RU2702033C1

RU2702033C1 - Unit for tightness of tubing connections (versions)

Info

Publication number: RU2702033C1
Application number: RU2019103096A
Authority: RU
Inventors: Отто Гуйбер; Анатолий Александрович Чернов
Original assignee: Керогойл Зрт.
Priority date: 2019-02-05
Filing date: 2019-02-05
Publication date: 2019-10-03

Abstract

FIELD: oil and gas industry.

SUBSTANCE: group of inventions relates to oil and gas industry, namely to equipment for hydrocarbon production, and can be used in tubing structures. Seal assembly of tubing connections includes ends of tubing string jointed together by means of tightening thread coupling, as well as sealing gasket. End of one of the tubing string is made in the form of a cup, on the upper part of the inner surface of which there is a thread intended for screwing with a thread of the tightening coupling when the unit is being tightened, at the end of the other tubing the annular projection is made, one of its ends has possibility of contact with barrel bottom, and another one – with tightening coupling. Sealing element is arranged between outer surface of annular projection and inner surface of shell and is made of material having melting point below 300 °C.

EFFECT: seal assembly for tubing joints is proposed.

4 cl, 3 dwg, 1 tbl

Description

Группа изобретений относится к нефтегазовой промышленности, а именно, к оборудованию для добычи углеводородов и может быть использована в конструкциях насосно-компрессорных труб (НКТ), предназначенных для транспортировки в продуктивный пласт рабочего агента, например, в форме воды, находящейся в ультра-сверхкритическом состоянии, и имеющей температуру до 800°С при давлении до 60 МПа.The group of inventions relates to the oil and gas industry, namely, equipment for the production of hydrocarbons and can be used in the design of tubing designed for transportation of a working agent into the reservoir, for example, in the form of water in an ultra-supercritical state , and having a temperature of up to 800 ° C at a pressure of up to 60 MPa.

Из уровня техники известно, что для добычи трудноизвлекаемых запасов углеводородов из нефтекерогеносодержащих продуктивных пластов баженовской, доманиковой и иных свит, все более широкое применение находит термохимическая технология, основанная на применении ультра-сверхкритического парового цикла, суть которого заключается в: (1) генерации на дневной поверхности скважины рабочего агента в форме ультра-сверхкритической воды, имеющей температуру до 800°С при давлении до 60 МПа; (2) доставке рабочего агента по колонне НКТ на забой скважины в его подпакерную зону; (3) инжектировании его в продуктивный пласт.It is known from the prior art that for the extraction of hard-to-recover hydrocarbon reserves from oil-kerogen-containing productive formations of the Bazhenov, Domanik and other formations, thermochemical technology based on the use of an ultra-supercritical steam cycle finds its wider application, the essence of which is: (1) daily generation the surface of the well of the working agent in the form of ultra-supercritical water having a temperature of up to 800 ° C at a pressure of up to 60 MPa; (2) delivery of the working agent through the tubing string to the bottom of the well in its sub-packer zone; (3) injecting it into the reservoir.

Естественно, в силу потерь, которые неизбежно возникают при доставке рабочего агента на забой скважины, находящийся, например, на глубине 3000 метров, температура и давление рабочего агента снижаются и составляют, примерно, 500°С при давлении до 50 МПа, при этом, часть рабочего агента через стыки собранных в колонну НКТ, перетекает из полости НКТ в надпакерную зону скважины, что приводит к потерям рабочего агента, иногда весьма существенным, а также к падению его давления.Naturally, due to the losses that inevitably occur when the working agent is delivered to the bottom of the well, located, for example, at a depth of 3000 meters, the temperature and pressure of the working agent decrease and amount to approximately 500 ° C at a pressure of up to 50 MPa, while the working agent through the joints of the tubing assembled into the string flows from the tubing cavity into the overpacker zone of the well, which leads to losses of the working agent, sometimes very significant, as well as to a drop in its pressure.

Поэтому одной из весьма значимых проблем при осуществлении термохимического воздействия на нефтекерогеносодержащие продуктивные пласты является гарантированное обеспечение герметичности стыков НКТ, расположенной в скважине колонны в течение всего срока ее эксплуатации.Therefore, one of the very significant problems in the implementation of the thermochemical effect on oil-kerogen-containing productive formations is the guaranteed ensuring of the tightness of the joints of the tubing located in the well of the column for the entire period of its operation.

В заявленной группе изобретений термин «герметичность соединений» означает гарантированную герметичность стыков труб колонны НКТ в условиях высоких температур (до 800°С) при их нагружении избыточным давлением рабочего агента в течение всего периода эксплуатации колонны НКТ.In the claimed group of inventions, the term "tightness of the joints" means the guaranteed tightness of the pipe joints of the tubing string at high temperatures (up to 800 ° C) when they are loaded with excessive pressure of the working agent during the entire period of operation of the tubing string.

Из современного уровня развития техники известно, что решение проблемы обеспечения герметичности стыков НКТ реализуется в нескольких направлениях: (1) герметизацией резьбовых соединений НКТ за счет особых форм и соотношений размеров соединяемых поверхностей; (2) герметизацией резьбовых соединений НКТ путем нанесения на них различных герметизирующих материалов; (3) использованием в узлах соединений герметизирующих элементов (прокладок).From the current level of technological development, it is known that the solution to the problem of tightness of tubing joints is implemented in several directions: (1) sealing threaded tubing joints due to special shapes and aspect ratios of the surfaces to be joined; (2) sealing threaded tubing connections by applying various sealing materials to them; (3) the use of sealing elements (gaskets) in the connection nodes.

Так, например, известно высокогерметичное резьбовое соединение НКТ (патент РФ №2500875, кл. Е21В 17/00, 2013 г.), содержащее охватываемый и охватывающий элементы, на концах которых на наружной и внутренней поверхностях выполнены упорные конические трапецеидальные резьбы и образующие внутренний узел уплотнения конические контактирующие между собой уплотнительные и упорные торцевые поверхности, образующие между собой острый угол, при этом профиль витка резьб охватываемого и охватывающего элементов на участке схождения опорной грани и вершины, а также на участке схождения закладной грани и вершины, выполнен скругленным, а вершины и закладные грани профиля витка резьб охватываемого и охватывающего элементов выполнены таким образом, что при свинчивании соединения они образуют между собой зазоры, на охватывающем элементе соединения на участке схода резьбы выполнена окружная проточка, на участке схождения уплотнительной поверхности и упорной торцевой поверхности охватывающего элемента выполнена окружная проточка, при этом участок схождения уплотнительной поверхности и поверхности окружной проточки охватывающего элемента, а также участок схождения уплотнительной поверхности и поверхности схода резьбы охватываемого элемента выполнены скругленными, угол наклона уплотнительной поверхности охватываемого элемента к осевой линии резьбы составляет 13-18°, а угол наклона уплотнительной поверхности охватывающего элемента - 8-12°.So, for example, a well-sealed threaded tubing connection is known (RF patent No. 25000075, class ЕВВ 17/00, 2013), containing male and female elements, at the ends of which persistent tapered trapezoidal threads are made on the outer and inner surfaces and forming an internal assembly seals are conical contacting sealing and thrust end surfaces, forming an acute angle between each other, while the thread profile of the male and female elements is at the convergence area of the support face and top, and Also, at the convergence section of the embedded face and the top, it is made rounded, and the vertices and embedded edges of the thread profile of the male and female threads are made in such a way that when making up the joints, they form gaps between themselves, a circumferential groove is made on the female connection element at the thread exit section, at the site of convergence of the sealing surface and the persistent end surface of the enclosing element, a circumferential groove is made, while the site of convergence of the sealing surface and surface STI circumferential groove of the female element, as well as the toe portion of the sealing surface and thread surface descent of the male element are rounded, the angle of inclination of the sealing surface of the male member toward the axial line of the thread amounts to 13-18 °, and the angle of inclination of the sealing surface of the female member - 8-12 °.

Известно высокогерметичное износостойкое резьбовое соединение (патент РФ на полезную модель №129186, кл F16L 15/00, 2013 г.), содержащее сопрягаемые наружный и внутренний элементы с резьбовыми коническими участками и герметизирующий узел, выполненный в виде сопрягаемых конических радиальных и торцевых поверхностей внутреннего и наружного элементов, коническая резьба элементов имеет в сечении профиль неравнобокой трапеции с рабочим углом при вершине 13°, сопрягаемые конические торцевые поверхности выполнены под углом 15° к нормали оси резьбы, а на наружной уплотнительной поверхности внутреннего элемента с конусностью 1:10 выполнена одна или несколько разгрузочных кольцевых проточек.Known high-sealed wear-resistant threaded connection (RF patent for utility model No. 129186, class F16L 15/00, 2013), containing mating external and internal elements with threaded conical sections and a sealing assembly made in the form of mating conical radial and end surfaces of the inner and of the outer elements, the conical thread of the elements has a section of a profile of unequal trapezoid with a working angle at the apex of 13 °, the mating conical end surfaces are made at an angle of 15 ° to the normal to the axis of the thread, and and the outer sealing surface of the inner element with a taper of 1:10 made one or more discharge ring grooves.

Приведенные выше решения не могут обеспечить герметичность стыков при транспортировании через колонны таких НКТ рабочих агентов, имеющих высокие температуры и давление.The above solutions cannot ensure the tightness of the joints during transportation through the columns of such tubing of working agents having high temperatures and pressure.

Герметизация резьбовых соединений НКТ путем нанесения на них различных герметизирующих материалов также используется довольно широко.Sealing threaded tubing connections by applying various sealing materials to them is also widely used.

Так, например, известен способ герметизации резьбовых соединений труб (патент РФ №2498144, кл. F16L 15/04, 2013 г.), полученное которым резьбовое соединение герметизировано материалом, размещенным в межрезьбовом пространстве, причем перед размещением герметизирующего материала проведена подготовка поверхностей резьбового соединения пассивацией металла, а в качестве герметизирующего материала использована композиция сополимера тетрафторэтилена с гексафторпропиленом и графита с наполнителями.So, for example, there is a known method of sealing threaded pipe joints (RF patent No. 2498144, class F16L 15/04, 2013), obtained by which the threaded connection is sealed with material placed in the inter-threaded space, and before the placement of the sealing material the surfaces of the threaded joint were prepared metal passivation, and a composition of a copolymer of tetrafluoroethylene with hexafluoropropylene and graphite with fillers was used as a sealing material.

Основным недостатком данного резьбового соединения является то, что интервал рабочих температур сополимера тетрафторэтилена с гексафторпропиленом, известного также под торговыми марками фторопласт-4МБ, тефлон FEP (США), хостафлон FEP (Германия), неофлон (Япония), составляет от -270 до +205°С, а температура его разложения составляет 380-400°С. Таким образом, сополимер тетрафторэтилена с гексафторпропиленом в силу относительно низкой температуры разложения не может быть использован для герметизации резьбового соединения НКТ, по которым необходимо транспортировать рабочий агент в форме ультра-сверхкритической воды, имеющей температуру до 800°С или в форме сверхкритической воды, имеющей минимальную температуру на забое скважины, равную 500°С.The main disadvantage of this threaded connection is that the operating temperature range of the tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, also known under the trademarks fluoroplast-4MB, Teflon FEP (USA), Hostaflon FEP (Germany), Neoflon (Japan), is from -270 to +205 ° C, and its decomposition temperature is 380-400 ° C. Thus, the copolymer of tetrafluoroethylene with hexafluoropropylene, due to the relatively low decomposition temperature, cannot be used to seal a threaded tubing connection, through which it is necessary to transport the working agent in the form of ultra-supercritical water at a temperature of up to 800 ° C or in the form of supercritical water having a minimum bottomhole temperature equal to 500 ° C.

Известно герметичное коническое трубное соединение (патент РФ №2162928, кл Е21В 17/08, 2001 г.) в котором на поверхность резьбы нанесен слой мягкого металла, при этом слой металла выполнен в виде полосы и расположен от захода в резьбу не менее на 2/3 ее рабочей длины, а на участке, приходящемся на виток с неполным профилем в зоне фаски стандартного ответного резьбового элемента, нанесен на протяжении, по крайней мере, одного витка пояском с толщиной слоя, не менее чем в два раза превышающей толщину слоя в равномерной полосе.A sealed conical pipe connection is known (RF patent No. 2162928, class E21B 17/08, 2001) in which a soft metal layer is applied to the surface of the thread, while the metal layer is made in the form of a strip and is located at least 2 / 3 of its working length, and in the area corresponding to a turn with an incomplete profile in the chamfer zone of a standard threaded response element, it is applied over at least one turn with a belt with a layer thickness not less than two times the layer thickness in a uniform strip .

В качестве такого металла могут быть использованы свинец (число твердости по Бринеллю (НВ)=4 ед. и температура плавления=327,4°С) и/или олово (число твердости по Бринеллю (НВ)=5 ед. и температура плавления=231,9°С). Для сравнения число твердости по Бринеллю (НВ) титана равно 160 ед.As such a metal, lead (Brinell hardness number (HB) = 4 units and melting point = 327.4 ° C) and / or tin (Brinell hardness number (HB) = 5 units and melting point = 231.9 ° C). For comparison, the number of Brinell hardness (HB) of titanium is 160 units.

Известное соединение не может быть эффективным при транспортировке высокотемпературного рабочего агента высокого давления в форме воды в ультра-сверхкритическом состоянии и/или в форме воды в сверхкритическом состоянии в связи с тем, что при закачке такого рабочего агента в пласт его температура на устье скважины может достигать 800°С, а при отборе из продуктивного пласта водонефтяной эмульсии по той же самой НКТ ее температура на устье скважины составит не менее 300°С и, таким образом, нанесенный на поверхность резьбы слой мягкого металла (свинца или олова) расплавится и перейдет в жидкое состояние. Под давлением расплавленный металл будет вытеснен из резьбового соединения и герметизация резьбового соединения будет нарушена, что может привести к потере значительных объемов рабочего агента и даже к обрыву колонны НКТ, - к аварии на скважине.The known compound cannot be effective when transporting a high-temperature working agent of high pressure in the form of water in an ultra-supercritical state and / or in the form of water in a supercritical state due to the fact that when such a working agent is injected into the formation, its temperature at the wellhead can reach 800 ° C, and when a water-oil emulsion is taken from the reservoir for the same tubing, its temperature at the wellhead will be at least 300 ° C and, thus, a soft metal layer deposited on the thread surface (Lead or tin) is melted and enters a liquid state. Under pressure, the molten metal will be forced out of the threaded connection and the sealing of the threaded connection will be broken, which can lead to the loss of significant volumes of the working agent and even to breakage of the tubing string, - to a well accident.

Известна теплоизолированная колонна НКТ (патент РФ №2129202, кл. Е21В 17/00, 1999 г.), каждая НКТ которой включает внутреннюю трубу с расположенной на ней многослойной экранной изоляцией, наружную трубу, внутренняя труба выполнена цельной с высаженными профилированными концами, наружная труба перед монтажом сжата вдоль оси на 9-12 мм, имеет на концах конусно-упорную резьбу и снабжена седлом и клапаном, равноудаленным от концов трубы и, после герметизации седла, обваренным вакуумно-плотным швом, внутренняя и наружная трубы выполнены из одного материала и по торцам обварены вакуумно-плотными швами, на многослойной экранной изоляции размещены центрирующие кольца, между слоями многослойной экранной изоляции размещен газопоглотитель, в межтрубном пространстве создан вакуум 10^-4-10^-3 мм. рт.ст., при этом каждый узел герметичности колонны выполнен в виде резьбовой муфты, навернутой на резьбовые концы соединяемых НКТ, между которыми размещена уплотнительная втулка.A thermally insulated tubing string is known (RF patent No. 2129202, class ЕВВ 17/00, 1999), each tubing of which includes an inner pipe with multilayer screen insulation located on it, an outer pipe, an inner pipe made integral with upset profiled ends, an outer pipe before installation, it is compressed along the axis by 9-12 mm, has a tapered stop thread at the ends and is equipped with a seat and valve equidistant from the ends of the pipe and, after sealing the seat, welded with a vacuum-tight seam, the inner and outer pipes are made of one material a and at the ends of scald vacuum-tight seams, on the multilayer insulation screen centering rings placed between the layers of the multilayer insulation screen getter placed in the space between the tubes a vacuum of 10 ^-3 -10 ^-4 mm. Hg, with each node tightness of the column is made in the form of a threaded sleeve, screwed onto the threaded ends of the connected tubing, between which is placed a sealing sleeve.

В результате анализа выполнения узла стыковки данной колонны НКТ, необходимо отметить, что для стыковки НКТ в колонну традиционно используется конусно-упорное резьбовое межтрубное соединение, которое при нагреве НКТ до температуры 500-800°С и при давлении до 60 МПа не обеспечивает герметичность соединения и его надежность. Кроме того, используемое для обеспечения надежности и герметичности таких соединений высокое усилие затяжки, близкое по величине к пределу прочности материла НКТ, при эксплуатации может привести к срыву резьбы. По этой причине ресурс таких соединительных элементов труб не превышает нескольких циклов «свинчивание-развинчивание».As a result of the analysis of the implementation of the docking node for this tubing string, it is necessary to note that for connecting the tubing to the string, a conical-threaded threaded joint is traditionally used, which, when the tubing is heated to a temperature of 500-800 ° C and at a pressure of up to 60 MPa, does not provide a tight connection its reliability. In addition, the high tightening force used to ensure the reliability and tightness of such joints, close in magnitude to the tensile strength of the tubing material, during operation can lead to thread failure. For this reason, the resource of such pipe connecting elements does not exceed a few screw-unscrew cycles.

Герметизация соединений с использованием герметизирующих элементов, например, прокладок, также известна и является наиболее приемлемой для решения задач настоящей группой изобретений.Sealing compounds using sealing elements, for example, gaskets, is also known and is most suitable for solving problems of this group of inventions.

Так, например, известно герметичное соединение труб (патент РФ №2513937, кл. Е21В 17/00, 2014 г. - наиболее близкий аналог) включающее стягивающую резьбовую муфту, навинченную на резьбовые концы соединяемых труб, между стыкуемыми торцами которых размещена герметизирующая металлическая прокладка. В процессе эксплуатации труб, например, при прокачке по ним разогретого рабочего агента, прокладка нагревается, увеличиваясь в размерах, и заполняет зазоры между поверхностями ее расположения.So, for example, a tight pipe connection is known (RF patent No. 2513937, class E21B 17/00, 2014 - the closest analogue) including a tightening threaded sleeve screwed onto the threaded ends of the pipes to be connected, between the joined ends of which a sealing metal gasket is placed. During the operation of pipes, for example, when pumping a heated working agent through them, the gasket heats up, increasing in size, and fills the gaps between the surfaces of its location.

Известный узел соединения не может быть эффективно использован для увеличения степени герметизации стыков НКТ в случае транспортировки высокотемпературного рабочего агента высокого давления в форме воды в ультра-сверхкритическом состоянии и/или в форме воды в сверхкритическом состоянии в связи с тем, что при закачке такого рабочего агента в пласт его температура на устье скважины может достигать 800°С, а при отборе из продуктивного пласта водонефтяной эмульсии по той же самой насосно-компрессорной трубе ее температура на устье скважины составит не менее 300°С и, таким образом, перепад температур будет равен 500°С. Такой значительный по величине перепад температур неизбежно приведет к циклическому увеличению - уменьшению степени натяга по резьбе, то есть - к циклическому изменению осевых усилий и этот процесс неизбежно станет причиной ослабления усилия затяжки резьбы и, соответственно, медленному отвинчиванию труб из муфты и уменьшению степени герметичности трубного соединения.The known connection node cannot be effectively used to increase the degree of sealing of the tubing joints in the case of transportation of a high-temperature working agent of high pressure in the form of water in the ultra-supercritical state and / or in the form of water in the supercritical state due to the fact that when pumping such a working agent in the formation, its temperature at the wellhead can reach 800 ° C, and when a water-oil emulsion is taken from a productive formation through the same tubing, its temperature at the wellhead is not less than 300 ° C and thus the temperature difference is equal to 500 ° C. Such a significant temperature difference will inevitably lead to a cyclic increase - a decrease in the degree of tension on the thread, that is, to a cyclic change in axial forces, and this process will inevitably cause a weakening of the thread tightening force and, accordingly, a slow unscrewing of the pipes from the coupling and a decrease in the degree of tightness of the pipe connections.

Другим, не менее существенным недостатком известного узла является то, что прокладка, изготовленная из алюминия, в процессе температурных деформаций может дополнительно нагружать резьбовые соединения осевой силой, примерно, в 60 тонн.Another, no less significant drawback of the known site is that a gasket made of aluminum, in the process of temperature deformations, can additionally load threaded joints with an axial force of approximately 60 tons.

Данные осевые силы являются дополнительной нагрузкой на резьбовое соединение НКТ на фоне ослабления прочностных характеристик металлов или сплавов в присутствии высоких температур, что может привести к обрыву колонны НКТ и к аварии на скважине.These axial forces are an additional load on the threaded connection of the tubing against the background of a weakening of the strength characteristics of metals or alloys in the presence of high temperatures, which can lead to breakage of the tubing string and to an accident at the well.

Техническим результатом заявленной группы изобретений является разработка узлов герметичности соединений НКТ, которые гарантированно способны обеспечивать герметичность стыков НКТ, собранных в опущенную в скважину колонну, в условиях действия на стыки высоких температур (до 800°С) и при их нагружении избыточным давлением рабочего агента (до 60 МПа) в течение длительного времени.The technical result of the claimed group of inventions is the development of tightness nodes of tubing joints, which are guaranteed to be able to ensure the tightness of the tubing joints assembled in a string lowered into the well, under conditions of high temperature joints (up to 800 ° C) and when they are loaded with excess pressure of the working agent (up to 60 MPa) for a long time.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что в узле герметичности соединений насосно-компрессорных труб, включающем стыкуемые друг с другом посредством стягивающей резьбовой муфты концы насосно-компрессорных труб, а также герметизирующую прокладку, новым является то, что конец одной из соединяемых насосно-компрессорных труб выполнен в виде стакана, на верхней части внутренней поверхности которого имеется резьба, предназначенная для свинчивания с резьбой стягивающей муфты при затяжке узла, на конце другой насосно-компрессорной трубы выполнен кольцевой выступ, один из торцов которого имеет возможность контакта с дном стакана, другой - со стягивающей муфтой, а герметизирующий элемент размещен между наружной поверхностью кольцевого выступа и внутренней поверхностью стакана и выполнен из материала, имеющего температуру плавления ниже 300°С, в частности, из висмута или сплава, содержащего висмут.The specified technical result is ensured by the fact that in the tightness unit of the tubing joints, including the ends of the tubing that are joined together by a tightening threaded sleeve, as well as the gasket, the new one is that the end of one of the tubing to be connected is made in the form of a glass, on the upper part of the inner surface of which there is a thread designed for screwing with the thread of the tightening sleeve when tightening the assembly, at the end of another pump the annular protrusion is made of the pipe, one of the ends of which has the possibility of contact with the bottom of the cup, the other with the tightening sleeve, and the sealing element is placed between the outer surface of the annular protrusion and the inner surface of the cup and is made of material having a melting point below 300 ° C, in particular, from bismuth or an alloy containing bismuth.

В варианте узла герметичности соединений насосно-компрессорных труб, новым является то, что в стягивающей муфте образована кольцевая расточка, а резьба выполнена на части внутренней ее поверхности, на конце одной из соединяемых насосно-компрессорных труб выполнен кольцевой выступ, на наружной образующей поверхности которого имеется резьба, предназначенная для свинчивания с резьбой стягивающей муфты при затяжке узла, на конце другой насосно-компрессорной трубы выполнен кольцевой выступ, один из торцов которого имеет возможность контакта с торцом кольцевого выступа первой насосно-компрессорной трубы, другой - со стягивающей муфтой, а герметизирующий элемент размещен между наружной поверхностью кольцевого выступа второй насосно-компрессорной трубы и внутренней поверхностью расточки стягивающей муфты и выполнен из материала, имеющего температуру плавления ниже 300°С.In the embodiment of the tightness assembly of the tubing joints, a new feature is that an annular bore is formed in the tightening sleeve and the thread is made on a part of its inner surface, an annular protrusion is made at the end of one of the tubing to be joined, on the outer forming surface of which a thread designed for screwing with the thread of the tightening sleeve when tightening the assembly, an annular protrusion is made at the end of the other tubing, one of the ends of which has the possibility of contact the one with an end face of the annular protrusion of the first tubing and the other - with the tightening clutch and a sealing member disposed between the outer surface of the annular protrusion of the second tubing and the inner surface of the bore the tightening sleeves and is made of a material having a melting point below 300 ° C.

В заявленной группе изобретений узлы герметичности соединений НКТ, относятся к объектам одного вида, одинакового назначения и обеспечивают при использовании достижение одного и того же технического результата, то есть, являются вариантами, следовательно, требование единства изобретения в данной заявке соблюдено.In the claimed group of inventions, the tightness nodes of the tubing connections relate to objects of the same type, of the same purpose, and when used, achieve the same technical result, that is, they are variants, therefore, the requirement of the unity of the invention in this application is met.

Сущность заявленной группы изобретений поясняется графическими материалами, на которых:The essence of the claimed group of inventions is illustrated by graphic materials on which:

- на фиг. 1 - узел герметичности соединения двух НКТ в сборе (вариант 1);- in FIG. 1 - node tightness of the connection of two tubing assembly (option 1);

- на фиг. 2- узел герметичности соединения двух НКТ в сборе (вариант 2);- in FIG. 2 - tightness assembly of two tubing assembly (option 2);

- на фиг. 3 - график изменения плотности и расширения висмута в зависимости от его температуры.- in FIG. 3 is a graph of changes in the density and expansion of bismuth depending on its temperature.

- табл. - материалы, которые могут быть использованы для изготовления герметизирующих прокладок.- tab. - materials that can be used for the manufacture of sealing gaskets.

В описании приведенными ниже позициями обозначены следующие конструктивные элементы узлов герметичностиIn the description below, the following structural elements of the tightness nodes are indicated.

Вариант 1:Option 1:

1. НКТ, конец которой выполнен в виде стакана с внутренней резьбой;1. The tubing, the end of which is made in the form of a glass with a female thread;

2. НКТ, конец которой выполнен с кольцевым выступом;2. tubing, the end of which is made with an annular protrusion;

3. Стягивающая муфта с наружной резьбой;3. The tightening coupling with an external thread;

4. Герметизирующая прокладка, выполненная из материала (металла или сплава), имеющего температуру плавления ниже 300°С;4. A sealing gasket made of a material (metal or alloy) having a melting point below 300 ° C;

5. Резьбовое соединение НКТ со стягивающей муфтой;5. Threaded tubing connection with tightening sleeve;

6. Прижимная (нижняя) поверхность кольцевого выступа;6. The clamping (lower) surface of the annular protrusion;

7. Опорная поверхность стакана (дно);7. The supporting surface of the glass (bottom);

8. Прижимная поверхность стягивающей муфты;8. The clamping surface of the tightening sleeve;

9. Прижимная боковая поверхность кольцевого выступа.9. The clamping side surface of the annular ledge.

Вариант 2:Option 2:

10. НКТ, конец которой выполнен с кольцевым выступом с резьбой по его наружной поверхности;10. tubing, the end of which is made with an annular protrusion with a thread on its outer surface;

11. НКТ, конец которой выполнен с кольцевым выступом;11. tubing, the end of which is made with an annular protrusion;

12. Стягивающая муфта с внутренней резьбой;12. The tightening coupling with a female thread;

13. Герметизирующая прокладка, выполненная из материала (металла или сплава), имеющего температуру плавления ниже 300°С;13. A sealing gasket made of a material (metal or alloy) having a melting point below 300 ° C;

14. Резьбовое соединение НКТ со стягивающей муфтой;14. Threaded connection of tubing with tightening sleeve;

15. Опорная поверхность торца НКТ 10 с наружной резьбой на ее кольцевом выступе;15. The supporting surface of the end of the tubing 10 with an external thread on its annular protrusion;

16. Прижимная нижняя поверхность кольцевого выступа НКТ 11;16. The clamping lower surface of the annular protrusion of the tubing 11;

17. Прижимная поверхность стягивающей муфты;17. The clamping surface of the tightening sleeve;

18. Прижимная боковая поверхность кольцевого выступа НКТ 11.18. The clamping side surface of the annular protrusion of the tubing 11.

Узел герметичности соединений НКТ (фиг. 1 - вариант 1) включает соответствующим образом выполненные стыкуемые при сборке колонны концы НКТ 1 и НКТ 2.The tightness assembly of the tubing connections (Fig. 1 - option 1) includes the ends of the tubing 1 and tubing 2 that are mated when assembling the column, respectively, which are joined together during assembly.

Конец НКТ 1 выполнен в виде стакана, образованного, например, раскаткой или высадкой. Наружная поверхность стакана может иметь различную форму, например, цилиндрическую или граненую. Внутренняя поверхность стакана образована опорной плоской поверхностью 7 (дно стакана), а также боковой поверхностью, образованной цилиндрической частью, примыкающей к дну стакана, и сопряженной с ней конической поверхностью, на которой имеется резьба.The end of the tubing 1 is made in the form of a glass formed, for example, by rolling or disembarking. The outer surface of the glass may have a different shape, for example, cylindrical or faceted. The inner surface of the glass is formed by a supporting flat surface 7 (the bottom of the glass), as well as a lateral surface formed by a cylindrical part adjacent to the bottom of the glass and mating with a conical surface on which there is a thread.

На конце НКТ 2 имеется кольцевой выступ с прижимной нижней торцевой поверхностью 6 и прижимной боковой поверхностью 9.At the end of the tubing 2 there is an annular protrusion with a clamping lower end surface 6 and a clamping side surface 9.

Узел укомплектован стягивающей муфтой 3, на которой имеется наружная коническая поверхность с выполненной на ней резьбой, а также прижимная торцевая поверхность 8.The node is equipped with a tightening sleeve 3, on which there is an outer conical surface with a thread made on it, as well as a clamping end surface 8.

Узел оснащен герметизирующей прокладкой 4. Прокладка может быть выполнена из широкой гаммы материалов, представленных, в частности, в таблице. Общим для этих материалов является то, что их температура плавления не должна превышать 300°С.The assembly is equipped with a sealing gasket 4. The gasket can be made from a wide range of materials, presented, in particular, in the table. Common to these materials is that their melting temperature should not exceed 300 ° C.

Внутренний диаметр стакана НКТ 1 в любом случае больше наружного диаметра кольцевого выступа НКТ 2. Это необходимо для размещения в пространстве между ними герметизирующей прокладки 4.In any case, the inner diameter of the tubing tubing 1 is larger than the outer diameter of the annular protrusion of the tubing 2. This is necessary to place a sealing strip 4 in the space between them.

Узел герметичности формируют при сборке НКТ в колонну следующим образом.The tightness unit is formed when assembling the tubing into the column as follows.

НКТ 1 помещают в слайдер (не показан) в вертикальном положении стаканом вверх. В полость стакана НКТ 1, на его опорную поверхность 7 устанавливают герметизирующую прокладку 4, внутренний диаметр которой несколько больше наружного диаметра кольцевого выступа НКТ 2.The tubing 1 is placed in a slider (not shown) in an upright position with the glass up. In the cavity of the glass tubing 1, on its supporting surface 7, a sealing gasket 4 is installed, the inner diameter of which is slightly larger than the outer diameter of the annular protrusion of the tubing 2.

НКТ 2 стыкуют с НКТ 1 таким образом, чтобы поверхность 6 кольцевого выступа НКТ 2 прижималась к опорной поверхности 7 стакана НКТ 1, а его боковая поверхность 9 находилась в полости герметизирующей прокладки 4. На НКТ 2 надевают стягивающую муфту 3 и перемещают до контакта ее резьбовой поверхности с резьбовой поверхностью стакана НКТ 1.The tubing 2 is joined to the tubing 1 so that the surface 6 of the annular protrusion of the tubing 2 is pressed against the supporting surface 7 of the tubing 1 tubing, and its side surface 9 is in the cavity of the sealing gasket 4. A tightening sleeve 3 is put on the tubing 2 and its threaded joint is moved until it contacts surfaces with a threaded surface of the tubing tubing 1.

Гидравлическим ключом (не показан) вращают стягивающую муфту 3, свинчивая резьбы муфты и стакана, образуя резьбовое соединение 5. При этом муфта 3, своей прижимной поверхностью 8 поджимает прижимную поверхность 6 кольцевого выступа к опорной поверхности (дну) 7 стакана, а также сжимает герметизирующую прокладку 4, действуя на ее верхний торец.With a hydraulic wrench (not shown), the tightening sleeve 3 is rotated, screwing the threads of the sleeve and the cup, forming a threaded joint 5. In this case, the sleeve 3, with its clamping surface 8, compresses the clamping surface 6 of the annular protrusion to the supporting surface (bottom) 7 of the cup, and also compresses the sealing gasket 4, acting on its upper end.

После завершения операции стыковки НКТ 1 и НКТ 2, прижимная поверхность 6 кольцевого выступа НКТ 2 плотно прижата к опорной поверхности 7 дна стакана НКТ 1, а боковые поверхности герметизирующей прокладки 4 плотно поджаты к внутренней цилиндрической поверхности стакана НКТ 1, а также к прижимной поверхности 9 кольцевого выступа НКТ 2. Узел сформирован.After the docking operation of the tubing 1 and tubing 2 is completed, the clamping surface 6 of the annular protrusion of the tubing 2 is tightly pressed against the supporting surface 7 of the bottom of the tubing 1, and the side surfaces of the sealing gasket 4 are tightly pressed to the inner cylindrical surface of the tubing 1 and also to the clamping surface 9 annular protrusion of tubing 2. The node is formed.

Приведенная выше операция формирования узла герметичности повторяется до тех пор, пока колонна НКТ требуемой длины не будет сформирована и опущена в скважину.The above operation of forming the tightness unit is repeated until the tubing string of the required length is formed and lowered into the well.

По колонне НКТ с дневной поверхности на забой скважины в ее подпакерный объем подают под давлением рабочий агент - ультра-сверхкритическую или сверхкритическую воду.An operating agent — ultra-supercritical or supercritical water — is pumped under pressure from the surface of the tubing string from the day surface to the bottom of the well into its sub-packer volume under pressure.

Под действием рабочего агента герметизирующая прокладка 4 постепенно нагревается и, по достижении температуры своего плавления, переходит в жидкое состояние и надежно герметизирует стыки НКТ и резьбовое соединение.Under the action of the working agent, the sealing gasket 4 is gradually heated and, upon reaching its melting temperature, goes into a liquid state and reliably seals the tubing joints and the threaded connection.

Если герметизирующая прокладка выполнена из висмута или сплава, содержащего висмут, то еще до перехода герметизирующей прокладки 4 из твердого состояния в жидкое, некоторая часть рабочего агента через стык, образованный прижимными поверхностями 6 и 7, попадает в объем, в котором находится герметизирующая прокладка 4. В результате химической реакции при взаимодействии ультра-сверхкритической и/или сверхкритической воды с висмутом герметизирующей прокладки 4, синтезируются твердые наноразмерные частицы оксидов металлов (например, оксид висмута (Bi₂O₃)), которые достаточно быстро кольматируют микро и наноразмерные флюидопроводящие каналы в резьбовом соединении 5 и в стыке, образованном прижимной поверхностью 8 стягивающей муфты и контактирующим с ней верхним торцом кольцевого выступа НКТ 2. По мере нагрева герметизирующая прокладка 4 постепенно переходит из твердого в жидкое состояние, окончательно герметизируя стыки НКТ и резьбовое соединение.If the sealing gasket is made of bismuth or an alloy containing bismuth, then even before the sealing gasket 4 passes from solid to liquid, some part of the working agent through the joint formed by the pressing surfaces 6 and 7 falls into the volume in which the sealing gasket 4 is located. As a result of a chemical reaction in the interaction of ultra-supercritical and / or supercritical water with bismuth of the gasket 4, solid nanosized particles of metal oxides are synthesized (for example, oxide distemper (Bi ₂ O _3)), which are fast enough bridging micro and nanoscale fluid-conducting channels 5 in the threaded joint and the junction formed by the pressing surface 8 of the tightening sleeves and contacting it with an upper end face of the annular projection tubing 2. As the heat sealing gasket 4 gradually goes from solid to liquid, finally sealing the joints of the tubing and threaded connection.

Таким образом, выполнение концов НКТ 1 и НКТ 2, а также используемая в узле герметизирующая прокладка гарантированно обеспечивают герметичность стыков НКТ во всех условиях их эксплуатации.Thus, the execution of the ends of the tubing 1 and tubing 2, as well as the sealing gasket used in the assembly, guarantee the tightness of the tubing joints in all operating conditions.

Узел герметичности соединений НКТ (фиг. 2 - вариант 2) включает соответствующим образом выполненные стыкуемые при сборке колонны концы НКТ 10 и НКТ 11.The tightness assembly of the tubing connections (Fig. 2 - option 2) includes the ends of the tubing 10 and tubing 11 which are mated when assembling the column and are respectively joined.

На конце НКТ 10 образован кольцевой выступ конической формы, на образующей которого имеется резьба. Торец 15 данного выступа (верхний в плоскости чертежа) является опорной поверхностью.At the end of the tubing 10, an annular protrusion of a conical shape is formed, on the generatrix of which there is a thread. The end face 15 of this protrusion (the upper in the plane of the drawing) is the supporting surface.

На конце НКТ 11 имеется кольцевой выступ с прижимной нижней (в плоскости чертежа) торцевой поверхностью 16 и прижимной боковой поверхностью 18.At the end of the tubing 11 there is an annular protrusion with a clamping bottom (in the drawing plane) end surface 16 and a clamping side surface 18.

Узел укомплектован стягивающей муфтой 12, в торце которой выполнена расточка, часть внутренней поверхности которой имеет коническую форму с выполненной на ней резьбой. Дно расточки является прижимной поверхностью 17.The assembly is equipped with a tightening sleeve 12, in the end of which a bore is made, part of the inner surface of which has a conical shape with a thread made on it. The bottom of the bore is the clamping surface 17.

Узел также оснащен герметизирующей прокладкой 13.The assembly is also equipped with a sealing gasket 13.

Внутренний диаметр расточки стягивающей муфты 12 в любом случае больше наружного диаметра кольцевого выступа НКТ 11. Это необходимо для размещения в пространстве между ними герметизирующей прокладки 13.The inner diameter of the bore of the tightening sleeve 12, in any case, is larger than the outer diameter of the annular protrusion of the tubing 11. This is necessary to place a sealing strip 13 in the space between them.

НКТ 10 помещают в спайдер и располагают кольцевым выступом вверх.The tubing 10 is placed in a spider and has an annular projection up.

На опорную торцевую поверхность 15 укладывают герметизирующую прокладку 13.A sealing gasket 13 is placed on the supporting end surface 15.

НКТ 11 стыкуют с НКТ 10 таким образом, чтобы поверхность 16 кольцевого выступа НКТ 11 прижималась к опорной поверхности 15 кольцевого выступа НКТ 10, а его боковая поверхность зашла в полость герметизирующей прокладки 13. На НКТ 11 надевают стягивающую муфту 12 и перемещают до контакта ее резьбы с резьбой кольцевого выступа НКТ 10.The tubing 11 is joined to the tubing 10 so that the surface 16 of the annular protrusion of the tubing 11 is pressed against the supporting surface 15 of the annular protrusion of the tubing 10, and its side surface is inserted into the cavity of the sealing gasket 13. A tightening sleeve 12 is put on the tubing 11 and moved until its thread contacts with threaded ring protrusion of tubing 10.

Гидравлическим ключом вращают стягивающую муфту 12, свинчивая резьбы муфты и выступа НКТ 10, образуя резьбовое соединение 14. При этом муфта 12 своей прижимной поверхностью 17 поджимает прижимную поверхность 16 кольцевого выступа НКТ 11 к опорной поверхности 15 кольцевого выступа НКТ 10, а также сжимает герметизирующую прокладку 13, действуя на ее верхний торец.The tightening sleeve 12 is rotated with a hydraulic wrench, screwing the threads of the sleeve and the protrusion of the tubing 10, forming a threaded connection 14. In this case, the sleeve 12 compresses the clamping surface 16 of the annular protrusion of the tubing 11 against the supporting surface 15 of the annular protrusion of the tubing 10, and also compresses the sealing gasket 13, acting on its upper end.

После завершения операции стыковки НКТ 10 и 11, опорная поверхность 15 торца НКТ 10 и прижимная поверхность 16 кольцевого выступа НКТ 11 плотно прижаты друг к другу, а прижимная поверхность 17 стягивающей муфты 12 плотно прижата к верхнему (в плоскости чертежа) торцу кольцевого выступа НКТ 11, а его боковая поверхность 18 плотно прижата к герметизирующей прокладке 13.After the docking operation of the tubing 10 and 11, the supporting surface 15 of the end of the tubing 10 and the pressing surface 16 of the annular protrusion of the tubing 11 are tightly pressed against each other, and the pressing surface 17 of the tightening sleeve 12 is tightly pressed to the upper (in the drawing plane) end of the annular protrusion of the tubing 11 , and its side surface 18 is tightly pressed against the sealing gasket 13.

Работа собранного узла осуществляется аналогично работе узла по варианту 1.The operation of the assembled node is carried out similarly to the operation of the node according to option 1.

Как в первом, так и во втором варианте узла герметизирующие прокладки 4 и 13, могут быть выполнены из висмута или сплава, содержащего висмут.In both the first and second embodiment of the assembly, the gaskets 4 and 13 can be made of bismuth or an alloy containing bismuth.

Существенность данного признака объясняется уникальными свойствами висмута, которыми обладает этот металл в процессе фазовых переходов из твердого состояния в жидкое состояние и обратно (фиг. 3) при нагреве узлов герметичности до 600°С в ходе транспортировки рабочего агента по НКТ и при их остывании до 300°С в ходе отбора углеводородов на дневную поверхность скважины.The significance of this feature is explained by the unique properties of bismuth that this metal possesses during phase transitions from solid to liquid and vice versa (Fig. 3) when heating tightness nodes to 600 ° C during transportation of the working agent along the tubing and when they cool down to 300 ° C during the selection of hydrocarbons on the surface of the well.

Так, например, в процессе эксплуатации НКТ с узлами герметичности, описанными выше, находясь на глубине 3000 метров, висмут в твердом состоянии и при температуре горной породы, равной 100°С, имеет плотность 9,78 гр/см³. При нагреве узлов герметичности и при переходе висмута при температуре 271,4°С из твердого состояния в жидкое, его плотность резко/скачкообразно возрастает с 9,69 гр/см³ (Т=271,3°С) до 10,09 гр/см³ (Т=271,4°С), а объем при этом резко/скачкообразно уменьшается. В процессе его дальнейшего нагрева, например, до температуры 500°С его объем увеличивается, а плотность уменьшается с 10,09 гр/см³ (Т=271,4°С) до 9,78 гр/см³ (Т=500°С). В целом, при нагреве и остывании в интервале указанных температур, - от 100°С до 500°С, объем висмута в силу теплового расширения или сжатия изменяется в пределах, примерно, 3%, а от 100°С до 600°С, - в пределах 4%. Именно это свойство висмута и является существенным при использовании его в качестве материала для изготовления герметизирующих прокладок, что позволяет гарантированно не допустить разрыва узлов герметичности в результате теплового расширения металлов и/или сплавов при их переходе из твердого состояния в жидкое.So, for example, during the operation of the tubing with the tightness nodes described above, being at a depth of 3000 meters, bismuth in the solid state and at a rock temperature of 100 ° C has a density of 9.78 g / cm ³ . When the tightness nodes are heated and when bismuth transitions from a solid to a liquid state at a temperature of 271.4 ° С, its density increases sharply / stepwise from 9.69 g / cm ³ (Т = 271.3 ° С) to 10.09 g / cm ³ (T = 271.4 ° C), while the volume decreases sharply / stepwise. In the process of its further heating, for example, to a temperature of 500 ° C, its volume increases, and the density decreases from 10.09 g / cm ³ (T = 271.4 ° C) to 9.78 g / cm ³ (T = 500 ° FROM). In general, when heating and cooling in the range of these temperatures, from 100 ° C to 500 ° C, the volume of bismuth due to thermal expansion or contraction varies in the range of about 3%, and from 100 ° C to 600 ° C, - within 4%. It is this property of bismuth that is essential when used as a material for the manufacture of sealing gaskets, which makes it possible to guarantee that the seal nodes are not ruptured as a result of the thermal expansion of metals and / or alloys during their transition from solid to liquid.

Как в первом, так и во втором варианте, если герметизирующие прокладки 4 и 13 выполнены из висмута или сплава, содержащего висмут, то они в твердом состоянии должны занимать не более 90% объема, образованного дном стакана НКТ 1, его внутренней цилиндрической поверхностью и боковой прижимной поверхностью кольцевого выступа НКТ 2 для варианта 1 или образованного опорной поверхностью 15 кольцевого выступа НКТ 10, внутренней поверхностью расточки стягивающей муфты 12 и прижимной боковой поверхностью кольцевого выступа НКТ 11 для варианта 2.In both the first and second versions, if the sealing gaskets 4 and 13 are made of bismuth or an alloy containing bismuth, then in the solid state they should occupy no more than 90% of the volume formed by the bottom of the tubing 1, its inner cylindrical surface and side the clamping surface of the annular protrusion of the tubing 2 for option 1 or formed by the supporting surface 15 of the annular protrusion of the tubing 10, the inner surface of the bore of the tightening sleeve 12 and the pressing side surface of the annular protrusion of the tubing 11 for option 2.

Если герметизирующие прокладки 4 и 13 выполнены из материала (металла или сплава, в том числе, приведенного в таблице), имеющего температуру плавления ниже 300°С, то для обеспечения целостности узлов герметичности при их нагреве до температуры 800°С, они в твердом состоянии должны занимать не более 70% объема, сформированного конструктивными элементами, приведенными выше для герметизирующей прокладки из висмута или сплава, содержащего висмутIf the sealing gaskets 4 and 13 are made of a material (metal or alloy, including that given in the table) having a melting temperature below 300 ° C, then to ensure the integrity of the tightness nodes when they are heated to a temperature of 800 ° C, they are in the solid state must occupy no more than 70% of the volume formed by the structural elements given above for a sealing gasket of bismuth or an alloy containing bismuth

Необходимо отметить, что для производства НКТ, способных работать одновременно при высоких температурах и давлениях, а также обладать максимально возможной степенью коррозионной стойкости в настоящее время наиболее целесообразно использовать сплав INCONEL 740Н или его аналоги, например, SANICRO 25.It should be noted that for the production of tubing capable of operating simultaneously at high temperatures and pressures, as well as possessing the highest possible degree of corrosion resistance, it is currently most advisable to use INCONEL 740H alloy or its analogues, for example, SANICRO 25.

Для повышения надежности резьбового соединения стягивающей муфты и НКТ наиболее целесообразно использовать премиальную резьбу TMK UP™ GX, специально разработанную компанией «Трубная металлургическая компания» (Россия) для реализации тепловых технологий увеличения нефтеотдачи (МУН).To increase the reliability of the threaded connection of the tightening sleeve and tubing, it is most advisable to use the premium thread TMK UP ™ GX, specially developed by the Pipe Metallurgical Company (Russia) for the implementation of thermal technologies for increasing oil recovery (EOR).

При этом решение по варианту 2, способное выдерживать большие нагрузки, целесообразно применять в обсадных трубах, имеющих внутренний диаметр более 194 мм, а решение по варианту 1, способное выдерживать меньшие нагрузки, чем решение по варианту 2, целесообразно применять в обсадных трубах, имеющих внутренний диаметр менее 178 мм.In this case, the solution according to option 2, capable of withstanding large loads, it is advisable to apply in casing pipes having an inner diameter of more than 194 mm, and the solution according to option 1, able to withstand lower loads than the solution according to option 2, it is advisable to apply in casing pipes having an internal diameter less than 178 mm.

Claims

1. The tightness node of the connections of the tubing, including the ends of the tubing that are joined together by a tightening threaded sleeve, as well as a sealing gasket, characterized in that the end of one of the tubing being connected is made in the form of a cup, on the upper part the inner surface of which has a thread designed for screwing with the thread of the tightening sleeve when tightening the assembly, an annular protrusion is made at the end of the other tubing, one of the ends of which The horn has the possibility of contact with the bottom of the glass, the other with a tightening sleeve, and the sealing element is placed between the outer surface of the annular protrusion and the inner surface of the glass and is made of a material having a melting point below 300 ° C.

2. The tightness assembly of the tubing connections according to claim 1, characterized in that the sealing gasket is made of bismuth or an alloy containing bismuth.

3. The tightness assembly of the tubing joints, including the ends of the tubing that are joined together by a tightening threaded sleeve, as well as a sealing gasket, characterized in that an annular bore is formed in the tightening sleeve and the thread is made on part of its inner surface, an annular protrusion is made at the end of one of the tubing to be connected, on the outer forming surface of which there is a thread designed for screwing with the thread of the tightening sleeve When tightening the assembly, an annular protrusion is made at the end of the other tubing, one of the ends of which can contact the end of the annular protrusion of the first tubing, the other with a tightening sleeve, and a sealing element is placed between the outer surface of the annular protrusion of the second the compressor pipe and the inner surface of the bore of the tightening sleeve and is made of a material having a melting point below 300 ° C.

4. The tightness assembly of the tubing connections according to claim 3, characterized in that the sealing gasket is made of bismuth or an alloy containing bismuth.