РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ
SCREW CONNECTION AND ITS APPLICATION

Настоящее изобретение относится к резьбовому соединению, частично находящемуся в самостопорящемся зацеплении с наружным заплечиком, способному выдерживать повышенный крутящий момент. Конструкция настоящего изобретения подходит для разработки или разведки скважин, в том числе глубоководных скважин. Соединение согласно настоящему изобретению способно выдерживать повышенные крутящие моменты, необходимые для специальных применений, например, бурение с обсадной колонной, обсадка во время бурения, вращение во время цементирования или в сильнонаклонной скважине для уменьшения или учета сопротивления, когда это необходимо. Согласно настоящему изобретению повышенный крутящий момент относится к более высокому крутящему моменту, чем резьбовое соединение с упорным заплечиком, например, выше (30,000 фут-фунтов) 40,674 Н⋅м для тел труб более 127 мм (5 дюймов). Применения будут особенно подходящими для соединения, которое необходимо вращать в скважине без ущерба для герметичности и сопротивления конструкции.
Соединения обсадных труб, хвостовики и другие трубы для нефтяных месторождений часто используются для бурения, заканчивания и добычи из скважин. Например, соединения обсадных труб могут быть размещены в стволе скважины для стабилизации и защиты пласта от высоких давлений в стволе скважины (например, давлений в стволе скважины, которые превышают пластовое давление), которые в противном случае могли бы повредить пласт. Соединения обсадных труб представляют собой секции трубы (например, стальной или титановой), которые могут быть соединены встык резьбовыми соединениями или любыми другими соединительными механизмами, известными в данной области техники. Как таковые, соединения обычно проектируются таким образом, чтобы образовалось по меньшей мере одно уплотнение между внутренней частью соединенных соединений обсадных труб и кольцевым пространством, образованным между наружными стенками соединений обсадных труб и внутренними стенками ствола скважины (т.е. пластом).
Как правило, в резьбовом трубном соединении с наружной и внутренней резьбой охватываемый компонент соединения называется элементом «с наружной резьбой», а охватывающий компонент называется элементом «с внутренней резьбой». В контексте данного документа термин «свинчивание» относится к зацеплению элемента с наружной резьбой с элементом с внутренней резьбой и свинчиванию элементов вместе посредством крутящего момента и вращения, «свинчивание» относится к процессу сборки соединений, которые должны удерживаться перед опусканием колонны труб в скважину. Обычно для данного соединения устанавливается номинальный крутящий момент свинчивания. Номинальный крутящий момент свинчивания соответствует значению, при котором конец с наружной резьбой и конец с внутренней резьбой, если предположить, что они были правильно зацеплены, достаточно вставлены друг в друга и приведены в действие для опускания в скважину и обеспечения требуемой производительности.
Что касается геометрии резьб, термин «опорная сторона» обозначает поверхность боковой стенки резьбы, которая обращена в сторону от внешнего конца соответствующего элемента с наружной резьбой или с внутренней резьбой, на котором образована резьба, и выдерживает вес (т.е. растягивающие усилие) нижнего трубного элемента, висящего в стволе скважины. Подобным образом, термин «закладная сторона» обозначает поверхность боковой стенки резьбы, которая обращена к внешнему концу соответствующего элемента с наружной резьбой или с внутренней резьбой и воспринимает усилия, сжимающие соединения по направлению друг к другу во время начального свинчивания соединения или, например, усилие, прикладываемое для прижатия нижнего трубного элемента к забою скважины (т.е. сжимающее усилие). Термины «впадина» и «вершина» обозначают поверхности, удерживаемые между смежными закладной стороной и опорной стороной одной и той же резьбы, при этом впадина противоположна вершине, а вершины определяют самую наружную поверхность соответствующей наружной резьбы и внутренней резьбы.
Трапециевидные резьбы содержат опорную сторону, закладную сторону, впадину и вершину, так что между двумя смежными впадинами, опорной стороной, закладной стороной и вершиной определена заметно трапециевидная форма, где переходы между опорной стороной и любой из впадины и вершины могут быть изогнутыми, и то же самое касается переходов между закладной стороной и любой из впадины и вершины. Резьбы типа «ласточкин хвост» относятся к трапециевидному профилю резьбы, в котором существует первое положение по высоте резьбы, где осевая ширина резьбы, измеренная вдоль продольной оси трубы, в этом первом положении больше, чем осевая ширина той же резьбы во втором положении по высоте резьбы, при этом второе положение по высоте резьбы находится ближе к впадине этой резьбы, чем первое положение по высоте резьбы. Профиль «ласточкин хвост» предотвращает радиальное разделение соединения охватываемых и охватывающих элементов, особенно при циклах растяжения-сжатия с внутренними напряжениями сжатия.
В контексте данного документа термин «изменяющаяся резьбовая зона» представляет собой резьбы, независимо от конкретной формы резьбы, которые увеличиваются по осевой ширине (т.е. осевому расстоянию между опорными сторонами и закладными сторонами, измеренному вдоль продольной оси трубы) в противоположных направлениях соответственно на элементе с наружной резьбой и элементе с внутренней резьбой, так что взаимодополняющие наружная и внутренняя резьбы с изменяющейся шириной входят в зацепление при свинчивании соединения. Резьбы с изменяющейся шириной обычно находятся в самостопорящейся компоновке в конце свинчивания. Самостопорящаяся компоновка означает, что в конце свинчивания не остается осевого зазора резьбы ни между соответствующими опорными сторонами элемента с наружной резьбой и элемента с внутренней резьбой, ни между закладными сторонами элемента с наружной резьбой и элемента с внутренней резьбой соответственно.
Скорость, с которой резьбы изменяются по ширине вдоль соединения, определяется переменной, известной как «изменяющееся отношение ширины». В контексте данного документа термин «изменяющееся отношение ширины», хотя технически это не отношение, относится к разнице между ходом закладной стороны и ходом опорной стороны и описывает, как противоположные поверхности сближаются при каждом обороте резьбы. Кроме того, в контексте данного документа термин «ход» резьбы относится к дифференциальному расстоянию между компонентами резьбы на последовательных резьбах. Таким образом, «ход закладной стороны» представляет собой расстояние между закладными сторонами последовательных шагов резьбы по осевой длине соединения. Разница в ширине резьбы для резьбы с изменяющейся шириной возникает в результате того, что опорные стороны имеют разные ходы по сравнению с закладными сторонами. Ход резьбы может быть выражен в мм на один оборот. Следует отметить, что это значение противоположно обычно используемому термину «шаг резьбы», который обычно измеряется количеством витков резьбы на миллиметр.
Обычно резьбы с изменяющейся шириной, например, как описано в патенте США №5360239 или патенте США №6682101, не имеют заплечиков с жестким упором для крутящего момента, поэтому их свинчивание является «неопределенным». В результате относительное положение элемента с наружной резьбой и элемента с внутренней резьбой может изменяться в большей степени при выбранном свинчивании для данного диапазона прилагаемого крутящего момента, чем для соединений, имеющих заплечик с жестким упором для крутящего момента. Таким образом, для резьб с изменяющейся шириной, имеющих натяг сторон при выбранном свинчивании и не имеющих заплечика с жестким упором для крутящего момента, номинальный крутящий момент при свинчивании определяется таким образом, чтобы выбранная величина крутящего момента получалась после того, как наблюдается сопротивление крутящему моменту из-за посадки с натягом оператором на диаграмме свинчивания.
Таким образом, резьба с изменяющейся шириной может обеспечивать резьбовое уплотнение при более высоких давлениях газа и/или жидкости за счет конструкции соединения, обеспечивающего больший натяг сторон и/или натяг впадин/вершин. Однако повышенный натяг может увеличить нагрузку на соединение во время выбранного свинчивания, что может привести к преждевременному выходу соединения из строя. Кроме того, те резьбы с изменяющейся шириной с наибольшей посадкой с натягом свинчиваются еще более неопределенно, относительное осевое положение элемента с наружной резьбой и элемента с внутренней резьбой в конце свинчивания будет меняться в течение последовательных циклов свинчивания и развинчивания.
Как упоминалось ранее, резьбы с изменяющейся шириной обычно не содержат заплечики с жестким упором для крутящего момента, потому что заплечики с жестким упором для крутящего момента уменьшают толщину трубы, доступную для резьб. Вместо этого резьбы основаны на «эффекте клина» или резьбах с изменяющейся шириной, зацепляющихся закладными и опорными сторонами и позволяющих изменяющемуся отношению ширины действовать как «заплечик для крутящего момента». С резьбовыми соединениями с изменяющейся шириной все же могут остаться сложности. Однако, поскольку относительные окончательные положения элементов с внутренней и наружной резьбой после завершения выбранного свинчивания резьб с изменяющейся шириной могут варьироваться от одного свинчивания к другому, это может вызвать изменение контактных напряжений нерезьбовых элементов соединения, т.е. уплотнений. Выход из строя уплотнений может привести к преждевременному выходу из строя резьбового соединения.
Таким образом, из документа US-2011/278838 известно резьбовое соединение с изменяющейся шириной с внутренним заплечиком с жестким упором для крутящего момента, смежным с внутренним уплотнением, для улучшения соответствующих характеристик уплотнения. Заплечик с жестким упором для крутящего момента позволяет правильно расположить уплотнительные поверхности. Обработка этого резьбового соединения требует небольших допусков на обработку, чтобы достичь надлежащего баланса между уплотнением и резьбой с изменяющейся шириной, которые в то же время должным образом сочетаются.
Из документа US-9273521 известен другой тип резьбового соединения с изменяющейся шириной с наружным заплечиком с жестким упором для крутящего момента, смежным с наружным уплотнением, но в соответствии с рекомендациями этого документа для снижения риска выскакивания независимо от положения резьбы при низком крутящем моменте свинчивания после свинчивания остается осевой промежуток между закладными сторонами. Соединение не имеет самостопорящейся компоновки и допускает более высокие допустимые допуски на обработку, поэтому резьбы не могут обеспечить какой-либо элемент уплотнения, а герметичность должна быть достигнута путем добавления элементов уплотнения на обоих концах резьбовой части. В случае чрезмерного крутящего момента как наружный заплечик, так и уплотнения будут пластически деформироваться, и производительность будет неприемлемой. Документ US-9273521 не содержит информации о решении для возможности повышенного крутящего момента.
Из документа US-2018-340378 также известно другое резьбовое соединение с изменяющейся шириной с заплечиком с жестким упором для крутящего момента, обеспечиваемым специальной конструкцией упора резьбы на конце резьбовой части как элемента с наружной резьбой, так и элемента с внутренней резьбой. Упоры наружной и внутренней резьб выполнены с возможностью контакта, когда наружная и внутренняя резьбы с изменяющейся шириной полностью зацеплены. Согласно этой конструкции упор наружной резьбы и упор внутренней резьбы действуют как традиционный заплечик с жестким упором для крутящего момента и «защищают» соединение в случае чрезмерного крутящего момента резьбового соединения либо во время свинчивания, либо во время других внутрискважинных операций. В такой конфигурации, когда соединение чрезмерно затянуто, резьба перестает перемещаться в контакт и может препятствовать дополнительному относительному вращательному движению (и повреждению резьбы) резьбовых трубных элементов. В документе US-2018-340378 содержится информация о поддержании контактных напряжений между упорами резьбы ниже предела текучести материала соединения.
Существует потребность в соединении с надлежащим балансом между затратами на механическую обработку, высокими характеристиками уплотнения с точным относительным положением уплотнения в конце свинчивания и обеспечением предсказуемой процедуры свинчивания, чтобы выдерживать более высокий крутящий момент после свинчивания при вставке и/или вращении в скважине.
В настоящем изобретении предложено усовершенствованное соединение в отношении низких производственных затрат и вышеупомянутых проблем.
Настоящее изобретение относится к резьбовому соединению, содержащему первый и второй трубные компоненты, причем первый трубный компонент содержит первое тело трубы и охватываемый конец, причем охватываемый конец содержит дальнюю поверхность и резьбовую зону, расположенную на наружной периферийной поверхности охватываемого конца, причем второй трубный компонент содержит второе тело трубы и охватывающий конец, содержащий дальнюю поверхность и резьбовую зону, расположенную на внутренней периферийной поверхности охватывающего конца, причем как охватываемая, так и охватывающая резьбовые зоны соответственно содержат изменяющуюся зону, где резьба имеет изменяющуюся ширину, и неизменяющуюся зону, смежную с изменяющейся зоной, где резьба имеет постоянную ширину, причем изменяющаяся зона охватываемой резьбовой зоны свинчена с изменяющейся зоной охватывающей резьбовой зоны, и неизменяющаяся зона охватываемой резьбовой зоны свинчена с неизменяющейся зоной охватывающей резьбовой зоны, причем профиль резьбы охватываемой и охватывающей резьбовых зон является трапециевидным и содержит опорную сторону, закладную сторону, впадину и вершину, при этом наружный заплечик конца с наружной резьбой на охватываемом конце находится в осевом упорном контакте с соответствующей упорной поверхностью охватывающей дальней поверхности, причем такой наружный заплечик конца с наружной резьбой удерживается между первым телом трубы и охватываемой резьбовой частью.
Предпочтительно осевой зазор резьбы между закладной стороной наружной резьбы и закладной стороной внутренней резьбы в неизменяющейся зоне может составлять от 0,002 мм до 1 мм, предпочтительно от 0,05 до 0,5 мм, еще более предпочтительно может быть равен 0,036 мм после свинчивания.
Например, количество витков в пределах изменяющейся зоны, в случае если изменяющиеся зоны свинчены в самостопорящейся компоновке так, что закладная сторона наружной резьбы контактирует с закладной стороной внутренней резьбы, а опорная сторона наружной резьбы контактирует с опорной стороной внутренней резьбы, может составлять от 2 до 15, предпочтительно от 2 до 12.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения 5-50% от количества витков в пределах охватывающей изменяющейся зоны могут иметь профиль резьбы с неполной высотой, при этом вершины внутренней неполной резьбы в изменяющейся зоне удерживаются на цилиндрической части.
Подобным образом, в том же предпочтительном варианте осуществления или в другом варианте осуществления 10-30% от общего количества витков охватывающей резьбовой зоны могут иметь профиль резьбы с неполной высотой.
Предпочтительно изменяющаяся и неизменяющаяся зоны могут быть смежными на одной и той же винтовой линии. И еще более предпочтительно каждая из обеих из охватываемой и охватывающей резьбовых зон выполнена из одной винтовой линии.
В предпочтительном варианте осуществления 0-50% от количества витков в пределах охватываемой неизменяющейся зоны могут иметь профиль резьбы с неполной высотой, при этом вершины наружной неполной резьбы в неизменяющейся зоне удерживаются на цилиндрической части.
Трапециевидный профиль резьбы охватываемой и охватывающей резьбовых зон предпочтительно может представлять собой ласточкин хвост во избежание выскакивания в условиях высокого внутреннего давления. С этой целью трапециевидный профиль резьбы охватываемой и охватывающей резьбовых зон может содержать опорную и/или закладную стороны, предусматривающие «отрицательные» углы на по меньшей мере части радиального размера соответствующих сторон. Опорная сторона и закладная сторона охватываемой и охватывающей резьбовых зон могут определять отрицательный угол с плоскостью, перпендикулярной продольной оси первого компонента, причем такой отрицательный угол находится в диапазоне от 1° до 15°, предпочтительно от 3° до 7°, например, равен 5°.
Например, после свинчивания между вершинами наружных резьб и впадинами внутренних резьб может оставаться радиальный промежуток, например, радиальный промежуток, составляющий от 0,05 мм до 0,5 мм, предпочтительно от 0,05 до 0,15 мм, например, равный 0,1 мм.
Наружный заплечик конца с наружной резьбой также может определять обратный угол, составляющий от 1° до 45°, предпочтительно от 5° до 20°, например, равный 15°. Такая конфигурация лучше выдерживает сжатие.
Охватываемая дальняя поверхность может оставаться на ненулевом расстоянии от любой соответствующей внутренней поверхности охватывающего конца после свинчивания.
Предпочтительно резьбовое соединение может содержать уплотнение металл-металл по типу торус-конус, предпочтительно когда торус находится на охватываемом конце, а конус - на охватывающем конце, причем такое уплотнение металл-металл находится напротив наружного заплечика конца с наружной резьбой и расположено между охватываемой резьбовой зоной и охватываемой дальней поверхностью. Таким образом, уплотнение металл-металл расположено на удалении от заплечика, который может пластически деформироваться. С целью дополнительной защиты уплотнения металл-металл цилиндрическая канавка может быть предусмотрена между охватываемой резьбовой частью и частью уплотнения металл-металл.
Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения резьбовые зоны являются конусообразными с конусностью, находящейся в диапазоне от 4% до 15%, предпочтительно составляющей 1/14.
Целью настоящего изобретения также является применение резьбового соединения согласно настоящему изобретению в качестве такового для обсадной трубы или хвостовика, при этом внешний диаметр тела трубы выбран больше 177,8 мм (7 дюймов), предпочтительно больше 244,5 мм (9 5/8 дюйма) и еще предпочтительнее больше 406,4 мм (16 дюймов), причем резьбовые соединения этих обсадной трубы и хвостовика выполнены «полуобтекаемыми».
В сочетании с резьбовым соединением согласно настоящему изобретению целью настоящего изобретения также является определение способа свинчивания этого резьбового соединения, при этом упор наружного заплечика конца с наружной резьбой в соответствующую упорную поверхность охватывающего конца происходит до того, как осевой зазор резьбы между закладной стороной наружной резьбы и закладной стороной внутренней резьбы в изменяющейся зоне будет равен нулю. Такой способ может быть определен таким образом, что в конце свинчивания наружный заплечик конца с наружной резьбой упирается в соответствующую упорную поверхность охватывающего конца, и осевой зазор резьбы между закладными сторонами в изменяющейся зоне остается большим или равным 0. В качестве альтернативы или в дополнение к этому, в конце свинчивания осевой зазор резьбы между закладными сторонами в изменяющейся зоне может оставаться меньше осевого зазора резьбы между закладными сторонами в неизменяющейся зоне.
Дополнительные характеристики и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из следующего подробного описания и графических материалов, на которых:
на фиг. 1 схематически показана резьбовая зона соединения согласно настоящему изобретению в половинном виде в продольном сечении;
на фиг. 2a и 2b представлены подробные виды в продольном сечении трапециевидного профиля резьбы охватывающей и соответственно охватываемой резьбовых зон соединения согласно настоящему изобретению;
на фиг. 3 представлен график, показывающий процесс изменения ходов между опорными сторонами и закладными сторонами вдоль резьб охватываемого и охватывающего элементов в соответствии с фиг. 1 в зависимости от расстояния от дальней поверхности охватываемого конца;
на фиг. 4 схематично показаны в половинном виде в продольном сечении подробности охватываемого конца между резьбовой зоной и дальней поверхностью охватываемого конца;
на фиг. 5a и 5b показаны в половинном виде в продольном сечении подробности изменения деформации, наблюдаемой в конце свинчивания в соединении согласно настоящему изобретению, на основе анализа упругопластических свойств способом конечных элементов для охватывающего конца и охватываемого конца соответственно между наружным заплечиком и их резьбовыми зонами;
на фиг. 6 показана кривая свинчивания крутящего момента соединения согласно настоящему изобретению.
Прилагаемые графические материалы служат не только для дополнения настоящего изобретения, но и, при необходимости, для его определения. Как и в случае со всеми графическими материалами в половинном виде в продольном сечении настоящей заявки, представления иллюстрируют полуплоскости, поскольку обе полуплоскости вдоль вида в продольном сечении по существу симметричны относительно оси трубы и соединения.
На фиг. 1 представлено соединение согласно настоящему изобретению, образованное свинчиванием первого трубного компонента C1, имеющего охватываемый конец 1, со вторым трубчатым компонентом C2, оснащенным охватывающим концом 2. Соединение содержит внутреннее уплотнение 3.
Каждый из трубных компонентов C1 и C2 содержит тело трубы, соответственно 10 и 20. Охватывающий конец и охватываемый конец, предназначенные для образования соединения согласно настоящему изобретению, расположены на концах таких труб. Охватываемый конец 1 расположен на одном конце первого тела 10 трубы. Охватывающий конец 2 расположен на одном конце второго тела 20 трубы. Тела 10 и 20 труб могут иметь длину в несколько метров, например, тип диапазона 3 имеет длину от 10 до 15 метров. Предпочтительно тела 10 и 20 труб имеют одинаковый номинальный внешний диаметр и одинаковую номинальную ширину трубы. Труба большой длины может быть оснащена охватываемым коном на одном конце и охватывающим резьбовым элементом на противоположном конце. Однако настоящее изобретение, тем не менее, может быть также применено к соединению, в котором используется муфта, содержащая короткую трубку, оснащенную охватывающими концами на обоих своих концах.
Соединение согласно настоящему изобретению может быть использовано для образования обсадных колонн или колонн насосно-компрессорных труб для углеводородных скважин, ремонтных разделительных колонн или колонн бурильных труб для тех же самых скважин.
Трубы предпочтительно образованы из стали. Например, марка стального материала составляет от 80 тысяч фунтов на квадратный дюйм (550 МПа) до 140 тысяч фунтов на квадратный дюйм (965 МПа). Например, марка стали составляет выше 100 тысяч фунтов на квадратный дюйм (690 МПа), например, 125 тысяч фунтов на квадратный дюйм (860 МПа). Фактически они могут быть изготовлены из разных марок нелегированной, низколегированной или высоколегированной стали или даже из черного или цветного сплава, термообработаны или наклепаны в зависимости от условий эксплуатации, таких как, например: уровень механической нагрузки, коррозионный характер текучей среды внутри или снаружи труб и т. д. Возможно также применение стальных труб, обладающих низкой коррозионной стойкостью, покрытых защитным покрытием, например, покрытием из коррозионностойкого сплава или синтетического материала.
На фиг. 1 охватываемый конец 1 содержит охватываемую резьбовую зону 13, расположенную на наружной периферийной поверхности указанного охватываемого конца 1, и охватывающий конец 2 содержит охватывающую резьбовую зону 23 на внутренней периферийной поверхности охватывающего конца. Согласно этому варианту осуществления как охватываемая, так и охватывающая резьбовые зоны 13 и 23 являются конусообразными по существу с одинаковой конусностью, например, с конусностью, находящейся в диапазоне от 4 % до 15 %, предпочтительно составляющей приблизительно 1/14.
Для свинчивания таких резьбовых зон 13 и 23 вместе предпочтительно использовать смазку для герметизации резьбового соединения или покрытие, не содержащее смазку, уже нанесенное на по меньшей мере одну из резьбовых зон.
Внутренняя охватываемая кромка 11 обеспечена между охватываемой резьбовой зоной 13 и свободным дальним концом 17 охватываемого конца 1. Свободная дальняя поверхность 17 проходит по существу радиально относительно продольной оси компонента C1. В конце свинчивания охватываемая дальняя поверхность 17 никак не контактирует с охватывающим концом 2. Охватывающий конец 2 содержит охватывающую внутреннюю выточку 24, обращенную к охватываемой внутренней кромке 11. Эта охватывающая внутренняя выточка содержит внутренний заплечик 28 на ненулевом расстоянии от охватываемой дальней поверхности 17.
Охватывающая внутренняя выточка также содержит коническую охватывающую внутреннюю уплотняющую поверхность 26 с диаметром, который уменьшается по направлению к внутреннему упору 28 с углом полураствора конуса в диапазоне от 2° до 15°. Эта уплотнительная поверхность 26 способна вступать в контакт с натягом с соответствующей охватываемой внутренней уплотнительной поверхностью 15, обеспеченной на внутренней охватываемой кромке 11. Охватывающая внутренняя уплотнительная поверхность 26 может иметь такую же конусность, что и охватываемая внутренняя уплотнительная поверхность 15. Охватываемая внутренняя уплотнительная поверхность 15 может быть тороидальной с радиусом выпуклости в диапазоне от 10 до 80 мм.
Кроме того, охватываемый конец 1 содержит охватываемую внешнюю выточку 34 на своей наружной периферии за охватываемой резьбовой зоной 13 в направлении тела 10 трубы. Охватываемая внешняя выточка содержит цилиндрическую поверхность 34, непосредственно смежную с охватываемой резьбовой зоной 13, причем такая цилиндрическая поверхность 34 доходит вплоть до наружной упорной поверхности 37, также называемой наружным заплечиком 37 конца с наружной резьбой. Охватывающий конец 2 дополнительно содержит внешнюю охватывающую кромку 21 на своей внутренней периферии за резьбовой зоной 23 в направлении свободной дальней поверхности 42. Указанная внешняя охватывающая кромка 21 имеет цилиндрическую форму и обращена на ненулевом расстоянии к соответствующей цилиндрической поверхности 34 охватываемой внешней выточки.
В конце свинчивания охватывающая дальняя поверхность 42 образует упорную поверхность, которая упирается в соответствующую охватываемую наружную упорную поверхность 37, для обеспечения соединения с наружным заплечиком. Наружная упорная поверхность 37 имеет положительный угол относительно перпендикуляра к продольной оси соединения. Положительный угол ориентирован в тригонометрическом смысле, т. е. по часовой стрелке. Как наружная упорная поверхность 37, так и охватывающая дальняя поверхность 42 предпочтительно представляют одинаковый угол. Альтернативно охватывающая дальняя поверхность может немного не совпадать с положительным углом α. Положительный угол α находится в диапазоне от 1° до 45°, предпочтительно от 5° до 20° и в раскрытом варианте осуществления равен 15°.
Резьбовая зона 13 и 23 содержит трапециевидную резьбу с профилем зубьев резьбы, содержащим опорную сторону LF, закладную сторону SF, впадину R и вершину С. Зубья 10 наружной трапециевидной резьбы содержат опорную сторону LFp, закладную сторону SFp, впадину Rp и вершину Cp. Зубья внутренней трапециевидной резьбы содержат опорную сторону LFb, закладную сторону SFb, впадину Rb и вершину Cb. Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения на фиг. 2a и 2b эти резьбовые зоны содержат зубья с профилем «ласточкин хвост», так что впадина Rp и Rb и вершина Cp и Cb параллельны продольной оси X тел 10 и 20 труб, и оба из угла β1 между опорной стороной FPp или FPb и смежной впадиной Rp и Rb соответственно и соответственно угла β2 между закладной стороной SFp и смежной впадиной Rp и Rb соответственно меньше 90°, предпочтительно меньше или равны 85°. Предпочтительно углы β1 и d2 равны.
Трапециевидный профиль резьбы представляет собой ласточкин хвост, поэтому ширина вершины больше ширины этих зубьев в положении, определенном между этой вершиной и смежными впадинами. Предпочтительно, как представлено, высота Hp зубьев наружной резьбы в радиальном направлении меньше, чем высота Hb зубьев внутренней резьбы, так что между вершиной Cp наружной резьбы и впадиной Rp внутренней резьбы определен радиальный зазор. Поскольку резьбовые зоны 13 и 23 является конусообразными, радиальная высота Hsfp опорной стороны LFp наружной резьбы меньше, чем Hp, и, соответственно, радиальная высота Hsfb опорной стороны LFb внутренней резьбы меньше, чем Hb, тогда как Hsfp меньше, чем Hsfb. Этот радиальный зазор определяет путь винтовой линии для уплотняющей смазки во время свинчивания. Поскольку вершины и впадины параллельны одной и той же продольной оси, радиальный зазор может иметь постоянную радиальную высоту на всем протяжении пути, например, такую высоту, которая составляет 0,1 мм.
Каждая резьбовая зона 13 и 23 содержит изменяющуюся зону 40, 50 или клиновидную зону и неизменяющуюся зону 41, 51. На фиг. 3 представлен график согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения, показывающий процесс изменения ходов между опорными сторонами и закладными сторонами соответственно для охватываемой резьбовой зоны и охватывающей резьбовой зоны в соответствии с фиг. 1 в зависимости от расстояния от дальней поверхности 17 охватываемого конца 1 при свинчивании соединения. График на фиг. 3 представляет значения хода соответственно закладных сторон (SFP_p) наружной резьбы, опорных сторон (LFP_p) наружной резьбы, закладных сторон (SFP_b) внутренней резьбы и опорных сторон (LFP_b) внутренней резьбы вдоль оси y, причем ось x представляет расположение резьбы вдоль продольной оси трубного компонента между охватывающей дальней упорной поверхностью 42 и охватываемой дальней поверхностью 17 при свинчивании соединения.
Точнее, на фиг. 3 охватываемая резьбовая зона 13 содержит первую часть 40, при этом ход SFL_p между закладными сторонами наружной резьбы является постоянным со значением SFL_p1, и ход LFL_p между опорными сторонами наружной резьбы также является постоянным, но имеет другое значение LFL_p1. В примере, показанном на фиг. 1, LFL_p1 строго больше, чем SFL_p1. Например, в одном варианте осуществления настоящего изобретения:
LFL_p1 = 8,466 мм;
SFL_p1 = 8,066 мм.
Во второй неизменяющейся части 41 в охватываемой резьбовой зоне 13 ход SFL_p является постоянным с тем же значением SFP_p1, и ход LFL_p также является постоянным и теперь равен SFL_p.
Таким образом, изменяющееся отношение ширины первой части 50, которое представляет собой разницу между ходом опорной стороны и ходом закладной стороны, в данном случае равняется 0,4 мм.
На фиг. 3 охватывающая резьбовая зона 23 содержит первую часть 50, при этом ход SFL_b между закладными сторонами внутренней резьбы является постоянным со значением SFL_b1, и ход LFL_b между опорными сторонами внутренней резьбы также является постоянным, но имеет другое значение LFL_b1. В примере, показанном на фиг. 1, LFL_b1 строго больше, чем SFL_b1. Например, в одном варианте осуществления изобретения:
LFL_p1 = LFL_b1; и
SFL_p1 = SFL_b1.
Во второй части 51 в охватывающей резьбовой зоне 23 ход SFL_b является постоянным с тем же значением SFL_b1, и ход LFL_b также является постоянным и теперь равен SFL_b. В рамках объема настоящего изобретения приемлемы другие значения хода закладных сторон и хода опорных сторон.
Таким образом, изменяющиеся отношения ширины первых частей 50 и 51 идентичны. Кроме того, охватываемая и охватывающая резьбовые зоны 13 и 23 сконструированы таким образом, что охватываемая изменяющаяся зона 40 перекрывает охватывающую изменяющуюся зону 50, и охватываемая неизменяющаяся зона 41 перекрывает охватывающую неизменяющуюся зону 51.
Свинчивание соединения согласно настоящему изобретению выполняется таким образом, что осевое перемещение охватываемого конца 1 в охватывающий конец 2 прекращается, когда обеспечивается упор наружного заплечика. Таким образом, определяется относительное положение изменения между изменяющейся и неизменяющейся зонами. Таким образом, изменение ходов закладных сторон как для охватываемой, так и для охватывающей резьбовых зон происходит в пределах одного и того же витка, предпочтительно в пределах одной и той же половины витка. Резьбовые зоны 13 и 23 могут быть однозаходными. Каждая резьбовая зона может иметь единственную однозаходную винтовую линию. Термин «единственная резьбовая винтовая линия» означает винтовую линию без прерывания. Таким образом, на одной винтовой линии изменяющаяся и неизменяющаяся зоны являются смежными. Угол β2 закладных сторон и угол β1 опорных сторон остаются одинаковыми как в изменяющихся зонах 40, 50, так и в неизменяющихся зонах 41, 51.
Когда зубья неизменяющихся зон 41 и 51 свинчиваются вместе, между закладными сторонами неизменяющихся зон 41 и 51 определяется осевой зазор резьбы (TAG), так как эта резьба с постоянной шириной не свинчивается в самостопорящейся компоновке. TAG, например, больше 0,3 мм. При упоре наружного заплечика 37 конца с наружной резьбой в соответствующую упорную поверхность 42 осевой зазор резьбы между опорными сторонами и закладными сторонами в изменяющейся зоне может быть положительным или равным нулю. В конце свинчивания, когда он положительный, такой осевой зазор резьбы между закладными сторонами в изменяющейся зоне 40, 50 остается меньше, чем TAG.
Таким образом, после свинчивания, когда соединение опускается и вращается в стволе скважины, может быть приложен дополнительный крутящий момент, и такой дополнительный крутящий момент на заплечике приведет к пластической деформации по меньшей мере охватываемой наружной упорной поверхности 37, но затем стопорящиеся резьбы изменяющейся зоны 40 и 50 будут входить в контакт и подвергаться этому уровню крутящего момента, не влияя на герметичность, поскольку конструкция уплотнения допускает небольшое осевое перемещение поверхностей уплотнения. На фиг. 5a и 5b представлена область пластической деформации в пределах наружного заплечика 37 и соответствующей упорной поверхности 42, когда к свинченному соединению приложен избыточный крутящий момент V согласно фиг. 6. Заштрихованная зона 25 стенки, полностью деформируемая пластически, представлена через внешнюю охватывающую кромку 21 на фиг. 6a под действием этого повышенного крутящего момента. Внешняя охватывающая кромка 21 неустойчива в этих условиях чрезмерного крутящего момента. Заштрихованная под углом 45° зона 35 определена рядом с наружным заплечиком 37 по всей высоте этого наружного заплечика 37. Зона 35 является полностью деформируемой пластически, и в состоянии пластической деформации наружного упорного заплечика больше не будет продвижения, если будет приложен дополнительный крутящий момент за пределами уровня V, указанного на фиг. 6. Как видно на фиг. 5a и 5b, на этом уровне V резьбы вообще не деформированы пластически.
На фиг. 6 представлена перегрузочная способность по крутящему моменту по оси y соединения в зависимости от относительного количества витков элемента с наружной резьбой в элементе с внутренней резьбой по оси x. Как видно, перед свинчиванием (MU) элемент с наружной резьбой и элемент с внутренней резьбой вращаются относительно друг друга при очень низкой крутизне крутящего момента, поскольку сопротивление крутящему моменту возникает из-за уплотнения и/или радиального натяга резьб, если таковое имеется. Когда наружный заплечик начинает контактировать в точке O, наблюдается сильное увеличение крутизны диаграммы, но осевой зазор резьбы между закладной стороной наружной резьбы и закладной стороной внутренней резьбы в изменяющейся зоне все еще выше нуля, так как резьба в изменяющейся зоне еще не находится в самостопорящейся компоновке.
От точки O до точки P крутизна линейная. Между O и P во внутренней охватываемой кромке 11 достигается максимальная пластическая деформация 0,2 %.
Конец свинчивания в соответствии с требованиями буровой установки MU или номинальным крутящим моментом свинчивания MU выбирается между O и P. От O до P относительное перемещение элементов с наружной резьбой и с внутренней резьбой с точки зрения количества витков «n» очень низкое, например, ниже 0,4 витка. Из-за жесткости наружного заплечика конец с наружной резьбой и конец с внутренней резьбой почти не вращаются относительно друг друга.
Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения номинальное свинчивание MU выбирают таким образом, чтобы осевой зазор резьбы между закладными сторонами в изменяющейся зоне оставался больше 0. Согласно альтернативному варианту осуществления настоящего изобретения номинальное свинчивание выбирают таким образом, чтобы осевой зазор резьбы между закладными сторонами в изменяющейся зоне больше не существовал и, таким образом, равнялся 0, тогда как осевой зазор резьбы между закладными сторонами в неизменяющейся зоне оставался строго больше 0.
После точки P кривая слегка отклоняется, так как заплечик пластически деформируется. После MU, а тем более после точки P, резьбы изменяющейся зоны начинают поглощать перегрузочную способность по крутящему моменту. Осевой зазор резьбы между закладной стороной наружной резьбы и закладной стороной внутренней резьбы в изменяющейся зоне начинает постепенно смыкаться, и/или контактное давление между закладными сторонами увеличивается. Отклонение кривой перегрузочной способности по крутящему моменту после MU, а тем более после точки P, является признаком соединения согласно настоящему изобретению.
Уплотнение 3 представляет собой уплотнение металл-металл с длиной натяга уплотнения, при этом перед свинчиванием внешний диаметр охватываемой уплотнительной поверхности 16 превышает внутренний диаметр охватывающей уплотнительной поверхности 24 на заданном расстоянии, приблизительно соответствующем длине уплотнения.
Как показано на фиг. 4, охватываемая уплотнительная поверхность 16 представляет собой закругленную по радиусу поверхность с большим радиусом кривизны, расположенную между конусообразной частью 60, по радиусу соединенной с охватываемой дальней поверхностью 17, с одной стороны и цилиндрической частью 61 с другой стороны. Канавка 62 определена на охватываемой внутренней кромке 11, так что канавка 62 расположена между охватываемой изменяющейся резьбовой зоной 40 и цилиндрической частью 61.
Охватывающая изменяющаяся резьбовая зона 50 начинается с неполной резьбы, смежной с охватывающей внутренней выточкой 24, обращенной к этой канавке 62. Неполная резьба называется так потому, что высота резьбы меньше, чем Hb, так как вершина Cb внутренней резьбы в этом конкретном положении неполных резьб выровнена с одной и той же цилиндрической поверхностью. Внутренние неполные резьбы составляют менее половины витков резьбы изменяющейся зоны 50. Внутренние неполные резьбы составляют менее 30 % от общего количества витков резьбы охватывающей резьбовой зоны 23. Внутренние неполные резьбы содержатся исключительно в изменяющейся зоне.
Охватываемая неизменяющаяся резьбовая зона 51 начинается с неполной резьбы, смежной с охватываемой цилиндрической поверхностью 34. Неполная резьба называется так потому, что высота резьбы меньше Hp, так как вершина Cp наружной резьбы в этом конкретном положении неполных резьб выровнена на той же поверхности, что и цилиндрическая поверхность 34. Наружные неполные резьбы составляют менее половины витков резьбы в неизменяющейся зоне 51. Наружные неполные резьбы составляют менее 30 % от общего количества витков резьбы охватываемой резьбовой зоны 13. Наружные неполные резьбы содержатся исключительно в неизменяющейся зоне 51.
Количество витков резьбы в самостопорящейся компоновке в изменяющейся зоне установлено от 2 до 12, причем наибольшее количество витков приходится на самый большой размер наружного диаметра (OD) тела трубы. Например, для OD, составляющего 558,8 мм (22 дюйма), количество витков резьбы изменяющейся зоны составляет приблизительно 12, тогда как для OD, составляющего 431,8 мм (17 дюймов), количество витков резьбы изменяющейся зоны составляет приблизительно 9.