Резьбовое соединение для обсадных труб большого диаметра

Полезная модель относится к области резьбовых соединений для обсадных труб большого диаметра, применяемых при обустройстве современных нефтяных и газовых скважин.
Полезная модель относится к безмуфтовому, быстростросборному, равнопроходному резьбовому соединению обсадных, тонкостенных труб большого диаметра, с приварными коннекторами, с конической трапецеидальной неравнобокой резьбой, с направляющими секциями, с радиальным и торцевым уплотнениями «металл-металл», конструкция которого позволяет облегчить условия сборки при спуске обсадных колонн большого диаметра современных скважин.
Усложнение условий добычи нефти и газа, появление глубоких, наклонно направленных, горизонтальных, кустовых и многозабойных скважин требует применения дополнительной обсадной колонны большого диаметра (обсадная колонна направления), которая применяется для крепления верхней части конструкции от устья скважины (неустойчивые осадочные и мерзлые породы), придает устойчивость стенкам скважины вблизи поверхности, где они склонны к обрушению, размываемые грунтовыми водами.
Особенностями спуска обсадной колонны направления является то, что:
- резьбовое соединение должно обладать свойством равнопроходности по внутренней поверхности для беспрепятственного спуска оборудования внутри обсадных труб;
- скорость спуска должна быть максимальной, пока не обрушились стенки скважины, размываемые грунтовыми водами;
- на большом диаметре трубы угол подъема витка резьбы меньше традиционно применяемого, что ухудшает условия свинчивания, возрастает вероятность свинчивания не по резьбе;
- большой вес обсадной трубы большого диаметра повышает вероятность самопроизвольного развинчивания резьбового соединения и возникает необходимость добавления в конструкцию специальных стопорных элементов.
Для соединения обсадных труб большого диаметра известные технические решения применяются при строительства водоотделяющих колонн (ВОК) - труба, проходящая от дна океана к верхнему строению конструкции буровой платформы. В таком случае ВОК является продолжением кондукторной колонны и служит для предотвращения попадания морской воды в скважину.
Резьбовое соединение обсадных труб для ВОК должно обладать свойствами сохранять герметичность при действии нагрузок, как на растяжение, так и на сжатие при «силовом» забивании обсадной колонны в дно специальными молотами.
Известна полезная модель: «Резьбовое соединительное устройство для трубных элементов водоотделяющей колонны» (патент RU №171299, МПК Е21В 17/042, F16L 15/00, опубликовано 29.05.2017 г.) Данное решение включает в себя: ниппель и муфту, сопрягающиеся друг с другом посредством слабо конической резьбы (конусность 1:64), выполненной на части внутренней поверхности муфты и на внешней поверхности ниппеля, гладкий направляющий слабо конический элемент, продолжающийся от конца резьбовой части, широкий прямоугольный плотно контактирующему профилю резьбы (шаг резьбы - 25,4 мм, высота профиля витка резьбы - 4 мм), оснащено двумя радиальными и двумя торцевыми уплотнениями «металл-металл».
Недостатками известного решения являются ограничения по применению в качестве обсадных труб для колонн направления:
- применение большого шага прямоугольной резьбы (25,4 мм) и большой глубины впадины витка (4 мм) приводят: к уменьшению площади в опасном сечении, концентрируются напряжения, что увеличивает вероятность возникновения пластических деформаций и потери герметичности резьбового соединения;
- высокая металлоемкость, использование высокопрочных сталей на всей длине трубы, в том числе на участках, испытывающих низкие эксплуатационные нагрузки, снижается эффективность применения;
- большой вес обсадной трубы большого диаметра повышает вероятность самопроизвольного развинчивания резьбового соединения под действием эксплуатационных нагрузок;
- сложная сборка слабоконических элементов требует соблюдения особых условий по соосности резьбовых элементов перед свинчиванием;
- для эффективной работы четырех уплотнений «металл-металл» требуется высокая точность изготовления и особые методы контроля геометрических параметров контактных поверхностей резьбового соединения.
Известна полезная модель: «Соединение труб обсадных усиленных» (Патент RU №168796, МПК Е21В 17/042, F16L 15/00, Е21В 17/08, опубликовано 21.02.2017 г.). Данное решение включает в себя: электросварную прямошовную трубу, к которой с обеих сторон приварены резьбовые втулки, изготовленные стальными, бесшовными, горячедеформированными, при этом узел уплотнения представлен совокупностью радиальных и упорных уплотнительных элементов «металл-металл», контакт резьбовых витков при скручивании происходит по внешней поверхности витка на втулке с внутренней резьбой. Резьба трапецеидальная коническая (конусность 1:16, шаг - 4 мм), профиль резьбы представляет неравнобедренную трапецию с углом наклона стенок 3 и 10 градусов.
Недостатками известного решения являются ограничения по применению в качестве обсадных труб для колонн направления:
- сложная сборка слабоконических элементов резьбового соединения, отсутствие конструктивных решений для создания облегченных условий свинчивания;
- ограничена скорость спуска обсадной колонны, свинчивание резьбового соединения происходит за десять с половиной оборотов;
- отсутствие в конструкции резьбового соединения направляющих секций, облегчающих центровку ниппельного коннектора в муфтовом перед свинчиванием обсадных труб большого диаметра колонн направления.
Из уровня техники также известно герметичное резьбовое соединение для подводной водоотделяющей колонны: «Connector» (GB 2119466 В, опубл. 16.08.1998), которое является наиболее близким к предлагаемой полезной модели и выбрано в качестве прототипа.
Прототип включает в себя: внутренний конический сопрягаемый элемент (муфтовый коннектор), наружный конический сопрягаемый элемент (ниппельный коннектор), направляющие секции, резьбовые поверхности с трапецеидальной, неравнобокой резьбой (конусность 1:4, шаг - 6,35 мм, высота профиля 2,54 мм, угол наклона закладной боковой поверхности резьбы составляет 45°, угол наклона упорной боковой поверхности составляет 2°7'30ʺ, вершина выступа резьбы параллельна оси резьбовой поверхности, впадина резьбы параллельна продольной оси резьбового соединения).
Недостатком прототипа являются ограничения по применению в качестве обсадных труб для колонн направления:
- на внутренней поверхности резьбового соединения прототипа допускается уменьшение диаметра (для беспрепятственного спуска оборудования внутри обсадной колонны направления резьбовое соединение должно быть равно-проходным по внутренней поверхности);
- резьбовое соединение прототипа использует известную конструкцию контактных поверхностей резьбы (угол наклона закладной боковой поверхности резьбы прототипа составляет 45° как на муфтовом, так и на ниппельном коннекторе), которая не может создавать специальные, облегченные условия для свинчивания. Конструкция резьбового соединения для колонн направления должна исключать вероятность свинчивания не по резьбе (облегченные условия сборки необходимы для труб большого диаметра с малым углом подъема витка). Сборка резьбового соединения должна производиться как можно быстрее (спуск колонны направления можно успешно произвести на заданную отметку пока не осыпались рыхлые стенки пробуренной скважины, размываемые грунтовыми водами).
Задачей представленного технического решения является исключение вышеуказанных недостатков прототипа. Результат, достигаемый заявленным решением, заключается в создании резьбового соединения для обсадных труб большого диаметра, конструкция которого способна успешно применяться при строительстве обсадных колонн направления.
Технический результат достигается за счет того, что резьбовое соединение для обсадных труб большого диаметра, включающее внутренний конический сопрягаемый элемент (муфтовый коннектор) и наружный конический сопрягаемый элемент (ниппельный коннектор), замковое радиальное уплотнение «металл-металл», цилиндрические поверхности верхней направляющей секции, конические поверхности нижней направляющей секции, торцевое уплотнение «металл-металл», резьбовые поверхности, с трапецеидальной, неравнобокой резьбой, выполнено с углом наклона закладной боковой поверхности резьбы на муфтовом коннекторе большим, чем на ниппельном, при этом вершина и впадина выступа резьбы выполнены с помощью двух поверхностей, одна из которых коническая, параллельна оси резьбовой поверхности, вторая поверхность цилиндрическая, параллельна продольной оси резьбового соединения.
В ходе проектирования полезной модели удалось разработать принципиально новую конструкцию резьбовой поверхности, которая иллюстрируется эскизами:
- на Фиг. 1 представлена обсадная труба в сборе.
Муфтовый коннектор 1 и ниппельный коннектор 2 собраны с трубой 4 с помощью двух кольцевых электросварных швов 3;
- на Фиг. 2 показана схема обозначений контактных поверхностей муфтового коннектора 1 и ниппельного коннектора 2;
- на Фиг. 3 показана схема обозначений резьбовых поверхностей муфтового коннектора 1 и ниппельного коннектора 2;
- на Фиг. 4 показана схема центрирования резьбовых поверхностей ниппельного коннектора 2 относительно резьбовых поверхностей муфтового коннектора 1 перед началом свинчивания;
- на Фиг. 5 показана схема перемещения точки контакта резьбовых поверхностей в процессе ручного свинчивания;
- на Фиг. 6 показана схема расположения резьбовых поверхностей в результате машинного свинчивания.
Ниже представлен список ссылочных позиций:
1 - муфтовый коннектор;
2 - ниппельный коннектор;
3 - кольцевые сварные швы соединяющие тело трубы с коннекторами;
4 - электросварная труба ∅530×10;
5 - коническая поверхность замкового, радиального уплотнения металл-металл муфтового коннектора;
6 - цилиндрическая поверхность верхней направляющей секции муфтового коннектора;
7 - резьбовая поверхность муфтового коннектора;
8 - коническая поверхность нижней направляющей секции муфтового коннектора;
9 - коническая поверхность торцевого уплотнения металл-металл муфтового коннектора;
10 - коническая поверхность радиального замкового уплотнения «металл-металл» ниппельного коннектора;
11 - цилиндрическая поверхность верхней направляющей секции ниппельного коннектора;
12 - резьбовая поверхность ниппельного коннектора;
13 - коническая поверхность торцевого уплотнения «металл-металл» ниппельного коннектора;
14 - коническая поверхность нижней направляющей секции ниппельного коннектора;
15 - упорная боковая поверхность резьбы муфтового коннектора;
16 - цилиндрическая поверхность впадины резьбы муфтового коннектора;
17 - коническая поверхность впадины резьбы муфтового коннектора;
18 - закладная боковая поверхность резьбы муфтового коннектора;
19 - коническая поверхность вершины выступа резьбы муфтового коннектора;
20 - цилиндрическая поверхность вершины выступа резьбы муфтового коннектора;
21 - упорная боковая поверхность резьбы ниппельного коннектора;
22 - цилиндрическая поверхность вершины выступа резьбы ниппельного коннектора;
23 - коническая поверхность вершины выступа резьбы ниппельного коннектора;
24 - закладная боковая поверхность резьбы ниппельного коннектора;
25 - коническая поверхность впадины резьбы ниппельного коннектора;
26 - цилиндрическая поверхность впадины резьбы ниппельного коннектора.
27 - точка контакта боковых закладных поверхностей в процессе ручного свинчивания;
28 - точка контакта боковых закладных поверхностей после завершения силового свинчивания.
В заявляемой полезной модели предложена новая форма закладной боковой поверхности профиля резьбы - угол наклона закладной боковой поверхности резьбы на муфтовом коннекторе 18 больше, чем на ниппельном 24 (например, на муфтовом угол наклона составляет 47°, а на ниппельном коннекторе наклон закладной боковой поверхности составляет 43°). Изменение углов наклона закладных боковых поверхностей позволяет формировать благоприятные условия на ранней стадии свинчивания (увеличены зазоры). По мере свинчивания зазоры между закладным боковыми поверхностями резьбы постепенно уменьшаются и в момент завершения силовой затяжки, у корня выступа, зазор переходит в натяг в точке 28 (показано на Фиг. 6). Сформировавшееся пятно контакта, на закладных боковых поверхностях профиля позволяет:
- создать эффект расклинивания, предотвращающий вероятность самопроизвольного развинчивания резьбового соединения под действием эксплуатационных нагрузок, выполняет роль специальных стопорных элементов;
- перераспределить и уменьшить контактные напряжения, вызванные действием осевых, сжимающих нагрузок (возникающих при силовом осаживании обсадной колонны в скважину), исключить вероятность пластических деформаций на контактных поверхностях торцевого уплотнения «металл-металл», исключить вероятность появления зазора на контактных поверхностях радиального уплотнения «металл-металл» и сохранить герметичность резьбового соединения.
Взаимодействие закладных боковых поверхностей с различными углами наклона, в начальной фазе свинчивания создают благоприятные условия втягивания выступа ниппельного коннектора во впадину муфтового коннектора:
- виток резьбы ниппельного коннектора (клин с меньшим углом) свободнее входит во впадину витка муфтового коннектора (клиновидную канавку с большим углом) (показано на фиг. 5);
- при ручном свинчивании важно, чтобы детали резьбового соединения находились в подвижном состоянии друг относительно друга, это достигается уменьшением площади пятна контакта в точке 27 закладных поверхностей (показано на фиг. 5). Ручное свинчивание происходит с приложением меньшего крутящего момента, так как уменьшение площади контакта снижает силу трения скольжения (уменьшает сопротивление ручному свинчиванию от сил трения).
Также предложена новая форма вершин и впадин резьбовых поверхностей - вершина и впадина выступа резьбы выполнены с помощью двух поверхностей, одна из которых коническая, параллельна оси резьбовой поверхности 19 и 17 на муфтовом коннекторе, 23 и 25 на ниппельном коннекторе, вторая поверхность цилиндрическая, параллельна продольной оси резьбового соединения 20 и 16 на муфтовом коннекторе, 22 и 26 на ниппельном коннекторе (показано на фиг. 3).
Изменение формы вершины и впадины резьбы позволило:
- увеличить на 18% площадь контактной поверхности резьбового соединения, которая формируется от взаимодействия упорной, боковой поверхности муфтового коннектора 15 с упорной, боковой поверхности ниппельного коннектора 21 (показано на фиг. 6). Увеличение площади контакта позволило снизить внутренние напряжения от действия осевых сил растяжения и создать дополнительные условия сохранения герметичности резьбового соединения на всех этапах эксплуатации обсадной колонны направления;
- позволило улучшить условия сборки резьбовых поверхностей перед началом свинчивания. В ходе процесса погружения ниппельного коннектора внутрь муфтового коннектора резьбовые поверхности центрируются благодаря коническим поверхностям вершин выступа 23 ниппельного коннектора и коническим поверхностям вершин выступа 19 муфтового коннектора (показано на фиг. 4). При дальнейшем погружении ниппельного коннектора внутрь муфтового начинают взаимодействовать цилиндрически поверхности вершины выступа ниппельного коннектора 22, форма, которых обеспечивает необходимый и достаточный зазор для свободного прохода над вершинами выступа муфтового коннектора 20.
Все вышеперечисленные факты доказывают функциональные свойства полезной модели в деле облегчения условий сборки резьбового соединения и повышения эффективности применения обсадных труб для обустройства колонн направления.
Преследуемый технический результат в плане сохранения герметичности при действии сложных эксплуатационных нагрузок при строительстве и эксплуатации обсадных колонн направления достигается за счет того, что:
- заявленное техническое решение полезной модели предполагает создание равнопрочных телу трубы свойств резьбового соединения, достигнутого за счет применения приварных коннекторов с резьбовыми поверхностями, площадь опасного сечения которых значительно превышает площадь сечения основного тела трубы (достаточная для восприятия эксплуатационных нагрузок направляющей обсадной колонны);
- заявленное техническое решение полезной модели, предполагает применение геометрических параметров элементов резьбового соединения, гармонично сочетающихся с наружным диаметром тела трубы обсадной колонны направления. Резьбовая поверхность имеет: конусность 1:4, шаг - 6,35 мм и высоту выступа -2,54 мм, на каждом дюйме резьбовой поверхности помещается 4 витка (как у прототипа).
При проектировании полезной модели, включающее внутренние и наружные сопрягаемые элементы, расположенные коаксиально по отношению друг к другу, применены оригинальные технические решения, каждое из которых, направленно действует на повышение потребительских свойств конечного продукта и призваны повысить эффективность обустройства скважины.
Описанные выше конструктивные отличия являются существенными и взаимосвязанными с образованием устойчивых признаков, достаточных для получения указанного технического результата.
Настоящая полезная модель является новой, промышленно применимой, при использовании существующих технологий для изготовления деталей резьбовых соединений и выполнена на принципиально новом, отличном от известных конструкций, принципе взаимодействия контактирующих поверхностей.
Заявленное резьбовое соединение обсадных труб для обсадки колонн направления работает следующим образом:
- наружные контактные поверхности ниппельного коннектора 2 свободно поступательно погружаются внутрь муфтового коннектора 1, направляемые конической поверхностью замкового радиального уплотнения 5 муфтового коннектора (показано на фиг. 2);
- при дальнейшем погружении происходит скользящая посадка поверхностей направляющей секции (цилиндрическая поверхность на муфтовом 6 и ниппельном 11 коннекторах). Диаметры цилиндрических поверхностей выбраны так, чтобы между деталями оставался минимальный, но достаточный зазор, обеспечивающий центрирования ниппельного коннектора относительно муфтового и свободного перемещения деталей друг относительно друга (показано на фиг. 2);
- при дальнейшем погружении происходит центрирование деталей резьбового соединения «коническими» и «цилиндрическими» поверхностями вершин выступа резьбы (коническая поверхность 23 ниппельного коннектора взаимодействует с поверхностью 19 муфтового коннектора, цилиндрическая поверхность 22 ниппельного коннектора взаимодействует с поверхностью 20 муфтового коннектора) (показано на фиг. 4);
- при дальнейшем погружении происходит центрирование поверхностей нижней направляющей секции (коническая поверхность 14 ниппельного коннектора взаимодействует с поверхностью 8 муфтового коннектора), (показано на фиг. 2);
- при дальнейшем погружении происходит контакт закладных боковых поверхностей резьбы 24 ниппельного коннектора с закладными боковыми поверхностями 18 муфтового коннектора (шесть витков резьбовой поверхности ниппельного коннектора 12 одновременно вступают в контакт с резьбовой поверхностью муфтового коннектора 7) и дальнейшее поступательное движение ниппельного коннектора без вращения становится невозможно (показано на фиг. 5);
- дальнейшая сборка резьбового соединения происходит методом ручного свинчивания резьбовых поверхностей с конусностью 1:4. Процесс ручного свинчивания происходит при контакте закладной боковой поверхностью 24 ниппельного коннектора с закладной боковой поверхностью 19 муфтового коннектора в точке 27, (показано на фигуре 5), при этом площадь пятна контакта закладных боковых поверхностей резьбы не увеличивается, что уменьшает силу трения скольжения (показано на фиг. 5);
- при дальнейшем свинчивании вступает в контакт коническая поверхность 10 на ниппельном коннекторе и коническая поверхность 5 на муфтовом коннекторе создается контактная поверхность радиального герметизирующего уплотнения «металл - металл» (показано на фиг. 2);
- при дальнейшем свинчивании «силовая затяжка» вступают в контакт поверхности торцевого уплотнения «металл-металл» (коническая поверхность 13 на ниппельном коннекторе и коническая поверхность 9 на муфтовом коннекторе) (показано на фиг. 2). Зазоры между закладными боковыми поверхностям выступов резьбы постепенно уменьшаются и в момент завершения силовой затяжки, у корня выступа, зазор переходит в натяг в точке 28 (показано на Фиг. 6). Сформировавшееся пятно контакта, на закладных боковых поверхностях профиля позволяет создать эффект расклинивания, предотвращающий вероятность самопроизвольного развинчивания резьбового соединения под действием эксплуатационных нагрузок (выполняет роль специальных стопорных элементов);
- при дальнейшем свинчивании происходит «докрепление» резьбового соединения. При заданном крутящем моменте, контактные поверхности торцевого и радиального уплотнений «металл-металл» приобретают заданную величину натяга, на контактных поверхностях, создается пятно контакта, гарантирующие герметичность резьбового соединения, после чего дальнейшее свинчивание сопрягаемых элементов прекращается.