Результат интеллектуальной деятельности: ГЕРМЕТИЧНОЕ РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ НЕФТЕПРОМЫСЛОВЫХ ТРУБ

Изобретение относится к области строительства нефтяных и газовых скважин и может быть использовано в обсадных трубах технологического назначения.

Герметичное резьбовое соединение 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 давление, агрессивная среда).

Известно герметичное резьбовое соединение нефтепромысловых труб, включающее охватываемую и охватывающую трубы с коническими резьбами и коническими уплотнительными и упорными поверхностями, первые из которых, контактирующие между собой, 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, опубликован 23.03.2001 г.).

Данное техническое решение принято в качестве прототипа для заявленного изобретения.

Указанное резьбовое соединение обладает недостаточной герметичностью из-за выполнения его конструкции с малым углом конуса упорных конических поверхностей, что не позволяет получить заданную величину натяга при малых осевых перемещениях охватываемой трубы, 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 давление, агрессивная среда) возникают изгибные деформации, нарушающие контакт конических поверхностей, приводящие к разгерметизации резьбового соединения.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по снижению величины радиального натяга в резьбе за счет изменения угла опорной грани резьбы, формированию конструктивных зазоров в резьбе по вершинам профилей, обеспечению дополнительной герметизации за счет выполнения уплотнительной поверхности охватываемой трубы сферической формы в начале и в конце зоны конусного радиального уплотнения торцевого участка при изменении угла конуса.

Достигаемый технический результат заключается в повышении надежности и герметичности соединения в условиях действия изгибных деформаций, увеличении прочности соединения и облегчении его сборки-разборки.

Указанный технический результат достигается тем, что в герметичном резьбовом соединении нефтепромысловых труб, включающем охватываемую и охватывающие трубы с коническими резьбами, уплотнительными и упорными поверхностями, первые из которых, контактирующие между собой в радиальном направлении, выполнены соответственно на внешней поверхности торцевого участка 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 конуса в направлении оси конической резьбы и ответной торцевой конической поверхности на охватывающей трубе, выполненной на участке перехода первой конической поверхности этой трубы к ее телу, профиль конической резьбы имеет отрицательный угол по опорной грани, а высота профиля резьбы охватываемой трубы меньше высоты профиля резьбы охватывающей трубы, при этом уплотнительная поверхность торцевого участка охватываемой трубы в начале и в конце зоны конусного радиального уплотнения имеет сферическую форму, а угол конуса 5°≤β≤25°.

На фигурах 1-3 представлено герметичное резьбовое соединение нефтепромысловых труб.

Соединение содержит охватываемую трубу 1 и охватывающую трубу 2, которые зацепляются друг с другом по конической резьбе 3.

На торцевом участке соединения содержатся упорный торец 4 охватываемой трубы 1 и упорный уступ 5 охватывающей трубы 2, которые выполнены в виде упорных конических поверхностей, а также включает в себя зону радиального уплотнения с наружной 6 и внутренней 7 коническими уплотнительными поверхностями. При этом наружная поверхность 6 в начале 8 и конце 9 зоны конусного радиального уплотнения имеет сферическую форму.

Торец 4 и уступ 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.

Выполнение наружной поверхности 6 в начале 8 и конце 9 зоны радиального уплотнения сферической формой позволяет работать соединению на изгиб, что обеспечивает дополнительную герметичность соединению в условиях действия изгибных деформаций.

В соединении применена коническая резьба, профиль которой имеет отрицательный угол опорной грани α, а высота профиля резьбы охватываемой трубы 1 меньше высоты профиля резьбы охватывающей трубы 2. Сама резьба не обеспечивает герметичность. Основная ее функция - восприятие растягивающей нагрузки и изгиба и частично - сжимающей нагрузки.

Обеспечивающее герметичность уплотнение типа "металл-металл" расположено перед резьбой охватываемой трубы 1 со стороны меньшей образующей конуса резьбы и конструктивно выполнено в форме клина с тупым углом между образующими (упорный торец 4), который упирается в ответную клиновую проточку на охватывающей трубе 2 (упорный уступ 5).

За счет уплотнения резьбовое соединение приобретает свойства нефтегазогерметичного, способного работать при действии комбинированных нагрузок в агрессивных средах.

Угол конуса 5°≤β≤25° по торцевой образующей клина обеспечивает "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 свыше 25 градусов начинают возникать значительные деформации внутреннего диаметра охватывающей трубы 2 при сжатии или перекручивании соединения. При уменьшении угла ниже 5 градусов теряется эффект клина, так как клиновая проточка охватывающей трубы 2 становится более жесткой в осевом направлении. Отрицательный угол опорной грани профиля резьбы исключает возможность выхода резьбы охватываемой трубы 1 из зацепления с резьбой охватывающей трубы 2 при значительных растяжениях, так как радиальные составляющие реакций в резьбе стремятся прижать охватываемую трубу 1 к охватывающей трубе 2. Это позволяет снизить величину радиального натяга в резьбе по сравнению с конструкциями резьб, имеющих положительный угол опорной грани, что обеспечивает высокую износостойкость соединения при свинчивании и улучшает работоспособность соединения при избыточном наружном и внутреннем давлении.

То, что высота профиля резьбы охватываемой трубы 1 меньше высоты профиля резьбы охватывающей трубы 2, позволяет улучшить свинчиваемость соединения и повышает его износостойкость.

Герметичное соединение нефтепромысловых труб работает следующим образом.

При выполнении операций свинчивания или развинчивания соединения первоначально осуществляется взаимодействие охватываемой трубы 1 и охватывающей трубы 2 с помощью резьбы 3. В процессе свинчивания происходит взаимодействие наружной уплотнительной поверхности 6 с уплотнительной поверхностью 7. За счет диаметральных деформаций этих поверхностей создается уплотнительный узел "металл-металл". При этом выполнение наружной уплотнительной поверхности 6 в начале 8 и в конце 9 зоны контакта ее с внутренней поверхностью 7 сферической формой позволяет облегчить процесс свинчивания-развинчивания соединения, а в условиях воздействия изгибных деформаций обеспечивает дополнительную герметичность соединения. При дальнейшем перемещении труб 1 и 2 осуществляется силовое контактирование торца 4 охватываемой трубы и уступа 5 охватывающей трубы, в результате чего на их поверхностях возникают контактные напряжения, величина которых находится в области упругих деформаций. Уровень контактных напряжений, при всех равных условиях, определяется величиной контактирующих площадей торца 4 и уступа 5.

Повышение эксплуатационной надежности соединения обеспечивается за счет увеличения контактирующих площадей торца и упора, 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 труб сопровождается взаимодействием их упорных торца 4 и уступа 5. Конические поверхности упорных торца и уступа выполнены таким образом, что при действии на них осевого усилия, возникающего при свинчивании резьб, поперечная составляющая этого усилия направлена к оси соединения. Это исключает поперечную деформацию с увеличением диаметра в области упорных торца и уступа и делает соединение менее критичным к превышению крутящего момента свинчивания и увеличивает его эксплуатационную надежность.

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

Преимуществом заявленного резьбового соединения по сравнению с прототипом является повышение герметичности, увеличение прочности соединения и облегчение работ при его сборке-разборке.