БЫСТРОСБОРНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ОБСАДНЫХ ТРУБ

Заявленная полезная модель относится к области нефтегазодобывающей промышленности, в частности к безрезьбовым быстросборным соединениям обсадных труб, и может быть использована для соединения элементов колонн обсадных труб, в которых необходимо быстрое отделение полости скважины от внешней среды. В частности, соединение предназначено для соединения таких элементов обсадной колонны как направления и кондуктора.
Направления и кондуктора используются в верхних горизонтах скважин для установки направления скважины и предупреждения размыва и обрушения верхних неустойчивых горных пород, насыщенных водой. Основными требованиями, предъявляемыми как к направлениям и кондукторам, так и к элементам их соединений, являются стойкость к механическим, в основном растягивающим, нагрузкам, водогерметичность. Также одним из основных требований к элементам соединений направлений и кондукторов является простота в эксплуатации.
Из уровня техники известно безрезьбовое быстросборное соединение труб, содержащее привариваемые к концам труб наконечники с кольцевыми канавками, в которых при сборке соединения размещаются соответствующие выступы полувтулок (SU 577349, 25.10.1977, Сыктывкарский механический завод, F16L 37/14 (1). На полувтулки надвигают стопорное кольцо. Фиксируется конструкция стопорящим элементом - шплинтом. Соединение труб, описанное в документе (1), не обеспечивает простоту в эксплуатации - обладает большим количеством составляющих элементов, сложностью сборки и разборки.
Также из уровня техники известно соединение обсадных труб нефтяных, газовых и других скважин, содержащее соединяемые трубы с наружными кольцевыми проточками на концах и муфту с внутренними кольцевыми проточками. Проточки на трубах и муфте при сборке соединения должны быть совмещены с образованием пространства, в которые устанавливаются упорные и уплотнительные кольца и стопорное кольцо, состоящее из набора сегментов (SU 1366763, 15.01.1988, Татарский ГНИПИ нефтяной промышленности, F16L 37/08 (2). На конце одной из труб выполнена дополнительная внутренняя проточка для размещения дополнительного уплотнительного кольца. Описанная в документе (2) конструкция соединения не обеспечивает его надежную и стабильную работу при растягивающих нагрузках, воздействующих на колонну обсадных труб, - возникает вероятность выхода элементов соединения из зацепления друг с другом. Наличие большого количества составляющих элементов обуславливают сложность сборки и разборки соединения.
Данное техническое решение (2) принято в качестве прототипа заявленной полезной модели.
Задача, на достижение которой направлена заявленная полезная модель - создание быстросборного соединения обсадных труб, обладающего простотой в эксплуатации при сохранении высокой стойкости к растягивающим нагрузкам и водогерметичности.
Техническим результатом, обеспечиваемым заявленной полезной моделью, является достижение высокой стойкости соединения к растягивающим нагрузкам (за счет предотвращения выхода элементов соединения из зацепления друг с другом) и его высокой водогерметичности при простоте в эксплуатации.
Заявленная конструкция полезной модели обеспечивает простоту в эксплуатации соединения - быстроту сборки и разборки соединения, отсутствие необходимости применения специального оборудования и высококвалифицированного персонала, надежную стабилизацию элементов соединения относительно друг друга, контроль сборки соединения на слух, без применения специальных средств контроля.
Быстросборное соединение обсадных труб содержит ниппельный и муфтовый элементы и соединяющее их стопороное кольцо, на внутренней поверхности стопорного кольца выполнена продольная кольцевая проточка (4), боковые поверхности (5, 6) которой расположены под углом 90° к осевой линии соединения, для зацепления со стопорным кольцом на муфтовом элементе выполнена кольцевая проточка (15), на ниппельном элементе - выступ (11), боковая поверхности (16) проточки (15) и боковая поверхность (14) выступа (11), предназначенные для зацепления со стопорным кольцом, расположены под углом 90° к осевой линии соединения, на конце ниппельного элемента выполнена кольцевая проточка (10) для размещения в ней уплотнительного эластичного кольца, при этом боковая поверхность (5) проточки (4) стопорного кольца, зацепляющаяся с муфтовым элементом, имеет длину большую, чем боковая поверхность (6) проточки (4), зацепляющаяся с ниппельным элементом, в стопорном кольце выполнены не менее двух резьбовых отверстия (7) для установки размыкающих болтов, внутренняя поверхность стопорного кольца со стороны ниппельного элемента образована двумя поверхностями, одна их которых (8), примыкающая к боковой поверхности (6) проточки (4), расположена параллельно, а другая (9) - под углом 14-16° к осевой линии соединения, на ниппельном элементе выполнен выступ (11), поверхность вершины которого образована двумя поверхностями, расположенными одна (12) параллельно, другая (13) - под углом 17-20° к осевой линии соединения, на ниппельном элементе выполнена проточка (17), поверхность впадины которой, ответная поверхности (9) стопорного кольца, расположена под углом 14-16° к осевой линии соединения.
В частном исполнении заявленной полезной модели в стопорном кольце выполнены два резьбовых отверстия (7), расположенных с двух сторон от оси симметрии стопорного кольца, под углом 90° к указанной оси.
В другом частном исполнении заявленной полезной модели в стопорном кольце выполнены четыре резьбовых отверстия (7), расположенных попарно и симметрично с двух сторон от оси симметрии стопорного кольца, под углами 45° и 135° к указанной оси.
В другом частном исполнении заявленной полезной модели в стопорном кольце выполнены четыре резьбовых отверстия (7), расположенных попарно и симметрично с двух сторон от оси симметрии стопорного кольца, под углами 10-20° и 135° к указанной оси.
В другом частном исполнении заявленной полезной модели с целью предотвращения проворачивания ниппельного и муфтового элементов соединения друг относительно друга, в муфтовом элементе выполнены два резьбовых отверстия (18) для установки стопорных элементов, а на ниппельном элементе выполнены две выемки для захода в них стопорных элементов.
На фиг. 1 показано заявленное быстросборное соединение обсадных труб в собранном состоянии.
На фиг. 2 показаны варианты размещения на стопорном кольце резьбовых отверстий (7) для установки размыкающих болтов.
Быстросборное соединение обсадных труб содержит ниппельный (1) и муфтовый (2) элементы и соединяющее их стопороное кольцо (3). На внешних поверхностях ниппельного (1) и муфтового (2) элементов, также как и на внутренней поверхности стопорного кольца (3), выполнен ряд выступов и проточек, обеспечивающих стабилизацию и центрирование ниппельного (1) и муфтового (2) элементов соединения и стопорного кольца (3), а также надежное зацепление их друг с другом.
На внутренней поверхности стопорного кольца (3) выполнена продольная кольцевая проточка (4), боковые поверхности (5, 6) которой расположены под углом 90° к осевой линии соединения. Для зацепления со стопорным кольцом (3) на муфтовом элементе (2) выполнена кольцевая проточка (15), на ниппельном элементе (1) - выступ (11). Боковая поверхность (16) проточки (15) и боковая поверхность (14) выступа (11), предназначенные для зацепления со стопорным кольцом (3), расположены под углом 90° к осевой линии соединения.
Расположение боковых поверхностей (5, 6, 16, 14) под углом 90° к осевой линии соединения обеспечивает быстроту и надежность сборки и разборки соединения, собираемого при вертикальном расположении ниппельного (1) и муфтового (2) элементов, при отсутствии повреждений указанных поверхностей. Дополнительно обеспечивается надежное зацепление боковых поверхностей (5, 16) и (6, 14) друг за друга, что обуславливает стойкость заявленного соединения к растягивающим нагрузками.
На конце ниппельного элемента (1) выполнена кольцевая проточка (10) для размещения в ней уплотнительного эластичного кольца. Наличие уплотнительного эластичного кольца обеспечивает необходимый уровень герметизации (водогерметичности) заявленного соединения.
Боковая поверхность (5) проточки (4) стопорного кольца (3), зацепляющаяся с муфтовым элементом (2), имеет длину большую, чем боковая поверхность (6) проточки (4), зацепляющаяся с ниппельным элементом (1). Указанное соотношение длин боковых поверхностей (5), (6) обеспечивает необходимую последовательность сборки соединения - стопорное кольцо (3) сначала устанавливается на муфтовый элемент (2), потом полученная конструкция вертикально опускается на ниппельный элемент (1) до момента защелкивания соединения. При этом, за счет превышения длины боковой поверхности (5) над длиной боковой поверхности (6), стопорное кольцо (3), испытывающее расширяющую нагрузку при защелкивании с ниппельным элементом (1), не выходит из зацепления с муфтовым элементом (2). Достигается стабилизация элементов соединения друг относительно друга.
В стопорном кольце (3) выполнены резьбовые отверстия (7) для установки размыкающих болтов. Использование размыкающих болтов обеспечивает быструю и удобную разборку соединения. Разборка происходит путем равномерного вкручивания размыкающих болтов в резьбовые отверстия (7) на стопорном кольце (3) на максимально возможную глубину. При этом кольцо (3) выходит из муфтового элемента (2) полностью и сбивается вниз, в направлении ниппельного элемента (1).
Внутренняя поверхность стопорного кольца (3) со стороны ниппельного элемента (1) образована двумя поверхностями, одна их которых (8), примыкающая к боковой поверхности (6) проточки (4), расположена параллельно, а другая (9) - под углом 14-16° к осевой линии соединения.
На ниппельном элементе (1) выполнен выступ (11), поверхность вершины которого образована двумя поверхностями, расположенными одна (12) параллельно, другая (13) - под углом 17-20° к осевой линии соединения.
При сборке соединения муфтовый элемент (2) с установленным на нем стопорным кольцом (3) вертикально опускается на ниппельный элемент (1). Поверхности (9) и (13) соприкасаются, но при угле наклона поверхности (13) большем, чем угол наклона поверхности (9), дальнейшего продвижения стопорного кольца (3) не происходит. Тогда, под действием собственного веса соединения, стопорное кольцо (3) расширяется и продвигается вдоль ниппельного элемента до четко фиксируемого на слух защелкивания (смыкания поверхностей (6) и (14).
Поверхность (13), выполненная под углом 17-20° к осевой линии соединения, работает при защелкивании соединения как направляющая, облегчающая продвижение относительно нее поверхности (9).
Таким образом, углы наклона поверхностей (9) (14-16°) и (13) (17-20°) имеют оптимальное соотношение для обеспечения с одной стороны неразрушения стопорного кольца (3) при его расширении и с другой стороны надежного, четко фиксируемого на слух защелкивании соединения без повреждения контактирующих поверхностей.
На ниппельном элементе (1) выполнена проточка (17), поверхность впадины которой, ответная поверхности (9) стопорного кольца (3), расположена под углом 14-16° к осевой линии соединения.
Таким образом, заявленное соединение обеспечивает высокую стойкость соединения к растягивающим нагрузкам (за счет предотвращения выхода элементов соединения из зацепления друг с другом) и водогерметичность при простоте в эксплуатации - быстроте сборки и разборки соединения, отсутствии необходимости применения специального оборудования и высококвалифицированного персонала, надежной стабилизации элементов соединения относительно друг друга, контроле сборки соединения на слух, без применения специальных средств контроля.
Соединение собирают следующим образом.
Стопорное кольцо (3) первоначально одевается на муфтовый элемент (2). Муфтовый элемент (2) со стопорным кольцом (3) центрируется относительно ниппельного элемента (1) и вертикально опускается на ниппельный элемент (2) до защелкивания стопорного кольца (3) на ниппельном элементе (1) (вхождения контактирующих поверхностей ниппельного элемента (2) и стопорного кольца (3) в зацепление).
Разборка соединения происходит путем равномерного вкручивания установочных болтов в резьбовые отверстия (7) на стопорном кольце (3) на максимально возможную глубину, до полного выхода кольца (3) из муфтового элемента (2). Далее с помощью ударных нагрузок, направленных сверху вниз, стопорное кольцо (3) спускается вниз до его полного освобождения.
Примеры осуществления полезной модели.
Проведены испытания образцов обсадных труб с заявленным соединением.
Образцы ниппельного и муфтового элементов выполнены из стали марки 20Г, образцы стопорного кольца - из стали марки 60С2А. Номинальный диаметр образцов ниппельного элемента - 508 мм, толщина стенки - 15,9 мм. Внешний диаметр образцов стопорного кольца - 567 мм, внутренний - 476 мм.
Основные параметры образцов и результаты испытаний приведены в таблице 1.
Заявленное соединение может быть использовано при работе с элементами колонн обсадных труб диаметром от 20 до 30 дюймов.