RU161428U1 - Труба для скважин - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к трубам с резьбовым соединением, содержащим узел уплотнения «металл-металл» в виде участков различной геометрической формы. При свинчивании насосно-компрессорных или обсадных труб с таким резьбовым соединением образуется высокогерметичное соединение, которое позволяет применять трубы в условиях высоких внутренних и наружных давлений рабочей среды скважины и при воздействии сжимающих и растягивающих напряжений при значительном изгибе ствола скважины.

Главная задача заявленной полезной модели состоит в устранении вышеупомянутых недостатков посредством резьбового соединения труб, содержащим узел уплотнения «металл-металл» резьбового соединения трубы для скважин в виде участков различной геометрической формы, который гарантирует высокую герметичностью и длительную работоспособность резьбового соединения для самого широкого диапазона эксплуатационных нагрузок, включая изгибные, комбинированные и циклические нагрузки, и позволяет сохранить рабочие характеристики труб после многократных операций сборки-разборки.

Технический результат, обеспечиваемый заявленной полезной моделью, заключается в повышении запаса герметичности в уплотнении «металл-металл» резьбового соединения трубы для скважин, обеспечении стабильности работы уплотнения при действии на резьбовое соединение трубы значительных разнонаправленных нагрузок (растяжение, сжатие и изгиб трубы, внутреннее в трубе и наружное в скважине/затрубном пространстве давление газа), улучшении надежности и износостойкости соединения, его улучшенных характеристиках свинчиваемости при отсутствии или минимизации задиров металла на уплотнительных элементах и резьбе при многократных циклах свинчивания-развинчивания, что важно для насосно-компрессорных труб.

Вышеупомянутые цели заявленной полезной модели достигаются посредством изготовления насосно-компрессорных и обсадных труб с резьбовым соединением, состоящим из трубного (ниппель) и муфтового элементов, на которых расположены участки с внешней и внутренней коническими резьбами, при этом ниппель заканчивается носиком осесимметричной формы, часть наружной поверхности которого является уплотняющей поверхностью, которая при сборке соединения взаимодействует с ответной уплотняющей поверхностью муфты. Каждая из уплотняющих поверхностей состоит из конического и тороидального участков, при этом на ниппеле тороидальный участок расположен ближе к резьбовой части, а на муфте - дальше от резьбовой части. В результате при полной сборке резьбового соединения трубы поверхность контакта радиальных уплотнительных поверхностей в продольном сечении представляет собой по крайней мере одну сложную полилинию из трех последовательных участков: дуга + прямая линия + дуга. Дополнительно к этому, уплотнительная поверхность ниппеля, а также часть прилегающих к ней неконтактирующих областей носика, расположены выше линии впадин наружной резьбы на ниппеле трубы.

1 н.п.ф., 5 иллюстраций.

Description

Полезная модель относится к нефтегазодобывающим трубам, а именно к обсадным с высокогерметичными резьбовыми соединениями, предназначенным для крепления стенки ствола пробуренной скважины для добычи нефти, газа, газового конденсата или закачки в подземные пласты каких-либо жидкостей, а также к насосно-компрессорным трубам с высокогерметичными резьбовыми соединениями, предназначенным для добычи нефти, газа, газового конденсата или закачки в подземные пласты каких-либо жидкостей.

В первую очередь полезная модель относится к трубам, используемым при освоении месторождений нефти и газа, являющихся технологически сложными при заканчивании и эксплуатации, а именно, когда к трубам и резьбовым соединениям предъявляются повышенные требования по прочности, надежности и герметичности:

- эксплуатация при изгибных нагрузках до 40% в эквиваленте осевых нагрузок по телу трубы;

- герметичность резьбового соединения при действии различных нагрузок;

- эксплуатация при циклах растяжения и сжатия в присутствии внутреннего и наружного давления, когда абсолютная величина действующих нагрузок составляет не менее 80% от предельных нагрузок по телу трубы;

- использование труб при повышенном моменте кручения трубной колонны (спуск колонны труб в горизонтальную скважину, спуск обсадных труб с вращением);

- эксплуатация труб в коррозионноактивных средах;

В таких условиях применяются обсадные и насосно-компрессорные трубы с высокогерметичными резьбовыми соединениями. Наибольшему риску повреждения подвержено именно резьбовое соединение, нарушение целостности которого может приводить к аварийным ситуациям в скважине с большими экономическими потерями и экологическими проблемами. В связи с этим требуется высокая износостойкость резьбового соединения, сохранение геометрических параметров резьбы насосно-компрессорных и обсадных труб при многократном свинчивании-развинчивании. Кроме того, требуется сохранить герметичность резьбового соединения в ходе всего срока эксплуатации резьбового соединения при действии знакопеременных изгибных нагрузок, а также при многократном свинчивании-развинчивании резьбового соединения. Для этого необходимо обеспечить отсутствие проникновения газа и жидкости через уплотнение «металл-металл».

В настоящий момент для строительства скважин с вертикально-направленной (наклонной) геометрией ствола или с горизонтальными участками ствола применяются обсадные и насосно-компрессорные трубы с резьбовыми соединениями с трапецеидальной конической резьбой и уплотнительными элементами на внутреннем и наружном сопрягаемом элементе (труба и муфта, соответственно) - как радиальными, так и торцевыми герметизирующими поверхностями. При этом торцевые поверхности дополнительно служат для создания предварительных осевых напряжений на стадии осевого докрепления резьбового соединения, для ниппельной части создаются сжимающие напряжения, а для ответной части муфты растягивающие.

Например, известны изобретения и полезные модели, направленные на решение задач обеспечения высокой герметичности резьбового соединения труб для скважин при эксплуатации в условиях высоких внутренних давлений жидкостей и воздействия растягивающих и сжимающих напряжений, при этом отличия одного от другого заключаются в выборе формы, размеров и расположения уплотнительных поверхностей на ниппельной и муфтовой части резьбового соединения.

Для исключения путаницы необходимо ввести единые понятия отдельных элементов: в проектировании и производстве резьбовых соединений с уплотнением «металл-металл» специалистами приняты некоторые устоявшиеся термины. Например, при изготовлении уплотнения, имеющего в сечении дугу (любого радиуса) - на теле вращения (охватывающий или охватываемый элементы) данный элемент будет иметь тороидальный вид. Тем не менее, для данного элемента все разработчики применяют термин - «сфера». Авторы полезной модели предлагают в дальнейшем описании собственного изобретения использовать и правильный термин «тороидальный элемент» там, где необходимо объяснить геометрические характеристики, свойства и поведение данного элемента, а также использовать термин «сфера» там, где необходимо привести описание работы (действия) данного элемента. Такое обозначение позволит специалистам в области рассматриваемых резьбовых соединений четко понимать, о чем идет речь. Это аналогично тому, что в отдельных рассмотренных выше патентах, да и в специальной литературе по рассматриваемым резьбовым соединениям «торцевое уплотнение» зачастую называют «заплечик» (от английского «shoulder»), что позволяет специалистам понимать, о чем идет речь даже при использовании и того и другого термина одновременно.

Например, в патенте на полезную модель RU 52968, опубл. 27.04.2006, описано резьбовое соединение с уплотнением «конус-конус» такое, что протяженность конического уплотнительного пояска с конусностью 1:12 или 1:16 на ниппельной стороне уплотнения составляет 9-12 мм.

В патенте на полезную модель RU 116952, опубл. 10.06.2012, описано резьбовое соединение с уплотнением «конус-конус», с увеличенной конусностью 1:10, при этом уплотнительные поверхности через скругление переходят в торцевые упорные поверхности, в результате уплотнение оказывается расположенным у торца трубного элемента.

В патенте на изобретение RU 2310058, опубл. 10.11.2007, описано резьбовое соединение с уплотнением «сфера-конус», при этом конусный участок с конусностью 1:10 расположен на муфтовом элементе, а на ниппельном элементе соединения - сферический участок радиального уплотнения плавно переходящий в упорную торцевую поверхность.

Последнее из упомянутых технических решений - герметичное резьбовое соединение по патенту RU 2310058, принято в качестве прототипа заявленной полезной модели.

Соединения с уплотнением металл - металл труб работают следующим образом: при сборке соединения уплотнительные поверхности испытывают радиальные деформации, в результате чего создается контактная площадка с большими контактными напряжениями, которая обеспечивает необходимую герметичность. Свойства герметичности соединения обеспечиваются длиной возникающего контакта и уровнем действующих в контакте давлений. Из уровня техники известно, что для обеспечения герметичности размер площадки должен превышать 1 мм, а уровень контактных напряжений должен превышать величину удерживаемого давления в 1,5-2 раза. При действии на соединение внешних нагрузок размер и положение площадки контакта, а также вид распределения контактных давлений вдоль линии контакта меняется.

Из уровня техники известно, что для соединений с уплотнением «конус-конус», описанных в патентах RU 52968 и RU 116952 важной технической особенностью является возникновение пика давления на краю уплотнения ближнем к резьбовой части соединения. При этом, хотя длина контакта может быть достаточно большой, на большей части контактной поверхности со стороны упорного торца контактные напряжения не соответствуют требованиям герметичности.

Причиной этого является загиб носика ниппеля, на котором расположено уплотнение, к оси трубы при его радиальном обжатии в области уплотнения.

Наличие пика давления ухудшает противозадирные свойства резьбового соединения. Кроме этого при действии внешних нагрузок величина загиба носика ниппеля, созданная за счет диаметрального натяга в уплотнении, может уменьшаться, что приводит к перераспределению силы обжатия носика по большей площади, уменьшению контактных напряжений и потери герметичности. В частности такое может происходить при действии изгибающих нагрузок совместно с растяжением и давлением, когда на одной стороне соединения суммарная сила обжатия уменьшается, а на другой увеличивается.

Проблема обеспечения противозадирных свойств и сохранения герметичности при экстремальных нагрузках частично решена в случае резьбового соединения с уплотнением «сфера-конус», описанном в патенте RU 2310058, за счет более гладкого распределения контактных давлений, которое соответствует формуле Герца.

Для резьбового соединения в соответствии с патентом RU 2310058 имеется большая вероятность того, что при изгибе резьбового соединения хотя бы по одной точке в сечении будет сохраняться герметичность по данному уплотнению. Вместе с тем в такой конструкции резьбового соединения также возможна ситуация, когда сохраняющаяся герметичность в уплотнительном элементе теряется при наложении на соединение еще и растягивающих напряжений.

В частности, на герметичность указанного резьбового соединения оказывает влияние явление «перекатывания» уплотнения при действии комбинированных нагрузок, связанное с рассмотренным выше загибом носика ниппеля к оси соединения. Под действием нагрузок на резьбовое соединение величина угла загиба носика ниппеля к оси трубы может меняться. В результате - для уплотнений типа «сфера-конус» или «сфера-сфера» возможно смещение площадки контакта. Из текущего уровня техники известно, что если такое смещение приводит к тому, что площадки контакта для различных комбинированных нагрузок не пересекаются, то такое уплотнение теряет герметичность независимо от уровня действующих контактных давлений.

Рассмотренный выше недостаток резьбовых соединений в соответствии с техническими решениями, представленными в патентах RU 52968, RU 116952, RU 2310058, приводит к тому, что данные соединения обладают пониженной эффективностью на изгиб и внешнее давление, а также пониженной эффективностью на сжатие в условиях циклических сжимающих и растягивающих нагрузок в присутствии давления.

Частично указанный недостаток можно решить за счет увеличения диаметрального натяга в уплотнении и величины осевого докрепления соединения после контакта упорных торцов. Увеличение диаметрального натяга повышает величину силы обжатия носика и соответствующий запас герметичности, а осевое докрепление за счет клинового эффекта обеспечивает поджатие уплотнительных поверхностей к друг другу, что повышает уровень контактных давлений. Однако эти возможности ограничены условием возникновения пластических деформаций в носике ниппеля или упорном заплечике муфты. При этом необходимо учитывать, что действие внешнего давления повышает окружные напряжения в носике ниппеля, а действие сжимающих нагрузок повышает величину сжимающей силы воспринимаемой заплечиком муфты.

Общим недостатком конструкций конических резьбовых соединений с уплотнением «металл - металл» является необходимость уменьшать толщину торца ниппеля, с целью размещения всех элементов резьбового соединения, что ограничивает возможность достижения высокой эффективности работы соединения на сжатие и внешнее давление.

Главная задача заявленной полезной модели состоит в устранении вышеупомянутых недостатков посредством резьбового соединения труб, содержащим узел уплотнения «металл-металл» резьбового соединения трубы для скважин в виде участков различной геометрической формы, который гарантирует высокую герметичностью и длительную работоспособность резьбового соединения для самого широкого диапазона эксплуатационных нагрузок, включая изгибные, комбинированные и циклические нагрузки, и позволяет сохранить рабочие характеристики труб после многократных операций сборки-разборки.

Технический результат, обеспечиваемый заявленной полезной моделью, заключается в повышении запаса герметичности в уплотнении «металл-металл» резьбового соединения трубы для скважин, обеспечении стабильности работы уплотнения при действии на резьбовое соединение трубы значительных разнонаправленных нагрузок (растяжение, сжатие и изгиб трубы, внутреннее в трубе и наружное в скважине/затрубном пространстве давление газа), улучшении надежности и износостойкости соединения, его улучшенных характеристиках свинчиваемости при отсутствии или минимизации задиров металла на уплотнительных элементах и резьбе при многократных циклах свинчивания-развинчивания, что важно для насосно-компрессорных труб.

Вышеупомянутые цели заявленной полезной модели достигаются посредством изготовления насосно-компрессорных и обсадных труб с резьбовым соединением, состоящим из трубного (ниппель) и муфтового элементов, на которых расположены участки с внешней и внутренней коническими резьбами, при этом ниппель заканчивается носиком осесимметричной формы, часть наружной поверхности которого является уплотняющей поверхностью, которая при сборке соединения взаимодействует с ответной уплотняющей поверхностью муфты. Каждая из уплотняющих поверхностей состоит из конического и тороидального участков, при этом на ниппеле тороидальный участок расположен ближе к резьбовой части, а на муфте - дальше от резьбовой части. В результате при полной сборке резьбового соединения трубы поверхность контакта радиальных уплотнительных поверхностей в продольном сечении представляет собой по крайней мере одну сложную поли линию из трех последовательных участков: дуга + прямая линия + дуга. Дополнительно к этому, уплотнительная поверхность ниппеля, а также часть прилегающих к ней неконтактирующих областей носика, расположены выше линии впадин наружной резьбы на ниппеле трубы.

Отличительные технические особенности данной полезной модели и возможность достижения заявленного технического результата становятся ясны благодаря подробному описанию неограничивающего примера исполнения полезной модели, далее показанного с помощью сопроводительных фигур, где

на фиг. 1 показано сечение трубы в разрезе вдоль продольной плоскости резьбового соединения с уплотнением «металл-металл» в собранном положении;

на фиг. 2 - показан детальный чертеж узла герметизации резьбового соединения трубы в разобранном состоянии (Фиг. 2а), и в собранном состоянии (Фиг. 2б и Фиг. 2в);

на фиг. 3 - показаны особенности распределения контактных давлений в момент соприкосновения упорных торцев резьбового соединения трубы;

на фиг. 4 - показан увеличенный детальный чертеж узла герметизации с наложением материала трубы и муфты.

Труба с высокогерметичным резьбовым соединением в части резьбового соединения (фиг. 1) включает в себя внутренний (1) и наружный (2) сопрягаемые элементы с коническими поверхностями, на которых выполнены резьбовые участки (3), имеющие общий контур поверхности в виде усеченного конуса, при этом со стороны меньшего диаметра усеченного конуса расположен узел герметизации (4).

Герметизирующий узел (фиг. 2а, 2б и 2в) включает в себя расположенные на внутреннем (1) и наружном (2) сопрягаемом элементе уплотнительные радиальные поверхности (5, 6) и торцевые упорные поверхности (7, 8). Уплотнительные поверхности (5, 6) включают в себя конические участки (9, 12) и тороидальные участки (10, 11) большого радиуса. При этом на уплотнительных радиальных поверхностях (5, 6) на конической части могут быть выполнены, например, одна проточка (24) на внутреннем сопрягаемом элементе (1) или две проточки (24 и 25) на внутреннем и наружном сопрягаемых элементах (2). Такие проточки могут оказаться эффективными для повышения работоспособности резьбового соединения (снижение износа протяженных контактирующих уплотнительных поверхностей) за счет снижения протяженности зоны контакта и снижения отслоения микроскопических частиц металла при частом свинчивании-развинчивании резьбового соединения насосно-компрессорных труб. Как следует из Фиг. 2б и Фиг. 2в, при выполнении таких проточек может образоваться более одной сложной полилинии контакта - например, области I и II (Фиг. 2б).

Торцевые уплотнительные поверхности выполнены с отрицательным углом, что обеспечивает известный из уровня техники эффект клина между опорными гранями резьбы и упорным торцем. Для создания клинового эффекта необходимо осуществить осевое докрепление соединения, приводящее к возникновению сжимающих напряжений в носике ниппеля и нагружению торцевой опорной поверхности. Осевое докрепление осуществляется после возникновения контакта по упорным торцам и составляет от двух до шести сотых оборота ниппеля. Величина осевого докрепления ограничивается условием возникновения пластических деформаций в носике ниппеля или упорном заплечике муфты.

В точках пересечения конических поверхностей 7 и 9 муфтового элемента и аналогичных поверхностей 12 и 8 трубного элемента расположены фиктивные точки трубы (14) и муфты (13). Взаимное расположение данных точек определяет состояние конечной сборки соединения и радиальный натяг в уплотнении «металл-металл». А именно, если пренебречь упругими деформациями и осевым докреплением, после сборки соединения данные точки совпадают, как это показано на фиг. 3. Соответственно, радиальный натяг ΔR в уплотнении, показанный как перекрытие материала муфты и ниппеля на фиг. 4, равняется разности радиусов точки 14 и точки 13.

Радиальный натяг ΔR в уплотнении при сборке соединения компенсируется посредством диаметрального расширения муфтового элемента и одновременным диаметральным сжатием трубного элемента в области возникновения контактных напряжений. Для заданной величины радиального натяга, суммарная сила обжатия носика, связана только с геометрией носика и расположением области контакта, и не зависит от конкретной геометрии взаимодействующих поверхностей. Величина данной силы определяется через величину диаметрального сжатия и величину радиальной жесткости носика ниппеля в местоположении контакта. Чем выше радиальный натяг ΔR и цилиндрическая жесткость ниппеля в местоположении контакта, тем выше суммарная сила обжатия носика и запас герметичности в уплотнении. Форма взаимодействующих контактных поверхностей определяет размер площадки контакта и форму распределения контактных давлений.

В соответствии с заявленной полезной моделью расположение тороидальных участков 11 и 10 выбрано таким образом, чтобы при сборке соединения, а именно при совмещении осевого положения фиктивных точек 13 и 14, между тороидальными участками существовала область контакта конической поверхности 9 с конической поверхностью 6 длиною L_CC (фиг 3).

Таким образом, при полной сборке резьбового соединения при спуске трубы в скважину поверхность контакта радиальных уплотнительных поверхностей в продольном сечении представляет собой сложную полилинию из трех последовательных участков: дуга + прямая линия + дуга, которая предназначена в первую очередь для гарантированного обеспечения герметичности данного узла при действии комбинированных нагрузок - сжимающих, растягивающих и изгибающих.

Поясним: линия контакта включает в себя участок взаимодействия «сфера (R1)-конус» длиной L_SC1 при контакте между участками 12 и 10, центральный участок с взаимодействием «конус-конус» длиной L_CC при контакте между участками 5 и 12, второй участок с взаимодействием «конус-сфера (R2)» длиной L_SC2 при контакте между участками 11 и 9 (фиг. 2 и 3).

Такая форма взаимодействующих поверхностей позволяет сочетать достоинства уплотнения «конус-конус» и «сфера-конус».

Центральный участок L_CC обеспечивает стабилизацию положения контакта и ограничивает величину смещение линии равнодействующей силы контактных давлений F_K (фиг. 3) при изменении угла загиба носика ниппеля к оси трубы под действием комбинированных нагрузок. Внешние участки с взаимодействием «сфера-конус» обеспечивают сглаживание пиков давления и способствуют сохранению запаса герметичности соединения при действии разнонаправленных нагрузок. При эксплуатации резьбового соединения длина L_CC остается постоянной, контактные напряжения на данном участке меняются незначительно, длины участков L_SC1 и L_SC2, а также максимальные контактные напряжения на данных участках могут существенно меняться в зависимости от вида и направления действия нагрузок.

Обеспечение контакта по такой схеме дает хорошую работу резьбового соединения трубы на изгиб, когда при смещении элементов относительно друг друга из-за наличия контакта уплотнительных элементов по сферической поверхности их контакт сохраняется при любых вариантах изгиба:

- при изгибе в одну сторону контакт сохраняется по сферической поверхности на муфте и конусу на ниппеле;

- при изменении изгиба на противоположный, контакт сохраняется по конусу на муфте и сферической поверхности на ниппеле.

Другим важным техническим результатом по заявленной полезной модели является обеспечение высоких противозадирных свойств уплотнения «металл-металл». На фиг. 3 показан характерный вид распределения контактных давлений для предлагаемой формы уплотнения в момент начала соприкосновения упорных поверхностей 7 и 8. Принятая форма уплотнения за счет введения участка «конус-конус» размером от 0,5 до 2 мм гарантирует необходимый для герметичности размер контактной площадки. Контактные напряжения в области взаимодействия в 2-3 раза превышают величину удерживаемого давления. Данные технические особенности обеспечивают необходимый уровень герметичности соединения. В то же время максимальные контактные напряжения составляют 60-80% от предела текучести материала трубы. Создание такого распределения давления достигается за счет выбора радиусов тороидальных участков R₁ и R₂. Предпочтительно чтобы величина данных радиусов лежала в пределах от 40 до 80 мм. В результате формируется центральный участок (20) с уровнем контактных напряжений всюду превышающем величину удерживаемого давления и участки (19) и (21), где распределение контактных напряжений соответствует формуле Герца. При действии на соединение внешних нагрузок длины контактов L_SC1 и L_SC2, с взаимодействием «сфер-конус», могут изменяться от 0,1 до 1 мм в зависимости от вида и направления действия нагрузок.

Представленные технические особенности распределения контактных давлений гарантируют как герметичность, так и противозадирные свойства уплотнения, даже в случае пологого уплотнения, когда путь трения при сборке соединения достигает больших величин. Дополнительным положительным фактором, влияющим на противозадирные свойства, является возможность достижения необходимого уровня герметичности в резьбовом соединении при пониженных окружных напряжениях в носике ниппеля. Это позволяет уменьшить путь трения и гарантирует благоприятные условия для скольжения взаимодействующих поверхностей. Данная техническая характеристика представленной полезной модели обеспечивается за счет высокой радиальной жесткости в области контакта, которая рассматривается ниже.

Тороидальные участки 11 и 10 ограничивают размер площадки возможного контактного взаимодействия в уплотнении. В результате формируются участки без радиального взаимодействия между муфтой и трубой (фиг. 4): L₀₁ между торцом ниппеля и уплотнением, L₀₂ между резьбовой частью и уплотнением. Величина L₀₂ дополнительно увеличивается за счет среза вершин резьбы муфты по линии 15 фиг. 2. Данные участки оказывают поддерживающее влияние на область контактного взаимодействия L_SEAL и обеспечивают высокую радиальную жесткость носика ниппеля в области контакта.

Из уровня техники известно, что при действии на трубу и соответственно на резьбовое соединение растягивающей нагрузки возможно раскрытие упорных торцов резьбового соединения. Такое раскрытие может происходить при 40-80% предельной растягивающей нагрузки по телу трубы. Соответственно, радиальное уплотнение «металл-металл» должно обеспечивать необходимый уровень герметичности без учета поджатия уплотнения при осевом докреплении за счет клинового эффекта. Для соединений с недостаточной радиальной жесткостью это приводит к необходимости использовать большой радиальный натяг в уплотнении, что связано с возникновением больших окружных напряжений в носике ниппеля. При действии внешнего давления окружные напряжения возрастают и могут достигнуть предела текучести.

Уменьшение радиального натяга и соответствующего ему уровня окружных напряжений в носике ниппеля позволяет улучшить работу соединения на внешнее давление, так как при действии внешнего давление кроме риска разгерметизации уплотнения за счет уменьшения контактных давлений в уплотнении, существует риск пластического обжатия носика ниппеля. Такое пластическое обжатие может привести к разгерметизации уплотнения при последовательных циклах действия внутреннего и внешнего давления. Также риск разгерметизации существует для условий знакопеременного изгиба, поскольку на растянутой изгибом стороне контактные давления в уплотнении увеличиваются, а на сжатой изгибом стороне уменьшаются.

Заявленная полезная модель за счет высокой радиальной жесткости, достигаемой с помощью ограничения возможного размера контактной площадки в радиальном уплотнении, отнесения линии действия равнодействующей контактных давлений F_K на расстояние L_K от торца ниппеля (фиг. 3),оптимального выбора длины L₀₂ (фиг. 4), обеспечивает высокую эффективность работы резьбового соединения на внешнее давление.

В частном случае заявленной полезной модели безрезьбовой участок, на котором расположена радиальная уплотнительная поверхность (6, фиг. 2) выполнен увеличенной толщины таким образом, что контактные участки (11) и (12) расположены выше линии впадин резьбы (16) на величину δ=0,60÷0,90 мм.

Данный вариант позволяет дополнительно к известным из уровня техники способам повысить радиальную жесткость носика ниппеля в области уплотнения, улучшить работу торцевого уплотнения на сжимающие нагрузки, повысить максимальный допускаемый момент свинчивания резьбового соединения.

Указанные эффекты достигаются за счет увеличения толщины носика ниппеля и ширины контактной площадки торцевого уплотнения (Н_носика и Н_{заплечика}, фиг. 3). Толщина носика оказывает гораздо большее влияние на радиальную жесткость ниппеля, чем размер бесконтактных зон L₀₁ и L₀₂ (фиг. 4), увеличение которых также повышает радиальную жесткость носика в месте расположения уплотнения. Увеличение толщины носика на величину δ=0,60÷0,90 мм, предлагаемое авторами, позволяет еще сильнее повысить радиальную жесткость носика в области уплотнения, а также усилить поддерживающее влияние участка L₀₁, что улучшает свойства герметичности соединения. Дополнительным преимуществом рассматриваемого варианта уплотнений является возможность дальнейшего уменьшения натяга в уплотнении при обеспечении герметичности резьбового соединения, что позволяет снизить окружные напряжения в носике, повысить противозадирные свойства уплотнения, улучшить эффективность работы соединения на внешнее давление.

Предлагаемый вариант полезной модели также позволяет увеличить ширину контактной площадки торцевого уплотнения Н_{заплечика}, что улучшает работоспособность соединения на циклические нагрузки растяжение-сжатие, позволяет увеличить допускаемый момент свинчивания, дополнительно улучшить эффективность работы соединения на внешнее давление и изгиб и соответственно повысить эксплуатационную надежность трубы.

Выше был рассмотрен вопрос разгерметизации уплотнения при циклических нагрузках вследствие пластического обжатия носика, кроме этого возможна разгерметизация уплотнения «металл-металл» вследствие раскрытия контакта между герметизирующими поверхностями. Основную роль в защите уплотнения от раскрытия выполняет торцевой герметизирующий узел, выполненный с отрицательным углом.

Отрицательный угол упорного торца создает дополнительную опорную точку, которая препятствуют раскрытию радиального уплотнения вследствие смещения носика ниппеля к оси трубы при действии нагрузок изгиба и наружного давления. Действительно, сочетание отрицательного угла опорных граней резьбы и отрицательного угла упорного торца создает эффект клина, препятствующий возникновению зазоров в уплотнении. В то же время при раскрытии упорного торца поддерживающий эффект исчезает.

Поэтому необходимо обеспечить контакт по упорному торцу при действии на соединение наружного давления и/или изгиба в комбинации с другими нагрузками. Обеспечение требуемого контакта по поверхностям 8 и 7 достигается за счет создания сжимающих напряжений в носике ниппеля при осевом докреплении. В ходе осевого докрепления упорный заплечик муфты подвергается воздействию нагрузки. При действии наружного давления, проникшего внутрь зазоров в резьбовой части соединения и изгибе данная нагрузка возрастает. Также данная нагрузка увеличивается при действии на резьбовое соединение сжимающей нагрузки. Если в результате повышения нагрузки на упорный заплечик муфты возникнут пластические деформации, то клиновый эффект может уменьшиться или совсем исчезнуть. В результате при действии циклических нагрузок становится возможной разгерметизация резьбового соединения.

Увеличение ширины торцевого уплотнения Н_{заплечика} позволяет повысить его прочность и полностью избежать или существенно ограничить пластические деформации, возникающие при циклических разнонаправленных нагрузках близких к характеристикам тела трубы.

За счет увеличения ширины торцевого уплотнения Н_{заплечика} резьбовое соединение по заявленной полезной модели обладает высокой эффективностью на внешнее давление и сжатие.

Дополнительным преимуществом резьбового соединения в соответствии с заявленной полезной моделью является возможность перевинчивания соединения без потери герметичности.

Для обеспечения правильности сборки резьбового соединения в полевых условиях необходимо исключить возможность запирания смазки в области уплотнения. Для обеспечения свободного выхода излишков смазки предусмотрены карманы для смазки (17) и (18) показанные на фиг. 3.

При сборке соединения в соответствии с заявленной полезной моделью необходимо исключить повреждения уплотнения трубного элемента вследствие касания уплотнительной поверхностью (6) вершин резьбы муфты. Для этой цели предусмотрен конструктивный зазор w (фиг. 4) между минимальным внутренним диаметром резьбы муфты (линия 15 фиг. 2 и ее продолжение линия 22 на фиг. 4) и максимальным наружным диаметром носика ниппеля (точка 23 фиг. 4), что гарантирует качественную сборку соединения при возможных технологических отклонениях размеров при изготовлении.

Труба для скважин в соответствии с заявленной полезной моделью может быть использовано для различных типоразмеров труб и групп прочности материала. При изменении типоразмера или группы прочности необходимо правильно выбирать геометрические параметры, влияющие на работоспособность соединения. Специалист, обладающий соответствующими навыками и умениями в области теории упругости и прочности, а также имеющий навыки конструирования и расчета толстостенных и тонкостенных оболочек работающих под давлением, может выбрать данные параметры с учетом описанных технических особенностей работы резьбового соединения сконструированного в соответствии с представленной полезной моделью.

Предложенная авторами труба для скважин с резьбовым трубным соединением с радиальными уплотнительными поверхностями (радиальный уплотнительный и торцевой герметизирующий узел) «металл-металл» была изготовлена промышленным способом с использованием обычных технологий металлообработки, применяемых в производстве насосно-компрессорных и обсадных труб (фиг. 5).

Предлагаемое техническое решение позволяет обеспечить обсадным и насосно-компрессорным трубам высокую герметичностью и длительную работоспособность для самого широкого диапазона эксплуатационных нагрузок, включая изгибные, комбинированные и циклические нагрузки, и позволяет сохранить рабочие характеристики труб после многократных операций сборки-разборки.

Claims (2)

1. Труба для скважин с резьбовым соединением с коническими резьбовыми поверхностями, торцевым и радиальным герметизирующими узлами, отличающаяся тем, что радиальный уплотнительный элемент в резьбовом соединении выполнен в виде сочетания «сфера-конус» и «конус-сфера» на наружном и внутреннем элементах трубы соответственно таким образом, что при полной сборке резьбового соединения поверхность контакта радиальных уплотнительных поверхностей в продольном сечении представляет собой, по крайней мере, одну сложную полилинию из трех последовательных участков: дуга + прямая линия + дуга.

2. Труба для скважин с резьбовым соединением по п. 1, отличающаяся тем, что безрезьбовой участок внутреннего сопрягаемого элемента, на котором расположена радиальная уплотнительная поверхность, выполнен увеличенной толщины таким образом, что линия образующей радиальной уплотнительной поверхности выше линии впадин резьбы на величину δ=0,60÷0,90 мм.

Images