Замкове з’єднання колони водопіднімальних труб

1. Замкове з'єднання колони водопіднімальних тр уб, що містить водопіднімальні труби, ніпель, муфту, сполучені між собою за допомогою замкової різьби в натяг, яке відрізняється тим, що кінці водопіднімальних труб колони сполучені відповідно із зовнішніми кінцями ніпеля і муфти за допомогою мілкомодульної або неповнопрофільованої конусної різьби в натяг, в зоні основної площини різьби по колу, з рівномірним кроком сформовані призонні отвори, в які запресовані циліндричні штифти з обмежувальними упорами, а в торцях муфти і ніпеля утворені прямокутні пази для зварювання їх до кінців труб і створення заздалегідь напруженого нероз'ємного з'єднання. 2. Замкове з'єднання колони водопіднімальних труб за п. 1, яке відрізняється тим, що штифти виконані конічними і розташовані в зоні основної різьби, в шаховому порядку. Винахід відноситься до гірничодобувної і вугільної промисловості для з'єднання труб водопідіймальних колон при відкачуванні рідини або при її транспортуванні, а також може знайти застосування в буровій техніці при обсадженні свердловин з подачею текучого від забою до гирла за допомогою заглибних засобів водоосушення. Відомо, що технологічна схема організації водовідливних комплексів водознижуючих свердловин алмазних трубок при кар'єрній розробці рудних родовищ, а також шахт, що закриваються і затоплюваних, з використанням стовбура як водозбірник є водопідіймальною колоною труб з підвіскою на ній заглибного вертикального насосного агрегату. Необхідна проектна висота відкачування, і відповідно довжина колони формується з одновимірних секцій труб, сполучених між собою найчастіше замковими або муфтовими різьбовими з'єднаннями. При незначній глибині водопідйому з'єднання міжсвічок колони можуть бути виконані у вигляді фланців або хомутів. Проте із зростанням глибини відкачування, в першу чергу, при демон тажі колони труб, повинна бути забезпечена швидкість підйому і спуску агрегатів, однакових по об'єму з водопритокою свердловини. Невиконання даної вимоги може привести до надзвичайних ситуацій або екологічним катастрофам - затопленням житлових масивів, сільхозугідь, промислових об'єктів. Тому, в проектних рішеннях, при виборі міжтрубних з'єднань, їх надійності, довговічності, швидкороз'ємності і збірці повинні бути враховані і взаємопов'язані вищезгадані чинники. При відкачуванні водопіднімальні трубні колони, виконуючи основну функцію - транспортування води і підтримку проектного рівня затоплення, одночасно є зв'язком, міцність якого, як несучого елементу, залежить від статичних і динамічних навантажень діючих в системі. До них, в першу чергу, слід віднести вагове навантаження власне колони з арматурою і текучого при пускових процесах, навантаження, викликані динамічними явищами типу гідравлічний удар, реактивний момент при запуску і коливання трубопроводу у момент підриву насоса від дзеркала води і т.д. (19) UA (11) 84137 (13) (21) a200506662 (22) 07.07.2005 (24) 25.09.2008 (46) 25.09.2008, Бюл.№ 18, 2008 р. (72) АЛІЄВ НАТІКБЄК АЛІЄВИЧ, UA, АЛІЄВ ДЖАХАНГІР Н АТІКБЄКОВИЧ, U A (73) АЛІЄВ НАТІКБЄК АЛІЄВИЧ, UA, АЛІЄВ ДЖАХАНГІР Н АТІКБЄКОВИЧ, U A (56) RU 2251045, F 16 L 21/00, 27.04.2005 RU 2168102, F 16 L 15/08, 27.05.2001 RU 2224870, F 21 B 17/046, 27.02.2004 RU 2236544, F 21 B 17/042, 20.09.2004 US 4068865, F 16 L 21/00, 17.01.1978 US 4012059, F 16 L 55/00, 15.03.1997 US 4900066, F 16 L 55/00, 13.02.1990 SU 732484, E 21 B 17/06, 08.05.1980 SU 927955, E 21 B 17/08, 15.05.1982 C2 1 3 84137 Проте із зростанням глибини зростає величина підйому текучого і унаслідок відповідного збільшення вагового навантаження зростає і товщина труб, з яких набирається колона. Відповідно росте погонне вагове навантаження, збільшуються моменти при демонтажі і монтажі колони, різко ускладнюються процеси з’єднання труб між собою, складування і транспортування труб від стапелів до гирла свердловини, що прикладаються. Тобто збільшення товщини труб колони має межу, визначувану ви щезгаданими чинниками, що приводить і до різкого дорожчання водопіднімального комплексу. З іншого боку збільшення статичного і динамічного навантаження зменшує запас міцності колони, особливо в місцях підвіски і в зоні різьбових з'єднань, на ділянках перехідних галтелей, ділянках підвищеної корозії і зносу. До таких ділянок, особливо схильним зносу і корозії, слід віднести зону сполучного різьбою і поверхонь, що створюють натяг при згвинчуванні - що є в районі основної площини різьби. Тому як необхідність до таких сполучних елементів водопіднімальних колон пред'являються особливі вимоги: при високій міцності повинна бути забезпечена можливість багатократного використовування різьбового з'єднання - до 1000 з’єднань, з мінімальним зносом контактуючих поверхонь, без різкого зростання товщини стінок, як власне замку, так і труб. Окрім вищезгаданих вимог зміна геометрії профілю різьби за рахунок зносу з'єднання виключає можливість створення натягу, що часто призводить до важких аварій, обривів труб і втрати насосних агрегатів. В даний час, повсюдно, для водопіднімальних колон водовідливних комплексів, розміщуваних у вертикальних свердловинах і стовбура х ша хт, що закриваються, застосовуються труби обсадні і муфтові з'єднання до них [ГОСТ 632-80 Трубы обсадные й муфтовые соединения κ ним. Технические условия. М.: 1980г.]. Як з'єднання в них використовуються трапецеїдальне різьби ОТТМ або високогерметичне з'єднання ОТТГ, параметри профілю яких визначені ГОСТ 632-80 (див. вище). Досвід експлуатації водопіднімальних колон водовідливних комплексів в Україні і Росії показав неприпустимість застосування в них обсадних труб ГОСТ 632-80 з різьбою ОТТМ і ОТТГ як сполучного елементу. Основним недоліком даного технічного рішення є те, що труби з таким з'єднанням не призначені для багаторазового використовування при виконанні операцій з’єднання, що необхідне при експлуатації заглибних насосних агрегатів водовідливних комплексів. Такі з'єднання навіть не рекомендуються повторно застосовувати без ремонту після кожного демонтажу [см.«Трубы нефтяного сортамента». Справочник. Под общей редакцией А.Е. Сарояна. М.: Недра – 1987]. Проблема полягає ще і у тому, що високонавантажене, рівноміцне, герметичне і одночасно зносостійке різьбове з'єднання може бути забезпечене тільки конусними формами різьби, до яких відносяться всі види профілів замкової різьби, а також різьби ОТТМ і ОТТГ. При такій формі вико 4 нання і формування геометрії профілю натяг створюється по основній площині різьби, що забезпечує ви щезгадані умови роботи з'єднання. Звідси зрозуміло, що знос профілю через відомі причини, не забезпечуючи натягу, одночасно порушує міцність і герметичність з'єднань по всій довжині колони, тим самим створюючи умови одвороту і обриву колони з відповідними наслідками. Крім того, застосування тонкостінних обсадних труб, в сукупності з муфтами і різьбою ОТТМ і ОТТГ для формування водопідіймальної колони, при демонтажі і монтажі приводить до деформацій і викривлення поверхні вказаних елементів. Особливо цей факт виявляється при тривалій експлуатації колон в середовищі з підвищеною кислотністю, оскільки момент скручування від елементів затискних пристроїв ключів додається до схильної корозії і роз'їдання поверхні. Відоме рішення по з'єднанню стиків магістральних трубопроводів, складених з окремих труб, а також тонких деталей по [Патенту Російської Федерації RU №2251045 «Способ соединения труб», авторы Столбов В.И., Петероитис С.Х., Чухарев А.В., заявлено 16.01.2003p., опубліковано 27.04.2005р.(аналог)]. Задача винаходу - збереження первинної структури і властивостей зовнішньої і внутрішньої труб при з'єднанні їх між собою в процесі виготовлення і стиків окремих готови х труб при їх об'єднанні в магістральний трубопровід. По вказаному патенту з'єднання зовнішньої силової труби, із співвісний встановленою внутрішньою, податливою, тонкостінною, здійснюється за допомогою затиску при пресовій посадці за рахунок охолоджування внутрішньої труби і нагріву зовнішньої, а в процесі об'єднання їх стиків за допомогою бандажів. При цьому технічному рішенні вдається одержувати трубопроводи будь-якої довжини, в експлуатаціонному відношенні володіючі високою надійністю і довговічністю, різко понизити аварійність і екологічний збиток при аварії на трубопроводі. Крім того, згідно даному технічному рішенню, таке з'єднання відрізняється від відомих високою міцністю і герметичністю, сполучати пресовою посадкою вдається практично будь-які поєднання матеріалів, у тому числі і такі зварюваність або поєднання яких між собою неможливі. Застосування бандажирування при з'єднанні готових тр уб або колон дає можливість підсилити конструкцію, вмонтовувати на бандажі трубну арматуру і контрольно-вимірювальну апаратуру. До недоліків даного винаходу слід віднести застосування при запресуванні внутрішньої труби спеціального оснащення, термоелементів для прогрівання і охолоджування ділянок стику і неможливість розбирання трубопроводу. Останній чинник найбільш істотний для роботи і експлуатації колони водопіднімальних труб з заглибними засобами відкачування, оскільки навіть при їх надійній роботі профілактичне обстеження і ремонт агрегатів обов'язковий.І хоча для огляду, профілактики і ремонту заглибних засобів відкачування немає чітко встановлених термінів, в середньому потреба в підйомі, демонтажі з'єднань і, відповідно, операціях з’єднання виникає протягом 500-1000 годин роботи комплексів. 5 84137 По [опису Російського патенту RU №2251045 «Спосіб з'єднання труб»], не дивлячись на високу надійність і експлуатаційне виправдану складність технічного рішення, застосування його, при організації водовідливних комплексів неможливо. Відоме технічне рішення по [патенту Російської Федерації RU №2168102 «Соединение насосно-компрессорных или бурильных труб», авторов Андреева В.К., Буданцева Β.Α., Кобякова Н.И., Малафеева А.С., Пепеляева В.В., Перешеин Ю.П., Фусс Β.Α., заявлено 08.08.2000p., опубліковано від 27.05.2001p.], яке прийняте за прототип до даного описуваного винаходу. По [патенту Російської Федерації RU №2168102 «Соединение насосно-компрессорных или бурильных труб»], з'єднання труб включає в свій склад сполучну муфту, встановлену на різьбовому кінці труби, і порожнистий циліндровий переходник, встановлений на різьбовому кінці іншої з труб, що сполучаються. Муфта складається з циліндрових поверхонь різного діаметру, що сполучаються, з утворенням середньої частини і кінцевих ділянок. Довжина середньої частини, а також сумарна довжина кінцевих ділянок і переходника, що сполучається з ним, виконані відповідно до висоти утримуючого і захватного органів механізму для монтажу-демонтажу тр уб. Тіло муфти, а також переходник виконані об'ємне зміцненими, з технологічними заходами, що збільшують зносостійкість різьбових кінцівок. Задачею винаходу по [патенту RU №2168102 «Соединение насоснокомпрессорных или бурильных труб»] - підвищи ти експлуатаційну надійність з'єднання із забезпеченням герметичності різьбових з'єднань після багатократних операцій монтажу-демонтажу при спусках і підйомах колони труб. Установка додаткового елементу до складу з'єднання з вище переліченими конструктивно-технологічними особливостями підвищує довговічність як всього з'єднання, так і всієї колони труб, за рахунок виключення зіткнення труб із захватними і утримуючими органами механізму для монтажу - демонтажу. Відповідно, це зменшує сумарні витрати на ремонт колон, відбраковку і заміну секцій, що вийшли або зношених. Проте область застосування прийнятого за аналог [патенту Російської Федерації RU №2168102 «Соединение насосно-компрессорных или бурильных тр уб»] обмежена. Колона труб для водовідливних комплексів водознижуючих свердловин, а також шахт, що закриваються і затоплюваних, з використанням стовбура як водозбірник формується по двох основних те хнологічних характеристиках: водопритоку і необхідному рівню підтримки, зрештою визначаючому висоту підйому рідини. Водопритока є початковим чинником для визначення внутрішнього діаметру водопідіймальних тр уб, ув'язки витрати через трубопровід, продуктивності насоса і швидкості переміщення текучого при відкачуванні. Як показує досвід і розрахунки, в більшості випадків, діаметри водопідіймальних труб значно перевершують діаметри труб насосно-компресорного сортаменту. Тому у всіх проектних рішеннях водовідливних і водознижуючих комплексів прийняті для формування колони обсадні труби по ГОСТ 632-80. 6 До того ж підтримка проектного рівня водознижуючих свердловин алмазних тр убок або свердловин при кар'єрній розробці рудних родовищ, що перевищують декілька сотень метрів, а іноді досягаючим глибин до 1000 метрів трубами діаметрами, що перевершують діаметри насоснокомпресорних труб вимагає оптимізації товщини стінок секції. Збільшення товщини труб, як було сказано вище, приводить до зростання навантажень на систему підвісок агрегатів, вантажопідйомні механізми і поліспасти, на машинні ключі, різко збільшує вартість водопідіймального комплексу. Із сказаного виходить, що область застосування технічного рішення по [патенту Російської Федерації RU №2168102 «Соединение насоснокомпрессорных или бурильних труб»] обмежена і не може бути застосована для водовідливних комплексів шахт, алмазних родовищ і в кар'єрах рудних родовищ для водоосушення. Задачею даного винаходу є створення надійного і довговічного з'єднання міжтрубних секцій колони водопіднімальних труб для водовідливних комплексів шахт, алмазних родовищ і копалень при застосуванні в них тонкостінних труб типу обсадних. У основу винаходу поставлена задача підвищення експлуатаційної надійності і довговічності колони водопіднімальних тр уб шляхом створення циліндрового переходника, що розділяється на ніпельну і муфтову частин у, що сполучаються між собою замковою різбою, із збільшеним щодо діаметру труби, що сполучається, зовнішнім циліндром, а кожна з частин, у свою чергу, сполучається з тонкостінною обсадною трубою за допомогою комбінованого з'єднання. Поставлена задача розв'язується тим, що власне комбіноване з'єднання згідно винаходу представляє собою поєднання мілкомодульною або неповнопрофільною конусною різьбою, що сполучає відповідно, кінці труб з ніпелем і муфтою. У основній площині мілкомодульної різьби, в шаховому порядку, сформовані крізні призонні отвори із запресованими циліндровими або конічними штифтами, а зовнішні торці муфти і ніпеля мають пази з приварюванням їх до масиву тр уби після різьбової частини. Таке технічне рішення замкової з'єднання дозволяє формувати його з двох елементів, технологічних при виготовленні, з можливістю проведення термічних, хіміко-термічних видів зміцнення, покриттів або напиленням різними зносостійкими матеріалами, а вузол сполучення виготовити нероз'ємним, з фіксацією елементів по основній площині різьби. Причому, фіксація кожного з елементів здійснюється за допомогою мілкомодульною або конічної різьбою з висотою профілю, менше обумовленої технічними умовам на дану різьбу, тобто неповнопрофільну. Від розвороту і сходження обох елементів з кінців труб при реверсивному русі, після затягування ніпелі або муфти, по основній площині різьби, в шаховому порядку, сформовані призонні отвори, осі яких перпендикулярні подовжній осі обсадної труби з подальшою запресованих в них циліндрових або конічних шти фтів. Причому діаметр їх розрахований і піді 7 84137 браний так, щоб вони сприймали максимальні моменти, що крутять, прикладені від механізмів монтажу і демонтажу. Для виключення можливого виприсовування штифтів під навантаженням кожний з них приварений до корпусу ніпелю або муфті. Тим самим вирішена задача підвищення експлуатаційної надійності з'єднання тонкостінних труб із забезпеченням герметичності різьбових з'єднань після багатократних операцій монтажудемонтажу при спусках і підйомах колони з можливістю сприйняття всього спектру робочих навантажень, з одночасним зменшенням деформації кінців труб. Приведені ознаки, що характеризують винахід, є істотними, оскільки в сукупності достатні для забезпечення працездатності і досягнення вирішуваної технічної задачі, а кожен окремо необхідний для ідентифікації і відмінності замкової з'єднання, що заявляється, від відомих в техніці аналогічних рішень. Таким чином, нова сукупність загальних (відомих) і відмітних (нових) від прототипу істотних ознак, якими характеризується нове замкове з'єднання, є достатньою у всіх випадках, на які розповсюджується об'єм правового захисту, оскільки вирішує поставлену задачу. Позначені ознаки, що характеризують винахід, не є обов'язковими, але, на думку заявника, є кращими і не виключають можливості іншого конкретного еквівалентного виконання замкової з'єднання в межах вказаної суті винаходу. Причинно-наслідковий зв'язок відмітних (нових) ознак при їх взаємодії з відомими (загальними) ознаками в забезпеченні нових властивостей об'єкту винаходу, обумовлених поставленою технічною задачею, полягає в наступному. Оскільки замкове з'єднання містить в своєму складі додаткові елементи-ніпель і муфту, сполучені між собою замковою різьбою, в комбінації з мілкомодульною герметичною різьбою зібраної в натяг з кінцями труб, штифтами в основній площині і зваркою по торцю ніпеля і муфти, то це дозволяє створити беззазорне заздалегідь-напружене монолітне нероз'ємне з'єднання. Причому різьба, докручена в натяг, в поєднанні з призонними штифтами в основній площині, ще і додатково стягується зварювальними напругами, тим самим створюючи заздалегідь-напружену конструкцію. При додатку розтягуючого навантаження конструкція працює в межах номінальних або допускаються напруг. У запропонованому і реалізованому комбінованому з'єднанні весь кінцевий масив труби, як несучий елемент, включений в роботу по сприйняттю навантажень, характер яких визначає складно-напружений деформований стан вузла з'єднання. Крім того диференціація з'єднання на ніпель і муфту з ви щепереліченими конструктивнотехнологічними особливостями підвищує довговіч 8 ність як всього з'єднання, так і всієї колони труб ще і за рахунок виключення зіткнення поверхні труб із захва тними і утримуючими органами механізмів, що здійснюють монтаж-демонтаж колони. Надалі винахід пояснюється докладним описом прикладу конкретного виконання його кращого варіанту з посиланнями на прикладені креслення. На Фіг.1 зображено замкове з'єднання колони водопіднімальних труб в зборі, загальний вигляд, вид Б-торець ніпеля (муфти) із зображенням розташування поперечних пазів, по яких робиться зварка їх до тр уби; вид А- зображення розташування призонних штифтів в зоні основної площини мілкомодульної різьби. Замкове з'єднання колони водопіднімальних труб (Фіг.1) містить в місці стику водопіднімальні труби 1, ніпель 2, муфту 3, сполучених між собою за допомогою замкової різьби 4 в натяг. Кінці водопіднімальних тр уб 1 колони сполучені відповідно із зовнішніми кінцями ніпеля і муфти за допомогою мілкомодульної або неповнопрофільної конусної різьби 5, і докручені машинними або ланцюговими ключами для створення натягу. У зоні основної площини різьби 6, по колу з'єднання, з рівномірним кроком сформовані отвори, в які запресовані штифти 7, що мають обмежувальні головки 8, обварювані аргоново-дуговою або іншою зваркою по контуру(Фіг.1 А). Відповідно поперечної площини, в якій лежить основна площина різьби 6 штифти розташовані в шаховому порядку, з постійним плечем додатку моменту скручування, що дозволяє їм сприймати не тільки зусилля розтягування, але і працювати на тій, що зімне, і зріз, компенсувати крутильний момент. У торцях ніпеля 1 і муфти 2 з'єднання сформовані прямокутні пази 9, в яких, після запресування штифтів робиться зварка, преривиста, із заданим кроком. Таке технічне рішення замкової з'єднання дозволяє сформувати замкнуту силову конструкцію колони водопіднімальних тр уб, здійснюючу у водовідливному комплексі гнучку підвіску заглибного засобу відкачування, транспортування рідини, з можливістю багаторазових операцій з’єднання без порушення герметичності різьбових з'єднань і їх зносу. У сукупності це підвищує експлуатаційну надійність і довговічність з'єднання із зменшенням сумарних витрати на ремонт різьбових ділянок труб, з яких формується колона, відбракування і, відповідно, їх заміну. Винахід не обмежується описаними і показаними на кресленнях варіантами реалізації, але може бути змінене, модифіковане і доповнене в рамках об'єму, визначеного формулою винаходу. Винахід перевірений в процесі стендових випробувань, а також в ша хтни х умовах. Результати випробувань повністю підтвердили його технічну і економічну ефективність і доцільність широкого його використовування. 9 Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 84137 Підписне 10 Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601