Машины и оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

Труба 1 (рисунок 3.1.1) с наружным диаметром D содержит на конце коническую резьбу треугольного профиля 2 с шагом резьбы Р, равным у насосно-компрессорных и обсадных труб 3,175 мм (8 ниток на дюйм), при этом должно выполняться условие минимальной толщины стенки t под резьбой в плоскости торца трубы, рассчитываемой по известным формулам (ГОСТ 632-80, табл.13; ГОСТ 633-80, табл.10), или, в случае недостижения этого условия на насосно-компрессорных трубах диаметром менее 102 мм, выполняют резьбу с шагом Р, равным 2,54 мм (10 ниток на дюйм), с сохранением того же условия по минимальной толщине стенки под резьбой t, с постоянным углом уклона   образующей конуса 3 по впадинам резьбы по всей длине резьбы L (без сбега). Длина резьбы L разделена на два участка: с резьбой полного профиля l до основной плоскости и со срезанными вершинами g от основной плоскости до конца резьбы, а на расстоянии L от торца трубы проточена зарезьбовая цилиндрическая канавка 4 шириной l_n для выхода резьбообразующего инструмента с диаметром по дну канавки D_n.

Муфту 5 (рисунок 3.1.2) выполняют с внутренней конической резьбой 8 треугольного профиля, соответствующей резьбе 2 трубы 1. Длину муфты L_м устанавливают с учетом длины L резьбы 2 трубы 1, при этом резьбовой конец трубы входит в муфту без вращения минимум на шесть ниток от ее торца. У торца 6 муфты 5 имеется внутренняя заходная фаска 7, расположенная под углом  , равным 65°÷70°, к плоскости торца муфты с глубиной примерно до основания нитки резьбы.

Соединение (сборку) муфты 5 с трубой 1 (риуснок 3.1.3) осуществляют путем силового машинного свинчивания. При этом свинчивание производят до достижения торцом 6 муфты 5 начала зарезьбовой цилиндрической канавки 4, расположенной на расстоянии L от торца трубы с допускаемым (установленным) отклонением, а контроль правильности свинчивания, при необходимости, производят путем измерения расстояния l_к от торца 6 муфты 5 до конца зарезьбовой цилиндрической канавки 4.

Рисунок 3.1.1 - Наружная треугольная резьба трубы

Рисунок 3.1.2 - Внутренняя резьба муфты

 

Рисунок 3.1.3 - Резьбовое соединение в сборе муфты с трубой

 

К недостаткам описанных стандартных  резьб треугольного профиля относятся:

- снижение допустимой осевой  нагрузки резьбы (до 30-35%) по сравнению  с телом трубы;

- низкая износостойкость резьб  насосно-компрессорных труб (НКТ), которые  при эксплуатации свинчиваются  многократно. Одной из причин  низкой износостойкости известных  конических резьб треугольного  профиля НКТ, сборка которых в колонну осуществляется в вертикальном положении, является отсутствие свободного (без вращения) захода (или незначительный заход) резьбы ниппеля в резьбу муфты. При опускании ниппеля резьбового соединения в расточку муфты первоначально осевая нагрузка от веса верхней трубы передается в основном на вершину первой полной нитки в муфте. Контактируемые вершины первых полных ниток резьбы трубы и муфты деформируются. При последующем ввинчивании трубы в муфту данные поврежденные нитки (даже при незначительной деформации) вызывают ускоренный износ всей резьбы. К повреждению первых ниток приводит также заедание резьбы в начале свинчивания, связанное с перекосом осей, возникающим из-за ветра или других технических причин;

- отсутствие возможности точного  контроля окончания свинчивания  резьбы по заданному моменту  крепления и совпадению торца  муфты с концом сбега резьбы  на трубе, как оговорено в  ГОСТ 633-80, ГОСТ 632-80, API 5B. Это связано  с тем, что из-за допускаемых  отклонений наружного диаметра  труб точка пересечения образующей  впадины сбега резьбы с образующей  наружной поверхности трубы будет  каждый раз находиться на различном  расстоянии от торца трубы.

 

 

3.2 Резьбовое соединение насосно-компрессорной трубы

 

Техническая задача, решаемые настоящим  предложением, состоит в повышении  эксплуатационной надежности резьбового соединения, муфта которого имеет  на резьбовой части покрытие, нанесенное методом диффузионного цинкования, за счет обеспечения правильного  стандартного натяга.

Указанная задача решается тем, что  в известном трубном муфтовом соединении насосно-компрессорной  или буровой колонны, содержащем резьбовой элемент с наружной конической треугольной резьбой, например трубу или переходник, и резьбовой  элемент с внутренней резьбой, например муфту или переходник, имеющий входную цилиндрическую выточку и резьбовую часть с покрытием, нанесенным методом термодиффузионного порошкового цинкования, длина входной цилиндрической выточки муфты увеличена на величину вызванного цинкованием приращения натяга резьбы  А, вычисляемого по формуле  А=k _min÷k _max, где k - эмпирический коэффициент, равный 70, a  _min и  _max - соответственно минимальная и максимальная толщина покрытия.

Указанная задача решается также тем, что в известном трубном муфтовом соединении насосно-компрессорной  или буровой колонны, содержащем резьбовой элемент с наружной конической трапецеидальной резьбой, например трубу или переходник, и  резьбовой элемент с внутренней резьбой, например муфту или переходник, имеющий входную цилиндрическую выточку и резьбовую часть  с покрытием, нанесенным методом  термодиффузионного порошкового цинкования, длина входной цилиндрической выточки  муфты увеличена на величину вызванного цинкованием приращения натяга резьбы  А, вычисляемого по формуле  А=k _min÷k _max, где k - эмпирический коэффициент, равный 30, a  _min и  _max - соответственно минимальная и максимальная толщина покрытия.

Технический результат от увеличения длины входной цилиндрической выточки  резьбового элемента с внутренней резьбой  на величину вызванного цинкованием  приращения натяга резьбы, определяемого  по заявленной эмпирической формуле, состоит  в повышении надежности соединения в эксплуатационных условиях, поскольку  исключается вероятность перетягивания  соединения в стремлении достичь  номинального натяга, а также повреждение  выступающих из муфты крайних  витков резьбы в ходе эксплуатации. Этот результат достигается без  затрат времени и средств на переобучение персонала, издание и доведение  до каждой буровой новых нормативных  материалов, изготовление новых поверочных инструментов и ремонтной оснастки. В свою очередь, это позволяет  немедленно начать поставку на скважины предложенных соединений и повысить срок службы стандартных резьбовых соединений НКТ с 6÷8 циклов свинчивание-развинчивание до 50 и более.

Кроме того, надежность соединения повышается еще и за счет того, что благодаря  увеличению длины выточки при  силовом свинчивании стандартным  крутящим моментом резьбовая часть  элемента с наружной резьбой оказывается  почти целиком скрыта внутри выточки  и таким образом защищена от механического  воздействия среды скважины.

Существо предложения поясняется чертежами.

На рисунке 3.2.1 изображено известное резьбовое соединение, муфта которого имеет на резьбовой части покрытие, свинченное усилием руки.

На рисунке 3.2.2 изображено предложенное резьбовое соединение, свинченное усилием руки.

На рисунке 3.2.3 изображено предложенное резьбовое соединение, свинченное установленным рабочим моментом.

Предложенное резьбовое соединение состоит из элемента с наружной резьбой 1, например буровой трубы или  переходника, далее для краткости, называемого ниппелем, и сопряженного с ним элемента с внутренней резьбой 2, например муфты или переходника, далее, для краткости, называемого  муфтой. Входная часть муфты 2 имеет  цилиндрическую выточку 3. Диаметр выточки  немного больше диаметра свободной  от резьбы части ниппеля 1. На резьбовой  части муфты имеется покрытие 4, нанесенное методом диффузионного  порошкового цинкования. Толщина  покрытия 4 обычно лежит в пределах 15... 30 мкм, но может быть и толще - до 50 мкм. Поверх цинкового покрытия может быть нанесено антикоррозийное  фосфатное покрытие толщиной несколько  микрон. На резьбовой поверхности  ниппеля 1 покрытия нет, или нанесено стандартное антикоррозийное фосфатное  покрытие толщиной 2...3 мкм.

Глубина G выточки 3, измеряемая расстоянием  от торца 5 муфты 2 до начала резьбы, равна  сумме стандартной глубины g выточки, нормированной для соединений без  цинкового покрытия, и величины вызванного цинкованием приращения натяга резьбы  А, то есть G=g+ А. При этом величина  А, определенная опытным путем, не зависит от шага или диаметра резьбы и вычисляется по формуле  А=k _min÷k _max, где k - эмпирический коэффициент, равный 70 для резьбы с треугольным профилем и равный 30 для резьбы с трапецеидальным профилем для толщин покрытия в диапазоне 15÷50 мкм. При определении формулы для  А было учтено, что величину натяга персонал скважин оценивает на глаз по числу выступающих над краем муфты витков. Точность такого определения составляет приблизительно 1/4÷/3 витка, и потому предложенные муфты, натяг который лежит в пределах стандартного поля допусков, в эксплуатационных условиях признаются годными, независимо от того, увеличена ли глубина выточки на k _min либо на k _max.

Рисунок 3.2.1 – Известное резьбовое соединение, с покрытием, свинченным усилием трубы

Рисунок 3.2.2 – Предложенное резьбовое соединение, с покрытием, свинченным усилием трубы

 

Рисунок 3.2.3 - Предложенное резьбовое соединение, свинченное установленным рабочим моментом

Выражение для  А справедливо для любых стандартных конических резьб независимо от диаметра и шага резьбы. Значение k определено экспериментально при испытаниях муфт с покрытием. Предпочтительным является назначение величины  А исходя из средней толщины покрытия  _med, устанавливаемой по технологическим соображениям как оптимальной для долговечности соединения и прочности покрытия. В этом случае величина  А будет равна k _med. Величина  _med не обязательно должна являться средним арифметическим между  _min и  _max. Так, опытным путем установлено, что хотя повышение срока службы соединения обеспечивается при толщинах покрытия, лежащих в диапазоне 15...30 мкм, наилучшие результаты достигаются, если параметры технологического процесса нанесения покрытия ориентированы на получение  _med=25 мкм. Но если в одной из партий муфт, например, из-за отклонения технологического режима средняя толщина покрытия окажется меньше  _med, хотя и в пределах поля допусков, целесообразно для этой партии рассчитать соответствующее ей новое значение  А и соответственно уменьшить длину выточки. Поскольку муфта имеет резьбу и выточки с двух сторон, то в результате применения предложенного решения длина муфты увеличивается на 2 А. Длина же переходников, имеющих внутреннюю резьбу только с одной стороны, увеличивается на  А.

Разные значения коэффициентов k для  треугольной и трапецеидальной  резьб объясняются тем, что в  резьбе треугольного профиля контакт  витков ниппеля и муфты происходит по средней линии резьбы, то есть по боковым поверхностям профиля, а  в соединения с резьбой трапецеидального профиля посадка осуществляется по внутреннему или по внутреннему  и наружному диаметру резьбы.

Предложенное соединение изготавливается  и используется следующим образом.

Заготовка муфты изготавливается  с увеличенной на величину  А глубиной выточки. Предпочтительным является увеличение длины элемента с наружной резьбой на величину  А для переходников и 2 А для муфт. В муфтонарезном станке вводится коррекция на величину  А так, чтобы основная плоскость резьбы сместилась на это же расстояние в сторону малого диаметра резьбового конуса. После нарезки резьбы на муфте производится проверка осевого натяга стандартным резьбовым калибром (фиг.2). При этом годными считаются муфты, у которых натяг равен натягу А, заданному в стандартах на резьбовое соединение, за вычетом величины  А, то есть муфты с натягом (А- А). Таким образом реализуется все поле допуска по натягам, заданное в стандартах. Поскольку отход от стандартного метода проверки производится на промежуточной стадии изготовления, на него не требуется получать согласований или разрешений. Для освоения производства предложенных муфт потребуется внести изменения только в технологическую инструкцию производителя.

Муфты, прошедшие испытание, подвергаются диффузионному порошковому цинкованию. Толщина нанесенного покрытия может  составлять 15...50 мкм. Изготовленные  муфты подвергаются выходному контролю стандартными калибрами по стандартной  методике, то есть натяг муфты, проверяемой с помощью калибра-пробки, должен составлять стандартную величину А с учетом предельных отклонений. Таким образом и входной контроль муфт у потребителя покажет стандартную величину А, то есть какие-либо изменения в эксплуатационных инструкциях потребителя не потребуются.

При первом силовом свинчивании  предложенного соединения величина натяга уменьшается на 0,5...0,8 мм. В  дальнейшем уменьшение натяга резьбы оцинкованной муфты происходит со средней  скоростью 0,05 мм за один цикл свинчивание-развинчивание.

Недостаток  известного соединения состоит в  том, что его элементы сложны в  изготовлении. Кроме того, такая  резьба легко сминается при неосторожном обращении. Восстановление изношенных резьбовых элементов возможно только в условиях специализированных ремонтных  центров, которые из-за сложности  оборудования не могут быть многочисленны

 

 

3.3 Соединение обсадных колонн или насосно-компрессорных труб с конической резьбой на концах в нефтяных и газовых скважинах

 

Технической задачей изобретения  является увеличение надежности герметизации резьбовых соединений обсадных колонн или насосно-компрессорных труб в скважинах, срока эксплуатации, сокращение материальных затрат, связанных  с ликвидацией негерметичности  резьбовых соединений в нефтегазовых или в нагнетательных скважинах, в обеспечении удобства обслуживания на устье скважины в полевых условиях и конкурентоспособности резьбовых  соединений в целом.

Решение технической задачи достигается  тем, что соединение обсадных колонн или насосно-компрессорных труб с конической резьбой на концах в  нефтяных и газовых скважинах, содержащее соединительную муфту с конической резьбой и выточкой на торце, в  которой расположена эластичная втулка, отличающееся тем, что выточка на торце соединительной муфты выполнена конической, а эластичная втулка - с соответствующей конической поверхностью, причем на внутренней поверхности эластичной втулки выполнена заходная фаска, а с противоположной стороны - коническая поверхность, при этом эластичная втулка установлена с возможностью заполнения кольцевого зазора между поверхностью трубы и конической поверхностью выточки и зазоров между впадинами и вершинами резьбового соединения на выходе резьбы на коническую поверхность муфты при свинчивании трубы и муфты.