RU2517344C1

RU2517344C1 - Method of sealing casing by gasket with memory

Info

Publication number: RU2517344C1
Application number: RU2013112882/03A
Authority: RU
Inventors: Геннадий Алексеевич Копылов; Наталья Григорьевна Фёдорова; Сергей Георгиевич Трусов
Original assignee: Геннадий Алексеевич Копылов; Наталья Григорьевна Фёдорова; Сергей Георгиевич Трусов
Priority date: 2013-03-22
Filing date: 2013-03-22
Publication date: 2014-05-27

Abstract

FIELD: mining.

SUBSTANCE: proposed method comprises application of elastic and elastoplastic deformation of thread joint elements. Elastoplastic sealing element represents a ring seal made of allow with memory, for example, nitinol. Said ring seal is arranged between butts of interconnected tubing pipes. Said ring seal is pre-cooled in cryostat to low temperature, for example, that of liquid nitrogen, to be stained therein, changing in shape and height sizes. Thereafter it is quickly fitted in place inside said coupling between butts of said pipes.

EFFECT: tightness of casing thread joints at whatever loads, longer life.

3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к способам герметизации обсадных труб, применяемых в нефтяной и газовой промышленности.The invention relates to methods for sealing casing used in the oil and gas industry.

Известен способ соединения обсадных труб (ОТ) с помощью конической резьбы треугольного профиля с использованием муфты, в соответствии с ГОСТом 632-64 [1].A known method of connecting casing pipes (OT) using a tapered thread of a triangular profile using a sleeve, in accordance with GOST 632-64 [1].

Недостатками этого метода являются: недостаточная герметичность соединения; прочность соединения составляет от 55 до 70% прочности по телу ненарезанного участка трубы.The disadvantages of this method are: insufficient tightness of the connection; the strength of the connection is from 55 to 70% of the strength along the body of the uncut section of the pipe.

Известен способ обеспечения герметичности резьбовых соединений за счет применения смазочно-уплотнительных составов [2].A known method of ensuring the tightness of threaded joints through the use of lubricating and sealing compounds [2].

Недостатком этого метода является то, что смазки со временем изменяют свои свойства, как правило, в сторону их ухудшения, а следовательно, ухудшается герметичность соединения. Также используемые смазки выдавливаются по свободному винтовому каналу резьбы между сопрягаемыми поверхностями, появляющимися после свинчивания ОТ, внутренним давлением газа или жидкости.The disadvantage of this method is that the lubricants change their properties over time, as a rule, in the direction of their deterioration, and therefore, the tightness of the connection worsens. Also, the lubricants used are squeezed out through the free screw channel of the thread between the mating surfaces that appear after making up the OT by the internal pressure of gas or liquid.

Наиболее близким к предлагаемому является способ муфтового соединения ОТ с резьбой трепецеидального профиля повышенной герметичности (шифр ОТТГ1) [1]. Трубы с таким соединением имеют уплотнительные поверхности - наружную у ниппельного конца трубы, и внутреннюю - в срединной части муфты. Само резьбовое соединение закрепляется до упора торца трубы в срединный выступ муфты. При таком закреплении соединения создается посадка по уплотнительным коническим поверхностям и по внутреннему и наружному диаметрам резьбы, точно фиксируется заданный диаметральный натяг (примерно 0,5 мм), устраняется зазор между соединяемыми деталями, чем достигается более высокая герметичность.Closest to the proposed one is a method of coupling OT with a thread of a trepezoidal profile of increased tightness (code OTTG1) [1]. Pipes with such a connection have sealing surfaces - external at the nipple end of the pipe, and internal - in the middle of the coupling. The threaded connection itself is fixed to the end of the pipe against the middle protrusion of the coupling. With this fastening of the joint, a fit is created on the sealing conical surfaces and on the inner and outer diameters of the thread, the predetermined diametrical tightness is precisely fixed (approximately 0.5 mm), the gap between the joined parts is eliminated, thereby achieving higher tightness.

Однако независимо от профиля резьбы и типа соединения в резьбовом соединении после свинчивания остается винтовой канал между сопрягаемыми поверхностями нарезки. Наличие дополнительных конструктивных элементов в соединениях повышенной герметичности, таких, как поясковые гладкие поверхности на ниппеле и муфте, упорные торцы, значительно повышают надежность резьбового соединения, но не обеспечивают их достаточной герметичности для жидкостей и газов при реальных перепадах давлений на резьбовых соединениях. [2]. Кроме того, отрицательное влияние допусков на геометрические размеры резьб и дефектов изготовления лишь частично снижается при закреплении соединений за счет локальных упругих и упругопластических деформаций и притирания сопрягаемых поверхностей. Следует также отметить, как недостаток, что обеспечивать упругие и особенно упругопластические деформации в элементах резьбового соединения ОТ, изготавливаемых из высокопрочных сталей, не всегда возможно, или для этого требуются огромные усилия, что недостижимо в реальных условиях свинчивания ОТ. Вместе с тем, в наклонных и горизонтальных скважинах из-за искривления ствола скважины появляются действующие на резьбовые соединения изгибающие моменты, которые нарушают равномерность нагружения резьбового соединения. В результате требуемая герметичность соединения не достигается.However, regardless of the thread profile and type of joint, the screw channel between the mating cutting surfaces remains after screwing in the threaded joint. The presence of additional structural elements in the joints of increased tightness, such as gusseted smooth surfaces on the nipple and the coupling, thrust ends, significantly increase the reliability of the threaded connection, but do not provide them with sufficient tightness for liquids and gases at real pressure drops on the threaded joints. [2]. In addition, the negative effect of tolerances on the geometric dimensions of threads and manufacturing defects is only partially reduced when the joints are fixed due to local elastic and elastoplastic deformations and grinding of the mating surfaces. It should also be noted as a disadvantage that it is not always possible to provide elastic and especially elastoplastic deformations in the elements of the OT threaded joint made of high-strength steels, or it requires tremendous effort, which is unattainable in real conditions of OT make-up. At the same time, in deviated and horizontal wells, bending moments acting on threaded joints appear due to curvature of the wellbore, which violate the uniformity of loading of the threaded joint. As a result, the required tightness of the connection is not achieved.

Задачей изобретения является устранение (уменьшение) недостатков, указанных в отмеченных выше способах, в том числе и в прототипе.The objective of the invention is to eliminate (reduce) the disadvantages indicated in the above methods, including in the prototype.

Технической задачей является разработка способа, увеличивающего степень герметизации обсадной колонны, по сравнению с существующими методами герметизации.The technical task is to develop a method that increases the degree of sealing of the casing, compared with existing methods of sealing.

Известно [3], что недостаточная герметичность резьбовых соединений колонн труб является причиной пропуска газа (газопроявление) в 80% случаев, когда наблюдаются большие потери газа и опасные явления. Поэтому желательно (необходимо) обеспечивать приемлемую герметичность обсадных колонн.It is known [3] that insufficient tightness of the threaded joints of pipe columns is the cause of gas leakage (gas manifestation) in 80% of cases when there are large gas losses and dangerous phenomena. Therefore, it is desirable (necessary) to provide acceptable casing tightness.

Поставленная задача решается предлагаемым способом, включающем использование локальных упругих и упругопластических деформаций элементов резьбовых соединений, а в качестве упругопластического герметизирующего элемента используется кольцевая прокладка из сплава с памятью, например нитинола, имеющая в поперечном сечении специальный профиль и помещаемая между торцами соединяемых обсадных труб, причем эта прокладка предварительно охлаждается в криостате до низкой температуры, например жидкого азота, и деформируется в нем, меняя свою форму и уменьшая размеры по высоте прокладки, после чего последняя устанавливается на предназначенное ей место внутри муфты между торцами соединяемых труб, которые быстро свинчиваются, чтобы прокладка не успела до полного их свинчивания прогреться; после этого, по мере прогревания, прокладка «вспоминает» свою первоначальную форму и начинает ее восстанавливать, а так как ее высота после деформации стала меньше ее высоты до деформации, а свободно распрямиться ей нет места между торцами соединяемых труб после их свинчивания, то внутри прокладки будут развиваться большие внутренние силы, направленные к торцам этих труб, которые будут заставлять прокладку плотно прижиматься к поверхностям этих торцов вплоть до деформации поверхностей прокладки, обеспечивая хорошую герметичность соединения; так как прокладка полностью не приняла свою первоначальную форму из-за отсутствия свободного пространства, то она остается сжатой этими внутренними силами, подобно пружине, и когда, в частности, при искривлении скважины или других подобных случаев зазор между торцами соединяемых труб становится неодинаковым и герметичность ухудшается, то прокладка, расширяясь, также обеспечивает неравномерное, но полное заполнение образующегося зазора, не давая нарушаться герметичности резьбового соединения.The problem is solved by the proposed method, including the use of local elastic and elastoplastic deformations of the elements of threaded joints, and an annular gasket made of an alloy with memory, such as nitinol, having a special profile in the cross section and placed between the ends of the joined casing pipes, is used as an elastoplastic sealing element the gasket is pre-cooled in a cryostat to a low temperature, for example liquid nitrogen, and is deformed in it, changing its shape and reducing dimensions along the height of the gasket, after which the latter is installed in its intended place inside the coupling between the ends of the pipes to be connected, which are quickly screwed so that the gasket does not have time to warm up until they are completely screwed; after that, as it warms up, the gasket “remembers” its original shape and begins to restore it, and since its height after deformation has become less than its height before deformation, and there is no place for it to freely straighten between the ends of the pipes being connected after they are screwed, inside the gasket large internal forces will develop that are directed to the ends of these pipes, which will cause the gasket to press tightly against the surfaces of these ends up to the deformation of the surfaces of the gasket, providing good tightness neniya; since the gasket has not completely taken its original shape due to the lack of free space, it remains compressed by these internal forces, like a spring, and when, in particular, when the well is bent or other similar cases, the gap between the ends of the pipes to be joined becomes uneven and the tightness deteriorates , then the gasket, expanding, also provides an uneven but complete filling of the resulting gap, without allowing the tightness of the threaded connection to be violated.

Анализ отобранных известных технических решений, обнаруженных в ходе патентных исследований, показал, что на дату подачи заявки объекты, охарактеризованные такой совокупностью существенных признаков и которые при их использовании приводили бы к достижению более высокого технического результата, чем у предложенного, не обнаружены, что позволяет сделать заключение о соответствии заявленного объекта критериям «Новизна» и «Изобретательский уровень». А его промышленная применимость подтверждается полным описанием его осуществления.An analysis of selected well-known technical solutions found during patent research showed that at the filing date of the application, objects characterized by such a combination of essential features and which, if used, would have achieved a higher technical result than the proposed one, were not found, which allows a conclusion on the conformity of the declared object with the criteria of “Novelty” and “Inventive step”. And its industrial applicability is confirmed by a full description of its implementation.

Представленные чертежи поясняют суть изобретения, где на фиг.1 представлен продольный разрез муфтового резьбового соединения с использованием предлагаемой кольцевой прокладки, устанавливаемой между обсадными трубами. На фиг.2 изображен продольный разрез резьбового соединения с помощью муфты, имеющей срединный выступ. На фиг.3 приведен продольный разрез резьбового соединения при действии изгибающего момента Мизг. На фиг.4 изображена предлагаемая прокладка и ее деформация в криостате.The presented drawings explain the essence of the invention, where Fig. 1 shows a longitudinal section of a male threaded joint using the proposed annular gasket installed between the casing pipes. Figure 2 shows a longitudinal section of a threaded connection using a coupling having a middle protrusion. Figure 3 shows a longitudinal section of a threaded connection under the action of a bending moment Mizg. Figure 4 shows the proposed gasket and its deformation in the cryostat.

На фиг.1 представлен продольный разрез резьбового соединения обсадных труб 1 и 2 с помощью муфты 3. Между торцами обсадных труб устанавливается прокладка 4, выполненная из сплава с памятью. Муфта 3 навернута на торец одной из труб, например на трубу 1, на заводе с определенным натягом резьб на трубе и на муфте. Со стороны прокладки 4 на торцы соединяемых труб действуют усилия P. На фиг.2 представлен продольный разрез муфтового резьбового соединения обсадных труб 1 и 2, но муфта 3 имеет срединный выступ, между боковыми сторонами которого и торцами соединяемых обсадных труб размещаются прокладки 4 предлагаемой конструкции. На фиг.3 показано образование неодинакового по величине зазора между торцами соединяемых обсадных труб 1 и 2 муфтой 3 при действии изгибающего момента Мизг. Прокладка 4 выбирает этот зазор, становясь также неодинаковой в своих поперечных сечениях по окружности. На фиг.4 представлена форма прокладки 4, на виде сверху, вид «а», и в поперечном сечении, вид «б», также показаны подставка 6, на которую в криостате помещается прокладка, и плунжер 5, при помощи которого деформируется прокладка.Figure 1 shows a longitudinal section of a threaded connection of the casing 1 and 2 using the sleeve 3. Between the ends of the casing pipe is installed gasket 4 made of an alloy with memory. The coupling 3 is screwed onto the end of one of the pipes, for example, to the pipe 1, at the factory with a certain tightness of the threads on the pipe and on the coupling. From the side of the gasket 4, the forces P act on the ends of the pipes to be joined. Figure 2 shows a longitudinal section of the threaded sleeve connection of the casing pipes 1 and 2, but the coupling 3 has a middle protrusion, between the sides of which and the ends of the connected casing pipes are placed gaskets 4 of the proposed design. Figure 3 shows the formation of an unequal in size gap between the ends of the connected casing pipes 1 and 2 by sleeve 3 under the action of a bending moment Mizg. Gasket 4 selects this gap, becoming also unequal in its cross sections around the circumference. Figure 4 shows the shape of the gasket 4, in a top view, view "a", and in cross section, view "b", also shows the stand 6, on which the gasket is placed in the cryostat, and the plunger 5, by which the gasket is deformed.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.The proposed method is implemented as follows.

Предварительно изготавливается прокладка 4 с соблюдением размеров d и D под размеры соединяемых обсадных труб 1 и 2. Высота накладки H1 выбирается из условия достаточности усилия Р (см. фиг.1, 2, 3), развивающегося в прокладке 4 и действующего на торцы соединяемых труб 1 и 2, и обеспечивающего требуемую герметичность резьбового соединения. После изготовления прокладки 4 (прокладок на каждое межтрубное соединение) подготавливается ее размещение между торцами обсадных труб 1 и 2. Для этого труба, например труба 1 (обсадная колонна с трубой) с навинченной на заводе муфтой 3, опускается в скважину на глубину возможности ввинчивания в нее следующей трубы 2, которая подвешивается в положение немедленного вворачивания в муфту (верхнюю ее часть) и находится в этом положении. Но до начала свинчивания прокладка 4 опускается в криостат, расположенный рядом со скважиной, и выдерживается в нем до тех пор, пока его температура не сравняется с температурой в криостате, например с температурой жидкого азота (-195°C) (время охлаждения до этой температуры определяется заранее экспериментально). Прокладка помещается на подставку 6 в криостате (см. фиг.4, вид «б»). Когда температура прокладки сравняется с температурой в криостате, прокладка деформируется плунжером 5, уменьшающим высоту прокладки 4 с величины H1 до величины H2 силой F. Когда оборудование будет подготовлено для свинчивания труб, деформированная прокладка 4 вынимается из криостата и быстро помещается на торец трубы 1 и сразу начинается вворачивание трубы 2 в муфту с обеспечением в конце этой операции требуемого натяга. Свинчивание трубы 2 с муфтой должно осуществляться как можно быстрее, чтобы нагрев прокладки от температуры криостата произошел как можно меньше. Если используется муфта со срединным выступом, как показано на фиг.2, тогда применяются две прокладки 4: между торцами труб 1 и 2 и боковыми поверхностями срединного выступа муфты. В этом случае прокладки устанавливаются поочередно: сначала размещается одна прокладка с одной стороны муфты с вворачиванием в нее трубы, например 1, до упора с натягом. После этого таким же образом устанавливается вторая прокладка и вворачивается в муфту вторая труба 2. Одну прокладку можно устанавливать на заводе. На фиг.3 изображено изменение формы и размеров прокладки 4 при неодинаковом изменении (появлении) зазоров между герметизируемыми поверхностями (торцами) обсадных труб. Такое состояние прокладки возможно, например при искривлении скважины и появлении изгибающего момента Мизг. Когда соединяются обсадные трубы с безмуфтовым резьбовым соединением, то в этом случае прокладка укладывается между торцом раструба одной трубы и упорным торцом ниппеля другой трубы. При этом также предварительно прокладка помещается в криостат на подставку 6, выдерживается в нем определенное время, деформируется плунжером 5, вынимается из криостата, устанавливается на место, и трубы быстро скручиваются. На фиг.4 изображена предлагаемая прокладка 4 на виде сверху, вид «а» и ее поперечное сечение, вид «б». Поперечное сечение прокладки может иметь и другую конфигурацию, но важно, чтобы деформирующая сила F при этом была бы минимальной. Прокладка имеет первоначальную высоту H1 и диаметры первоначальные: d - внутренний диаметр, D - внешний диаметр. Диаметр D при деформации увеличивается. Поэтому важно, чтобы он не превысил внутреннего диаметра, по выступам резьбы, муфты. Для упрощения установки прокладки 4 желательно обеспечить размер D после ее деформации на 1-2 мм меньше внутреннего диаметра муфты 3. Внутренний диаметр прокладки d не требует такого тщательного выполнения, по сравнению с диаметром D. Однако надо помнить, что если он будет больше внутреннего диаметра соединяемых труб, то это образует круговые выступы, которые будут увеличивать гидравлические сопротивления при циркуляции, уменьшат площадь внутреннего поперечного сечения труб и т.п. Поэтому этот диаметр рациональнее выполнять равным внутреннему диаметру обсадных труб или на 1-2 мм больше.The gasket 4 is preliminarily manufactured in compliance with the dimensions d and D for the dimensions of the connected casing pipes 1 and 2. The height of the lining H1 is selected from the condition of sufficient force P (see Figs. 1, 2, 3) developing in the gasket 4 and acting on the ends of the connected pipes 1 and 2, and providing the required tightness of the threaded connection. After making the gasket 4 (gaskets for each annular connection), it is prepared to place it between the ends of the casing pipes 1 and 2. For this, a pipe, for example pipe 1 (casing with pipe) with a sleeve 3 screwed at the factory, is lowered into the well to the depth of screwing into her next pipe 2, which is suspended in the position of immediate screwing into the sleeve (its upper part) and is in this position. But before making up, gasket 4 is lowered into a cryostat located near the well and maintained in it until its temperature is equal to the temperature in the cryostat, for example, the temperature of liquid nitrogen (-195 ° C) (cooling time to this temperature determined in advance experimentally). The gasket is placed on the stand 6 in the cryostat (see figure 4, view "b"). When the temperature of the gasket is equal to the temperature in the cryostat, the gasket is deformed by the plunger 5, which reduces the height of the gasket 4 from the value of H1 to the value of H2 by force F. When the equipment is prepared for screwing the pipes, the deformed gasket 4 is removed from the cryostat and quickly placed on the end of the pipe 1 and immediately screwing of the pipe 2 into the sleeve begins, ensuring at the end of this operation the required interference. The screwing of the pipe 2 with the coupling should be carried out as quickly as possible, so that the gasket is heated from the cryostat temperature as little as possible. If a coupling with a middle protrusion is used, as shown in FIG. 2, then two gaskets 4 are used: between the ends of the pipes 1 and 2 and the side surfaces of the middle protrusion of the coupling. In this case, the gaskets are installed one at a time: first one gasket is placed on one side of the coupling with the pipe screwed into it, for example 1, until it stops with an interference fit. After that, the second gasket is installed in the same way and the second pipe 2 is screwed into the sleeve. One gasket can be installed at the factory. Figure 3 shows the change in the shape and size of the gasket 4 with an uneven change (appearance) of gaps between the sealed surfaces (ends) of the casing. This condition of the gasket is possible, for example, when the well is bent and a bending moment Mizg appears. When casing pipes are connected with a sleeveless threaded connection, in this case the gasket is placed between the end face of the socket of one pipe and the persistent end of the nipple of the other pipe. At the same time, the gasket is preliminarily placed in the cryostat on the stand 6, held for a certain time in it, deformed by the plunger 5, removed from the cryostat, installed in place, and the pipes are quickly twisted. Figure 4 shows the proposed gasket 4 in a top view, view "a" and its cross section, view "b". The cross section of the gasket may have a different configuration, but it is important that the deforming force F is minimal. The gasket has an initial height H1 and initial diameters: d - inner diameter, D - outer diameter. The diameter D during deformation increases. Therefore, it is important that it does not exceed the inner diameter, along the protrusions of the thread, of the coupling. To simplify the installation of the gasket 4, it is desirable to ensure the size D after its deformation is 1-2 mm less than the inner diameter of the coupling 3. The inner diameter of the gasket d does not require such careful implementation, compared with the diameter D. However, it must be remembered that if it is larger than the inner diameter connected pipes, this forms circular protrusions that will increase hydraulic resistance during circulation, reduce the internal cross-sectional area of pipes, etc. Therefore, this diameter is more rational to perform equal to the inner diameter of the casing or 1-2 mm more.

Предлагаемый способ герметизации труб обсадных колонн позволяет увеличить степень герметизации, ее надежность и долговечность.The proposed method of sealing casing pipes allows to increase the degree of sealing, its reliability and durability.

Источники информации:Information sources:

1. Соловьев Е.М. Заканчивание скважин. - М.: Недра, 1979. - 304 с.1. Soloviev E.M. Well completion. - M .: Nedra, 1979. - 304 p.

2. Басаргин Ю.М., Будников В.Ф., Булатов А.И., Проселков Ю.М. Технологические основы освоения и глушения нефтяных и газовых скважин. Учебник для вузов.- М.: Недра, Бизнесцентр, 2001. - С.299.2. Basargin Yu.M., Budnikov V.F., Bulatov A.I., Proselkov Yu.M. Technological basis for the development and killing of oil and gas wells. Textbook for high schools.- M .: Nedra, Business Center, 2001. - P.299.

3. Карабанов В.В., Бохоров И.О. Решение проблемы герметичности и надежности обсадных колонн. Статья в журнале «Нефтяное хозяйство», №1, 2012. - С.42-45.3. Karabanov V.V., Bokhorov I.O. The solution to the problem of tightness and reliability of casing strings. An article in the journal "Oil Economy", No. 1, 2012. - P.42-45.

Claims

1. A method of sealing a casing with a memory gasket, including the use of local elastic and elastoplastic deformations of threaded joints, characterized in that an annular gasket of memory alloy, for example nitinol, placed between the ends of the joined casing, is used as an elastoplastic sealing element the gasket is pre-cooled in a cryostat to a low temperature, for example liquid nitrogen, and is deformed in it, changing its shape and reducing the size of the height of the gasket, and then she quickly installed on its intended location inside the coupling between the ends of the pipe, which are screwed fast to seal did not have time to complete their make-up, warm up.

2. The method of sealing casing pipes with a memory gasket according to claim 1, characterized in that two gaskets are used, each of which is located between the end face of one of the connected casing pipes and the surface of the middle protrusion of the coupling.

3. The method of sealing casing with a gasket with memory according to claim 1, characterized in that the gasket is located between the end of the socket and the persistent end of the nipple in a sleeveless threaded connection.