лифтовая теплоизолированная труба

Формула изобретения

Лифтовая теплоизолированная труба, включающая концентрично расположенные секции наружных и теплоизолированных внутренних труб с узлами соединения, каждый из которых состоит из муфты, уплотнителя и торцовой диафрагмы, в кольцевом пространстве между секциями внутренних и наружных труб размещен теплоизолирующий материал, отличающаяся тем, что каждый из узлов соединения дополнительно содержит соединительное кольцо, наружное ступенчатое контрольное кольцо, выполненное в виде конусной втулки, внутреннее контрольное кольцо и буферное кольцо, при этом торцовая диафрагма выполнена в виде образующих цилиндрическую обечайку двух смежных четвертьторовых верхних и нижних частей, соединенных между собой в стык, которые развернуты относительно друг друга на 180^о, причем с одного конца наружные и внутренние секции труб связаны при помощи наружного ступенчатого контрольного кольца, внутреннего контрольного кольца и торцовой диафрагмы, при этом часть торцовой диафрагмы, образующая цилиндрическую обечайку, имеющая меньший диаметр, соединена в стык с буртиком внутренней трубы, а часть торцовой диафрагмы, имеющая больший диаметр – с буртиком наружного ступенчатого контрольного кольца со стороны его фигурного торца, причем внутреннее контрольное кольцо и наружное ступенчатое контрольное кольцо с одной стороны жестко закреплены к боковой поверхности наружной трубы, а наружное ступенчатое контрольное кольцо с другой стороны установлено с возможностью скольжения по внутренней трубе, причем c другого конца внутренние и наружные секции труб, в каждом узле соединения, жестко связаны между собой при помощи соединительного кольца, а в каждом узле соединения уплотнитель установлен между соединительным и наружным ступенчатым контрольным кольцами.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности, нефтегазодобыче, в частности к скважинному оборудованию нефтегазовых месторождений, и может быть использовано при обустройстве эксплуатационных скважин в зоне вечной мерзлоты, добыче термальных вод, закачке пара в залежи с высоковязкой нефтью и в других отраслях народного хозяйства для теплоизоляции трубопроводов.

Известна лифтовая теплоизоляционная труба, включающая концентрично расположенные несущую трубу и кожух с теплоизолирующим материалом в кольцевом зазоре между ними, которые соединяются между собой четвертьторовыми торцевыми диафрагмами. Длина кожуха подбирается таким образом, чтобы при стыковке между собой оставался первоначальный расчетный зазор =2-5 мм (1).

Недостатком известной конструкции лифтовых теплоизолированных труб является, прежде всего, установка и крепление четвертьторовых диафрагм в торцах несущей трубы и кожуха таким образом, что жесткое соединение (сварка) их возможно только лишь лобовым швом. Как известно, лобовые швы под действием осевого усилия находятся в более сложном напряженном состоянии, чем другие швы. В таком шве одновременно возникают напряжения от осевой силы изгиба и среза. С другой стороны, четвертьторовые диафрагмы на изгиб работают значительно хуже, чем, например, синусоидальной формы, т.к. в таких формах (конструкциях) напряжения (растяжение, сжатие) на наружной и внутренней стенках более равномерно, чем четвертьторового, поэтому длина рабочего хода диафрагмы известной конструкции ограниченна из-за прочности самой формы диафрагмы и свариваемого шва, что ограничивает область его применения.

Известна лифтовая теплоизоляционная труба, принятая за прототип, включающая концентрично расположенные секции наружных и теплоизолированных внутренних труб с узлами соединения, каждый из которых состоит из муфты, уплотнителя и торцовой диафрагмы, в кольцевом пространстве между секциями внутренних и наружных труб размещен теплоизолирующий материал (2).

Недостатком известной конструкции является низкая надежность работы в условиях значительных температур и давлений.

Задачей изобретения является повышение надежности работы в условиях значительных температур и давлений.

Поставленная задача решается тем, что в лифтовой теплоизолированной трубе, включающей концентрично расположенные секции наружных и теплоизолированных внутренних труб с узлами соединения, каждый из которых состоит из муфты, уплотнителя и торцовой диафрагмы, в кольцевом пространстве между секциями внутренних и наружных труб размещен теплоизолирующий материал, согласно изобретению каждый из узлов соединения дополнительно содержит соединительное кольцо, наружное ступенчатое контрольное кольцо, выполненное в виде конусной втулки, внутреннее контрольное кольцо и буферное кольцо, при этом торцовая диафрагма выполнена в виде образующих цилиндрическую обечайку двух смежных четвертьторовых верхних и нижних частей, соединенных между собой встык, которые развернуты относительно друг друга на 180^о, причем с одного конца наружные и внутренние секции труб связаны при помощи наружного ступенчатого контрольного кольца, внутреннего контрольного кольца и торцовой диафрагмы, при этом часть торцовой диафрагмы, образующая цилиндрическую обечайку, имеющая меньший диаметр, соединена встык с буртиком внутренней трубы, а часть торцовой диафрагмы, имеющая больший диаметр, – с буртиком наружного ступенчатого контрольного кольца со стороны его фигурного торца, причем внутреннее контрольное кольцо и наружное ступенчатое контрольное кольцо с одной стороны жестко закреплены к боковой поверхности наружной трубы, а наружное ступенчатое контрольное кольцо с другой стороны установлено с возможностью скольжения по внутренней трубе, причем другого конца внутренние и наружные секции труб в каждом узле соединения жестко связаны между собой при помощи соединительного кольца, а в каждом узле соединения уплотнитель установлен между соединительным и наружным ступенчатым контрольным кольцами.

Существенными отличительными признаками заявленного изобретения в сравнении с прототипом являются:

- торцевые диафрагмы выполнены в виде двух четвертьторовых, верхней и нижней частей, соединенных между собой встык, при этом смежные четвертьторовые части диафрагмы как бы развернуты относительно друг друга на 180^о в разрезе либо противоположные сдвинуты на ширину четвертьторовой части и за минусом толщины стенки и жестко соединены к одному из торцов секций лифтовой теплоизолированной трубы;

- диафрагмы цилиндрической обечайки меньшим диаметром соединены встык с буртиком обточенной части кожуха, а большим - с буртиком наружного ступенчатого контрольного кольца, со стороны его фигурного торца, жестко установленного к торцу наружной несущей трубы и скользящее - подвижное с кожухом;

- наружное ступенчатое контрольное кольцо выполнено в виде конусной втулки со ступицей, при этом радиус сопряжения конусовой образующей со ступицей не превышает внутреннего сопрягаемого радиуса торцевой диафрагмы, причем расстояние от торца рабочей поверхности до меньшего диаметра внутреннего конуса кольца должно быть не менее половины рабочего хода диафрагмы.

Выполнение торцевой диафрагмы в виде двух четвертьторовых, верхней и нижней частей, соединенных между собой встык, и жесткое соединение (сваркой) к одному из торцов секций лифтовой теплоизолированной трубы, причем меньшим диаметром цилиндрической обечайки диафрагмы встык с буртиком обточенной части кожуха, а большим - с буртиком наружного ступенчатого контрольного кольца, жестко установленного к торцу несущей трубы и скользяще - подвижно с кожухом, а также выполнение ступенчатого наружного контрольного кольца в виде конусной втулки со ступицей и конусной образующей, и радиусом сопряжения их не более внутреннего радиуса торцевой диафрагмы, и расстоянием от рабочего торца до меньшего диаметра внутреннего конусного диаметра кольца не менее половины рабочего хода диафрагмы. Все это вместе взятое значительно увеличивает возможность деформации торцевой диафрагмы, т.е. позволяет увеличивать рабочий ход диафрагмы до S=12-15 мм при расширении (удлинении) нагретого металла кожуха, сохраняя при этом механическую прочность и тем самым повышая надежность лифтовой теплоизолированной трубы.

Кроме того, как видно из указанного выше (см. чертеж), в предложенном изобретении соединительные швы торцевой диафрагмы с торцом секции лифтовой теплоизолированной трубы выполнены встык. При сварке встык шов заменяет основной металл элемента в месте соединения. Значит шов работает на растяжение. В прототипе соединение торцевой диафрагмы с несущей трубой и кожухом производится лобовыми швами, работающими на сложный изгиб, поэтому здесь (в прототипе) швы рассчитываются условно на срез.

Сопоставляемый с прототипом анализ показывает следующее: например, расчетные сопротивления сварных соединений для стали класса G46/33 ^швстык = 29 кН/см^{2 лоб.}_ш=17 кН/см² (см. А.А.Васильев. Металлические конструкции. Москва. Стройиздат, 1975. Табл. V.5).

Это дополнительно повышает не только жесткостную характеристику компенсатора линейного расширения (удлинения) - торцевой диафрагмы, но и позволяет значительно увеличить (повысить) ее циклическую долговечность.

Вышеприведенные существенные отличительные признаки нам были не известны из патентной и научно-технической информации и в совокупности с известными позволяют решить задачу, поставленную изобретателями, и в связи с этим мы считаем заявленные существенные отличительные признаки “Новыми”.

Заявленное техническое решение соответствует критерию “Изобретательный уровень”, так как является не очевидным для специалиста данной отрасли, а именно горнодобывающей промышленности и нефтегазодобычи.

Заявленное техническое решение является “Промышленно применимым”, так как на него выполнены рабочие чертежи и проведены стендовые испытания в заводских (лабораторных) условиях, а внедрение его не представляет никаких осложнений.

На чертеже изображена лифтовая теплоизолированная труба, разрез.

Лифтовая теплоизолированная труба состоит из секций (коаксиально) расположенных наружных труб 1 (несущих), внутренних труб 2 (кожухов) и торцевых диафрагм - компенсаторов температурного расширения 3. Между наружными 1 и внутренними 2 трубами размещен теплоизолирующий материал 4. Трубы имеют узлы соединения, состоящие из муфт 5, соединительных (центрирующих) колец 6, уплотнителя 7, наружного ступенчатого контрольного кольца 8, внутреннего контрольного кольца 9 и круглого сечения в разрезе буферных колец 10 (бандажей).

Торцевые диафрагмы 3 выполнены в виде двух четвертьторовых, верхней и нижней частей, соединенных между собой встык, при этом смежные четвертьторовые части диафрагмы как бы раздвинуты относительно друг друга на 180^о в разрезе либо противоположные сдвинуты на ширину четвертьторовой части за минусом толщины стенки, и жестко соединены к одному из торцов секций лифтовой теплоизолированной трубы, причем диафрагмы цилиндрической обечайки меньшим диаметром соединены встык с буртиком обточенной части внутренней трубы 2 (кожуха), а большим - с буртиком наружного ступенчатого контрольного кольца 8, со стороны его фигурного торца, жестко установленного к торцу наружной (несущей) трубы 1 и скользяще-подвижно с внутренней трубой 2 (кожухом). Наружные 1 и внутренние 2 трубы с другого конца жестко соединены между собой при помощи соединительных (центрирующих) колец 6. Наружное ступенчатое контрольное кольцо 8 выполнено в виде конусной втулки со ступицей, при этом радиус сопряжения конусовой образующей со ступицей не более внутреннего сопрягаемого радиуса торцевой диафрагмы 3, причем расстояние от торца рабочей поверхности до меньшего диаметра внутреннего конуса кольца 8 должно быть не менее половины рабочего хода диафрагмы.

Внутреннее контрольное кольцо 9 выполнено в виде уголка с внутренней (охватывающей) поверхностью радиусом, равным радиусу наружной поверхности большого диаметра торцевой диафрагмы 3, и установлено жестко на внутренней стенке наружной 1 (несущей) трубы с другой стороны диафрагмы с зазором, достаточным для перемещения нижней части диафрагмы на рабочий ход (удлинение внутренней трубы 2 - кожуха). Для улучшения условий работы изгибающих поверхностей торцевой диафрагмы 3 (компенсатора температурного расширения) на цилиндрической части обечайки ее меньшего диаметра жестко установлено круглое буферное кольцо (бандаж) 10. Длина внутренней трубы подбирается таким образом, чтобы после свинчивания (стыковки) оставался первоначальный зазор не менее длины (l_t) температурного удлинения (расширения) внутренней трубы при закачке теплоносителя по внутренней трубе. Муфты 5 герметично соединяют наружные трубы 1, а уплотнительные кольца 7 (уплотнители) плотно зажаты между соединительными (центрирующими) 6 и контрольными 8 кольцами.

Изготовление и работа лифтовой термоизолированной трубы заключается в следующем. Сначала к буртику наружного ступенчатого контрольного кольца 8 со стороны его фигурного торца устанавливают торцевую диафрагму 3 большим диаметром цилиндрической обечайки и встык с этим буртиком производят сварку прочно-плотным швом. Затем на малый диаметр цилиндрической обечайки торцевой диафрагмы 3 устанавливают (надевают) круглое буферное кольцо 10. Таким образом подготовленный сборочный узел - компенсатор температурного расширения (торцевая диафрагма 3 с контрольным кольцом 8 и круглым буферным кольцом 10) - устанавливают малым диаметром цилиндрической обечайки торцевой диафрагмы 3 к одному из концов внутренней трубы 2 (со стороны обточенной части) секций лифтовой теплоизолированной трубы 2 и предварительно насаженное круглое буферное кольцо 10 жестко крепят на цилиндрической части торцевой диафрагмы 3, а к другому концу внутренней трубы 2 встык приваривают прочно-плотным швом соединительное кольцо 6, предварительно установив контрольное кольцо 9 на большом диаметре цилиндрической обечайки торцевой диафрагмы 3.

На внутреннюю трубу 2, на участке между соединительным (центрирующим) кольцом 6 и торцевой диафрагмы 3 (компенсатора температурного расширения 3, 8, 9, 10), наматывают чередующиеся слои теплоизолирующего материала 4, фольги и базальтового холста. Последний наружный слой закрепляют проволочными бандажами. Затем на внутреннюю трубу 2 с соединительным кольцом 6, теплоизолирующим материалом 4 и компенсатором температурного расширения 3 (торцевой диафрагмой, контрольными кольцами 8, 9 и круглым буферным кольцом 10) надевают наружную трубу 1 и приваривают к ней соединительное 6 и контрольное 8 кольца. При этом предварительно в наружной трубе 1 со стороны торцевой диафрагмы 3 с контрольным кольцом 8 выполняют расточку с буртиком под контрольное кольцо 9.

Полученные теплоизолированные секции труб собирают в колонну и спускают в скважину как обычные насосно-компрессорные трубы (НКТ), предварительно устанавливая между соединительными 6 и контрольными 8 кольцами уплотнения (эластичный материал-кольцо) и свинчивают муфтами 5 на наружных трубах 1. При этом зазор между стыками взаимосвязанных телескопически внутренних труб 2 должен составлять после сборки не менее длины термического удлинения 1 внутренней трубы 2 (кожуха).

При постоянном или периодическом нагнетании теплоносителя в нефтяной пласт через лифтовую теплоизолированную трубу (колонну) линейные размеры внутренних труб 2 увеличиваются или уменьшаются, т.к. внутренняя труба 2 одним концом связана с наружной трубой 1 через соединительное кольцо 6 жестко, а другим скользяще подвижно. При этом внутренние трубы 2 в колонне между собой связаны телескопически, а компенсаторы температурного расширения 3 (торцевые диафрагмы), выполненные в виде двух четвертьторовых (см. как описано выше), компенсируют изменения осевых линейных размеров внутренних труб.

Преимущество заявленного изобретения в сравнении с прототипом заключается в снижении материальных затрат на оборудование скважин за счет увеличения долговечности службы лифтовой теплоизолированной трубы и возможности работы при более повышенных температурах и давлениях теплоносителя. В связи с этим увеличивается также и область применения.

Источники информации

1. Патент Российской Федерации RU 2065919 7 МПК, Е 21 В 17/00, 36/00, опубл. 27.08.96. Бюл. №24.

2. SU 857425 A, Е 21 В 17/00, 28.08.1981, 3 с. (прототип).