РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ ОБСАДНЫХ ТРУБ
THREADED JOINT OF CASING PIPES

Изобретение относится к муфтовым резьбовым соединениям обсадных труб и может быть использовано для соединения элементов колонн обсадных труб, применяемых при разработке месторождений на континентальном шельфе, строительстве скважин высокой сложности, в том числе сверхглубоких наклонно-направленных и горизонтальных с большой протяженностью, а также при спуске колонны с вращением и цементированием.
Обсадные трубы для нефтяных, газовых и газоконденсатных скважин эксплуатируются в сложных условиях - в присутствии агрессивных рабочих сред и при значительных разнонаправленных комбинированных механических нагрузках (растяжение, сжатие, изгиб). В связи с этим основным требованием к резьбовым соединениям обсадных труб является сохранение герметичности соединения, в том числе газовой, при высоких уровнях механических нагрузок.
Известно резьбовое соединение нефтепромысловых труб (патент РФ №2338866, Е21В 17/042, F16L 15/00, опубл. 20.11.2008), принятое в качестве прототипа, которое содержит охватываемый и охватывающий элементы, на концах которых на наружной и внутренней поверхностях соответственно выполнены трапецеидальные конические резьбы. Профиль витка резьбы указанного соединения имеет отрицательный угол наклона по опорной грани. При этом соединение выполнено с внутренним герметизирующим узлом, образованным контактирующими между собой радиальными уплотнительными поверхностями, выполненными коническими, и упорными торцевыми поверхностями. Упорные торцевые поверхности выполнены под углом 5-25° к нормали осевой линии резьбы.
Однако резьбовое соединение нефтепромысловых труб не выдерживает стопроцентной нагрузки на сжатие и растяжение и не обеспечивает уровня герметичности, необходимого для эксплуатации резьбового соединения труб в газовых и газоконденсатных скважинах.
Задача, на достижение которой направлено заявляемое изобретение - создание резьбового соединения обсадных труб с повышенными техническими и эксплуатационными характеристиками, соответствующего по прочностным характеристикам телу трубы и обеспечивающего газогерметичность при эксплуатации в особо сложных условиях (предельных комбинированных сжимающих, растягивающих нагрузках, крутящем моменте).
Технический результат, обеспечиваемый изобретением, заключается в выдерживании соединением стопроцентной нагрузки на сжатие и растяжение, сохранении герметичности соединения во всех средах при указанных нагрузках, стойкости к высокому крутящему моменту, улучшении характеристик свинчиваемости соединения.
Указанный технический результат достигается тем, что в резьбовом соединении обсадных труб, содержащем охватываемый и охватывающий элементы, на концах которых на наружной и внутренней поверхностях, соответственно, выполнены трапецеидальные конические резьбы и образующие внутренний герметизирующий узел контактирующие между собой радиальные уплотнительные и упорные торцевые поверхности, выполненные под углом 9-11° к нормали осевой линии резьбы, согласно изобретению, трапецеидальные резьбы на охватываемом и охватывающем элементах выполнены с конусностью 1:16, угол наклона закладной грани профиля витка резьб составляет 14-16° к нормали осевой линии резьбы, угол наклона опорной грани профиля витка резьб составляет от -4 до -6° к нормали осевой линии резьбы, вершины и впадины профиля витка резьб параллельны осевой линии резьбы, при этом радиальные уплотнительные поверхности на охватываемом и охватывающем элементах выполнены в виде сферических поверхностей, вогнутой и выпуклой, соответственно, радиус сферы уплотнительной поверхности охватываемого элемента больше, чем радиус сферы уплотнительной поверхности охватывающего элемента, причем радиальные уплотнительные поверхности и упорные торцевые поверхности на охватываемом и охватывающем элементах разделены участком цилиндрических поверхностей, переход от цилиндрических поверхностей к упорным торцевым поверхностям на охватываемом и охватывающем элементах выполнен в виде сложной поверхности, состоящей из двух сферических поверхностей, при этом радиус сферической поверхности, примыкающей к цилиндрическим поверхностям, меньше, чем радиус сферической поверхности, примыкающей к упорным торцевым поверхностям.
Изобретение иллюстрируется рисунками, где на фиг. 1 показано резьбовое соединение обсадных труб в сборе, на фиг. 2 показан элемент герметизирующего узла охватываемого элемента, на фиг. 3 показан элемент герметизирующего узла охватывающего элемента и на фиг. 4 показан профиль трапецеидальной конической резьбы соединения.
Герметичное резьбовое соединение обсадных труб содержит охватываемый 1 и охватывающий 2 элементы, на концах которых на наружной и внутренней поверхностях, соответственно, выполнены трапецеидальные конические резьбы 3. Охватываемый элемент 1 представляет собой ниппель, а охватывающий элемент 2 - муфту.
Профиль витка резьбы 3 представляет собой неравнобедренную трапецию, боковые стороны которой выполнены в виде опорной 4 и закладной 5 граней, имеющих различные углы наклона к нормали осевой линии резьбы. При свинчивании соединения с такой резьбой опорные грани 4 профиля витка резьбы 3 на охватываемом 1 и охватывающем 2 элементах контактируют между собой и воспринимают действующие на соединение осевые растягивающие нагрузки, что обеспечивает высокую прочность соединения. Одновременно при свинчивании соединения по закладным граням 5 профиля витка резьб образуется конструктивный зазор, что обеспечивает улучшение характеристик свинчиваемости соединения - возможность многократного свинчивания-развинчивания без повреждения (задиров) контактирующих поверхностей резьбы и при сохранении эксплуатационных характеристик соединения, предотвращение заклинивания соединения при его сборке.
Резьбы 3 на охватываемом 1 и охватывающем 2 элементах выполнены с конусностью 1:16. Выполнение резьб с конусностью 1:16 обеспечивает высокую степень их зацепления друг с другом при свинчивании соединения и возможность восприятия соединением изгибающих и растягивающих нагрузок, действующих во время эксплуатации соединения, а также сохраняет высокие характеристики свинчиваемости соединения.
Угол наклона закладной грани 5 профиля витка резьбы 3 на охватываемом 1 и охватывающем 2 элементах составляет 14-16° к нормали осевой линии резьбы, а угол наклона опорной грани 4 профиля витка резьбы 3 составляет от -4 до -6° к нормали осевой линии резьбы. Под нормалью осевой линии резьбы понимается перпендикуляр, проведенный к осевой линии резьбы.
Выполнение угла наклона закладной грани 5 профиля витка резьбы 3 величиной 14-16° к нормали осевой линии резьбы 3 облегчает свинчиваемость соединения за счет стабилизации положения охватываемого 1 и охватывающего 2 элементов относительно друг друга на начальном этапе свинчивания, что предотвращает заклинивание соединения и повреждение (образование задиров) поверхностей витков резьб 3.
Отрицательный угол наклона опорной грани 4 профиля витка резьбы 3 (от -4 до -6°) исключает возможность выхода резьб 3 на охватываемом 1 и охватывающем 2 элементах из зацепления друг с другом при предельных растягивающих нагрузках, воздействующих на соединение под действием собственного веса колонны, опускаемой в скважину. Также достигается снижение величины радиального натяга в резьбе, что обеспечивает высокую износостойкость соединения, улучшает его работоспособность при повышенных нагрузках.
Вершины и впадины профиля витка резьб 3 выполнены параллельными осевой линии резьбы, что исключает заедание резьб 3 на начальном этапе свинчивания.
Вышеописанный профиль резьб 3 обеспечивает выдерживание соединением стопроцентной нагрузки на сжатие и растяжение, стойкость к износу резьбы, предотвращает повреждение поверхностей при свинчивании и передачу избыточных нагрузок на зону упорных торцевых поверхностей 8, 9 за счет минимальной подвижности резьбы.
Соединение выполнено с внутренним герметизирующим узлом, образованным контактирующими между собой радиальными уплотнительными 6, 7 и упорными торцевыми 8, 9 поверхностями, выполненными на охватываемом 1 и охватывающем 2 элементах соединения.
Наличие в соединении герметизирующего узла, радиальные уплотнительные 6, 7 и упорные торцевые 8, 9 поверхности которого контактируют между собой со значительными контактными напряжениями, с возникновением деформации в упругой области и образованием уплотнения типа «металл-металл», обеспечивает высокую герметичность соединения при воздействии на него разнонаправленных комбинированных механических нагрузок.
1
2
Радиальные уплотнительные поверхности 6, 7 соединения выполнены в виде контактирующих между собой сферических поверхностей: вогнутой на охватываемом элементе 1 и выпуклой - на охватывающем элементе 2. При этом радиус R сферы уплотнительной поверхности 6 охватываемого элемента 1 больше, чем радиус R сферы уплотнительной поверхности 7 охватывающего элемента 2. Выполнение радиальных уплотнительных поверхностей 6, 7 различных радиусов обеспечивает увеличение площади их контакта и высокий уровень контактных напряжений, максимальную герметичность соединения при любых сочетаниях нагрузок, в том числе газогерметичность. Кроме того, выполнение уплотнительной поверхности 6 охватываемого элемента 1 вогнутой исключает ее повреждение при внешних механических воздействиях плоскими предметами (например, поверхностью труб при раскатке на стеллаже).
Радиальные уплотнительные поверхности 6, 7 выполнены на расстоянии от упорных торцевых поверхностей 8, 9, их разделяет участок цилиндрических поверхностей 10, 11, образующих при свинчивании соединения зазор. Удаление зоны контакта радиальных уплотнительных поверхностей 6, 7 от упорных торцевых поверхностей 8, 9 обеспечивает максимальные контактные напряжения при минимальном влиянии на их уровень деформаций, возникающих по контактирующим поверхностям. Форма уплотнительных поверхностей выполнена таким образом, что в процессе свинчивания контакт смещается от исходного положения, что значительно снижает вероятность их повреждений (образование задиров) и гарантирует максимальную герметичность соединения при любых сочетаниях нагрузок, в том числе газогерметичность.
Выполнение упорных торцевых поверхностей 8, 9 под углом 9-11° к нормали осевой линии резьбы 3 обеспечивает "поджатие" и фиксацию радиальных уплотнительных поверхностей 6, 7 соединения, создает его устойчивость к сжимающим нагрузкам, обеспечивает дополнительный уплотнительный барьер. Кроме того, обеспечивается четкое позиционирование охватываемого 1 и охватывающего 2 элементов относительно друг друга, точное фиксирование заданной величины натяга и крутящего момента в процессе свинчивания соединения - то есть улучшенные характеристики свинчиваемости, возможность контроля свинчивания соединения. Также увеличенная за счет угла наклона (9-11°) площадь контакта упорных торцевых поверхностей 8, 9 друг с другом при свинчивании соединения позволяет увеличить крутящий момент свинчивания при сохранении контактных напряжений на необходимом уровне в пределах упругой деформации.
При увеличении указанных углов наклона упорных торцевых поверхностей 8, 9 выше заявленных пределов начинают возникать значительные деформации внутреннего диаметра охватывающего элемента 2 при сжатии или перекручивании соединения. При уменьшении углов ниже заявленных пределов теряется эффект клина, так как клин охватывающего элемента 2 становится более жестким в осевом направлении.
3
4
Переход от цилиндрических поверхностей 10, 11 к упорным торцевым поверхностям 8, 9 на охватываемом 1 и охватывающем 2 элементах выполнен в виде сложной поверхности, состоящей из двух сферических поверхностей 12, 13 с различными радиусами. При этом радиус R сферической поверхности 12, примыкающей к цилиндрическим поверхностям 10, 11, меньше радиуса R сферической поверхности 13, примыкающей к упорным торцевым поверхностям 8, 9.
3
4
Указанный переход, выполненный в виде сложной поверхности, состоящей из двух сферических поверхностей 12, 13 с различными радиусами R и R, исключает смещение упорной торцевой поверхности 8 охватываемого элемента 1 в радиальном направлении, обеспечивая максимальное сопротивление избыточному крутящему моменту и сжимающим нагрузкам. При этом на поверхностях 12, 13 отсутствует область отрицательных напряжений, что исключает проявление коррозии в агрессивной среде.
Резьбовое соединение обсадных труб работает следующим образом. При выполнении операции свинчивания соединения первоначально осуществляется взаимодействие охватываемого 1 и охватывающего 2 элементов с помощью трапецеидальных конических резьб 3, выполненных на концах наружной поверхности охватываемого элемента 1 и внутренней поверхности охватывающего элемента 2. Далее в процессе свинчивания соединения происходит продвижение радиальной уплотнительной поверхности 6 охватываемого элемента 1 вдоль уплотнительной поверхности 7 охватывающего элемента 2 и их взаимодействие. За счет деформаций радиальных уплотнительных поверхностей 6, 7 создается уплотнение типа "металл-металл". Одновременно происходит взаимодействие упорных торцевых поверхностей 8, 9. Окончание процесса свинчивания соединения происходит при смыкании упорных торцевых поверхностей 8, 9, выполненных на охватываемом 1 и охватывающем 2 элементах.
Для проведения испытаний заявляемого резьбового соединения обсадных труб были изготовлены образцы №№1 и 2. В качестве заготовки для образца №1 использована обсадная труба номинальным диаметром 177,8 мм. На внешней поверхности охватываемого элемента и внутренней поверхности охватывающего элемента образца №1 выполнены трапецеидальные конические резьбы с шагом 6,35 мм. Сформированы элементы внутреннего герметизирующего узла.
Для образца №2 в качестве заготовки использована обсадная труба номинальным диаметром 114 мм. На внешней поверхности охватываемого элемента и внутренней поверхности охватывающего элемента образца №2 выполнены трапецеидальные конические резьбы с шагом 5,08 мм. Сформированы элементы внутреннего герметизирующего узла.
Кроме того, были изготовлены образцы №№3 и 4, выполненные с геометрическими параметрами прототипа.
Основные геометрические параметры резьбы образцов и виды испытаний приведены в таблице. Испытания образцов проводили на выдерживание соединением стопроцентной нагрузки на сжатие и растяжение с определением газогерметичности.
Как видно из таблицы, при испытании образцов №№1 и 2, выполненных в соответствии с заявляемым изобретением, резьбовое соединение сохранило газогерметичность при нагрузках на сжатие и растяжение, рассчитанных по телу трубы (100%). А образцы №№3 и 4, выполненные с геометрическими параметрами прототипа, при испытании выдержали только 60% расчетной нагрузки по телу трубы.
При использовании предлагаемого резьбового соединения достигается выдерживание соединением стопроцентной нагрузки на сжатие и растяжение, газогерметичность при указанных нагрузках, стойкость к высокому крутящему моменту и улучшение характеристик свинчиваемости.