Підвищення герметичності різьбових з’єднань обсадних колон

РОЗДІЛ 2
МатемаТИЧНА МОДЕЛЬ ПРУЖНО-ДЕФОРМОВАНОГО СТАНУ
МУФТОВОГО З’ЄДНАННЯ ОБСАДНИХ ТРУБ
З ГЕРМЕТИЗУЮЧИМ вузлОМ
2.1. Особливості конструкції муфтового різьбового з’єднання обсадних труб з
герметизуючим вузлом
Для підвищення герметичності муфтових різьбових з’єднань обсадних труб
безупорного типу запропонована нова конструкція герметизуючого вузла [55].
Вузол створюється вставним тонкостінним герметизуючим елементом із конічними
поверхнями. Схема з’єднання показана на рис. 2.1. При згвинчуванні з’єднання ці
поверхні входять з натягом у конічні отвори труб, які відповідно розточені в їх
кінцях. Завдяки конусності ущільню­ючих поверхонь і натягу герметизуючий
елемент пружно стискається у радіальному напрямі, на контактних поверхнях
виникають напруження стиску і контактний тиск, чим забезпечується щільність їх
прилягання.
Наявність герметизуючого вузла дещо змінює конструкцію труби. Завдяки
герметизуючій поверхні її кінець має конічну ділянку, яка відповідає половині
довжини різьбового з’єднання. Тому у муфтовому з’єднанні обсадних труб з
герметизуючим елементом можна виділити 5 характерних ділянок і 4 крайові
перетини їх опирання.
Ділянка 0 довжиною 2b відповідає центральній частині з’єднання між вільними
торцями труб. На цій ділянці муфти має місце перерізування зустрічних ділянок
різьби, що спотворює її профіль. Для усунення цього перерізування стандартом
[27] передбачено розточування виточки до діаметра впадин різьби. Тому ділянку 0
муфти можна прийняти циліндричною з радіусом серединної поверхні Rm0 і товщиною
стінки Sm0. А ділянка 0 герметизуючого елемента є циліндричною з розмірами
відповідно RK0 і SK0.
Рис. 2.1. Схема взаємодії ділянок муфти (M), труби (T) і герметизуючого
елемента (K) у новому з’єднанні:
ділянки муфти M0...M3, труби T1...T4 і елемента K0, K1; 1-1, 2-2, 3-3, 4-4 –
крайові перетини ділянок;
Р1, Р2, РК – контактні тиски на ділянках взаємодії.
Ділянка 1 довжиною l1 відповідає конічній герметизуючій поверхні елемента і
труби. Конструктивно радіус конуса герметизуючого елемента виконано більшим на
величину Д1 за радіус відповідного конуса труби, що утворює геометричний натяг
Д1 на герметизуючих поверхнях при згвинчуванні з’єднання. Необхідно врахувати,
що на ділянці 1 радіус серединної поверхні Ri1 та товщина стінки Si1 лінійно
змінюються вздовж осі х:
– Rm1 і Sm1 муфти внаслідок конусності різьби;
– RK1 і SK1 елемента внаслідок конусності герметизуючої поверхні;
– Rt1 і St1 труби внаслідок обох причин.
В перетині 1 торець труби вільний, а у муфти і герметизуючого елемента
відбувається зміна (стрибок) радіуса і товщини. В перетині 2 у герметизуючого
елемента вільний торець, а у труби – стрибок Rt і St.
Ділянка 2 довжиною l2 відповідає стандартним значенням радіуса Rt2 і та товщини
St2 стінки муфти і труби. Слід зауважити, що внаслідок натягу згвинчування Д
товщину стінки муфти і труби треба прийняти від середнього радіуса різьби у
з’єднанні [17, 65] по всій її довжині (на ділянках 1 і 2), а внаслідок
конусності різьби – як лінійну функцію від координати х.
Ділянка 3 довжиною включає у муфти виточку, яка утворює ци­ліндричне кільце з
постійними радіусом Rm3 і товщиною Sm3 стінки та віль­ним торцем в перетині 4,
а у труби – збіг різьби до перетину 4. З огляду на невелику довжину l3 зміною
радіуса різьби на ділянці 3 можна знехтувати, а товщину труби прийняти St3 по
впадині різьби посередині ділянки 3.
Починаючи від перетину 3 труба є циліндричною і має стандартні значення радіуса
Rt3 і товщини St3 стінки. Тому в перетинах 3 і 4 є стрибок радіуса і товщини
стінки муфти і труби.
Такі конструктивні особливості муфтового з’єднання обсадних труб з
герметизуючим елементом визначають особливості пружно-деформовано­го стану його
ділянок та їх взаємодії у з’єднанні з натягом.
Внаслідок натягу Д у різьбі при згвинчуванні радіус муфти збільшується, а труби
– зменшується. Внаслідок натягу Д1 в ущільненні радіус
герметизуючого елемента зменшується, а труби – повинен збільшуватись. Умови
опирання ділянок муфти, труби і герметизуючого елемента в крайових перетинах 1,
2, 3 і 4 різні (рис. 2.1), що зумовлює різну величину вигинів країв кожної
ділянки з’єднання. Оскільки довжина ділянок 2b, l1, l2, l3 у стандартних
обсадних труб і муфт не більша половини довжини їх згвинчування, то крайові
вигини не затухають на довжині ділянок. Тому має місце значний взаємний вплив
радіальних деформацій стінок не тільки на суміжних, але й на несуміжних
ділянках з’єднання.
У свердловині діють такі експлуатаційні чинники, як внутрішній PV і зовнішній
(затрубний) PZ тиски, підвищена температура T, які впливають на
пружно-деформований стан елементів розглянутого з’єднання. Тиск PV, діючи
зсередини, збільшує радіуси труби і герметизуючого елемента, чим збільшує
натяги у різьбі Д та на герметизуючих поверхнях Д1. Зовнішній тиск PZ, діючи на
муфту, зменшує її радіус, чим теж збільшує натяг Д у різьбі і, очевидно, в
ущільненні Д1 (внаслідок зменшеної жорсткості
конічної ділянки 1 труби). З другого боку, тиск PZ зменшує радіус труби на
ділянках 3 і 4, що зменшує натяг Д у різьбі на ділянці 2 (рис. 2.1). Якщо
герметизуючий елемент виготовлено з іншого матеріалу, ніж муфта і труба, то
внаслідок різниці коефіцієнтів лінійного розширення і підвищеної температури T
змінюється натяг Д1 в ущільненні (ділянка 1).
Встановлено [65], що осьове навантаження Q, яке діє на обсадну колону та її
муфтові з’єднання, внаслідок гострокутного профілю різьби викликає радіальні
деформації стінок муфти і труби. Така зміна радіуса труби на ділянці 1
призводить до зміни натягу Д1 в ущільненні.
Таким чином, незважаючи на початковий рі