Узел соединения колонны кондуктора и колонны направления
UNIT FOR CONNECTION OF COLUMN OF CONDUCTOR AND COLUMN OF DIRECTION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее техническое решение относится к области подводной добычи углеводородов, в частности, к подводным скважинам и средствам соединения колонны кондуктора с колонной направления.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Из уровня техники известен источник US5029647, опубл. 09.07.1991, раскрывающий узел соединения колонны кондуктора и колонны направления, в котором внешнюю часть колонны кондуктора заклинивают относительно внутренней части колонны направления для создания предварительного натяжения между указанными корпусами. Заклинивание осуществляется с помощью верхней и нижней конических секций, разнесенных в осевом направлении друг относительно друга и образованных на внешней части колонны кондуктора и внутренней части колонны направления, соответственно. Эти конические секции уменьшаются в диаметре под небольшим углом относительно продольной оси. Секции имеют такие размеры, что при его опускании внутреннего корпуса в наружный корпус обеспечивается его вклинивание. Известный узел соединения также снабжен средствами фиксации внутренней части колонны направления относительно внешней части колонны кондуктора после того, как верхние и нижние конические поверхности полностью зацепятся друг с другом. Средства фиксации включают в себя запорное кольцо с зубчатым профилем и храповик в виде разъемного зубчатого кольца, имеющие сопрягаемые зубцы, обеспечивающие вход в зацепление с запорным кольцом. Для установки колонны кондуктора используют инструмент, к которому требуется приложение усилия, необходимого и достаточного для проталкивания колонны кондуктора внутрь колонны направления с обеспечением вклинивания колонны кондуктора в колонну направления. Источник US 5029647 выбран в качестве ближайшего аналога предлагаемого изобретения.
Недостатком изобретения согласно US 5029647 является использование инструмента для установки колонны кондуктора, а также недостаточно надежная фиксация в случае, если храповик не войдет полностью в зацепление с профилем внутренней части колонны направления, либо вершины зубьев храповика упрутся в вершины зубьев профиля внутренней части колонны.
Известно, что чем больше шаг зубьев, тем выше несущая способность соединительного узла. Однако при большом шаге имеется риск возникновения следующего: при установке колонны кондуктора в колонну направления с использованием храповика зацепление колонны кондуктора с колонной направления может оказаться недостаточно надежным по причине того, что зуб храповика может не дойти до упора в ответную впадину зубчатого профиля внутренней части колонны направления, либо зуб храповика попадет на зуб колонны.
Поэтому целесообразным решением, обеспечивающим надежный вход в зацепление, может быть минимизация шага зубчатого профиля храповика. Но в этом случае также в целом будет происходить уменьшение несущей способности соединительного узла.
Следовательно, необходима такая конструкция, в которой минимизация шага зубчатого профиля не будет влиять на снижение несущей способности и одновременно будет обеспечена установка колонны кондуктора в колонну направления. Таким образом, техническим результатом предложенного изобретения является повышение несущей способности конструкции одновременно с увеличением надежности входа в зацепление.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
i
Согласно настоящему изобретению предлагается узел соединения колонны кондуктора и колонны направления, содержащий: концевую часть колонны кондуктора и концевую часть колонны направления для соединения друг с другом; группу храповиков, установленных на концевой внешней части колонны кондуктора и представляющих собой разрезные кольца с зубчатым профилем; концевая внутренняя часть колонны направления выполнена в виде зубчатой поверхности для зацепления с храповиками; причем в группе храповиков имеется один храповик, относительно которого каждый другой храповик этой группы смещен в осевом направлении на величину L=nt+((i-1)/z)t, где n - количество зубьев зубчатой поверхности колонны направления, t - шаг зубьев, z - количество храповиков; i - порядковый номер храповика; внешняя часть корпуса колонны кондуктора и внутренняя часть корпуса колонны направления имеют каждая первую коническую поверхность и вторую коническую поверхность, причем первая коническая поверхность колонны кондуктора выполнена с возможностью контакта с первой конической поверхностью колонны направления, а вторая коническая поверхность колонны кондуктора выполнена с возможностью контакта со второй конической поверхностью колонны направления; причем в месте конических поверхностей диаметр наружной части колонны кондуктора и диаметр внутренней части колонны направления уменьшаются в направлении их концевых частей; на внутренней части колонны направления между зубчатой поверхностью и конусной поверхностью выполнен упорный заплечник колонны направления, расположенный, для опоры ответным упорным заплечником колонны кондуктора, расположенным между группой храповиков и конусной поверхностью.
Техническим результатом заявленного технического решения является обеспечение высокой величины преднатяга между колонной кондуктора и колонной направления, надежного входа в колонны кондуктора в зацепление колонной направления с обеспечением высокой несущей способности узла соединения колонны кондуктора с колонной направления, а также обеспечение простоты установки колонны кондуктора за счет исключения использования инструмента для проталкивания колонны кондуктора в колонну направления.
i
Технический результат достигается благодаря использованию группы храповиков, в которой имеется один храповик, относительно которого каждый другой храповик этой группы смещен в осевом направлении на величину L=nt+((i-1)/z)t, где n - количество зубьев зубчатой поверхности колонны направления, t - шаг зубьев, z - количество храповиков; i - порядковый номер храповика.
При создании преднатяга важное значение имеет величина шага зубчатого профиля разрезного кольца храповика. В случае, если шаг зубчатого профиля относительно большой, имеется риск, что в момент упора в упорный заплечник колонны направления ответным упорным заплечником колонны кондуктора вершины зубьев разрезного кольца храповика не попадут в профиль колонны направления, при этом колонна кондуктора сместится в обратную сторону относительно колонны направления до момента совпадения зубчатого профиля, тем самым снизив величину преднатяга.
Таким образом, чем меньше шаг зубчатого профиля разрезного кольца храповика, тем большая величина преднатяга обеспечивается при установке. В то же время, известно, что уменьшение шага резьбового профиля приводит к уменьшению его несущей способности.
i
Для обеспечения максимальной величины преднатяга при сохранении несущей способности храповика предлагается ввести группу храповиков, в которой имеется один храповик, относительно которого каждый другой храповик этой группы смещен в осевом направлении на величину L=nt+((i-1)/z)t, где n - количество зубьев зубчатой поверхности колонны направления, t - шаг зубьев, z - количество храповиков; i - порядковый номер храповика. Благодаря этому возможно уменьшить шаг зубчатого профиля, что в свою очередь усилит преднатяг, но в то же время сохранит несущую способность узла соединения. При такой конструкции храповики будут работать попеременно, благодаря чему вдвое сокращается осевое перемещение при несовпадении зубчатого профиля с сохранением его несущей способности. Кроме того, благодаря уменьшению шага зубчатого профиля колонна кондуктора легче опускается, или иными словами «проскальзывает», в колонну направления по действием собственного веса.
Каждое разрезное кольцо может быть установлено в соответствующем углублении в наружной части колонны кондуктора.
Между первым разрезным кольцом в первом углублении в наружной части колонны кондуктора может быть расположено первое уплотнительное эластомерное кольцо, и между вторым разрезным кольцом во втором углублении в наружной части колонны кондуктора расположено второе уплотнительное эластомерное кольцо.
Угол конусности каждой конической поверхности предпочтительно составляет 2-4°.
Колонна кондуктора и колонна направления выполнены из жаропрочной релаксационностойкой стали.
Колонна кондуктора и колонна направления могут иметь на своих конических поверхностях по меньшей мере один слой антифрикционного покрытия.
Храповики могут быть выполнены из конструкционной легированной стали.
Материал, из которого выполнены храповики, предпочтительно имеет минимальный предел прочности 700 МПа и минимальную твердость 35 HRC.
Храповики выполнены с возможностью деформации при приложении усилия к зубьям.
Эластомерные кольца могут быть выполнены из невулканизированной резиновой смеси.
В контексте настоящего описания слова «первый», «второй» и т.д. используются в виде прилагательных исключительно для различения существительных, к которым они относятся, но не для описания какой-либо конкретной связи между этими существительными.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее следует подробное описание изобретения со ссылками на чертежи, на которых:
на фиг. 1 изображено продольное сечение колонны направления с установленной в ней колонной кондуктора, когда второй храповик находится в зацеплении с зубчатым профилем внутренней части колонны направления;
на фиг. 2 изображен увеличенный вид А согласно фиг. 1 узла соединения колонны кондуктора и колонны направления;
на фиг. 3 изображено поперечное сечение разрезного кольца с зубчатым профилем;
на фиг. 4 изображен увеличенный вид храповика в углублении;
на фиг. 5 изображено продольное сечение колонны направления с установленной в ней колонной кондуктора, когда первый храповик находится в зацеплении с зубчатым профилем внутренней части колонны направления;
на фиг. 6 изображен увеличенный вид Б согласно фиг. 5 узла соединения колонны кондуктора и колонны направления.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг. 1 изображено продольное сечение колонны 1 кондуктора, размещенной в колонне 2 направления. Колонна 1 кондуктора представляет собой трубчатый элемент, прикрепленный на своем нижнем конце к удлиненной трубе 3 колонны кондуктора. Предполагается, что удлиненная труба 3 кондуктора подлежит цементации на месте. Соединительный узел согласно заявленному изобретению предназначен для соединения колонны 1 кондуктора с колонной 2 направления. Колонна 1 кондуктора имеет концевую внешнюю часть, на которой установлена группа храповиков.
Согласно неограничивающему варианту осуществления предложенного технического решения группа храповиков содержит два храповика, представляющих собой первое разрезное кольцо 4 с зубчатым профилем и второе разрезное кольцо 5 с зубчатым профилем, соответственно, как это проиллюстрировано на фиг. 3. На фиг. 3 показано, что профиль кольца храповика отклоняется от нормали к поверхности кольца на 2-4°. Первое и второе разрезные кольца 4 и 5 являются по существу одинаковыми. Первое и второе разрезные кольца 4 и 5 расположены в соответствующих первом углублении 6 и втором углублении 7 в колонне 1 кондуктора, между первым разрезным кольцом 4 и стенкой углубления в колонне 1 кондуктора расположено первое уплотнительное эластомерное кольцо 8, а между вторым разрезным кольцом 5 и стенкой углубления в колонне 2 кондуктора расположено второе уплотнительное эластомерное кольцо 9. Концевая внутренняя часть колонны 2 направления выполнена в виде зубчатой поверхности для зацепления с храповиками. На фиг. 4 также изображен увеличенный вид В по фиг. 1, из которого видно, что стенка углубления 7 отклоняется от нормали к корпусу колонны 1 кондуктора на 2-4°. Первое углубление 6 и второе углубление 7 являются по существу одинаковыми, как и разрезные кольца 4 и 5.
Глубина первого углубления 6 позволяет первому разрезному кольцу 5 с зубчатым профилем перемещаться в радиальном направлении внутрь колонны 1 кондуктора. На фиг. 2 изображен увеличенный вид А согласно фиг. 1, на котором второй храповик, то есть второе разрезное кольцо 4 с зубчатым профилем, находится в зацеплении с зубчатым профилем внутренней части колонны направления. Из фиг. 2 видно, что первое уплотнительное эластомерное кольцо 8 сжато, поскольку первое разрезное кольцо 4 не входит полностью в зацепление с зубчатой поверхностью внутренней концевой части колонны 2 направления. При этом также проиллюстрировано, что второе уплотнительное эластомерное кольцо 9 не деформировано, поскольку второе разрезное кольцо 5 своими зубцами полностью входит в зацепление с зубчатой поверхностью внутренней концевой части колонны 2 направления. Уплотнительные эластомерные кольца 8 и 9 функционируют в качестве пружины для приложения усилия к разрезным кольцам 5 и 6, что позволяет им перемещаться наружу для входа в зацепление с зубчатой поверхностью колонны 2 направления.
На фиг. 2 более наглядно, чем на фиг. 1, проиллюстрировано, что внешняя часть колонны 1 кондуктора имеет первую коническую поверхность 10 и вторую коническую поверхность 11, внутренняя часть колонны 2 направления, имеет первую коническую поверхность 12 и вторую коническую поверхность 13, при этом первая коническая поверхность 10 колонны 1 кондуктора выполнена с возможностью контакта с первой конической поверхностью 12 колонны 2 направления, а вторая коническая поверхность 11 колонны 1 кондуктора выполнена с возможностью контакта со второй конической поверхностью 13 колонны 2 направления.
Согласно неограничивающему варианту осуществления эти конические поверхности представляют собой цельно-конические поверхности, проходящие по всей окружности колонн. В месте первых конических поверхностей 10,12 диаметр наружной части колонны 1 кондуктора и диаметр внутренней части колонны 2 направления уменьшаются в направлении их концевых частей таким образом, что при размещении колонны 1 кондуктора в колонне 2 направления образуется предварительное натяжение, т.е. преднатяг. Конусность первых конических поверхностей 10, 12 предпочтительно находится под углом 2-4° относительно продольной оси колонны 2 кондуктора. Аналогично, вторые конические поверхности 11, 13 имеют ту же конусность, что и верхние, а также ту же осевую протяженность для контакта с первыми коническими поверхностями 10, 13. Конусные поверхности являются опорными и при установке один в другой создают преднатяг между корпусом колонны 2 направления и корпусом колонны 1 кондуктора.
На внутренней части колонны 2 направления между зубчатой поверхностью и конусной поверхностью 12 выполнен упорный заплечник 14 колонны 1 направления, расположенный, для опоры ответным упорным заплечником 15 колонны 2 кондуктора, расположенным между группой храповиков и конусной поверхностью. При установке колонны 2 кондуктора в колонну 1 направления максимальный преднатяг достигается при полном контакте, то есть состыковке, колонны 1 кондуктора с упорным заплечником 14.
При создании преднатяга важное значение имеет величина шага зубчатого профиля разрезного кольца храповика по причине риска, что в момент упора в упорный заплечник 14 ответным упорным заплечником 15, вершины зубьев разрезного кольца храповика не попадут в профиль колонны направления, при этом колонна кондуктора сместится в обратную сторону относительно колонны направления до момента совпадения зубчатого профиля, тем самым снизив величину преднатяга.
i
Таким образом, чем меньше шаг зубчатого профиля разрезного кольца храповика, тем большая величина преднатяга обеспечивается при установке. В то же время, известно, что уменьшение шага резьбового профиля приводит к уменьшению его несущей способности. Для обеспечения максимальной величины преднатяга при сохранении несущей способности храповика согласно настоящему изобретению предлагается используют группу храповиков, причем в группе храповиков имеется один храповик, относительно которого каждый другой храповик этой группы смещен в осевом направлении на величину L=nt+((i-1)/z)t, где n - количество зубьев зубчатой поверхности колонны направления, t - шаг зубьев, z - количество храповиков; i - порядковый номер храповика.
2
В случае использования двух храповиков согласно неограничивающему варианту осуществления один храповик смещен в осевом направлении относительно другого храповика, например первое разрезное кольцо 4 с зубчатым профилем относительно второго разрезного кольца 5 с зубчатым профилем, на расстояние L=nt+(1/2)t.
2
3
Специалисту в данной области техники с учетом вышеизложенного описания очевидно, что в случае использования трех храповиков второй храповик смещен в осевом направлении относительно первого храповика на расстояние L=nt+(1/3)t, а третий храповик смещен в осевом направлении относительно первого храповика на расстояние L=nt+(2/3)t.
При такой конструкции храповики будут работать попеременно, благодаря чему при условии использования двух храповиков вдвое сокращается осевое перемещение колонны 1 кондуктора относительно колонны 2 направления при несовпадении зубчатого профиля с сохранением его несущей способности. В целом, величина, на которую сокращается осевое перемещение колонны 1 кондуктора относительно колонны 2 направления, зависит от количества храповиков.
i
Оптимальным количеством храповиков в группе может быть два храповика. Специалисту в данной области техники очевидно, что возможна также и комбинация из большего количества храповиков, но в соответствии с выражением L=nt+((i-1)/z)t, где n - количество зубьев зубчатой поверхности колонны направления, t - шаг зубьев, z - количество храповиков; i -порядковый номер храповика
Наружная поверхность разрезных колец 4 и 5 храповика снабжена зубьями, выполненными для входа в зацепление с зубьями зубчатой поверхности внутренней части колонны 2 направления. Более подробно зубья разрезного кольца проиллюстрированы на фиг. 3, где показано сечение разрезного кольца 4 с зубчатым профилем согласно заявленному изобретению, однако, согласно вышеупомянутому разрезные кольца 4 и 5 выполнены по существу одинаковыми. Выполнение колец 4 и 5 храповика разрезными обеспечивает их увеличение и уменьшение в диаметре. В частности, перед установкой колонны 1 кондуктора в колонну 2 направления разрезное кольцо храповика находится в положении, в котором оно относительно уменьшено в диаметре, а после установки колонны 1 кондуктора в колонну 2 направления разрезное кольцо храповика находится в положении, в котором оно относительно увеличено в диаметре для входа в зацепление с зубьями зубчатого профиля внутренней части колонны 2 направления. Таким образом, разрезные кольца с зубьями функционируют в качестве храповиков. Расположенные в первом и втором углублениях 6 и 7 первое и второе уплотнительные эластомерные кольца 8 и 9, соответственно, функционируют в качестве пружины, подталкивая разрезные кольца 4 и 5 радиально в направлении колонны 1 направления.
На фиг. 2 видно, что второе разрезное кольцо 5 полностью вошло в зацепление с зубьями профиля внутренней части колонны 2 направления, а также, что первое разрезное кольцо 4 не вошло в зацепление с зубьями профиля внутренней части колонны 2 направления.
В то же время на фиг. 5 проиллюстрирован случай, когда первое разрезное кольцо 4 полностью вошло в зацепление с зубьями профиля внутренней части колонны направления, но при этом второе разрезное кольцо не вошло в зацепление с зубьями профиля внутренней части колонны 1 направления. Увеличенный вид Б согласно фиг. 5 изображен на фиг. 6, из которой видно, что
Согласно предлагаемому техническому решению колонну 1 кондуктора опускают в колонну 2 направления под собственным весом, иными словами, под действием силы тяжести. При установке колонны 1 кондуктора в колонну 2 направления первая коническая поверхность 10 колонны 1 кондуктора сопрягается с первой конической поверхностью 12 колонны 2 направления, а вторая коническая поверхность 11 колонны 1 кондуктора сопрягается со второй конической поверхностью 13 колонны 2 направления. Таким образом колонна 1 кондуктора опирается своими конусными поверхностями на конусные поверхности колонны 2 направления, то есть обеспечивается вклинивание колонны 1 кондуктора в колонну 2 направления, при этом создается преднатяг между колонной кондуктора и колонной направления. Для противодействия изгибающим силам, действующим на колонну кондуктора из-за воздействия волн и течений необходимо создать преднатяг между колонной 1 кондуктора и колонной 2 направления для обеспечения максимальной передачи изгибающих сил на колонну направления.
Каждый храповик представляет из себя разрезное кольцо с зубчатым профилем, который допускает осевое перемещение колонны 1 кондуктора внутрь колонны 2 направления, чем обеспечивает сохранение преднатяга, созданного при сопряжении конических поверхностей.
Перемещение колонны 1 кондуктора с созданием преднатяга возможно до момента упора в упрный заплечник 14 колонны 2 направления. На фиг. 5 видно, что колонна 1 кондуктора установлена в колонну 2 направления без упора в упорный заплечник 14 так, что между ним и упорным заплечником 15 колонны 1 кондуктора имеется зазор 16. При этом второе разрезное кольцо 5 храповика полностью находится в зацеплении с зубчатым профилем внутренней части колонны 2 направления, а первое разрезное кольцо 4 храповика своими зубьями попало в пространство между зубьями колонны направления и не входит в зацепление с зубчатым профилем внутренней части колонны 2 направления.
В колонне 2 направления выполнены первое отверстие 17 и второе отверстие 18, которые могут быть использованы для вывода из зацепления первого и второго разрезных колец 4, 5, соответственно.
Дальнейшее смещение колонны 1 кондуктора внутрь колонны 2 направления приведет к тому, что колонна 1 кондуктора приблизится на максимально малое расстояние к упорному заплечнику 14 колонны направления, как это изображено на фиг. 5. При этом второе разрезное кольцо 5 храповика сместится и выйдет из зацепления с зубчатым профилем колонны 2 направления, а первое разрезное кольцо 4 храповика наоборот полностью войдет в зацепление с зубчатым профилем колонны 2 направления.
i
При последующей цементации межтрубного пространства или других технологических операциях, при которых возможно появление любых выталкивающих сил, действующих на колонну 1 кондуктора, смещение колонны кондуктора относительно колонны направления будет минимальным, а именно в соответствии с выражением L=nt+((i-1)/z)t, где n - количество зубьев зубчатой поверхности колонны направления, t - шаг зубьев, z - количество храповиков; i - порядковый номер храповика.
При состыковке упорного заплечника 14 колонны 2 направления с ответным упорным заплечником 15 колонны 1 кондуктора и достигается максимальный преднатяг.
В случае, если второй храповик не вошел в зацепление с зубчатым профилем внутренней части колонны 2 направления, колонна 1 кондуктора продолжает опускаться под действием силы тяжести и в зацепление входит первых храповик.
Колонна 1 кондуктора и колонна 2 направления выполнены из жаропрочной релаксационностойкой стали, например, из стали AISI 8630, имеющей аналог сталь 30ХМА, категории прочности 586 МПа.
Колонна кондуктора и колонна направления могут иметь на своих конических поверхностях по меньшей мере один слой антифрикционного покрытия.
Храповики могут быть выполнены из конструкционной легированной стали, например, из стали AISI 4140, имеющей аналог сталь 38ХМА. Храповики предпочтительно имеют могут быть упруго деформируемыми при прощелкивании зубьев, то есть выполнены с возможностью деформации при приложении усилия к зубьям. Твердость храповиков должна быть не ниже 35 HRC и предел прочности не ниже 700 МПа.
Эластомерные кольца могут быть выполнены из невулканизированной резиновой смеси, например, ИРП 1068 ТУ 38-1051082-86.
Модификации и усовершенствования вышеописанных вариантов осуществления настоящей технологии могут быть очевидны для специалистов в данной области техники. Приведенные выше примеры осуществления не ограничивают объем охраны предлагаемого изобретения. Объем предлагаемого изобретения ограничивается только объемом прилагаемой формулы изобретения.