КОМПЛЕКТ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ РЕЗЬБОВОГО СОЕДИНЕНИЯ, СПОСОБ СВИНЧИВАНИЯ И РАСКРЕПЛЕНИЯ УКАЗАННОГО СОЕДИНЕНИЯ, И ПРИМЕНЕНИЕ УКАЗАННОГО СОЕДИНЕНИЯ В ВОДООТДЕЛЯЮЩЕЙ КОЛОННЕ
KIT TO MAKE THREADED JOINT, METHOD TO SCREW AND UNSCREW SAID JOINT AND APPLICATION OF SAID JOINT IN RISER

[0001] Настоящее изобретение относится к комплекту для получения резьбового соединения, применяемого при бурении или эксплуатации углеводородных скважин. Комплект содержит первый и второй трубчатые компоненты, при этом один из концов каждого трубчатого компонента содержит резьбовую зону наружного типа и также содержит третий трубчатый компонент, который предпочтительно короче первых двух, каждый из концов которого содержит резьбовую зону внутреннего типа, который может взаимодействовать с указанными внешними резьбовыми зонами путем свинчивания. Изобретение относится к способу свинчивания данного комплекта и к резьбовому соединению, полученному в результате свинчивания данного комплекта. Изобретение также относится к способу раскрепления.
[0002] Термин "компонент, применяемый при бурении и эксплуатации углеводородных скважин" обозначает любой элемент, обладающий по существу трубчатой формой и предназначенный для соединения с другим элементом такого же типа или же для завершения путем составления колонны для бурения углеводородной скважины либо водоотделяющей колонны для технического обслуживания, такой как водоотделяющей колонны для капитального ремонта, или обсадной колонны, или насосно-компрессорной колонны, задействованных при эксплуатации скважины.
[0003] Термин "соединение" обозначает связь между трубчатыми компонентами. В качестве примера можно привести известное соединение двух длинных труб путем свинчивания конца одной трубы, оснащенного наружной резьбой, в конец другой трубы, оснащенный внутренней резьбой. Также известно соединение двух длинных трубчатых компонентов с использованием более короткого трубчатого компонента, также называемого "соединительная муфта", путем свинчивания каждого конца соединительной муфты с внутренней резьбой с концами длинных трубчатых компонентов, оснащенных внешней резьбой.
[0004] Компоненты, используемые при бурении или эксплуатации углеводородных скважин, свинчены друг с другом известным способом с высоким крутящим моментом свинчивания. Последний обычно достигается благодаря взаимодействию путем затягивания опорных поверхностей, расположенных на каждом из компонентов, или с помощью резьбы, называемой "самоблокирующейся резьбой". Однако некоторые варианты применения подразумевают высокие напряжения, например, при применении в водоотделяющих колоннах. В связи с этим во избежание раскрепления компонентов должны быть приложены очень высокие крутящие моменты свинчивания. Однако величина крутящих моментов свинчивания ограничена риском нарастания пластических деформаций. Таким образом, необходимо надежно защитить соединения от риска несвоевременного раскрепления.
[0005] Представляется возможным зафиксировать свинченные трубчатые компоненты, тем самым защитив их от раскрепления, с помощью деталей, которые блокируют вращение трубчатых компонентов относительно друг друга. В документе EP-I 664 477 первый трубчатый компонент свинчен со вторым трубчатым компонентом, при этом первый трубчатый компонент опирается на часть с меньшим внешним диаметром. Два кольца соответственно блокируют один и другой компонент сразу после свинчивания. Кольца также надежно присоединены друг к другу с помощью стержней, привинченных к указанным кольцам. В документе US-4 406 485 первый трубчатый компонент свинчен со вторым, тоже трубчатым, компонентом, затем относительное вращение одного компонента относительно другого блокировано при помощи детали, блокированной винтом в корпусе, который выступает в пространство первого и второго компонентов.
[0006] Тем не менее данные типы решения обладают недостатком, который заключается в увеличении количества деталей, присутствующих в соединении, и использовании винтов, болтов и т.п., что не приветствуется пользователями, поскольку конструкция оборудования должна быть максимально упрощена для того, чтобы сократить техническое обслуживание (в зависимости от количества деталей) и засорение скважины (например, риск потери винтов).
[0007] Изобретение относится к комплекту трубчатых компонентов, которые могут легко свинчиваться друг с другом для получения соединения, при этом данный комплект не подвержен несвоевременному раскреплению при эксплуатации соединения.
[0008] Точнее комплект для получения резьбового соединения, применяемого в углеводородных скважинах, содержит:
первый трубчатый компонент, содержащий один конец, на внешней кольцевой поверхности которого расположены две резьбовые зоны с идентичным ходом;
второй трубчатый компонент, внутренняя кольцевая поверхность которого содержит по меньшей мере две резьбовые зоны;
третий трубчатый компонент, содержащий один конец, внутренняя кольцевая поверхность которого содержит по меньшей мере одну резьбовую зону, и внешняя кольцевая поверхность которого содержит по меньшей мере одну резьбовую зону;
и в котором:
резьбовая зона, расположенная на внутренней кольцевой поверхности конца третьего компонента, может взаимодействовать путем свинчивания с одной из двух резьбовых зон, расположенных на конце первого компонента;
резьбовая зона, расположенная на внешней кольцевой поверхности конца третьего компонента, может взаимодействовать путем свинчивания с одной из двух резьбовых зон второго компонента, при этом второй и третий компоненты дополнительно содержат средства для определения конца свинчивания указанных резьбовых зон;
другая резьбовая зона, расположенная на конце первого компонента, может взаимодействовать путем свинчивания с другой резьбовой зоной, расположенной на втором компоненте.
[0009] Согласно определенным характеристикам ход резьбовой зоны, расположенной на внешней кольцевой поверхности конца третьего компонента, больше хода резьбовой зоны, расположенной на внутренней кольцевой поверхности конца третьего компонента, по меньшей мере на 10% и предпочтительно в два раза больше хода резьбовой зоны, расположенной на внутренней кольцевой поверхности конца третьего компонента.
[0010] Согласно одной характеристике резьбовая зона, расположенная на внешней кольцевой поверхности конца третьего компонента, и резьбовая зона, расположенная на внутренней кольцевой поверхности конца третьего компонента, направлены в противоположные стороны.
[0011] Согласно одной характеристике средства для определения конца свинчивания, расположенные между резьбовой зоной, расположенной на внешней кольцевой поверхности конца третьего компонента, и соответствующей резьбовой зоной второго компонента, представляют собой опорные поверхности, соответственно расположенные на конечной поверхности конца третьего компонента и на поверхности, образованной заплечиком на втором компоненте.
[0012] Согласно одной характеристике конец первого компонента на его конечной поверхности содержит опорную поверхность, которая может взаимодействовать путем упора с соответствующей опорной поверхностью, расположенной на поверхности, образованной заплечиком на втором компоненте.
[0013] Согласно одной характеристике средства для определения конца свинчивания между резьбовой зоной, расположенной на внешней кольцевой поверхности конца третьего компонента, и соответствующей резьбовой зоной второго компонента основаны на том факте, что указанные резьбовые зоны являются взаимно самоблокирующимися.
[0014] Согласно одной характеристике конец первого компонента на его конечной поверхности содержит поверхность уплотнения, которая может взаимодействовать путем затягивания с соответствующей поверхностью уплотнения, расположенной на поверхности, образованной заплечиком на втором компоненте.
[0015] Согласно одной характеристике резьбовые зоны трубчатых компонентов расположены на конических огибающих поверхностях с углом конусности от 0,5 до 4 градусов.
[0016] Согласно одной характеристике резьбовые зоны, расположенные на конце первого компонента, расположены на одной и той же конической огибающей поверхности и образуют единую непрерывную резьбу.
[0017] Способ для получения резьбового соединения, применяемого в углеводородных скважинах, содержит следующие этапы:
предоставление комплекта для получения резьбового соединения как определено выше;
свинчивание резьбовой зоны, расположенной на внешней кольцевой поверхности конца третьего компонента, в соответствующую резьбовую зону, расположенную на конце второго компонента, до достижения конца свинчивания;
свинчивание двух резьбовых зон, расположенных на внешней кольцевой поверхности конца первого трубчатого компонента, в соответствующие резьбовые зоны, соответственно расположенные на внутренних кольцевых поверхностях второго и третьего компонентов;
приложение крутящего момента C0 раскрепления между вторым и третьим трубчатыми компонентами.
[0018] Соединение может быть получено применением способа согласно изобретению, в котором первый и третий трубчатые компоненты представляют собой длинные трубы, а второй трубчатый компонент представляет собой соединительную муфту.
[0019] Соединение может быть получено применением способа согласно изобретению, в котором первый трубчатый компонент представляет собой длинную трубу, а второй и третий трубчатые компоненты представляют собой соединительные муфты.
[0020] Двойное соединение может быть образовано двумя соединениями согласно изобретению, в котором второй и третий трубчатые компоненты представляют собой соединительные муфты. Третьи трубчатые компоненты образуют один и тот же трубчатый компонент.
[0021] Резьбовое соединение согласно изобретению может быть применено в водоотделяющей колонне.
[0022] Способ для раскрепления резьбового соединения содержит следующие этапы:
приложение крутящего момента C0 свинчивания между вторым и третьим трубчатыми компонентами;
раскрепление двух резьбовых зон, расположенных на внешней кольцевой поверхности первого конца трубчатого компонента, из соответствующих им резьбовых зон;
раскрепление резьбовой зоны, расположенной на внешней кольцевой поверхности третьего конца, из резьбовой зоны.
[0023] Характеристики и преимущества изобретения будут описаны более подробно в нижеприведенном описании, которое содержит ссылки на сопроводительные графические материалы.
[0024] Фиг. 1 и 2 являются схематическими изображениями продольного сечения соединения, созданного в результате соединения комплекта двух длинных трубчатых компонентов путем свинчивания с помощью соединительной муфты.
[0025] Фиг. 3 является схематическим изображением продольного сечения соединения, созданного в результате соединения комплекта двух длинных компонентов (путем свинчивания) с помощью соединительной муфты, состоящей из трех частей.
[0026] Фиг. 1 изображает три трубчатых компонента с осью 10 вращения. На внешней кольцевой поверхности одного из концов 12 первого компонента расположены две резьбовые зоны 121, 122. Ход каждой из резьбовых зон является идентичным. На внутренней кольцевой поверхности второго трубчатого компонента 22 расположены две резьбовые зоны 221, 222. На внутренней кольцевой поверхности одного из концов 20' третьего компонента расположена резьбовая зона 201', а на его внешней кольцевой поверхности расположена резьбовая зона 202'.
[0027] Резьбовая зона 201', расположенная на внутренней кольцевой поверхности конца 20' третьего компонента, может взаимодействовать путем свинчивания с резьбовой зоной 121, расположенной на внешней кольцевой поверхности конца 12 первого компонента. Первый и третий компоненты дополнительно содержат средства для определения конца свинчивания указанных резьбовых зон, так что свинчивание прекращено после предопределенного количества оборотов. В данном случае, эти средства содержат опорные поверхности, соответственно расположенные на заплечике 203's третьего трубчатого компонента и на конечной поверхности 123 первого трубчатого компонента. Также предоставляется возможным предусмотреть другие элементы, которые могут определить конец свинчивания, например самоблокирующаяся резьба для резьбовых зон 201' и 121. Принцип таких резьб заключается в увеличении ширины витков с увеличением расстояния от конечной поверхности компонента и одновременном уменьшении ширины впадин резьбы, так что в конце свинчивания боковые стороны витков упираются друг в друга, если ширина впадин больше не позволяет виткам продвигаться вперед.
[0028] Резьбовая зона 202', расположенная на внешней кольцевой поверхности конца 20' третьего компонента, может взаимодействовать путем свинчивания с резьбовой зоной 221 второго компонента 22. Второй компонент 22 и конец 20' третьего компонента дополнительно содержат средства для определения конца свинчивания указанных резьбовых зон, так что свинчивание прекращено после предопределенного количества оборотов. В данном случае, эти средства содержат опорные поверхности, соответственно расположенные на заплечике 203' второго трубчатого компонента и на конечной поверхности 223 третьего трубчатого компонента. Также представляется возможным предусмотреть другие элементы, которые могут определить конец свинчивания, например самоблокирующаяся резьба для резьбовых зон 202' и 221.
[0029] Другая резьбовая зона 122, расположенная на первом конце 12, может взаимодействовать путем свинчивания с другой резьбовой зоной 222, расположенной на втором компоненте 22.
[0030] Термин "резьбовая зона" обозначает любую зону, расположенную на кольцевой поверхности трубчатого компонента и содержащую резьбу; резьба может быть непрерывной, секторной, многозаходной, однозаходной, равномерной, неравномерной и т.д.
[0031] Термин "конечная поверхность" обозначает поверхность, которая проходит на свободном крае конца трубчатого компонента по всей его толщине, в отличие от кольцевой поверхности, которая проходит вдоль продольной оси компонента. Другими словами, конечная поверхность характеризуется формой кольцевой поверхности, которая, в общем, радиально ориентирована относительно оси 10 трубчатых компонентов.
[0032] Фиг. 2 изображает вариант осуществления, подобный варианту осуществления, изображенному на фиг. 1. Вновь на данной фигуре изображены трубчатые компоненты с осью 10 вращения. На внешней кольцевой поверхности одного из концов 11 первого компонента расположены две резьбовые зоны 111, 112. Ход каждой из резьбовых зон является идентичным. На внутренней кольцевой поверхности второго трубчатого компонента 21 расположены две резьбовые зоны 211, 212. На внутренней кольцевой поверхности одного из концов 20 третьего компонента расположена резьбовая зона 201, а на его внешней кольцевой поверхности расположена резьбовая зона 202.
[0033] Резьбовая зона 201, расположенная на внутренней кольцевой поверхности конца 20 третьего компонента, может взаимодействовать путем свинчивания с резьбовой зоной 111, расположенной на внешней кольцевой поверхности конца 11 первого компонента. Резьбовая зона 202, расположенная на внешней кольцевой поверхности конца 20 третьего компонента, может взаимодействовать путем свинчивания с резьбовой зоной 211 второго компонента 21. Второй компонент 21 и конец 20 третьего компонента дополнительно содержат средства для определения конца свинчивания указанных резьбовых зон, так то свинчивание прекращено после предопределенного количества оборотов. Резьбовая зона 112, расположенная на первом конце 11, может взаимодействовать путем свинчивания с резьбовой зоной 212, расположенной на втором компоненте 21.
[0034] Два варианта, изображенные на фиг. 1 и 2, составляют режим усиленного свинчивания между концами первого и третьего трубчатых компонентов. Фактически надежное фиксирование концов первого и третьего компонентов путем свинчивания частично задействует непосредственное взаимодействие между резьбовой зоной, расположенной на первом компоненте, и резьбовой зоной, расположенной на третьем компоненте. Далее оно также задействует взаимодействие резьбовых зон между первым и вторым компонентами и между вторым и третьим компонентами. В целом, оказывается, что на протяжении части, представленной длиной второго компонента, резьбовые зоны являются длинными. Это означает, что значение площади контактной поверхности при затягивании между резьбами на единицу длины трубы в этой части очень велико.
[0035] Возможна дальнейшая оптимизация надежного соединения первого и третьего трубчатых компонентов путем свинчивания с помощью реализации определенных характеристик относительно резьбовых зон третьего компонента.
[0036] Согласно первому улучшению и со ссылкой на фиг. 1 и 2 ход резьбовой зоны 202, 202', расположенной на внешней кольцевой поверхности конца 20, 20' третьего компонента, по меньшей мере на 10% больше хода резьбовой зоны 201, 201', расположенной на внутренней кольцевой поверхности указанного конца 20, 20'. Термин "ход" обозначает расстояние, которое проходит трубчатый компонент при выполнении полного оборота. Также необходимо упомянуть, что при свинчивании резьбового трубчатого компонента в другой трубчатый компонент, содержащий дополнительную резьбу, указанный резьбовой компонент смещен путем перемещения вдоль своей оси вращения.
[0037] Таким образом, когда первый, второй и третий трубчатые компоненты свинчены вместе, не представляется возможным раскрепить третий компонент от комплекта, который составляют первый и второй концы. Фактически, разница в ходе между резьбовыми зонами 201, 202, 201' 202', которые удерживают третий трубчатый компонент в комплекте, который составляют первый и второй компоненты, создает фиксацию. Если предпринята попытка раскрепить третий трубчатый компонент, между резьбовой зоной 202, 202', расположенной на внешней кольцевой поверхности, и резьбовой зоной 201, 201', расположенной на внутренней кольцевой поверхности конца 20, 20' третьего компонента, возникает смещение; точнее данное смещение задействует прижатие нагруженной боковой стороны резьбовой зоны, расположенной на внутренней кольцевой поверхности третьего компонента, к нагруженным боковым сторонам резьбовой зоны, расположенной на внешней кольцевой поверхности конца 11, 12 первого компонента.
[0038] Согласно второму улучшению и также со ссылкой на фиг. 1 и 2 резьбовая зона 202, 202', расположенная на внешней кольцевой поверхности конца 20, 20' третьего компонента, выполнена в направлении, противоположном направлению резьбовой зоны 201, 201', расположенной на внутренней кольцевой поверхности указанного конца 20, 20'. Таким образом, когда первый, второй и третий трубчатые компоненты свинчены вместе, не представляется возможным раскрепить третий компонент от комплекта, который составляют первый и второй концы. Фактически, изменение направлений резьбовых зон 201, 202, 201', 202', которые удерживают третий трубчатый компонент в комплекте, который составляют первый и второй компоненты, создает блокировку.
[0039] Блокировка, полученная расхождением резьбовых зон 111, 121 и 112, 122, образованных на внешней кольцевой поверхности конца 11, 12 первого компонента, означает, что комплект, состоящий из первого, второго и третьего компонентов, может быть заблокирован с помощью способа, содержащего следующие этапы:
предоставление комплекта для получения резьбового соединения;
свинчивание резьбовой зоны 202; 202', расположенной на внешней кольцевой поверхности конца 20; 20' третьего компонента, в соответствующую резьбовую зону 211; 221, расположенную на конце 21; 22 второго компонента, до достижения конца свинчивания;
свинчивание двух резьбовых зон 111, 112; 121, 122, расположенных на внешней кольцевой поверхности конца первого трубчатого компонента 11; 12, в соответствующие резьбовые зоны, соответственно расположенные на внутренних кольцевых поверхностях 212, 201; 222,201' второго и третьего компонентов;
приложение крутящего момента C0 раскрепления между вторым и третьим трубчатыми компонентами.
[0040] Что касается выбора крутящего момента C0, то он должен быть определен в зависимости от размеров трубчатых компонентов и выбранного применения (бурение, водоотделяющая колонна и т.д.).
[0041] Таким образом, нагруженные боковые стороны резьбовой зоны 111, 121 остаются прижатыми к нагруженным боковым сторонам соответствующей резьбовой зоны 201, 201', в то время как ударные боковые стороны резьбовой зоны 112, 122 прижаты к ударным боковым сторонам соответствующей резьбовой зоны 212, 222. Указанное прижатие блокирует раскрепление первого трубчатого компонента.
[0042] Следовательно, предоставлен способ раскрепления, который содержит следующие этапы:
приложение крутящего момента свинчивания между вторым и третьим трубчатыми компонентами для устранения прижатия между резьбовыми зонами 111, 121 и 112, 122 первого компонента;
раскрепление двух резьбовых зон 111, 112; 121, 122, расположенных на внешней кольцевой поверхности первого конца трубчатого компонента 11; 12, из соответствующих им резьбовых зон;
раскрепление резьбовой зоны 202; 202', расположенной на внешней кольцевой поверхности третьего конца 20; 20', из резьбовой зоны 211; 221.
[0043] Вышеописанные варианты осуществления являются конкретным применением в водоотделяющих колоннах. Эти водоотделяющие колонны, которые соединяют поверхность моря с дном, в частности, подвержены проблеме раскрепления под воздействием волнения и морских течений, которые вызывают высокие напряжения при кручении. Напряжения при кручении в первую очередь воздействуют на две последовательные длинные трубы, но не на длинную трубу и соединительную муфту, к которой она присоединена. Точнее, если первый и третий компоненты представляют собой длинные трубы, а второй компонент является соединительной муфтой, указанные напряжения при кручении не могут вызвать раскрепление первого и третьего компонентов друг от друга. Первый компонент обязательно должен быть раскреплен от комплекта, состоящего из третьего компонента и соединительной муфты, свинченных вместе, т.е. путем захвата в месте отметки Yl или Y2 и отметки Xl или X2, как видно на фиг. 1 и 2.
[0044] Следует напомнить следующие определения: короткая трубка обозначена термином "соединительная муфта" и предназначена для соединения длинных труб. Подобное соединение обозначено термином соединение T&C (соединение с резьбой и муфтой). В качестве примера, длина труб, составляющих соединительные муфты, составляет от 0,2 до 0,7 метров, а длина длинных труб составляет от 6 до 15 метров.
[0045] Другой вариант осуществления изображен на фиг. 3, которая сочетает варианты осуществления, описанные на фиг. 1 и на фиг. 2. Два соединения согласно изобретению, каждое из которых содержит первый, второй и третий трубчатые компоненты. В одних соединениях резьбовые концы 11, 20 первого и третьего трубчатых компонентов свинчены вместе и в соединительную муфту 21. Что касается других соединений, резьбовые концы 12, 20' первого и третьего трубчатых компонентов свинчены вместе и в соединительную муфту 22. Первые трубчатые компоненты 11, 12 представляют собой длинные трубы. Концы 20 и 20' являются концами одного и того же трубчатого компонента, который представляет собой соединительную муфту. Трубы 11 и 12 соединены с помощью комплекта, состоящего из трех соединительных муфт 20, 21, 22. Первые трубчатые компоненты 11, 12 невозможно раскрепить друг от друга путем захвата Xl и X2. Каждый из первых трубчатых компонентов 11, 12 необходимо раскрепить от комплекта, состоящего из трех соединительных муфт 20, 21, 22, путем захвата одного компонента в Xl и Yl и захвата другого компонента в X2, Y2. В этой связи можно предусмотреть множество возможностей, поскольку концы 20, 20' третьего трубчатого компонента не обязательно должны быть симметричными.
[0046] В целом, вышеописанные соединения предоставляют функцию защиты от раскрепления.
[0047] Преимущественно, что конечная поверхность 113, 123 конца 11, 12 первого компонента содержит, помимо опорной поверхности, поверхность уплотнения, которая может взаимодействовать путем затягивания с соответствующей поверхностью уплотнения, расположенной на заплечике 203s, 203s' второго компонента 21, 22. Фактически, при необходимости герметизации соединения, необходимо обеспечить поверхностям уплотнения возможность образования контакта между первым и третьим компонентами при затягивании, а также между вторым и третьим компонентами. Что касается типа поверхностей уплотнения, можно привести ссылку на традиционные поверхности уплотнения, используемые в данной области техники. Это могут быть поверхности вида "конус на конусе", или "тор на конусе", или " тор и конус на конусе", как описано в заявках WO-03/048623 или WO-04/109173, включенных в настоящее описание посредством ссылки.
[0048] Преимущественно резьбовые зоны могут быть расположены на конических огибающих поверхностях, образующих угол конусности с осью 10 вращения соединения. Это означает облегчение свинчивания трубчатых компонентов друг с другом. Полуугол образующих конуса обычно составляет от 0,5 до 4 градусов, предпочтительно, от 1 до 2 градусов.
[0049] Преимущественно резьбовые зоны 111, 112, 121, 122, расположенные на конце 11, 12 первого компонента, расположены на одной и той же конической огибающей поверхности под углом конусности α относительно оси 10 вращения и образуют единую непрерывную резьбу. Это означает облегчение действий, направленных на стыковку первого компонента. Следовательно, следует уделять внимание тому, чтобы дополнительные резьбовые зоны 201, 212, 201', 202 были расположены с учетом совместимости. В качестве примера, резьбовые зоны 201 и 212 могут подвергаться машинной обработке в ходе одного этапа, когда соединительная муфта 21 свинчена с концом 20 третьего трубчатого компонента.
[0050] Разумеется, другие варианты осуществления также являются возможными путем размещения резьбовых зон 211, 212, 221, 222, расположенных на внутренней кольцевой поверхности второго компонента 21, 22, на одной и той же конической или цилиндрической огибающей поверхности. В данном случае, резьбовые зоны 111, 112, 121, 122, расположенные на конце 11,12 первого компонента, не находятся на одной той же огибающей поверхности.