Герметичне різьбове з’єднання нафтопромислових труб

Герметичне різьбове з'єднання нафтопромислових труб, утворене охоплюваною трубою (1) та трубою (2), що охоплює, з упорними конічними різьбами (3) з конусністю 1:16 та кутом профілю від 12,5° до 13,5°, при цьому профіль упорної конічної різьби (3) має вигляд нерівнобедреної трапеції з упорною гранню витка (4), розташованою під більшим кутом до напрямку дії навантаження, охоплювана труба (1) та труба (2), що охоплює, контактують між собою конічними опорними поверхнями, виконаними відповідно на зовнішній поверхні охоплюваної труби (1) на ділянці між конічною різьбою (3) і торцем труби (1) у вигляді конічної опорної поверхні (5) з конусністю 1:10 у бік цієї труби та на внутрішній поверхні труби (2), що охоплює, на ділянці між конічною різьбою (3) і тілом труби (2) у вигляді конічної опорної поверхні (6) з конусністю 1:10 у бік цієї труби, й конічними упорними поверхнями, виконаними відповідно на торці охоплюваної труби (1) у вигляді конічної упо 2 (19) 1 3 96313 4 Е - середній діаметр конічної різьби (3) в основній площині; L3 - відстань від торця труби (2), що охоплює, до кінця циліндричного розточення (10); L5 - загальна довжина ущільнювального елемента охоплюваної труби (1); L9 - відстань від торця охоплюваної труби (1) до вимірювальної площини діаметра її ущільнювального елемента. Винахід належить до різьбових з'єднань труб і може бути використаний при облаштуванні та експлуатації нафтових і газових свердловин. Найбільш ефективне використання пропонованого винаходу для застосування у високогерметичних різьбових з'єднаннях обсадних, насоснокомпресорних і інших видах труб в горизонтальних та скісних нафтових і газових свердловинах, що експлуатуються в складних геологічних умовах та агресивних середовищах. У сучасних умовах відбувається підвищення вимог до герметичності різьбових з'єднань обсадних труб, пов'язане з постійним ускладненням умов видобутку. Недостатня герметичність різьбового з'єднання найчастіше призводить до появи прискореного корозійного ураження металу у зоні різьбового з'єднання, течі і, надалі, до руйнування колон. Одним зі шляхів підвищення герметичності різьбового з'єднання є підбір оптимального співвідношення геометричних параметрів елементів різьбового з'єднання. З рівня техніки відоме герметичне різьбове з'єднання нафтопромислових труб, що включає охоплювану трубу й трубу, що охоплює, з конічними різьбами й конічними опорними поверхнями, перші контактуючі між собою з яких виконані відповідно на зовнішній поверхні торцевої ділянки охоплюваної труби у вигляді конічної поверхні з конусністю в бік осі цієї труби й на внутрішній поверхні труби, що охоплює, на ділянці між конічною різьбою й тілом труби, а другі контактуючі поверхні виконані відповідно на охоплюваній трубі у вигляді конічної торцевої поверхні з кутом конусності в напрямку конічної різьби на цій трубі й відповідній торцевій конічній поверхні на трубі, що охоплює, виконаної на ділянці переходу першої конічної поверхні цієї труби до її тіла (FR №2798716 А1, 7 F16L15/00, 23.03.2001. Bulletin 01/12). Недоліком відомого пристрою є недостатня герметичність різьбового з'єднання через виконання його конструкції з малим кутом конусності опорних конічних поверхонь, що не дозволяє одержати задану величину натягу при малих осьових переміщеннях ніпеля, що збільшує період від першого контакту ущільнювальних поверхонь до забезпечення заданого натягу. З рівня техніки відоме найбільш близьке по сукупності суттєвих ознак герметичне різьбове з'єднання нафтопромислових труб, утворене охоплюваною трубою та трубою, що охоплює, з упорними конічними різьбами з конусністю 1:16 та кутом профілю від 12,5° до 13,5°, при цьому профіль упорної конічної різьби має вигляд нерівнобедреної трапеції з упорною гранню витка, розташованою під більшим кутом до напрямку дії навантаження, охоплювана труба та труба, що охоплює, контактують між собою конічними опорними пове рхнями, виконаними відповідно на зовнішній поверхні охоплюваної труби на ділянці між конічною різьбою і торцем труби у вигляді конічної опорної поверхні з конусністю 1:10 у бік цієї труби та на внутрішній поверхні труби, що охоплює, на ділянці між конічною різьбою і тілом труби у вигляді конічної опорної поверхні з конусністю 1:10 у бік цієї труби, й конічними упорними поверхнями, виконаними відповідно на торці охоплюваної труби у вигляді конічної упорної торцевої поверхні з кутом конусності від 74,5° до 75,5° у напрямку охоплюваної труби та на внутрішній поверхні труби, що охоплює, на ділянці переходу опорної конічної поверхні до тіла труби у вигляді конічної упорної поверхні з кутом конусності від 74,5° до 75,5° у напрямку труби, що охоплює (RU2297512 С2, 20.04.2007. Бюл. № 11). Недоліком відомого пристрою є недостатня герметичність різьбового з'єднання й низька технологічність при виготовленні ущільнювальних елементів на охоплюваній трубі та трубі, що охоплює. Недостатня герметичність різьбового з'єднання обумовлена травмуванням конічної частини ущільнювального елемента при збиранні різьбового з'єднання як на заводі при виготовленні, так і при збиранні обсадної колони в процесі експлуатації. Низька технологічність при виготовленні ущільнювальних елементів на охоплюваній трубі, та трубі, що охоплює, обумовлена складністю виконання проточки на трубі, що охоплює, і наступний контроль її якості, що у свою чергу приводить до зниження герметичності у випадку невідповідності геометричних параметрів проточки. В основу винаходу, що заявляється, поставлена задача створення такого герметичного різьбового з'єднання нафтопромислових труб, використання якого дозволило б підвищити герметичність різьбового з'єднання й технологічність виготовлення за рахунок спрощення конструкції, що у свою чергу дозволило би усунути ймовірність травмування конічної частини ущільнювального елемента в момент збирання різьбового з'єднання при виготовленні на заводі або в процесі експлуатації при збиранні обсадних колон. Поставлена задача вирішується тим, що в герметичному різьбовому з'єднанні нафтопромислових труб, яке утворене охоплюваною трубою та трубою, що охоплює, з упорними конічними різьбами з конусністю 1:16 та кутом профілю від 12,5° до 13,5°, при цьому профіль упорної конічної різьби має вигляд нерівнобедреної трапеції з упорною гранню витка, розташованою під більшим кутом до напрямку дії навантаження, охоплювана труба та труба, що охоплює, контактують між собою конічними опорними поверхнями, виконаними відповід 5 но на зовнішній поверхні охоплюваної труби на ділянці між конічною різьбою і торцем труби у вигляді конічної опорної поверхні з конусністю 1:10 у бік цієї труби та на внутрішній поверхні труби, що охоплює, на ділянці між конічною різьбою і тілом труби у вигляді конічної опорної поверхні з конусністю 1:10 у бік цієї труби, й конічними упорними поверхнями, виконаними відповідно на торці охоплюваної труби у вигляді конічної упорної торцевої поверхні з кутом конусності від 74,5° до 75,5° у напрямку охоплюваної труби та на внутрішній поверхні труби, що охоплює, на ділянці переходу опорної конічної поверхні до тіла труби у вигляді конічної упорної поверхні з кутом конусності від 74,5° до 75,5° у напрямку труби, що охоплює, відповідно до винаходу, на охоплюваній трубі виконане циліндричне розточення, паралельне осі зазначеної труби, а на трубі, що охоплює, виконане циліндричне розточення, паралельне осі зазначеної труби, при цьому циліндричні розточення виконані таким чином, що при збиранні різьбового з'єднання вони утворюють порожнину, що з однієї сторони обмежена циліндричним розточенням на охоплюваній трубі, а з іншої сторони циліндричним розточенням на трубі, що охоплює, причому довжина циліндричного розточення на охоплюваній трубі знаходиться в інтервалі від L1.max = (L5 + 1) - ((F + 0,25) - C) x 0,1 + (L9 1) до L1.min = L5 - ((F - 0,15) - C) x 0,1 + (L9 + 0,5), а довжина циліндричного розточення на трубі, що охоплює, знаходиться в інтервалі від L2.max = L3 - (((В - 1,25) + ((Е - 1,607) - (А + 0,5)) х 0,0625) до L2.min = (L3 - 0,5) - (((В + 1,75) + ((Е - 1,533) (А - 0,25)) х 0,0625), де L1.max і L1.min - максимальна й мінімальна довжини циліндричного розточення на охоплюваній трубі; L2.max і L2.min - максимальна й мінімальна довжини циліндричного розточення на трубі, що охоплює; А - діаметр циліндричного розточення в трубі, що охоплює; В - відстань від торця труби, що охоплює, до основної площини; F - діаметр циліндричного розточення в охоплюваній трубі; С - діаметр конічної опорної поверхні, який визначається на відстані L9 від торця, утвореного її умовним перетином з конічною упорною поверхнею; Е - середній діаметр конічної різьби в основній площині; L3 - відстань від торця труби, що охоплює, до кінця циліндричного розточення; L5 - загальна довжина ущільнювального елемента охоплюваної труби; L9 - відстань від торця охоплюваної труби до вимірювальної площини діаметра її ущільнювального елемента. Виконання герметичного різьбового з'єднання нафтопромислових труб таким чином, що на охоп 96313 6 люваній трубі виконане циліндричне розточення, паралельне осі зазначеної труби, а на трубі, що охоплює, виконане циліндричне розточення, паралельне осі зазначеної труби, при цьому циліндричні розточення виконані таким чином, що при зборці різьбового з'єднання утворюють порожнину, що з однієї сторони обмежена циліндричним розточенням на охоплюваній трубі, а з іншої сторони циліндричним розточенням на трубі, що охоплює, при цьому довжина циліндричного розточення на охоплюваній трубі та трубі, що охоплює, визначається вищевказаними залежностями, забезпечує підвищення герметичності різьбового з'єднання й технологічності виготовлення за рахунок спрощення конструкції, що, у свою чергу, виключає ймовірність травмування конічної частини ущільнювального елемента в момент збирання різьбового з'єднання при виготовленні на заводі або в процесі експлуатації при збиранні обсадних колон. Далі винахід пояснюється докладним описом його виконання з посиланнями на креслення, на яких зображено: на фіг. 1 - схема елементів охоплюваної труби; на фіг. 2 - схема елементів труби, що охоплює; на фіг. 3 - схема елементів різьбового з'єднання (до їх взаємодії); на фіг. 4 - схема герметичного різьбового з'єднання (виріз); на фіг. 5 - схема профілю трапецієподібної різьби. Герметичне різьбове з'єднання нафтопромислових труб (фіг.1-5) утворене охоплюваною трубою 1 (фіг. 1) та трубою 2, що охоплює, з упорними конічними різьбами 3 із конусністю 1:16 і кутом профілю від 12,5° до 13,5°. Профіль упорної конічної різьби 3 має вигляд нерівнобедреної трапеції з опорною гранню витка 4 (фіг. 5), розташованої під більшим кутом до напрямку дії навантаження. Контактуючі між собою конічні опорні поверхні виконані на зовнішній поверхні охоплюваної труби 1 (фіг. 1) на ділянці між конічною різьбою 3 і торцем труби 1 у вигляді конічної опорної поверхні 5 з конусністю 1:10 у бік осі цієї труби й на внутрішній поверхні труби 2, що охоплює, на ділянці між конічною різьбою 3 і тілом труби 2, що охоплює, у вигляді конічної опорної поверхні 6 з конусністю 1:10 у бік осі цієї труби. Контактуючі між собою конічні упорні поверхні виконані відповідно на торці охоплюваної труби 1 (фіг. 3) у вигляді конічної упорної торцевої поверхні 7 з кутом конусності кутом від 74,5° до 75,5° у напрямку охоплюваної труби 1 та на внутрішній поверхні труби 2, що охоплює, на ділянці переходу опорної конічної поверхні 6 до тіла труби 2 у вигляді конічної упорної поверхні 8 з кутом конусності кутом від 74,5° до 75,5° у напрямку труби 2, що охоплює. На охоплюваній трубі 1 та трубі 2, що охоплює, виконуються циліндричні розточення 9 і 10 паралельні осі труби, які при зборці різьбового з'єднання утворюють порожнину, що з однієї сторони обмежена циліндричним розточенням 9 на охоплюваній трубі 1, і, з іншого боку, циліндричним розточенням 10 на трубі 2, що охоплює. 7 Довжина L1 циліндричного розточення 9 на охоплюваній трубі 1 знаходиться в інтервалі від L1.max = (L5 + 1) - ((F + 0,25) - C) x 0,1 + (L9 1) до L1.min = L5 - ((F - 0,15) - C) x 0,1 + (L9 + 0,5), а довжина L2 циліндричного розточення 10 на трубі 2, що охоплює, знаходиться в інтервалі від L2.max = L3 - (((В - 1,25) + ((Е - 1,607) - (А + 0,5)) х 0,0625) до L2.min = (L3 - 0,5) - (((В + 1,75) + ((Е - 1,533) (А - 0,25)) х 0,0625). Діаметр А циліндричного розточення 10 в трубі 2, що охоплює, залежить від діаметра труб, що з'єднуються та може знаходитися в інтервалі від 0,9 до 0,996 діаметра труб, що з'єднуються. Відстань В від торця труби 2, що охоплює, до основної площини визначається в інтервалі від 40 до 50 мм. Діаметр F циліндричного розточення 9 в охоплюваній трубі 1 та може знаходитися в інтервалі від 0,9 до 0,996 діаметра труб, що з'єднуються. Діаметр С конічної опорної поверхні 5 визначається на відстані L9 від торця, утвореного її умовним перетином з конічною упорною поверхнею 7. Середній діаметр Е конічної різьби в основній площині визначається на відстані В від торця труби 2, що охоплює. Відстань L3 від торця труби 2, що охоплює, до кінця циліндричного розточення 10 може знаходитися в інтервалі від 90 до 125 мм. Конічна упорна поверхня 7, конічна опорна поверхня 5 та циліндрична розточка 9 на охоплюваній трубі 1 утворюють у сукупності ущільнювальний елемент, який при взаємодії з відповідними елементами на трубі 2, що охоплює, забезпечує досягнення технічного результату, що заявляється. Загальна довжина L5 ущільнювального елемента охоплюваної труби 1 може знаходитися в інтервалі від 8 до 20 мм. Відстань L9 від торця охоплюваної труби 1 до вимірювальної площини діаметра С її ущільнювального елемента визначається на відстані 2,5-5,5 мм від умовного торця, утвореного умовним перетином опорної поверхні 5 з упорною поверхнею 7. Труба 2, що охоплює, може бути виконана, як у вигляді труби з розтрубним елементом (на кресленні не показаний), так і у вигляді муфти. Робота герметичного різьбового з'єднання нафтопромислових труб здійснюється в такий спосіб. При виконанні операції згвинчування з'єднання спочатку здійснюється взаємодією охоплюваної труби 1 і труби 2, що охоплює, за допомогою конічної різьби 3. У процесі згвинчування відбувається просування конічної опорної поверхні 5 і одночасне утворення порожнини 11, потім конічна опорна 96313 8 поверхня 6 взаємодіє з конічної опорної поверхнею 5. За рахунок діаметральних деформацій цих поверхонь створюється ущільнювальний вузол "метал-метал". При відносному переміщенні труб 1 і 2 здійснюється силове контактування конічної упорної торцевої поверхні 7 охоплюваної труби 1 й конічної упорної поверхні 8 труби 2, що охоплює, у результаті чого на їхніх поверхнях виникають контактні напруги, величина яких повинна перебувати в області пружних деформацій. Рівень контактних напруг, при всіх рівних умовах, визначається величиною контактуючих площ поверхонь 7 і 8. Закінчення процесу згвинчування охоплюваної труби 1 і труби 2, що охоплює, супроводжується взаємодією їхніх упорних торців 7 і 8. Конічні поверхні упорних торців виконано таким чином, що при дії на них осьового зусилля, що виникає при згвинчуванні різьб, поперечна складова цього зусилля спрямована до осі з'єднання. Це виключає так зване явище "розгортання", тобто поперечну деформацію зі збільшенням діаметра в області упорних торців, що робить з'єднання менш критичним до перевищення крутного моменту згвинчування й збільшує його експлуатаційну надійність. Високогерметичне з'єднання може бути згвинчено з використанням полімеризованого мастила, що твердіє після збирання. Крім цього, виконання на охоплюваній трубі 1 і трубі 2, що охоплює, циліндричних розточень 9 і 10 дозволяє виключити вплив задирок, які виникають у процесі нарізування різьби при відводі різьбонарізного інструмента на ділянці збігу різьби, на крайках її вершин, по її внутрішньому діаметру на трубі, що охоплює, які виступають у бік осі з'єднання і є перешкодою, порушують зачеплення й впливають на режим ущільнення. Таким чином, при згвинчуванні різьбового з'єднання ділянки сходу різьби завжди розташовуються в зоні проточування, що виключає вплив поверхні різьби на ділянці сходу й на точність взаємодії поверхонь охоплюваної труби та труби, що охоплює. Перевагою різьбового з'єднання, що заявляється, у порівнянні з відомим є також підвищення надійності, герметичності, збільшення міцності з'єднання при його збиранні-розбиранні й експлуатації, а також підвищення ступеня його придатності для контролю, що дозволить використати дане з'єднання труб як для рідких, так і для газоподібних середовищ. Герметичне різьбове з'єднання, що заявляється, нафтопромислових труб може бути виготовлене в умовах промислового виробництва на стандартному устаткуванні. Найбільший економічний ефект від використання винаходу, що заявляється, досягається при його використанні в обсадних трубах. 9 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 96313 Підписне 10 Тираж 23 прим. 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