Технологический замок с высоким ресурсом эксплуатации для насосно-компрессорных труб

Полезная модель относится к области добычи нефти и газа и предназначена для соединения насосно-компрессорных труб при проведении технологических операций по ремонту скважин, а также при использовании насосно-компрессорных труб (НКТ) в эксплуатационных скважинах, где требуется повышенная плотность соединения и его высокая надежность при частых спуско-подъемных операциях.

Технологический замок с высоким ресурсом эксплуатации для НКТ, состоящий из цилиндрической муфты с внутренней резьбой и полый цилиндрический переходник длиной как минимум 450 мм с внутренней резьбой для соединения с НКТ, а на другом конце с наружной резьбой для взаимодействия с ответной резьбой муфты, выполненные таким образом, что внутренний диаметр износостойкого замка соответствует внутреннему диаметру сопрягаемых труб, отличающийся тем, что ниппельная часть полого цилиндрического переходника имеет уплотнительный конический поясок перед началом резьбовой части и в конце участка с резьбой и ответная часть муфты имеет аналогичные конические уплотнительные расточки под соответствующие им конические пояски переходника шириной не менее 6 мм с дополнительными специальными канавками шириной 5-6 мм и глубиной 1,5 мм после окончания резьбы на переходнике и муфте, в результате чего образующийся зазор между муфтой и полым цилиндрическим переходником износостойкого замка в сборе в процессе эксплуатации будет уменьшаться с начальной величины 3 мм до момента контакта торцевых поверхностей муфты и переходника, что свидетельствует о выработке ресурса замкового соединения, при этом на ответные взаимодействующие резьбы муфты и переходника нанесено полимерное покрытие толщиной не менее 50 мкм. Кроме того, ответные взаимодействующие резьбы муфты и переходника перед нанесением полимерного покрытия могут быть упрочнены лазерной или плазменной закалкой или азотированием, а также возможно с целью придания более высокой герметичности резьбовому соединению на конических расточках в муфтах в специальные выточки установить как минимум одно полимерное уплотнительное кольцо

Предлагаемая конструкция технологического замка обеспечивает неизменную высокую герметичность соединения при постепенном износе профиля резьбы ниппельной части переходника и муфты, обеспечивает высокую износостойкость рабочего резьбового соединения и обеспечивает дополнительную возможность оценки остаточного ресурса соединения, а также создает дополнительную возможность по ремонту замка при износе для увеличения его жизненного цикла.

2 з.п. ф-лы.

Полезная модель относится к области добычи нефти и газа и предназначена для соединения насосно-компрессорных труб при проведении технологических операций по ремонту скважин, а также при использовании насосно-компрессорных труб (НКТ) в эксплуатационных скважинах, где требуется повышенная плотность соединения и его высокая надежность при частых спуско-подъемных операциях.

При проведении ремонтных работ на скважинах гладкими НКТ или НКТ с высаженными концами резьбовое соединение отрабатывает примерно 8-10 циклов свинчивания-развинчивания, что приводит к необходимости частого ремонта НКТ - отрезанию изношенной резьбы и нарезанию новой с соответствующими финансовыми затратами и постепенным уменьшением длины трубы. В случае же ремонта НКТ с высаженной частью через 1-2 ремонта трубы кроме того превращаются в обычные гладкие НКТ. Также при добыче нефти на скважинах с высоким газовым фактором или большим количеством твердых примесей в добываемой жидкости обычные НКТ быстро выходят из строя из-за быстрого износа резьбового соединения, либо приходится часто осуществлять подъем и разбор подвесок из-за частых выходов из строя глубинного насосного оборудования (УЭЦН, фильтры, клапана и т.д.), что также приводит к необходимости частого ремонта резьбового соединения труб.

Одним из наиболее оптимальных решений данной проблемы может стать специальное соединение НКТ, которое может сочетать в себе высокую стойкость резьбового соединения при большом количестве циклов свинчивания-развинчивания, а также более высокую герметичность соединения по сравнению с обычными резьбовыми соединениями. Кроме того, такое соединение должно выполнять и еще одну функцию - в связи с повышением срока службы НКТ необходимо предусмотреть повышение стойкости НКТ или конструктивного элемента с резьбовым соединением с повышенной стойкостью к воздействию оборудования, используемого при операциях свинчивания-развинчивания НКТ для зажима и вращения трубы.

Так, из техники известны соединения НКТ включающие в себя муфту и полый переходник имеющий с одного конца внутреннюю муфтовую резьбу, а с другого конца - ниппельную резьбу НКТ (патенты РФ 26627, 23326 и 41789).

Кроме того, известно соединение НКТ (патент 2168102) включающие в себя муфту и полый переходник имеющий с одного конца внутреннюю муфтовую резьбу а с другого конца - ниппельную резьбу НКТ, а тело муфты и тело переходника выполнены объемно-упрочненными, кроме того резьбовые поверхности выполнены с приданием им дополнительной износостойкости.

Преимущества рассмотренных соединений заключаются в простоте конструкции, высокой надежности резьбового соединения за счет дополнительной либо объемной обработки всего изделия, либо поверхностной обработки резьбовой части, а также за счет того, что соединение конструктивно выполняется на отдельном элементе, соединяемом с обычной НКТ традиционными резьбами, которые в процессе эксплуатации не развинчиваются. Кроме того, размеры переходника позволяют при работе с оборудование для свинчивания труб производить захват трубы за сам переходник, который имеет большую стойкость к воздействию захватывающих элементов по сравнению с телом трубы НКТ. Существенным недостатком рассмотренных вариантов замков является невозможность контроля износа резьбы и соответственно контроля остаточной работоспособности самого замка.

Наиболее близким к заявляемой полезной модели по технической сущности является патент РФ 2293244: труба НКТ, содержащая на одном резьбовом конце цилиндрическую муфту с внутренней резьбой, а на другом конце цилиндрический переходник с наружной резьбой. Внутренний проходной канал переходника имеет диаметр равный внутреннему диаметру соединяемых труб и муфты, в муфте и переходнике на переходных участках от гладкой внутренней поверхности к внутренней резьбе выполнены торцевые упорные поверхности, плоскости которых перпендикулярны или находятся под углом к оси, перпендикулярной оси муфты и переходника, для опирания торцевой поверхности стенки соединяемых труб при их вворачивании в муфту и переходник и при вворачивании переходника в муфту. В муфте и переходнике на участке между упорной торцевой поверхностью и внутренней резьбой выполнена канавка шириной 4-6 мм и диаметром, большим на 0.8-1.0 мм диаметра впадин внутренней резьбы, а на участке в зоне перехода гладкой внутренней поверхности к указанным упорным торцевым поверхностям муфты и переходника и гладкой внутренней поверхности соединяемых труб к торцевой поверхности стенки этих труб выполнены фаски.

Недостатками всех рассмотренных конструкций изделий, как прототипов, так и аналога является недостаточная герметизация соединения и как уже указывалось выше отсутствие возможности простого контроля со стороны эксплуатирующего персонала за остаточным ресурсом работы самого изделия. Кроме того, при выходе замков рассмотренных конструкций из строя отсутствует возможность их ремонта с перенарезанием резьбы.

Задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение высокой герметичности и износостойкости рабочего соединения ресурсного замка в сочетании с дополнительной возможностью оценки остаточного ресурса соединения и с созданием дополнительной возможности по ремонту замка для увеличения его жизненного цикла.

Поставленная задача решается за счет того, что технологический замок с высоким ресурсом эксплуатации для НКТ (см. фиг.1) конструктивно выполнен из цилиндрической муфты [2] с внутренней резьбой и цилиндрического полого переходника [1] длиной не менее 450 мм, с внутренней резьбой для соединения с НКТ [3], а на другом конце с наружной резьбой для взаимодействия с ответной резьбой муфты, выполненные таким образом, что внутренний диаметр износостойкого замка соответствует внутреннему диаметру сопрягаемых труб, и отличающиеся тем (см. фиг.2), что ниппельная часть [7] полого цилиндрического переходника имеет уплотнительный конический поясок [8] перед началом резьбовой части [4, 5] и в конце участка с резьбой и ответная часть муфты [10] имеет аналогичные конические уплотнительные расточки [9] под соответствующие им конические пояски переходника шириной не менее 6 мм с дополнительными специальными канавками [12, 11] шириной 5-6 мм и глубиной 1,0-2,0 мм после окончания резьбы на переходнике и муфте, в результате чего образующийся зазор между муфтой и полым цилиндрическим переходником износостойкого замка в сборе в процессе эксплуатации будет уменьшаться с начальной величины 3 мм [13] до момента контакта торцевых поверхностей муфты и переходника [14], что свидетельствует о выработке ресурса замкового соединения. Кроме того, с целью повышения износостойкости и герметичности соединения на резьбу [4] ниппельной части полого цилиндрического переходника [7] и муфты [10] нанесено специальное полимерное покрытие толщиной не менее 50 мкм.

Кроме того, резьба [4] ниппельной части полого цилиндрического переходника [7] и муфты [10] может быть подвергнута дополнительной упрочняющей обработке по специальной технологии с применением лазерной или плазменной закалки поверхностных слоев металла или их азотированию перед процессом нанесения полимерного покрытия.

Кроме того, с целью придания более высокой герметичности резьбовому соединению на конических расточках [9] муфты [10] в специальные выточки может быть установлено как минимум одно полимерное уплотнительное кольцо.

Выбор исполнения и конструктивных элементов предлагаемого варианта технологического замка с высоким ресурсом эксплуатации для НКТ определяется следующими факторами:

Длина цилиндрического полого переходника (патрубка) [1] принята не менее 450 мм из соображения того, что такой длины патрубка будет достаточно для проведения свинчивания и развинчивания трубы с применением специальных механизмов (гидравлических ключей) с их фиксацией не на трубе, а на рассматриваемом переходнике. В этом случае, за счет более высокой прочности металла патрубка по сравнению с трубой НКТ снижается вероятность износа поверхности патрубка и образование трещин от воздействия захватывающих элементов (зажимных плашек). Уменьшение длины патрубка менее 450 мм не позволит захват осуществлять за тело патрубка. Верхний предел длины патрубка не ограничен по причине того, что в нефтяных компаниях эксплуатация НКТ зачастую проводится до достижения их длины в 6 м (начальная 8,5-10,5 м). В этом случае, в зависимости потребности нефтяной компании, которая будет использовать предлагаемые технологические замки с износостойким резьбовым соединением для комплектации НКТ будет самостоятельно определять какую длину патрубка им необходимо и соответственно заказывать у производителя. При эксплуатации технологического замка при выработке ресурса резьбового соединения длины полого переходника будет достаточно для нарезания новой резьбы, что позволит увеличить ресурс эксплуатации замка.

Уплотнительные конические пояски перед началом резьбовой части и в конце участка с резьбой (см. фиг.3) полого цилиндрического переходника и муфты выполнены шириной не менее 6 мм, т.к. меньшая ширина конических поясков не обеспечит необходимого герметичного сопряжения: при ширине пояска 6 мм контакт пояска переходника с пояском муфты происходит в точке на расстоянии 0,56 мм от начала пояска [15], что обеспечивает при полном свинчивании с контрольным зазором 3 мм [16] сопряжение поверхностей по пояску на участке длиной не менее 2,44 мм [17], что достаточно для обеспечения герметичности соединения. Снижение ширины пояска не обеспечит необходимой герметичности по большей части из-за того, что на переходе от поверхности пояска к торцевой поверхности могут быть технологически неизбежно образующиеся фаски [18] размерами не менее 1,2-2,0 мм, которые приведут к снижению ширины участка сопряжения поверхностей по пояску до величины близкой к нулю.

Специальные канавки шириной 5-6 мм и глубиной 1.0-2.0 мм после окончания резьбы полого цилиндрического переходника и муфты (см. фиг.4) призваны выполнять две функции:

- конструктивные элементы, позволяющие нарезать резьбу постоянного профиля на всей поверхности резьбовой части патрубка и муфты и при нарезании резьбы вывести нарезной инструмент без повреждения прилегающих поверхностей;

- конструктивный элемент, позволяющий при постепенном износе технологического замка (снижение контрольного зазора от 3 [19] до 0 мм [20]) обеспечить сохранность резьбы при ее смещении и выходе [21] из контакта с сопрягаемой резьбовой частью [22]. Сохранность резьбы позволяет исключить появление металлической стружки в соединении элементов замка и сохранить целостность и геометрию (параметры резьбы) сопрягаемых поверхностей. В случае отсутствия конструктивного элемента в виде канавки резьбовая поверхность входила бы в контакт с поверхностью конического пояска и изнашивалась бы с образованием металлической стружки, и кроме того, снижала плотность соединения сопрягаемых поверхностей.

Контрольный зазор между торцами муфты и полого цилиндрического переходника шириной 3 мм рассчитан из особенностей предлагаемой конструкции технологического замка и обеспечивает визуальный контроль (возможно без измерительных приборов) за остаточным ресурсом замка предлагаемой конструкции.

Нанесение полимерного покрытия резьбы ниппельной части полого цилиндрического переходника, а также, при необходимости обеспечения более высокой износостойкости резьбового соединения, и муфты технологического замка по специальной технологии с применением печной, лазерной или плазменной полимеризации полимера позволяет за счет создания полимерного слоя [23, фиг.2] повысить износостойкость резьбового соединения [4, фиг.2], в том числе за счет устранения истирания металла при отсутствии или недостаточности резьбовой смазки, что существенно повысит срок службы изделия (обеспечит высокий ресурс эксплуатации). Предлагаемая толщина полимерного покрытия - не менее 50 мкм обеспечивается технологическими приемами нанесения и полимеризации полимерного покрытия металла и при меньшей толщине (менее 50 мкм) полимерное покрытие не обеспечивает высокой износостойкости и длительного сохранения сплошности в процессе эксплуатации, что было проверено при проведении исследований:

Технический результат, обеспечиваемый полезной моделью, заключается в том, что предлагаемая конструкция рабочего соединения технологического замка обеспечивает высокую износостойкость резьбовой поверхности, неизменную высокую герметичность при постепенном износе профиля резьбы ниппельной части переходника и муфты, обеспечивает дополнительную возможность оценки остаточного ресурса соединения, а также создает дополнительную возможность по ремонту замка при износе для увеличения его жизненного цикла.

Все операции по изготовлению замка осуществляются по принятой на трубном заводе технологии изготовления труб с дополнительными операциями по нанесению полимерного покрытия, а сборку трубы с муфтой и переходником производят в заводских условиях, по принятой для НКТ технологии, кроме того возможно производить сборку трубы с муфтой и переходником на трубных базах нефтяных компаний по принятой на них технологии ремонта НКТ.

1. Технологический замок с высоким ресурсом эксплуатации для насосно-компрессорных труб (НКТ), состоящий из цилиндрической муфты с внутренней резьбой и полого цилиндрического переходника длиной как минимум 450 мм с внутренней резьбой для соединения с НКТ, а на другом конце с наружной резьбой для взаимодействия с ответной резьбой муфты, выполненные таким образом, что внутренний диаметр износостойкого замка соответствует внутреннему диаметру сопрягаемых труб, отличающийся тем, что ниппельная часть полого цилиндрического переходника имеет уплотнительный конический поясок перед началом резьбовой части и в конце участка с резьбой и ответная часть муфты имеет аналогичные конические уплотнительные расточки под соответствующие им конические пояски переходника шириной не менее 6 мм с дополнительными специальными канавками шириной 5-6 мм и глубиной 1,5 мм после окончания резьбы на переходнике и муфте, в результате чего образующийся зазор между муфтой и полым цилиндрическим переходником износостойкого замка в собранном состоянии составляет 3 мм, при этом на ответные взаимодействующие резьбы муфты и переходника нанесено полимерное покрытие толщиной не менее 50 мкм.

2. Технологический замок с высоким ресурсом эксплуатации для НКТ по п.1, отличающийся тем, что ответные взаимодействующие резьбы муфты и переходника перед нанесением полимерного покрытия упрочнены за счет обработки поверхностных слоев металла лазерной или плазменной закалкой.

3. Технологический замок с высоким ресурсом эксплуатации для НКТ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что на конических расточках в муфтах в специальные выточки установлено как минимум одно полимерное уплотнительное кольцо.