Высокогерметичное резьбовое соединение нефтегазовых труб

Полезная модель относится к высокогерметичным резьбовым соединениям. Резьбовое соединение включает в себя ниппельные и раструбные соединительные элементы с конической резьбой, при свинчивании которых производится силовая сборка соединения, при этом со стороны меньшего диаметра усеченного конуса последних выполнен герметизирующий узел с радиальными уплотнительными поверхностями и смежные с последними упорные уплотнительные поверхности. Упорные уплотнительные поверхности раструбного и ниппельного элементов выполнены в виде множества сферических вершин и впадин, входящих в контакт друг с другом с образованием, по меньшей мере, двух герметизирующих узлов. Количество сферических вершин и впадин упорной поверхности ниппельного и раструбного элемента составляет от 2 до 7. 1 н. и 4 з.п. ф-лы, 10 ил.

Настоящая полезная модель относится к конструкции резьбового соединения труб с герметизирующим узлом, где применено уплотнение металл-металл, которое предназначено для использования в конструкции обсадных труб для обеспечения герметичности соединения при строительстве, эксплуатации и испытании нефтегазодобывающих, водонагнетательных, опорных и прочих скважин различного назначения, для эксплуатации в различных климатических зонах.

Усложнение условий извлечения жидких и газообразных углеводородов, связанные с выходом в районы Крайнего Севера, в том числе с добычей на арктических шельфах, предъявляет жесткие требования к характеристикам используемых резьбовых соединений обсадных труб в части прочности и герметичности.

Из уровня техники известно резьбовое соединение нефтяных труб, включающее ниппельный и раструбный соединительные элементы с конической резьбой и упорными торцами, наружную и внутреннюю уплотнительные поверхности и сбег резьбы на охватывающей детали на участке между резьбой с полным профилем и внутренней уплотнительной поверхностью описанного в ГОСТ 632 и именуемого как ОТТГ. Упорные торцы резьбового соединения ОТТГ на раструбном и ниппельном элементе предназначены для стопорящего действия в момент завершения свинчивания. Если упорные торцы ниппеля и муфты выполнить с углом обратного конуса от 5° до 15° это обеспечит поджатие радиальной конической поверхности ниппельного элемента к конической поверхности раструбного элемента, наиболее лучший стопорящий эффект и дополнительную герметизацию.

Наиболее близким к заявляемой полезной модели по совокупности существенных признаков является техническое решение, защищенное патентом RU 2234022, МПК F16L 15/00, опубл. 10.08.2004, в котором описано герметичное резьбовое соединение, включающее ниппельный и раструбный соединительные элементы с конической резьбой, уплотнительные и упорные поверхности, при этом на меньших диаметрах конусов наружных и внутренних резьб выполнен герметизирующий узел с уплотнительными радиальными и торцевыми коническими поверхностями.

Недостатком известного технического решения является конструкции упорных торцов уплотнения «металл-металл» ниппельного и раструбного элементов, которые имеют прямолинейную структуру и предназначены для использования в тех случаях, когда возможно воздействие на трубу неравномерных сил, направленных перпендикулярно оси трубы.

Технической задачей настоящей полезной модели является создание конструкции резьбового соединения ниппельного и раструбного элементов, которая обеспечит замковое закрепление уплотнительного элемента «металл-металл», исключит смещения носика уплотнительного элемента во внутреннюю полость трубы, обеспечит большую площадь контакта, исключит смятие упорной части уплотнения ниппельного и раструбного элементов, обеспечит герметичность резьбового соединения при значительных изгибах колонны нефтегазовых труб.

Задача, положенная в основу настоящей полезной модели, с достижением заявленного технического результата, решается тем, что в высокогерметичном резьбовом соединении нефтегазовых труб, включающем ниппельные и раструбные соединительные элементы с конической трапецеидальной резьбой, при этом со стороны меньшего диаметра усеченного конуса последних выполнен герметизирующий узел с радиальными уплотнительными поверхностями и смежные с последними упорные уплотнительные поверхности, упорные уплотнительные поверхности раструбного и ниппельного элементов выполнены в виде множества сферических вершин и впадин, входящих в контакт друг с другом с образованием, по меньшей мере, двух герметизирующих узлов; при этом упорные уплотнительные поверхности раструбного элемента выполнены без прямолинейных участков.

Кроме того, радиус сферической впадины упорной поверхности ниппельного элемента и радиус сферической вершины раструбного элемента второго герметизирующего узла связаны соотношением:

R ₅R₃,

где: R₃ - радиус сферической вершины упорной поверхности раструбного элемента;

R₅ - радиус сферической впадины упорной поверхности ниппельного элемента.

Кроме того, количество сферических вершин и впадин упорной поверхности ниппельного и раструбного элемента составляет от 2 до 7.

Кроме того, радиус, радиус, образующий сферическую вершину радиальной поверхности раструбного элемента первого герметизирующего узла, находится в пределах 75-120 мм, а радиусы, образующие сферические вершины и впадины упорных поверхностей, - в пределах 0,4-4,8 мм.

Кроме того, коническая трапецеидальная резьба выполнена с конусностью 1:16.

Вышеперечисленные признаки являются взаимосвязанными и существенными, и подтверждают достижение технического результата от использования предложенной конструкции, который заключается в повышении герметичности и увеличении прочности соединения при его спуске и эксплуатации, что позволяет использовать предлагаемое соединение, в том числе и для газообразных сред.

Выполнение упорных поверхностей уплотнительного раструбного и ниппельного элементов в виде множества сферических вершин и впадин, входящих в контакт друг с другом с образованием, по меньшей мере, двух герметизирующих узлов повышает степень герметичности соединения при значительных изгибах колонны нефтегазовых труб.

Размерность принятых величин и впадин ограничена возможностью токарного инструмента и конструкцией торцевого уплотнения. Минимальный радиус сферических вершин и впадин составляет 0,4 мм, и равен минимальному радиусу режущей кромки инструмента для точения. На сегодняшний день минимальный радиус режущей кромки токарного инструмента ведущих фирм производителей составляет 0,4 мм. Максимальный радиус вершин и впадин торцевого уплотнения ниппельного и раструбного элемента составляет 4,8 мм, и обусловлен малой линейной величиной упорного торца уплотнительной части ниппельного элемента. Величина упорного торца уплотнения ниппельного элемента при различных толщинах стенок труб может составлять от 2 мм до 5 мм. Для равноценного сравнения существующих стандартных решений и решения описанного в данной заявке была принята максимальная величина упорного торца 5 мм. На фигурах 3, 4, 5, 6 показаны варианты исполнения сферических вершин и впадин торцевого уплотнения ниппельного и раструбного элементов.

Выполнение сферической вершины радиальной поверхности раструбного элемента первого герметизирующего узла радиусом 75-120 мм улучшает прочность резьбового соединения и его стойкость к ослаблению при изгибе.

Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого полезная модель явным образом не следует для специалиста по производству и эксплуатации обсадных труб, показал, что она не известна, а с учетом возможности промышленного серийного изготовления высокогерметичного резьбового соединения труб, можно сделать вывод о ее соответствии критериям патентоспособности.

Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером выполнения высокогерметичного резьбового соединения нефтегазовых труб, который не является единственно возможным и наглядно демонстрирует возможность получения указанного технического результата. Допускаются различные модификации и улучшения, не выходящие за пределы области действия полезной модели, определенные прилагаемой формулой.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:

- на фиг. 1 изображен общий вид предлагаемого высокогерметичного резьбового соединения нефтегазовых труб;

- на фиг. 2 изображены герметизирующие узлы уплотнения "металл-металл";

- на фиг. 3 изображен выносной элемент "Б" на фиг. 2 с множеством сопряженных радиусов, при этом радиус R5 упорной уплотнительной поверхности больше радиуса R3;

- на фиг. 4 изображен выносной элемент "Б" на фиг. 2 с множеством сопряженных радиусов, при этом радиус R5 упорной уплотнительной поверхности равен радиусу R3;

- на фиг. 5 изображен выносной элемент "Б" на фиг. 2 с множеством сопряженных радиусов R1, R2, R3, R4, R5 и добавлен радиус R6;

- на фиг. 6 изображен выносной элемент "Б" на фиг. 2 с множеством сопряженных радиусов R1, R2, R3, R4, R5, R6 и добавлен радиус R7;

- на фиг. 7 изображен выносной элемент "Б" на фиг. 2 с указанием сил F₁, F₂, F₃, действующих на упорные уплотнительные поверхности в зоне сопряжения ниппельного и раструбного элементов;

- на фиг. 8 изображены герметизирующие узлы при применении криволинейных упорных поверхностей ниппельного и раструбного элемента образованных равными радиусами;

- на фиг. 9 изображены герметизирующие узлы при применении криволинейных упорных поверхностей ниппельного и раструбного элемента образованных комбинацией разных радиусов;

- на фиг. 10 изображена схема приложения силы F₄ на образец свинченного резьбового соединения при проведении испытания на изгиб.

В графических материалах соответствующие конструктивные элементы высокогерметичного резьбового соединения нефтегазовых труб обозначены следующими позициями:

1. - ниппельный соединительный элемент (ниппель);

2. - раструбный соединительный элемент (муфта);

3. - коническая трапецеидальная резьба раструбного элемента 2;

4. - коническая трапецеидальная резьба ниппельного элемента 1;

5. - упорная криволинейная уплотнительная поверхность раструбного элемента 2;

6. - упорная криволинейная уплотнительная поверхность ниппельного элемента 1.

Высокогерметичное резьбовое соединение нефтегазовых труб включает ниппельный 1 и раструбный 2 соединительные элементы с коническими поверхностями, на которых выполнена трапецеидальная резьба с конусностью 1:16, причем обе резьбовые части 3 и 4 имеют общий контур поверхности в виде усеченного конуса, а со стороны меньшего диаметра усеченного конуса последних выполнен герметизирующий узел I с уплотнительными радиальными поверхностями и смежные с последними упорные криволинейные уплотнительные поверхности 5 и 6. Радиальная поверхность раструбного элемента в зоне первого герметизирующего узла выполнена в виде сферической вершины, радиусом 75-120 мм. Упорная поверхность 6 раструбного элемента 2 и упорная поверхность 5 ниппельного элемента 1 выполнены криволинейными в виде множества сферических вершин и впадин с радиусом 0,4-4,8 мм, входящих в контакт друг с другом с образованием, по меньшей мере, двух герметизирующих узлов. Количество сферических вершин и впадин упорной поверхности ниппельного и раструбного элемента составляет от 2 до 7. При этом уплотнительные поверхности раструбного элемента выполнены без прямолинейных участков, а радиус сферической впадины упорной поверхности ниппельного элемента и радиус сферической вершины раструбного элемента второго герметизирующего узла связаны соотношением:

R₅>R₃,

где: R₃ - радиус сферической вершины упорной поверхности раструбного элемента;

R₅ - радиус сферической впадины упорной поверхности ниппельного элемента.

В предлагаемом решении применена новая геометрия элементов резьбового соединения, которая состоит из множества сферических вершин и впадин поверхностей 5, 6, входящие в контакт друг с другом и образующих гарантированный барьер герметизации.

Высокогерметичное резьбовое соединение нефтегазовых труб работает следующим образом.

Для проверки теоритических предположений был выполнен математический расчет методом конечных элементов эмитирующий фактическую работу резьбового соединения нефтегазопромысловых труб в различных условиях.

Для фактического выполнения высокогерметичного резьбового соединения нефтегазовых труб непосредственно на изделии проведен комплекс технологических работ с применением высокоточных станков. В результате развития машиностроения в последние годы и появления прецизионных станков с числовым программным управлением появилась возможность получения различной геометрии любых участков резьбового соединения (резьбовой части, линейных участков, зон уплотнения «металл-металл») улучшающих их работу в промысловых условиях.

При сборке резьбового соединения осуществляется контакт ниппеля 1 и раструбного элемента 2 с помощью конической резьбы, наружной 3 и внутренней 4 с конусностью 1:16. При дальнейшем продвижении резьбы ниппеля в раструб радиальный натяг по резьбовым поверхностям 3, 4 увеличивается до момента стыковки торцевых уплотнительных поверхностей 5 и 6, и при суммарном натяге (при достижении заданного крутящего момента), дальнейшие операции по сборке приостанавливаются (соединение собрано).

Для подтверждения получения заявленного технического результата проведены испытания на реальных образцах. Для проведения испытаний было изготовлено 42 опытных образца различных типоразмеров с различной комбинацией предлагаемого элемента. Все образцы были подвергнуты нагрузкам аналогичным фактическим нагрузкам, при которых эксплуатируются нефтегазопромысловые трубы. Все образцы были изготовлены по методике ISO 10400. Резьбовые соединения были свинчены по расчетным моментам свинчивания, а подготовленные образцы прошли первичное гидростатическое испытание. Далее образцы подвергались комплексу динамических нагрузок и испытаниям. Величины гидростатических испытаний были приняты в соответствии с ГОСТ Р 53366. После прохождения комплекса испытаний, резьбовое соединение образцов развинчивалось и подвергалось визуальному осмотру.

Сложность внедрения данной геометрии упорного торца ниппельного и раструбного элемента заключается в сложности изготовления натурных образцов с различными значениями радиусов R₁ , R₂, R₃, R₄, R₅, R₆, R₇.

Для проведения натурных испытаний образцов резьбового соединения были выбраны минимальные, средние и максимальные величины диапазона радиусов R₂ , R₃, R₄, R₅, R₆, R₇ сферических вершин и впадин составляющие соответственно 0,4 мм, 2,2 мм, 4,8 мм. Величина радиуса R₁ составляла 75 мм и 120 мм.

Все образцы были подвергнуты сжатию путем осевого сдавливания. Сжатие резьбового соединения происходит в процессе монтажа и эксплуатации обсадной колонны. При осевом сжатии резьбового соединения максимальная нагрузка приходится на резьбовую часть и упорный торец уплотнения ниппельного и раструбного элемента. Сферические вершины и впадины образуют криволинейную поверхность упорного торца уплотнения ниппельного и раструбного элемента, которая имеет большую продолжительность по отношению к прямолинейной поверхности, а значит, обеспечит большую площадь контакта поверхностей упорного торца ниппельного и раструбного элемента, повысит максимальное значение усилия сжатия, и соответственно уменьшить вероятность потери герметичности всего соединения. Радиальные кольца на упорном торце уплотнения ниппельного и раструбного элемента образованными сферическими вершинами, и впадинами создают множество точек упругого контакта, обеспечивают эффект поршневых колец, повышают герметичность резьбового соединения.

Все образцы были подвергнуты растяжению путем осевого растяжения. Растяжение резьбового соединения происходит в процессе спуска нефтегазовой колонны. Основная нагрузка приходится на последние свинченные соединения. Точки контакта на упорных торцах имеют различную степень сжатия и создают ступенчатые барьеры герметичности расположенные по всей поверхности между сферическими поверхностями и впадинами. При осевом растяжении резьбового соединения точки контакта разгружаются по цепочке, а не единовременно. Цепочка сил позволяет эффективней сохранять зоны упругой деформации, так как имеет плавный переход по радиусу сферических вершин и впадин.

Все образцы были подвергнуты изгибу путем прикладыванию силы перпендикулярной к оси соединения в центральной части муфты. На фигуре 7 показаны силы F₁, F₂ , F₃, которые обеспечивают «замковое» уплотнение и исключают выход из зацепления уплотнения ниппеля из уплотнения раструбного элемента резьбового соединения при изгибе колонны обсадных труб. Сферические вершины и сферические впадины торцевого уплотнения при максимальном изгибе обеспечивают наилучший контакт, чем прямолинейный, так как прямолинейный контакт торцевого уплотнения ниппеля начинает изменять угол, а, следовательно, теряет контакт поверхности и проводит к потере герметичности резьбового. Криволинейная поверхность со сферическими вершинами и впадинами не может подвергаться изменению угла, и тем самым сохраняет всю площадь контакта и герметичность резьбового соединения.

Все образцы были подвергнуты гидростатическому испытанию при испытании на сжатие, растяжение, изгиб. Гидростатическое испытание образцов позволило эмитировать фактическое внутреннее давление, достигаемое при эксплуатации обсадных труб. Гидростатическое испытание каждого образца проводилось в течение 600 секунд, что значительно превышает время регламентированное стандартами.

Проведение всего комплекса испытаний позволило подтвердить работоспособность новых элементов конструкции.

Преимуществом заявляемой полезной модели перед существующими известными техническими решениями является повышение надежности и герметичности резьбового соединения нефтегазопромысловых труб.

Настоящая полезная модель промышленно применима, так как используемое промышленное оборудование и технология изготовления конических трапецеидальных резьб с целью повышения прочности и герметичности соединения осуществлены на новом принципе взаимодействия контактирующих поверхностей.

1. Высокогерметичное резьбовое соединение нефтегазовых труб, включающее ниппельные и раструбные соединительные элементы с конической трапецеидальной резьбой, при этом со стороны меньшего диаметра усеченного конуса последних выполнен герметизирующий узел с радиальными уплотнительными поверхностями и смежные с последними упорные уплотнительные поверхности, отличающееся тем, что упорные уплотнительные поверхности раструбного и ниппельного элементов выполнены в виде множества сферических вершин и впадин, входящих в контакт друг с другом с образованием, по меньшей мере, двух герметизирующих узлов, при этом упорные уплотнительные поверхности раструбного элемента выполнены без прямолинейных участков.

2. Соединение по п. 1, отличающееся тем, что радиус сферической впадины упорной поверхности ниппельного элемента и радиус сферической вершины упорной поверхности раструбного элемента второго герметизирующего узла связаны соотношением R₅R₃,

где R₃ - радиус сферической вершины упорной поверхности раструбного элемента;

R ₅ - радиус сферической впадины упорной поверхности ниппельного элемента.

3. Соединение по п. 1, отличающееся тем, что количество сферических вершин и впадин упорной поверхности ниппельного и раструбного элемента составляет от 2 до 7.

4. Соединение по п. 1, отличающееся тем, что радиус, образующий сферическую вершину радиальной поверхности раструбного элемента первого герметизирующего узла, находится в пределах 75-120 мм, а радиусы, образующие сферические вершины и впадины упорных поверхностей, - в пределах 0,4-4,8 мм.

5. Соединение по п. 1, отличающееся тем, что коническая трапецеидальная резьба выполнена с конусностью 1:16.