RU116952U1

RU116952U1 - HIGH SEALED THREADED CONNECTION OF OIL AND GAS PIPES

Info

Publication number: RU116952U1
Application number: RU2012103233/06U
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Александрович Пумпянский; Алексей Викторович Емельянов; Борис Юрьевич Щербаков; Юрий Федорович Емельянов; Владимир Николаевич Жаров
Original assignee: Общество С Ограниченной Ответственностью "Тмк-Премиум Сервис"
Priority date: 2012-01-31
Filing date: 2012-01-31
Publication date: 2012-06-10

Abstract

Герметичное резьбовое соединение нефтегазопромысловых труб, содержащее охватываемый и охватывающий элементы, на концах которых выполнены наружная и внутренняя конические резьбы соответственно, и контактирующие между собой конические уплотнительные и упорные торцевые поверхности, образующие внутренний герметизирующий узел, отличающееся тем, что уплотнительные поверхности охватываемого и охватывающего элементов выполнены с конусностью 1:10 с увеличением диаметра конуса в сторону резьбы, упорные торцевые поверхности охватываемого и охватывающего элементов образуют с уплотнительными поверхностями острый угол и наклонены к нормали осевой линии резьбы под углом 15°, при этом на охватывающем элементе на участке схода резьбы выполнена окружная канавка, диаметр которой превышает внутренний диаметр резьбы на охватывающем элементе, а наружная и внутренняя резьбы выполнены трапецеидальными с конусностью 1:16, углом наклона опорной грани профиля 2-4° к нормали осевой линии резьбы и углом наклона закладной грани профиля 9-11° к нормали осевой линии резьбы. A tight threaded connection of oil and gas production pipes containing male and female elements, the ends of which are made of external and internal tapered threads, respectively, and contacting conical sealing and thrust end surfaces forming an internal sealing assembly, characterized in that the sealing surfaces of the male and female elements are made with a taper of 1:10 with an increase in the diameter of the cone towards the thread, the persistent end surfaces of the male and of the enclosing elements form an acute angle with the sealing surfaces and are inclined to the normal of the axial line of the thread at an angle of 15 °, while a circumferential groove is made on the enclosing element in the section of the thread exit, the diameter of which exceeds the inner diameter of the thread on the enclosing element, and the external and internal threads are trapezoidal with a taper of 1:16, the angle of inclination of the reference face of the profile 2-4 ° to the normal of the axial line of the thread and the angle of inclination of the embedded face of the profile of 9-11 ° to the normal of the axial line of the thread.

Description

Полезная модель относится к высокогерметичным резьбовым соединениям обсадных, насосно-компрессорных и других труб и элементов бурильных колонн и может быть использована при строительстве нефтяных и газовых скважин.The utility model relates to highly tight threaded joints of casing, tubing and other pipes and elements of drill strings and can be used in the construction of oil and gas wells.

Из уровня техники известно герметичное резьбовое соединение нефтегазопромысловых труб, содержащее охватываемый и охватывающий элементы с выполненными на их концах наружной и внутренней коническими резьбами и контактирующими между собой поверхностями, образующими внутренний герметизирующий узел, при этом герметизирующий узел образован коническими уплотнительными поверхностями и упорными торцевыми поверхностями (FR 2798716, F16L 15/00, 23.03.2001).The prior art knows a tight threaded connection of oil and gas production pipes containing male and female elements with external and internal tapered threads made at their ends and contacting surfaces forming an internal sealing assembly, wherein the sealing assembly is formed by tapered sealing surfaces and thrust end surfaces (FR 2798716, F16L 15/00, 03/23/2001).

Указанное резьбовое соединение имеет недостаток, заключающийся в недостаточной герметичности соединения из-за выполнения его конструкции с малым углом конусности уплотнительных поверхностей, что не позволяет получить заданную величину натяга при малых осевых перемещениях охватываемого элемента, что увеличивает период от первого контакта уплотнительных поверхностей до обеспечения заданного натяга.The specified threaded connection has the disadvantage of insufficient tightness of the connection due to its design with a small angle of taper of the sealing surfaces, which does not allow to obtain a predetermined amount of interference with small axial displacements of the male element, which increases the period from the first contact of the sealing surfaces to the specified interference .

Данное техническое решение принято в качестве прототипа для заявленной полезной модели.This technical solution was made as a prototype for the claimed utility model.

Задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является разработка высокогерметичного резьбового соединения с параметрами резьбы и внутреннего герметизирующего узла, отвечающими условиям получения оптимального натяга по уплотнительным поверхностям соединения и оптимальной величины напряжений по уплотнительным и упорным торцевым поверхностям соединения при его свинчивании.The task to which the claimed utility model is directed is the development of a high-tight threaded connection with the parameters of the thread and the internal sealing assembly that meet the conditions for obtaining the optimal tightness on the sealing surfaces of the connection and the optimal stress value on the sealing and persistent end surfaces of the connection when screwing.

Достигаемый технический результат заключается в повышении надежности и герметичности резьбового соединения, увеличении износостойкости соединения при его сборке-разборке и эксплуатации.The technical result achieved is to increase the reliability and tightness of the threaded joint, to increase the wear resistance of the joint during its assembly, disassembly and operation.

Указанный технический результат достигается тем, что в герметичном резьбовом соединении нефтегазопромысловых труб, содержащем охватываемый и охватывающий элементы, на концах которых выполнены, соответственно, наружная и внутренняя конические резьбы и контактирующие между собой конические уплотнительные и упорные торцевые поверхности, образующие внутренний герметизирующий узел. Уплотнительные поверхности охватываемого и охватывающего элементов выполнены с конусностью 1:10 с увеличением диаметра конуса в сторону резьбы, а упорные торцевые поверхности охватываемого и охватывающего элементов образуют с указанными уплотнительными поверхностями острый угол и наклонены к нормали осевой линии резьбы под углом 15°. На охватывающем элементе на участке схода резьбы выполнена окружная канавка, диаметр которой превышает внутренний диаметр резьбы на охватывающем элементе. Наружная и внутренняя резьбы выполнены трапецеидальными с конусностью 1:16, углом наклона опорной грани профиля 2-4° к нормали осевой линии резьбы и углом наклона закладной грани профиля 9-11° к нормали осевой линии резьбы.The specified technical result is achieved in that in a sealed threaded joint of oil and gas field pipes containing male and female elements, at the ends of which external and internal conical threads are made and conical sealing and thrust end surfaces contacting each other forming an internal sealing assembly. The sealing surfaces of the male and female elements are made with a taper of 1:10 with an increase in the diameter of the cone towards the thread, and the thrust end surfaces of the male and female elements form an acute angle with the indicated sealing surfaces and are inclined to the normal of the axial line of the thread at an angle of 15 °. A circumferential groove is made on the female element at the thread exit section, the diameter of which exceeds the internal diameter of the thread on the female element. The external and internal threads are trapezoidal with a taper of 1:16, the angle of inclination of the reference face of the profile 2-4 ° to the normal to the axial line of the thread, and the angle of inclination of the embedded face of the profile to 9-11 ° to the normal to the axial line of the thread.

На фиг.1 изображено высокогерметичное резьбовое соединение нефтегазопромысловых труб в свинченном состоянии.Figure 1 shows a tight seal threaded connection of oil and gas field pipes in a screwed state.

Высокогерметичное резьбовое соединение нефтегазопромысловых труб содержит охватываемый элемент (ниппель, трубу) 1 и охватывающий элемент (муфту) 2, на наружной и внутренней поверхностях концов которых выполнены конические трапецеидальные резьбы 3, наружная и внутренняя, соответственно. Резьбовое соединение также содержит выполненные соответственно на охватываемом и охватывающем элементе упорные торцевые поверхности 4, 5 и уплотнительные поверхности 6, 7, контактирующие между собой. На охватывающем элементе 2 на участке перехода резьбы 3 к уплотнительной поверхности 6 (на участке схода резьбы) выполнена окружная канавка 8, диаметр которой превышает внутренний диаметр резьбы 3 на охватывающем элементе 2.A high-tight threaded joint of oil and gas production pipes contains a male element (nipple, pipe) 1 and a female element (sleeve) 2, on the outer and inner surfaces of the ends of which conical trapezoidal threads 3 are made, external and internal, respectively. The threaded connection also contains thrust end surfaces 4, 5 and sealing surfaces 6, 7, which are in contact with each other, respectively made on the male and female element. A circumferential groove 8 is made on the female element 2 at the transition section of the thread 3 to the sealing surface 6 (at the thread exit section), the diameter of which exceeds the internal diameter of the thread 3 on the female element 2.

При свинчивании соединения наружная и внутренняя резьбы 3 охватываемого и охватывающего элементов взаимодействуют друг с другом, а контактирующие между собой поверхности 4, 5, 6, 7 образуют внутренний герметизирующий узел, обеспечивающий высокую герметичность всей конструкции (резьбового соединения).When making up the connection, the external and internal threads 3 of the male and female elements interact with each other, and the surfaces 4, 5, 6, 7 in contact with each other form an internal sealing unit, which ensures high tightness of the entire structure (threaded connection).

Указанный внутренний герметизирующий узел образует уплотнение типа «металл-металл».The specified internal sealing unit forms a metal-to-metal seal.

Герметизирующий узел образован уплотнительными поверхностями 6, 7 охватываемого 1 и охватывающего 2 элементов, выполненными с конусностью 1:10 при увеличении диаметра конуса в сторону резьбы, и упорными торцевыми поверхностями 4, 5 охватываемого 1 и охватывающего 2 элементов, образующими с уплотнительными поверхностями 6, 7 острый угол и наклоненными к нормали осевой линии резьбы под углом 15°.The sealing assembly is formed by the sealing surfaces 6, 7 of the male 1 and the female 2, made with a taper of 1:10 with an increase in the diameter of the cone towards the thread, and the thrust end surfaces 4, 5 of the male 1 and the female 2, forming with the sealing surfaces 6, 7 acute angle and inclined to the normal of the axial line of the thread at an angle of 15 °.

Под нормалью осевой линии резьбы понимается перпендикуляр, проведенный к осевой линии резьбы.By the normal of the centerline of the thread is meant the perpendicular drawn to the centerline of the thread.

Контактирующие между собой при свинчивании уплотнительные поверхности 6, 7 за счет деформации в упругой области образуют диаметральный натяг и уплотнение "металл-металл". Для обеспечения высокой надежности и герметичности соединения уплотнительные поверхности 6 и 7 выполняются с высокой точностью и чистотой обработки их поверхностей.The sealing surfaces 6, 7 in contact with each other during make-up due to deformation in the elastic region form a diametric interference and a metal-metal seal. To ensure high reliability and tightness of the connection, the sealing surfaces 6 and 7 are performed with high accuracy and purity of processing of their surfaces.

Упорные торцевые поверхности 4, 5 образуют с уплотнительными поверхностями 6, 7 острый угол. Упорная торцевая поверхность 4 на охватываемом элементе 1 выполнена в форме клина, который упирается в ответную клиновую проточку на охватывающем элементе 2, и за счет возникновения упругих деформаций на обоих элементах 1, 2 при их контакте при свинчивании соединения они обеспечивают герметичность конструкции.The persistent end surfaces 4, 5 form an acute angle with the sealing surfaces 6, 7. The abutting end surface 4 on the male element 1 is made in the form of a wedge, which abuts against the reciprocal wedge groove on the female element 2, and due to the occurrence of elastic deformations on both elements 1, 2, when they come into contact when making up the joints, they ensure a tight structure.

Выполнение уплотнительных поверхностей с конусностью 1:10 позволяет получить заданную величину натяга при сравнительно малом осевом перемещении охватывающего элемента, что снижает период от первого контакта уплотнительных поверхностей до обеспечения заданного натяга. Это гарантирует большую износостойкость соединения при его многократном свинчивании-развинчивании.The implementation of the sealing surfaces with a taper of 1:10 allows you to obtain a specified amount of interference with a relatively small axial movement of the enclosing element, which reduces the period from the first contact of the sealing surfaces to ensure a given interference. This ensures greater wear resistance of the connection when it is repeatedly screwed-unscrewed.

Угол наклона упорных торцевых поверхностей 15° к нормали осевой линии резьбы обеспечивает дополнительное "поджатие" радиального уплотнения, что позволяет снизить радиальный натяг, что в свою очередь снижает вероятность повреждения уплотнительных поверхностей и возникновения на них задиров. При увеличении указанного угла начинают возникать значительные деформации внутреннего диаметра охватывающего элемента при сжатии или перекручивании соединения. При уменьшении угла теряется эффект клина, так как клиновая проточка охватывающего элемента становится более жесткой в осевом направлении.An angle of inclination of the persistent end surfaces of 15 ° to the normal to the axial line of the thread provides an additional “preload” of the radial seal, which reduces the radial interference, which in turn reduces the likelihood of damage to the sealing surfaces and the occurrence of scoring on them. With an increase in the indicated angle, significant deformations of the inner diameter of the enclosing element begin to occur during compression or twisting of the joint. As the angle decreases, the wedge effect is lost, since the wedge groove of the female element becomes stiffer in the axial direction.

При нарезании резьбы 3 при отводе резьбонарезного инструмента на участке сбега резьбы 3 на кромках ее вершин на охватывающем элементе образуются заусенцы, выступающие в сторону оси резьбового соединения, которые, являясь препятствием, нарушают зацепление и влияют на режим уплотнения. Для исключения их влияния на охватывающем элементе на участке перехода резьбы 3 к уплотнительной поверхности 6 (на участке схода резьбы) выполнена окружная канавка 8 с диаметром, превышающим внутренний диаметр резьбы на охватывающем элементе.When thread 3 is tapped when the thread-cutting tool is retracted on the thread run-off section 3, burrs appear on the edges of its vertices on the female element, which protrude toward the axis of the threaded joint, which, as an obstacle, disrupt engagement and affect the sealing mode. In order to exclude their influence on the female element at the transition section of the thread 3 to the sealing surface 6 (at the thread exit section), a circumferential groove 8 is made with a diameter exceeding the internal diameter of the thread on the female element.

Под внутренним диаметром резьбы охватывающего элемента понимается диаметр, измеренный по вершине профиля резьбы охватывающего элемента.By the internal diameter of the thread of the female element is meant the diameter measured at the top of the thread profile of the female element.

Таким образом, при свинчивании охватываемого и охватывающего элементов участки схода резьбы всегда располагаются в зоне окружной канавки, что исключает влияние поверхности резьбы на участке схода на точность взаимодействия уплотнительных поверхностей.Thus, when screwing the male and female elements, the sections of the thread exit are always located in the zone of the circumferential groove, which excludes the influence of the thread surface on the exit section on the accuracy of the interaction of the sealing surfaces.

Кроме того, указанная окружная канавка служит для выдавливания излишек смазки, наносимой на резьбу для снижения трения элементов резьбы, и облегчения вывода резьбонарезного инструмента.In addition, this circumferential groove is used to squeeze out excess grease applied to the thread to reduce friction of the thread elements and to facilitate the withdrawal of the threading tool.

Наружная и внутренняя резьбы 3 в высокогерметичном соединении выполнены трапецеидальными с конусностью 1:16, углом наклона опорной грани профиля 2-4° к нормали осевой линии резьбы и углом наклона закладной грани профиля 9-11° к нормали осевой линии резьбы.The external and internal threads 3 in a high-tight joint are made trapezoidal with a taper of 1:16, the angle of inclination of the reference face of the profile 2-4 ° to the normal to the axial line of the thread, and the angle of inclination of the embedded face of the profile to 9-11 ° to the normal to the axial line of the thread.

Указанная резьба относится к упорным резьбам и вышеуказанные ее параметры обеспечивают оптимальное восприятие растягивающей нагрузки, возникающей от собственного веса колонны, опускаемой в скважину.The specified thread refers to threaded threads and its above parameters provide an optimal perception of tensile load arising from the dead weight of the string lowered into the well.

Высокогерметичное соединение нефтегазопромысловых труб работает следующим образом.Highly tight connection of oil and gas pipes works as follows.

При выполнении операций свинчивания-развинчивания соединения первоначально осуществляется взаимодействие охватываемого 1 и охватывающего 2 элементов с помощью наружной и внутренней резьб 3. В процессе свинчивания происходит продвижение наружной уплотнительной поверхности 6 вдоль участка канавки 8, затем уплотнительная поверхность 7 взаимодействует с уплотнительной поверхностью 6. За счет диаметральных деформаций этих поверхностей создается уплотнение типа "металл-металл".When performing screwing-unscrewing operations, the engagement of the male 1 and female 2 elements with the help of external and internal threads 3 is initially performed. During the screwing process, the outer sealing surface 6 moves along the groove portion 8, then the sealing surface 7 interacts with the sealing surface 6. Due to diametrical deformations of these surfaces creates a seal of the type "metal-metal".

При перемещении элементов 1 и 2 относительно друг друга осуществляется силовое контактирование упорной торцевой поверхности 4 охватываемого элемента 1 и упорной торцевой поверхности 5 охватывающего элемента 2, в результате чего на указанных поверхностях возникают контактные напряжения, величина которых находится в области упругих деформаций. Уровень контактных напряжений, при всех равных условиях, определяется величиной площадей контакта упорных торцевых поверхностей 4 и 5.When the elements 1 and 2 are moved relative to each other, the contacting of the abutting end surface 4 of the male element 1 and the abutting end surface 5 of the female element 2 is carried out, as a result of which contact stresses arise on these surfaces, the magnitude of which lies in the region of elastic deformations. The level of contact stress, under all equal conditions, is determined by the size of the contact areas of the resistant end surfaces 4 and 5.

Повышение эксплуатационной надежности резьбового соединения обеспечивается за счет увеличения контактирующих площадей упорных торцевых поверхностей 4 и 5 (путем выполнения указанных упорных торцевых поверхностей наклоненными к нормали осевой линии резьбы под углом 15°, а не перпендикулярными осевой линии резьбы, как в известных технических решениях), что позволяет увеличить крутящий момент свинчивания при сохранении контактных напряжений на необходимом уровне в пределах упругой деформации. Окончание процесса свинчивания охватываемого 1 и охватывающего 2 элементов сопровождается взаимодействием упорных торцевых поверхностей 4 и 5. Конические поверхности упорных торцевых поверхностей 4 и 5 выполнены таким образом, что при действии на них осевого усилия, возникающего при свинчивании резьбы, поперечная составляющая этого усилия направлена к оси соединения. Это исключает так называемое явление "разворачивания", т.е. поперечную деформацию с увеличением диаметра в области упорных торцевых поверхностей 4 и 5, что делает соединение менее критичным к превышению крутящего момента свинчивания и увеличивает его эксплуатационную надежность.Improving the operational reliability of the threaded connection is achieved by increasing the contacting areas of the thrust end surfaces 4 and 5 (by performing the indicated thrust end surfaces inclined to the normal of the axial line of the thread at an angle of 15 °, and not perpendicular to the axial line of the thread, as in the known technical solutions), which allows you to increase the make-up torque while maintaining contact stress at the required level within the elastic deformation. The end of the make-up process of the male 1 and the female 2 elements is accompanied by the interaction of the thrust end surfaces 4 and 5. The conical surfaces of the thrust end surfaces 4 and 5 are made in such a way that when they are subjected to the axial force arising from the screwing of the thread, the transverse component of this force is directed to the axis connections. This eliminates the so-called "unfolding" phenomenon, i.e. lateral deformation with an increase in diameter in the area of persistent end surfaces 4 and 5, which makes the connection less critical to exceeding the make-up torque and increases its operational reliability.

Преимуществом заявляемого резьбового соединения по сравнению с известным является повышение надежности и герметичности, увеличение износостойкости соединения при его сборке-разборке и эксплуатации, а также повышение степени его контролепригодности, что позволяетт использовать данное соединение элементов бурильных колонн как для жидких, так и для газообразных сред.An advantage of the inventive threaded joint in comparison with the known one is an increase in reliability and tightness, an increase in the wear resistance of the joint during its assembly, disassembly and operation, as well as an increase in its degree of control, which allows the use of this joint of drill string elements for both liquid and gaseous media.

Пример осуществления полезной модели.An example implementation of a utility model.

Резьба на охватываемом и охватывающем элементах выполнена с конусностью 1:16. Профиль резьбы имеет вид неравнобедренной трапеции и выполнен с углом профиля 13° - угол опорной грани профиля, работающей на растяжение, составляет 3°, а угол упорной грани профиля, работающей на сжатие, составляет 10°. Шаг резьбы составляет 5,08 мм, высота профиля резьбы - 1,575 мм.The thread on the male and female elements is made with a taper of 1:16. The thread profile has the form of an isosceles trapezoid and is made with a profile angle of 13 ° - the angle of the supporting face of the profile working in tension is 3 °, and the angle of the resistant face of the profile working in compression is 10 °. The pitch of the thread is 5.08 mm, the height of the thread profile is 1.575 mm.

Внутренний герметизирующий узел образован уплотнительными поверхностями с конусностью 1:10 при увеличении диаметра конуса в сторону резьбы и упорными торцевыми поверхностями с углом их наклона 15° к нормали осевой линии резьбы.The internal sealing assembly is formed by sealing surfaces with a taper of 1:10 with an increase in the diameter of the cone towards the thread and persistent end surfaces with an angle of inclination of 15 ° to the normal to the axial line of the thread.

На охватывающем элементе на участке схода резьбы выполнена окружная канавка, диаметр которой превышает внутренний диаметр резьбы на охватывающем элементе.A circumferential groove is made on the female element at the thread exit section, the diameter of which exceeds the internal diameter of the thread on the female element.

Описанное резьбовое соединение имеет свойства нефтегазогерметичного, способно работать при действии комбинированных нагрузок в агрессивных средах, в том числе возникающих при строительстве наклонных скважин с интенсивностью искривления ствола до 10° на 10 м и избыточном давлении свыше 250 атм.The described threaded connection has the properties of oil and gas, it can operate under the action of combined loads in aggressive environments, including those that occur during the construction of deviated wells with a bend rate of up to 10 ° per 10 m and an overpressure of more than 250 atm.

Claims

A tight threaded connection of oil and gas production pipes containing male and female elements, the ends of which are made of external and internal tapered threads, respectively, and contacting conical sealing and thrust end surfaces forming an internal sealing assembly, characterized in that the sealing surfaces of the male and female elements are made with a taper of 1:10 with an increase in the diameter of the cone towards the thread, the persistent end surfaces of the male and of the enclosing elements form an acute angle with the sealing surfaces and are inclined to the normal of the axial line of the thread at an angle of 15 °, while a circumferential groove is made on the enclosing element in the section of the thread exit, the diameter of which exceeds the inner diameter of the thread on the enclosing element, and the external and internal threads are trapezoidal with a taper of 1:16, the angle of inclination of the reference face of the profile 2-4 ° to the normal of the axial line of the thread and the angle of inclination of the embedded face of the profile of 9-11 ° to the normal of the axial line of the thread.