RU2338866C1

RU2338866C1 - Leakproof screwed connection of oil-field pipes

Info

Publication number: RU2338866C1
Application number: RU2007105764/03A
Authority: RU
Inventors: нов Алексей Викторович Емель (RU); Алексей Викторович Емельянов; нов Юрий Федорович Емель (RU); Юрий Федорович Емельянов; Павел Николаевич Сидоренко (RU); Павел Николаевич Сидоренко; Николай Васильевич Уразов (RU); Николай Васильевич Уразов; Борис Юрьевич Щербаков (RU); Борис Юрьевич Щербаков
Original assignee: Общество С Ограниченной Ответственностью "Тмк-Премиум Сервис"
Priority date: 2007-02-15
Filing date: 2007-02-15
Publication date: 2008-11-20
Also published as: UA94640C2; EA200702676A1; CA2678604C; CA2678604A1; EA012780B1; WO2008103069A1; DE112008000391T5

Abstract

FIELD: oil and gas industry.

SUBSTANCE: leakproof screwed connection of oil-field pipes includes male and female pipes with tapered threads, and sealing and stop surfaces. Sealing surfaces are provided on outer surface of male pipe end section and on inner tapered surface of female pipe, in the section between tapered thread and pipe body. Stop surfaces are provided on male pipe in the form of tapered end surface with taper angle of 5°≤β≤25° in the direction of tapered thread axis and mating tapered end surface provided on female pipe that is arranged in the section of the first tapered surface of this pipe passing to its body. Tapered thread profile has a negative angle along the supporting edge. In this case the height of male pipe's thread profile is less than the height of female pipe's thread profile, and sealing surface of male pipe's edge section at the beginning and at the end of tapered radial seal area is spherically shaped.

EFFECT: decreasing radial thread tightness value and providing additional seal of pipe string.

3 dwg

Description

Изобретение относится к области строительства нефтяных и газовых скважин и может быть использовано в обсадных трубах технологического назначения.The invention relates to the field of construction of oil and gas wells and can be used in casing for technological purposes.

Герметичное резьбовое соединение труб предназначено для использования в скважинах, имеющих высокую интенсивность искривления ствола и/или со сложными условиями эксплуатации (высокие значения растягивающих, сжимающих нагрузок, избыточное внутреннее и наружное давление, агрессивная среда).The tight threaded pipe joint is intended for use in wells that have a high intensity of curvature of the wellbore and / or with difficult operating conditions (high tensile, compressive loads, excessive internal and external pressure, aggressive environment).

Известно герметичное резьбовое соединение нефтепромысловых труб, включающее охватываемую и охватывающую трубы с коническими резьбами и коническими уплотнительными и упорными поверхностями, первые из которых, контактирующие между собой, выполнены соответственно на внешней поверхности торцевого участка охватываемой трубы в виде конической поверхности с конусностью в сторону оси этой трубы и на внутренней поверхности охватывающей трубы на участке между конической резьбой и телом трубы, а вторые контактирующие поверхности выполнены соответственно на охватываемой трубе в виде конической торцевой поверхности с углом конусности в направлении конической резьбы на этой трубе и ответной торцевой конической поверхности на охватывающей трубе, выполненной на участке перехода первой конической поверхности этой трубы к ее телу (FR патент №2798716, F16L 15/00, опубликован 23.03.2001 г.).Known hermetic threaded connection of oilfield pipes, including male and female pipes with tapered threads and tapered sealing and thrust surfaces, the first of which are in contact with each other, respectively made on the outer surface of the end portion of the male pipe in the form of a conical surface with a taper towards the axis of this pipe and on the inner surface of the female pipe in the area between the tapered thread and the pipe body, and the second contacting surfaces are made with respectively, on the male pipe in the form of a conical end surface with a taper angle in the direction of the conical thread on this pipe and a mating end conical surface on the female pipe made in the transition area of the first conical surface of this pipe to its body (FR patent No. 2798716, F16L 15/00 , published on March 23, 2001).

Данное техническое решение принято в качестве прототипа для заявленного изобретения.This technical solution was made as a prototype for the claimed invention.

Указанное резьбовое соединение обладает недостаточной герметичностью из-за выполнения его конструкции с малым углом конуса упорных конических поверхностей, что не позволяет получить заданную величину натяга при малых осевых перемещениях охватываемой трубы, что увеличивает период от первого контакта уплотнительных поверхностей до обеспечения заданного натяга. Кроме того, в сложных условиях эксплуатации (высокие значения растягивающих, сжимающих нагрузок, избыточное внутреннее и наружное давление, агрессивная среда) возникают изгибные деформации, нарушающие контакт конических поверхностей, приводящие к разгерметизации резьбового соединения.The specified threaded connection has insufficient tightness due to its design with a small cone angle of thrust conical surfaces, which does not allow to obtain a predetermined interference value for small axial movements of the pipe to be covered, which increases the period from the first contact of the sealing surfaces to the specified interference fit. In addition, in difficult operating conditions (high tensile, compressive loads, excessive internal and external pressure, aggressive environment), bending deformations occur that disrupt the contact of conical surfaces, leading to depressurization of the threaded joint.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по снижению величины радиального натяга в резьбе за счет изменения угла опорной грани резьбы, формированию конструктивных зазоров в резьбе по вершинам профилей, обеспечению дополнительной герметизации за счет выполнения уплотнительной поверхности охватываемой трубы сферической формы в начале и в конце зоны конусного радиального уплотнения торцевого участка при изменении угла конуса.The present invention is aimed at solving the technical problem of reducing the magnitude of the radial interference in the thread by changing the angle of the support edge of the thread, the formation of structural gaps in the thread along the tops of the profiles, providing additional sealing due to the sealing surface of the male pipe of a spherical shape at the beginning and at the end of the conical zone radial sealing of the end section when changing the angle of the cone.

Достигаемый технический результат заключается в повышении надежности и герметичности соединения в условиях действия изгибных деформаций, увеличении прочности соединения и облегчении его сборки-разборки.The technical result achieved is to increase the reliability and tightness of the joint under the action of bending deformations, increase the strength of the joint and facilitate its assembly-disassembly.

Указанный технический результат достигается тем, что в герметичном резьбовом соединении нефтепромысловых труб, включающем охватываемую и охватывающие трубы с коническими резьбами, уплотнительными и упорными поверхностями, первые из которых, контактирующие между собой в радиальном направлении, выполнены соответственно на внешней поверхности торцевого участка охватываемой и на внутренней конической поверхности охватывающей трубы на участке между конической резьбой и телом трубы, а вторые контактирующие поверхности выполнены соответственно на охватываемой трубе в виде конической торцевой поверхности с углом конуса в направлении оси конической резьбы и ответной торцевой конической поверхности на охватывающей трубе, выполненной на участке перехода первой конической поверхности этой трубы к ее телу, профиль конической резьбы имеет отрицательный угол по опорной грани, а высота профиля резьбы охватываемой трубы меньше высоты профиля резьбы охватывающей трубы, при этом уплотнительная поверхность торцевого участка охватываемой трубы в начале и в конце зоны конусного радиального уплотнения имеет сферическую форму, а угол конуса 5°≤β≤25°.The specified technical result is achieved in that in a sealed threaded connection of oilfield pipes, including male and female pipes with tapered threads, sealing and thrust surfaces, the first of which, contacting each other in the radial direction, are made respectively on the outer surface of the end portion of the covered and on the inner the conical surface of the female pipe in the area between the conical thread and the pipe body, and the second contacting surfaces are made respectively only on the male pipe in the form of a conical end surface with a cone angle in the direction of the axis of the conical thread and the counter end conical surface on the female pipe made in the transition section of the first conical surface of this pipe to its body, the profile of the conical thread has a negative angle along the reference face, and the height of the thread profile of the male pipe is less than the height of the thread profile of the female pipe, while the sealing surface of the end portion of the male pipe at the beginning and at the end of the conical zone The radial seal has a spherical shape, and the cone angle is 5 ° ≤β≤25 °.

На фигурах 1-3 представлено герметичное резьбовое соединение нефтепромысловых труб.In figures 1-3 presents a tight threaded connection of oilfield pipes.

Соединение содержит охватываемую трубу 1 и охватывающую трубу 2, которые зацепляются друг с другом по конической резьбе 3.The connection includes a male pipe 1 and female pipe 2, which are engaged with each other on a tapered thread 3.

На торцевом участке соединения содержатся упорный торец 4 охватываемой трубы 1 и упорный уступ 5 охватывающей трубы 2, которые выполнены в виде упорных конических поверхностей, а также включает в себя зону радиального уплотнения с наружной 6 и внутренней 7 коническими уплотнительными поверхностями. При этом наружная поверхность 6 в начале 8 и конце 9 зоны конусного радиального уплотнения имеет сферическую форму.At the end section of the connection there is a stop end 4 of the male pipe 1 and a stop ledge 5 of the female pipe 2, which are made in the form of persistent conical surfaces, and also includes a radial seal zone with outer 6 and inner 7 conical sealing surfaces. In this case, the outer surface 6 at the beginning of 8 and end 9 of the zone of the conical radial seal has a spherical shape.

Торец 4 и уступ 5, а также уплотнительные поверхности 6 и 7 взаимодействуют друг с другом с определенным натягом и являются элементами основного уплотнения, обеспечивающего герметичность соединения.The end face 4 and the ledge 5, as well as the sealing surfaces 6 and 7 interact with each other with a certain tightness and are elements of the main seal, ensuring the tightness of the connection.

Для обеспечения высокой надежности герметичности соединения уплотнительные поверхности 6 и 7 выполняются с высокой точностью и чистотой обработки их поверхностей.To ensure high reliability of the tightness of the connection, the sealing surfaces 6 and 7 are performed with high accuracy and purity of processing of their surfaces.

Выполнение наружной поверхности 6 в начале 8 и конце 9 зоны радиального уплотнения сферической формой позволяет работать соединению на изгиб, что обеспечивает дополнительную герметичность соединению в условиях действия изгибных деформаций.The implementation of the outer surface 6 at the beginning of 8 and end 9 of the radial seal zone with a spherical shape allows the connection to work on bending, which provides additional tightness to the connection under the action of bending deformations.

В соединении применена коническая резьба, профиль которой имеет отрицательный угол опорной грани α, а высота профиля резьбы охватываемой трубы 1 меньше высоты профиля резьбы охватывающей трубы 2. Сама резьба не обеспечивает герметичность. Основная ее функция - восприятие растягивающей нагрузки и изгиба и частично - сжимающей нагрузки.A conical thread is used in the connection, the profile of which has a negative angle of the support face α, and the height of the thread profile of the male pipe 1 is less than the height of the thread profile of the female pipe 2. The thread itself does not provide tightness. Its main function is the perception of tensile load and bending and partially - compressive load.

Обеспечивающее герметичность уплотнение типа "металл-металл" расположено перед резьбой охватываемой трубы 1 со стороны меньшей образующей конуса резьбы и конструктивно выполнено в форме клина с тупым углом между образующими (упорный торец 4), который упирается в ответную клиновую проточку на охватывающей трубе 2 (упорный уступ 5).A metal-metal seal-tight seal is located in front of the thread of the male pipe 1 from the side of the smaller forming cone of the thread and is structurally made in the form of a wedge with an obtuse angle between the generators (stop face 4), which abuts against the reciprocal wedge groove on the cover pipe 2 (stop ledge 5).

За счет уплотнения резьбовое соединение приобретает свойства нефтегазогерметичного, способного работать при действии комбинированных нагрузок в агрессивных средах.Due to the sealing, the threaded connection acquires the properties of an oil and gas tight one, capable of working under the action of combined loads in aggressive environments.

Угол конуса 5°≤β≤25° по торцевой образующей клина обеспечивает "поджатие" радиального уплотнения, что позволяет снизить радиальный натяг, что, в свою очередь, снижает вероятность повреждения уплотнительных поверхностей и возникновения на них задиров. При увеличении указанного угла свыше 25 градусов начинают возникать значительные деформации внутреннего диаметра охватывающей трубы 2 при сжатии или перекручивании соединения. При уменьшении угла ниже 5 градусов теряется эффект клина, так как клиновая проточка охватывающей трубы 2 становится более жесткой в осевом направлении. Отрицательный угол опорной грани профиля резьбы исключает возможность выхода резьбы охватываемой трубы 1 из зацепления с резьбой охватывающей трубы 2 при значительных растяжениях, так как радиальные составляющие реакций в резьбе стремятся прижать охватываемую трубу 1 к охватывающей трубе 2. Это позволяет снизить величину радиального натяга в резьбе по сравнению с конструкциями резьб, имеющих положительный угол опорной грани, что обеспечивает высокую износостойкость соединения при свинчивании и улучшает работоспособность соединения при избыточном наружном и внутреннем давлении.The cone angle of 5 ° ≤β≤25 ° along the end generatrix of the wedge provides a “preload” of the radial seal, which reduces the radial interference, which, in turn, reduces the likelihood of damage to the sealing surfaces and the occurrence of scoring on them. When the specified angle is increased above 25 degrees, significant deformations of the inner diameter of the female pipe 2 begin to occur when the joint is compressed or twisted. When the angle decreases below 5 degrees, the effect of the wedge is lost, since the wedge groove of the female pipe 2 becomes more rigid in the axial direction. The negative angle of the reference face of the thread profile eliminates the possibility of the thread of the male pipe 1 coming out of engagement with the thread of the female pipe 2 under significant tension, since the radial components of the reactions in the thread tend to press the male pipe 1 to the female pipe 2. This reduces the radial tension in the thread along compared with the designs of threads having a positive angle of the support face, which provides high wear resistance of the connection when making up and improves the performance of the connection At excessive external and internal pressure.

То, что высота профиля резьбы охватываемой трубы 1 меньше высоты профиля резьбы охватывающей трубы 2, позволяет улучшить свинчиваемость соединения и повышает его износостойкость.The fact that the height of the thread profile of the male pipe 1 is less than the height of the thread profile of the female pipe 2, improves the screwing of the connection and increases its wear resistance.

Герметичное соединение нефтепромысловых труб работает следующим образом.Hermetic connection of oil pipes works as follows.

При выполнении операций свинчивания или развинчивания соединения первоначально осуществляется взаимодействие охватываемой трубы 1 и охватывающей трубы 2 с помощью резьбы 3. В процессе свинчивания происходит взаимодействие наружной уплотнительной поверхности 6 с уплотнительной поверхностью 7. За счет диаметральных деформаций этих поверхностей создается уплотнительный узел "металл-металл". При этом выполнение наружной уплотнительной поверхности 6 в начале 8 и в конце 9 зоны контакта ее с внутренней поверхностью 7 сферической формой позволяет облегчить процесс свинчивания-развинчивания соединения, а в условиях воздействия изгибных деформаций обеспечивает дополнительную герметичность соединения. При дальнейшем перемещении труб 1 и 2 осуществляется силовое контактирование торца 4 охватываемой трубы и уступа 5 охватывающей трубы, в результате чего на их поверхностях возникают контактные напряжения, величина которых находится в области упругих деформаций. Уровень контактных напряжений, при всех равных условиях, определяется величиной контактирующих площадей торца 4 и уступа 5.When performing screwing or unscrewing operations, the male pipe 1 and female pipe 2 interact with the thread 3 initially. During the screwing process, the outer sealing surface 6 interacts with the sealing surface 7. Due to the diametrical deformations of these surfaces, a metal-metal sealing assembly is created . Moreover, the implementation of the outer sealing surface 6 at the beginning of 8 and at the end 9 of the zone of contact with the inner surface 7 of a spherical shape makes it easier to make-unscrew the connection, and under the influence of bending deformations provides additional tightness of the connection. With further movement of the pipes 1 and 2, the contacting of the end face 4 of the male pipe and the step 5 of the female pipe is carried out, as a result of which contact stresses arise on their surfaces, the magnitude of which lies in the region of elastic deformations. The level of contact stress, under all equal conditions, is determined by the value of the contacting areas of the end 4 and the ledge 5.

Повышение эксплуатационной надежности соединения обеспечивается за счет увеличения контактирующих площадей торца и упора, что позволяет увеличить крутящий момент свинчивания при сохранении контактных напряжений на необходимом уровне в пределах упругой деформации. Окончание процесса свинчивания охватываемой 1 и охватывающей 2 труб сопровождается взаимодействием их упорных торца 4 и уступа 5. Конические поверхности упорных торца и уступа выполнены таким образом, что при действии на них осевого усилия, возникающего при свинчивании резьб, поперечная составляющая этого усилия направлена к оси соединения. Это исключает поперечную деформацию с увеличением диаметра в области упорных торца и уступа и делает соединение менее критичным к превышению крутящего момента свинчивания и увеличивает его эксплуатационную надежность.Improving the operational reliability of the connection is ensured by increasing the contacting areas of the end and the stop, which allows to increase the make-up torque while maintaining contact stresses at the required level within the elastic deformation. The end of the screwing process of the male 1 and female 2 pipes is accompanied by the interaction of their thrust end 4 and the ledge 5. The conical surfaces of the thrust end and the ledge are made in such a way that when they are subjected to the axial force arising from the screwing of the threads, the transverse component of this force is directed to the connection axis . This eliminates lateral deformation with increasing diameter in the area of the persistent end and the ledge and makes the connection less critical to exceeding the make-up torque and increases its operational reliability.

Таким образом, настоящее изобретение промышленно применимо, так как, используя известные технологии, применяемые для изготовления резьбовых концов труб, может быть осуществлено на новом, принципиально отличном от известных конструкций, принципе взаимодействия контактирующих поверхностей.Thus, the present invention is industrially applicable, since, using known technologies used for the manufacture of threaded pipe ends, it can be implemented on a new principle of interaction of contacting surfaces, which is fundamentally different from known designs.

Преимуществом заявленного резьбового соединения по сравнению с прототипом является повышение герметичности, увеличение прочности соединения и облегчение работ при его сборке-разборке.The advantage of the claimed threaded connection in comparison with the prototype is to increase the tightness, increase the strength of the connection and facilitate the work during its assembly-disassembly.

Claims

Sealed threaded connection of oilfield pipes, including male and female pipes with tapered threads, sealing and thrust surfaces, the first of which, contacting each other in the radial direction, are respectively made on the outer surface of the end portion of the male and on the conical surface of the female pipe, in the area between conical thread and the body of the pipe, and the second contacting surface is made respectively on the male pipe in the form of a conical end a surface with a cone angle β in the direction of the axis of the conical thread and a mating end conical surface on a female pipe made in a section of the transition of the first conical surface of this pipe to its body, characterized in that the profile of the conical thread has a negative angle along the reference face and the profile height the thread of the male pipe is less than the height of the profile of the thread of the female pipe, while the sealing surface of the end portion of the male pipe at the beginning and at the end of the conical radial seal zone has erical shape, and the cone angle 5 ° ≤β≤25 °.