Муфтовое резьбовое соединение обсадных труб, стойкое к скрн (сероводородному коррозионному растрескиванию под напряжением)

Полезная модель относится к области строительства и последующей эксплуатации нефтяных и газовых скважин, в добываемом флюиде которых содержится сероводород. Настоящая полезная модель направлена на решение технической задачи по снижению величины растягивающих напряжений ниже пороговых в элементах резьбового соединения за счет изменения параметров конструкции собственно резьбового соединения, конструктивных элементов резьбы ниппеля и муфты и уплотнительных элементов. Технический результат достигается тем, что муфтовое резьбовое соединение обсадных труб, стойкое к СКРН, включает муфту и ниппель, соединяемые между собой коническими трапецеидальными резьбами (соответственно внутренней и наружной) с конусностью 1:16, герметизирующий узел, выполненный со стороны малого диаметра конуса муфты и ниппеля, образованный коническими торцевыми и радиальными поверхностями, причем конусность торцевых уплотнительных поверхностей выполнена с углом 6° к перпендикуляру оси резьбы, конусность резьбы равна конусности радиальных уплотнительных поверхностей и составляет 1:16, а переход от резьбовой поверхности к радиальный уплотнительный поверхности нипеля выполнены обратным конусом в диапазоне 1°÷3° к оси резьбы, при этом в качестве конической трапецеидальной резьбы может быть использована традиционная трапецеидальная резьба типа «Батресс» с углом профиля резьбы 13° или модернизированная резьба «Батресс» с уменьшенной на 0,2 мм высотой профиля ниппеля на витках с полным профилем резьбы.

Полезная модель относится к области строительства и последующей эксплуатации нефтяных и газовых скважин, в добываемом флюиде которых содержится сероводород (любого происхождения) с параметрами, определяемыми в соответствии с «Правилами безопасности в нефтяной и газовой промышленности ПБ 08-624-03» пункт 6.7.9, таблица 6.1.а; области применения оборудования в стандартном и стойком к сульфидно-коррозионному растрескиванию (СКР) исполнении в зависимости от абсолютного давления Р _{абc среды}, давления сероводорода Р_H2S и его концентрации С_H2S для многофазного флюида «нефть-газ-вода» с газовым фактором менее 890 нм²/м³. Муфтовые резьбовые соединения с конической трапецеидальной резьбой и герметизирующим узлом с двойными и более уплотнительными элементами «металл-металл» с успехом используются при строительстве и эксплуатации скважин любой конструкции: вертикальных, наклонно-направленных, пологих и горизонтальных, в том числе горизонтально-разветвленных. Подобные резьбы (типа Premium) отвечают практически любым требованиям строительства скважин, т.к. различные нагрузки, возможные при строительстве и эксплуатации скважин (внутреннее и наружное давления, растягивающая и изгибающая нагрузки), воспринимаются подобными резьбовыми соединениями на уровне тела трубы.

Все сказанное относится к скважинным трубам (обсадные и насосно-компрессорные).

Однако при бурении встречаются природные газы, имеющие не только углеводородные компоненты, но и сероводород (Н ₂S), углекислый газ (СO₂) и азот (N), являющиеся самыми опасными компонентами (особенно сероводород). Сероводород хорошо растворим в воде. Он встречается в пластовых водах и углеводородах. Происхождение его различно:

- превращение метана в сульфаты за счет тепла на больших глубинах;

- магматическая активность ядра земли;

- анаэробные бактерии пластовых вод и т.д.

Наиболее опасным, с точки зрения воздействия на металл трубных скважинных колонн является сероводородное коррозионное растрескивание под напряжением (СКРН) - растрескивание стальных изделий в результате одновременного воздействия растягивающих напряжений и влажной сероводородсодержащей среды. Оно обусловлено общей электрохимической коррозией и насыщением коррозируемой стали атомарным водородом, приводящим к снижению пластичности металла (охрупчиванию), зарождению и развитию трещин при пороговых напряжениях более низких, чем напряжения, допустимые при отсутствии сероводорода в рабочей среде.

Сероводородному растрескиванию особенно подвержены более прочные стали при превышении величины растягивающих напряжений выше порогового значения, зависящего от свойств стали.

На поверхности стали из сероводорода (H₂S) в присутствии воды выделяется атомарный водород (Н), который через кристаллическую структуру железа проникает в зоны наибольшего напряжения (ловушки), и блокирует процесс деформации стали.

Условия охрупчивания стали:

- максимальная скорость охрупчивания стали наступает в диапазоне температур 20-30°С и практически исчезает при температурах 100-150°С;

- предел твердости стали, ниже которого отсутствует опасность охрупчивания, равен 25 HRC;

- пороговое напряжение (для каждой марки стали) - напряжение, выше которого может наступить разрушение (обратно пропорционально прочности металла);

- концентрация H₂S - охрупчивание начинается с 3,5 миллибар парциального давления;

- влажность - при отсутствии следов воды охрупчивание отсутствует;

- в кислой среде (РН<7) скорость коррозии вырастает.

Приведенный перечень показывает, что возможность защиты стальных изделий от СКРН практически всегда заключена не во внешних условиях, которые практически невозможно изменить (температура, концентрация H₂S, влажность, кислотность и т.д.), а в создании специальных трубных сталей или сплавов, стойких к СКРН.

Необходимо отметить, что пороговое напряжение определяется для конкретной стали. Так как сама конструкция имеет определенные концентраторы, необходимо таким образом выполнить ее, чтобы ни в одном сечении ее не были превышены пороговые напряжения, определенные для данной стали.

Резьбы соединительных элементов являются мощными концентраторами напряжений, потому подход к их выбору является важнейшей задачей при конструировании резьб скважинных труб. СКРН проявляется только в элементах конструкции, подверженных растягивающим напряжениям. Элементы, подвергнутые сжимающим напряжениям, не подвержены СКРН. Упомянутый фактор является основным критерием выбора конструкции работающей в условиях сероводорода.

Необходимо отметить, что резьбовое соединение скважинных труб, помимо определенной несущей способности, должны обеспечить герметичность собранной колонны. Известно, что трубные соединения с резьбами трапецеидального профиля воспринимают более высокую нагрузку, чем соединения с треугольным профилем резьбы. Однако они заметно хуже по герметичности. В последние 20-30 лет в мире разработана целая гамма соединений с трапецеидальной резьбой и герметизирующим узлом «металл-металл», которые лишены недостатков присущих и трапецеидальной, и треугольной резьбам. Так, только в России это целая гамма соединений ОАО «Трубная металлургическая компания» ТМК FMC, TMK GF, TMK FMT, которые позиционируются для эксплуатации в вертикальных, наклонно-направленных и горизонтальных скважин большой глубины (более 3500 м) и (или) протяженности (после согласования с производителем). «Качество колонн бурильных, обсадных и насосно-компрессорных труб используемых в нефтегазовой отрасли. Состояния и перспективы», Международная научно-техническая конференция. 21-22 ноября 2006 г., г.Москва, ГК «Измайлово».

Помимо упомянутых, аналогичные резьбовые соединения изготавливаются ОАО «Газпромтрубинвест» - ВрТ3-1 и ВрТ3-Н-1 по ТУ 1321-003-25955489-08, ОАО «Первоуральский новотрубный завод» - ChT-VT и ChT-VC по ТУ 1327-340-00186619-2010, ОАО «Выксунский металлургический завод» - ВМ3-1 по ТУ 1321-030-05757848-2009.

Известно герметичное резьбовое соединение скважинных труб, в котором муфта (охватываемая деталь) и ниппель (охватывающая деталь) соединены коническими резьбами внутренней и наружной, а на малых конусах резьбы ниппеля и муфты выполнены герметизирующий узел в виде конических поверхностей с конусностью 1:10 радиальное уплотнение и конические поверхности под углом 15° к оси резьбы торцевое уплотнение. Коническая резьба выполнена с конусностью 1:16, причем первые заходные витки муфты и ниппеля срезаны полностью на длине дуги не менее 270° с постепенным подъемом их до полной высоты на длине дуги не менее 540° (Патент РФ на полезную модель 88054, опубликовано 27.10.2009 г.).

Данное техническое решение принято в качестве прототипа для заявляемой полезной модели.

Однако, указанное резьбовое соединение имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что рассматриваемое соединение спроектировано без учета возможности работы в средах с сероводородом. Как указывалось выше, растягивающие напряжения любого элемента конструкции, не должны превышать порогового напряжения, установленного для определенной стали, предназначенной для изготовления данной конструкции.

Величина растягивающих напряжений может быть снижена за счет увеличения диаметра муфты, увеличения длины перемычки с торцевыми упорами на муфте, а также длины «юбок» муфты.

Так как в соединении участвуют два элемента: ниппель и муфта, оба испытывающие растягивающие нагрузки, в том числе от веса колонны, необходимо рассмотреть каждый элемент.

Ниппель: труба, уменьшение внутреннего диаметра, которой приводит к уменьшению диаметра последующей, в том числе эксплуатационной и лифтовой колонн, что естественно скажется на дебете скважины.

Увеличение наружного диаметра (для снижения растягивающих напряжений в трубе) и толщины стенки приведет к значительному увеличению веса колонны, т.е. увеличению растягивающих напряжений. То есть указанный путь - тупиковый.

Увеличение толщины стенки и длины муфты также влияют на увеличение веса колоны, но значительно в меньшей степени. Поэтому задачи сводятся к снижению растягивающих напряжений на муфте, за счет переноса растягивающих напряжений с ниппеля на муфту.

Таким образом, настоящая полезная модель направлена на решение технической задачи по снижению величины растягивающих напряжений ниже пороговых в элементах резьбового соединения за счет изменения параметров конструкции резьбового соединения, конструктивных элементов резьбы ниппеля и муфты и уплотнительных элементов.

Указанный технический результат достигается тем, что муфтовое резьбовое соединение обсадных труб, стойкое к СКРН, включает муфту и ниппель, соединяемые между собой коническими трапецеидальными резьбами (соответственно внутренней и наружной) с конусностью 1:16, герметизирующий узел, выполненный со стороны малого диаметра конуса (муфты и ниппеля), образованный коническими торцевыми и радиальными поверхностями, причем конусность торцевых уплотнительных поверхностей выполнена с углом 6° к перпендикуляру оси резьбы, конусность резьбы равна конусности радиальных уплотнительных поверхностей и составляет 1:16, а переход от резьбовой поверхности к радиальный уплотнительный поверхности ниппеля выполнен с обратным конусом в диапазоне 1°÷3° к оси резьбы.

Растягивающее напряжение от сборки соединения с упором приходится на муфту, причем растягивающие напряжения на ниппеле от сборки соединения уменьшаются, что позволяет равномерно распределить растягивающую нагрузку на ниппельный конец трубы, используя витки с неполным профилем.

Уплотнение «металл-металл», выполненное на малом диаметре резьбовых конусов, состоит из конических радиальных уплотнительных поверхностей с конусностью 1:16 и торцевых конических поверхностей, расположенных под углом 6° к перпендикуляру оси резьбы.

Внутренняя радиальная коническая поверхность ниппеля при свинчивании ниппеля с муфтой достаточно плавно продвигается в коническую поверхность муфты, исключая возможные «задиры» при резком нарастании контактных напряжений, т.к. конусность резьбы и радиального уплотнения одинакова.

Коническое торцевое уплотнение одновременно служит упором. Торцевой упор выполнен с углом 6° к перпендикуляру оси резьбы и является одновременно ограничителем взаимного перемещения ниппеля и муфты, кроме того, вторым элементом уплотнения «металл-металл». Известно, что угол трения «сталь по стали» составляет 7° (Справочник конструктора-машиностроителя. В 3-х т. Изд. 5-е, перераб., Под ред. В.И.Анурьева. М. «Машиностроение», 1979, 728 с.). Выбранный угол 6° с учетом применяемой смазки не превышает упомянутые 7°, что позволяет уйти от возможных «выпучиваний» ниппеля при сборке соединения, имеющих место на соединениях с торцевым упором с нулевым углом (обсадные трубы с соединением типа ОТТГ) и нарушений герметизирующих поверхностей (задиры, риски) на соединениях с упомянутым углом в 15° (обсадные трубы с соединением типа ВМ3-1 - ближайший прототип) особенно для сталей с повышенной ударной вязкостью.

Переход от резьбовой поверхности с конусностью 1:16 к радиальной уплотнительной поверхности с конусностью 1:16 выполнен с обратным конусом в диапазоне 1°÷3° к оси резьбы, чем обеспечивается:

- возможность нарезания резьбы многозубой гребенкой, что повышает производительность процесса и увеличенную стойкость резьбонарезного инструмента;

- снижение концентраторов напряжения в предлагаемой конструкции соединения.

В качестве конической трапецеидальной резьбы может быть использована традиционная трапецеидальная резьба типа «Батресс» с углом профиля резьбы 13° или модернизированная резьба «Батресс» с уменьшенной на 0,2 мм высотой профиля ниппеля на витках с полным профилем резьбы.

Полезная модель поясняется чертежами:

Фиг.1 Общий вид муфтового резьбового соединения обсадных труб.

Фиг.2 Изображение модернизированного профиля резьбы «Батресс».

Ниже приводится описание исполнения соединения.

Муфтовое резьбовое соединение обсадных труб, стойкое к СКРН, содержит ниппель (охватываемую деталь) 1 и муфту (охватывающую деталь) 2, резьбовую поверхность 3, образованную свинчиванием конических трапецеидальных резьб ниппеля и муфты, уплотнительные радиальные конические поверхности с конусностью 1:16 внутреннюю 4 и наружную 5 и торцевые уплотнительные конические поверхности внутреннюю 6 и наружную 7, выполненные соответственно, на охватываемой и охватывающей деталях соединения, удлиненный хвостовик 8 ниппеля и обратный конус 9.

Уплотнительные поверхности 4-5 и 6-7 взаимодействуя друг с другом с определенным натягом, обеспечивают напряженное состояние взаимодействующих плоскостей с величиной контактного давления не менее 5 кг/мм² , обеспечивающего длительную эксплуатационную герметичность соединения. Высокая надежность герметичности соединения обеспечивается также высокой точностью изготовления и чистотой обработки уплотнительных поверхностей не менее R_a - 2,5.

Удлиненный хвостовик 8 радиального конического уплотнения ниппеля и обратный конус 9 на ниппеле исключают влияние возможных неточностей изготовления конических уплотнений на сборку соединения. Возможные сломы тонких элементов заходных витков резьбы ниппеля и муфты при вертикальной (на промысле) сборке соединения исключены срезанием заходных витков полностью на протяжении 360° от начала заходных витков. Сборка соединения осуществляется с помощью традиционной трапецеидальной резьбы типа «Батресс» с углом профиля резьбы 13°. Для улучшения свинчивания соединений традиционная резьба «Батресс» может быть заменена модернизированной резьбой «Батресс» с уменьшенной на 0,2 мм высотой профиля ниппеля на витках с полным профилем резьбы. Упомянутые резьбы служат для восприятия растягивающей нагрузки от веса колонны, сжимающей нагрузки от сборки соединения и изгибающих моментов.

Выше перечисленные изменения определены с помощью проведенных расчетов конструкции элементов соединения методом конечных элементов (МКЭ).

Муфтовое резьбовое соединение обсадных и насосно-компрессорных труб, стойкое к СКРН, работает следующим образом. При сборке соединения первоначально взаимодействуют ниппель 1 и муфта 2 посредством резьбовой поверхности 3. При дальнейшем свинчивании происходит контакт радиальных конических уплотнительных поверхностей 4 и 5 ниппеля 1 и муфты 2.

Дальнейшим взаимным перемещением (свинчиванием) ниппеля 1 и муфты 2 осуществляется силовое контактирование, благодаря которому на торцевых уплотнительных поверхностях 6 и 7 возникают контактные напряжения.

Необходимо отметить, что уровень контактных напряжений расположен в области упругих деформаций.

Преимуществом заявляемого резьбового соединения по сравнению с известным техническим решением, является возможность снижения растягивающих напряжений в конструкции соединения до значений, не превышающих пороговое напряжение материала.

Настоящая полезная модель промышленно применима, т.к. применяемое серийное оборудование и технологии изготовления резьбовых элементов труб, осуществлены на новом принципе взаимодействия контактирующих поверхностей с учетом величины порогового напряжения материала труб.

1. Муфтовое резьбовое соединение обсадных труб, стойкое к СКРН (сероводородному коррозионному растрескиванию под напряжением), включающее муфту и ниппель, соединяемые между собой коническими трапецеидальными резьбами, герметизирующий узел, выполненный со стороны малого диаметра конуса и образованный радиальными и торцевыми коническими уплотнительными поверхностями, отличающееся тем, что конусность торцевых уплотнительных поверхностей выполнена с углом 6° к перпендикуляру оси резьбы, конусность резьбы равна конусности радиальных уплотнительных поверхностей и составляет 1:16, а переход от резьбовой поверхности к радиальной уплотнительной поверхности ниппеля выполнен с обратным конусом в диапазоне 1÷3° к оси резьбы.

2. Соединение по п.1, отличающееся тем, что в качестве конической трапецеидальной резьбы использована модернизированная резьба типа «Батресс», причем на витках с полным профилем резьбы высота профиля резьбы ниппеля меньше высоты профиля резьбы муфты на 0,2 мм.