УПЛОТНЕНИЕ В ВИДЕ ЦЕНТРАЛЬНОГО ВЫСТУПА ДЛЯ ТРУБНОГО СОЕДИНЕНИЯ
SEALING IN FORM OF CENTRAL PROTUBERANCE FOR PIPE CONNECTION

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[0001] Настоящая заявка испрашивает приоритет по предварительной заявке США №61/760,833, поданной 5 февраля 2013 г., и предварительной заявке США №13/827,195, поданной 14 марта 2013 г., содержание которых включено в настоящее описание посредством ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0002] Настоящая заявка относится к такому типу трубных соединений, который обычно используют в нефтегазовой промышленности и содержит уплотнение в виде центрального выступа, а, более конкретно, к конфигурации уплотнения в виде центрального выступа, отделяющей радиальную и касательную силы уплотняющих поверхностей контакта металл-металл от центральных выступов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0003] Нефтегазодобывающая промышленность осваивает бурение все более глубоких и более сложных скважин для поиска и добычи углеводородного сырья. В указанной промышленности обычно используют стальные трубы (трубы нефтегазопромыслового сортамента) для защиты скважины (обсадная труба) и для управления добытыми в ней текучими средами (система трубок). Обсадную трубу и систему трубок изготавливают и перевозят в относительно небольших протяженностях в длину, и устанавливают в скважину по одной протяженности в длину за раз, причем каждую протяженность в длину присоединяют к следующей. Так как поиск нефти и газа приводит компаний к бурению более глубоких и более сложных скважин, спрос на обсадные трубы и системы трубок выросли пропорционально в параметрах растягивающего усилия и усилия давления. Развивающаяся технология отклоненных и горизонтальных скважин усилила эту тенденцию, также добавляя к требованиям к обсадным трубам и системам трубок принятие во внимание повышенных скручивающих усилий.
[0004] В данной области техники существуют два общих класса соединителей. Наиболее распространенным является резьбовой и сопряженный соединитель, в котором две наружных, или охватываемых резьбы, образованные на концах двух длинных секций трубы, соединены двумя внутренними, или охватывающими резьбами, образованными на относительно короткой детали, муфте, которая имеет наружный диаметр больше трубы и, приблизительно такой же внутренний диаметр. Другой класс представлен цельным соединителем, в котором деталь с наружной резьбой образована на одном конце полноразмерной секции трубы, а деталь с внутренней резьбой образована во второй полноразмерной секции. Указанные две секции могут быть непосредственно соединены без необходимости детали промежуточного соединения. Концы тела трубы могут быть дополнительно обработаны для способствования образования резьбы соединения.
[0005] В предыдущем уровне техники представлены примеры использования множества различных резьб, выступов и конфигураций уплотнения для труб нефтегазопромыслового сортамента. Один тип сочетания выступа и уплотнения, используемый в предыдущем уровне техники, является так называемой конфигурацией уплотнения в виде центрального выступа. Под используемым в настоящем описании термином «уплотнение в виде центрального выступа» («center shoulder seal») следует понимать секцию соединения, расположенную между по меньшей мере двумя резьбовыми участками, причем секция содержит поверхности, выполненные с возможностью непосредственного контакта, между содержащей наружную резьбу и содержащей внутреннюю резьбу деталями, или между содержащей наружную резьбу, содержащей внутреннюю резьбу деталями и третьим компонентом, таким как кольцевая уплотнительная втулка, таким образом, чтобы секцией обеспечивать уплотнение для предотвращения протекания текучей среды или газа через соединение в сборе (через его резьбы).
[0006] В патентах США №5,415,442 и 5,462,315 раскрыта конфигурация центрального выступа, изображенная на фиг.1, в которой образовано пять уплотнений металл-металл во время установки (сборки) соединения: два уплотнения металл-металл на наружных скошенных краях заблокированного двойного уплотнения 400 в виде выступов, при этом уплотняющие поверхности 418 и 438 находятся в контакте и при этом уплотняющие поверхности 422 и 442 находятся в контакте; и три беззазорных поверхности на внутренней стороне заблокированного двойного уплотнения 400 в виде выступов, одна 410 расположена на боковой поверхности, на которой контактируют цилиндрические уплотняющие поверхность, еще одна беззазорная поверхность расположена на участке контакта наружной поверхности выступа 420 с наружной резьбой с углубленной поверхностью 448 с внутренней резьбой, и еще одна беззазорная поверхность расположена на участке контакта наружной поверхности выступ 440 с внутренней резьбой с углубленной поверхностью 428 с наружной резьбой. Таким образом, уплотнение 400 в виде центрального выступа образует уплотнение металл-металл с плотной посадкой, содержащее сопряженные уплотняющие поверхности металл-металл, обеспечивающие возможность накопления запаса энергии внутри уплотнения после силового затягивания установленного соединения таким образом, чтобы после воздействия различных усилий на трубу, а также на соединение, уплотнение продолжало осуществлять функцию уплотняющего взаимодействия и поддерживать его. Следует отметить, что все уплотнения металл-металл образованы внутри осевого пространства 450 между наборами контактирующих кольцевых наружных поверхностей центральных выступов, а каждое из уплотнений металл-металл на наружных скошенных краях уплотнения 400 в виде выступа, каждое из которых прикладывает радиальные усилия, непосредственно примыкает к соответствующему одному из наборов контактирующих кольцевых наружных поверхностей.
[0007] В патентах №5,765,836 и 6,041,487 раскрыта конфигурация центрального выступа, изображенная на фиг.2, в которой установлено по меньшей мере два и не больше семи уплотнений металл-металл между содержащей наружную резьбу и содержащей внутреннюю резьбу деталями. Три из семи уплотнений являются усеченными уплотнениями. Первое наружное усеченное уплотнение 120 образовано посредством взаимодействия содержащей наружную резьбу и содержащей внутреннюю резьбу выполненными в форме усеченного конуса поверхностей на радиальной наружной стороне центрального выступа, а второе внутреннее усеченное уплотнение 122 образовано между содержащей наружную резьбу и содержащей внутреннюю резьбу выполненных в форме усеченного конуса поверхностями на радиальной внутренней стороне центрального выступа. Третье усеченное уплотнение является центральным усеченным уплотнением 124, образованным между содержащей наружную резьбу и содержащей внутреннюю резьбу центральными промежуточными выполненными в форме усеченного конуса поверхностями. Образованы уплотнения двух кольцевых выступов. Каждое из первого внутреннего кольцевого уплотнения 126 в виде выступа и второго наружного кольцевого уплотнения 128 в виде выступа взаимодействует с кольцевыми поверхностями содержащей наружную резьбу и содержащей внутреннюю резьбу деталей. Также, образованы два цилиндрических уплотнения. Первый наружное цилиндрическое уплотнение 130 образовано посредством взаимодействия содержащей наружную резьбу и содержащей внутреннюю резьбу цилиндрических поверхностей наружного уплотнения на радиальной наружной стороне, а второе внутреннее цилиндрическое уплотнение 132 образовано посредством взаимодействия содержащей наружную резьбу и содержащей внутреннюю резьбу цилиндрических поверхностей уплотнения на радиальной внутренней стороне. Следует отметить, что в этой конфигурации каждое из уплотнений металл-металл, подверженных существенным радиальным и касательным силам (т.е., контактирующие уплотнения 122 и 120), непосредственно примыкает к соответствующему одному из наборов контактирующих кольцевых наружных поверхностей (т.е., на кольцевых контактирующих уплотнениях 126 и 128) и, аналогично, находится в осевом пространстве 150 между двумя уплотнениями в виде кольцевого выступа.
[0008] В конфигурациях центрального выступа указанных ранее патентов осевая нагрузка внутри соединений выступа склонна к образованию наиболее высоких нагрузок рядом с осевыми расположениями контакта кольцевого выступа (например, на уплотнениях 126 и 128 в виде кольцевого выступа на фиг. 2, и, аналогично, на уплотнениях в виде кольцевого выступа, образованных в конфигурации по фиг. 1). Таким образом, наиболее высокие нагрузки и деформируемость материала или деформация образуется внутри осевой области 450, 150, которая, в каждом случае, определена между кольцевыми выступами соединения, или рядом с ней.
[0009] Требуется создание соединения центрального выступа, обеспечивающее эффективное уплотнение и предотвращает потенциальные проблемы, связанные с радиальными уплотнительными силами в области высокой нагрузки и области вероятной деформируемости центрального выступа.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0010] В одном аспекте система уплотнения металл-металл, соединяющая первый и второй трубные элементы (например, такие как первая и вторая трубы нефтегазопромыслового сортамента), содержит первую конфигурацию уплотнения, расположенную на первом трубном элементе, и вторую конфигурацию уплотнения, расположенную на втором трубном элементе. Первая конфигурация уплотнения содержит первую кольцевую выемку и первый кольцевой зубец, первая кольцевая выемка определена обращенной радиально внутрь углубленной поверхностью, примыкающей первой кольцевой поверхностью выступа и примыкающей первой поверхностью, обращенной радиально наружу, первый кольцевой зубец определен обращенной радиально внутрь углубленной поверхностью, поверхностью первого кольцевого зубца и второй поверхностью, обращенной радиально наружу. Вторая конфигурация уплотнения содержит вторую кольцевую выемку и второй кольцевой зубец, вторая кольцевая выемка определена обращенной радиально наружу углубленной поверхностью, примыкающей второй кольцевой поверхностью выступа и примыкающей первой поверхностью, обращенной радиально внутрь, второй кольцевой зубец определен обращенной радиально наружу углубленной поверхностью, поверхностью второго кольцевого зубца и второй поверхностью, обращенной радиально внутрь. Второй кольцевой зубец расположен в пределах первой кольцевой выемки, причем поверхность второго кольцевого зубца взаимодействует с первой кольцевой поверхностью выступа таким образом, чтобы определять первый выступ. Первый кольцевой зубец расположен в пределах второй кольцевой выемки, причем поверхность первого кольцевого зубца взаимодействует с второй кольцевой поверхностью выступа таким образом, чтобы определять второй выступ. Участок первого уплотняющего контакта между первой поверхностью, обращенной радиально наружу, первого трубного элемента и второй поверхностью, обращенной радиально внутрь, второго трубного элемента расположен на расстоянии в осевом направлении от первого выступа; а участок первого уплотняющего контакта между первой поверхностью, обращенной радиально внутрь, второго трубного элемента и второй поверхностью, обращенной радиально наружу, первого трубного элемента расположен на расстоянии в осевом направлении от второго выступа.
[0011] В одном варианте реализации системы в соответствии с предыдущим параграфом зазор образован между первой поверхностью, обращенной радиально наружу, и второй поверхностью, обращенной радиально внутрь, рядом с первым выступом; зазор образован между первой поверхностью, обращенной радиально внутрь, и второй поверхностью, обращенной радиально наружу, рядом со вторым выступом.
[0012] В одном варианте реализации системы в соответствии с любым из двух предыдущих параграфов участок первого уплотняющего контакта между первой поверхностью, обращенной радиально наружу, и второй поверхностью, обращенной радиально внутрь, расположен на расстоянии в осевом направлении от первого выступа, составляющем приблизительно между 0,025 дюйма (0,06 см) и приблизительно двумя дюймами (5,08 см), а участок первого уплотняющего контакта между первой поверхностью, обращенной радиально внутрь, и второй поверхностью, обращенной радиально наружу, расположен на расстоянии в осевом направлении от второго выступа, составляющем приблизительно между 0,025 дюйма (0,06 см) и приблизительно одним дюймом (2,54 см).
[0013] В одном варианте реализации системы в соответствии с любым из трех предыдущих параграфов радиальный зазор между первой поверхностью, обращенной радиально наружу, и второй поверхностью, обращенной радиально наружу, в плоскости первого выступа составляет между приблизительно 0,040 дюйма (0,1016 см) и приблизительно 0,500 дюйма (1,27 см), а радиальный зазор между первой поверхностью, обращенной радиально внутрь, и второй поверхностью, обращенной радиально внутрь, в плоскости второго выступа составляет между приблизительно 0,040 дюйма (0,1016 см) и приблизительно 0,500 дюйма (1,27 см).
[0014] В одном варианте реализации системы в соответствии с любым из четырех предыдущих параграфов радиально обращенная внутрь углубленная поверхность взаимодействует с обращенной радиально наружу углубленной поверхностью.
[0015] В одном варианте реализации системы в соответствии с любым из пяти предыдущих параграфов расположение первого уплотняющего контакта между первой поверхностью, обращенной радиально наружу, и второй поверхностью, обращенной радиально внутрь, образовано посредством взаимодействия между одним из: (i) участком, выполненным в форме усеченного конуса, первой поверхности, обращенной радиально наружу, и участком, выполненным в форме усеченного конуса, второй поверхности, обращенной радиально внутрь; (и) участком, выполненным в форме усеченного конуса, первой поверхности, обращенной радиально наружу и криволинейным участком второй поверхности, обращенной радиально внутрь; (iii) криволинейным участком первой поверхности, обращенной радиально наружу, и участком, выполненным в форме усеченного конуса, второй поверхности, обращенной радиально внутрь; или (iv) криволинейным участком первой поверхности, обращенной радиально наружу, и криволинейным участком второй поверхности, обращенной радиально внутрь. Аналогично, расположение первого уплотняющего контакта между первой поверхностью, обращенной радиально внутрь, и второй поверхностью, обращенной радиально наружу, образовано посредством взаимодействия между одним из: (i) участком, выполненным в форме усеченного конуса, первой поверхности, обращенной радиально внутрь, и участком, выполненным в форме усеченного конуса, второй поверхности, обращенной радиально наружу; (ii) участком, выполненным в форме усеченного конуса, первой поверхности, обращенной радиально внутрь, и криволинейным участком второй поверхности, обращенной радиально наружу; (iii) криволинейным участком первой поверхности, обращенной радиально внутрь, и участком, выполненным в форме усеченного конуса, второй поверхности, обращенной радиально наружу; или (iv) криволинейным участком первой поверхности, обращенной радиально внутрь, и криволинейным участком второй поверхности, обращенной радиально наружу.
[0016] В еще одном аспекте система уплотнения металл-металл, соединяющая первый и второй трубные элементы, содержит первую конфигурацию уплотнения, расположенную на первом трубном элементе, и вторую конфигурацию уплотнения, расположенную на втором трубном элементе. Первая конфигурация уплотнения содержит первую кольцевую выемку и первый кольцевой зубец, первая кольцевая выемка определена обращенной радиально внутрь углубленной поверхностью, примыкающей первой кольцевой поверхностью выступа и примыкающей первой поверхностью, обращенной радиально наружу, первый кольцевой зубец определен обращенной радиально внутрь углубленной поверхностью, поверхностью первого кольцевого зубца и второй поверхностью, обращенной радиально наружу. Вторая конфигурация уплотнения содержит вторую кольцевую выемку и второй кольцевой зубец, вторая кольцевая выемка определена обращенной радиально наружу углубленной поверхностью, примыкающей второй кольцевой поверхностью выступа и примыкающей первой поверхностью, обращенной радиально внутрь, второй кольцевой зубец определен обращенной радиально наружу углубленной поверхностью, поверхностью второго кольцевого зубца и второй поверхностью, обращенной радиально внутрь. Второй кольцевой зубец расположен в пределах первой кольцевой выемки, причем поверхность второго кольцевого зубца взаимодействует с первой кольцевой поверхностью выступа таким образом, чтобы определять первый выступ. Первый кольцевой зубец расположен в пределах второй кольцевой выемки, причем поверхность первого кольцевого зубца взаимодействует с второй кольцевой поверхностью выступа таким образом, чтобы определять второй выступ. Первая поверхность, обращенная радиально наружу, первого трубного элемента и вторая поверхность, обращенная радиально внутрь, второго трубного элемента сконфигурированы таким образом, чтобы обеспечивать расположение первого уплотняющего контакта между поверхностями за пределами осевой области между первым выступом и вторым выступом. Аналогично, первая поверхность, обращенная радиально внутрь, второго трубного элемента и вторая поверхность, обращенная радиально наружу, первого трубного элемента сконфигурированы таким образом, чтобы обеспечивать расположение первого уплотняющего контакта между поверхностями за пределами осевой области.
[0017] В одном варианте реализации системы в соответствии с предыдущим параграфом осевая область проходит на приблизительно между 0,020 дюйма (0,0508 см) и приблизительно 0,25 дюйма (0,635 см).
[0018] В одном варианте реализации системы в соответствии с любым из двух предыдущих параграфов расположение первого уплотняющего контакта между первой поверхностью, обращенной радиально наружу, и второй поверхностью, обращенной радиально внутрь, находится за пределами осевой области, однако в пределах по меньшей мере приблизительно 1,750 дюйма (4,445 см) от осевой области; а расположение первого уплотняющего контакта между первой поверхностью, обращенной радиально внутрь, и второй поверхностью, обращенной радиально наружу, находится за пределами осевой области, однако в пределах по меньшей мере приблизительно 0,750 дюйма (1,905 см) от осевой области.
[0019] В одном варианте реализации системы в соответствии с любым из трех предыдущих параграфов расположение первого уплотняющего контакта между первой поверхностью, обращенной радиально наружу, и второй поверхностью, обращенной радиально внутрь, образовано посредством взаимодействия между одним из: (i) участком, выполненным в форме усеченного конуса, первой поверхности, обращенной радиально наружу, и участком, выполненным в форме усеченного конуса, второй поверхности, обращенной радиально внутрь; (ii) участком, выполненным в форме усеченного конуса, первой поверхности, обращенной радиально наружу и криволинейным участком второй поверхности, обращенной радиально внутрь; (iii) криволинейным участком первой поверхности, обращенной радиально наружу, и участком, выполненным в форме усеченного конуса, второй поверхности, обращенной радиально внутрь; или (iv) криволинейным участком первой поверхности, обращенной радиально наружу, и криволинейным участком второй поверхности, обращенной радиально внутрь. Аналогично, расположение первого уплотняющего контакта между первой поверхностью, обращенной радиально внутрь, и второй поверхностью, обращенной радиально наружу, образовано посредством взаимодействия между одним из: (i) участком, выполненным в форме усеченного конуса, первой поверхности, обращенной радиально внутрь, и участком, выполненным в форме усеченного конуса, второй поверхности, обращенной радиально наружу; (ii) участком, выполненным в форме усеченного конуса, первой поверхности, обращенной радиально внутрь, и криволинейным участком второй поверхности, обращенной радиально наружу; (iii) криволинейным участком первой поверхности, обращенной радиально внутрь, и участком, выполненным в форме усеченного конуса, второй поверхности, обращенной радиально наружу; или (iv) криволинейным участком первой поверхности, обращенной радиально внутрь, и криволинейным участком второй поверхности, обращенной радиально наружу.
[0020] Подробности одного или большего количества вариантов реализации раскрыты в сопроводительных чертежах и следующем описании. Другие характерные особенности, задачи и преимущества будут понятны из описания и чертежей, а также из формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0021] На фиг. 1 показан вид в частичном разрезе одной конфигурации уплотнения в виде центрального выступа предыдущего уровня техники;
[0022] На фиг. 2 показан вид в частичном разрезе еще одной конфигурации уплотнения в виде центрального выступа предыдущего уровня техники;
[0023] На фиг. 3 показан вид в частичном разрезе одного варианта реализации уплотнения в виде центрального выступа;
[0024] На фиг. 4 показан вид в частичном разрезе еще одного варианта реализации уплотнения в виде центрального выступа; и
[0025] На фиг. 5 показан вид в частичном разрезе еще одного варианта реализации уплотнения в виде центрального выступа, в котором расположение первого уплотняющего контакта на противоположных сторонах соединения содержит сопряженные резьбы с одной стороны центрального выступа, и не содержит любых сопряженных резьб с другой стороны центрального выступа.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0026] Со ссылкой на фиг. 3, показан вид в частичном разрезе соединения 200 в виде центрального выступа между двумя трубными элементами 202 и 204. Трубный элемент 202 образует участок соединения с наружной резьбой, а трубный элемент 204 образует конец соединения с внутренней резьбой. Осевая центральная линия соединения обозначена 206, и, следует отметить, что вид в полном разрезе соединения в виде центрального выступа будет включать зеркальное отражение компонентов, расположенных на противоположной стороне осевой центральной линии (т.е., ниже центральной линии 206 на фиг. 3).
[0027] Конфигурация уплотнения на трубном элементе 202 содержит кольцевую выемку 208 и кольцевой зубец 210. Кольцевая выемка 208 определена обращенной радиально внутрь (т.е., обращенной по направлению к центральной линии 206) углубленной поверхностью 212, примыкающей кольцевой поверхностью 214 выступа и примыкающей обращенной радиально наружу поверхностью 216. Кольцевой зубец определен обращенной радиально внутрь углубленной поверхностью 212, наружной поверхностью 218 кольцевого зубца и обращенной радиально наружу поверхностью 220. В изображенном варианте реализации поверхность 216 содержит радиус закругления, переходящий к поверхности 214 выступа, а поверхность 220 содержит радиус закругления, переходящий к наружной поверхности 218 зубца.
[0028] Конфигурация уплотнения на трубном элементе 204 содержит кольцевую выемку 222 и кольцевой зубец 224. Кольцевая выемка 222 определена обращенной радиально наружу углубленной поверхностью 226, примыкающей кольцевой поверхностью 228 выступа и примыкающей обращенной радиально внутрь поверхностью 230. Кольцевой зубец 224 определен обращенной радиально наружу углубленной поверхностью 226, поверхностью 232 кольцевого зубца и обращенной радиально внутрь поверхностью 234. В изображенном варианте реализации поверхность 230 содержит радиус закругления, переходящий к поверхности 228 выступа, а поверхность 234 содержит радиус закругления, переходящий к наружной поверхности 232 зубца.
[0029] На фиг. 3 изображено соединение в собранном состоянии, в котором кольцевой зубец 224 расположен внутри кольцевой выемки 208, причем наружная поверхность 232 кольцевого зубца взаимодействует с кольцевой поверхностью 214 выступа таким образом, чтобы определять один выступ, представленный плоскостью 236 выступа. Аналогично, кольцевой зубец 210 расположен внутри кольцевой выемки 222, причем наружная поверхность 218 кольцевого зубца взаимодействует с кольцевой поверхностью 228 выступа таким образом, чтобы определять еще один выступ, представленный плоскостью 238 выступа. В изображенном варианте реализации углубленные поверхности 212 и 226 также взаимодействуют друг с другом, в результате чего могут выполнять функцию еще одного уплотняющего расположения, аналогично сопряженным выступам. На противоположных осевых сторонах соединения, сопряженные резьбовые участки или трубные элементы также схематически обозначены 260 и 262.
[0030] Как показано, зазор может быть образован между обращенной радиально наружу поверхностью 216 и обращенной радиально внутрь поверхностью 234 рядом с плоскостью 236 выступа. Участок первого уплотняющего контакта между обращенной радиально наружу поверхностью 216 и обращенной радиально внутрь поверхностью 234, изображенный на фиг.3 и обозначенный 240, расположен на расстоянии в осевом направлении от плоскости 236 выступа таким образом, чтобы определять контактную область 242 уплотнения металл-металл (представленную взаимодействием поверхностей, обозначенных перекрестной штриховкой), которая расположена на расстоянии в осевом направлении от плоскости 236 выступа. Под использованным в настоящем описании термином «расположение первого уплотняющего контакта» между двумя указанными поверхностями следует понимать участок максимального давления контакта между двумя поверхностями. Следовательно, в качестве примера, в некоторых вариантах реализации поверхности 216 и 234 могут незначительно контактировать друг с другом рядом с плоскостью 236 выступа (например, в пределах осевой области 246 между плоскостями 236 и 238 выступа), хотя, в то же время, участок первого уплотняющего контакта между поверхностями 216 и 234 расположен на большем расстоянии от плоскости 236 выступа. В общем участок максимального давления контакта и, следовательно, участок первого уплотняющего контакта, расположены рядом с участком максимального взаимодействия между поверхностями.
[0031] Зазор может быть образован между обращенной радиально внутрь поверхностью 230 и обращенной радиально наружу поверхностью 220 рядом с плоскостью 238 выступа или, как указано ранее, может быть обеспечен только незначительный контакт между поверхностями рядом с плоскостью 238 выступа. В любом случае, участок первого уплотняющего контакта между обращенной радиально внутрь поверхностью 230 и обращенной радиально наружу поверхностью 220, изображенный на фиг. 3 и обозначенный 243, расположен на расстоянии в осевом направлении от плоскости 238 выступа таким образом, чтобы определять контактную область 244 уплотнения металл-металл (представленную взаимодействием поверхностей, обозначенных перекрестной штриховкой), которая расположена на расстоянии в осевом направлении от плоскости 238 выступа. Следует отметить, что в случае наличия обеих контактных областей 242 и 244 первого уплотнения изображенного варианта реализации, участок первого уплотняющего контакта расположен за пределами осевой области 246 соединения, определенной между двумя плоскостями 236 и 238 выступов.
[0032] Точное расположение участка первого уплотняющего контакта между поверхностями (например, 216 и 234, или 220 и 230) может варьироваться в зависимости от различных факторов, включая обязательный предел затяжки, требуемый в соединении, а также толщину и диаметр трубного соединения.
[0033] В качестве примера: участок первого уплотняющего контакта 240 может быть расположен на расстоянии в осевом направлении от плоскости 236 выступа, составляющем между приблизительно 0,025 дюйма (0,06 см) и приблизительно одним дюймом (2,54 см); участок первого уплотняющего контакта 243 может быть расположен на расстоянии в осевом направлении от плоскости 238 выступа, составляющем между приблизительно 0,025 дюйма (0,06 см) и приблизительно одним дюймом (2,54 см); осевая область 246 может проходить на приблизительно между 0,020 дюйма (0,0508 см) и приблизительно 0,25 дюйма (0,635 см); радиальный зазор между обращенной радиально наружу поверхностью 216 и обращенной радиально наружу поверхностью 220 в плоскости 236 выступа может составлять между приблизительно 0,040 дюйма (0,1016 см) и приблизительно 0,500 дюйма (1,27 см); а радиальный зазор между обращенной радиально внутрь поверхностью 230 и обращенной радиально внутрь поверхностью 234 в плоскости 238 выступа может составлять между приблизительно 0,040 дюйма (0,1016 см) и приблизительно 0,500 дюйма (1,27 см).
[0034] В изображенном варианте реализации каждая из поверхностей 216, 220, 230 и 234 изображена криволинейной поверхностью. Такие криволинейные поверхности, в качестве примера, при рассмотрении в двухмерном изображении вдоль плоскости, проходящей через центральную ось 206 соединения и параллельно относительно нее, могут включать эллиптические кривые, круговые кривые, кривые с варьируемым радиусом любого подходящего типа (например, радиус кривой обычно составляет между приблизительно 0,5 дюйма (1,27 см) и приблизительно 15 дюймов (38,1 см) для наиболее эффективного уплотнения), или их сочетания, и соответствующие трехмерные формы поверхностей, образованные при вращении любой такой кривой вокруг оси 206 соединения. Однако следует отметить, что поверхности не должны быть полностью криволинейными или, с этой точки зрения, вовсе не должны быть криволинейными. Например, в одной модификации варианта реализации по фиг. 3 поверхности 220 и 234 остаются криволинейными, однако поверхности 216 и 230 выполнены в форме усеченного конуса таким образом, чтобы каждый участок первого уплотняющего контакта 240 и 243 был образован относительно взаимодействия между криволинейной поверхностью и выполненной в форме усеченного конуса поверхностью.
[0035] Со ссылкой на альтернативный вариант реализации, изображенный на фиг.4, показан вариант реализации конфигурации 300 уплотнения в виде центрального выступа с осевой центральной линией 306, в котором уплотнения контакта металл-металл не образованы криволинейными участками поверхности. В этой конфигурации конец с наружной резьбой, расположенный на трубном элементе 302, содержит кольцевую выемку 308 и кольцевой зубец 310. Кольцевая выемка 308 определена обращенной радиально внутрь (т.е., обращенной по направлению к центральной линии 306) углубленной поверхностью 312, примыкающей кольцевой поверхностью 314 выступа и примыкающей обращенной радиально наружу поверхностью 316. Кольцевой зубец определен обращенной радиально внутрь углубленной поверхностью 312, наружной поверхностью 318 кольцевого зубца и обращенной радиально наружу поверхностью 320. Конец с внутренней резьбой, расположенный на трубном элементе 304, содержит кольцевую выемку 322 и кольцевой зубец 324. Кольцевая выемка 322 определена обращенной радиально наружу углубленной поверхностью 326, примыкающей кольцевой поверхностью 328 выступа и примыкающей обращенной радиально внутрь поверхностью 330. Кольцевой зубец 324 определен обращенной радиально наружу углубленной поверхностью 326, наружной поверхностью 332 кольцевого зубца и обращенной радиально внутрь поверхностью 334.
[0036] Поверхность 316 содержит цилиндрический участок 316а и участок 316b, выполненный в форме усеченного конуса, а поверхность 334 содержит цилиндрический участок 334а и участок 334b, выполненный в форме усеченного конуса. Зазор может быть образован между участками 316а и 334а поверхности, однако участки 316b и 334b, выполненные в форме усеченного конуса, взаимодействуют таким образом, чтобы образовывать участок 340 первого уплотняющего контакта, расположенный на расстоянии в осевом направлении от плоскости 336 выступа, представленный областью 342 взаимодействующего контакта. Поверхность 320 содержит цилиндрический участок 320а и участок 320b, выполненный в форме усеченного конуса, а поверхность 330 содержит цилиндрический участок 330а и участок 330b, выполненный в форме усеченного конуса. Зазор может быть образован между участками 320а и 330а поверхности, однако участки 320b и 330b, выполненные в форме усеченного конуса, взаимодействуют таким образом, чтобы образовывать участок 343 первого уплотняющего контакта, расположенный на расстоянии в осевом направлении от плоскости 338 выступа, представленный областью 344 взаимодействующего контакта. Для наибольшей эффективности, конусообразный угол каждого участка 316b, 334b, 320b, 330b, выполненного в форме усеченного конуса, относительно центральной оси 306 соединения (например, представленный в одном примере на фиг. 4 углом θ относительно линии 321, параллельной центральной оси 306), а также конусообразный угол других вариантов реализации, включая выполненные в форме усеченного конуса участки поверхности, может составлять между приблизительно 1° и приблизительно 7°. Также показаны сопряженные резьбовые участки 360 и 362, расположенные на противоположных осевых сторонах центрального выступа. Осевое расположение уплотнений и радиальная толщина трубных элементов могут быть одинаковыми с описанными ранее со ссылкой на вариант реализации по фиг. 3.
[0037] Также возможны другие изменения. Следует отметить, что любой из уплотнений контакта металл-металл, расположенных на расстоянии в осевом направлении от выступов, может быть образован (i) участком, выполненным в форме усеченного конуса одной поверхности и участком, выполненным в форме усеченного конуса, другой поверхности; (ii) участком, выполненным в форме усеченного конуса, одной поверхности и криволинейным участком of другой поверхности; (iii) криволинейным участком одной поверхности и участком, выполненным в форме усеченного конуса, другой поверхности; или (iv) криволинейным участком одной поверхности и криволинейным участком другой поверхности.
[0038] В общем каждая из детали с наружной резьбой и детали с внутренней резьбой может быть образована с использованием процесса токарной обработки с режущими пластинами сконфигурированными для образования требуемой конфигурации центрального выступа на каждой детали. Посредством надлежащего определения, выбора и обработки радиального расположения каждой из обращенной радиально наружу и обращенной радиально внутрь поверхностей, и каждой точки вдоль таких поверхностей от заданной центральной линии, участки максимального взаимодействия могут быть заранее выбраны для расположения участков первого уплотняющего контакта на расстоянии в осевом направлении от выступов соединения.
[0039] Со ссылкой на фиг. 5, показан вариант реализации конфигурации 500 уплотнения в виде центрального выступа с осевой центральной линией 506, в котором одна сторона соединения не содержит сопряженных резьб. В этой конфигурации конец с наружной резьбой, расположенный на трубном элементе 502, содержит кольцевую выемку 508 и кольцевой зубец 510. Как в предыдущих вариантах реализации кольцевая выемка 508 определена обращенной радиально внутрь (т.е., обращенной по направлению к центральной линии 506) углубленной поверхностью, примыкающей кольцевой поверхностью 514 выступа и примыкающей обращенной радиально наружу поверхностью 516. Кольцевой зубец 510 определен обращенной радиально внутрь углубленной поверхностью, наружной поверхностью 518 кольцевого зубца и обращенной радиально наружу поверхностью 520. Конец с внутренней резьбой, расположенный на трубном элементе 504, содержит кольцевую выемку 522 и кольцевой зубец 524. Кольцевая выемка 522 определена обращенной радиально наружу углубленной поверхностью, примыкающей кольцевой поверхностью 528 выступа и примыкающей обращенной радиально внутрь поверхностью 530. Кольцевой зубец 524 определен обращенной радиально наружу углубленной поверхностью, наружной поверхностью 532 кольцевого зубца и обращенной радиально внутрь поверхностью 334.
[0040] В изображенном варианте реализации поверхность 516 и поверхность 534 сконфигурированы таким образом, чтобы обеспечивать расположение участка первого уплотняющего контакта 540 на большем расстоянии от осевой области 546 между плоскостями 536 и 538 выступа, чем участок первого уплотняющего контакта 543 между поверхностями 520 и 530. В этой конфигурации участок первого уплотняющего контакта 540 может быть расположен на расстоянии в осевом направлении от плоскости 536 выступа, составляющем между приблизительно 0,025 дюйма (0,06 см) и приблизительно двумя дюймами (5,08 см); а участок первого уплотняющего контакта 543 может быть расположен на расстоянии в осевом направлении от плоскости 538 выступа, составляющем приблизительно между 0,025 дюйма (0,06 см) и приблизительно одним дюймом (2,54 см); осевая область 546 может проходить на приблизительно между 0,020 дюйма (0,0508 см) и приблизительно 0,250 дюйма (0,635 см); радиальный зазор между обращенной радиально наружу поверхностью 516 и обращенной радиально наружу поверхностью 520 в плоскости 536 выступа может составлять между приблизительно 0,040 дюйма (0,1016 см) и приблизительно 0,500 дюйма (1,27 см); а радиальный зазор между обращенной радиально внутрь поверхностью 530 и обращенной радиально внутрь поверхностью 534 в плоскости 538 выступа может составлять между приблизительно 0,040 дюйма (0,1016 см) и приблизительно 0,500 дюйма (1,27 см). В этом случае участок первого уплотняющего контакта 540 в общем будет находиться в пределах 1,75 дюйма (4,445 см) от осевой области 546.
[0041] Поверхности 516 и 534 содержат соответствующие цилиндрические участки 516А и 534А поверхностей с образованным зазором. За участком 516А поверхности следует криволинейный участок 516В поверхности, а за участком 534А поверхности следует выполненный в форме усеченного конуса участок 534В поверхности, при этом участок первого уплотняющего контакта 540 расположен между участками 516В и 534В. Поверхность 530 содержит участок 530А, выполненный в форме усеченного конуса, за которым следует еще один, более крутой участок 530В, выполненный в форме усеченного конуса, а поверхность 520 содержит криволинейный участок 520А, переходящий в цилиндрический участок 520В. Участок первого уплотняющего контакта расположен между участком 530А поверхности и участком 520А поверхности. Следует отметить, что возможны и другие варианты поверхностей, как описано ранее. Сопряженные резьбовые участки 562 расположены с одной стороны центрального выступа, более конкретно, на стороне, расположенной ближе к наружному диаметру соединения, а противоположная сторона соединения не содержит любых сопряженных резьб. Следует отметить, что на этой противоположной стороне соединения может быть образован зазор 550 между наружной поверхностью выступа с наружной резьбой и наружной поверхностью выступа с внутренней резьбой, как показано, для предотвращения деформации участка с наружной резьбой в результате крутящего момента, сжатия и расширения материала на высоких температурах. Однако наружные поверхности могут контактировать, например, при сборке, во время сжатия или расширения материала. Также показано углубление 560 для смазочного материала в поверхности 530 детали 504 с внутренней резьбой, выполненное с возможностью приема избытка смазочного материала для резьбы при сборке соединения.
[0042] Конфигурация по фиг. 5 особенно подходит для применения в соединении с трубами, используемыми на в геотермических областях, например в области гравитационного дренажа с применением пара. Хотя на фиг.5 вариант реализации не содержит любого сопряженного резьбового участка на одной стороне соединения, следует понимать, что возможны варианты, включая варианты реализации изобретения, в которых сопряженный резьбовой участок также образован на стороне соединения, содержащей участок первого уплотняющего контакта 540, расположенный на большем расстоянии от осевой области 546 выступа.
[0043] Следовательно, предложен способ предоставления трубных элементов с центральным выступом, отделяющим уплотнения металл-металл от области с высокой нагрузки центрального выступа. Способ включает: предоставление первого и второго трубных элементов, каждый содержит конец с наружной резьбой и конец с внутренней резьбой, причем: (а) каждый конец с наружной резьбой содержит: конфигурацию центрального выступа, содержащую первую кольцевую выемку и первый кольцевой зубец, первая кольцевая выемка определена обращенной радиально внутрь углубленной поверхностью, первой примыкающей кольцевой поверхностью выступа и примыкающей первой поверхностью, обращенной радиально наружу, первый кольцевой зубец определен обращенной радиально внутрь углубленной поверхностью, наружной поверхностью первого кольцевого зубца и второй поверхностью, обращенной радиально наружу, и по меньшей мере первый резьбовой участок, расположенный на стороне конфигурации центрального выступа с большим диаметром; (b) каждый конец с внутренней резьбой включает: конфигурацию центрального выступа, содержащую вторую кольцевую выемку и второй кольцевой зубец, вторая кольцевая выемка определена обращенной радиально наружу углубленной поверхностью, второй примыкающей кольцевой поверхностью выступа и примыкающей первой поверхностью, обращенной радиально внутрь, второй кольцевой зубец определен обращенной радиально наружу углубленной поверхностью, наружной поверхностью второго кольцевого зубца и второй поверхностью, обращенной радиально внутрь, и по меньшей мере первый резьбовой участок, расположенный на стороне конфигурации центрального выступа с большим диаметром; (с) конфигурация центрального выступа и первый резьбовой участок конца с наружной резьбой первого трубного элемента, сконфигурированные для сопрягаемого соединения с конфигурацией центрального выступа и первым резьбовым участком конца с внутренней резьбой второго трубного элемента таким образом, чтобы после сборки конца с наружной резьбой первого трубного элемента с концом с внутренней резьбой второго трубного элемента: (i) обеспечивать расположение второго кольцевого зубца в пределах первой кольцевой выемки, причем наружная поверхность второго кольцевого зубца взаимодействует с первой кольцевой поверхностью выступа для определения первого выступа, и обеспечивать расположение первого кольцевого зубца в пределах второй кольцевой выемки, причем наружная поверхность первого кольцевого зубца взаимодействует с второй кольцевой поверхностью выступа для определения второго выступа; (ii) обеспечивать расположение участка первого уплотняющего контакта между первой поверхностью, обращенной радиально наружу, конца с наружной резьбой первого трубного элемента и второй поверхностью, обращенной радиально внутрь, конца с внутренней резьбой второго трубного элемента на расстоянии в осевом направлении от первого выступа; и (iii) обеспечивать расположение участка первого уплотняющего контакта между первой поверхностью, обращенной радиально внутрь, конца с внутренней резьбой второго трубного элемента и второй поверхностью, обращенной радиально наружу конца с наружной резьбой первого трубного элемента на расстоянии в осевом направлении от второго выступа.
[0044] Аналогично, предложен способ соединения трубных элементов для использования внутри нефтегазовой скважины, включающий: (а) использование первого и второго трубных элементов, каждый из которых содержит конец с наружной резьбой и конец с внутренней резьбой, в котором: (i) каждый конец с наружной резьбой содержит: конфигурацию центрального выступа, содержащую первую кольцевую выемку и первый кольцевой зубец, первая кольцевая выемка определена обращенной радиально внутрь углубленной поверхностью, первой примыкающей кольцевой поверхностью выступа и примыкающей первой поверхностью, обращенной радиально наружу, первый кольцевой зубец определен обращенной радиально внутрь углубленной поверхностью, наружной поверхностью первого кольцевого зубца и второй поверхностью, обращенной радиально наружу, и по меньшей мере первый резьбовой участок, расположенный на стороне конфигурации центрального выступа с большим диаметром, и (ii) каждый конец с внутренней резьбой включает: конфигурацию центрального выступа, содержащую вторую кольцевую выемку и второй кольцевой зубец, вторая кольцевая выемка определена обращенной радиально наружу углубленной поверхностью, второй примыкающей кольцевой поверхностью выступа и примыкающей первой поверхностью, обращенной радиально внутрь, второй кольцевой зубец определен обращенной радиально наружу углубленной поверхностью, наружной поверхностью второго кольцевого зубца и второй поверхностью, обращенной радиально внутрь, и по меньшей мере первый резьбовой участок, расположенный на стороне конфигурации центрального выступа с большим диаметром; (b) введение конца с наружной резьбой первого трубного элемента во взаимодействие с концом с внутренней резьбой второго трубного элемента; (с) предоставление относительного поворота между первым трубным элементом и вторым трубным элементом таким образом, чтобы взаимодействием первых резьбовых участков первого и второго трубных элементов обеспечивать перемещение первого и второго трубных элементов по направлению друг к другу; и (d) завершение сборки конца с наружной резьбой первого трубного элемента с концом с внутренней резьбой второго трубного элемента таким образом, чтобы: (i) обеспечивать расположение второго кольцевого зубца в пределах первой кольцевой выемки, причем наружная поверхность второго кольцевого зубца взаимодействует с первой кольцевой поверхностью выступа таким образом, чтобы определять первый выступ, и обеспечивать расположение первого кольцевого зубца в пределах второй кольцевой выемки, причем наружная поверхность первого кольцевого зубца взаимодействует с второй кольцевой поверхностью выступа таким образом, чтобы определять второй выступ; (ii) обеспечивать расположение участка первого уплотняющего контакта между первой поверхностью, обращенной радиально наружу, конца с наружной резьбой первого трубного элемента и второй поверхностью, обращенной радиально внутрь, конца с внутренней резьбой второго трубного элемента на расстоянии в осевом направлении от первого выступа; и (iii) обеспечивать расположение участка первого уплотняющего контакта между первой поверхностью, обращенной радиально внутрь, конца с внутренней резьбой второго трубного элемента и второй поверхностью, обращенной радиально наружу конца с наружной резьбой первого трубного элемента на расстоянии в осевом направлении от второго выступа.
[0045] Следует понимать, что предшествующее описание приведено исключительно в качестве иллюстрации и примера, а не ограничения любым образом, а также, что возможны другие изменения и модификации.