фиг.3) одновременно с контактом конических осевых поверхностей 5 и 6 осуществляется контакт упора 9 цилиндрического уплотнения поверхностей 7, 8 и 10, 11.
За счет упругих деформаций указанных поверхностей 3 и 4, 5 и 6, 7 и 8 и, в случае, выполнения герметизирующего узла по варианту (фиг.3) на поверхностях 10, 11 и уступе 9 создается дополнительное уплотнение - герметизация узла типа «металл-металла.
Уровень контактных напряжений, при всех равных условиях, определяется, в том числе и площадью контактирующих плоскостей перечисленных выше.
Преимуществом заявляемого резьбового соединения по сравнению с известным является повышение надежности герметичности, увеличение долговечности работы соединения, особенно, при значительных осевых и изгибающих нагрузках при работе соединения в скважинах с высокими значениями интенсивности набора кривизны.
Предполагаемая конструкция позволяет проводить неоднократную повторную сборку соединения в процессе эксплуатации не только конкретной пары труба-муфта, но и любых других сочетаний пар труба-муфта одних геометрических характеристик.