Резьбовое соединительное устройство для трубных элементов водоотделяющей колонны

Устройство относится к области строительства нефтяных и газовых скважин на шельфе, в частности к резьбовому соединительному устройству для вертикальных труб больших диаметров 508 мм и более водоотделяющей колонны, а именно первой обсадной колонны (направление), защищающей водную биосферу водоема от технологической жидкости, которая циркулирует в процессе углубления скважины под следующую колонну.
Известно, что обсадные трубы относятся к длинномерным изделиям и свинчиваются между собой в колонну в вертикальном положении. Условия работы данного вида колонны и ее соединений характеризуются воздействием нагрузок вращения, изгиба, ударных, растягивающих и других, приводящих в комплексе к расслаблению напряженно-деформированного состояния соединения, созданного при монтаже и, как следствие, к отказам.
Сохранение в этих условиях необходимых эксплуатационных качеств соединения (герметичность, прочность) достигается за счет соответствующих конструктивных решений и технологических параметров монтажа, обеспечивающих необходимый уровень монтажных напряжений при свинчивании. Практически это достигается обеспечением необходимого уровня плотной сопряженности элементов соединения, нарушить которую не в состоянии нагрузки, действующие на всех этапах работы колонны.
В процессе свинчивания труба под действием ветровых нагрузок вследствие недостаточного центрирования буровой вышки и других факторов отклоняется от центра, что приводит к негативным явлениям в резьбе при свинчивании - «заеданиям» по виткам резьбы, свинчиванию с перекосом витков, непредсказуемой динамике величины момента свинчивания (ложным сигналам о достижении заданного момента), замедлению спуска колонны, попаданию дефектных соединений в скважину, отказам и др.
С целью обеспечения вертикального положения трубы при свинчивании на нижней детали верхней трубы (ниппеле) перед резьбой выполняется гладкий направляющий элемент.
Из уровня техники известно муфтовое резьбовое соединение обсадных труб, содержащее ниппель и муфту, на концах которых на наружной и внутренней поверхностях соответственно выполнены трапецеидальные конические резьбы с углом наклона опорной грани профиля витка 3° к нормали осевой линии ниппеля и муфты и углом наклона закладной грани профиля витка 30° к нормали осевой линии ниппеля и муфты, и образующие внутренний упор соединения упорный торец ниппеля и упорный уступ муфты, контактирующие между собой и расположенные под углом 90° к осевой линии ниппеля и муфты, отличающееся тем, что соединение используется для диаметров обсадных труб 346-622 мм, конусность резьбы составляет 1:8, шаг резьбы - 8,467 мм, при этом высота профиля витка резьбы муфты превышает высоту профиля витка резьбы ниппеля на 0,1 мм (RU 165748 U1, Е21В 17/042, Е21В 17/08, опубл. 10.11.2016).
Недостатком известного решения является применение трапецеидального профиля резьбы, а также конусность, составляющая 1:8, что не позволяет гарантировать сохранение плотного сопряжения, прочности и герметичности известного соединения после его монтажа в процессе эксплуатации при воздействии ударных нагрузок, а также не обеспечивает быстрый монтаж трубных элементов в колонну в вертикальном положении. Следующим недостатком технического решения RU 165748 U1 является отсутствие торцевого упора за резьбовой частью ниппеля, что также не обеспечивает достаточную плотность сопряжения трубных элементов, и. как следствие, приводит к необходимости довинчивания резьбового соединения при сопряжении элементов и использования специальных средств контроля момента окончания процесса свинчивания.
Из RU 2398153 С1 F16L 15/00, Е21В 17/042, опубл. 27.08.2010 известно герметичное резьбовое соединение нефтепромысловых труб, которое образовано охватываемой и охватывающей трубами с упорными коническими резьбами с конусностью 1:16 и углом профиля от 12,5° до 13,5°. Профиль упорной конической резьбы имеет вид неравнобедренной трапеции с упорной гранью витка, расположенной под большим углом к направлению действия нагрузки. Охватываемая и охватывающая трубы контактируют между собой коническими опорными поверхностями, выполненными соответственно на внешней и внутренней поверхностях труб на участке между конической резьбой и торцом трубы и соответственно между конической резьбой и телом трубы в виде конической опорной поверхности с конусностью 1:10 в сторону каждой из труб. Конические упорные поверхности выполнены соответственно на торце охватываемой трубы в виде конической упорной торцевой поверхности с углом конусности от 74,5° до 75,5° в направлении охватываемой трубы и на внутренней поверхности охватывающей трубы на участке перехода конической опорной поверхности к телу трубы в виде конической упорной поверхности с углом конусности от 74,5° до 75,5° в направлении охватывающей трубы. На охватываемой трубе выполнена цилиндрическая расточка, параллельная оси указанной трубы, а на охватывающей трубе выполнена цилиндрическая расточка, параллельная оси указанной трубы. Цилиндрические расточки выполнены таким образом, что при сборке резьбового соединения образуют полость, которая с одной стороны ограничена цилиндрической расточкой на охватываемой трубе, а с другой стороны - цилиндрической расточкой на охватывающей трубе. Длины цилиндрических расточек находятся в определенных интервалах величин зависимостей.
Недостатком известного решения является применение профиля упорной конической резьбы в виде неравнобедренной трапеции, а также конусности, составляющей 1:10, что не позволяет гарантировать плотную сопряженность, прочность, герметичность смонтированного известного резьбового соединения, а также не позволяет производить быстрый монтаж трубных элементов в колонну в вертикальном положении. Следующим недостатком технического решения RU 2398153 С1 является отсутствие торцевого упора за резьбовой частью ниппеля, что не обеспечивает достаточную плотность сопряжения трубных элементов, и, как следствие, приводит к необходимости довинчивания резьбового соединения при сопряжении элементов и использования специальных средств контроля момента окончания процесса свинчивания.
Из уровня техники также известно герметичное резьбовое соединение с множеством уплотнений для вертикальных труб подводной водоотделяющей колонны (RU 2117133 С1, E21D 17/042, опубл. 10.08.1998), которое является наиболее близким к предложенной полезной модели и выбрано в качестве прототипа. Соединение снабжено крупной резьбой с острыми торцами и несущими торцами, приспособленными для того, чтобы выдерживать высокие нагрузки. Соединение снабжено множеством уплотняющих средств, размещенных в теле соединения и изолирующих резьбу от воздействия текучих сред, находящихся снаружи соединения или в его канале, что обеспечивает повышение герметичности соединений труб подводной водоотделяющей колонны.
Недостатком известного решения является применение трапецеидального профиля резьбы, активные грани которой предпочтительно наклонены под 45° (от 40° до 60°) относительно оси соединения, а несущие грани резьбы наклонены наружу и вниз под углом от 1° до 5°, предпочтительно на 3° относительно плоскости, перпендикулярной к оси соединения.
Общим недостатком прототипа и других известных технических решений является невозможность сохранения на всех стадиях эксплуатации оптимального напряженно-деформированного состояния соединения трубных элементов без увеличения наружных габаритов резьбового соединительного устройства. Это не позволяет гарантировать сохранение эксплуатационных характеристик колонны из соединенных трубных элементов при воздействии комплекса внешних нагрузок. Также по-прежнему требуется повысить качество и скорость монтажа труб в колонну в вертикальном положении. Другой проблемой выбранного в качестве прототипа технического решения является образование при высококонтактном трении «мостиков холодной сварки» (заеданий) в трущихся поверхностях.
Настоящая полезная модель направлена на решение проблемы, которая состоит в создании резьбового соединительного устройства для трубных элементов водоотделяющих колонн (направлений), обеспечивающего сохранение эксплуатационных характеристик при длительном воздействии комплекса внешних нагрузок: ударных, растягивающих, нагрузок вращения, изгиба.
В соответствии с настоящей полезной моделью предложено резьбовое соединительное устройство для трубных элементов водоотделяющей колонны (направление), содержащее ниппель, муфту, сопрягающиеся друг с другом посредством слабоконической резьбы, выполненной на части внешней поверхности ниппеля и части внутренней поверхности муфты, при этом ниппель содержит гладкий направляющий слабоконический элемент, продолжающийся от конца резьбовой части, длиной не менее шага резьбы, отличающееся тем, что профиль резьбы выполнен прямоугольным, причем вершины и впадины резьбы параллельны образующей конуса резьбы, конусность которой составляет 1:64 и в момент окончания монтажа находится в плотно-напряженном контакте.
Таким образом, технический результат, обеспечиваемый полезной моделью, состоит в сохранении достигнутых при монтаже эксплуатационных характеристик соединения трубных элементов водоотделяющих колонн благодаря прямоугольному профилю резьбы с конусностью, совпадающей с конусностью резьбы, которая составляет 1:64.
В отличие от прототипа надежность сохранения на всех стадиях эксплуатации оптимального напряженно-деформированного состояния соединения трубных элементов согласно настоящему соединительному устройству без увеличения наружных габаритов достигается за счет плотности сопряжения всех контактных поверхностей резьб ниппеля и муфты при малой конусности, составляющей 1:64 и значительной ширине витков резьбы. Используемая в резьбовом соединительном устройстве для трубных элементов конусность 1:64, позволяет без увеличения габаритов соединения создать в нем напряженно-деформированное состояние, способное обеспечить плотный контакт, сохраняться и сохранять тем самым его эксплуатационные характеристики, а именно и повышенную прочность и герметичность, при длительном воздействии комплекса внешних нагрузок (особенно ударных), повышая качество и ускоряя монтаж труб в колонну в вертикальном положении. Этому же способствуют прямоугольный профиль резьбы и плотно сопрягаемые протяженные поверхности вершин и впадин витков резьбы.
В последующем описании показано и более подробно описано осуществление предложенной полезной модели. Соответственно чертежи и описание по характеру должны рассматриваться в качестве иллюстративных, а не в качестве ограничительных.
Сущность полезной модели поясняется следующими чертежами:
Фиг. 1 представляет собой часть продольного разреза резьбового соединительного устройства для трубных элементов, показывающего взаимодействие посредством муфты и ниппеля.
Фиг. 2 представляет собой увеличенный вид на фиг. 1 в одном из вариантов осуществления полезной модели.
Фигуры выполнены в приблизительном масштабе, некоторые элементы могут быть показаны более крупно для ясности, некоторые элементы могут быть показаны более мелко для упрощения.
Употребляемые в этом описании термины имеют свои обычные смыслы в данной области техники в пределах контекста полезной модели и в том конкретном контексте, в каком употребляется каждый термин.
Элементы, упомянутые в единственном числе, не исключают множественности элементов, если отдельно не указано иное.
Любые числовые значения, изложенные в материалах настоящего описания или на фигурах, предназначены для включения всех значений от нижнего значения до верхнего значения приращениями в один единичный элемент, при условии, что есть интервал по меньшей мере в два единичных элемента между любым нижним значением и любым верхним значением.
Следует отметить, что одни и те же ссылочные позиции, используемые на всех чертежах, использованы для указания одних и тех же элементов полезной модели. Используемый термин «водоем» может включать в себя такие понятия, как озеро, река, море, океан. Термины «внешний», «внутренний» употребляется здесь для простоты понимания описания элементов полезной модели и относятся к ориентации элементов, показанных на чертежах. Используемый термин «внутренний» относится к элементам, рассматриваемым с внутренней стороны соединения трубных элементов относительно продольной оси. Используемый термин «внешний» относится к элементам, рассматриваемым с внешней стороны соединения трубных элементов относительно продольной оси.
Резьбовое устройство наиболее применимо для вертикальных труб больших диаметров (508 мм и более), которые, как правило, свинчиваются между собой в колонну, а именно с образованием водоотделяющей колонны, известной из уровня техники так же, как направление. Фиг. 1 представляет собой часть продольного разреза резьбового соединительного устройства для трубных элементов, которое содержит ниппель 1 и муфту 2, сопряженные друг с другом. Внешняя поверхность ниппеля 1 и внешняя поверхность муфты 2 имеют части с резьбой (резьбовые части), профиль резьбы выполнен прямоугольным, причем вершины и впадины резьбы параллельны образующей конуса резьбы, а конусность резьбы составляет 1:64. Ниппель 1 содержит гладкий направляющий слабоконический элемент 3, продолжающийся от конца резьбовой части, длиной не менее шага резьбы, предпочтительно от 1 до 3 шагов резьбы, наиболее предпочтительно 1,5 шага резьбы, при этом направляющий элемент 3 имеет ту же конусность, что и резьба. Указанная длина направляющего элемента 3 обеспечивает наибольшую устойчивость конструкции и ускоряет монтаж резьбового соединительного устройства вертикально расположенных труб. Образующая направляющего элемента 3 является продолжением поверхности впадин резьбы ниппеля 1. Направляющий элемент 3 выполнен с возможностью скольжения по вершинам резьбовой части муфты 2 при осевом перемещении ниппеля 1.
На ниппеле 1 выполняется внешний торцевой упор 6 для исключения довинчивания при сопряжении элементов 1 и 2 (при вращении колонны) и для визуального контроля момента окончания процесса свинчивания. Внешний торцевой упор 6 контактирует с внешним торцевым упором 9 муфты 2, также на элементе 1 выполнен внутренний торцевой упор 8 ниппеля 1, который условно контактирует с внутренним торцевым упором 7 муфты 2. Под условным контактом понимается не силовой контакт, а контакт, при котором образуется упор с муфтой, при этом ниппель и муфта не будут стремиться выйти из зацепления. На внешнем диаметре торца направляющего элемента 3 ниппеля 1 выполняется центрирующая фаска 4 с катетом не более высоты витка, допускающая некоторое осевое возвратно-поступательное перемещение торца направляющего элемента 3 при забивании (ударах) колонны в грунт и тем самым исключающая снижение монтажного напряженно-деформированного состояния в резьбовом соединении, обусловленного радиальными деформациями, возникающими в резьбе как реакция от торцевых упоров в случае их одновременного задействования в качестве внешнего и внутреннего упоров соединения. В начальный период свинчивания указанная центрирующая фаска одновременно является направляющей для первых сопрягаемых витков ниппеля 1 и муфты 2, а при окончании свинчивания образует совместно с внутренним торцевым упором муфты 2 полость 5 для заполнения смазкой, обеспечивая тем самым дополнительную герметизацию указанного резьбового соединительного устройства для трубных элементов.
На фиг. 2 представлен увеличенный вид на                                                                         фиг. 1, показывающий участок с резьбовыми частями ниппеля 1 и муфты 2, которые сопряжены друг с другом. Профиль резьбы как ниппеля 1, так и муфты 2 выполнен прямоугольным, причем протяженные вершины и впадины резьбы параллельны образующей конуса резьбы, конусность которой составляет 1:64.
Известно, что при высококонтактном трении для исключения образования «мостиков холодной сварки» (заеданий) в трущихся поверхностях необходимо обеспечить их хорошее смазывание. Для этой цели в данной полезной модели протяженные поверхности трения вершин и впадин витков снабжены специальными кольцевыми замкнутыми канавками, заполняемыми смазкой, которые в том числе служат для дополнительной герметизации. Однако наличие кольцевых замкнутых канавок, заполняемых смазкой, в том числе направлено на сохранение достигнутых эксплуатационных характеристик соединения трубных элементов водоотделяющей колонны, а именно обеспечение сохранения осевой упругой возвратно-поступательной деформации направляющего элемента при осевых ударных нагрузках. На фиг. 2 показаны упомянутые заполняемые смазкой кольцевые канавки 11, образованные на поверхности вершин витков и поверхности дна впадин резьбы как ниппеля 1, так и муфты 2.
При окончании монтажа, то есть после сопряжения ниппеля 1 и муфты 2 заполняемые смазкой канавки 11 располагаются таким образом, что канавки 11 ниппеля 1 не совпадают с канавками 11 муфты 2. Предпочтительно упомянутые канавки 11 выполнены с возможностью расположения чередующимся образом при сопряжении муфты 2 и ниппеля 1, тем самым усиливая эффект смазывания и более эффективно предотвращая возникновение заеданий. Минимальный зазор 10 для захода смазки обеспечен с одной стороны боковых поверхностей витков ниппеля 1 и муфты 2. Зазор 10 выполнен для исключения пограничного «сухого» высококонтакного трения сопрягаемых поверхностей.
Предпочтительно в резьбовом соединительном устройстве для трубных элементов выступ (начало) заходного сопрягаемого витка ниппеля 1 выполнен под углом наклона боковой стороны, составляющим 45° относительно нормали осевой линии ниппеля. Аналогично выступ (начало) заходного сопрягаемого витка муфты 2 выполнен под углом наклона боковой стороны, составляющим 45° относительно нормали осевой линии муфты. Боковая сторона заходного витка ниппеля 1 взаимодействует с боковой стороной заходного витка муфты 2 при осуществлении свинчивания ниппеля и муфты. Согласно настоящему соединительному устройству для трубных элементов на поверхности направляющего элемента 3 выполнены кольцевые или по винтовой линии канавки для заполнения смазкой.
Продолжая в целом на фиг. 1-2, ниже поясняется использование предложенного резьбового соединительного устройства для трубных элементов, расположенных вертикально, при строительстве водоотделяющей колонны (направления) на шельфе, защищающей водную биосферу водоема от технологической жидкости, которая циркулирует в процессе углубления скважины. Предварительно муфта и ниппель закрепляются на соответствующих концах труб, которые будут использованы для строительства водоотделяющей колонны. В предпочтительном варианте осуществления муфта и ниппель привариваются к свободным концам труб. Следует понимать, что размеры муфты и ниппеля должны соответствовать размерам труб. Так, например, внешний диаметр муфты должен совпадать с внешним диаметром трубы, а внутренний диаметр ниппеля должен совпадать с внутренним диаметром трубы.
Далее, на месте сборки труб, например на платформе, вышке и т.п., осуществляют соединение двух труб посредством предложенного устройства, для этого первую (присоединяемую) трубу располагают по существу вертикально ниппелем 1 вниз над второй трубой (самой верхней трубой строящейся колонны), расположенной муфтой 2 вверх. Вводят направляющий элемент 3 ниппеля 1 первой трубы в муфту 2 второй трубы. Посредством фаски 4, выполненной на внешнем диаметре направляющего элемента 3, центрируют ниппель 1 и муфту 2 относительно друг друга, и выполняют свинчивание резьбовых частей первой и второй труб до тех пор, пока внешний торцевой упор 6 ниппеля 1 не войдет в плотный контакт с внешним торцевым упором 9 муфты 2, при этом внутренний торцевой упор 8 ниппеля не займет положение «условного контакта» с торцевым упором 7 муфты 2. При этом центрирующая фаска 4 в начальный момент свинчивания служит для направления первых заходных витков сопрягаемых ниппеля 1 и муфты 2. По окончании процесса свинчивания фаска 4 вместе с внутренним торцевым упором 7 муфты 2 образует полость 5 для заполнения смазкой, обеспечивая дополнительную герметизацию первой и второй трубы. После соединения первой и второй трубы полученную конструкцию опускают ниже. При необходимости углубления колонны в грунт наносят удары по верху колонны. При этом благодаря использованию настоящего резьбового соединительного устройства обеспечивается повышенные прочность и герметичность соединения трубных элементов водоотделяющих колонн (направления), которые сохраняются при эксплуатации такой колонны.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
1 - ниппель
2 - муфта
3 - направляющий элемент
4 - центрирующая фаска
5 - полость
6 - внешний торцевой упор ниппеля
7 - внутренний торцевой упор муфты
8 - внутренний торцевой упор ниппеля
9 - внешний торцевой упор муфты
10 - зазор
11 - канавка