герметичное резьбовое соединение нефтепромысловых труб

Формула изобретения

Герметичное резьбовое соединение нефтепромысловых труб, включающее охватываемую и охватывающую трубы с коническими резьбами и опорными поверхностями, из которых первые контактирующие между собой выполнены соответственно на внешней поверхности охватываемой и на внутренней конической поверхности охватывающей трубы на участке между конической резьбой и телом трубы, а вторые контактирующие поверхности выполнены соответственно на охватываемой трубе в виде конической торцевой поверхности с углом конусности в направлении конической резьбы на этой трубе и ответной торцевой конической поверхности на охватывающей трубе, выполненной на участке перехода первой конической поверхности этой трубы к ее телу, отличающееся тем, что конические резьбы в виде неравномерной трапеции в сечении выполнены с конусностью 1:16, профиль резьб имеет отрицательный угол по опорной грани и увеличенный угол по закладной грани, а высота профиля резьбы охватываемой трубы меньше высоты профиля резьбы охватывающей трубы, при этом опорная поверхность охватываемой трубы в зоне контакта с внутренней конической опорной поверхностью охватывающей трубы выполнена сферообразной.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области строительства нефтяных и газовых скважин и может быть использовано в обсадных, насосно-компрессорных и других трубах технологического назначения с высокогерметичными резьбовыми соединениями. Высокогерметичное резьбовое соединение обсадных труб предназначено для использования в скважинах, имеющих высокую интенсивность искривления ствола и/или со сложными условиями эксплуатации (высокие значения растягивающих, сжимающих нагрузок, избыточное внутреннее и наружное давления).

Известно герметичное резьбовое соединение нефтепромысловых труб, включающее охватываемую и охватывающую трубы с коническими резьбами и коническими опорными поверхностями, первые контактирующие между собой из которых выполнены соответственно на внешней поверхности торцевого участка охватываемой трубы в виде конической поверхности с конусностью в сторону оси этой трубы и на внутренней поверхности охватывающей трубы на участке между конической резьбой и телом трубы, а вторые контактирующие поверхности выполнены соответственно на охватываемой трубе в виде конической торцевой поверхности с углом конусности в направлении конической резьбы на этой трубе и ответной торцевой конической поверхности на охватывающей трубе, выполненной на участке перехода первой конической поверхности этой трубы к ее телу (FR патент № 2798716, F16L 15/00, опубл. 23.03.2001).

Данное техническое решение принято в качестве прототипа для заявленного изобретения.

Однако указанное резьбовое соединение имеет недостаток, заключающийся в недостаточной герметичности из-за выполнения его конструкции с малым углом конусности опорных конических поверхностей, что не позволяет получить заданную величину натяга при малых осевых перемещениях ниппеля, что увеличивает период от первого контакта уплотнительных поверхностей до обеспечения заданного натяга. Кроме того, в сложных условиях эксплуатации (высокие значения растягивающих, сжимающих нагрузок, избыточное внутреннее и наружное давления) возникают изгибные деформации, нарушающие контакт конических поверхностей, приводящий к разгерметизации резьбового соединения.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по снижению величины радиального натяга в резьбе за счет изменения угла закладной грани резьбы, формированию конструктивных зазоров в резьбе по вершинам профилей, обеспечению постоянной герметизации за счет выполнения сферического узла контакта поверхностей.

Достигаемый технический результат заключается в повышении надежности и герметичности соединения, увеличении прочности соединения и облегчения его сборки-разборки в эксплуатации.

Указанный технический результат достигается тем, что в герметичном резьбовом соединении нефтепромысловых труб, включающем охватываемую и охватывающую трубы с коническими резьбами и опорными поверхностями, первые контактирующие между собой из которых выполнены соответственно на внешней поверхности охватываемой и на внутренней конической поверхности охватывающей трубы на участке между конической резьбой и телом трубы, а вторые контактирующие поверхности выполнены соответственно на охватываемой трубе в виде конической торцевой поверхности с углом конусности в направлении конической резьбы на этой трубе и ответной торцевой конической поверхности на охватывающей трубе, выполненной на участке перехода первой конической поверхности этой трубы к ее телу, конические резьбы в виде неравномерной трапеции в сечении выполнены с конусностью 1:16, профиль резьб имеет отрицательный угол по опорной грани и увеличенный угол по закладной грани, а высота профиля резьбы охватываемой трубы меньше высоты профиля резьбы охватывающей трубы, при этом опорная поверхность охватываемой трубы в зоне контакта с внутренней конической опорной поверхностью охватывающей трубы выполнена сферообразной.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.

Настоящее изобретение поясняется конкретным примером, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность получения требуемого технического результата.

На чертеже дано герметичное резьбовое соединение нефтепромысловых труб.

Согласно настоящему изобретению герметичное резьбовое соединение труб включают в себя охватываемую и охватывающую трубчатые детали с коническими резьбами с конусностью 1:16 и опорными поверхностями. Первые контактирующие между собой опорные поверхности выполнены соответственно на внешней сферообразной поверхности торцевого участка охватываемой трубы и на внутренней конической поверхности охватывающей трубы на участке между конической резьбой и телом трубы.

Вторые контактирующие поверхности выполнены соответственно на охватываемой трубе в виде конической торцевой поверхности с углом конусности 15° в направлении конической резьбы на этой трубе и ответной торцевой конической поверхности на охватывающей трубе, выполненной на участке перехода первой конической поверхности этой трубы к ее телу.

На охватывающей трубе на участке перехода конической резьбы к телу трубы выполнена окружная канавка для выдавливания масла и выхода инструмента.

Ниже приводятся описания конкретных исполнений указанных примеров.

Герметичное соединение труб содержит охватываемую деталь (ниппель или ниппельный конец) 1 и охватывающую деталь (раструб или раструбный элемент) 2, которые зацепляются друг с другом по конической резьбе 3. Соединение также содержит опорные торцы 4 и 5 соответственно охватываемой и охватывающей деталей, которые выполнены в виде конических поверхностей, и наружную 6 и внутреннюю 7 уплотнительные поверхности. При этом наружная поверхность 6 выполнена сферообразной, а внутренняя уплотнительная поверхность - конической.

Торцы 4 и 5, а также уплотнительные поверхности 6 и 7 взаимодействуют друг с другом с определенным натягом и являются элементами основного уплотнения, обеспечивающего герметичность соединения. Для обеспечения высокой надежности герметичности соединения уплотнительные поверхности 6 и 7 выполняются с высокой точностью и чистотой обработки их поверхностей.

При нарезании резьбы при отводе резьбообразующего инструмента на участке сбега резьбы, на кромках ее вершин, по ее внутреннему диаметру на охватывающей детали образуются заусенцы, выступающие в сторону оси соединения и которые, являясь препятствием, нарушают зацепление и влияют на режим уплотнения. Для исключения их влияния на охватывающей детали в соединении со стороны внутренней уплотнительной поверхности 6 выполнено углубление в виде окружной канавки 8 диаметром, превышающим диаметр резьбы 3 на этой детали. Таким образом, при свинчивании ниппеля и раструба участки схода резьбы всегда располагаются в зоне канавок, что исключает влияние поверхности резьбы на участке схода на точность взаимодействия поверхностей ниппеля и раструба.

В соединения применена коническая резьба в виде неравномерной трапеции в сечении с конусностью 1:16, профиль резьб имеет отрицательный угол по опорной грани и увеличенный угол по закладной грани, а высота профиля резьбы охватываемой трубы меньше высоты профиля резьбы охватывающей трубы. Резьба не является герметичной. Основная функция резьбы состоит в восприятии растягивающей нагрузки и изгиба, а также частично сжимающей нагрузки.

Уплотнение типа металл - металл расположено перед резьбой ниппеля, со стороны меньшей образующей конуса резьбы. Конструктивно выполнено на ниппеле в форме клина, который упирается в ответную клиновую проточку на муфте, и за счет возникновения упругих деформаций на трубе и муфте обеспечивает герметичность соединения.

За счет применения уплотнения резьбовое соединение приобретает свойства нефте-газогерметичного, способного работать при действии комбинированных нагрузок в агрессивных средах, в том числе возникающих при строительстве наклонных скважинах с интенсивности искривления ствола до 10° на 10 м и избыточном давлении свыше 250 атм.

Угол конусности 15° по торцевой образующей клина обеспечивает дополнительное "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 начинают возникать значительные деформации внутреннего диаметра муфты при сжатии или перекручивании соединения. При уменьшении угла теряется эффект клина, т.к. клиновая проточка муфты становится более жесткой в осевом направлении.

Отрицательный угол опорной грани профиля резьбы исключает возможность выхода резьбы ниппеля из зацепления с резьбой муфты при значительных растяжениях, т.к. радиальные составляющие реакций в резьбе стремятся прижать трубу к муфте. Это позволило снизить величину радиального натяга в резьбе по сравнению с конструкциями резьб, имеющих положительный угол закладной грани, что обеспечило высокую износостойкость соединения при свинчивании, улучшило работоспособность соединения при нагружении его избыточным наружным и внутренним давлением. Значительный угол закладной грани облегчает свинчиваемость и повышает износостойкость соединения при свинчивании. С целью улучшить свинчиваемость соединения и повышения его износостойкости предусмотрены конструктивные зазоры в резьбе по вершинам профилей. Радиусы профиля резьбы трубы и муфты разведены с целью получения гарантированного контакта при свинчивании-развинчивании по прямолинейному участку опорной грани для повышения устойчивости к истиранию и износостойкости резьбового соединения. Оптимальный зазор между закладными гранями резьбы трубы и резьбы муфты повышает сопротивляемость соединения сжимающим нагрузками, предохраняет уплотнение от повреждений.

Муфта имеет увеличенную длину по сравнению со стандартными муфтами, что достигается за счет увеличенного резьбового конуса, при этом последние витки муфты у торца не контактируют со смежными витками трубы, тем самым отодвигают от торца зону с высоким уровнем напряжений. Также увеличено расстояние между упорными торцами муфты. Это позволяет снизить влияние диаметрального натяга радиального уплотнения с одной стороны муфты на радиальное уплотнение с другой стороны муфты. Увеличенное расстояние между упорами улучшает работу резьбового соединения на изгиб.

Увеличенная фаска по наружному диаметру муфты улучшает проходимость колонны внутри скважины, имеющей сложный профиль с участками искривления.

На ниппельном конце контакт радиального уплотнения в форме сферы с ответной конусной поверхностью муфты происходит с натягом на сравнительно небольшой площади, при этом возникают большие контактные напряжения, обеспечивая необходимую герметичность. Данная конструкция позволяет производить повторную сборку резьбового соединения без повреждений уплотнительной поверхности за счет быстрого достижения величины радиального натяга в процессе сборки. Сферический узел уплотнения позволяет резьбовому соединению оставаться герметичным при действии значительных изгибных нагрузок.

Упорные поверхности "дожимают" радиальное уплотнения, обеспечивая эффект клина при работе герметизирующего узла. Упорные поверхности предохраняют радиальное уплотнение от чрезмерного момента свинчивания и сжатия. Они также выполняют роль вторичного барьера герметизации.

Герметичное соединение нефтепромысловых труб работает следующим образом.

При выполнении операций свинчивания или развинчивания соединения первоначально осуществляется взаимодействие охватываемой 1 и охватывающей 2 деталей с помощью резьбы 3. В процессе свинчивания происходит продвижение наружной уплотнительной поверхности 6 вдоль участка канавки 8, затем уплотнительная поверхность 7 взаимодействует с уплотнительной поверхностью 6. За счет диаметральных деформаций этих поверхностей создается уплотнительный узел «металл-металл».

При относительном перемещении деталей 1 и 2 осуществляется силовое контактирование торца 4 охватываемой детали и торца 5 охватывающей детали, в результате чего на их поверхностях возникают контактные напряжения, величина которых должна находится в области упругих деформаций. Уровень контактных напряжений, при всех равных условиях, определяется величиной контактирующих площадей торцев 4 и 5.

Повышение эксплуатационной надежности соединения обеспечивается за счет увеличения контактирующих площадей торцев, что позволяет увеличить крутящий момент свинчивания при сохранении контактных напряжений на необходимом уровне в пределах упругой деформации. Окончание процесса свинчивания охватываемой 1 и охватывающей 2 деталей сопровождается взаимодействием их упорных торцев 4 и 5. Конические поверхности упорных торцев выполнены таким образом, что при действии на них осевого усилия, возникающего при свинчивании резьб, поперечная составляющая этого усилия направлена к оси соединения. Это исключает так называемое явление «разворанивания», т.е. поперечную деформацию с увеличением диаметра в области упорных торцев, что делает соединение менее критичным к превышению крутящего момента свинчивания и увеличивает его эксплуатационную надежность.

Преимуществом заявляемого резьбового соединения по сравнению с известным является повышение надежности герметичности, увеличение прочности соединения и облегчение работ при его сборке-разборке в эксплуатации.

Настоящее изобретение промышленно применимо, так как, используя известные технологии, применяемые для изготовления резьбовых концов труб, может быть осуществлено на новом принципиально отличным от известных конструкций принципе взаимодействия контактирующих поверхностей.