Герметичне трубне з’єднання для застосування в нафтовидобувній промисловості

Реферат: Винахід належить до герметичного різьбового з'єднання, яке включає перший і другий трубні компоненти, кожен з яких оснащується відповідним охоплюваним кінцем (1) і охоплюючим кінцем (2), при цьому охоплюваний кінець (1) включає на його зовнішній периферичній поверхні щонайменше одну різьбову зону (3) і щонайменше одну ущільнюючу поверхню (5, 11), і закінчується кінцевою поверхнею (7), яка орієнтована упоперек осі (10) з'єднання, охоплюючий кінець (2) включає на його внутрішній периферичній поверхні щонайменше одну різьбову зону (4), яка взаємодіє з різьбовою зоною (3) охоплюваного кінця (1) за допомогою згвинчування, різьбові зони (3, 4) нахилені відповідно до твірної конуса (20), яка утворює кут конуса альфа з віссю (10) з'єднання, щонайменше одну ущільнюючу поверхню (6, 12) розташовану так, щоб вона взаємодіяла з щонайменше однією ущільнюючою поверхнею (5, 11) охоплюваного кінця (1) уздовж зони радіальної контактної взаємодії, і закінчується кінцевою поверхнею (8), яка орієнтована упоперек осі (10) з'єднання, причому дотична в зоні контакту зазначеної щонайменше однієї ущільнюючої поверхні (5, 6; 11, 12) нахилена по прямій лінії (30), що утворює кут бета з віссю (10) різьбового з'єднання, яке відрізняється тим, що нахил, який визначається твірною конуса (20) відносно різьбових зон (3, 4), відбувається в напрямі, протилежному до нахилу, що визначається дотичною (30) в зоні контакту зазначеної ущільнюючої поверхні (5, 6; 11, 12). UA 103509 C2 (12) UA 103509 C2 UA 103509 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Даний винахід належить до герметичного різьбового трубного з'єднання, що знаходиться під дією статичного навантаження такого, як осьове розтягування, осьове стискування, вигин, внутрішній або зовнішній тиск, а також їх комбінації. Вказані герметичні трубні з'єднання, що нижче також називаються з'єднаннями, можуть виготовлятися шляхом з'єднання охоплюваного елементу на кінці першого трубного компонента, який може, наприклад, бути трубою великої довжини, і охоплюючого елементу на кінці другого трубного компонента, який може, наприклад, бути трубою великої довжини або сполучною муфтою, де кожен з вказаних елементів оснащується металевою ущільнюючою поверхнею і радіально ущільнюється по відношенню до металевої ущільнюючої поверхні другого елементу. Вказані з'єднання використовуються, зокрема, для виготовлення герметичних обсадних колон або насосно-компресорних колон для вуглеводневих свердловин або для свердловин схожого типу, таких як, наприклад, геотермальні свердловини. Металеві ущільнюючі поверхні (поверхні ущільнення "метал-метал") охоплюваного і охоплюючого елементів вказаних з'єднань є надзвичайно важливими зонами, які гарантують герметичність з'єднання. У вуглеводневих свердловинах вказані з'єднання піддаються різним навантаженням, таким як розтягування, стискування, вигин і тиск, який створюється або зовнішнім оточенням, або плинними середовищами, що рухаються усередині з'єднання. Зазначене різноманітне навантаження може змінюватися в часі, наприклад, в ході етапу цементування обсадної колони (зростання зовнішнього тиску), або в ході етапу здобичі (зростання внутрішнього тиску), або в ході операцій по технічному обслуговуванню (зупинка, а потім запуск здобичі), і діяти окремо або в поєднанні. Очікується, що вказані з'єднання повинні не лише витримувати вказані механічні навантаження, але і залишатися герметичними при їх прикладанні до з'єднань. Тому було виконано велику кількість розробок, зокрема, відносно з'єднань, що використовують ущільнюючі поверхні "метал-метал". Загальна концепція таких з'єднань полягає в створенні двох поверхонь, що взаємодіють за допомогою ущільнюючого контакту, де одна поверхня належить охоплюваному кінцю першого трубного компонента, а друга ― до кінця другого трубного охоплюючого компонента. Охоплюваний і охоплюючий кінці включають різьбові зони, які дозволяють їм з'єднуватися шляхом згвинчення. Крім того, ущільнюючі поверхні мають розміри, які роблять можливою їх контактну взаємодію в ході згвинчування, де контактна взаємодія виникає в результаті радіального ущільнення між двома ущільнюючими поверхнями. Наприклад, в документі FR-2 913 746 пропонується різьбове з'єднання, яке включає перший і другий трубні компоненти, кожен з яких оснащується відповідними охоплюваним і охоплюючим кінцями, де охоплюваний кінець включає на його зовнішній периферичній поверхні різьбову зону, ущільнюючу поверхню і закінчується кінцевою поверхнею, орієнтованою радіально відносно осі з'єднання, охоплюючий кінець включає на його внутрішній периферичній поверхні різьбову зону, що взаємодіє за допомогою згвинчування з різьбовою зоною на охоплюваному кінці, ущільнюючу поверхню, що взаємодіє за допомогою затягування з ущільнюючою поверхнею охоплюваного кінця, і закінчується кінцевою поверхнею, орієнтованою радіально відносно осі з'єднання. Ущільнююча поверхня охоплюючого кінця розташовується на внутрішній периферичній поверхні зазначеного кінця так, щоб вона знаходилася поряд з кінцевою поверхнею. Між вказаною ущільнюючою поверхнею і різьбовою зоною створена зона, яка має знижену радіальну жорсткість і, таким чином, може деформуватися в радіальному напрямі під дією тиску, що докладається до неї. Знижена радіальна жорсткість створюється шляхом зменшення кільцевого перерізу з'єднання на ділянці, розташованій між різьбовою зоною і ущільнюючою поверхнею охоплюючого кінця. Зменшення кільцевого перерізу фактично досягається шляхом виконання канавки на внутрішній периферії. З цієї причини ця ділянка набуває здатність деформуватися в радіальному напрямі при прикладанні зовнішнього тиску і, таким чином, генерує додаткову енергію пружних деформацій, яка дозволяє першій і другій ущільнюючим поверхням бути спресованими для утворення ущільнюючого контакту. Також слід зазначити, що зони, які із-за присутності канавки, виконаної на внутрішній периферії охоплюючого кінця, мають меншу товщину, можуть розглядатися як переважні у випадку, коли різьбова зона відноситься до типу, що «само фіксується». Насправді, такий тип нарізки вимагає проточки канавки, яка називається "ввідною" канавкою, глибина якої, переважно, щонайменше, дорівнює висоті зубів, які будуть механічно оброблені, і довжина переважно рівна, щонайменше, половині кроку нарізки. Функція "ввідної" канавки полягає в тому, щоб здійснити входження в зачеплення і вивід із зачеплення різальних інструментів в ході механічної обробки різьбової зони. 1 UA 103509 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Зменшення товщини ділянки кільцевого перерізу повинне оптимізуватися для того, щоб витримувати навантаження, що викликається тиском, і забезпечувати стоншену ділянку достатньою областю пружних деформацій. Проте цей компроміс має обмеження в тих випадках, коли тиск перевищує поріг максимальної пружної деформації, допустимої для канавки. Це може відбуватися у тому випадку, коли ущільнююча поверхня є зовнішньою, а з'єднання проходить через кишені плинних середовищ, розташовані на великих глибинах. Схожим чином, коли ущільнююча поверхня є внутрішньою, значення максимального тиску, допустимого для канавки, може бути перевищене тоді, коли після деякої перерви плинне середовище знову починає рух на повній швидкості. З метою подолання проблеми зминання стоншеної частини під дією зовнішнього тиску або раптового сплеску у разі внутрішнього тиску, винахід пропонує модифікацію нахилу ущільнюючих зон, причому нахил, як правило, здійснюється в тому ж напрямі, що і нахил різьбових зон. Точніше, винахід пропонує спрямування орієнтації нахилу ущільнюючих зон так, щоб ця нова орієнтація протистояла зминанню стоншеної ділянки. В цілому, винахід пропонує забезпечення стабільності контакту ущільнюючих зон, розташованих поблизу кінцевих поверхонь кінців трубних компонентів. Точніше, винахід передбачає герметичне різьбове з'єднання, що включає перший і другий трубні компоненти, кожен з яких оснащується такими, що відповідають охоплюваним і охоплюючим кінцями, де охоплюваний кінець включає на його зовнішній периферичній поверхні, щонайменше, одну різьбову зону, щонайменше, одну ущільнюючу поверхню і закінчується кінцевою поверхнею, орієнтованою упоперек осі з'єднання, охоплюючий кінець включає на його внутрішній периферичній поверхні, щонайменше, одну різьбову зону, що взаємодіє за допомогою згвинчування з різьбовою зоною охоплюваного кінця, при цьому різьбові зони нахилені відповідно до твірної конуса, яка утворює кут конуса α з віссю з'єднання, щонайменше, одну ущільнюючу поверхню, розташовану так, щоб вона взаємодіяла, щонайменше, з однією ущільнюючою поверхнею охоплюваного кінця уздовж зони контакту радіальної взаємодії, і закінчується кінцевою поверхнею, орієнтованою упоперек осі з'єднання, при цьому дотична в зоні контакту зазначеної, щонайменше, однієї ущільнюючої поверхні нахилена по прямій лінії, що утворює кут β з віссю різьбового з'єднання, яке відрізняється тим, що нахил, визначуваний твірною конуса по відношенню до різьбових зон, здійснюється в напрямі, протилежному до нахилу, визначуваного дотичною в зоні контакту зазначеної, щонайменше, однієї ущільнюючої поверхні. Нижче наводяться необов'язкові відмітні особливості винаходи, що є доповнюючими або заміщаючими. Дотична в зоні контакту зазначеної, щонайменше, однієї ущільнюючої поверхні утворює кут β з абсолютним значенням в інтервалі 1―30 градусів. Щонайменше, одна ущільнююча поверхня охоплюваного кінця розташовується на зовнішній периферичній поверхні зазначеного охоплюваного кінця поблизу кінцевої поверхні зазначеного охоплюваного кінця, а ущільнююча поверхня охоплюючого кінця розташовується так, що вона протистоїть ущільнюючій поверхні охоплюваного кінця. Щонайменше, одна ущільнююча поверхня охоплюючого кінця, розташовується на внутрішній периферичній поверхні зазначеного охоплюючого кінця поблизу кінцевої поверхні зазначеного охоплюючого кінця а ущільнююча поверхня охоплюваного кінця розташовується так, щоб вона протистояла ущільнюючій поверхні охоплюючого кінця. Ущільнюючі поверхні є конічними поверхнями, що визначають твірну конуса, яка утворює кут β з віссю з'єднання. Ущільнюючі поверхні є тороїдними поверхнями з радіусом R, дотична до яких в зоні контакту утворює кут β з віссю з'єднання. Одна з ущільнюючих поверхонь є конічною поверхнею, а друга відповідна супротивна ущільнююча поверхня є тороїдною з радіусом R, і дотична в зоні контакту між конічною поверхнею і тороїдною поверхнею утворює кут β з віссю з'єднання. Значення радіуса тороїду R знаходиться в інтервалі 30―100 мм. На периферичній поверхні навпроти поверхні, що включає ущільнюючу поверхню, поблизу кінцевої поверхні передбачається фаска. Фаска нахилена відносно осі з'єднання під кутом γ, значення якого знаходиться в інтервалі 1―30 градусів. Фаска утворює з віссю з'єднання кут γ, який, значною мірою, дорівнює куту, що утворюється дотичною в зоні контакту між ущільнюючими поверхнями з віссю з'єднання. Різьбові зони взаємодіють з затягуванням, що самофіксується. 2 UA 103509 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Різьбові зони, відповідно, складаються з першої і другої різьбових зон, які є ступінчастими одна відносно одної. Відмітні особливості і переваги винаходу будуть детальніше описані нижче з відсиланням до супровідних графічних матеріалів. Фігура 1 ― схематичне зображення з'єднання, в якому ущільнююча поверхня передбачається поблизу кінцевої поверхні охоплюючого кінця відповідно до першого варіанту здійснення винаходу. Фігура 2 ― схематичне зображення удосконалення з'єднання, показаного на фігурі 1. Фігура 3 ― схематичне зображення з'єднання, в якому ущільнююча поверхня створена поблизу кінцевої поверхні охоплюваного кінця відповідно до другого варіанту здійснення винаходу. Різьбове трубне з'єднання, показане на фігурі 1, є герметичним різьбовим з'єднанням, що включає перший і другий трубні компоненти, кожен з яких оснащується відповідним охоплюваним 1 або охоплюючим 2 кінцем. Охоплюваний кінець 1 і охоплюючий кінець 2 закінчуються кінцевими поверхнями, відповідно, 7 і 14, орієнтованими упоперек осі з'єднання 10. Термін "орієнтовані упоперек відносно осі з'єднання" означає, що відповідні кінцеві поверхні 7 і 14 не є паралельними осі з'єднання, але лежать в площині, яка перетинається з віссю з'єднання і утворює з нормаллю до осі з'єднання кут, який не перевищує 45 градусів. Ці кінцеві поверхні можуть бути осьовими опорними поверхнями, призначеними для взаємодії за допомогою упору з відповідними поверхнями для того, щоб витримувати крутильні моменти при згвинчуванні в ході згвинчування охоплюваного кінця та охоплюючого кінця. Охоплюваний кінець 1 включає на його зовнішній периферичній поверхні різьбову зону 3; схожим чином, охоплюючий кінець 2, включає на його внутрішній периферичній поверхні різьбову зону 4, при цьому відповідні зони 3, 4 взаємодіють в ході взаємного з'єднання двох кінців 1 і 2 за допомогою згвинчування. Різьбові зони 3 і 4 визначають твірну конуса 20, яка утворює кут α з віссю 10 різьбового з'єднання так, щоб, приймаючи вісь 10 з'єднань 1 за початкове положення і використовуючи зворотну тригонометричну орієнтацію, кут α був більше нуля. Значення цього кута, як правило, знаходиться в інтервалі 1―45 градусів. Непроникність для плинних середовищ як усередині трубного з'єднання, так і з середовища зовні трубного з'єднання забезпечується двома ущільнюючими поверхнями "метал-метал" 5, 6, які розташовуються поблизу кінцевої поверхні 14 охоплюваного кінця 2. Точніше, ущільнююча поверхня 6 розташовується на внутрішній периферичній поверхні охоплюючого кінця 2 поблизу кінцевої поверхні 14, яка, у свою чергу, орієнтована уздовж лінії, значною мірою, перпендикулярної осі 10 з'єднання. Ущільнюючій поверхні 6 протистоїть ущільнююча поверхня 5, яка передбачається на зовнішній периферичній поверхні охоплюваного кінця 1. Обидві ущільнюючі поверхні розташовані так, щоб вони наводилися в контактну взаємодію при згвинчуванні охоплюваного кінця з охоплюючим кінцем. Термін "контактна взаємодія" означає, що зовнішній діаметр охоплюваного кінця 1 на ущільнюючій поверхні 5 дещо більше внутрішнього діаметру охоплюючого кінця 2 на ущільнюючій поверхні 6. У варіанті здійснення винаходу, описаному на фігурі 1, ущільнююча поверхня 6 є тороїдною поверхнею з радіусом R. З боків від тороїдної поверхні внутрішня периферія охоплюючого кінця несе конічні поверхні. Між тороїдною поверхнею 6 і різьбовою зоною 4 знаходиться стоншена конічна ділянка 18. Фактично, ця стоншена ділянка 18 виготовляється шляхом вирізу канавки на внутрішній периферії охоплюючого кінця 2 у кінці різьбової зони 4 для забезпечення легкості введення в зачеплення і виведення із зачеплення інструментів в ході механічної обробки нарізки. Тому ця стоншена ділянка має знижену радіальну жорсткість, що робить з'єднання в цій області уразливим тоді, коли зовнішній тиск збільшується настільки, що перевищує допустиме для стоншеної ділянки порогове значення. Кінцева поверхня 14 охоплюючого кінця 2 і тороїдна поверхня 6 з'єднуються за допомогою конічної поверхні 16, яка передбачається на внутрішній периферії охоплюючого кінця і знаходиться поблизу зазначеної кінцевої поверхні 14. Конічна поверхня 16 поблизу кінцевої поверхні 14 утворює з нею кут, близький до 90°, і має нахил в тому ж напрямі, що і різьбові зони 3 і 4. Слід зазначити, що різні поверхні, як правило, з'єднуються за допомогою радіусів для того, щоб уникнути гострих кутів, які зазвичай заборонені нормами механічної обробки. Тороїдна поверхня 6 є опуклою куполоподібною тороїдною поверхнею, діаметр якої зменшується у напрямі кінцевої поверхні 14. Значення радіуса R, переважно, знаходиться в інтервалі 30 ―100 мм. Занадто великий радіус (> 100 мм) тороїдної поверхні може приводити до недоліків, ідентичних недоліків контакту між конічними поверхнями. Занадто малий радіус ( 0―30 градусів), приймаючи вісь 10 з'єднань 1 за початкове положення, а орієнтацію ― відповідно до тригонометричного напряму. Значення кута β визначається залежно від геометричних характеристик з'єднання і механічного навантаження, які детально описані у вищеописаних варіантах здійснення винаходу. Очевидно, винахід може бути застосований до різних конфігурацій в яких ущільнюючі поверхні можуть мати складну форму. Таким чином, на одному з кінців, щонайменше, одна ущільнююча поверхня може бути конічною, а на іншому кінці відповідна ущільнююча поверхня може бути складною поверхнею, що складається з конічної поверхні (поблизу кінцевої поверхні) і дотичної до тороїдної поверхні (різьбова сторона). Також слід зазначити, що винахід особливо може бути застосовано до з'єднань, в яких ущільнюючі поверхні розташовуються з боку кінцевої поверхні охоплюючого кінця. Саме у цьому типі конфігурації (описаному на фігурі 1 і фігурі 2) найскладніше протистояти змінам тиску, в даному випадку, зовнішнього. На закінчення, слід зазначити, що винахід може бути застосовано особливо до з'єднань, в яких різьбові зони відносяться до типу, що самофіксується. Саме у з'єднаннях цього типу із-за ввідних канавок зустрічаються стоншені ділянки. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 60 1. Герметичне різьбове з'єднання, яке включає перший і другий трубні компоненти, кожен з яких оснащується відповідним охоплюваним кінцем (1) і охоплюючим кінцем (2), при цьому 6 UA 103509 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 охоплюваний кінець (1) включає на його зовнішній периферичній поверхні щонайменше одну різьбову зону (3) і щонайменше одну ущільнюючу поверхню (5, 11), і закінчується кінцевою поверхнею (7), яка орієнтована упоперек, значною мірою перпендикулярно осі (10) з'єднання, охоплюючий кінець (2) включає на його внутрішній периферичній поверхні щонайменше одну різьбову зону (4), яка взаємодіє з різьбовою зоною (3) охоплюваного кінця (1) за допомогою згвинчування, причому різьбові зони (3, 4) взаємодіють з затягуванням, що самофіксується, різьбові зони (3, 4) нахилені відповідно до твірної конуса (20), яка утворює кут конуса  з віссю (10) з'єднання, щонайменше одну ущільнюючу поверхню (6, 12), розташовану так, щоб вона взаємодіяла з щонайменше однією ущільнюючою поверхнею (5, 11) охоплюваного кінця (1) уздовж зони контакту радіальної взаємодії, і закінчується кінцевою поверхнею (14), яка орієнтована упоперек, значною мірою перпендикулярно осі (10) з'єднання, при цьому дотична в зоні контакту зазначеної щонайменше однієї ущільнюючої поверхні (5, 6; 11, 12) нахилена по прямій лінії (30), що утворює кут  з абсолютним значенням в інтервалі 1-30 градусів з віссю (10) різьбового з'єднання, причому одна з щонайменше однієї з ущільнюючих поверхонь (5, 6; 11, 12) є конічною поверхнею; друга відповідна протилежна ущільнююча поверхня (6, 5; 12, 11) є тороїдною поверхнею з радіусом R, і дотична в зоні контакту між конічною поверхнею і тороїдною поверхнею утворює кут  з віссю (10) з'єднання, та нахил, який визначається твірною конуса (20) відносно різьбових зон (3, 4), відбувається в напрямі, протилежному до нахилу, що визначається дотичною (30) в зоні контакту зазначеної щонайменше однієї ущільнюючої поверхні (5, 6; 11, 12). 2. Різьбове з'єднання за п. 1, яке відрізняється тим, що щонайменше одна ущільнююча поверхня (11) охоплюваного кінця (1) розташовується на зовнішній периферичній поверхні зазначеного охоплюваного кінця (1) поблизу кінцевої поверхні (7) зазначеного охоплюваного кінця, а ущільнююча поверхня (12) охоплюючого кінця (2) розташовується так, що вона протистоїть ущільнюючій поверхні (11) охоплюваного кінця (1). 3. Різьбове з'єднання за п. 1 або п. 2, яке відрізняється тим, що щонайменше одна ущільнююча поверхня (6) охоплюючого кінця (2) розташовується на внутрішній периферичній поверхні зазначеного охоплюючого кінця (2) поблизу кінцевої поверхні (14) зазначеного охоплюючого кінця, а ущільнююча поверхня (5) охоплюваного кінця (1) розташовується так, щоб вона протистояла ущільнюючій поверхні (6) охоплюючого кінця (2). 4. Різьбове з'єднання за п. 2 або п. 3, яке відрізняється тим, що щонайменше одна з ущільнюючих поверхонь (5, 6; 11, 12) є конічною поверхнею, що визначає твірну конуса, яка утворює кут  з віссю (10). 5. Різьбове з'єднання за п. 2 або п. 3, яке відрізняється тим, що щонайменше одна з ущільнюючих поверхонь (5, 6; 11, 12) є тороїдною поверхнею з радіусом R, дотична до якої в зоні контакту утворює кут  з віссю (10) з'єднання. 6. Різьбове з'єднання за будь-яким з попередніх пунктів, яке відрізняється тим, що значення радіуса тороїду R знаходиться в інтервалі 30-100 мм. 7. Різьбове з'єднання за будь-яким з попередніх пунктів, яке відрізняється тим, що поблизу кінцевої поверхні (7; 14), на периферичній поверхні, протилежній поверхні, яка включає щонайменше одну ущільнюючу поверхню (11; 6), передбачається фаска (9; 9'). 8. Різьбове з'єднання за п. 7, яке відрізняється тим, що фаска (9; 9') нахилена відносно осі (10) з'єднання під кутом , значення якого знаходиться в інтервалі 1-30 градусів. 9. Різьбове з'єднання за п. 7 або п. 8, яке відрізняється тим, що фаска (9; 9') утворює кут  з віссю (10) з'єднання, і цей кут, значною мірою, дорівнює куту, утвореному дотичною в зоні контакту між ущільнюючими поверхнями з віссю (10) з'єднання (1). 10. Різьбове з'єднання за будь-яким з пп., яке відрізняється тим, що різьбові зони (3, 4) складаються, відповідно, з першої різьбової зони (3а, 4а) і другої різьбової зони (3b, 4b), і перші і другі різьбові зони є ступінчастими одна відносно одної. 7 UA 103509 C2 8 UA 103509 C2 Комп’ютерна верстка І. Мироненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 9