UA73192C2 - Tubular threaded joint with reinforced stop - Google Patents

Description

Опис винаходу

Даний винахід стосується трубних нарізних з'єднань, утворених охоплюваним нарізним елементом, який 2 розташований на кінці першої труби і який з'єднується за допомогою згвинчування з охоплюючим нарізним елементом, який розташований на кінці другої труби.

Такі трубні з'єднання використовуються, зокрема, для формування колон обсадних труб або колон експлуатаційних труб, а також колон бурильних труб, призначених для використання у свердловинах, що забезпечують видобуток вуглеводнів, або у геотермічних свердловинах. 70 Охоплювані та охоплюючі нарізні елементи можуть бути розташовані, кожний, на одному з кінців труб великої довжини, причому охоплюваний нарізний елемент однієї труби загвинчується в охоплюючий нарізний елемент іншої труби для того, щоб утворити так зване інтегральне нарізне з'єднання.

Відповідно до альтернативного варіанту реалізації, охоплювані нарізні елементи можуть бути розташовані на кожному з двох кінців труб великого діаметра, причому ці нарізні елементи з'єднуються один з одним за 19 допомогою короткого відрізка труби або трубної муфти, на кінцях якої виконані два охоплюючих нарізних елемента. Таке нарізне з'єднання між двома трубами великої довжини носить назву "муфтового нарізного з'єднання" і має у своєму складі два трубних нарізних з'єднання.

Кажучи більш конкретно, даний винахід стосується так званих нарізних з'єднань вищої якості, які мають у своєму складі поверхні або опорні зони герметизації, яка реалізовується в контакті металу з металом, взаємодіючі одне з одним у радіальному напрямку і зв'язані з поверхнями упора, призначеними, зокрема, для забезпечення точного позиціонування цих поверхонь герметизації.

Такі ефективні нарізні з'єднання описані, наприклад, у патентному документі ЕР 488912, забезпечують герметичність нарізних з'єднань по відношенню до текучих середовищ у різних конфігураціях їх використання (вплив осьового розтягування або осьового стиснення, вплив внутрішнього або зовнішнього тиску, вигину і т.п.). с

Новітні технології буріння свердловин, які можуть проходити похило або навіть горизонтально, вимагають Ге) повороту колони труб і, відповідно, нарізних з'єднань цих труб, в процесі опускання колони труб в свердловину.

У такій технології буріння необхідно згвинчувати нарізні трубні з'єднання з досить високими моментами затягування, які в будь-якому випадку є значно більш високими, ніж моменти крутіння, виникаючі в процесі опускання колони труб в свердловину, причому в іншому випадку позиціонування поверхонь герметизації може с бути змінене несприятливим чином і дане нарізне з'єднання може давати течу. Ге»)

Внаслідок рівнів моменту затягування нарізних з'єднань, а також згинальних зусиль в частинах даної колони труб, що зазнають вигину внаслідок особливостей геометрії даної свердловини (свердловини з напрямком, що -- змінюється), поверхні упора зазнають впливу досить великих зусиль. со

У більш конкретному випадку реалізації, який відповідає колонам обсадних труб або колонам експлуатаційних труб, свердловина забезпечена декількома концентричними колонами труб і внутрішні та - зовнішні діаметри труб, які утворюють ці колони, істотним чином обмежені для того, щоб забезпечити можливість використання максимального числа вставлених одна в одну колон труб в свердловині.

Поверхні упора цих нарізних з'єднань, які являють собою поверхні, орієнтовані по суті перпендикулярно по « відношенню до подовжньої осі нарізних елементів, мають, таким чином, обмежену товщину у радіальному З 70 напрямку і зазнають, у разі таких нарізних з'єднань, дуже високих механічних напружень, які можуть призвести с до пластичної деформації цих упорів.

Із» З патентних документів МО 94/29627 та МО 00/14441 відомі трубні нарізні з'єднання, які забезпечують можливість згвинчування з дуже високим моментом затягування даного нарізного з'єднання, який частково або повністю виконує функцію взаємного упора бокових частин нарізних елементів, що з'єднуються один з одним.

У даному винаході зроблена спроба створити ефективне трубне нарізне з'єднання, що має пару це. взаємодіючих поверхонь упора, охоплюваної та охоплюючої, особливо стійких по відношенню до пластичної оз деформації, причому без використання для цього функції упора одна в одну бокових поверхонь витків різі.

Були зроблені певні зусилля, спрямовані на те, щоб даний винахід міг бути застосований до трубних - нарізних з'єднань з одним або декількома упорами для кожного нарізного елемента, але в яких основний упор

Те) 20 (тобто упор, який першим входить в упорний контакт і який виявляється внаслідок цього найбільш навантаженим) виконаний на вільному фронтальному кінці охоплюваного нарізного елемента і виконаний о відповідним чином також на охоплюючому нарізному елементі.

Також потрібно зазначити, що даний винахід може бути застосований до трубного нарізного з'єднання будь-якого типу з будь-якою формою витків різі або з будь-якою формою поверхні герметизації. 52 Трубне нарізне з'єднання, виконане відповідно до даного винаходу, містить охоплюваний нарізний елемент,

ГФ) виконаний на кінці першої труби і охоплюючий нарізний елемент, виконаний на кінці другої труби.

Охоплюваний нарізний елемент містить охоплювану або зовнішню різь і закінчується охоплюваною кромкою. о Ця охоплювана кромка містить: - зовнішню периферійну поверхню, на якій виконана охоплювана опорна поверхня герметизації, 60 - охоплювану кільцеву поверхню упора, яка має по суті поперечне розташування, розміщена в безпосередній близькості від охоплюваної опорної поверхні герметизації, зв'язана безпосередньо з цією поверхнею і утворена фронтальною поверхнею вільного кінця цього охоплюваного нарізного елемента, - внутрішню периферійну поверхню.

У цьому випадку під поверхнею, що має по суті поперечне розташування, потрібно розуміти як плоскі, так і бо такі, що не є плоскими, наприклад, конічні, поверхні, твірна яких розташована не більш, ніж на 302 від площини,

перпендикулярної по відношенню до подовжньої осі даного нарізного з'єднання.

Охоплюючий нарізний елемент містить призначені для взаємодії з відповідними засобами охоплюваного нарізного елемента охоплюючу різь, внутрішню периферійну поверхню, на якій виконана охоплююча опорна поверхня герметизації, і охоплюючий круговий виступ.

Цей охоплюючий круговий виступ містить кільцеву охоплюючу упорну поверхню по суті поперечного розташування, яка розміщена рядом і зв'язана з охоплюючою опорною поверхнею герметизації і яка визначає кільцеву зону охоплюючого виступу, яка зазнає впливу осьових зусиль стиснення, виникаючих внаслідок взаємного механічного контакту між охоплюваною упорною поверхнею і охоплюючою упорною поверхнею. 70 Охоплювана різь загвинчується в охоплюючу різь аж до того моменту, коли охоплювана упорна поверхня увійде в упорний контакт з охоплюючою упорною поверхнею, причому в цьому випадку охоплювана опорна поверхня герметизації взаємодіє у радіальному напрямку з охоплюючою опорною поверхнею герметизації.

Відповідно до однієї з відмітних особливостей даного винаходу кільцева зона охоплюючого кругового виступу містить внутрішню периферійну поверхню, внутрішній діаметр якої, знаходячись щонайменше частково у безпосередній близькості від охоплюючої упорної поверхні, є меншим, ніж діаметр внутрішньої периферійної поверхні охоплюваної кромки, причому відношення К двох цих діаметрів має величину, яка менше 1, але більше або дорівнює 0,9.

Така характеристика забезпечує зменшення еквівалентного механічного напруження Моп Мізез у кільцевій зоні охоплюючого уступу, яке перевищує, в численних нарізних з'єднаннях існуючого рівня техніки в даній

Області, еквівалентне механічне напруження в охоплюваному упорі через тривісне розташування механічних напружень, що утворюються сусідніми опорними поверхнями герметизації: всі основні механічні напруження в охоплюваному упорі по суті являють собою напруження стиснення, тоді як у кільцевій зоні охоплюючого уступу одне тільки осьове напруження являє собою напруження стиснення, а два інших основних напруження являють собою напруження розтягування. с

Ця відмітна особливість дозволяє також зберегти достатній внутрішній прохідній діаметр у такому трубному нарізному з'єднанні. і)

Відомі патентні документи ЕК 1488719 та ЕК 1489013, в яких показано, на деяких з наведених в них фігурах, трубне нарізне з'єднання, яке має упори і опорні поверхні герметизації і яке містить охоплювану кромку на кінці охоплюваного нарізного елемента та охоплюючий круговий виступ на охоплюючому нарізному елементі, су зо причому внутрішній діаметр внутрішньої периферійної поверхні кільцевої зони охоплюючого кругового виступу, розташований частково в безпосередній близькості від поверхні охоплюючого упора, є меншим, ніж діаметр б» внутрішньої периферійної поверхні охоплюваної кромки. «-

При цьому ніякі межі величини відношення цих діаметрів в цих двох документа не вказані.

Крім того, у патентному документі ЕК 1489013, ніяка функція не зв'язана з відмінністю цих внутрішніх ме) діаметрів. Можна тільки передбачити, що менший діаметр внутрішньої периферійної поверхні кільцевої зони ї- охоплюючого кругового виступу є наслідком збільшення товщини труби внаслідок деформації, здійснюваної для формування охоплюючого нарізного елемента.

У патентному документі ЕК 1488719, який стосується нарізних з'єднань для обсадних труб, кільцева зона охоплюючого кругового виступу має внутрішній діаметр, менший, ніж діаметр охоплюваної кромки, для того, щоб «

Виключити пошкодження охоплюваних кромок і, отже, порушення герметизації нарізного з'єднання, внаслідок з с ударів, виникаючих в процесі опускання колон бурильних труб всередину колони обсадних труб. Функція різниці внутрішніх діаметрів є, таким чином, абсолютно іншою, ніж у випадку даного винаходу. ;» Переважно, величина відношення К підпорядковується наступному виразу: т-во в якому 5 являє собою відношення між діаметром зовнішнього краю охоплюваної упорної поверхні і і внутрішнім діаметром охоплюваної кромки. оз Ця характеристика має тенденцію мінімізувати розходження еквівалентного механічного напруження між охоплюваним упором і кільцевою зоною охоплюючого кільцевого виступу і дозволяє внаслідок цього - оптимізувати геометричні параметри нарізного з'єднання, виконаного відповідно до даного винаходу. (Те) 250 Переважно, внутрішня периферійна поверхня охоплюючого кругового виступу трубного нарізного з'єднання відповідно до даного винаходу має мінімальний діаметр в точці, де ця внутрішня периферійна поверхня ї» перериває так звану конічну поверхню максимального зсуву, яка визначається таким чином: - конічна поверхня визначається половиною кута з вершиною 45 92 і є коаксі(аальною по відношенню до охоплюючого нарізного елемента, 59 - діаметр конічної поверхні зменшується у кільцевій зоні охоплюючого кругового виступу по мірі віддалення

ГФ) від охоплюючої упорної поверхні, т - поверхня проходить через зовнішній край охоплюючої упорної поверхні. Також переважно, діаметр внутрішньої периферійної поверхні охоплюючого кругового виступу на своєму кінці, розташованому з боку охоплюючої поверхні упора, дорівнює внутрішньому діаметру внутрішньої периферійної поверхні охоплюваної бо кромки.

Переважно, внутрішня периферійна поверхня охоплюючого кругового виступу представляє першу так звану перехідну частину, внутрішній діаметр якої поступово зменшується у напрямку від охоплюючої поверхні упора, а потім другу циліндричну частину, яка має мінімальний внутрішній діаметр.

Можна визначити точку з'єднання між перехідною частиною і циліндричною частиною внутрішньої бо периферійної поверхні охоплюючого кругового виступу.

Також переважно, ця точка з'єднання розташована по суті на половині осьової відстані між, з одного боку, кінцем перехідної частини розташованого з боку охоплюючої поверхні упора, а з іншого боку, точкою перетину внутрішньої периферійної поверхні охоплюючого кругового виступу з конічною поверхнею максимального зсуву.

Інші ознаки і переваги даного винаходу будуть краще зрозумілі з наведеного нижче докладного опису з посиланням на прикладені креслення, на яких: - на Фіг.1 зображений схематичний вигляд муфтового нарізного з'єднання відповідно до існуючого рівня техніки в даній області. - на Фіг.2 зображений схематичний вигляд деталі муфтового нарізного з'єднання, показаного на Фіг.1, на 7/о Вівні охоплюваного та охоплюючого упорів. - на Фіг.3 зображений схематичний вигляд деталі нарізного з'єднання відповідно до даного винаходу. - на Фіг.А4 зображений збільшений схематичний вигляд деталі нарізного з'єднання відповідно до даного винаходу, показаної на Фіг.3. - на Фіг.5 зображений схематичний вигляд варіанту деталі, показаної на Фіг.4. - на Фіг.6 зображена діаграма надмірного затягування при згвинчуванні, яка показує значення моменту затягування при згвинчуванні в функції числа обертів аж до виникнення пластичної деформації упорів.

На Фіг.1 та 2 показане муфтове нарізне з'єднання, виконане відповідно до існуючого рівня техніки в даній області, між двома сталевими трубами великої довжини 10 і 10.

На кожному кінці труб 10, 10 виконаний охоплюваний нарізний елемент 11, 11". При цьому охоплюваний нарізний елемент 11 містить конічну різь 12 і закінчується зі сторони свого вільного кінця охоплюваною кромкою 18.

Ця охоплювана кромка 18 містить: - зовнішню периферійну поверхню, на якій виконана охоплювана опорна поверхня герметизації 13, що є конічною і нахиленою, наприклад, під кутом 202 по відношенню до осі ХХ даного нарізного елемента; сч - кільцеву упорну поверхню 16 по суті поперечного розташування, утворену фронтальною поверхнею вільного кінця охоплюваного нарізного елемента. Ця охоплювана поверхня упора 16 примикає до охоплюваної о опорної поверхні герметизації 13, приєднаної до неї за допомогою тороїдальної поверхні малого радіуса, що має величину порядку одного міліметра для того, щоб не допустити забезпечення ламкості цього з'єднання.

Охоплюваний упор 14 у даному прикладі реалізації являє собою так званий зворотний упор або упор з Га

Зо негативним кутом, упорна поверхня 16 якого являє собою увігнуту конічну поверхню, що має половину кута при вершині в 752, яка утворює, відповідно, кут 152 з перпендикуляром до осі ХХ; б» - внутрішню периферійну поверхню 17, що має внутрішній діаметр ІОр і виконану за допомогою механічної - че обробки таким чином, щоб забезпечити збіг осі цієї поверхні 17 з віссю даного охоплюваного нарізного елемента при будь-яких можливих змінах товщини труб 10. Ця поверхня 17 з'єднана, з однієї сторони, із звичайною о внутрішньою периферійною поверхнею труби 10, а з іншої сторони, з охоплюваною упорною поверхнею 1б в щ зе точці В.

У даному прикладі реалізації з'єднання труб 10 і 10 виконане за допомогою муфти 20, яка містить два охоплюючих нарізних елемента 21, 21", розташовані симетрично на кожному з кінців цієї муфти 20. «

Охоплюючі нарізні елементи 21, 21" містять засоби, розташовані таким чином, щоб взаємодіяти з Ввідповідними засобами охоплюваних нарізних елементів 11, 11" для утворення двох трубних нарізних з'єднань 1 - с та т. ц Внаслідок повної симетричності даного вузла муфтового з'єднання двох труб далі буде описане тільки одне "» нарізне з'єднання 1.

Охоплюючий нарізний елемент 21 містить охоплюючу різь 22, яка відповідає охоплюваній різі 12, причому внутрішня периферійна поверхня цього нарізного елемента містить охоплюючу конічну опорну поверхню -І герметизації 23 і охоплюючий круговий виступ, забезпечений охоплюючою упорною кільцевою поверхнею 26, яка має по суті поперечне розташування і утворена опуклою конічною поверхнею з половиною кута при вершині, о який дорівнює 7552. - Охоплююча поверхня упора 26 примикає до охоплюючої опорної поверхні герметизації 23 і з'єднана з нею за с 50 допомогою тороїдальної поверхні малого радіуса для того, щоб виключити, як і для охоплюваного нарізного елемента, ламкість в цьому з'єднанні. що) Точка А визначає зовнішній край охоплюючої упорної поверхні 26 і, отже, кореневу частину охоплюючого кругового виступу з боку охоплюючої опорної поверхні герметизації 23. Цей край співпадає із зовнішнім краєм охоплюваної упорної поверхні 16.

У зістикованому положенні даного нарізного з'єднання охоплювана різь 12 загвинчена в охоплюючу різь 22 аж до того моменту, коли охоплюваний упор 14 буде упиратися під певним контактним тиском в охоплюючий упор о 24. іме) Поперечне розташування поверхонь упора 16, 26 дозволяє розташувати охоплюваний нарізний елемент 11 по відношенню до охоплюючого нарізного елемента 21, причому їх відносне положення визначається дуже точно бо за допомогою величини моменту затягування при згвинчуванні.

У змонтованому положенні нарізного з'єднання охоплювана опорна поверхня герметизації 13 взаємодіє у радіальному напрямку з охоплюючою опорною поверхнею герметизації 23. Це означає, що для відповідних поперечних перетинів охоплюваної та охоплюючої опорних поверхонь герметизації діаметр охоплюваної опорної поверхні перед згвинчуванням даного нарізного з'єднання трохи перевищує діаметр охоплюючої опорної 65 поверхні.

Така взаємодія у радіальному напрямку призводить до виникнення високого контактного тиску між опорними поверхнями герметизації 13, 23. Цей контактний тиск забезпечує виконання даного нарізного з'єднання герметичним по відношенню до внутрішніх або зовнішніх текучих середовищ, незважаючи на різні механічні впливи, що відчуваються ним (наприклад, внутрішній або зовнішній тиск, зусилля розтягування, стиснення, Згинальне зусилля, і все це при наявності циклічних змін температури або без таких змін і т.п.), як прості, так і у різних сполученнях.

Високий рівень моменту затягування при згвинчуванні нарізного з'єднання є необхідним для того, щоб виключити всіляку можливість повороту охоплюваного нарізного елемента 11 по відношенню до охоплюючого нарізного елемента 21 після остаточного згвинчування, зокрема, у тому випадку, коли колоні труб надають 70 обертального руху в процесі її опускання в свердловину.

Цей момент затягування при згвинчуванні забезпечується утворенням осьового тиску металу упорів 14, 24 і він не повинен призводити до пластифікації цих упорів.

Крім того, у випадку буріння з відхиленнями напрямку свердловини згинальні напруження викликають надмірні зусилля осьового стиснення на цих упорах нарізних з'єднань.

Те ж саме буде відбуватися і у тому випадку, коли сама колона труб зазнає впливу зусиль осьового стиснення і/або циклічних змін температури.

У загальному випадку на нарізних з'єднаннях відповідно до існуючого рівня техніки в даній області, як це можна побачити на Фіг.1 і 2, охоплюючий круговий виступ має на своїй вершині внутрішню периферійну циліндричну поверхню 27 з тим самим внутрішнім діаметром, що і внутрішня охоплювана периферійна поверхня 17 охоплюваної кромки 18.

Це дозволяє виключити: - виникнення завихрень в потоку текучого середовища, що переміщається всередині даного нарізного з'єднання, зокрема, на стику між охоплюваним нарізним елементом 11 і охоплюючим нарізним елементом 21, при тому, що ці завихрення спричиняють явище ерозійної корозії; сч - блокування або пошкодження на цьому рівні інструментів або обладнання, що опускаються в процесі експлуатації в дану колону труб. і)

Потрібно зазначити, що в процесі випробувань надмірного затягування при згвинчуванні на нарізних з'єднаннях того типу, який поданий на Фіг.1 і 2, метал кільцевої зони охоплюючого кругового виступу 24 завжди виявлявся пластифікованим раніше, ніж метал охоплюваного упора 14. с зо Це можна пояснити впливом наявності опорної поверхні герметизації, що примикає до упорів, на тривісність механічних напружень, як це показане схематично на Фіг.2. Ме

Якщо розглядати елементарний кубик металу 15 охоплюваного упора 14, то цей кубик 15 зазнає впливу «- сукупності механічних напружень, які можуть бути зведені до трьох основних напружень сАР, сор і ссР відповідно в осьовому, радіальному та окружному напрямках. о

Осьове напруження сАР в основному є наслідком моменту затягування при згвинчуванні і являє собою ї- напруження стиснення (негативний знак).

Радіальне напруження сКкР в основному є результатом радіальної взаємодії між опорними поверхнями герметизації 13, 23 і також являє собою напруження стиснення. Негативний кут зворотних поверхонь 16, 26 « упорів намагається посилити вплив радіальної взаємодії опорних поверхонь герметизації на радіальне напруження скР. - с Окружне напруження СР також в основному є наслідком радіальної взаємодії між опорними поверхнями ч» герметизації 13, 23, яке намагається зменшити діаметр охоплюваної кромки таким чином, що окружне " напруження сСР також являє собою напруження стиснення, і інтенсивність цього напруження також посилюється внаслідок зворотного розташування упорів 14, 24.

Якщо розглядати елементарний кубик металу 25 у кільцевій зоні 24 охоплюючого кругового виступу, то цей - кубик 25 зазнає впливу сукупності трьох основних механічних напружень, таких як: с - осьове напруження СсАВ, яке також являє собою напруження стиснення (негативна величина); - радіальне напруження оКВ, яке в основному є результатом впливу радіальної взаємодії на охоплюючій - опорній поверхні герметизації 23 (і додатково впливу зворотної поверхні упора 26), який являє собою

Те) 20 напруження розтягування (позитивна величина); - окружне напруження сСВ, яке також є результатом радіальної взаємодії на охоплюючій опорній поверхні їз герметизації 23 і впливу зворотної поверхні упора 26, який також являє собою напруження розтягування (позитивна величина).

Однак, відповідно до відомих теорій пластичності матеріалів, пластична деформація починається в тому 59 випадку, коли еквівалентне механічне напруження, таке як еквівалентне механічне напруження Моп Мізевз, яке

ГФ) являє собою функцію алгебраїчних різниць основних напружень, узятих попарно, стає більш високим, ніж межа юю пружності матеріалу, що розглядається.

Еквівалентне напруження Моп Мізез є відносно малим для елементарного кубика 15 в охоплюваному упорі 14, оскільки три основних напруження сАР, ср і ССР мають один і той самий знак. Ці напруження є відносно 60 високими для елементарного кубика 25 в кільцевій зоні охоплюючого кругового виступу 24, оскільки два з цих основних напружень (сКВ, сСВ) є позитивними (напруження розтягування), тоді як третє основне напруження (сАВ) є негативним (напруження стиснення).

Таким чином, забезпечуючи надмірне затягування при згвинчуванні нарізного з'єднання, еквівалентне де Напруження в елементарному кубику 25 охоплюючого кругового виступу буде здатне перевищити межу пружності матеріалу швидше, ніж еквівалентне напруження в елементарному кубику 15 охоплюваного упора 14.

Потрібно зазначити, що переважно або локально збільшити межу пружності металу в кільцевій зоні охоплюючого кругового виступу 24, наприклад, шляхом індукційного загартування або створення попереднього напруження в результаті дробоструминної обробки поверхні, або зменшити еквівалентне напруження на рівні Кільцевої зони охоплюючого кругового виступу 24, що зазнає осьового стиснення, збільшуючи для цього площу поверхні, на яку ці напруження впливають.

Беручи до уваги труднощі, пов'язані із здійсненням ефективної термічної або механічної обробки всередині нарізної муфти, переважно забезпечити потовщення поперечного перетину охоплюючого кругового виступу, як це схематично показане на Фіг.3, 4 або 5. 70 Фіг.З3 і 4 відрізняються від Фіг.2 тим, що кільцева зона 24 охоплюючого кругового виступу представляє потовщення з внутрішньої сторони таким чином, щоб мінімальний внутрішній діаметр ІО в її внутрішньої периферійної поверхні 27 був меншим, ніж внутрішній діаметр Ор внутрішньої периферійної поверхні 17 охоплюваної кромки 18.

Внутрішня периферійна поверхня 27 охоплюючого кругового виступу являє собою циліндричну-конічну 7/5 поверхню, що має першу так звану "перехідну конічну частину 29, розташовану з боку охоплюючої поверхні упора 26, і другу циліндричну частину З0 з діаметром ІОв.

Конічна поверхня 29 є коаксіальною по відношенню до охоплюючого нарізного елемента, половина кута 9 при її вершині становить З02г і її діаметр зменшується по мірі віддалення від охоплюючої поверхні упора 26.

Внутрішній діаметр конічної поверхні 29 на її кінці В з боку охоплюючої поверхні упора 26 дорівнює внутрішньому діаметру ІОр внутрішньої периферійної поверхні 17 охоплюваної кромки таким чином, що перехід від охоплюваного нарізного елемента 11 до охоплюючого нарізного елемента 21 здійснюється без зміни внутрішнього діаметра.

Кут 2 має величину менше 459 для того, щоб обмежити завихрення потоку текучого середовища, що проходить всередині, і зачеплення і блокування інструмента, що опускається в колону труб. Далі буде показано, Ге! чому необхідно фіксувати нижню межу для величини кута 9. о

Таким чином, конічна поверхня 29 забезпечує поступове або плавне з'єднання між внутрішньою периферійною поверхнею 17 охоплюваної кромки і циліндричною частиною 30 внутрішньої периферійної поверхні 27 охоплюючого кругового виступу.

Діаметр ІОв циліндричної частини 30 внутрішньої периферійної поверхні 27 охоплюючого кругового виступу СМ повинен бути менше величини ІОр, оскільки в іншому випадку не буде забезпечене посилення охоплюючого б упора 24.

При цьому величина діаметра Ів більше або дорівнює 0,9 від величини діаметра ІОр для того, щоб чт зберегти достатній прохідний перетин всередині колони труб. Дійсно, діаметр в на рівні менше 0,9 від с величини ІОр дозволить вставити лише невелику кількість колон труб одна в одну, і така конструкція колони буде при цьому занадто дорого коштувати. -

Потрібно зазначити, що недоцільно збільшувати товщину кільцевої зони 24 охоплюючого кільцевого виступу, зменшуючи діаметр ІОв, для якого охоплюючий упор 24 виявляється таким же міцним, як і охоплюваний упор 14.

При цьому було встановлено, що відношення К між величинами ІОв і ІОр повинно входити в межі від ф-т « 40. що бе пов і, переважно, повинне дорівнювати їз оз? ; причому тут З дорівнює відношенню ООА/ІОрі ну с Оу являє собою діаметр зовнішнього краю поверхні 16 охоплюваного упора. У цьому випадку цей діаметр з» дорівнює діаметру, що проходить через точку А, розташовану у кореневій частині охоплюючого кругового виступу 24.

При цьому значення К в діапазоні від 0,95 до 0,98 одержані з урахуванням звичайних значень ІО, і ООд.

Переважно, діаметр ІОв перевищує так званий діаметр "аг, що визначається нормами АРІ або виробниками це. трубних нарізних з'єднань заданого розміру, причому контроль цього діаметра "аг" полягає у переміщенні

Га оправки заданого діаметра в з'єднаних між собою трубах для того, щоб переконатися в тому, що дана колона труб дозволяє опустити різні інструменти аж до діаметра, заданого цими трубами, без ризику блокування цих - інструментів в трубах. Внутрішній діаметр труб 10, 10, зокрема, діаметр їх звичайної частини, внаслідок

Ге) 20 цього повинен перевищувати цей діаметр "аг.

Крім того, було встановлено, що, як це можна побачити на Фіг.3, не є корисним, щоб потовщення кругового їз виступу проходило по всій осьовій довжині внутрішньої периферійної поверхні 27.

Дійсно, було встановлено, що ділянка кільцевої зони охоплюючого кільцевого виступу 24, що найбільше деформується, являє собою конічну поверхню 32, коаксіальну по відношенню до охоплюючого нарізного 22 елемента, проходячи через точку А у кореневій частині охоплюючого кругового виступу з боку охоплюючої

Ф! опорної поверхні 23, з половиною кута при вершині, яка дорівнює приблизно 452, і яка має діаметр, який зменшується в кільцевій зоні охоплюючого кругового виступу 24 по мірі віддалення від поверхні упора 26. о Деформації, що виникають вздовж цієї конічної поверхні, являють собою деформації зсуву, причому ці напруження зсуву можуть бути мінімізовані шляхом виконання мінімального внутрішнього діаметра ІО вд в точці 60 перетину Ю між цією так званою конічною поверхнею 32 максимального зсуву і внутрішньою периферійною поверхнею 27 охоплюючого кругового виступу.

Таким чином, якщо кут є конічної поверхні 29 менше 157, можливо, що цей конус максимального зсуву 32 буде перетинати внутрішню периферійну поверхню 27 в її конічній частині 29, де її діаметр не є мінімальним внутрішнім діаметром ІОв, внаслідок чого циліндрична частина ЗО, що має діаметр ІОв, виявляється бо потовщеною. З цієї точки зору кут є величиною порядку 3052, і навіть більше, є переважним.

Тому, переважно, щоб точка С з'єднання між поверхнями 29 і ЗО була розташована по суті на половині осьової відстані між точками В і 0.

На Фіг.5 схематично показаний варіант конструкції, показаної на Фіг.4, в якому перехідна частина не є конічною поверхнею, але являє собою тороїдальну поверхню 39, коаксіальну по відношенню до охоплюючого нарізного елемента.

Ця тороїдальна поверхня 39 являє собою в подовжньому розрізі, показаному на Фіг.5, дугу кола: - яка має радіус порядку 1Омм; - центр якої направлений в товщину матеріалу охоплюючого нарізного елемента; 70 - яка проходить через точку В з'єднання з внутрішньою периферійною поверхнею 17 охоплюваної кромки; - дотична до якої в точці В утворює кут 302 з віссю ХХ з'єднаних нарізних елементів, тобто з твірною внутрішньої периферійної поверхні 17; - яка примикає по дотичній в точці С до циліндричної частини ЗО внутрішніх периферійних поверхні 27 охоплюючого кругового виступу.

Така тороїдальна поверхня також забезпечує плавне з'єднання між внутрішньою периферійною поверхнею 17 ї циліндричною частиною 30 з внутрішнім діаметром Ів таким чином, щоб кут дотичної до неї в точці В з віссю ХХ мав величину в діапазоні від 152 до 4559,

Інші форми перехідної частини внутрішньої периферійної поверхні 27, що поступово змінюються, охоплюючого кругового виступу також можливі, наприклад, можливе використання системи з двох тороїдальних 2о поверхонь, що примикають одна до одної і дотичні між собою, які мають протилежну кривизну, причому одна з цих поверхонь є дотичною в точці В до внутрішньої периферійної поверхні 17, а інша є дотичною в точці С до циліндричної поверхні ЗО.

Не виходячи за рамки даного винаходу, опорні поверхні герметизації можуть не примикати безпосередньо до упорних поверхонь 16, 26: на Фіг.2-5 показані тороїдальні поверхні з'єднання малого радіуса між опорними Га р;' поверхнями герметизації 13, 23 і відповідними упорними поверхнями 16, 26. При цьому інші типи поверхонь можуть забезпечити це з'єднання, не виходячи за рамки даного винаходу, оскільки радіальна взаємодія на рівні о опорних поверхонь герметизації спричиняє появу радіальних та окружних напружень розтягування в кільцевій зоні охоплюючого кругового виступу.

Даний винахід може застосовуватися у численних конфігураціях нарізних з'єднань, серед яких: сі - інтегральні або муфтові нарізні з'єднання; - нарізні з'єднання для труб малого або великого діаметра (наприклад, експлуатаційні труби або обсадні о труби); «- - нарізні з'єднання із зовнішньою парою упорів (охоплюючий упор виконаний на вільному кінці охоплюючого нарізного елемента) або декількома комплектами упорів; о - нарізні з'єднання як з конічними, так і з не конічними опорними поверхнями герметизації, які мають, ч- наприклад, тороїдальну форму на обох нарізних елементах, або ж тороїдальну форму на одному нарізному елементі і конічну форму на протилежному нарізному елементі; - нарізні з'єднання з прямими (плоскими) поверхнями упора або поверхнями упора, розташованими під « негативним кутом; у випадку так званих зворотних упорів або упорів, розташованих під негативним кутом, іноді виявляється переважним в цьому останньому випадку, щоб величина кута нахилу цих упорів по відношенню до й с перпендикуляра до осі ХХ з'єднаних між собою нарізних елементів не перевищувала 202 і переважно мала а величину в діапазоні від 52 до 109; є» - нарізні з'єднання з конічними або циліндричними різями, простими або багатоступінчастими; - нарізні з'єднання з витками різі різних форм, наприклад, з витками, що мають трикутну, круглу або трапецієподібну форму; -і - нарізні з'єднання з витками змінної ширини. сю Приклади реалізації

Приклад 1 - Були здійснені випробування згвинчування і розгвинчування на двох групах нарізних з'єднань типу МАМ с 50 ТОР відповідно до каталога МАМО Мо940, виданого в липні 1994 року корпорацією МаПоигес ОЇ 5 бав, в таких умовах: що) - зовнішній діаметр труб: 177,вмм (/"дюймів), - товщина стінок труб: 10,3бмм (29фунтів на фут), - зовнішній діаметр на охоплюваному кінці (Од): 170,8мм, - внутрішній діаметр охоплюваної кромки (ІОр): 161,3мм, о - діаметр "аг: 153,9О0мм (6,059дюймів), - якість труб типу АРІ І 80 (межа пружності більше або дорівнює 552МПа). їмо) Стандартна випробувальна група Р нарізних з'єднань відповідає нарізному з'єднанню, показаному на фіг. 2, і має внутрішній охоплюючий діаметр Ов зони охоплюючого кругового виступу, який дорівнює охоплюваному бо внутрішньому діаметру ІОр.

Випробувальна група О нарізних з'єднань була модифікована відповідно до даного винаходу і відповідає схемі, поданій на Фіг.5: посилення охоплюючого упора в цій групі О виражається за допомогою діаметра ІО в циліндричної частини 30, що становить 156,2мм, який перевищує діаметр "аг. При цьому перед циліндричною частиною 30 розташована тороїдальна частина 39, яка має радіус 1Омм, таким чином, щоб точка ЮО перетину б5 конуса 32 максимального зсуву з внутрішньою охоплюючою периферійною поверхнею 27 знаходилася на рівні циліндричної частини 30, що має діаметр ІОв.

Величина відношення К-ЇЮ в/Ор дорівнює 0,97 для випробувальної групи С) і знаходиться всередині інтервалу (0,96-0,99), що визначається пунктом З формули винаходу, якщо фати до уваги величину ОЮд.

Протягом цих випробувань згвинчування і розгвинчування реєструвався момент затягування при згвинчуванні в функції числа обертів згвинчування, і забезпечувалося поступове збільшення рівня максимального моменту в кожному випробуванні згвинчування циклу, що відноситься до однієї і тієї ж групи нарізних з'єднань, аж до одержання пластифікації упорів.

У всіх цих випробуваннях згвинчування і розгвинчування витки різі, опорні поверхні герметизації і поверхні упорів зазнавали попереднього покриття мастилом типу АРІ 5А2. 70 На Фіг.б показана крива зміни моменту затягування при згвинчуванні Т в функції числа обертів М для останнього випробування згвинчування нарізного з'єднання з групи с).

Як можна побачити на цій діаграмі, момент затягування різко зростає і крива підіймається по суті вертикально після точки Е (момент затягування Т р), яка відповідає механічному з'єднанню упорів. Цей різкий підйом моменту затягування відбувається по суті лінійно і продовжується аж до точки Е (момент затягування Тр).

Після цієї точки Е (нелінійна частина кривої) починається пластична деформація щонайменше одного з упорів.

При цьому величина Тр; відповідає необхідній величині моменту затягування при згвинчуванні. Ця величина знаходиться між величинами Те і Те. ю ля сч о

На основі величин, наведених в таблиці 1, необхідно зазначити, що величина (Те-Тє), яка являє собою частину моменту затягування при згвинчуванні, яка витримується упорами, виявляється значно збільшеною с (ї6095) у випадку нарізних з'єднань відповідно до даного винаходу з групи С) в порівнянні з нарізними з'єднаннями з групи Р відповідно до існуючого рівня техніки. б

Приклад 2 ч

Були проведені випробування нарізних з'єднань двох розмірів А і В, відповідних типу МАМФО АСЕ якості І 80 відповідно до каталога МАМО), згаданого в прикладі 1. Шк

Характеристики зразків, що зазнавали випробувань, наведені в таблиці 2. ї- ч 4 Тв З с . г» 5 в муфта с щ

Фо з 99 У таблиці З наведені виміряні значення внутрішнього діаметра перед і після виконання згвинчування

ГФ! нарізного з'єднання з моментом затягування Торі.

З цієї таблиці можна бачити, що внутрішній діаметр Ів у всіх випадках перевищує діаметр "ап (див. ю таблицю 2) як для стандартних нарізних з'єднань (АЗ, ВЗ), так і для нарізних з'єднань, модифікованих відповідно до даного винаходу (А1, Аг, В1, В2). бо Результати вимірювання внутрішнього діаметра зразка охоплюється ІОр (мм) ІОв (мм) конічної 6Б Перед Після Перед Після Перед Після скошеної згвинчуванням /згвинчування | згвинчуванням згвинчування /(|згвинчуванням |згвинчування кромки о

Ст ни НИ Я ПО НІ Я приклад боро дя рівень техніки

ТМ НИ ПИ ПНЯ ПОЛЯ НОЯ Я приклад

ПІНИ Ніс ПОН Б НИ ПИ ШОЕ рівень техніки а) В таблиці 4 представлені результати випробування надмірного затягування при згвинчуванні аж до пластифікації, причому витки різі, опорні поверхні герметизації і поверхні упора були покриті мастилом типу

АРІ Б5А2. сч о

Результати випробувань надмірного затягування при згвинчуванні класифіковані в порядку убування по с зо відношенню, зокрема, до критеріїв моменту затягування Тр і зовнішнього вигляду упорів та кругових виступів: 1) посилений охоплюючий упор з конічною кромкою, скошеною під кутом 352 (випробування АТ, В1); Ме) 2) посилений охоплюючий упор з конічною кромкою, скошеною під кутом 102 (випробування А2, В2); «- 3) стандартний охоплюючий упор (випробування АЗ, ВЗ).

Величина моменту затягування Т р, у випадках А1 і В1, на величину від 4095 до 7096 перевищує величину о моменту затягування на стандартному нарізному з'єднанні. Вона також на рівні від 590 до 23906 перевищує рч- величину моменту затягування на стандартному нарізному з'єднанні у випадках А?2 і В2.

Найкращі результати, одержані для нарізних з'єднань з конічною кромкою, скошеною під кутом 352, в порівнянні з результатами, одержаними для нарізних з'єднань з конічною кромкою, скошеною під кутом 10 9, « можна пояснити відносним положенням точок С і О, показаних на Фіг.4.

У випадку нарізних з'єднань Аї7 і В! точка О, показана на Фіг.44, розташована далі від точки С по - с відношенню до точки В, тобто в зоні постійного і мінімального діаметра Ів, що не відповідає випадку нарізних "з з'єднань А? і В2, згідно з даними, наведеними в таблиці 5. п 15 - Зразок |Кут кромки| Осьова відстань |ІВС/ВО ПОВ/Ор (7) П1Ов/Ор й - с

Ко)

У випадку випробувань А! і В1 точка С розташована приблизно на половині осьової відстані між точками В і

ГФ) о.

Б) Випробування на крутіння при внутрішньому тиску. ко Подібні нарізні з'єднання серій А і В були заздалегідь згвинчені при необхідному значенні моменту затягування при згвинчуванні (Торі), вказаному в таблиці 2. бо Ці нарізні з'єднання потім були піддані комбінованому механічному впливу, призначеному для імітації опускання в свердловину з обертанням з'єднаних між собою труб, прикладаючи до них одночасно: а) внутрішній тиск величиною 43,7МПа для зразків А1-АЗ і величиною 56,0МПа для зразків В1-В83, причому такий рівень внутрішнього тиску спричиняє напруження в тілі труб, яке становить 8095 від мінімальної визначеного специфікаціями межі пружності (552МПа, як це вказане в таблиці 2); 65 Б) момент крутіння, що змінюється.

У таблиці б наведені значення моменту затягування при згвинчуванні Т ), при яких відповідні нарізні з'єднання починають давати течу. ; о

Потрібно зазначити, що максимальний момент крутіння перед початком витоку Т | виявляється трохи 15 збільшеним (менше, ніж на 1095) для посилених упорів з кромкою, скошеною під кутом 102 (зразки А2, В2), в порівнянні з еталоном, виконаним відповідно до існуючого рівня техніки (зразки АЗ, ВЗ). Проте цей максимальний момент крутіння до початку витоку зростає на величину від 3095 до 4595 для посилених упорів з кромкою, скошеною під кутом 352 (зразки А1, В1). с) Циклічні випробування згвинчування і розгвинчування. 20 Випробувальний зразок Аї був підданий 10 послідовним циклам згвинчування і розгвинчування з використанням моменту затягування при згвинчуванні, який в 1,5 рази перевищував необхідний момент затягування при згвинчуванні, наведений в таблиці 2. Ніяких проблем не виникло при дослідженні реєстрації моменту згвинчування і розгвинчування і випробувані зразки не мали при візуальному огляді ніяких пошкоджень після здійснення цих 10 циклів випробувань згвинчування і розгвинчування. Га 25 1 т о тфТ8БЖ- тут 2122 23 2А ГИ 10 пиши Х. М ет нал сч 30 111218481744 27 іє х ші. ші Х (о) «- (зе) 35 м.

Фіг. І 23 і « - с А и і и? сер АВ

Фр ча

АВ

-і ФСР (95) в - ря 18 15 1714 16 26 27 24 25 се)

Ко) І

Фіг. 2 22 21

ІФ) 2826 іме)

А

60 гу. сті в с с р 12113184 16 8 17 25) ) в а 65 27 З

Фіг. З

268 824 32 18 А г 18. 2-5 зу, й. ша х їв ,ч

В мч 17 зи р а Е т- З дз Га 28 Ге 27

Фіг. 4 23 28 24 42

А із 18. - х з Ме 16 ь, .

В як с 17 во В с (8) в в в 39 Гак І) -о З 27 . с зо Фіг. 5 (о) т «-

Те птн о со

Теве і -

ТЕ пня Е

М

- . "» .

Фіг. 6

Ше

Claims (11)

1. Формула винаходу

   - 1. Трубне нарізне з'єднання, яке містить охоплюваний нарізний елемент, розташований на кінці першої труби, і охоплюючий нарізний елемент, розташований на кінці другої труби, причому охоплюваний нарізний іс) елемент містить охоплювану різь і закінчується охоплюваною кромкою, яка має зовнішню периферійну ГК поверхню, на якій виконана охоплювана опорна поверхня герметизації, кільцеву поверхню охоплюваного упора, яка має по суті поперечне розташування, розміщена в безпосередній близькості від охоплюваної опорної поверхні герметизації, зв'язана безпосередньо з цією поверхнею і утворена фронтальною поверхнею вільного кінця цього охоплюваного нарізного елемента, і внутрішню периферійну поверхню, причому охоплюючий нарізний елемент містить призначені для взаємодії з відповідними засобами охоплюваного нарізного елемента (Ф) охоплюючу різь, внутрішню периферійну поверхню, на якій виконана охоплююча опорна поверхня герметизації, і ГІ охоплюючий круговий виступ, який містить кільцеву поверхню охоплюючого упора, яка має по суті поперечне розташування, розміщену поряд і зв'язану з охоплюючою опорною поверхнею герметизації, і визначальну во кільцеву зону охоплюючого кільцевого виступу, яка зазнає впливу осьових зусиль стиснення в тому випадку, коли охоплювана поверхня упора упирається в охоплюючу поверхню упора, причому охоплювана різь загвинчується в охоплюючу різь аж до того моменту, коли охоплювана упорна поверхня увійде в упорний контакт з охоплюючою упорною поверхнею, і охоплювана опорна поверхня герметизації взаємодіє при цьому в радіальному напрямку з охоплюючою опорною поверхнею герметизації, яке відрізняється тим, що кільцева б5 Зона охоплюючого кільцевого виступу містить внутрішню периферійну поверхню, внутрішній діаметр якої, щонайменше частково, в безпосередній близькості від охоплюючої упорної поверхні, має величину, меншу, ніж величина діаметра внутрішньої периферійної поверхні охоплюваної кромки, причому відношення К двох цих діаметрів має величину, яка менша за 1, але більша або дорівнює 0,9.
2. 2. Трубне нарізне з'єднання за п. 1, яке відрізняється тим, що величина відношення К підпорядковується такому виразу: фт-птв «вх 2-08 в якому 5 являє собою. відношення між діаметром зовнішнього краю охоплюваної упорної поверхні і внутрішнім діаметром охоплюваної кромки. 70
3. 3. Трубне нарізне з'єднання за п. 2, яке відрізняється тим, що величина відношення К по суті визначається виразом «з-пз8: .
4. 4. Трубне нарізне з'єднання за будь-яким з пп. 1-3, яке відрізняється тим, що внутрішня периферійна поверхня охоплюючого кругового виступу має мінімальний діаметр в деякій точці, де ця внутрішня периферійна поверхня перериває конічну поверхню максимального зсуву, коаксіальну по відношенню до охоплюючого нарізного елемента, яка має половину кута при вершині в 452, діаметр якої зменшується в кільцевій зоні охоплюючого кругового виступу у міру віддалення від охоплюючої упорної поверхні, і яка проходить через зовнішній край охоплюючої упорної поверхні.
5. 5. Трубне нарізне з'єднання за будь-яким з пп. 1-4, яке відрізняється тим, що діаметр внутрішньої периферійної поверхні охоплюючого кругового виступу на своєму кінці, розташованого з боку охоплюючої поверхні упора, по суті дорівнює внутрішньому діаметру внутрішньої периферійної поверхні охоплюваної кромки.
6. 6. Трубне нарізне з'єднання за п. 5, яке відрізняється тим, що внутрішня периферійна поверхня охоплюючого кругового виступу має першу так звану перехідну частину, внутрішній діаметр якої поступово зменшується у напрямку від охоплюючої поверхні упора, і другу циліндричну частину, яка має мінімальний внутрішній діаметр.
7. 7. Трубне нарізне з'єднання за п. 4 або б, яке відрізняється тим, що перехідна і циліндрична частини ЄМ 259 Внутрішньої периферійної поверхні охоплюючого кругового виступу з'єднуються між собою в деякій так званій Ге) точці стикування, яка розташована по суті на половині осьової відстані між кінцем перехідної частини з боку охоплюючої поверхні упора і точкою перетину внутрішньої периферійної поверхні охоплюючого кругового виступу з конічною поверхнею максимального зсуву.
8. 8. Трубне нарізне з'єднання за п. б або 7, яке відрізняється тим, що перехідна частина внутрішньої с периферійної поверхні охоплюючого кругового виступу містить конічну поверхню, яка коаксіальна з охоплюючим Ф нарізним елементом і яка має половину кута при вершині, що знаходиться в діапазоні від 152 до 459,
9. 9. Трубне нарізне з'єднання за п. б або 7, яке відрізняється тим, що перехідна частина внутрішньої (87 периферійної поверхні охоплюючого кругового виступу містить конічну поверхню, яка коаксіальна зохоплюючим (се нарізним елементом і яка має половину кута при вершині, що знаходиться в діапазоні від 302 до 452, 3о
10. 10. Трубне нарізне з'єднання за п. б або 7, яке відрізняється тим, що перехідна частина внутрішньої в периферійної поверхні охоплюючого кругового виступу містить щонайменше одну тороїдальну поверхню, коаксіальну з охоплюючим нарізним елементом.
11. 11. Трубне нарізне з'єднання за п. 10, яке відрізняється тим, що перехідна частина внутрішньої периферійної « поверхні охоплюючого кругового виступу містить одну тороїдальну поверхню, дотична до якої на її кінці, З розташованому з боку охоплюючої поверхні упора, утворює кут в діапазоні від 1592 до 452 з віссю даного с нарізного з'єднання. "з 12. Трубне нарізне з'єднання за п. 10 або 11, яке відрізняється тим, що перехідна частина внутрішньої периферійної поверхні охоплюючого кругового виступу містить тороїдальну поверхню, дотичну на своєму кінці, протилежному охоплюючій поверхні упора, до циліндричної частини внутрішньої периферійної поверхні 79 охоплюючого кругового виступу. - 13. Трубне нарізне з'єднання за будь-яким з пп. 1-12, яке відрізняється тим, що охоплювана і охоплююча (4) поверхні упора являють собою зворотні упори, які мають негативний кут, величина якого по відношенню до осі з нарізних елементів менша або дорівнює 2052. (Се) 20 Офіційний бюлетень "Промислоава власність". Книга 1 "Винаходи, корисні моделі, топографії інтегральних "з мікросхем", 2005, М 6, 15.06.2005. Державний департамент інтелектуальної власності Міністерства освіти і науки України. Ф) іме) 60 б5