Герметичное соединение металлических труб диаметром 219-324 мм
Изобретение направлено на повышение надежности герметичного соединения для скважин с интенсивностью искривления до 5 градусов/10 метров, путем обеспечения постоянной величины контактной площади в торцевом сопряжении «труба-муфта». Указанный результат достигается тем, что в известном герметичном соединении металлических труб, содержащем сопрягаемые внутренний и наружные элементы с резьбовыми коническими участками и конической уплотнительной поверхностью на концевой части, угол конусности уплотнительных поверхностей внутреннего и наружного элементов выполнен в пределах 11-35° к плоскости, перпендикулярной оси трубы соединения. Кроме того, резьбовой шаг выбран в пределах 2,5-5,5 мм с высотой профиля 1,20-1,85 мм.
Изобретение относится к резьбовому соединению металлических обсадных труб, применяемых при строительстве и эксплуатации вертикальных, наклонно-направленных и горизонтальных скважин на нефтяных, газовых и газоконденсатных месторождениях.
Известно высокогерметичное резьбовое муфтовое соединение (ОТТГ) для труб различного диаметра, герметичность которого обеспечивается за счет сопряжения внутренних и наружных элементов контакта поверхностей трубы и муфты и контакта торца трубы с упорным торцом муфты, (см ГОСТ 632-80, Трубы обсадные и муфты к ним. М., Госстандарт, 1989 г.).
К основным недостаткам этого резьбового соединения следует отнести то, что при превышении усилия свинчивания резьбового соединения, возможна деформация («гофрирование») торца трубы, а при искривленных стволах скважин в соединении возникают дополнительные напряжения, величина которых превышает минимально допустимое напряжение в плоскости торца трубы.
Известно резьбовое соединение труб эксплуатационных колонн диаметром до 168 мм, включающее взаимодействующую с конусной резьбовой поверхностью конца трубы муфту с цилиндрической расточкой на внутренней поверхности у торцов, причем длина цилиндрической расточки муфты выбрана больше 200 мм (см описание к патенту РФ №2060349, МПК (6) Е 21 В 17/08, от 28.07.1992 г.).
Однако резьбовое соединение с указанными параметрами рассчитано для труб диаметром до 168 мм и оно не может обеспечить надежность и герметичность соединения обсадных труб диаметром 219-324 мм.
Наиболее близким по технической сущности является герметичное соединение металлических труб, содержащее сопрягаемые внутренний и наружный элементы с резьбовыми коническими участками и конической уплотнительной поверхностью на концевой части, причем длина уплотнительной поверхности наружного элемента больше той же длины внутреннего. Конусность уплотнительных поверхностей внутреннего и наружного элементов выполнена в диапазоне 6,25-9,25% относительно оси соединения, а длина поверхности внутреннего элемента, контактирующей с соответствующей поверхностью наружного элемента, составляет 0,5-2,5 мм. На концевой части внутреннего элемента выполнен выступ с конической посадочной поверхностью, а на концевой части наружного элемента выполнено ответное гнездо с поверхностью, ответной указанной, причем угол конусности выполнен 5-10° к плоскости, перпендикулярной оси соединения (см описание к патенту РФ №2058505, МПК (6) F 16 J 15/00, Е 21 В 17/08 от 02.10.1989 г.).
К недостаткам известного герметичного соединения металлических труб следует отнести то, что надежность такого соединения для скважин с интенсивностью искривления до 5°/10 метров недостаточна, из-за того, что величина контактной площади в торцевом сопряжении «труба-муфта», обеспечивается только путем нормативного изменения толщины стенки.
Техническим результатом, на решение которого направлено заявляемое изобретение, является повышение надежности герметичного соединения для скважин с интенсивностью искривления до 5°/10 метров, путем обеспечения постоянной величины контактной площади в торцевом сопряжении «труба-муфта».
Указанный результат достигается тем, что в известном герметичном соединении металлических труб, содержащем сопрягаемые внутренний и наружные элементы с резьбовыми коническими участками и конической уплотнительной поверхностью на концевой части, угол конусности уплотнительных поверхностей внутреннего и наружного элементов
выполнен в пределах 11-35° к плоскости, перпендикулярной оси соединения. Кроме того, резьбовой шаг выбран в пределах 2,5-5,5 мм с высотой профиля 1,20-1,85 мм. Такие параметры резьбы позволяют достичь равнопрочность резьбового соединения с телом трубы.
Экспериментально установлено, что выбор угла конусности поверхностей в пределах 11-35° к плоскости перпендикулярной оси соединения объясняется тем, что при конусности менее 11° и изгибающих нагрузках при 5°/10 метров происходит увеличение нормальных напряжений, которое может привести к началу пластической деформации. При конусности поверхностей более 35° происходит увеличение касательных напряжений до максимальных значений.
Для обоснования проверки прочности и герметичности уплотнительного торцевого уплотнения по экспериментальным данным был проведен расчет заявляемых предельных параметров. Данные по расчету параметров приведены в Приложении 1.
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежом, где на Фиг.1 - изображено герметичное соединение металлических труб.
Герметичное резьбовое соединение металлических труб диаметром 219-324 мм, включает участок трубы 1, и муфту 2, сопряженных по внутреннему конусному резьбовому участку 3 трубы 1 и внутреннему конусному резьбовому участку 4 муфты 2. Угол конусности сопряженного участка трубы 1 к плоскости перпендикулярной оси соединения в муфте 2 выполнен в пределах 11-35°.
Сборка заявляемого герметичного резьбового соединения производится в обычном порядке. При спуске колонны труб в скважину, конец трубы опускают в муфту и с помощью механических средств свинчивают резьбовое соединение.
Проведенные стендовые испытания образцов труб диаметром 219-324 мм для скважин с интенсивностью искривления до 5°/10 метров показали, способность предлагаемого резьбового соединения выдерживать двукратное
свинчивание-развинчивание без повреждения уплотнительных элементов и обеспечить его герметичность при изгибе 5°/10 метров.
В августе 2005 года были проведены промысловые испытания труб диаметром 219-324 мм на газоконденсатном месторождении Краснодарского края, которые подтвердили надежность герметичного соединения в наклонно-направленной скважине.
Определение параметров предельных углов конусности поверхностей к плоскости перпендикулярной оси соединения
В проведенных расчетах, принималось во внимание то, что теоретическая величина напряжения возникающего в плоскости торца трубы при приложении к ней осевой растягивающей силы, изгибающего момента и внутреннего давления, должна удовлетворять неравенству
где 
P.И. - напряжение от осевой нагрузки, кгс/мм2;
Изг. - напряжение от изгиба, кгс/мм 2;
Вн.д. - величина внутреннего давления, кгс/мм2;
Напряжение от осевой нагрузки Р.И, кгс/мм2 определяли по формуле
где РP - разрушающая нагрузка для резьбовых соединений, кгс ([2] РД 39.7/1.0001.89. Инструкция по расчету обсадных колонн для нефтяных и газовых скважин.);
РИ - дополнительная осевая нагрузка, вызванная изгибом колонны, кгс;
F - площадь торца трубы сопрягаемого с упорным уступом муфты, мм2 .
Дополнительная осевая нагрузка, вызванная изгибом колонны РИ, кгс определялась по формуле
где q - вес 1 метра обсадной трубы [1], кг;
D - наружный диаметр, мм;
0 - угол изгиба колонны на 10 м, град.
Например, для соединения металлических труб диаметром 245×10 мм, группы прочности «Л» с интенсивностью искривления до 5°/10 метров:
Р.И.=29,2 кгс/мм2
Изг.=21 кгс/мм2 0,8[Тек.min.]=53,44 кгс/мм 2.
Вн.д.=4,3 кгс/мм2
Р.И.+Изг.+Вн.д.>0,8 [Тек.min.]
Для выполнения условия (1) требуется увеличить площадь торца трубы сопрягаемого с упорным уступом муфты за счет угла сопряжения торца трубы и уступа муфты в соответствии с заявляемым изобретением
Cos=0,8[Тек.min.]/Р.И.+Изг.+Вн.д.
Cos=0,9805, 0=11°
Для соединения металлических труб диаметром 245×12 мм, группы прочности «М» с интенсивностью искривления до 5°/10 метров:
Р.И.=48,8 кгс/мм2
Изг.=21 кгс/мм2 0,8 [Тек.min.]=61,84 кгс/мм 2.
Вн.д.=6,0 кгс/мм2
При выполнении условия (1) - Cos=0,8[Тек.min.]/Р.И.+Изг.+Вн.д.,] =35°.
Таким образом, при углах сопряжения =11° и =35°, между торцом трубы и упорным уступом муфты, резьбовое соединение сохраняет надежную герметичность при максимально допустимых нагрузках.
1. Герметичное соединение металлических труб диаметром 219-324 мм, содержащее сопрягаемые внутренний и наружные элементы с резьбовыми коническими участками и конической уплотнительной поверхностью на концевой части, отличающееся тем, что угол конусности уплотнительных поверхностей внутреннего и наружного элементов выполнен в пределах 11-35° к плоскости, перпендикулярной оси трубы соединения.
2. Герметичное соединение металлических труб диаметра 219-324 мм по п.1, отличающееся тем, что шаг резьбы выбран в пределах 2,5-5,5 мм с высотой профиля 1,20-1,85 мм.
