УЗЕЛ ДЛЯ СОЗДАНИЯ РЕЗЬБОВОГО СОЕДИНЕНИЯ, СПОСОБ СВИНЧИВАНИЯ И РАЗВИНЧИВАНИЯ УКАЗАННОГО СОЕДИНЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УКАЗАННОГО СОЕДИНЕНИЯ В ВОДООТДЕЛЯЮЩЕЙ КОЛОННЕ ДЛЯ ПОДЗЕМНОГО РЕМОНТА
ASSEMBLY FOR MAKING OF THREADED JOINT, METHOD OF COUPLING AND UNCOUPLING OF SAID JOINT AND ITS APPLICATION IN RISER FOR UNDERGROUND REPAIR

[0001] Настоящее изобретение относится к узлу для создания резьбового соединения, которое применяется при бурении или эксплуатации углеводородных скважин. Данный узел содержит первый и второй трубчатый компоненты, при этом один конец каждого трубчатого компонента содержит резьбовую зону наружного охватываемого типа, и третий трубчатый компонент, который предпочтительно короче двух предыдущих компонентов, и оба конца данного третьего компонента содержат резьбовую зону охватывающего типа, которая при свинчивании может взаимодействовать с указанными охватываемыми резьбовыми зонами. Изобретение также относится к способу свинчивания данного узла и к резьбовому соединению, полученному в результате свинчивания указанного узла.
[0002] Термин "компонент, который применяется 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 составления колонны для бурения углеводородной скважины, либо водоотделяющей колонны для подземного ремонта, которая используется для технического обслуживания, например, или обсадной колонны, или насосно-компрессорной колонны, которые применяются при эксплуатации скважины.
[0003] Термин "соединение" обозначает соединение между трубчатыми компонентами. Две трубы большой длины могут быть соединены путем ввинчивания конца одной трубы, оснащенного охватываемой резьбой, в конец другой трубы, оснащенный охватывающей резьбой. Две трубы большой длины могут быть соединены с использованием намного более короткого трубчатого компонента, также обозначаемого термином "соединительная муфта", путем свинчивания каждого охватывающего конца соединительной муфты с концами трубчатых компонентов большой длины, оснащенными охватываемой резьбой.
[0004] Компоненты, которые используются с целью применения для бурении или эксплуатации углеводородных скважин, свинчиваются друг с другом с высоким моментом свинчивания. Высокий крутящий момент обычно достигается благодаря взаимодействию путем затягивания опорных поверхностей, расположенных на каждом из компонентов, или с помощью резьбы, которая обозначается термином "самоблокирующаяся резьба". Однако некоторые варианты применения вызывают высокие нагрузки, например применение в водоотделяющих колоннах. В связи с этим во избежание развинчивания компонентов необходимо использовать более высокие моменты свинчивания. Однако моменты свинчивания ограничены риском пластификации. Таким образом, соединения должны быть адаптированы для того, чтобы устранить риск несвоевременного развинчивания.
[0005] Для преодоления данных недостатков были проведены соответствующие разработки. Так, в документе US 5 794 985 предложено соединение с соединительной муфтой, в котором конец одного охватываемого компонента вставлен в конец другого для предотвращения вращения и, как следствие, для предотвращения развинчивания компонентов независимо друг от друга. Тем не менее, хотя данная конструкция усложняет развинчивание, она также усложняет ввинчивание охватываемых компонентов в соединительную муфту. Фактически охватываемые компоненты должны располагаться относительно друг друга таким образом, чтобы их концы могли быть пригнаны друг к другу и одновременно ввинчены в соединительную муфту без углового смещения относительно друг друга.
[0006] Изобретение относится к узлу трубчатых компонентов, которые могут легко ввинчиваться друг в друга и создавать соединение со сниженным риском несвоевременного развинчивания при эксплуатации соединения.
[0007] Более точно, узел для создания резьбового соединения содержит первый и второй трубчатые компоненты, расположенные на одной оси вращения, при этом на одном из концов каждого компонента расположена охватываемая резьбовая зона, выполненная на внешней кольцевой поверхности, при этом каждый из указанных концов оканчивается конечной поверхностью, оснащенной зубчатой муфтой прямой передачи для того, чтобы фиксировать первый и второй трубчатые компоненты во вращении. Узел содержит третий трубчатый компонент, который также расположен на оси вращения, и на каждом из его концов на его внутренней кольцевой поверхности расположены две направленные охватывающие резьбовые зоны, при этом одна из двух охватываемых резьбовых зон может взаимодействовать путем свинчивания с одной из двух охватывающих резьбовых зон, в то время как другая охватываемая резьбовая зона может взаимодействовать путем свинчивания с другой охватывающей резьбовой зоной. Охватываемый конец первого трубчатого компонента, а также соответствующий охватывающий конец третьего трубчатого компонента содержат средства для обеспечения свободного вращения, так что в конце ввинчивания указанной охватываемой резьбовой зоны в указанную охватывающую резьбовую зону трубчатые компоненты, на которых расположены указанные охватываемая и охватывающая резьбовые зоны, могут свободно вращаться относительно друг друга.
[0008] Ниже описаны необязательные характеристики изобретения, которые могут дополнять или заменять основные характеристики, описанные ниже.
[0009] Охватываемые резьбовые зоны первого и второго компонентов могут быть направлены в противоположные стороны относительно друг друга.
[0010] Третий трубчатый компонент может быть по меньшей мере в 10 раз короче, чем первые два компонента.
[0011] Средства для обеспечения свободного вращения могут содержать желобки, выполненные перпендикулярно к оси вращения в указанных охватываемых и охватывающих резьбовых зонах, так что при свинчивании охватываемой и охватывающей резьбовых зон друг с другом каждая промежуточная зона, определенная двумя соседними желобками, расположенными на одной из указанных резьбовых зон, обращена к желобку, расположенному на другой резьбовой зоне.
[0012] Указанные желобки могут быть расположены равномерно с шагом, который по существу составляет 1,5 шага резьбовых зон.
[0013] Каждая конечная поверхность охватываемых концов первого и второго трубчатых компонентов может содержать круговую часть, оснащенную наклонными гранями, расположенными концентрично, так что указанные части, которые таким образом составляют зубчатую муфту прямой передачи, вставляются друг в друга.
[0014] Каждая конечная поверхность охватываемых концов первого и второго трубчатых компонентов может содержать поверхность уплотнения, которые могут взаимодействовать друг с другом для образования уплотнение металл/металл.
[0015] Каждая конечная поверхность охватываемых концов первого и второго трубчатых компонентов может содержать опорную поверхность, которые могут взаимодействовать друг с другом путем затягивания.
[0016] На каждой конечной поверхности между круговой частью и опорной поверхностью может быть расположена поверхность уплотнения, при этом круговая часть расположена дальше от оси 4 соединения, чем опорная поверхность.
[0017] Охватываемые резьбовые зоны, а также соответствующие им охватывающие резьбовые зоны могут иметь коническую образующую для облегчения взаимного свинчивания трубчатых компонентов.
[0018] Способ свинчивания узла согласно изобретению включает этапы, на которых:
ввинчивают первый компонент, чья охватываемая резьбовая зона снабжена средством для обеспечения свободного вращения, в соответствующую охватывающую резьбовую зону третьего компонента до появления свободного вращения указанных компонентов относительно друг друга;
затем ввинчивают второй компонент в соответствующую охватывающую резьбовую зону третьего компонента до пригонки конечных поверхностей первого и второго трубчатых компонентов друг в друге, при этом указанная пригонка стала возможной благодаря свободному вращению первого трубчатого компонента;
затем свинчивают третий компонент с первым и вторым компонентами, которые неподвижно пригнаны друг к другу, до предопределенного крутящего момента С0.
[0019] Способ развинчивания узла согласно изобретению включает:
отвинчивают охватываемый второй трубчатый компонент от первого и третьего компонентов;
затем отвинчивают первый компонент от третьего компонента.
[0020] Изобретение также относится к использованию резьбового соединения в водоотделяющей колонне для подземного ремонта.
[0021] Характеристики и преимущества изобретения будут описаны более подробно в нижеприведенном описании, которое содержит ссылки на сопроводительные графические материалы.
[0022] Фиг. 1 изображает схематический продольный вид в разрезе соединения, созданного посредством соединения узла трубчатых компонентов путем свинчивания;
[0023] Фиг. 2 изображает подробный схематический продольный вид в разрезе первого трубчатого компонента соединения по фиг. 1;
[0024] Фиг. 3 изображает подробный схематический продольный вид в разрезе второго трубчатого компонента соединения по фиг. 1;
[0025] Фиг. 4 изображает подробный схематический продольный вид в разрезе третьего трубчатого компонента соединения по фиг. 1;
[0026] Фиг. 5 является схематическим видом конца первого трубчатого компонента соединения по фиг. 1;
[0027] Фиг. 6 изображает схематический продольный вид в разрезе первого трубчатого компонента соединения по фиг. 1;
[0028] Фиг. 7 является схематическим видом сверху первого трубчатого компонента соединения по фиг. 1.
[0029] На фиг. 1 изображено резьбовое соединение, созданное посредством соединения узла трубчатых компонентов, при этом указанное соединение имеет ось вращения 4.
[0030] Как видно на фиг. 2, данный узел содержит первый трубчатый компонент с осью вращения 4, один из концов 1 которого оснащен охватываемой резьбовой зоной 10, выполненной на внешней кольцевой поверхности указанного компонента. Термин "кольцевая поверхность" обозначает поверхность, проходящую в продольном направлении через всю окружность трубчатого компонента. В отличие от вышесказанного поверхности, которые проходят в радиальном направлении на свободный край трубчатого компонента, не считаются кольцевыми поверхностями.
[0031] Термин "резьбовая зона" обозначает любую зону, расположенную на кольцевой поверхности трубчатого компонента и содержащую резьбу; при этом данная резьба может быть непрерывной, секторной, многозаходной, однозаходной, равномерной, неравномерной и т.д. Конец 1 оканчивается конечной поверхностью 15.
[0032] Термин "конечная поверхность" обозначает поверхность, проходящую от свободного края конца 1 компонента через его диаметр. Другими словами, конечная поверхность имеет форму кольцеобразной поверхности, которая ориентирована по существу в радиальном направлении относительно оси 4 соединения.
[0033] Как видно на фиг. 3, данный узел также содержит второй трубчатый компонент с той же осью вращения 4, и один из его концов 3 оснащен охватываемой резьбовой зоной 30, выполненной на внешней кольцевой поверхности указанного компонента. Указанный конец 3 оканчивается конечной поверхностью 35.
[0034] Как видно на фиг. 4, данный узел также содержит третий трубчатый компонент с той же осью вращения 4, и каждый из его концов 2, 2' оснащен охватывающей резьбовой зоной 20, 20', выполненной на внутренней кольцевой поверхности указанного компонента.
[0035] Как видно на фиг. 1, охватываемая резьбовая зона 10 первого трубчатого компонента может взаимодействовать путем свинчивания с одной из двух охватывающих резьбовых зон 20 третьего трубчатого компонента. Охватываемая резьбовая зона 30 второго трубчатого компонента может взаимодействовать путем свинчивания с другой из двух охватывающих резьбовых зон 20' третьего трубчатого компонента.
[0036] Первый и второй трубчатые компоненты могут быть зафиксированы друг к другу во вращении с помощью зубчатой муфты 14, 34 прямой передачи. Термин "зубчатая муфта прямой передачи" обозначает любое устройство для прямого соединения двух механических деталей с помощью зубцов, пазов, желобков и т.д, например, что означает, что данные механические детали могут быть зафиксированы во вращении.
[0037] Как видно на фиг. 2 и 4, конец 1 первого трубчатого компонента и соответствующий охватывающий конец 2 третьего трубчатого компонента содержат средства для обеспечения свободного вращения 11, 21. Термин "средства для обеспечения свободного вращения" обозначает любую конструкцию, в которой при окончании ввинчивания охватываемой резьбовой зоны 10 в соответствующую охватывающую резьбовую зону 20 первый и третий трубчатые компоненты могут свободно вращаться относительно друг друга, не учитывая силу трения. В варианте, изображенном на фиг. 2 и 4, указанные резьбовые зоны оснащены данной конструкцией.
[0038] Таким образом, вышеописанный узел может составлять соединение, оснащенное функцией "защиты от развинчивания". Термин "функция защиты от развинчивания" обозначает способность соединения избегать несвоевременного развинчивания, т.е. развинчивания в нежелательный момент. Точнее соединение, оснащенное подобной функцией, не должно развинчиваться, например, при воздействии напряжений при кручении, возникающих в ходе эксплуатации.
[0039] Функция защиты от развинчивания подобного соединения связана с тем фактом, что первый трубчатый компонент невозможно отсоединить от второго путем приложения крутящего момента между двумя компонентами. Зубчатая муфта прямой передачи блокирует вращение одного компонента относительно другого.
[0040] В предпочтительном варианте осуществления охватываемые резьбовые зоны 10; 30 направлены в противоположных направлениях. Таким образом, охватываемая резьбовая зона 10 первого компонента может быть направлена по часовой стрелке, а охватываемая резьбовая зона 30 второго компонента может быть направлена против часовой стрелки. Необходимо снова подчеркнуть, что охватывающие резьбовые зоны направлены в том же направлении, что и соответствующая охватываемая резьбовая зона. Фактически, если охватываемые резьбовые зоны первого и второго трубчатых компонентов направлены в противоположных направлениях, то две охватывающие резьбовые зоны третьего компонента также направлены во взаимно противоположных направлениях. Преимущество данной конфигурации заключается в усилении функции защиты от развинчивания соединения.
[0041] В данном случае невозможно отделить первый трубчатый компонент от третьего путем приложения крутящего момента между двумя компонентами. Фактически, вращение первого трубчатого компонента в направлении свинчивания также вызывает вращение второго компонента в направлении свинчивания. В результате этого конечные поверхности прижимаются друг к другу.
[0042] В предпочтительном варианте осуществления третий трубчатый компонент по меньшей мере в 10 раз короче, чем первые два компонента. Другими словами, третий компонент представляет собой короткую трубу, которая обозначается термином "соединительная муфта" и предназначена для соединения первых двух компонентов, которые представляют собой трубы большой длины. Данное соединение обозначается термином "соединение с резьбой и муфтой". В конфигурации данного типа напряжения при кручении в первую очередь воздействуют на две последовательные трубы большой длины, но не на одну трубу большой длины и соединительную муфту, к которой она присоединена. В результате требуемая функция защиты от развинчивания заключается в предотвращении развинчивания первого компонента относительно второго компонента. В качестве примера, длина труб, составляющих соединительные муфты, составляет от 0,2 до 0,7 метров, а длина труб большой длины составляет от 6 до 15 метров.
[0043] Согласно первому варианту осуществления, подробно изображенному на фиг. 2, 4 и 7, средства для обеспечения свободного вращения содержат желобки 11, 21, выполненные перпендикулярно к оси вращения 4 в указанных охватываемой и охватывающей резьбовых зонах 10, 20 первого и третьего трубчатых компонентов, так что при свинчивании указанных охватываемой и охватывающей резьбовых зон друг с другом каждая промежуточная зона, определяемая двумя соседними желобками, расположенными на одной из указанных резьбовых зон, обращена к желобку, расположенному на другой резьбовой зоне. Более точно, часть охватываемой и охватывающей резьбовой зоны 10, 20 первого и третьего трубчатых компонентов была отсечена желобками. В связи с этим, когда каждая из промежуточных зон, определенная двумя соседними желобками охватываемой резьбовой зоны, обращена к желобку охватывающей резьбовой зоны, охватываемый конец первого компонента может свободно вращаться в охватывающем конце третьего компонента, не учитывая силу трения. Однако возможно дальнейшее перемещение первого компонента в третий путем приложения усилия для ввинчивания первого компонента в третий для дальнейшего сцепления первого компонента с третьим. Данное усилие является необходимым, так как сцепление компонентов обычно может нарушаться, поскольку резьбовые зоны отсечены желобками.
[0044] Возможен другой вариант осуществления, если резьбовые зоны первого компонента смещены относительно третьего компонента, так что в конце свинчивания резьбовая зона первого компонента обращена к широкому желобку, выполненному на внутренней кольцевой поверхности третьего компонентрв, и резьбовая зона третьего компонента обращена к широкому желобку, выполненному на внешней кольцевой поверхности первого компонента. Тогда резьбовые зоны первого и третьего компонента больше не будут сцеплены друг с другом. Указанный другой вариант осуществления менее оптимизирован, чем первый вариант, поскольку резьбовые зоны не входят в полное зацепление друг с другом. При возникновении напряжения нагрузки больше не будут распределяться по всей поверхности резьбовых зон, а будут воздействовать лишь на один виток резьбы первого и третьего компонентов.
[0045] Предпочтительно, первый вариант осуществления средства для обеспечения свободного вращения содержит желобки, расположенные равномерно с шагом, который сотавляет по существу 1,5 шага резьбовых зон 10, 20. Это означет, что гарантировано равномерное распределение контактов между витками резьбы резьбовых зон. Предпочтительно, ширина желобков остается неизменной по всей длине резьбовых зон первого и третьего компонентов. Таким образом, их ширина составляет 0,75 шага резьбовых зон 10, 20.
[0046] Согласно предпочтительному варианту осуществления каждая конечная поверхность 15, 35 охватываемых концов 1, 3 первого и второго трубчатых компонентов содержит круговую часть 14, 34, оснащенную наклонными гранями 140, расположенными концентрично, так что указанные части 14, 34 вставляются друг в друга. Данный тип зубчатой муфты прямой передачи позволяет выполнять поступательную пригонку круговых частей. Следует отметить, что направление наклона граней должно быть выбрано таким образом, чтобы обеспечить возможность пригонки частей 14 и 34 при свинчивании компонентов. Кроме этого наклон граней должен быть выбран достаточно большим для обеспечения достаточной фиксации охватываемых компонентов с помощью зубчатой муфты прямой передачи. В частности, угол наклона граней должен быть больше угла наклона винтовой линии резьбовой зоны 20'. Выбор конструкции круговой части, оснащенной концентрическими и наклонными гранями, является важным, поскольку он позволяет легко выполнять механическую обработку на токарном станке.
[0047] Преимущественно, каждая конечная поверхность 15, 35 охватываемых концов 1, 3 первого и второго трубчатых компонентов содержит поверхность 13, 33 уплотнения, которые взаимодействуют друг с другом для образования уплотнения металл/металл. Фактически, если соединение должно быть плотным, необходимо предоставить поверхности уплотнения, способные образовывать уплотняющий контакт между первым и третьим компонентами, а также между вторым и третьим компонентами. Таким образом, необходимо переместить данные поверхности уплотнения, которые обычно выполнены на кольцевых поверхностях компонентов, на конечные поверхности. Фактически, поскольку первый компонент должен свободно вращаться относительно третьего компонента, уплотняющий контакт является невозможным.
[0048] Что касается типа поверхностей 13, 33 уплотнения, можно привести ссылку на обычные поверхности уплотнения, которые используются в рассматриваемой области техники. Это могут быть поверхности уплотнения 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 посредствам ссылки.
[0049] Данные поверхности уплотнения предотвращают перемещение текучей среды между пространством внутри и снаружи соединения. Величина угла конусности поверхностей уплотнения может находиться в диапазоне от 1° до 45°, предпочтительно в диапазоне от 3° до 20°, например 6°.
[0050] Преимущественно, что каждая конечная поверхность 15, 35 охватываемых концов 1, 3 первого и второго трубчатых компонентов содержит опорные поверхности 12, 32, которые могут взаимодействовать друг с другом путем затягивания. Поскольку первый и второй компоненты могут быть зафиксированы во вращении благодаря соединительному элементу, расположенному на их конечных поверхностях, опорную поверхность невозможно выполнить в любом другом месте, кроме как на указанных конечных поверхностях. Преимущество данных опорных поверхностей заключается в передаче резьбовым зонам большой части момента свинчивания и, как следствие, нагрузки. Следует отметить, что это особенно применимо к резьбовым зонам первого и третьего компонента, которые частично отсечены желобками.
[0051] Преимущественно, опорные поверхности 12 и 32 могут располагаться в радиальной плоскости, а точнее в плоскости, перпендикулярной оси 4 соединения, или же они могут быть наклонены под углом до 45° относительно радиальной плоскости. В примере, изображенном на фиг. 1, данный угол составляет примерно от 15° до 25°.
[0052] Преимущественно и для каждой конечной поверхности 15, 35 поверхность 13, 33 уплотнения расположена между круговой частью 14, 34 и опорной поверхностью 12, 32. Круговая часть 14, 34 является наиболее удаленной от оси 4 соединения и опорная поверхность 12, 32 является ближайшей к оси 4.
[0053] Преимущественно, охватываемые резьбовые зоны, а также соответствующая им охватывающая резьбовая зона имеют коническую образующую, которая может способствовать взаимному свинчиванию трубчатых компонентов. Например, коническая образующая может иметь половинный угол в диапазоне от 0,5° до 3°, предпочтительно в диапазоне от 1° до 2°.
[0054] Свинчивание узла, содержащего первый, второй и третий компоненты, выполнено следующим образом:
сначала, первый компонент, охватываемая резьбовая зона которого снабжена средством для обеспечения свободного вращения, ввинчивается в соответствующую охватывающую резьбовую зону третьего компонента до появления свободного вращения указанных компонентов относительно друг друга. В случае, если средства для обеспечения свободного вращения представляют собой желобки 11, 21, первый компонент может поворачиваться независимо от третьего компонента, когда каждая промежуточная зона, определенная двумя соседними желобками, расположенными подряд на одной из указанных резьбовых зон, обращена к желобку, расположенному на другой резьбовой зоне;
затем второй компонент ввинчивается в соответствующую охватывающую резьбовую зону третьего компонента до тех пор, пока одна из конечных поверхностей 15, 35 первого и второго трубчатого компонента не подогнана в другой. Пригонка стала возможной благодаря свободному вращению первого трубчатого компонента;
наконец, третий компонент свинчивается с первым и вторым компонентами, которые плотно пригнаны друг к другу, до предопределенного крутящего момента С0.
[0055] Крутящий момент С0 выбран в зависимости от размеров трубчатых компонентов и выбранного варианта применения (бурение, водоотделяющая колонна для подземного ремонта и т.д.).
[0056] В случае, если резьбовые зоны имеют коническую образующую, свинчивание первого компонента с третим компонентом прекращается, когда впадины витков резьбы прижимаются к соответствующим вершинам витков. При этом первый компонент может свободно вращаться относительно третьего компонента.
[0057] В случае, если резьбовые зоны имеют цилиндрическую форму, ввинчивание первого компонента в третий компонент прекращается опорными поверхностями, расположенными на первом и третьем компоненте.
[0058] Развинчивание соединения происходит следующим образом.
[0059] В случае, если резьбовые зоны первого и второго компонентов направлены в противоположные стороны, охватываемый первый трубчатый компонент может быть отвинчен от охватывающего третьего компонента, при этом указанный первый компонент в дальнейшем вызывает отвинчивание второго компонента от третьего компонента. Также возможно вывинтить охватываемый второй трубчатый компонент от первого и третьего компонентов для выведения зубчатой муфты прямой передачи из зацепления, при этом второй компонент передает первому компоненту вращение относительно третьего компонента. Затем первый компонент отвинчивается от третьего компонента.
[0060] В случае, если резьбовые зоны первого и второго компонентов направлены в одну сторону, охватываемый первый трубчатый компонент нельзя вывинтить из охватывающего третьего компонента, при этом указанный первый компонент в дальнейшем вызывает ввинчивание второго компонента в третий компонент. Сначала необходимо вывинтить охватываемый второй трубчатый компонент из охватывающего третьего компонента, при этом указанный второй компонент передает свободное вращение первому, а затем необходимо вывинтить первый компонент из третьего компонента.
[0061] Данное соединение особенно применимо для применения в водоотделяющих колоннах. Данные водоотделяющие колонны, которые соединяют поверхность моря с дном, особенно подвержены проблеме развинчивания под воздействием морских волн и морских течений, которые подвергают колонны компонентов высоким напряжениям при кручении. Таким образом, выгодно применять трубы, соединенные с помощью соединения с резьбой и соединительных муфт и содержащие резьбовые зоны, направленные в одну и ту же сторону. Фактически, развинчивание соединения может быть выполнено лишь путем удерживания соединительной муфты и вывинчивания второй трубы из соединительной муфты.