RU149815U1 - HIGH SEALED THREADED CONNECTION OF OIL AND GAS PIPES - Google Patents

Abstract

1. Высокогерметичное резьбовое соединение нефтегазовых труб, включающее ниппельные и раструбные соединительные элементы с конической трапецеидальной резьбой, при этом со стороны меньшего диаметра усеченного конуса последних выполнен герметизирующий узел с радиальными уплотнительными поверхностями и смежные с последними упорные уплотнительные поверхности, отличающееся тем, что упорные уплотнительные поверхности раструбного и ниппельного элементов выполнены в виде множества сферических вершин и впадин, входящих в контакт друг с другом с образованием, по меньшей мере, двух герметизирующих узлов, при этом упорные уплотнительные поверхности раструбного элемента выполнены без прямолинейных участков.2. Соединение по п. 1, отличающееся тем, что радиус сферической впадины упорной поверхности ниппельного элемента и радиус сферической вершины упорной поверхности раструбного элемента второго герметизирующего узла связаны соотношением R≥R,где R- радиус сферической вершины упорной поверхности раструбного элемента;R- радиус сферической впадины упорной поверхности ниппельного элемента.3. Соединение по п. 1, отличающееся тем, что количество сферических вершин и впадин упорной поверхности ниппельного и раструбного элемента составляет от 2 до 7.4. Соединение по п. 1, отличающееся тем, что радиус, образующий сферическую вершину радиальной поверхности раструбного элемента первого герметизирующего узла, находится в пределах 75-120 мм, а радиусы, образующие сферические вершины и впадины упорных поверхностей, - в пределах 0,4-4,8 мм.5. Соединение по п. 1, отличающееся тем, что коническая трапецеидальная резьба выполнена с конус�1. Highly tight threaded connection of oil and gas pipes, including nipple and bell-shaped connecting elements with a tapered trapezoidal thread, while from the side of the smaller diameter of the truncated cone of the latter, a sealing assembly with radial sealing surfaces and adjacent thrust sealing surfaces, characterized in that the thrust sealing surfaces are made bell and nipple elements are made in the form of many spherical peaks and troughs that come into contact with each other gom to form at least two sealing assemblies, wherein the abutment surface of the flared sealing element made without rectilinear uchastkov.2. Connection according to claim 1, characterized in that the radius of the spherical depression of the thrust surface of the nipple element and the radius of the spherical peak of the thrust surface of the bell-shaped element of the second sealing assembly are related by the relation R≥R, where R is the radius of the spherical peak of the thrust surface of the bell-shaped element; R is the radius of the spherical depression thrust surface of the nipple element. 3. Connection according to claim 1, characterized in that the number of spherical peaks and depressions of the thrust surface of the nipple and bell element is from 2 to 7.4. The compound according to claim 1, characterized in that the radius forming the spherical top of the radial surface of the bell-shaped element of the first sealing assembly is within 75-120 mm, and the radii forming spherical tops and troughs of the thrust surfaces are within 0.4-4 8 mm. 5. Connection according to claim 1, characterized in that the tapered trapezoidal thread is made with a cone�

Description

Настоящая полезная модель относится к конструкции резьбового соединения труб с герметизирующим узлом, где применено уплотнение металл-металл, которое предназначено для использования в конструкции обсадных труб для обеспечения герметичности соединения при строительстве, эксплуатации и испытании нефтегазодобывающих, водонагнетательных, опорных и прочих скважин различного назначения, для эксплуатации в различных климатических зонах.This utility model relates to the design of a threaded joint of pipes with a sealing unit, where a metal-metal seal is used, which is intended for use in the design of casing pipes to ensure tightness of the joint during construction, operation and testing of oil and gas production, water injection, support and other wells for various purposes, for operation in various climatic zones.

Усложнение условий извлечения жидких и газообразных углеводородов, связанные с выходом в районы Крайнего Севера, в том числе с добычей на арктических шельфах, предъявляет жесткие требования к характеристикам используемых резьбовых соединений обсадных труб в части прочности и герметичности.Complicated conditions for the extraction of liquid and gaseous hydrocarbons associated with access to the Far North, including production on the Arctic shelves, impose stringent requirements on the characteristics of the threaded joints of casing pipes in terms of strength and tightness.

Из уровня техники известно резьбовое соединение нефтяных труб, включающее ниппельный и раструбный соединительные элементы с конической резьбой и упорными торцами, наружную и внутреннюю уплотнительные поверхности и сбег резьбы на охватывающей детали на участке между резьбой с полным профилем и внутренней уплотнительной поверхностью описанного в ГОСТ 632 и именуемого как ОТТГ. Упорные торцы резьбового соединения ОТТГ на раструбном и ниппельном элементе предназначены для стопорящего действия в момент завершения свинчивания. Если упорные торцы ниппеля и муфты выполнить с углом обратного конуса от 5° до 15° это обеспечит поджатие радиальной конической поверхности ниппельного элемента к конической поверхности раструбного элемента, наиболее лучший стопорящий эффект и дополнительную герметизацию.The threaded connection of oil pipes is known from the prior art, including nipple and bell-shaped connecting elements with tapered threads and thrust ends, outer and inner sealing surfaces and thread run on the female part between the full-profile thread and the inner sealing surface described in GOST 632 and referred to as like OTTG. The persistent ends of the OTTG threaded connection on the socket and nipple element are designed for the locking action at the time of making up. If the thrust ends of the nipple and the coupling are performed with an inverse cone angle of 5 ° to 15 °, this will ensure that the radial conical surface of the nipple element is pressed against the conical surface of the bell element, the best locking effect and additional sealing.

Наиболее близким к заявляемой полезной модели по совокупности существенных признаков является техническое решение, защищенное патентом RU №2234022, МПК F16L 15/00, опубл. 10.08.2004, в котором описано герметичное резьбовое соединение, включающее ниппельный и раструбный соединительные элементы с конической резьбой, уплотнительные и упорные поверхности, при этом на меньших диаметрах конусов наружных и внутренних резьб выполнен герметизирующий узел с уплотнительными радиальными и торцевыми коническими поверхностями.The closest to the claimed utility model in terms of essential features is a technical solution protected by patent RU No. 2234022, IPC F16L 15/00, publ. 08/10/2004, which describes a sealed threaded connection, including nipple and bell-shaped connecting elements with a tapered thread, sealing and thrust surfaces, and a sealing assembly with sealing radial and end conical surfaces is made on smaller diameters of the cones of the external and internal threads.

Недостатком известного технического решения является конструкции упорных торцов уплотнения «металл-металл» ниппельного и раструбного элементов, которые имеют прямолинейную структуру и предназначены для использования в тех случаях, когда возможно воздействие на трубу неравномерных сил, направленных перпендикулярно оси трубы.A disadvantage of the known technical solution is the design of the thrust ends of the metal-metal seal of the nipple and bell elements, which have a rectilinear structure and are intended for use in cases where uneven forces directed perpendicular to the pipe axis can be affected by the pipe.

Технической задачей настоящей полезной модели является создание конструкции резьбового соединения ниппельного и раструбного элементов, которая обеспечит замковое закрепление уплотнительного элемента «металл-металл», исключит смещения носика уплотнительного элемента во внутреннюю полость трубы, обеспечит большую площадь контакта, исключит смятие упорной части уплотнения ниппельного и раструбного элементов, обеспечит герметичность резьбового соединения при значительных изгибах колонны нефтегазовых труб.The technical task of this utility model is to create a threaded joint design for the nipple and socket elements, which will provide for locking the metal-metal sealing element, exclude the displacement of the nose of the sealing element in the inner cavity of the pipe, provide a large contact area, and eliminate crushing of the thrust part of the seal of the nipple and socket elements, will ensure the tightness of the threaded connection with significant bends of the column of oil and gas pipes.

Задача, положенная в основу настоящей полезной модели, с достижением заявленного технического результата, решается тем, что в высокогерметичном резьбовом соединении нефтегазовых труб, включающем ниппельные и раструбные соединительные элементы с конической трапецеидальной резьбой, при этом со стороны меньшего диаметра усеченного конуса последних выполнен герметизирующий узел с радиальными уплотнительными поверхностями и смежные с последними упорные уплотнительные поверхности, упорные уплотнительные поверхности раструбного и ниппельного элементов выполнены в виде множества сферических вершин и впадин, входящих в контакт друг с другом с образованием, по меньшей мере, двух герметизирующих узлов; при этом упорные уплотнительные поверхности раструбного элемента выполнены без прямолинейных участков.The task underlying the present utility model, with the achievement of the claimed technical result, is solved by the fact that in the high-tight threaded connection of oil and gas pipes, including nipple and bell-shaped connecting elements with a tapered trapezoidal thread, the sealing assembly with the smaller diameter of the truncated cone of the latter is made with radial sealing surfaces and adjacent with the latter persistent sealing surfaces, persistent sealing surfaces of the socket and nipp eel elements are made in the form of many spherical peaks and troughs that come into contact with each other with the formation of at least two sealing nodes; while the persistent sealing surface of the bell-shaped element is made without straight sections.

Кроме того, радиус сферической впадины упорной поверхности ниппельного элемента и радиус сферической вершины раструбного элемента второго герметизирующего узла связаны соотношением:In addition, the radius of the spherical cavity of the thrust surface of the nipple element and the radius of the spherical top of the bell-shaped element of the second sealing unit are related by the ratio:

R₅≥R₃,R ₅ ≥R ₃ ,

где: R₃ - радиус сферической вершины упорной поверхности раструбного элемента;where: R ₃ is the radius of the spherical top of the thrust surface of the bell-shaped element;

R₅ - радиус сферической впадины упорной поверхности ниппельного элемента.R ₅ is the radius of the spherical cavity of the thrust surface of the nipple element.

Кроме того, количество сферических вершин и впадин упорной поверхности ниппельного и раструбного элемента составляет от 2 до 7.In addition, the number of spherical peaks and depressions of the thrust surface of the nipple and bell element is from 2 to 7.

Кроме того, радиус, радиус, образующий сферическую вершину радиальной поверхности раструбного элемента первого герметизирующего узла, находится в пределах 75-120 мм, а радиусы, образующие сферические вершины и впадины упорных поверхностей, - в пределах 0,4-4,8 мм.In addition, the radius, the radius forming the spherical top of the radial surface of the bell-shaped element of the first sealing unit is in the range of 75-120 mm, and the radii forming the spherical tops and troughs of the thrust surfaces are in the range of 0.4-4.8 mm.

Кроме того, коническая трапецеидальная резьба выполнена с конусностью 1:16.In addition, the tapered trapezoidal thread is made with a taper of 1:16.

Вышеперечисленные признаки являются взаимосвязанными и существенными, и подтверждают достижение технического результата от использования предложенной конструкции, который заключается в повышении герметичности и увеличении прочности соединения при его спуске и эксплуатации, что позволяет использовать предлагаемое соединение, в том числе и для газообразных сред.The above characteristics are interrelated and significant, and confirm the achievement of the technical result from the use of the proposed design, which consists in increasing the tightness and increasing the strength of the connection during its descent and operation, which allows the use of the proposed connection, including for gaseous media.

Выполнение упорных поверхностей уплотнительного раструбного и ниппельного элементов в виде множества сферических вершин и впадин, входящих в контакт друг с другом с образованием, по меньшей мере, двух герметизирующих узлов повышает степень герметичности соединения при значительных изгибах колонны нефтегазовых труб.The implementation of the thrust surfaces of the sealing bell-shaped and nipple elements in the form of a plurality of spherical peaks and depressions coming into contact with each other with the formation of at least two sealing units increases the degree of tightness of the connection with significant bending of the oil and gas pipe string.

Размерность принятых величин и впадин ограничена возможностью токарного инструмента и конструкцией торцевого уплотнения. Минимальный радиус сферических вершин и впадин составляет 0,4 мм, и равен минимальному радиусу режущей кромки инструмента для точения. На сегодняшний день минимальный радиус режущей кромки токарного инструмента ведущих фирм производителей составляет 0,4 мм. Максимальный радиус вершин и впадин торцевого уплотнения ниппельного и раструбного элемента составляет 4,8 мм, и обусловлен малой линейной величиной упорного торца уплотнительной части ниппельного элемента. Величина упорного торца уплотнения ниппельного элемента при различных толщинах стенок труб может составлять от 2 мм до 5 мм. Для равноценного сравнения существующих стандартных решений и решения описанного в данной заявке была принята максимальная величина упорного торца 5 мм. На фигурах 3, 4, 5, 6 показаны варианты исполнения сферических вершин и впадин торцевого уплотнения ниппельного и раструбного элементов.The dimension of the accepted values and depressions is limited by the possibility of a turning tool and the design of the mechanical seal. The minimum radius of the spherical peaks and troughs is 0.4 mm, and is equal to the minimum radius of the cutting edge of the tool for turning. To date, the minimum radius of the cutting edge of the turning tool of leading manufacturers is 0.4 mm. The maximum radius of the vertices and depressions of the end seal of the nipple and bell element is 4.8 mm, and is due to the small linear value of the thrust end of the sealing part of the nipple element. The size of the thrust end face of the seal of the nipple element at various pipe wall thicknesses can be from 2 mm to 5 mm. For equivalent comparison of existing standard solutions and the solutions described in this application, a maximum value of the persistent end face of 5 mm was adopted. In figures 3, 4, 5, 6 shows embodiments of spherical peaks and troughs of the mechanical seal of the nipple and bell elements.

Выполнение сферической вершины радиальной поверхности раструбного элемента первого герметизирующего узла радиусом 75-120 мм улучшает прочность резьбового соединения и его стойкость к ослаблению при изгибе.The implementation of the spherical top of the radial surface of the bell-shaped element of the first sealing unit with a radius of 75-120 mm improves the strength of the threaded connection and its resistance to weakening in bending.

Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого полезная модель явным образом не следует для специалиста по производству и эксплуатации обсадных труб, показал, что она не известна, а с учетом возможности промышленного серийного изготовления высокогерметичного резьбового соединения труб, можно сделать вывод о ее соответствии критериям патентоспособности.A comparative analysis of the proposed technical solution with identified analogues of the prior art, from which the utility model does not explicitly follow for a specialist in the production and operation of casing pipes, showed that it is not known, and taking into account the possibility of industrial serial production of a high-tight threaded pipe joint, it is possible to make conclusion on its compliance with the criteria of patentability.

Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером выполнения высокогерметичного резьбового соединения нефтегазовых труб, который не является единственно возможным и наглядно демонстрирует возможность получения указанного технического результата. Допускаются различные модификации и улучшения, не выходящие за пределы области действия полезной модели, определенные прилагаемой формулой.This utility model is illustrated by a specific example of a high-tight threaded connection of oil and gas pipes, which is not the only possible and clearly demonstrates the possibility of obtaining the specified technical result. Various modifications and improvements are allowed that do not go beyond the scope of the utility model defined by the attached formula.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:The essence of the utility model is illustrated by drawings, where:

- на фиг. 1 изображен общий вид предлагаемого высокогерметичного резьбового соединения нефтегазовых труб;- in FIG. 1 shows a General view of the proposed high-tight threaded connection of oil and gas pipes;

- на фиг. 2 изображены герметизирующие узлы уплотнения "металл-металл";- in FIG. 2 shows metal-to-metal sealing assemblies;

- на фиг. 3 изображен выносной элемент "Б" на фиг. 2 с множеством сопряженных радиусов, при этом радиус R5 упорной уплотнительной поверхности больше радиуса R3;- in FIG. 3 shows the extension element “B” in FIG. 2 with a plurality of conjugate radii, while the radius R5 of the thrust sealing surface is larger than the radius R3;

- на фиг. 4 изображен выносной элемент "Б" на фиг. 2 с множеством сопряженных радиусов, при этом радиус R5 упорной уплотнительной поверхности равен радиусу R3;- in FIG. 4 shows the extension element “B” in FIG. 2 with a plurality of conjugate radii, the radius R5 of the thrust sealing surface being equal to the radius R3;

- на фиг. 5 изображен выносной элемент "Б" на фиг. 2 с множеством сопряженных радиусов R1, R2, R3, R4, R5 и добавлен радиус R6;- in FIG. 5 shows the extension element “B” in FIG. 2 with many conjugate radii R1, R2, R3, R4, R5 and added radius R6;

- на фиг. 6 изображен выносной элемент "Б" на фиг. 2 с множеством сопряженных радиусов R1, R2, R3, R4, R5, R6 и добавлен радиус R7;- in FIG. 6 shows the extension element “B” in FIG. 2 with many conjugate radii R1, R2, R3, R4, R5, R6 and radius R7 was added;

- на фиг. 7 изображен выносной элемент "Б" на фиг. 2 с указанием сил F₁, F₂, F₃, действующих на упорные уплотнительные поверхности в зоне сопряжения ниппельного и раструбного элементов;- in FIG. 7 shows the extension element “B” in FIG. 2 with an indication of the forces F ₁ , F ₂ , F ₃ acting on the thrust sealing surfaces in the interface zone of the nipple and bell elements;

- на фиг. 8 изображены герметизирующие узлы при применении криволинейных упорных поверхностей ниппельного и раструбного элемента образованных равными радиусами;- in FIG. 8 depicts sealing assemblies when using curved thrust surfaces of a nipple and bell-shaped element formed by equal radii;

- на фиг. 9 изображены герметизирующие узлы при применении криволинейных упорных поверхностей ниппельного и раструбного элемента образованных комбинацией разных радиусов;- in FIG. 9 depicts sealing assemblies when using curved thrust surfaces of a nipple and bell-shaped element formed by a combination of different radii;

- на фиг. 10 изображена схема приложения силы F₄ на образец свинченного резьбового соединения при проведении испытания на изгиб.- in FIG. 10 shows a diagram of the application of force F ₄ to a sample of a screwed threaded joint during a bending test.

В графических материалах соответствующие конструктивные элементы высокогерметичного резьбового соединения нефтегазовых труб обозначены следующими позициями:In graphic materials, the corresponding structural elements of the high-tight threaded connection of oil and gas pipes are indicated by the following positions:

1. - ниппельный соединительный элемент (ниппель);1. - nipple connecting element (nipple);

2. - раструбный соединительный элемент (муфта);2. - bell-shaped connecting element (coupling);

3. - коническая трапецеидальная резьба раструбного элемента 2;3. - conical trapezoidal thread of the bell-shaped element 2;

4. - коническая трапецеидальная резьба ниппельного элемента 1;4. - conical trapezoidal thread of the nipple element 1;

5. - упорная криволинейная уплотнительная поверхность раструбного элемента 2;5. - persistent curved sealing surface of the bell-shaped element 2;

6. - упорная криволинейная уплотнительная поверхность ниппельного элемента 1.6. - persistent curved sealing surface of the nipple element 1.

Высокогерметичное резьбовое соединение нефтегазовых труб включает ниппельный 1 и раструбный 2 соединительные элементы с коническими поверхностями, на которых выполнена трапецеидальная резьба с конусностью 1:16, причем обе резьбовые части 3 и 4 имеют общий контур поверхности в виде усеченного конуса, а со стороны меньшего диаметра усеченного конуса последних выполнен герметизирующий узел I с уплотнительными радиальными поверхностями и смежные с последними упорные криволинейные уплотнительные поверхности 5 и 6. Радиальная поверхность раструбного элемента в зоне первого герметизирующего узла выполнена в виде сферической вершины, радиусом 75-120 мм. Упорная поверхность 6 раструбного элемента 2 и упорная поверхность 5 ниппельного элемента 1 выполнены криволинейными в виде множества сферических вершин и впадин с радиусом 0,4-4,8 мм, входящих в контакт друг с другом с образованием, по меньшей мере, двух герметизирующих узлов. Количество сферических вершин и впадин упорной поверхности ниппельного и раструбного элемента составляет от 2 до 7. При этом уплотнительные поверхности раструбного элемента выполнены без прямолинейных участков, а радиус сферической впадины упорной поверхности ниппельного элемента и радиус сферической вершины раструбного элемента второго герметизирующего узла связаны соотношением:A highly tight threaded connection of oil and gas pipes includes a nipple 1 and a socket 2 connecting elements with conical surfaces on which a trapezoidal thread with a taper of 1:16 is made, both threaded parts 3 and 4 have a common surface contour in the form of a truncated cone, and from the side of the smaller diameter of the truncated of the cone of the latter, the sealing unit I is made with radial sealing surfaces and adjacent curved linear sealing surfaces 5 and 6. The radial surface of the races rubnogo element in the zone of the first sealing unit is formed as a spherical top, a radius of 75-120 mm. The abutment surface 6 of the bell-shaped element 2 and the abutment surface 5 of the nipple element 1 are made curved in the form of a plurality of spherical peaks and depressions with a radius of 0.4-4.8 mm coming into contact with each other with the formation of at least two sealing nodes. The number of spherical peaks and troughs of the thrust surface of the nipple and bell element is from 2 to 7. The sealing surfaces of the bell element are made without straight sections, and the radius of the spherical cavity of the thrust surface of the nipple element and the radius of the spherical peak of the bell element of the second sealing unit are related by the ratio:

R₅>R₃,R ₅ > R ₃ ,

где: R₃ - радиус сферической вершины упорной поверхности раструбного элемента;where: R ₃ is the radius of the spherical top of the thrust surface of the bell-shaped element;

R₅ - радиус сферической впадины упорной поверхности ниппельного элемента.R ₅ is the radius of the spherical cavity of the thrust surface of the nipple element.

В предлагаемом решении применена новая геометрия элементов резьбового соединения, которая состоит из множества сферических вершин и впадин поверхностей 5, 6, входящие в контакт друг с другом и образующих гарантированный барьер герметизации.In the proposed solution, a new geometry of the elements of the threaded connection is used, which consists of many spherical peaks and troughs of surfaces 5, 6 that come into contact with each other and form a guaranteed sealing barrier.

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

Для проверки теоритических предположений был выполнен математический расчет методом конечных элементов эмитирующий фактическую работу резьбового соединения нефтегазопромысловых труб в различных условиях.To check the theoretical assumptions, a mathematical calculation was performed by the finite element method emitting the actual work of the threaded joint of oil and gas field pipes in various conditions.

Для фактического выполнения высокогерметичного резьбового соединения нефтегазовых труб непосредственно на изделии проведен комплекс технологических работ с применением высокоточных станков. В результате развития машиностроения в последние годы и появления прецизионных станков с числовым программным управлением появилась возможность получения различной геометрии любых участков резьбового соединения (резьбовой части, линейных участков, зон уплотнения «металл-металл») улучшающих их работу в промысловых условиях.For the actual implementation of the high-tight threaded connection of oil and gas pipes directly on the product, a set of technological works was carried out using high-precision machines. As a result of the development of mechanical engineering in recent years and the advent of precision machine tools with numerical control, it has become possible to obtain various geometries of any sections of a threaded connection (threaded part, linear sections, metal-metal sealing zones) that improve their operation in field conditions.

При сборке резьбового соединения осуществляется контакт ниппеля 1 и раструбного элемента 2 с помощью конической резьбы, наружной 3 и внутренней 4 с конусностью 1:16. При дальнейшем продвижении резьбы ниппеля в раструб радиальный натяг по резьбовым поверхностям 3, 4 увеличивается до момента стыковки торцевых уплотнительных поверхностей 5 и 6, и при суммарном натяге (при достижении заданного крутящего момента), дальнейшие операции по сборке приостанавливаются (соединение собрано).When assembling a threaded connection, the nipple 1 and the socket element 2 are contacted using a tapered thread, external 3 and internal 4 with a taper of 1:16. With further advancement of the nipple thread into the socket, the radial interference on the threaded surfaces 3, 4 increases until the end sealing surfaces 5 and 6 are joined, and with a total interference (when the specified torque is reached), further assembly operations are suspended (the connection is assembled).

Для подтверждения получения заявленного технического результата проведены испытания на реальных образцах. Для проведения испытаний было изготовлено 42 опытных образца различных типоразмеров с различной комбинацией предлагаемого элемента. Все образцы были подвергнуты нагрузкам аналогичным фактическим нагрузкам, при которых эксплуатируются нефтегазопромысловые трубы. Все образцы были изготовлены по методике ISO 10400. Резьбовые соединения были свинчены по расчетным моментам свинчивания, а подготовленные образцы прошли первичное гидростатическое испытание. Далее образцы подвергались комплексу динамических нагрузок и испытаниям. Величины гидростатических испытаний были приняты в соответствии с ГОСТ Р 53366. После прохождения комплекса испытаний, резьбовое соединение образцов развинчивалось и подвергалось визуальному осмотру.To confirm receipt of the claimed technical result, tests were performed on real samples. For testing, 42 prototypes of various sizes with various combinations of the proposed element were manufactured. All samples were subjected to loads similar to the actual loads under which oil and gas field pipes are operated. All samples were made according to the ISO 10400 method. Threaded connections were screwed up according to the calculated screwing moments, and the prepared samples passed the initial hydrostatic test. Further, the samples were subjected to a set of dynamic loads and tests. The hydrostatic test values were adopted in accordance with GOST R 53366. After passing the set of tests, the threaded connection of the samples was unscrewed and subjected to visual inspection.

Сложность внедрения данной геометрии упорного торца ниппельного и раструбного элемента заключается в сложности изготовления натурных образцов с различными значениями радиусов R₁, R₂, R₃, R₄, R₅, R₆, R₇.The complexity of introducing this geometry of the persistent end of the nipple and bell element is the complexity of manufacturing full-scale samples with different values of the radii R ₁ , R ₂ , R ₃ , R ₄ , R ₅ , R ₆ , R ₇ .

Для проведения натурных испытаний образцов резьбового соединения были выбраны минимальные, средние и максимальные величины диапазона радиусов R₂, R₃, R₄, R₅, R₆, R₇ сферических вершин и впадин составляющие соответственно 0,4 мм, 2,2 мм, 4,8 мм. Величина радиуса R₁ составляла 75 мм и 120 мм.To conduct full-scale tests of threaded joint samples, the minimum, average and maximum values of the range of radii R ₂ , R ₃ , R ₄ , R ₅ , R ₆ , R _{7 of} spherical peaks and troughs of 0.4 mm, 2.2 mm, respectively 4.8 mm. The radius R ₁ was 75 mm and 120 mm.

Все образцы были подвергнуты сжатию путем осевого сдавливания. Сжатие резьбового соединения происходит в процессе монтажа и эксплуатации обсадной колонны. При осевом сжатии резьбового соединения максимальная нагрузка приходится на резьбовую часть и упорный торец уплотнения ниппельного и раструбного элемента. Сферические вершины и впадины образуют криволинейную поверхность упорного торца уплотнения ниппельного и раструбного элемента, которая имеет большую продолжительность по отношению к прямолинейной поверхности, а значит, обеспечит большую площадь контакта поверхностей упорного торца ниппельного и раструбного элемента, повысит максимальное значение усилия сжатия, и соответственно уменьшить вероятность потери герметичности всего соединения. Радиальные кольца на упорном торце уплотнения ниппельного и раструбного элемента образованными сферическими вершинами, и впадинами создают множество точек упругого контакта, обеспечивают эффект поршневых колец, повышают герметичность резьбового соединения.All samples were subjected to compression by axial compression. The compression of the threaded connection occurs during the installation and operation of the casing string. With axial compression of the threaded joint, the maximum load falls on the threaded part and the thrust seal face of the nipple and bell element. Spherical peaks and troughs form a curved surface of the thrust end face of the seal of the nipple and bell element, which has a longer duration with respect to the rectilinear surface, which means that it will provide a large contact area of the surfaces of the thrust face of the nipple and bell element, increase the maximum value of the compression force, and accordingly reduce the likelihood loss of tightness of the entire connection. The radial rings on the thrust end of the seal of the nipple and socket element by formed spherical peaks and troughs create many points of elastic contact, provide the effect of piston rings, increase the tightness of the threaded connection.

Все образцы были подвергнуты растяжению путем осевого растяжения. Растяжение резьбового соединения происходит в процессе спуска нефтегазовой колонны. Основная нагрузка приходится на последние свинченные соединения. Точки контакта на упорных торцах имеют различную степень сжатия и создают ступенчатые барьеры герметичности расположенные по всей поверхности между сферическими поверхностями и впадинами. При осевом растяжении резьбового соединения точки контакта разгружаются по цепочке, а не единовременно. Цепочка сил позволяет эффективней сохранять зоны упругой деформации, так как имеет плавный переход по радиусу сферических вершин и впадин.All samples were stretched by axial tension. The tension of the threaded joint occurs during the descent of the oil and gas column. The main load falls on the last screwed connections. The contact points on the thrust ends have different degrees of compression and create stepped tightness barriers located across the entire surface between the spherical surfaces and troughs. With axial tension of the threaded joint, the contact points are unloaded along the chain, and not at the same time. The chain of forces makes it possible to more effectively maintain zones of elastic deformation, since it has a smooth transition along the radius of spherical peaks and troughs.

Все образцы были подвергнуты изгибу путем прикладыванию силы перпендикулярной к оси соединения в центральной части муфты. На фигуре 7 показаны силы F₁, F₂, F₃, которые обеспечивают «замковое» уплотнение и исключают выход из зацепления уплотнения ниппеля из уплотнения раструбного элемента резьбового соединения при изгибе колонны обсадных труб. Сферические вершины и сферические впадины торцевого уплотнения при максимальном изгибе обеспечивают наилучший контакт, чем прямолинейный, так как прямолинейный контакт торцевого уплотнения ниппеля начинает изменять угол, а, следовательно, теряет контакт поверхности и проводит к потере герметичности резьбового. Криволинейная поверхность со сферическими вершинами и впадинами не может подвергаться изменению угла, и тем самым сохраняет всю площадь контакта и герметичность резьбового соединения.All samples were bent by applying a force perpendicular to the joint axis in the central part of the coupling. The figure 7 shows the forces F ₁ , F ₂ , F ₃ , which provide a "lock" seal and exclude the output from the engagement of the seal of the nipple from the seal of the socket element of the threaded connection when bending the casing string. Spherical tops and spherical troughs of the mechanical seal at maximum bend provide better contact than straight-line, since the straight-line contact of the mechanical seal of the nipple begins to change the angle, and therefore loses contact of the surface and leads to loss of tightness of the screw. A curved surface with spherical peaks and troughs cannot be subjected to a change in angle, and thereby preserves the entire contact area and the tightness of the threaded connection.

Все образцы были подвергнуты гидростатическому испытанию при испытании на сжатие, растяжение, изгиб. Гидростатическое испытание образцов позволило эмитировать фактическое внутреннее давление, достигаемое при эксплуатации обсадных труб. Гидростатическое испытание каждого образца проводилось в течение 600 секунд, что значительно превышает время регламентированное стандартами.All samples were hydrostatically tested in compression, tensile, and bending tests. Hydrostatic testing of the samples allowed us to emit the actual internal pressure achieved during the operation of the casing. The hydrostatic test of each sample was carried out for 600 seconds, which significantly exceeds the time regulated by the standards.

Проведение всего комплекса испытаний позволило подтвердить работоспособность новых элементов конструкции.Carrying out the whole complex of tests allowed confirming the operability of new structural elements.

Преимуществом заявляемой полезной модели перед существующими известными техническими решениями является повышение надежности и герметичности резьбового соединения нефтегазопромысловых труб.The advantage of the claimed utility model over existing well-known technical solutions is to increase the reliability and tightness of the threaded connection of oil and gas field pipes.

Настоящая полезная модель промышленно применима, так как используемое промышленное оборудование и технология изготовления конических трапецеидальных резьб с целью повышения прочности и герметичности соединения осуществлены на новом принципе взаимодействия контактирующих поверхностей.This utility model is industrially applicable, since the industrial equipment used and the technology for manufacturing tapered trapezoidal threads in order to increase the strength and tightness of the joints are implemented on the new principle of interaction of contacting surfaces.

Claims (5)

1. Высокогерметичное резьбовое соединение нефтегазовых труб, включающее ниппельные и раструбные соединительные элементы с конической трапецеидальной резьбой, при этом со стороны меньшего диаметра усеченного конуса последних выполнен герметизирующий узел с радиальными уплотнительными поверхностями и смежные с последними упорные уплотнительные поверхности, отличающееся тем, что упорные уплотнительные поверхности раструбного и ниппельного элементов выполнены в виде множества сферических вершин и впадин, входящих в контакт друг с другом с образованием, по меньшей мере, двух герметизирующих узлов, при этом упорные уплотнительные поверхности раструбного элемента выполнены без прямолинейных участков.1. Highly tight threaded connection of oil and gas pipes, including nipple and bell-shaped connecting elements with a tapered trapezoidal thread, while from the side of the smaller diameter of the truncated cone of the latter, a sealing assembly with radial sealing surfaces and adjacent thrust sealing surfaces, characterized in that the thrust sealing surfaces are made bell and nipple elements are made in the form of many spherical peaks and troughs that come into contact with each other gom to form at least two sealing assemblies, wherein the abutment surface of the flared sealing element made without rectilinear portions. 2. Соединение по п. 1, отличающееся тем, что радиус сферической впадины упорной поверхности ниппельного элемента и радиус сферической вершины упорной поверхности раструбного элемента второго герметизирующего узла связаны соотношением R₅≥R₃,2. The compound according to claim 1, characterized in that the radius of the spherical cavity of the thrust surface of the nipple element and the radius of the spherical peak of the thrust surface of the bell-shaped element of the second sealing assembly are related by the ratio R ₅ ≥R ₃ , где R₃ - радиус сферической вершины упорной поверхности раструбного элемента;where R ₃ is the radius of the spherical top of the thrust surface of the bell-shaped element; R₅ - радиус сферической впадины упорной поверхности ниппельного элемента.R ₅ is the radius of the spherical cavity of the thrust surface of the nipple element. 3. Соединение по п. 1, отличающееся тем, что количество сферических вершин и впадин упорной поверхности ниппельного и раструбного элемента составляет от 2 до 7.3. The compound according to claim 1, characterized in that the number of spherical peaks and depressions of the thrust surface of the nipple and bell element is from 2 to 7. 4. Соединение по п. 1, отличающееся тем, что радиус, образующий сферическую вершину радиальной поверхности раструбного элемента первого герметизирующего узла, находится в пределах 75-120 мм, а радиусы, образующие сферические вершины и впадины упорных поверхностей, - в пределах 0,4-4,8 мм.4. The compound according to claim 1, characterized in that the radius forming the spherical top of the radial surface of the bell-shaped element of the first sealing assembly is within 75-120 mm, and the radii forming spherical tops and troughs of the thrust surfaces are within 0.4 -4.8 mm. 5. Соединение по п. 1, отличающееся тем, что коническая трапецеидальная резьба выполнена с конусностью 1:16.

5. The compound according to claim 1, characterized in that the tapered trapezoidal thread is made with a taper of 1:16.

Images