КРИВОЛИНЕЙНАЯ УПЛОТНЯЮЩАЯ СИСТЕМА
CURVED SEALING SYSTEM

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящая заявка относится к трубным соединениям и, в частности, к конфигурации уплотнения трубного соединения, содержащей контактирующие криволинейные поверхности.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Этот раздел предназначен для представления различных аспектов техники, которые могут быть связаны с различными аспектами предлагаемых технических решений, которые описаны и/или заявлены ниже. Считается, что это обсуждение полезно для предоставления исходной информации, чтобы облегчить лучшее понимание различных аспектов данного раскрытия. Соответственно, следует понимать, что эти утверждения следует понимать в этом свете, а не как признание уровня техники. Следующие описания и примеры не допускаются в качестве предшествующего уровня техники в силу их включения в этот раздел.
[0003] Нефтяная и газовая промышленность занимается бурением разведочных добывающих скважин с возрастающей глубиной и сложностью для поиска и добычи углеводородного сырья. Промышленность обычно использует стальную трубу, которая считается трубным изделием нефтепромыслового сортамента (OCTG, Oil Country Tubular Good), для защиты скважины (то есть обсадная колонна) и для контроля жидкостей, образующихся внутри трубы (то есть колонна насосно-компрессорных труб). Такая труба, включая обсадную колонну и колонну насосно-компрессорных труб, изготавливается и транспортируется в виде относительно коротких сегментов и устанавливается в стволе скважины по одному сегменту за раз, причем каждый сегмент соединяется со следующим. Поскольку поиск нефти и газа побудил компании бурить более глубокие скважины, трубы могут подвергаться повышенной сложности и абсолютному значению сил на протяжении всего их срока службы в стволе скважины. Промышленные требования выросли к обсадной колонне, колоннам насосно-компрессорных труб и бурильным замкам, имеющим повышенную прочность на растяжение и давление. Кроме того, развивающаяся область наклонных и горизонтальных скважин усугубила эту тенденцию, еще больше добавив повышенные скручивающие нагрузки, как еще одно требование для бурильных замков обсадных колонн и колонн насосно-компрессорных труб.
[0004] Бурильные замки были разработаны с различной конфигурацией резьбы, упорного торца и уплотнения. Например, две основные конфигурации бурильных замков с резьбами включают в себя накручиваемый и соединяемый бурильный замок, а также бурильный замок, представляющий одно целое с трубой. Накручиваемый и соединяемый бурильный замок содержит ниппель (то есть конец с наружной резьбой), обработанный на относительно длинных соединительных участках трубы и соединяемый с помощью муфты (то есть концом с внутренней резьбой), обработанной на относительно короткой соединительной части. Бурильный замок, представляющий одно целое с трубой, содержит ниппель накрученный на полноразмерную трубу, соединенный с муфтой, накрученной на другую полноразмерную трубу, а концы ниппеля и муфты могут навинчиваться на противоположные стороны каждого полноразмерного трубного сегмента таким образом, что каждый сегмент может быть соединен на протяжении всего ствола скважины. Один тип комбинации упорного торца и уплотнения включает в себя серединное уплотнение упорного торца, которое содержит уплотняющий участок в соединении, расположенном между по меньшей мере двумя резьбовыми частями. Уплотнительный участок ниппеля или муфты может иметь прямой контакт с уплотняющим участком другого ниппеля или муфты и может функционировать для предотвращения прохождения жидкости или газа через резьбы собранного соединения. Поскольку в промышленности требуются бурильные замки с все более высокой прочностью на растяжение, прочностью на давление, крутящим моментом и т. д., общие характеристики бурильных замков могут быть дополнительно разработаны и сконструированы в соответствии с критериями эксплуатационных характеристик в скважине.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0005] В настоящем описании сущности изобретения представлен выбор концепций, которые дополнительно описаны ниже в подробном описании изобретения. Это описание сущности изобретения не предназначено для определения ключевых или существенных признаков заявленного объекта изобретения, и не должно использоваться в качестве справки при ограничении объема заявленного объекта изобретения.
[0006] В одном варианте реализации изобретения уплотняющая система содержит первый трубчатый элемент и второй трубчатый элемент. Первый трубчатый элемент содержит первый набор витков резьбы и второй набор витков резьбы, а также первую криволинейную уплотняющую поверхность, расположенную в осевом направлении между первым и вторым наборами витков резьбы. Второй трубчатый элемент содержит третий набор витков резьбы и четвертый набор витков резьбы, и вторую криволинейную уплотняющую поверхность, расположенную в осевом направлении между третьим и четвертым наборами витков резьбы. Первый трубчатый элемент и второй трубчатый элемент выполнены с возможностью соединения, когда первый набор витков резьбы входит в контакт с третьим набором витков резьбы, а второй набор витков резьбы входит в контакт с четвертым набором витков резьбы. Первая и вторая криволинейные уплотняющие поверхности выполнены с возможностью перекрестного взаимодействия в области перекрестного взаимодействия, когда первый и второй трубчатые элементы соединяются.
[0007] Некоторые варианты реализации изобретения содержат одну или обе из первой вспомогательной выточки, расположенной на первом трубчатом элементе, между первым набором витков резьбы и первой криволинейной уплотняющей поверхностью, и второй вспомогательной выточки, расположенной на втором трубчатом элементе, между четвертым набором витков резьбы и второй криволинейной уплотняющей поверхностью. В некоторых вариантах реализации изобретения первый, второй, третий и четвертый наборы витков резьбы содержат прямоугольные резьбы, конусные резьбы, резьбы с переменным шагом или комбинации различных геометрий резьбы. В различных вариантах реализации изобретения первая и вторая криволинейные уплотняющие поверхности могут иметь эллиптическую кривую, круговую кривую, тороидальную кривую, кривую переменного радиуса или комбинации этих кривых. Первая и вторая криволинейные поверхности могут иметь одинаковые кривые или кривые разных геометрических форм. Кроме того, в разных вариантах реализации изобретения первая и вторая криволинейные поверхности могут быть симметричными или асимметричными, когда первый и второй трубчатые элементы соединяются. Область перекрестного взаимодействия может быть приблизительно центрирована между первым и вторым наборами витков резьбы или может находиться в любой осевой точке между первым и вторым наборами витков резьбы. В некоторых вариантах реализации изобретения уплотняющая система выполнена таким образом, что ось кольцевого уплотнения может меняться без образования разрывов в кольцевом уплотнении.
[0008] В другом варианте реализации изобретения способ включает в себя перемещение первого трубчатого элемента относительно второго трубчатого элемента таким образом, что ниппельный конец первого трубчатого элемента входит и перекрывается в осевом направлении с муфтовым концом второго трубчатого элемента. Способ дополнительно включает в себя вращение первого трубчатого элемента относительно второго трубчатого элемента таким образом, что первая резьба и вторая резьба на первом трубчатом элементе входят в контакт с третьей резьбой и четвертой резьбой на втором трубчатом элементе, соответственно. Способ затем включает в себя соединение первого трубчатого элемента со вторым трубчатым элементом таким образом, что первая криволинейная поверхность на первом трубчатом элементе между первой и второй резьбой контактирует со второй криволинейной поверхностью на втором трубчатом элементе между третьей и четвертой резьбой. Контактное усилие между первой и второй криволинейными поверхностями образует кольцевое уплотнение между первым и вторым трубчатыми элементами.
[0009] В некоторых вариантах реализации изобретения контактное усилие содержит силу сжатия между первой и второй криволинейными поверхностями. Кроме того, в некоторых вариантах реализации изобретения контактное усилие содержит радиальное усилие, распространяющееся вдоль кольцевого размера между первым и вторым трубчатыми элементами для образования кольцевого уплотнения.
[0010] В некоторых вариантах реализации изобретения вращение первого трубчатого элемента относительно второго трубчатого элемента включает в себя вытеснение смазки между ниппельным концом и муфтовым концом в по меньшей мере одну из первой вспомогательной выточки на первом трубчатом элементе между первой резьбой и первой криволинейной поверхностью и второй вспомогательной выточки на втором трубчатом элементе между четвертой резьбой и второй криволинейной поверхностью.
[0011] Один или большее количество вариантов реализации изобретения содержат соединение, содержащее криволинейное серединное уплотнение. Указанное соединение содержит первый трубчатый элемент, содержащий первый набор витков резьбы и второй набор витков резьбы, и первую криволинейную поверхность, расположенную в осевом направлении между первым и вторым наборами витков резьбы, и второй трубчатый элемент, содержащий третий набор витков резьбы и четвертый набор витков резьбы, и вторую криволинейную поверхность, расположенную в осевом направлении между третьим и четвертым наборами витков резьбы. Первый трубчатый элемент и второй трубчатый элемент соединяются, когда первый набор витков резьбы входит в контакт с третьим набором витков резьбы, а второй набор витков резьбы входит в контакт с четвертым набором витков резьбы, чтобы привести к радиальному усилию между первой криволинейной поверхностью и второй криволинейной поверхностью.
[0012] В некоторых вариантах реализации изобретения первый и третий наборы витков резьбы имеют геометрию конусной резьбы, второй и четвертый наборы витков резьбы имеют геометрию конусной резьбы, или первый, второй, третий и четвертый наборы витков резьбы имеют геометрии конусной резьбы.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0013] Варианты реализации предлагаемых технических решений описаны со ссылкой на следующие фигуры. Одинаковые ссылочные позиции используются на всех графических материалах для ссылки на одинаковые элементы и компоненты. Различные варианты реализации изобретения могут использовать элементы и/или компоненты, отличные от показанных на графических материалах, а некоторые элементы и/или компоненты могут не присутствовать в различных вариантах реализации изобретения. Элементы и/или компоненты на графических материалах не обязательно изображены в масштабе.
[0014] Фиг. 1 представляет собой частичное поперечное сечение конструктивного исполнения уплотнения серединного упорного торца.
[0015] Фиг. 2 представляет собой частичное поперечное сечение другого конструктивного исполнения уплотнения серединного упорного торца.
[0016] Фиг. 3 представляет собой частичное поперечное сечение одного варианта реализации уплотнения серединного упорного торца.
[0017] Фиг. 4 представляет собой частичное поперечное сечение другого варианта реализации уплотнения серединного упорного торца.
[0018] Фиг.5 представляет собой частичное поперечное сечение другого варианта реализации уплотнения серединного упорного торца, в котором место первичного уплотняющего контакта с противоположными сторонами соединения содержит вошедшие в контакт витки резьбы на одной стороне серединного упорного торца, но не имеет каких-либо вошедших в контакт витков резьбы на другой стороне серединного упорного торца.
[0019] Фиг. 6 представляет собой частичное поперечное сечение варианта реализации серединного уплотнения, содержащего контактирующие криволинейные поверхности.
[0020] Фиг. 7А представляет собой частичную диаграмму распределения поперечных сечений варианта реализации криволинейной поверхности на серединной уплотняющей поверхности одного трубчатого элемента.
[0021] Фиг. 7B представляет собой увеличенный вид криволинейной части серединной уплотняющей поверхности, показанной на фиг. 7В.
[0022] Фиг. 7С представляет собой частичную диаграмму распределения поперечных сечений варианта реализации серединной уплотняющей поверхности, когда противоположные трубчатые элементы содержат контактирующие криволинейные поверхности.
[0023] Фиг. 8 представляет собой частичное поперечное сечение и визуализацию в три четверти соединенных трубчатых элементов, содержащих контактирующие криволинейные поверхности на серединном уплотнении.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0024] Фиг. 1 представляет собой соединение с уплотнением серединного упорного торца, содержащее пять уплотнений металл-металл: два уплотнения металл-металл на внешних скошенных кромках соединенного в замок двойного уплотнения 400 упорного торца, где уплотняющие поверхности 418 и 438 находятся в контакте и где уплотняющие поверхности 422 и 442 находятся в контакте; и три поверхности с нулевым зазором во внутренней части соединенного в замок двойного уплотнения 400 упорного торца, причем одну 410 на поверхности стенки, где соприкасаются цилиндрические поверхности, другую поверхность с нулевым зазором, где кольцевая лицевая поверхность упорного торца 420 ниппеля контактирует с поверхностью 448 внутренней выточки муфты, и другую поверхность с нулевым зазором, где лицевая поверхность упорного торца 440 муфты контактирует с поверхностью 428 внутренней выточки ниппеля. Таким образом, уплотнение 400 серединного упорного торца образует очень плотно прилегающее уплотнение металл-металл, содержащее сопрягаемые уплотняющие поверхности металл-металл, которые обеспечивают наращивание накопленной энергии внутри уплотнения при силовом затягивании собранного соединения, так что при приложении различных нагрузок к трубе, а также к соединению, уплотнение будет продолжать выполнять и поддерживать уплотняющее вхождение в контакт. В частности, все уплотнения металл-металл образованы в осевом пространстве 450 между наборами контактирующих кольцевых поверхностей серединного упорного торца, а уплотнения металл-металл на наружных скошенных кромках уплотнения 400 упорного торца, каждое из которых проявляет радиальные усилия, расположены каждое непосредственно рядом с соответствующим одним из наборов контактирующих кольцевых поверхностей.
[0025] Фиг. 2 представляет собой соединение с уплотнением серединного упорного торца, содержащее по меньшей мере от двух до семи уплотнений металл-металл, установленных между элементами ниппеля и муфты. Три из семи уплотнений являются уплотнениями в виде усеченного конуса. Первое внешнее уплотнение 120 в виде усеченного конуса образовано за счет вхождения в контакт поверхностей ниппеля и муфты, имеющих форму усечённого конуса, на внешней в радиальном направлении стороне серединного упорного торца, а второе внутреннее уплотнение 122 в виде усеченного конуса образовано между поверхностями ниппеля и муфты, имеющих форму усечённого конуса, на внутренней в радиальном направлении стороне серединного упорного торца. Третье уплотнение в виде усеченного конуса является серединным уплотнением 124 в виде усеченного конуса, образованным между серединными промежуточными поверхностями ниппеля и муфты, которые имеют форму усечённого конуса. При этом образуются два кольцевых уплотнения упорного торца. Первое внутреннее кольцевое уплотнение 126 упорного торца и второе внешнее кольцевое уплотнение 128 упорного торца, каждое из которых образовано с помощью вошедших в контакт кольцевых поверхностей элементов ниппеля и муфты. Также образуются два цилиндрических уплотнения. Первое внешнее цилиндрическое уплотнение 130 образовано за счет вхождения в контакт наружных уплотняющих цилиндрических поверхностей ниппеля и муфты на наружной в радиальном направлении стороне, а второе внутреннее цилиндрическое уплотнение 132 образовано за счет вхождения в контакт уплотняющих цилиндрических поверхностей ниппеля и муфты на внутренней в радиальном направлении стороне. Следует отметить, что это конструктивное исполнение также размещает каждое из уплотнений металл-металл, которые подвергаются значительным радиальным и кольцевым усилиям (то есть контактирующим уплотнениям 122 и 120), непосредственно рядом с соответствующим одним из наборов контактирующих кольцевых поверхностей (то есть на кольцевых контактных уплотнениях 126 и 128), а также внутри осевого пространства 150 между двумя кольцевыми уплотнениями упорного торца.
[0026] Ссылаясь на фиг. 3 показано частичное поперечное сечение соединения 200 серединного упорного торца между двумя трубчатыми элементами 202 и 204. Трубчатый элемент 202 образует ниппельную часть соединения, а трубчатый элемент 204 образует муфтовый конец соединения. Осевая серединная линия соединения показана как 206, и признается, что полное поперечное сечение соединения серединного упорного торца будет включать зеркальное отображение компонентов на противоположной стороне осевой центральной линии (то есть ниже центральной линии 206 на фиг. 3).
[0027] Конфигурация уплотнения на трубчатом элементе 202 содержит кольцевую канавку 208 и кольцевой зуб 210. Кольцевая канавка 208 определяется обращенной в радиальном направлении внутрь (то есть обращенной в направлении центральной линии 206) поверхностью 212 внутренней выточки, смежной кольцевой поверхностью 214 упорного торца и смежной обращенной в радиальном направлении наружу поверхностью 216. Кольцевой зуб определяется обращенной в радиальном направлении внутрь поверхностью 212 внутренней выточки, кольцевой поверхностью 218 зуба и обращенной в радиальном направлении наружу поверхностью 220. В проиллюстрированном варианте реализации изобретения поверхность 216 содержит угловой радиус, который переходит к поверхности 214 упорного торца, а поверхность 220 содержит угловой радиус, который переходит к поверхности 218 зуба.
[0028] Конфигурация уплотнения на трубчатом элементе 204 содержит кольцевую канавку 222 и кольцевой зуб 224. Кольцевая канавка 222 определяется обращенной в радиальном направлении наружу поверхностью 226 внутренней выточки, смежной кольцевой поверхностью 228 упорного торца и смежной обращенной в радиальном направлении внутрь поверхностью 230. Кольцевой зуб 224 определяется обращенной в радиальном направлении наружу поверхностью 226 внутренней выточки, кольцевой поверхностью 232 зуба и обращенной в радиальном направлении внутрь поверхностью 234. В проиллюстрированном варианте реализации изобретения поверхность 230 содержит угловой радиус, который переходит к поверхности 228 упорного торца, а поверхность 234 содержит угловой радиус, который переходит к поверхности 232 зуба.
[0029] На фиг. 3 показано соединение в свинченном состоянии, в котором кольцевой зуб 224 расположен внутри кольцевой канавки 208, при этом кольцевая поверхность 232 зуба входит в контакт с кольцевой лицевой поверхностью 214 упорного торца, образуя один упорный торец, который представлен плоскостью 236 упорного торца. Аналогично, кольцевой зуб 210 расположен внутри кольцевой канавки 222, при этом кольцевая поверхность 218 зуба входит в контакт с кольцевой лицевой поверхностью 228 упорного торца, образуя другой упорный торец, который представлен плоскостью 238 упорного торца. В проиллюстрированном варианте реализации изобретения поверхности 212 и 226 внутренней выточки также входят в контакт друг с другом, который может действовать как дополнительное уплотняющее место, как и вошедшие в контакт упорные торцы. На противоположных осевых сторонах соединения также схематично показаны на позициях 260 и 262 вошедшие в контакт резьбовые участки или трубчатые элементы.
[0030] Как показано, зазор может быть предусмотрен между поверхностью 216, обращенной в радиальном направлении наружу, и поверхностью 234, обращенной в радиальном направлении внутрь, в окрестности плоскости 236 упорного торца. Место первичного уплотняющего контакта между поверхностью 216, обращенной в радиальном направлении наружу, и поверхностью 234, обращенной в радиальном направлении внутрь, которое показано на фиг. 3 как 240, разнесено в осевом направлении от плоскости 236 упорного торца, чтобы образовать область контакта 242 уплотнения металл-металл (представленная перекрестным взаимодействием поверхностей, показанных в поперечной штриховке), которая смещена в осевом направлении от плоскости 236 упорного торца. Используемый в данном документе термин «место первичного уплотняющего контакта» между двумя указанными поверхностями означает место максимального контактного давления между двумя поверхностями. Таким образом, в качестве примера, в некоторых вариантах реализации изобретения поверхности 216 и 234 могут слегка соприкасаться друг с другом в окрестности плоскости 236 упорного торца (например, в пределах осевой области 246 между плоскостями 236 и 238 упорного торца) пока, в то же самое время, место первичного уплотняющего контакта между поверхностями 216 и 234 отодвигается дальше от плоскости 236 упорного торца. Как правило, место максимального контактного давления и, следовательно, место первичного уплотняющего контакта, будет происходить в непосредственной близости от места максимального перекрестного взаимодействия между поверхностями.
[0031] Также может быть предусмотрен зазор между поверхностью 230, обращенной в радиальном направлении внутрь, и поверхностью 220, обращенной в радиальном направлении наружу, в окрестности плоскости 238 упорного торца, или, как отмечено выше, между поверхностями может происходить только незначительный контакт в окрестности плоскости 238 упорного торца. Независимо от этого, место первичного уплотняющего контакта между поверхностью 230, обращенной в радиальном направлении внутрь, и поверхностью 220, обращенной в радиальном направлении наружу, которое показано на фиг. 3 как 243, разнесено в осевом направлении от плоскости 238 упорного торца, чтобы образовать область контакта 244 уплотнения металл-металл (представленная перекрестным взаимодействием поверхностей, показанных в поперечной штриховке), которая смещена в осевом направлении от плоскости 238 упорного торца. В частности, в случае обеих областей 242 и 244 первичного уплотняющего контакта в проиллюстрированном варианте реализации изобретения место первичного уплотняющего контакта расположено вне осевой области 246 соединения, определенной между двумя плоскостями 236 и 238 упорных торцов.
[0032] Точное место первичного уплотняющего контакта между поверхностями (например, 216 и 234 или 220 и 230) может варьироваться в зависимости от различных факторов, включая необходимый предел крутящего момента, требуемый в соединении, а также толщину и диаметр трубчатого соединения.
[0033] В качестве примера: место первичного уплотняющего контакта 240 может быть разнесено в осевом направлении от плоскости 236 упорного торца на расстояние от примерно 25 тысячных дюйма до примерно одного дюйма; место первичного уплотняющего контакта 243 может быть разнесено в осевом направлении от плоскости 238 упорного торца на расстояние от примерно 25 тысячных дюйма до примерно одного дюйма; осевая область 246 может проходить от примерно 20 тысячных дюйма до примерно 250 тысячных дюйма; радиальное расстояние между поверхностью 216, обращенной в радиальном направлении наружу, и поверхностью 220, обращенной в радиальном направлении наружу, в плоскости 236 упорного торца может составлять от около 40 тысячных дюйма до около 500 тысячных дюйма; и радиальное расстояние между поверхностью 230, обращенной внутрь в радиальном направлении, и поверхностью 234, обращенной внутрь в радиальном направлении, в плоскости 238 упорного торца, может составлять от около 40 тысячных дюйма до около 500 тысячных дюйма.
[0034] В проиллюстрированном варианте реализации изобретения каждая из поверхностей 216, 220, 230 и 234 показана как криволинейная поверхность. Такие криволинейные поверхности могут, например, при рассмотрении в двух измерениях вдоль плоскости, которая проходит через и параллельно центральной оси 206 соединения, содержать эллиптические кривые, круговые кривые, кривые переменного радиуса любого подходящего типа (например, радиус кривой обычно составляет от около 0,5 дюйма до около 15 дюймов для наиболее эффективного уплотнения) или их комбинации, и соответствующие трехмерные формы поверхности, полученные при вращении любой такой кривой вокруг центральной оси 206 соединения. Однако признается, что поверхности не обязательно должны быть полностью криволинейными или, вообще говоря, криволинейными. Например, в одной возможной модифицированной версии варианта реализации изобретения в соответствии с фиг. 3, поверхности 220 и 234 остаются криволинейными, но поверхности 216 и 230 выполнены в форме усеченного конуса, так что каждое место первичного уплотняющего контакта 240 и 243 выполнено с учетом перекрестного взаимодействия между криволинейной поверхностью и поверхностью в форме усеченного конуса.
[0035] Ссылаясь на альтернативный вариант реализации изобретения, показанный на фиг. 4, показан вариант реализации конфигурации 300 уплотнения серединного упорного торца с осевой центральной линией 306, в которой первичные контактные уплотнения металл-металл не образованы криволинейными участками поверхности. В таком конструктивном исполнении, ниппельный конец на трубчатом элементе 302 содержит кольцевую канавку 308 и кольцевой зуб 310. Кольцевая канавка 308 определяется обращенной в радиальном направлении внутрь (то есть обращенной в направлении центральной линии 306) поверхностью 312 внутренней выточки, смежной кольцевой поверхностью 314 упорного торца и смежной обращенной в радиальном направлении наружу поверхностью 316. Кольцевой зуб определяется обращенной в радиальном направлении внутрь поверхностью 312 внутренней выточки, кольцевой поверхностью 318 зуба и обращенной в радиальном направлении наружу поверхностью 320. Муфтовый конец на трубчатом элементе 304 содержит кольцевую канавку 322 и кольцевой зуб 324. Кольцевая канавка 322 определяется обращенной в радиальном направлении наружу поверхностью 326 внутренней выточки, смежной кольцевой поверхностью 328 упорного торца и смежной обращенной в радиальном направлении внутрь поверхностью 330. Кольцевой зуб 324 определяется обращенной в радиальном направлении наружу поверхностью 326 внутренней выточки, кольцевой поверхностью 332 зуба и обращенной в радиальном направлении внутрь поверхностью 334.
а
b
,
а
b
.
а
а
,
b
b
а
b,
а
b
.
а
а
b
b
b,
b,
b,
b
[0036] Поверхность 316 содержит цилиндрическую часть 316  и часть 316  в виде усеченного конуса в то время как поверхность 334 содержит цилиндрическую часть 334  и часть 334  в виде усеченного конуса Может быть предусмотрен зазор между частями 316  и 334 поверхности но части 316  и 334  в виде усеченного конуса перекрестно взаимодействуют таким образом, чтобы образовать место первичного уплотняющего контакта 340, который разнесен в осевом направлении от плоскости 336 упорного торца, представленного контактной областью 342 перекрестного взаимодействия. Поверхность 320 содержит цилиндрическую часть 320  и часть в виде усеченного конуса 320  в то время как поверхность 330 содержит цилиндрическую часть 330  и часть 330  в виде усеченного конуса Может быть предусмотрен зазор между частями 320  и 330  поверхности, но части 320  и 330  в виде усеченного конуса перекрестно взаимодействуют таким образом, чтобы произвести место первичного уплотняющего контакта 343, который смещен в осевом направлении от упорного торца плоскости 338, представленного контактной областью 344 перекрестного взаимодействия. Для того, чтобы быть наиболее эффективным, конический угол каждой части 316  334  320  330  в форме усеченного конуса относительно центральной оси 306 соединения (например, представлен в одном случае на фиг. 4 с помощью угла Θ по отношению к линии 321, которая проходит параллельно центральной оси 306), а также конический угол в других вариантах реализации изобретения, включающих части поверхности в форме усеченного конуса, может составлять от около 1° до около 7°. Также показаны вошедшие в контакт резьбовые участки 360 и 362 на противоположных осевых сторонах серединного упорного торца. Осевые места уплотнений и радиальная толщина трубчатых элементов могут быть такими же, как упомянуто выше в отношении варианта реализации изобретения в соответствии с фиг. 3.
[0037] Обратимся теперь к фиг. 5, на которой показан вариант реализации конфигурации 500 уплотнения серединного упорного торца с осевой серединной линией 506, в которой на одной стороне соединения отсутствуют вошедшие в контакт витки резьбы. В таком конструктивном исполнении, ниппельный конец на трубчатом элементе 502 содержит кольцевую канавку 508 и кольцевой зуб 510. Как и в предыдущих вариантах реализации изобретения, кольцевая канавка 508 определяется обращенной в радиальном направлении внутрь (то есть обращенной в направлении центральной линии 506) поверхностью внутренней выточки, смежной кольцевой поверхностью 514 упорного торца и смежной обращенной в радиальном направлении наружу поверхностью 516. Кольцевой зуб 510 определяется обращенной в радиальном направлении внутрь поверхностью внутренней выточки, кольцевой поверхностью 518 зуба и обращенной в радиальном направлении наружу поверхностью 520. Муфтовый конец на трубчатом элементе 504 содержит кольцевую канавку 522 и кольцевой зуб 524. Кольцевая канавка 522 определяется обращенной в радиальном направлении наружу поверхностью внутренней выточки, смежной кольцевой поверхностью 528 упорного торца и смежной обращенной в радиальном направлении внутрь поверхностью 530. Кольцевой зуб 524 определяется обращенной в радиальном направлении наружу поверхностью внутренней выточки, кольцевой поверхностью 532 зуба и обращенной в радиальном направлении внутрь поверхностью 534.
[0038] В проиллюстрированном варианте реализации изобретения поверхность 516 и поверхность 534 выполнены таким образом, что место первичного уплотняющего контакта 540 отстоит дальше от осевой области 546 между плоскостями 536 и 538 упорного торца, чем место первичного уплотняющего контакта 543 между поверхностями 520 и 530. В таком конструктивном исполнении, место первичного уплотняющего контакта 540 может быть разнесено в осевом направлении от плоскости 536 упорного торца на расстояние от примерно 25 тысячных дюйма до примерно двух дюймов; место первичного уплотняющего контакта 543 может быть разнесено в осевом направлении от плоскости 538 упорного торца на расстояние от примерно 25 тысячных дюйма до примерно одного дюйма; осевая область 546 может проходить от примерно 20 тысячных дюйма до примерно 250 тысячных дюйма; радиальное расстояние между поверхностью 516, обращенной в радиальном направлении наружу, и поверхностью 520, обращенной в радиальном направлении наружу, в плоскости 536 упорного торца может составлять от около 40 тысячных дюйма до около 500 тысячных дюйма; и радиальное расстояние между поверхностью 530, обращенной внутрь в радиальном направлении, и поверхностью 534, обращенной внутрь в радиальном направлении, в плоскости 538 упорного торца, может составлять от около 40 тысячных дюйма до около 500 тысячных дюйма. В этом случае место первичного уплотняющего контакта 540 обычно будет в пределах 1,75 дюйма осевой области 546.
[0039] Поверхности 516 и 534 содержат соответствующие цилиндрические части 516A и 534A поверхности с предусмотренным зазором. За частью 516А поверхности следует криволинейная часть 516В поверхности, а за частью 534А поверхности следует часть 534В поверхности в форме усеченного конуса с местом первичного уплотняющего контакта 540, образующимся между участками 516В и 534В. Поверхность 530 содержит часть 530А в форме усеченного конуса, за которым следует другая, более крутая часть 530В в форме усеченного конуса, а поверхность 520 содержит криволинейную часть 520А, которая переходит в цилиндрическую часть 520В. Место первичного уплотняющего контакта находится между частью 530А поверхности и частью 520А поверхности. Отмечено, что возможны другие варианты поверхности, как обсуждалось ранее. Вошедшие в контакт резьбовые участки 562 расположены на одной стороне серединного упорного торца, в частности на стороне, которая ближе к внешнему диаметру соединения, в то время как на противоположной стороне соединения отсутствуют какие-либо вошедшие в контакт витки резьбы. Примечательно, что на этой противоположной стороне соединения может быть предусмотрен зазор 550 между поверхностью упорного торца передней части ниппеля и поверхностью упорного торца муфты, как показано, чтобы предотвратить смещение участка передней части ниппеля из-за крутящего момента, сжатия и расширения материала при высоких температурах. Однако поверхности могут соприкасаться, например, при свинчивании, при сжатии или при расширении материала. Также показана вспомогательная выточка 560 для смазки на поверхности 530 муфтового элемента 504, которая будет поглощать избыточную резьбовую смазку при свинчивании соединения.
[0040] Конфигурация в соответствии с фиг. 5 может быть полезна в связи с трубами, используемыми на геотермальных рынках, таких как рынок гравитационного дренажа с помощью пара. Хотя в варианте реализации изобретения, показанном на фиг. 5, отсутствует какой-либо вошедший в контакт резьбовой участок на одной стороне соединения, следует признать, что возможны варианты, включающие реализации, в которых вошедший в контакт резьбовой участок также предусмотрен на той стороне соединения, которая содержит место первичного уплотняющего контакта 540, который отнесен дальше от осевой области 546 упорного торца.
[0041] Варианты реализации предлагаемых технических решений содержат серединное уплотнение трубчатого соединения, содержащего контактирующие криволинейные поверхности. Хотя предыдущие технические решения включали в себя конфигурацию зуба и канавки для изготовления серединного уплотнения упорного торца, предлагаемые технические решения не обязательно включают в себя уплотнение серединного зуба и канавки. Серединная криволинейная уплотняющая система создает кольцевое уплотнение в трубчатом соединении между двумя криволинейными поверхностями приблизительно посередине между двумя наборами витков резьбы. Такая система может привести к более прочному уплотняющему соединению по сравнению с предыдущими техническими решениями. Например, может быть труднее создать уплотнение между зубом и канавкой трубчатого соединения из-за точных форм зуба и канавки. Кроме того, предыдущие уплотняющие технические решения могут быть подвержены скважинным или эксплуатационным силам и крутящему моменту, которые могут повредить соединение зуба и канавки.
[0042] Кольцевое уплотнение, образованное в серединной криволинейной уплотняющей системе, может быть относительно более гибким. Например, неожиданные усилия могут скорее вызвать смещение или регулировку кольцевого уплотнения серединного криволинейного уплотнения, чем его изгиб или разрыв. Поскольку обе контактирующие уплотняющие поверхности имеют криволинейную геометрию, изгибы или скручивания могут привести к сдвигам в области перекрестного взаимодействия между контактирующими криволинейными поверхностями двух соединенных трубчатых элементов. Из-за геометрий двух криволинейных поверхностей, образующих криволинейную уплотняющую систему, криволинейная уплотняющая система может поддерживать кольцевое уплотнение между двумя соединенными трубчатыми элементами, даже если длина нескольких соединений подвергается изгибам, скручиваниям, крутящему моменту и/или кручению, в результате чего ось кольцевого уплотнения может изменяться без образования разрывов в кольцевом криволинейном уплотнении.
[0043] Фиг. 6 представляет собой схематическую иллюстрацию криволинейной уплотняющей системы 600, имеющей геометрию криволинейной поверхности, когда каждый из ниппеля 602 трубчатого компонента и муфты 612 другого трубчатого компонента имеют геометрию криволинейной поверхности, выполненную с возможностью образования криволинейного уплотнения. Ниппель 602 содержит первый набор резьбы 606, второй набор резьбы 608 и серединную уплотняющую поверхность 604, расположенную в осевом направлении между первым 606 и вторым 608 наборами резьбы. Аналогично муфта 612 содержит первый набор резьбы 616, второй набор резьбы 618 и серединную уплотняющую поверхность 614, расположенную в осевом направлении между первым 616 и вторым 618 наборами резьбы. Первый и второй наборы резьбы криволинейной уплотняющей системы 600 могут содержать конусные резьбы, прямоугольные резьбы, резьбы с переменным шагом, комбинацию резьбы или любую другую геометрию резьбы или комбинацию геометрий резьбы, подходящих для использования с криволинейным серединным уплотнением согласно предлагаемым техническим решениям. Например, прямоугольная резьба может включать в себя резьбы, имеющие прямоугольную или почти прямоугольную геометрию резьбы с конусностью и по существу без угла наклона профиля резьбы. Конусная резьба может включать в себя резьбы, имеющие форму «ласточкиного хвоста», когда геометрия резьбы увеличивается по ширине резьбы в радиальном размере между ниппельным элементом и муфтовым элементом. В некоторых вариантах реализации изобретения вспомогательная выемка 610, 620 расположена в осевом направлении рядом с серединной уплотняющей поверхностью в ниппеле 602 одного трубчатого компонента и/или муфте 612 другого трубчатого компонента.
[0044] Набор частичных диаграмм распределения поперечных сечений одного или большего количества вариантов реализации изобретения криволинейной уплотняющей системы представлен на фиг. 7А-7С, где фиг. 7А представляет собой упрощенную диаграмму распределения поперечных сечений одного трубчатого компонента 702, содержащего криволинейную уплотняющую поверхность 704 и вспомогательную выемку 710, расположенную между двумя областями резьбы 706 и 708. Области 706 и 708 резьбы были упрощены без отображения какой-либо геометрии резьбы, поскольку любая геометрия резьбы может быть совместима с предлагаемыми техническими решениями. Фиг. 7B представляет собой расширенную диаграмму криволинейной уплотняющей поверхности 704 и вспомогательной выемки 710, показанной на фиг. 7А. Варианты реализации криволинейной уплотняющей поверхности 704 содержат криволинейные поверхности, которые могут быть дугой, кривой или частью эллиптической, круглой, сферической или иной криволинейной геометрии. Криволинейная уплотняющая поверхность 704 может иметь эллиптическую кривую, круговую или сферическую кривую, кривую, имеющую переменный радиус, или комбинацию разных кривых. Например, в одном варианте реализации изобретения криволинейная поверхность 704 может иметь эллиптическую кривую в сочетании с круговой кривой. Криволинейная уплотняющая поверхность 704 может быть выпуклой по отношению к прямолинейной делительной линии 712, изображенной в виде пунктирной линии на фиг. 7B, трубчатого компонента 702 между двумя областями резьбы 706 и 708. В некоторых вариантах реализации изобретения эффективный радиус кривой для криволинейной уплотняющей поверхности составляет от 0,5 дюйма до 50 дюймов.
[0045] Фиг. 7C представляет собой упрощенную диаграмму распределения поперечных сечений увеличенного вида (как на фиг. 7B) соединения, когда каждый из противоположных трубчатых компонентов 702 и 714 имеет криволинейную центральную уплотняющую поверхность 704 и 716, перекрестно взаимодействующие друг с другом, образуя область перекрестного взаимодействия 720, и также может упоминаться как криволинейное серединное уплотнение 720. В некоторых вариантах реализации изобретения, когда два трубчатых компонента 702 и 714 соединяются, криволинейные уплотняющие поверхности 704 и 716 входят в контакт, и область контакта криволинейных уплотняющих поверхностей 704 и 716 серединного уплотнения может упоминаться как перекрестное взаимодействие 720 двух поверхностей. Перекрестное взаимодействие может представлять собой область, в которой две поверхности спроектированы для перекрытия или пересечения, так что, когда две перекрестно взаимодействующие поверхности являются вошедшими в контакт, они образуют контактную область перекрестного взаимодействия. Когда эта контактная область перекрестного взаимодействия проходит по кольцевому размеру между двумя трубчатыми компонентами, контактная область перекрестного взаимодействия может образовывать уплотнение между двумя трубчатыми компонентами. В некоторых вариантах реализации изобретения контактное усилие в области перекрестного взаимодействия 720 может включать в себя силу сжатия между уплотняющими поверхностями 704 и 716. Контактное усилие в области перекрестного взаимодействия 720 также может быть описано как радиальное усилие, проходящее вдоль кольцевого размера между трубчатыми компонентами 702 и 714 для образования кольцевого уплотнения.
[0046] В некоторых вариантах реализации изобретения, первая и вторая криволинейные поверхности могут иметь одинаковые или разные геометрии кривой. В некоторых вариантах реализации изобретения первая и вторая криволинейные поверхности имеют приблизительно симметричные радиусы кривой, когда первый и второй трубчатые элементы находятся в соединенной конфигурации. Однако в некоторых вариантах реализации изобретения первая и вторая криволинейные поверхности могут быть смещены или могут иметь разные и/или несимметричные кривые, когда первый и второй трубчатые элементы соединены.
[0047] В одном варианте реализации изобретения криволинейная уплотняющая поверхность в первом и втором трубчатых элементах может находиться приблизительно в серединной точке между первым и вторым наборами резьбы. Кроме того, в некоторых вариантах реализации изобретения, перекрестное взаимодействие может происходить приблизительно в центре первой и второй криволинейных уплотняющих поверхностей. Например, перекрестное взаимодействие между двумя криволинейными уплотняющими поверхностями может находиться в пределах 1 дюйма с любой стороны от серединной точки между двумя наборами резьбы. В различных вариантах реализации изобретения криволинейная уплотняющая поверхность может быть расположена и выполнена таким образом, что криволинейная уплотняющая поверхность и/или точка перекрестного взаимодействия могли находиться в любой точке по длине бурильного замка между первым и вторым наборами резьбы. Например, в одном варианте реализации изобретения точка перекрестного взаимодействия может быть ближе к одному набору резьбы, чем к другому. Варианты реализации изобретения, содержащие различные места перекрестного взаимодействия, могут быть более подходящими для различных сред, имеющих различные факторы и требования (например, требования к крутящему моменту).
[0048] Как показано на фиг. 7C, каждый ниппельный и муфтовый элемент могут иметь вспомогательную выемку 710, 718 соответственно, расположенную в осевом направлении от первой и второй криволинейных уплотняющих поверхностей 704, 716. Вспомогательная выемка 710, 718 может иметь размеры и располагаться таким образом, чтобы в ней содержалась смазка для резьбы (также называемая резьбовой смазкой), которая смещается, когда ниппельный и муфтовый элемент собираются вместе в соединенную конфигурацию. Указанная емкость смазки для резьбы может снизить давление смазки, которая в противном случае может попасть в другие зазоры или выточки соединения. В некоторых вариантах реализации изобретения вспомогательная выемка может быть расположена на расстоянии приблизительно от 0,025 дюймов до 0,500 дюймов от криволинейной уплотняющей поверхности. Кроме того, в то время как две вспомогательных выемки расположены противоположно, смежно в осевом направлении с серединным уплотнением, варианты реализации изобретения данного раскрытия содержат различные конфигурации и размещения вспомогательных выемок. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения вспомогательная выемка ниппеля может быть выровнена со вспомогательной выемкой муфты после того, как соединены первый и второй трубчатые элементы. В других вариантах реализации изобретения может использоваться только одна вспомогательная выемка (например, только одна на муфтовом элементе или только одна на ниппельном элементе), или же вспомогательные выемки могут не использоваться.
[0049] Фиг. 8 представляет собой частичное поперечное сечение и визуализацию в три четверти соединенных трубчатых элементов 802, 804, содержащих контактирующие криволинейные поверхности на серединном уплотнении 806. В некоторых вариантах реализации изобретения криволинейная уплотняющая поверхность может быть приблизительно центрирована между двумя наборами 808, 810 витков резьбы ниппельного конца 802 и между двумя наборами 812, 814 витков резьбы муфтового конца 804. Кроме того, в некоторых вариантах реализации изобретения перекрестное взаимодействие контактирующих криволинейных уплотняющих поверхностей между ниппельным концом и муфтовым концом образует кольцевое уплотнение в трубчатом соединении, которое может быть приблизительно центрировано между вошедшими в контакт внешними витками резьбы ниппеля и муфты. В некоторых вариантах реализации изобретения криволинейная уплотняющая система может быть выполнена таким образом, что неожидаемые усилия могут вызвать смещение или регулировку кольцевого уплотнения, так что ось кольцевого уплотнения не всегда является неподвижной. Криволинейная уплотняющая система, подходящая для смещения или регулировки, может быть более простой в эксплуатации и более надежной, чем предыдущие технические решения, поскольку серединное уплотнение может поддерживаться в различных условиях.
[0050] Различные модификации и другие варианты реализации изобретения, изложенные в настоящем документе, будут очевидны благодаря идеям, представленным в приведенном выше описании и на соответствующих графических материалах. Поэтому следует понимать, что системы и способы, описанные в данном документе, не должны ограничиваться конкретными описанными реализациями и что модификации и другие варианты реализации предназначены для включения в объем прилагаемой формулы изобретения. Хотя в настоящем документе употребляются конкретные термины, они используются в общем и описательном смысле, а не в целях ограничения.