Резьбовое соединение труб (варианты), присоединяемая труба и переводник

Изобретение относится к устройствам для бурения скважин для добычи нефти и газа, в частности к универсальным соединениям бурильных труб в колонну. Технический результат изобретения заключается в упрочнении резьбовых поверхностей соединения. Резьбовое соединение труб состоит из муфтовой и ниппельной деталей, связанных резьбой, причем резьбовые поверхности деталей равнопрочные за счет того, что на резьбовых поверхностях выполнено упрочнение с пропусками, причем твердость поверхностного упрочненного слоя составляет от 380 до 620 Бринеллей. Описан другой вариант резьбового соединения. Описана присоединяемая труба как элемент резьбового соединения, включающая собственное тело трубы, по крайней мере один муфтовый или ниппельный присоединяемый конец, на котором имеется резьба, причем на резьбовой поверхности и на упорном торце трубы выполнено упрочнение с пропусками, причем твердость поверхностного упрочненного слоя составляет от 380 до 620 Бринеллей. Переводник как элемент резьбового соединения представляет собой патрубок, на концах которого выполнена резьба наружная или внутренняя, причем поверхность резьбы выполнена упрочненной, при этом на упорных торцах переводника выполнено упрочнение, причем твердость поверхностного упрочненного слоя резьбовых поверхностей и упорных торцов переводника составляет от 380 до 620 Бринеллей. 4 н.п. ф-лы, 6 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Заявленная группа технических решений относится к устройствам для бурения скважин для добычи нефти и газа, в частности, к универсальным соединениям бурильных труб в колонну. Может использоваться при бурении скважин на нефть, газ, воду и при добыче их из скважин, при ремонте и обслуживании скважин, а так же при выполнении прочих технологических операций на скважине, обеспечивая увеличение ресурса работы соединении, длительную сохранность от истирания, деформации и коррозии резьбовых поверхностей всех элементов соединения, а также герметичность резьбовых соединений при большом количестве циклов свинчивания и отвинчивания соединения в процессе выполнения спускоподъемных операций колонны труб.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известно, что бурильные трубы соединяются между собой при помощи бурильных замков со специальной замковой резьбой, причем концы труб упрочняются, для увеличения срока эксплуатации. При бурении скважин из-за большого веса, например, в 180 тони бурильной колонны длинной 3000 метров возникают значительные нагрузки в резьбовом соединении. Обрывы бурильных колони не редкое явление, на устранение последствий одного обрыва требуется порядка 1 млн. рублей и более. Бурильные трубы применяются: для спуска в буровую скважину и подъема породоразрушающего инструмента; передачи вращения; создания осевой нагрузки на инструмент; подвода промывочной жидкости или сжатого воздуха к забою. Кроме того, различают три вида бурения: вертикальное бурение, наклонно-направленное бурение и горизонтальное бурение.

Отличительной особенностью эксплуатации таких труб является воздействие больших изгибающих, крутящих, сжимающих и растягивающих нагрузок на трубы и их соединения, кроме того, колонну периодически собирают и разбирают. Трубы, соединенные в бурильную колонну, спускают на глубину 3000 м и более, для этого требуется примерно 300 труб и соответственно для изготовления одной колонны труб нужно нарезать 600 резьбовых концов, включая наружные (ниппель) и внутренние (муфта). Традиционно для соединения изделий нефтегазового назначения используют коническую замковую резьбу по ГОСТ Р 50864-96.

Исследования работы бурильной колонны показывают, что разрушение труб происходит в основном из-за воздействия переменных нагрузок, которые ведут к слому и срыву по резьбе. А так как главным соединительным элементом в буровой колонне является резьба, то в первую очередь необходимо повысить эксплуатационные свойства резьбового соединения. Таким образом, существует проблема низкой надежности резьбовых соединений бурильных труб.

Рассмотрим технические решения, направленные на повышение эксплуатационных характеристик резьбового соединения бурильных труб, а также отдельных его элементов: присоединяемой трубы и переводника.

Известно соединение труб, включающее установленную на резьбовом конце одной из соединяемых труб соединительную цилиндрическую муфту, имеющую внутреннюю резьбовую поверхность, и полый цилиндрический переходник, выполненный на одном конце с внутренней, а на другом конце -с наружной резьбой, для взаимодействия с резьбой концевого участка другой соединяемой трубы и резьбой муфты соответственно. При этом муфта и переходник выполнены из материала той же категории прочности, что и соединяемые трубы. Это соответствует требованиям п. 2.5 ГОСТ 633-80 «Трубы насосно-компрессорные и муфты к ним»: «трубы и муфты должны изготавливаться из стали одной и той же группы прочности». Кроме того, согласно этого же ГОСТ 633-80, резьба муфты должна иметь цинковое или фосфатное покрытие. Способ нанесения покрытия стандарт не нормирует, но во времена его разработки применялись только электролитические покрытия толщиной порядка 10 мкм, сравнительно мягкие и неизносостойкие, предназначенные для защиты резьбы от коррозии при хранении и транспортировке резьбовых элементов. Способ горячего оцинкования опусканием муфты в ванну с расплавленным цинком не применяется из-за неравномерности получаемой на резьбе толщины покрытия и наплывов цинка на резьбе, препятствующих проверке калибрами. Цинковое электролитическое покрытие обладает низкой механической прочностью и подвержено водородному охрупчиванию в условиях агрессивной среды нефтяной или газовой скважины. В настоящее время всероссийские трубные заводы применяют только фосфатное покрытие резьбы муфт насосно-компрессорных труб. В силу указанных выше свойств покрытий стандартные требования по обеспечению натягов резьбового соединения базируется на толщину наиболее распространенного фосфатного покрытия резьбы муфты порядка 10 мкм.

Недостатком известного соединения является его малая долговечность. Так, в «Инструкции по эксплуатации насосно-компрессорных труб» РД 39-136-95 в п. 7.15 сказано: «При эксплуатации насосно-компрессорных труб, необходимо вести учет количества циклов свинчивания - отвинчивания резьбовых соединений. Работоспособность резьбовых соединений согласно проведенным исследованиям сохраняется до 6-8 циклов».

Из уровня техники по резьбовым соединениям труб, известно решение по патенту на полезную модель №14995 «Соединение насосно-компрессорных или бурильных труб», опубликованное 10 сентября 2009 года. Соединение насосно-компрессорных или бурильных труб, включает установленную на резьбовом конце одной из соединяемых труб соединительную цилиндрическую муфту, имеющую внутреннюю резьбовую поверхность, и полый цилиндрический переходник, выполненный на одном конце с внутренней, а на другом конце - с наружной резьбой, для взаимодействия с резьбой концевого участка другой соединяемой трубы и резьбой муфты соответственно, отличающееся тем, что суммарная высота цилиндрических поверхностей муфты и переходника выполнена в соответствии с размером механизма для монтажа-демонтажа колонны труб, при этом тело муфты и тело переходника выполнены объемно упрочненными, а их резьбовые поверхности выполнены с приданием им дополнительной износостойкости.

Недостатком известного соединения является то, что выполнение всех резьбовых поверхностей муфты и переводника более износостойкими, чем присоединяемый конец трубы, приводит к тому, что при произведении многократных операций свинчивания и отвинчивания соединений во время спусков и подъемов колонны труб происходит разрушение неупрочненных резьбовых поверхностей труб, взаимодействующих с упрочненными резьбовыми поверхностями муфты и переходника. Как следствие, после многократных операций по монтажу - демонтажу колонны нарушается герметичность резьбовых соединений.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению «РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ ТРУБ (ВАРИАНТЫ)» является решение по патенту на полезную модель №102665 «СОЕДИНЕНИЕ НАСОСНО-КОМПРЕССОРНЫХ ИЛИ БУРИЛЬНЫХ ТРУБ», опубликованное 10 марта 2011 года. Выполнение поверхности резьбы на переходнике и муфте, взаимодействующей друг с другом, дополнительно упрочненной с приданием ей дополнительной износостойкости, позволяет исключить повреждение резьбы переходника и муфты, и тем самым обеспечить гарантированную герметичность резьбовых соединений после многократных операций монтажа-демонтажа соединений при спусках и подъемах колонны труб, что, в конечном итоге, повышает эксплуатационную надежность предлагаемого соединения. А выполнение участков резьбы переходника и муфты, взаимодействующих с трубами, с такими же прочностными характеристиками, как у труб, позволяет исключить преждевременное разрушение резьбы труб (что происходило у прототипа). Кроме того, наличие на остальных резьбовых поверхностях муфты и переходника (резьбовое соединение с трубами) слоя противозадирного покрытия, в частности слоя мягкого металла, нанесенного, например, методом газодинамического (кинематического) напыления, позволяет обеспечить необходимую эксплуатационную надежность соединения с обеспечением герметичности резьбовых соединений после многократных операций монтажа-демонтажа соединений при спусках и подъемах колонны труб. Покрытие остальной поверхности муфты и переходника антикоррозионным слоем предотвращает преждевременное ржавление.

Основным недостатком выявленного технического решения считаем то, что все элементы соединения не являются равнопрочными. К недостаткам известного решения также можно отнести:

- отсутствие упрочнения резьбовой поверхности самой присоединяемой трубы, что может повлечь за собой пластическую деформацию профиля резьбы при увеличенных нагрузках и как следствие потерю герметичности резьбового соединения;

- наличие одного лишнего технологического соединительного элемента, в виде отдельного переходника при наличии муфты, что увеличивает временные затраты на сборку и разборку колонны труб, а также на ее обслуживание и ремонт, с учетом того, что такой соединительный элемент имеется на каждой трубе в колонне.

По решениям, относящимся к присоединяемым трубам выявлена «ТРУБА НАСОСНО-КОМПРЕССОРНОЙ ИЛИ БУРОВОЙ КОЛОННЫ, МУФТА И ГШРЕХОДНИК ДЛЯ СОЕДИ1ТЕНИЯ ТРУБ НАСОСНО-КОМПРЕССОРНОЙ ИЛИ БУРОВОЙ КОЛОННЫ» по патенту на полезную модель №38498, опубликованному 20 июня 2004 года. Труба насосно-компрессорной или буровой колонны, содержит соединительную муфту и переходник, причем на резьбовых поверхностях муфты и переходника нанесены защитные покрытия способом термодиффузионного цинкования, отличающаяся тем, что защитное покрытие поверхностей резьбы состоит из двух слоев: цинкового покрытия.

К недостаткам выявленной полезной модели можно отнести то, что фосфатное покрытие непрочно и легко истирается. Предложенное покрытие обеспечивает защиту элементов соединения от коррозии при хранении и транспортировке, но для надежной герметизации соединения и повышении его ресурса толщина покрытия недостаточна.

Известна «ТРУБА НАСОСНО-КОМПРЕССОРНОЙ ИЛИ БУРОВОЙ КОЛОННЫ» по патенту на полезную модель №27664, опубликованному 10 февраля 2003 года. Труба насосно-компрессорной или буровой колонны, содержащая соединительную муфту и переходник на резьбовых концах, подвергнутых химико-термической обработке, отличающаяся тем, что на резьбовых поверхностях муфты и переходника выполнено диффузионное порошковое цинкование с толщиной 25⁺⁵_-10 мкм.

К недостаткам выявленного технического решения можно отнести неравномерности на внешней поверхности резьбы покрытия. Цинковое электролитическое покрытие обладает низкой механической прочностью и подвержено водородному охрупчиванию в условиях агрессивной среды нефтяной или газовой скважины.

По решениям, относящимся к переводникам (переходникам) выявлен «ПЕРЕВОДНИК МУФТОВЫЙ» по патенту на полезную модель №93129, опубликованному 12 ноября 2009 года. Переводник муфтовый предназначен для соединения насосно-компрессорных или бурильных труб при монтаже их в колонну. Переводник содержит резьбовые концевые участки и среднюю часть с наружной поверхностью, диаметральный размер d которой меньше диаметрального размера D концевых участков. Наружная поверхность средней части выполнена в виде поверхности вращения с выпуклой криволинейной образующей. При монтаже колонны обеспечивается центральное приложение нагрузки к плашкам клинового захвата механизма для монтажа-демонтажа, что позволяет оптимизировать распределение нагрузки на плашки клинового захвата за счет исключения кромочного давления на поверхность переводника.

Недостатком выявленного технического решения является отсутствие упрочнения переводника, что приводит к небольшому количеству циклов свинчивания - отвинчивания резьбовых соединений.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению «ПЕРЕВОДНИК», является переводник по патенту на полезную модель №128651, опубликованный 27 мая 2013 года. Переводник, представляющий собой патрубок, на концах которого выполнена резьба. Поверхность резьбы переводника выполнена упрочненной с приданием дополнительной износостойкости посредством карбонитрирования. Покрытие обладает высокой плотностью, высокой коррозионной стойкостью, высокой твердостью и износостойкостью, высокой эластичностью.

Недостатком данного переводника является то, что упрочнение переводника по технологии карбонитрирования требует помещение всего переводника в специальную печь, в следствии чего возникают трудности использования данного метода упрочнения. Кроме того, возникает опасность снижения механических свойств материала всего переводника, что может привести переводник в полную негодность для применения по прямому назначению.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачами, на решение которых направлена заявляемая группа изобретений, являются:

- повышение эксплуатационной надежности соединения без использования совсем или при наличии только одного дополнительного соединительного элемента с обеспечением герметичности резьбовых соединений при повышенных нагрузках и большом количестве циклов свинчивания и отвинчивания соединения в процессе выполнения спускоподъемных операций колонны труб;

- снижение повышенного износа наружных поверхностей самих соединяемых труб и переводника в результате воздействия на них сопрягаемых с ними поверхностей монтажного инструмента, выполняющего функции удержания и вращения деталей соединения в процессе монтажа, демонтажа, эксплуатации, текущего обслуживания и ремонта трубной

колонны, а также под действием трения о стенки скважины и эксплуатации колонны в процессе выполнения спускоподъемных операций;

– снижение затрат по времени и ресурсам на сборку, разборку, обслуживание и ремонт колонны труб.

Техническим результат заявленной группы изобретений заключается в упрочнении всех резьбовых поверхностей соединения.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что:

Согласно первому варианту, резьбовое соединение труб состоит из муфтовой и ниппельной деталей, связанных резьбой, при этом резьбовые поверхности деталей равнопрочные, за счет того, что на резьбовых поверхностях выполнено упрочнение с пропусками, причем твердость поверхностного упрочненного слоя составляет от 380 до 620 Бринеллей.

Согласно другому варианту, резьбовое соединения труб, состоит из:

- двух муфтовых деталей и одного ниппельного переводника, связанных резьбой;

- или из двух ниппельных деталей и одного муфтового переводника, связанных резьбой;

- или из одной муфтовой и одной ниппельной деталей, и одного смешанного переводника, связанных резьбой,

причем сопрягаемые резьбовые поверхности деталей равнопрочные, за счет того, что на резьбовых поверхностях выполнено упрочнение с пропусками, причем твердость поверхностного упрочненного слоя составляет от 380 до 620 Бринеллей.

Под смешанным переводником понимается переводник, на одном конце которого выполнена внутренняя муфтовая резьба, на другом конце выполнена внешняя ниппельная резьба.

Присоединяемая труба, как элемент резьбового соединения, включает собственное тело трубы, по крайней мере, один муфтовый или ниппельный присоединяемый конец, на котором имеется резьба, причем на резьбовой поверхности и на упорном торце трубы выполнено упрочнение с пропусками, причем твердость поверхностного упрочненного слоя составляет от 380 до 620 Бринеллей.

Переводник, как элемент резьбового соединения, представляет собой патрубок, на концах которого выполнена резьба наружная или внутренняя, причем поверхность резьбы выполнена упрочненной, отличающийся тем, что на упорных торцах переводника выполнено упрочнение, причем твердость поверхностного упрочненного слоя резьбовых поверхностей и упорных торцов переводника составляет от 380 до 620 Бринеллей.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, идентичных всем признакам заявляемого технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие предлагаемой полезной модели критерию охраноспособности «новизна».

Заявляемое техническое решение промышленно применимо, так как при его изготовлении использованы известные технологии, применяемые для изготовления резьбовых концов труб и не требует использования специальных технологий или специальной оснастки.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Заявляемая группа технических решений поясняется чертежами, где:

фиг. 1 - общий вид резьбового соединения труб, включающего муфтовую и ниппельные детали;

фиг. 2 - общий вид резьбового соединения труб, включающего две муфтовые детали и один ниппельный переводник;

фиг. 3 - общий вид резьбового соединения труб, включающего две ниппельные детали и один муфтовый переводник;

фиг. 4 - общий вид резьбового соединения труб, включающего одну муфтовую деталь, одну ниппельную деталь и один смешанный переводник;

фиг. 5 - общий вид присоединяемой тубы;

фиг. 6 - общий вид переводника.

Как показано на фиг. 1 резьбовое соединение труб состоит из муфтовой 1 и ниппельной 2 деталей, связанных резьбой, причем резьбовые поверхности 3 и 4 деталей равнопрочные, за счет того, что на резьбовых поверхностях выполнено упрочнение, причем твердость поверхностного упрочненного слоя составляет от 380 до 620 Бринеллей.

Как показано на фиг. 2 резьбовое соединения труб, состоит из двух муфтовых деталей 5 и 6, одного ниппельного переводника 7, связанных резьбой, причем сопрягаемые резьбовые поверхности деталей 8 и 9 равнопрочные, за счет того, что на резьбовых поверхностях выполнено упрочнение, причем твердость поверхностного упрочненного слоя составляет от 380 до 620 Бринеллей.

Как показано на фиг. 3 резьбовое соединения труб, состоит из двух ниппельных деталей 10 и 11, одного муфтового переводника 12, связанных резьбой, причем сопрягаемые резьбовые поверхности деталей 13, 14 и 15 равнопрочные, за счет того, что на резьбовых поверхностях выполнено упрочнение, причем твердость поверхностного упрочненного слоя составляет от 380 до 620 Бринеллей.

Как показано на фиг. 4 резьбовое соединения труб, из одной муфтовой 16 и одной ниппельной 17 деталей, и одного смешанного переводника 18, связанных резьбой, причем сопрягаемые резьбовые поверхности деталей 19, 20, 21 и 22 равнопрочные, за счет того, что на резьбовых поверхностях выполнено упрочнение, причем твердость поверхностного упрочненного слоя составляет от 380 до 620 Бринеллей.

Как показано на фиг. 5 присоединяемая труба, включает собственное тело трубы 23, по крайней мере, один муфтовый (на рисунке не показан) или ниппельный 24 присоединяемый конец, на котором имеется резьба 25, причем на резьбовой поверхности и на упорном торце 26 трубы выполнено упрочнение, где твердость поверхностного упрочненного слоя составляет от 380 до 620 Бринеллей. Упрочнение может быть выполнено как на всей резьбовой поверхности оголовка присоединяемой трубы и всей поверхности торца, так и с пропусками на резьбовом участке присоединяемой трубы.

Как показано на фиг. 6 переводник представляет собой патрубок 27, на концах которого выполнена резьба наружная 28 или внутренняя 29, причем поверхность резьбы выполнена упрочненной, на упорных торцах 30 переводника выполнено упрочнение. Твердость поверхностного упрочненного слоя резьбовых поверхностей 28 и 29 и упорных торцов 30 переводника составляет от 380 до 620 Бринеллей. Упрочнение может быть выполнено как на всех резьбовых поверхностях и упорных торцах, так и с пропусками на резьбовом участке.

ПРИМЕРЫ ИСПОЛНЕНИЯ

Испытания заявленной группы технических решений проводились для оценки эксплуатационных характеристик резьбового соединения труб, оценивался срок службы до отказа бурильных труб, на основе показателя количество циклов свинчивания / отвинчивания соединения. Под критериями отказа бурильных труб в рамках проводимых испытаний понимались:

- поломка резьбовой части трубы;

- износ резьбы более 1/3 высоты витка;

- смятие витков резьбы;

- износ по наружной поверхности конца трубы с внутренней резьбой (износ по наружной поверхности приваренного конца с внутренней резьбой) более 1,5 мм по диаметру.

Экспериментальные условия испытания показаны в таблице 1.

Основным изменяемым параметром является твердость, получаемая в результате упрочнения, единица измерения твердости Бриннели (HBW). Также в рамках проведенных испытаний рассматривались как равнопрочные резьбовые соединения, так и резьбовые соединения с высокой разностью твердости упрочненных поверхностей (более 20%). В рамках проводимого эксперимента, использовался термо-механический и лазерный методы упрочнения резьбовых поверхностей деталей.

По результатам проведенных испытаний была выявлена предпочтительная твердость упрочненной резьбовой поверхности, которая изменяется в диапазоне от 380 до 620 Бринеллей. При большой разнице в твердости срок службы до отказа бурильных труб может быть значительно ниже. За счет того, что детали резьбового соединения неравнопрочные, более твердая деталь ускоренно изнашивает более мягкую.

Данная группа технических решений не ограничивает способы нанесения упрочнения на резьбовое соединение. Могут быть использованы любые методы упрочняющей обработки резьбы, например, комбинированные методы упрочнения; лазерное упрочнение, плазменное упрочнение; термические, термо-механические и химико-термические методы упрочнения; методы химического осаждения; электролитические методы упрочнения.

1. Резьбовое соединение труб, состоящее из муфтовой и ниппельной деталей, связанных резьбой, отличающееся тем, что резьбовые поверхности деталей равнопрочные за счет того, что на резьбовых поверхностях выполнено упрочнение с пропусками, причем твердость поверхностного упрочненного слоя составляет от 380 до 620 Бринеллей.

2. Резьбовое соединения труб, состоящее из: двух муфтовых деталей и одного ниппельного переводника, связанных резьбой;

или из двух ниппельных деталей и одного муфтового переводника, связанных резьбой,

или из одной муфтовой, одной ниппельной деталей и одного смешанного переводника, связанных резьбой,

отличающееся тем, что сопрягаемые резьбовые поверхности деталей равнопрочные за счет того, что на резьбовых поверхностях выполнено упрочнение с пропусками, причем твердость поверхностного упрочненного слоя составляет от 380 до 620 Бринеллей.

3. Присоединяемая труба, включающая собственное тело трубы, по крайней мере один муфтовый или ниппельный присоединяемый конец, на котором имеется резьба, отличающаяся тем, что на резьбовой поверхности и на упорном торце трубы выполнено упрочнение с пропусками, причем твердость поверхностного упрочненного слоя составляет от 380 до 620 Бринеллей.

4. Переводник, представляющий собой патрубок, на концах которого выполнена резьба наружная или внутренняя, причем поверхность резьбы выполнена упрочненной, отличающийся тем, что на упорных торцах переводника выполнено упрочнение, причем твердость поверхностного упрочненного слоя резьбовых поверхностей и упорных торцов переводника составляет от 380 до 620 Бринеллей.