DE60110805T2

DE60110805T2 - Rohrverbindung

Info

Publication number: DE60110805T2
Application number: DE60110805T
Authority: DE
Inventors: Shigeo Nishinomiya-shi NAGASAKU; Jun Ashiya-shi MAEDA; c/o Sumitomo Metal Ind. Katsutoshi SUMITANI
Original assignee: Vallourec Mannesmann Oil and Gas France SA; Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Vallourec Oil and Gas France SAS; Nippon Steel Corp
Priority date: 2000-06-09
Filing date: 2001-06-08
Publication date: 2006-02-23
Anticipated expiration: 2021-06-09
Also published as: WO2001094832A1; EP1310719A1; CN1436289A; EP1310719B1; ES2241831T3; BR0111985B1; CA2411447C; US20030122378A1; ATE295499T1; CN1282843C; CA2411447A1; WO2001094832A8; DE60110805D1; BR0111985A; US6698802B2; AU2001264222A1; MXPA02012145A; EP1310719A4

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung betrifft eine Rohrverbindung zur Verwendung mit Ölsondenrohren, welche bei der Exploration und Gewinnung von Erdgas und Rohöl eingesetzt werden. Insbesondere betrifft sie eine Rohrverbindung, welche das Abnutzen von Gewinden verringert, welche zum Zeitpunkt des Anziehens eine gute Funktionsfähigkeit aufweist und das Maß an Gewindeschäden reduziert, das manchmal dabei eintritt.
Stand der Technik
Gewindeverbindungen werden verbreitet als Technologie für das Verbinden von Ölsondenrohren eingesetzt, welche bei der Exploration und Gewinnung von Erdgas und Rohöl verwendet werden. Gewindeverbindungen umfassen integrale Arten, bei welchen an einem Ende eines Rohrs ein Einsteckteil ausgebildet ist und am anderen Ende ein Aufnahmeteil ausgebildet ist und beide Rohre direkt miteinander verbunden werden, sowie Kupplungsarten, bei welchen zwei Rohre mit einem jeweils an jedem Ende ausgebildeten Einsteckteil durch ein kurzes Rohr mit einem an beiden Enden ausgebildeten Aufnahmeteil miteinander verbunden werden. Nachstehend folgt eine Beschreibung unter beispielhafter Verwendung einer kupplungsartigen Verbindung, aber das gleiche trifft auf eine Verbindung der integralen Art zu.
An der Stätte vieler Gasfelder und Ölfelder wird das Anziehen (Zusammenstellen) einer Verbindung wie in 7 gezeigt ausgeführt.
Dadurch wird ein Ölsondenrohr 2, welches ein Kurzrohr 1 aufweist, das zuvor in einer Fabrik an seinem Ende befestigt wurde, mit dem Kurzrohr 1 nach oben weisend gelagert und der Einsteckteil 2b eines anderen Ölsondenrohrs 2, welches damit verbunden werden soll, wird an dem Kurzrohr 1 befestigt. Wenn in diesem Fall der Einsteckteil 2b des Ölsondenrohrs 2, welches verbunden werden soll, in den Aufnahmeteil 1a des Kurzrohrs 1 eingeführt wird, wird das Ölsondenrohr 2 zum Beispiel durch eine (nicht dargestellte) Kunststoff-Einsteckführung vertikal in das Kurzrohr 1 eingeführt, welche eine Vorrichtung für das Verhindern einer Beschädigung zum Zeitpunkt des formschlüssigen Verschraubens ist, welche vorab am Umfang des Kurzrohrs 1 vorgesehen wird.
Nach Beendigung des Rohreinführens wird die Einsteckführung entfernt und das zu verbindende Ölsondenrohr 2 wird durch einen Bandschlüssel oder durch die Kraft des Bedieners um zwei bis drei Umdrehungen gedreht, um einen Zustand zu erreichen, in welchem das Gewinde des Einsteckteils 2b des zu verbindenden Ölsondenrohrs 2 mit dem Gewinde des Aufnahmeteils 1a des Kurzrohrs 1 greift. Dann wird mit einer Bohrgestängezange, nämlich mit einer (nicht dargestellten) Drehmoment ausübenden Vorrichtung, ein vorbestimmten Drehmoment ausgeübt, um das Anziehen auszuführen.
Das Anziehen von Hand, das von einem Bediener ausgeführt wird, ist eine Drehung mit einem kleinen Drehmoment (in der Größenordnung von 19,6–576 N·m), welches den Rahmen der menschlichen Kraft nicht übersteigt. Wenn aber die Gewinde des Einsteckteils und des Aufnahmeteils nicht vollständig miteinander greifen, erfolgt keine Drehung mit einem Drehmoment in der Größenordnung von 576 N·m, und es wird ein höheres Drehmoment als dieses für die Drehung erforderlich. Dies bedeutet, dass der Zustand der Verschraubung der Gewinde des Einsteckteils und des Aufnahmeteils mangelhaft ist. In einem solchen Fall führt der Bediener durch leichtes Anheben des zu verbindenden Ölsondenrohrs oder durch dessen leichtes Drehen in die Gegenrichtung eine Feinanpassung aus, um die Fehlausrichtung zu korrigieren. Nach Beendigung der Feinanpassung wird es möglich, die Drehung mit den verschraubten Gewinden unter Einsatz eines sehr kleinen Drehmoments von höchstens 576 N·m auszuführen, so dass das zu verbindende Ölsondenrohr um zwei bis drei Umdrehungen in Anziehrichtung gedreht wird.
In jüngster Zeit aber hat sich Offshore (in Ölfeldern im Meer) und dergleichen Nachfrage nach einem Anziehen entwickelt, das keine Drehung eines Ölsondenrohrs durch Anziehen von Hand durch einen Bediener um zwei bis drei Umdrehungen erfordert, nachdem ein Ölsondenrohr unter Verwendung einer Einsteckführung eingeführt wurde. Somit greift wie in 8 gezeigt eine automatische Bohrgestängezange 3 ein zu verbindendes Ölsondenrohr 2, und in diesem Zustand werden ein einem herkömmlichen Anziehen von Hand entsprechendes Anziehen und maschinelles Anziehen kontinuierlich ausgeführt.
Automatische Bohrgestängezangen dieser Art weisen eine hydraulische Antriebsvorrichtung (Drehmoment erzeugende Vorrichtung) auf und können auf ein Ölsondenrohr mit einem Außendurchmesser in der Größenordnung von 178 mm problemlos ein Drehmoment von 33.810 N·m ausüben.
Die Steuerung der Bewegung solcher Bohrgestängezangen ist bei Ausübung eines winzigen Drehmoments im Bereich von 576 N·m aber schwierig, und es ist schwierig, ein vorsichtiges Anziehen von Hand in der Größenordnung von 576 N·m auszuführen, welches von einem Bediener vorgenommen wurde. Somit wird der Anziehvorgang immer mit großer Kraft ausgeführt, und wenn die Gewinde zum Zeitpunkt des Rohreinführens nicht vollständig greifen, kann in manchen Fällen eine Beschädigung der Gewinde eintreten.
Im Stand der Technik wurde zum Beispiel in JP H11-223284A eine Rohrverbindung vorgeschlagen, bei welcher nach Einführen des Einsteckteils eines zu verbindenden Ölsondenrohrs in den Aufnahmeteil eines Kurzrohrs es schnellstmöglich und mit einer geringen Anzahl an Umdrehungen eingeschraubt werden kann. Diese Rohrverbindung beruht auf der Gewährleistung, dass der Einsteckteil des Ölsondenrohrs unter Verwendung einer Einsteckführung oder dergleichen richtig in vertikaler Richtung in den Aufnahmeteil des Kurzrohrs eingeführt wird.
Ferner ist bei der oben beschriebenen japanischen Patentveröffentlichung der Einsteck-Freiwinkel β des Gewindes des Einsteckteils des Ölsondenrohrs bei 3 Grad geneigt. Im Fall einer Sägengewindeform eines Gewindes aber, wie es von API für Ölsondenrohre vorgeschrieben wird (mindestens 16 Zoll (406,4 mm), wurde in der Vergangenheit zur Verbesserung der Gewindeverschraubung der Einsteck-Freiwinkel β parallel zur Senkrechten vorgeschrieben, d.h. der Einsteck-Freiwinkel ist gleich 0 Grad. Nach dieser Sicht wird theoretisch die Verschraubung der Gewinde des Einsteckteils eines Ölsondenrohrs und des Aufnahmeteils eines Kurzrohrs gewährleistet. Wenn der Einsteck-Freiwinkel β als gewagter Winkel ausgeführt wird, wird demgemäß die Gewindehöhe klein und dies führt zu einer Verkleinerung des Teils, der die axiale Kraft aufnimmt.
Weiterhin wird in der oben beschriebenen japanischen Patentveröffentlichung zur Verbesserung des Verschraubens der Gewinde zum Zeitpunkt des Rohreinführens vorgeschlagen, eine Markierung der Gewinde des Einsteckteils eines Ölsondenrohrs und des Aufnahmerohrs eines Kurzrohrs dort vorzunehmen, wo das Vornehmen des Verschraubens am einfachsten ist. Zwar ist es für einen Bediener nicht unmöglich, ein Anziehen auszuführen, bis die Markierungen ausgerichtet sind, doch wenn es dunkel ist, beispielsweise bei Nacht, ist es schwierig, die Markierungen zu erkennen, daher kann dies nicht unbedingt als geeignete Technologie bezeichnet werden.
Offenlegung der Erfindung
Aufgrund der Einführung neuer Technologie ist es bei Absenken eines Ölsondenrohrs in eine Ölbohrung erforderlich, verschiedene Bodendaten (Temperatur, Druck, Tiefe und dergleichen) zu ermitteln, und für diesen Zweck gibt es Fälle, da eine Drahtleitung (eine Verbindungsleitung für einen Sensor) angebracht ist. In diesem Fall ist bei dem herkömmlichen Verfahren, bei welchem eine Bohrung wie in 9(a) gezeigt senkrecht ausgeführt wird, die Gefahr groß, dass die Drahtleitung 4 durchtrennt wird, wenn das Ölsondenrohr 2 in die Nähe seiner Achse schwingt.
Um ein Absenken eines Ölsondenrohrs in den Boden ohne Zerreißen der Drahtleitung 4, wie in 9(b) gezeigt, auszuführen, wird derzeit ein Verfahren entwickelt, bei welchem eine Ölbohrung bei einem Winkel von 1–1,5 Grad gegenüber der Senkrechten vorgenommen wird.
Bei Einsetzen dieses Verfahrens ist es aber notwendig, dass Anziehen von Hand und anschließendes maschinelles Anziehen in einem Zustand ausgeführt werden, in welchem die peripheren Geräte ebenfalls gekippt werden. Es gibt kein Problem beim Vornehmen des Anziehens von Hand oder des maschinellen Anziehens, wenn alle Geräte in einem Zustand gehalten werden, in dem sie um 1–1,5 Grad gegenüber der Senkrechten gekippt sind, die Wahrscheinlichkeit ist aber groß, dass eine Bohrgestängezange horizontal installiert ist, so dass zum Zeitpunkt des Anziehens von Hand oder des maschinellen Anziehens die Möglichkeit besteht, dass das Anziehen so ausgeführt wird, als ob ein Biegen ausgeübt würde, und die Rohrverbindungen starken Anziehbedingungen ausgesetzt werden.
Bisher gab es aber keine Vorschläge für das Beheben dieses Problems.
Diese Erfindung erfolgte im Hinblick auf die oben beschriebenen Probleme und ihre Aufgabe liegt darin, eine Rohrverbindung an die Hand zu geben, welche ein Abnutzen von Gewinden reduzieren kann, mit welcher die Arbeitsvorgänge des Anziehens zufrieden stellend ausgeführt werden können und welche das Maß der manchmal eintretenden Beschädigung von Gewinden reduzieren kann, selbst wenn ein mit einem Aufnahmeteil zu verbindender Einsteckteil nicht zuverlässig eingesetzt wurde oder wenn er unzulänglich eingesetzt wurde, wie es in dem Fall vorkommt, da zum Beispiel eine Ölbohrung mit einer Neigung von 1–2 Grad ausgeführt wurde.
Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, eine Rohrverbindung an die Hand zu geben, welche das Maß der Beschädigung von Gewinden reduzieren kann, wenn ein einem Anziehen von Hand entsprechendes Anziehen und maschinelles Anziehen kontinuierlich mit einer Bohrgestängezange ausgeführt wird, selbst wenn ein mit einem Aufnahmeteil zu verbindender Einsteckteil nicht zuverlässig eingesetzt wurde oder wenn er unzulänglich eingesetzt wurde.
In der Vergangenheit wurde vom Bediener ein Feinverschrauben nach dem Rohreinführen vorgenommen, wenn ein mit einem Aufnahmeteil zu verbindender Einsteckteil nicht zuverlässig eingesetzt worden war oder wenn er unzulänglich eingesetzt worden war. Aber wenn dieses Anziehen von Hand durch einen Bediener nicht ausgeführt wird, ist es zur Reduzierung eines Abnutzens der Gewinde und zur Verwirklichung eines zufrieden stellend mühelosen Anziehens erforderlich, die Form der Verbindung selbst abzuändern, um das Feinverschrauben durch Anziehen von Hand unnötig zu machen.
Wird ein Einsteckteil bezüglich eines Aufnahmeteils vertikal eingesetzt, wobei jeder Teil ein verjüngtes Gewinde aufweist, kann das Verschrauben des verjüngten Außengewindes des Einsteckteils und des verjüngten Innengewindes des Aufnahmeteils grob in die in den 10(a) bis (c) gezeigten Zustände unterteilt werden. In dem in 10(c) gezeigten Fall sind von diesen das verjüngte Außengewinde des Einsteckteils 2b und das verjüngte Innengewinde des Aufnahmeteils 1a vollständig miteinander verschraubt, und es ist erforderlich, sie um ein bis zwei weitere Umdrehungen zu drehen, um ein Anziehen von Hand zuverlässig auszuführen, doch ist es nicht erforderlich, die Drehung vorzunehmen, um diese miteinander zu verschrauben.
In dem Fall der 10(a) und (b) dagegen ist es erforderlich, eine Drehung um eine Umdrehung oder 0,5 Umdrehungen vorzunehmen, um von diesen unvollständig verschraubten Zuständen zu dem in 10(c) gezeigten wünschenswerten verschraubten Zustand zu kommen.
Normalerweise ist es nicht einfach, das Einführen des Rohrs auszuführen, d.h. den in 10(c) gezeigten wünschenswerten verschraubten Zustand zu erreichen. Unabhängig davon, welcher der in den 10(a)–(c) gezeigten verschraubten Zustände eintritt, ist es daher wünschenswert, dass sich der Einsteckteil bei einem kleinen Widerstand unter einer sehr geringen Drehkraft gleich einem Anziehen von Hand drehen kann (in der Größenordnung von 576 N·m).
Die vorliegende Erfindung erfolgte auf der Grundlage der Ergebnisse verschiedener Untersuchungen bezüglich der Wirkung der Gewindeform auf die Leichtigkeit des Anziehens zum Zeitpunkt des Rohreinführens und des Ausmaßes an Beschädigung von Gewinden, dies wird in den beigefügten Ansprüchen beschrieben.
Selbst wenn ein Einsteckteil nicht zuverlässig in einen Aufnahmeteil eingesetzt wird oder wenn er darin nicht adäquat eingesetzt wird, wird es somit erfindungsgemäß möglich, ein Abnutzen der Gewindeteile zu verringern und ein Anziehen zufrieden stellend bei einem geringeren Maß an Beschädigung der Gewinde auszuführen, welche manchmal während des Anziehens eintritt, unabhängig davon, ob das Anziehen mit Bohrgestängezange nach Drehung durch Anziehen von Hand ausgeführt wird oder ob das Anziehen durch Drehung mit einer automatischen Bohrgestängezange ausgeführt wird.
Erfindungsgemäß ist es unnötig, eine Feinanpassung für die Neuausrichtung und die anschließende Anpassung der Verschraubung durch Drehen um 1 bis 0,5 Umdrehungen vorzunehmen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine erläuternde Ansicht, welche die Gewindeform einer erfindungsgemäßen Rohrverbindung zeigt.
2 ist eine erläuternde Ansicht, welche einen an einem Einsteckteil ausgebildeten Gewindeteil zeigt.
3(a)–(c) sind schematische Ansichten für das Erläutern des Unterschieds des Greif(flächen)drucks, welcher in dem unvollständigen Gewindeteil eines Einsteckteils aufgrund einer Differenz der Verjüngung zwischen dem unvollständigen Gewindeteil des Einsteckteils und dem vollständigen Gewindeteil eines Aufnahmeteils erzeugt wird.
4 ist eine Kurve, welche den Greifdruck zeigt, der in dem unvollständigen Gewindeteil eines Einsteckteils zum Zeitpunkt des Anziehens erzeugt wird, wenn keine Biegelast ausgeübt wird.
5 ist eine Kurve, welche den Greifdruck zeigt, der in dem unvollständigen Gewindeteil eines Einsteckteils zum Zeitpunkt des Anziehens erzeugt wird, wenn eine Biegelast ausgeübt wird, wobei 5(a) den Fall zeigt, in welchem die Verjüngung des unvollständigen Gewindeteils des Einsteckteils größer oder kleiner als die Verjüngung des vollständigen Gewindeteils des Aufnahmeteils ist, und 5(b) den Fall zeigt, in welchem die Verjüngung des unvollständigen Gewindeteils des Einsteckteils gleich der Verjüngung des vollständigen Gewindeteils des Aufnahmeteils ist.
6 bietet erläuternde Ansichten, welche das in einem Rohreinführtest verwendete Verfahren zeigen, wobei 6(a) den Fall eines vertikalen Einführens eines Rohrs und 6(b) den Fall des Einführens eines Rohrs in gekipptem Zustand zeigt.
7 ist eine erläuternde Ansicht eines Anziehvorgangs bei einer kupplungsartigen Rohrverbindung.
8 ist eine erläuternde Ansicht eines Anziehvorgangs unter Verwendung einer Bohrgestängezange.
9 bietet erläuternde Ansichten, welche den Fall zeigen, da eine Drahtleitung installiert ist, wobei 9(a) einen senkrechten Zustand und 9(b) einen gekippten Zustand zeigt.
10(a)–(c) sind schematische Ansichten für das Erläutern der Verschraubzustände von Gewinden zum Zeitpunkt des Rohreinführens.
Beste Verfahren zur Ausführung der Erfindung
Unter Bezug auf die Zeichnungen wird die erfindungsgemäße Rohrverbindung beschrieben.
Freiraum C zwischen den Vorderflanken:
In 1 kann der Freiraum zwischen den (Gewinde-)Vorderflanken des Einsteckteils 2b und des Aufnahmeteils 1a durch das gezeigte Symbol „C" bezeichnet werden. Somit ist der Freiraum C in der vorliegenden Erfindung als der axiale Abstand zwischen den Vorderflanken beider Gewinde nach Beenden des Anziehens der Gewinde definiert.
Wenn dieser Freiraum C null (0) ist, ist das Anziehen der Gewinde möglich, wenn das Rohreinführen vorsichtig ausgeführt wird und ein Anziehen von Hand ausgeführt wird, doch bei einer Gewindeverbindung für ein gekipptes Ölsondenrohr, welches Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, liegt eine sehr große Kontaktfläche zwischen den Gewinden vor und es können sich leicht Kratzer bilden.
Wenn der Freiraum C vergrößert wird, nimmt das Spiel zwischen den Gewinden zu und der Freiraum zum Zeitpunkt des Rohreinführens nimmt zu. Nach Experimenten der vorliegenden Erfinder nimmt aber, wenn der Freiraum C 1,0 mm übersteigt, im Wesentlichen die Gewindebreite b der Gewinde, welche eine axiale Kraft aufnimmt, so sehr ab, dass sie unmöglich der erforderlichen axialen Last widerstehen kann, und schließlich verformen sich die Gewinde selbst.
Wenn dagegen der Freiraum C extrem klein ist, berühren sich aufgrund der elastischen Verformung zum Zeitpunkt des Anziehens der Gewinde die Vorderflanken des Einsteckteils und die Vorderflanken des Aufnahmeteils und es kann zu Abnutzung durch Reibung kommen. Die vorliegenden Erfinder haben aber festgestellt, dass es bei eventuellem Kippen des Einsteckteils bei Einführen in den Aufnahmeteil Beschränkungen der Einführbarkeit gibt, selbst wenn der Freiraum C größer als ein solcher Wert ist.
Gemäß den Ergebnissen eines von den vorliegenden Erfindern vorgenommenen Rohreinführtests wird die Einführbarkeit schlechter, wenn der Freiraum C abnimmt, und wenn der Freiraum C unter Berücksichtigung der Toleranz zum Herstellungszeitpunkt unter 0,5 mm sinkt, wird die Einführbarkeit schlechter und es kann in manchen Fällen zu Abnutzung durch Reibung kommen. Daher wird der untere Grenzwert des Freiraums C bei 0,5 mm angesetzt.
Dementsprechend wird der Freiraum C zwischen den Vorderflanken unter Berücksichtigung der Toleranz zum Zeitpunkt der Gewindeherstellung bei 0,5–1,0 mm angesetzt.
Vorderflankenwinkel θ
Der (Gewinde-)Vorderflankenwinkel θ des Einstückteils 2b und des Aufnahmeteils 1a wird in 1 durch θ bezeichnet. Je größer dieser Winkel θ ist, desto größer ist die Zentrierungswirkung, welche durch Reiben der Vorderflanken der Gewinde des Einsteckteils 2b und des Aufnahmeteils 1a erwartet werden kann, und nach dem Rohreinführen werden die Gewinde in der Ausrichtungsrichtung angezogen, so dass das Maß an Beschädigung der Gewinde abnimmt. Wenn dieser Winkel aber 60 Grad übersteigt, wird die Gewindebreite b so klein, dass die Gewinde des Einsteckteils 2b verschwinden. Dadurch kann der parallele Teil der Gewinde als tatsächliche Gewindeform nicht länger vorgeschrieben werden und eine Gewindeform der BTC-Art kann nicht länger erkannt werden.
Je kleiner dagegen der Vorderflankenwinkel θ ist, desto größer ist die Lagerkraft bezüglich der Achsenrichtung. Wenn aber Einstecken bei unter 15 Grad stattfindet, kommt es zu streifenartigen Kratzern und Abnutzung durch Reibung in den vorderen Kontaktteilen.
Daher liegt in der vorliegenden Erfindung der Vorderflankenwinkel θ im Bereich von 15–60 Grad.
Übrigens liegt dieser Gewindewinkel bei einem gewöhnlichen BTX bei 10 Grad
Der Winkel der Gewindespitzenfläche und der Gewindegrundflächen eines verjüngten Außengewindes und eines verjüngten Innengewindes bezogen auf die Achse:
Wenn der Außendurchmesser eines Ölsondenrohrs zunimmt, nimmt auch sein Gewicht zu, und die auf jedes Gewinde ausgeübte Last und das für das Anziehen von Hand erforderliche Drehmoment nehmen ebenfalls zu, so dass insgesamt die Neigung besteht, dass Rohreinführen und Anziehen von Hand schwieriger werden. Als Gegenmaßnahme werden dementsprechend bei einem von API vorgeschriebenen Sägengewinde für einen Ölsondentyp bei einem Außendurchmesser von 16 Zoll (406,4 mm) oder mehr die Gewinde als parallel zur Rohrachse vorgeschrieben, so dass die Kontaktflächen zwischen den Gewinden des Einsteckteils und des Aufnahmeteils nach Rohreinführen parallel zur Achse ausfallen, mit der Absicht, eine begradigende Wirkung zum Zeitpunkt des Anziehens von Hand zu erreichen.
Im Fall von Ölsondenrohren mit einem Außendurchmesser von 13 3/8 Zoll (339,7 mm) oder weniger werden dagegen aufgrund der in API-Normen seit langem herrschenden Praxis, dass sich die Philosophie für Durchmesser von 16 Zoll (406,4 mm) oder mehr nicht in den Normen für die kleineren Rohre widerspiegelt, deren Gewinde als parallel zur Verjüngung (1/16) vorgeschrieben.
Wenn aber ein Einsteckteil, der mit einem Aufnahmeteil zu verbinden ist, nicht zuverlässig eingeführt wird oder nicht adäquat eingeführt wird, ist es, wenn ein Feinverschraubvorgang durch einen Bediener nach Rohreinführen nicht zulässig ist, zur Reduzierung einer Abnutzung von Gewindeteilen und zur zufrieden stellenden Ausführung von Anziehvorgängen bevorzugt, die gleiche Philosophie wie für ein Rohr von mindestens 16 Zoll (406,4 mm) auch in Ölsondenrohren von 13 3/8 Zoll (339,7 mm) oder kleiner einzusetzen.
In der vorliegenden Erfindung werden unabhängig von der Größe des Außendurchmessers die Gewindespitzenflächen und die Gewindegrundflächen eines verjüngten Außengewindes und eines verjüngten Innengewindes jeweils als parallel zur Achse vorgeschrieben, d.h. zur Rohrlängsachse 5 im Sollwert, wie in 1 gezeigt wird. Natürlich gibt es eine vorgeschriebene Toleranz und in der vorliegenden Erfindung ist sie als 0 ± 0,2%, ausgedrückt als Verjüngung, vorgeschrieben.
Krümmungsradius der Vorderflankeneckteile des Außengewindes
Für ein Sägengewinde für ein Ölsondenrohr, wie es von API vorgeschrieben wird, wird der Radius der Eckteile 1aa der vorderen aufnehmenden Teile des Aufnahmeteils 1a als 0,2 mm vorgeschrieben. Bei Einführen des Einsteckteils 2b in den Aufnahmeteil 2a in gekipptem Zustand erfolgt zuerst Kontakt zwischen den Eckteilen 1aa der vorderen aufnehmenden Teile des Aufnahmeteils 1a und den Vorderflankeneckteilen 2ba des Einsteckteils 2b. Nach Experimenten der vorliegenden Erfinder werden zum Zeitpunkt dieses Kontakts, wenn der Krümmungsradius R (nachstehend als „Radius R" bezeichnet) der Vorderflankeneckteile 2ba des Einsteckteils 2b unter 1,0 mm liegt, lokale Spannungen groß und dies wird zu einer Ursache für streifenartige Kratzer und Abnutzung durch Reibung.
Wenn dagegen der Radius R der Vorderflankeneckteile 2ba des Einsteckteils 2b größer wird, kann der Freiraum Ca von den vorderen aufnehmenden Teilen des Aufnahmeteils 1a vergrößert werden. Je größer dieser Freiraum Ca wird, desto größer ist das Spiel zwischen dem Einsteckteil 2b und dem Aufnahmeteil 1a zum Zeitpunkt des Rohreinführens. Wenn aber der Radius R der Vorderflankeneckteile 2ba des Einsteckteils 2b 1,25 mm übersteigt, verschwinden die parallelen Teile der Vorderflanken des Einsteckteils 2b und es ist nicht länger als Gewinde erkenntlich. Daher werden in der vorliegenden Erfindung der Radius R der Vorderflankeneckteile 2ba des Außengewindes des Einsteckteils 2b bei 1,0–1,25 mm angesetzt.
Ein API-BTC-Gewinde weist einen Eckteilradius R eines Einsteckteils von 0,76 mm auf, doch kam es nach Tests der vorliegenden Erfinder bei Einstecken in gekipptem Zustand zu Kratzerbildung an den Eckteilen. Daher wurde unter Berücksichtigung einer Toleranz von 0,25 mm dieser bei 1,0 mm angesetzt.
Das Vergrößern des Radius der Eckteile der vorderen aufnehmenden Teile des Aufnahmeteils ist nicht wünschenswert, da es die Einsteckfläche reduziert, eine Abnutzung der Vorderflanken durch Reibung verursachen kann und die Stabilität des Anziehens von Hand für das Verschrauben von Gewinden mindert.
Als Nächstes wird eine bevorzugtere Art der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Verjüngung des unvollständigen Gewindeteils des Einsteckteils
2 ist eine erläuternde Ansicht eines an einem Einsteckteil ausgebildeten Gewindeteils.
Die 3(a)–(c) sind Ansichten, welche die Differenz des Greifdrucks erläutern, welcher in dem unvollständigen Gewindeteil eines Einsteckteils aufgrund der Differenz der Verjüngung zwischen einem unvollständigen Gewindeteil eines Einsteckteils und einem vollständigen Gewindeteil eines Aufnahmeteils erzeugt wird.
Wie in 2 gezeigt wird, greift das unvollständige Gewindeteil 2bb des Einsteckteils 2b mit dem vollständigen Gewindeteil des Aufnahmeteils zum Zeitpunkt des Anziehens einer Verbindung und wird an diesem angezogen.
Wenn zu diesem Zeitpunkt wie in 3(a) gezeigt die Verjüngungen des unvollständigen Gewindeteils 2bb des Einsteckteils 2b und des vollständigen Gewindeteils des Aufnahmeteils 1a gleich sind, findet wie geplant Greifen zwischen den Gewindetälern des Einsteckteils 2b und den Gewindespitzen des Aufnahmeteils 1a statt, und zum Zeitpunkt des Anziehens wird der Druck b0, welcher durch das Greifen zwischen den Gewindetälern des Einsteckteils 2b und den Gewindespitzen des Aufnahmeteils 1a in dem unvollständigen Gewindeteil 2bb erzeugt wird, gleich dem Druck a, welcher durch Greifen zwischen den Gewindetälern des Einsteckteils 2b und den Gewindespitzen des Aufnahmeteils 1a in dem vollständigen Gewindeteil erzeugt wird.
Wie in 3(b) gezeigt wird, wird, wenn die Verjüngung des unvollständigen Gewindeteils 2bb des Einsteckteils 2b größer als die Verjüngung des vollständigen Gewindeteils des Aufnahmeteils 1a ist, ein starkes Greifen, das über dem geplanten Wert liegt, zwischen den Gewindetälern des Einsteckteils 2b und den Gewindespitzen des Aufnahmeteils 1a erzeugt, und zum Zeitpunkt des Anziehens wird der Druck b1, welcher in dem unvollständigen Gewindeteil 2bb durch Greifen zwischen den Gewindetälern des Einsteckteils 2b und den Gewindespitzen des Aufnahmeteils 1a erzeugt wird, größer als der Druck a in dem vollständigen Gewindeteil, und es kommt in dem unvollständigen Gewindeteil 2bb zu Abnutzung durch Reibung zwischen den Gewindetälern des Einsteckteils 2b und den Gewindespitzen des Aufnahmeteils 1a.
Wenn dagegen wie in 3(c) gezeigt die Verjüngung des unvollständigen Gewindeteils 2bb des Einsteckteils 2b kleiner als die Verjüngung des vollständigen Gewindeteils des Aufnahmeteils 1a ist, wird das Greifen zwischen den Gewindetälern des Einsteckteils 2b und den Gewindespitzen des Aufnahmeteils 1a kleiner als der geplante Wert, und zum Zeitpunkt des Anziehens wird der Druck b2, der durch Greifen zwischen den Gewindetälern des Einstückteils 2b und den Gewindespitzen des Aufnahmeteils 1a in dem unvollständigen Gewindeteil 2bb erzeugt wird, kleiner als der Druck a in dem vollständigen Gewindeteil, so dass es selbst zum Zeitpunkt des Anziehens in dem unvollständigen Gewindeteil 2bb nicht zu Abnutzung durch Reibung zwischen den Gewindetälern des Einsteckteils 2b und den Gewindespitzen des Aufnahmeteils 1a kommt.
Beim Vornahme einer Erdölbohrung mit einer Neigung von 1–2 Grad ist es so, dass immer ein Biegen ausgeübt wird, so dass unabhängig davon, welche der oben beschriebenen Beziehungen zwischen der Verjüngung des unvollständigen Gewindeteils des Einsteckteils und der Verjüngung des vollständigen Gewindeteils des Aufnahmeteils vorliegt, im unvollständigen Gewindeteil des Einsteckteils die der Innenseite entsprechende Oberfläche beim Biegen (welche sich in einem zusammengedrückten Zustand befindet) einen höheren Wert des oben beschriebenen Greifdrucks aufweist, während die Fläche, welche sich um 180 Grad an der gegenüberliegenden, der Außenseite entsprechenden Seite befindet, (welche sich in einem Zugzustand befindet) beim Biegen einen geringeren darauf ausgeübten Gewindegreifdruck aufweist.
4 zeigt den Greifdruck in dem Gewindeteil zum Zeitpunkt des Anziehens für den Fall, da eine Ölbohrung vertikal vorgenommen wird, und 5 zeigt den Greifdruck in dem Gewindeteil zum Zeitpunkt des Anziehens für den Fall, da eine Ölbohrung mit einer Neigung von 1–2 Grad vorgenommen wird.
In 4 und 5 zeigen die Markierungen o den Greifdruck in dem unvollständigen Gewindeteil für den Fall, da die Verjüngung des unvollständigen Gewindeteils des Einsteckteils gleich der Verjüngung des vollständigen Gewindeteils des Aufnahmeteils ist, die Markierungen Δ zeigen den Greifdruck in dem unvollständigen Gewindeteil für den Fall, da die Verjüngung des unvollständigen Gewindeteils des Einsteckteils größer als die Verjüngung des vollständigen Gewindeteils des Aufnahmeteils ist, und die Markierungen o zeigen den Greifdruck in dem unvollständigen Gewindeteil für den Fall, da die Verjüngung des unvollständigen Gewindeteils des Einsteckteils kleiner als die Verjüngung des vollständigen Gewindeteils des Aufnahmeteils ist. Diese Markierungen entsprechen 3(a), 3(b) bzw. 3(c).
Folgendes geht aus den Ergebnissen von 4 hervor.
Wenn die Verjüngung des unvollständigen Gewindeteils des Einsteckteils größer als die Verjüngung des vollständigen Gewindeteils des Aufnahmeteils ist (Δ-Markierungen), wird der Greifdruck in dem unvollständigen Gewindeteil höher, wenn dagegen die Verjüngung des unvollständigen Gewindeteils des Einsteckteils kleiner als die Verjüngung des vollständigen Gewindeteils des Aufnahmeteils ist (☐-Markierungen), wird der Greifdruck in dem unvollständigen Gewindeteil kleiner.
Wenn die Verjüngung des unvollständigen Gewindeteils des Einsteckteils ferner gleich der Verjüngung des vollständigen Gewindeteils des Aufnahmeteils (o-Markierungen) ist, liegt der Greifdruck des unvollständigen Gewindeteils zwischen den Werten der oben beschriebenen zwei Fälle.
Von den insgesamt 9 Kurven für die o-Markierungen, die Δ-Markierungen und die o-Markierungen in den 5(a) und (b) zeigt die Kurve in der oberen Position der drei Kurven mit der gleichen Markierung den Greifdruck in der der Innenseite entsprechenden Fläche während des Biegens einer Rohrverbindung, die Kurve in der mittleren Position zeigt den Greifdruck in der der neutralen Position entsprechenden Fläche während des Biegens und die Kurve in der unteren Position zeigt den Greifdruck in der der Außenseite entsprechenden Fläche während des Biegens.
Wie durch die Kurven für die Δ-Markierungen in 5(a) gezeigt wird, entwickelt sich eine große Druckdifferenz im Gewindegreifteil zwischen der linken und rechte Fläche bezüglich der Achse der Rohrverbindung (der Fläche an der Außenseite beim Biegen und der Fläche an der Innenseite beim Biegen) und der absolute Wert des Greifdrucks wird ebenfalls hoch, wenn bei Anziehen einer Rohrverbindung im gekippten Zustand die Verjüngung des unvollständigen Gewindeteils des Einsteckteils größer als die Verjüngung des vollständigen Gewindeteils des Aufnahmeteils ist.
Wenn dagegen, wie durch die ☐-Markierungen gezeigt, die Verjüngung des unvollständigen Gewindeteils des Einsteckteils kleiner als die Verjüngung des vollständigen Gewindeteils des Aufnahmeteils ist, selbst wenn eine Rohrverbindung in gekipptem Zustand angezogen wird, wird die Druckdifferenz der Gewindegreifteile an der linken und der rechten Fläche bezogen auf die Achse der Rohrverbindung klein und auch der absolute Wert des Drucks wird klein.
Wie durch die Kurven für die o-Markierungen in 5(b) gezeigt wird, ist, wenn die Verjüngung des unvollständigen Gewindeteils des Einsteckteils gleich der Verjüngung des vollständigen Gewindeteils des Aufnahmeteils ist, der Greifdruck des unvollständigen Gewindeteils ein Wert zwischen dem für die oben beschriebenen beiden Fälle.
Somit kann durch Anpassen der Verjüngung des unvollständigen Gewindeteils des verjüngten Außengewindes der verteilte Druck der Gewinde bei Ausführen des Anziehens in gekipptem Zustand gleich dem für den Normalzustand gehalten werden, in welchem Anziehen in vertikalem Zustand ausgeführt wird.
Im Hinblick auf das Vorstehende wird in der vorliegenden Erfindung die Verjüngung des unvollständigen Gewindeteils des verjüngten Außengewindes vorzugsweise kleiner als die Sollverjüngung des vollständigen Gewindeteils gehalten. Nach Experimenten der vorliegenden Erfinder trat in dem unvollständigen Gewindeteil keine Abnutzung durch Reibung und kein streifenartiges Verkratzen ein, wenn bei Vornehmen einer Erdölbohrung bei einer Neigung von 1–2 Grad die Verjüngung des unvollständigen Gewindeteils beim 0,96- bis 0,90fachen Wert der Sollverjüngung des vollständigen Gewindeteils gehalten wurde. In der vorliegenden Erfindung liegt die Verjüngung des unvollständigen Gewindeteils des Einsteckteils vorzugsweise in dem Bereich des 0,96- bis 0,90fachen Werts der Sollverjüngung des vollständigen Gewindeteils.
Bei einem API-BTC-Gewinde liegt der Sollwert der Gewindeverjüngung des Einsteckteils bei 6,25% und die Toleranz bei +0,35% – 0,25% (geschrieben als „6,25% + 0,35% – 0,25%") und die Gewindeverjüngung des Aufnahmeteils bei 6,25% ± 0,25%. Um die Gewindeverjüngung des Einsteckteils kleiner als die Mindestgewindeverjüngung des Aufnahmeteils zu halten, beträgt daher die Gewindeverjüngung des Einsteckteils vorzugsweise höchstens 6%. Dadurch liegt ein als 6,0/6,25 berechnetes Gewindeverhältnis bei höchstens dem 0,96-fachen. Damit die Gewinde zuverlässig greifen, ist es nicht möglich, die Gewindeverjüngung des Einsteckteils stark zu verringern, und es zeigte sich anhand der Ergebnisse eines Zugbruchtests der vorliegenden Erfinder, dass die Gewindeverjüngung für einen Einsteckteil, der mit einem Aufnahmeteil mit einer maximalen Gewindeverjüngung von 6,5% kombiniert werden sollte, vorzugsweise bei mindestens 5,8% liegt. Somit wird das Verhältnis vorzugsweise bei mindestens dem 0,9-fachen angesetzt.
Eine Verschlechterung der Zugbruchfestigkeit ist bei unter dem 0,9-fachen zu beobachten.
Um die oben beschriebene Beziehung zu erfüllen, ist es erforderlich, eine Beschränkung der Herstelltoleranz der Gewindeverjüngung des Aufnahmeteils zu haben, welche typischerweise bei 0,3% liegt.
Dementsprechend wird die Gewindeverjüngung des Aufnahmeteils vorzugsweise bei 6,0%–6,30% gehalten.
Beispiele
Das Ergebnis der Experimente, die zur Bestätigung der Wirkungen der erfindungsgemäßen Rohrverbindung ausgeführt wurden, wird nun beschrieben.
Die vorliegenden Erfinder untersuchten die Wirkung der Gewindeform auf die Leichtigkeit des Anziehens und die Beschädigung der Gewinde nach dem Rohreinführen unter Verwendung eines Ölsondenrohrs mit einem Außendurchmesser von 177,8 mm und einer Wandstärke von 11,51 mm.
Die verwendete Gewindeform wird in Tabelle 1 gezeigt, und die Ergebnisse der Experimente werden in Tabelle 2 gezeigt. Die in Tabelle 1 verwendeten Symbole sind die gleichen, wie sie in 1 gezeigt werden. „R" ist aber der Krümmungsradius der Vorderflankeneckteile 2ba des Außengewindes.
Um die Einsteckbarkeit zu beurteilen wurden die Leichtigkeit des Anziehens von Hand und das Maß der Beschädigung der Gewinde bei API-Gewinden für Ölsondenrohre mit verschiedenen Maßen und mit einer Gewindeform in Form eines Sägengewindes (ein Gang von 5 Gewinden pro Zoll) für den Fall untersucht, da ein Ölsondenrohr 2 bei Zusammenfügen vertikal war, wie in 6(a) gezeigt wird, und für den Fall, da das Ölsondenrohr 2 in einem absichtlich geneigten Zustand bei einem Winkel von 0,4 Grad, 0,8 Grad, 1,2 Grad, 1,6 Grad bzw. 2,5 Grad eingeführt wurde, so dass keine Ausrichtung eintrat, wie in 6(b) gezeigt wird.
Tabelle 1
Tabelle 2
Zuerst wurde an Nr. 1–Nr. 3 in der obigen Tabelle 1 eine Bestätigung vorgenommen.
Wie aus den Ergebnissen von Tabelle 2 ersichtlich ist, wurde festgestellt, dass es bei einer herkömmlichen Gewindeform kein Problem gibt, wenn die Ausrichtung zuverlässig ausgeführt werden kann, aber wenn ein Kippen allmählich von 0,4 Grad bis 0,8 Grad eintritt, kommt es zu aufgrund ungleichmäßigen Kontakts (ein Zustand, bei welchem Biegen lokal ausgeübt wurde) zwischen dem Außengewinde und dem Innengewinde zu einer Beschädigung der Gewindefläche. Das Rohreinführen wurde unmöglich, sobald der Neigungswinkel 1,2 Grad überstieg.
In Tabelle 2 zeigt eine runde Markierung (o), dass Anziehen von Hand ohne Beschädigung der Gewindeteile möglich war, eine dreieckige Markierung (Δ) zeigt, dass Anziehen von Hand möglich war, dass aber einige Teile eine Beschädigung der Gewindespitzen erlitten, die repariert werden konnte, eine X-artige Markierung (x) zeigt an, dass Anziehen von Hand möglich war, dass es aber viele Fälle von Gewindeschäden gab, die nicht repariert werden konnten, und eine Minus-Markierung (–) zeigt an, dass Rohreinführen nicht möglich war.
Als Nächstes wurde die Wirkung des Vorderflankenwinkels θ für Nr. 4–6, 12 und 23 untersucht, und es wurde die Wirkung des Freiraums C zwischen den Vorderflanken für Nr. 7–9, 15 und 21 untersucht. Weiterhin wurde für Nr. 8, 10, 20 und 24 die Wirkung des Winkels der Gewindespitzenflächen und der Gewindegrundflächen eines verjüngten Außengewindes und eines verjüngten Innengewindes jeweils relativ zur Achse untersucht, für Nr. 10, 11, 12, 13, 17 und 22 wurde die Wirkung des Radius R der Vorderflankeneckteile des Außengewindes untersucht und für die Nr. 12–20 und 25 wurde die Wirkung der Verjüngung des unvollständigen Gewindeteils des Einsteckteils untersucht.
Anhand der Ergebnisse von Tabelle 2 wurden die folgenden Dinge herausgefunden.

(1) Mit einem größeren Vorderflankenwinkel θ wird ein gutes Ergebnis erzielt, wobei ein geeigneter Bereich bei 15 bis 60 Grad liegt.
(2) Mit einem größeren Freiraum C zwischen den Vorderflanken wird ein gutes Ergebnis erzielt, wobei ein geeigneter Bereich bei 0,5 bis 1,0 mm liegt.
(3) Es ist bevorzugt, dass die Gewindespitzenflächen und die Gewindegrundflächen des verjüngten Außengewindes und des verjüngten Innengewindes parallel zur Achse sind. Parallel zur Achse bedeutet hier eine Verjüngung bezüglich der Achse von 0 ± 0,2% (vergleiche Nr. 8, 10, 20 und 24).
(4) Mit einem größeren Radius R der Vorderflankeneckteile des Außengewindes wird ein gutes Ergebnis erzielt, wobei ein geeigneter Bereich bei 1,0 bis 1,25 mm liegt.
(5) Ein besseres Ergebnis wird erzielt, wenn die Verjüngung des unvollständigen Gewindeteils des Einsteckteils kleiner als die Verjüngung des vollständigen Gewindeteils ist, wobei ein geeigneter Bereich bei dem 0,90- bis 0,96-fachen liegt (vergleiche Nr. 12, 13, 16, 18–20 und 25).

Anhand der Ergebnisse der Tabelle 2 wurde bestätigt, dass bei Nr. 14, 16–20 und 25, welche alle Bereiche der vorliegenden Erfindung erfüllten, selbst wenn eine Ölbohrung bei einer Neigung von 1,5 Grad oder mehr vorgenommen wurde, eine ausreichende Anziehbarkeit erhalten werden kann und eine Beschädigung der Gewinde verhindert werden kann.
Ferner konnte für Nr. 17–20, welche einen bevorzugten Bereich für die Verjüngung des unvollständigen Gewindeteils des Einsteckteils erfüllten, eine sogar noch bessere Anziehbarkeit und Verhinderung von Beschädigung erzielt werden.
In dieser Schrift wurde eine kupplungsartige Rohrverbindung beschrieben, doch kann eine erfindungsgemäße Rohrverbindung natürlich auch auf eine integrale Rohrverbindung angewendet werden. Ferner kann eine erfindungsgemäße Rohrverbindung natürlich auch auf eine Rohrverbindung mit einem Metallabdichtungsteil angewendet werden.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Wie vorstehend beschrieben kann bei einer erfindungsgemäßen Rohrverbindung, selbst wenn ein Einsteckteil nicht zuverlässig in einen Aufnahmeteil eingeführt wird oder wenn er unzureichend eingeführt wird, eine Abnutzung von Gewindeteilen verringert werden, Anziehvorgänge können zufrieden stellend ausgeführt werden und das Maß an Beschädigung von Gewinden, welche manchmal eintritt, kann gemindert werden.

Claims

Rohrverbindung mit einem Einsteckteil mit einem sich verjüngenden Außengewinde, welches an der Außenumfangsfläche des Endes eines Rohrs ausgebildet ist, und mit einem Aufnahmeteil mit einem an der Innenumfangsfläche des Endes eines Rohrs oder Kurzrohrs ausgebildeten sich verjüngenden Innengewinde zum verschraubenden Greifen mit dem sich verjüngenden Außengewinde, dadurch gekennzeichnet, dass der Freiraum C zwischen den Vorderflankender der Gewinde 0,5–1,0 mm beträgt, wenn Einsteck- und Aufnahmeteil angezogen werden, der Gewindevorderflankenwinkel θ 15–60° beträgt, die Gewindespitzenflächen und die Gewindegrundflächen des verschraubend greifenden, sich verjüngenden Außengewindes und sich verjüngenden Innengewindes parallel zur Rohrachse sind und der Radius R der Vorderflankeneckteile des Außengewindes 1,0–1,25 mm beträgt.
Rohrverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verjüngung des unvollständigen Gewindeteils des Einsteckteils das 0,96- bis 0,90-fache der Sollverjüngung des vollständigen Gewindeteils beträgt.
Rohrverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung eine kupplungsartige Verbindung ist.
Rohrverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung eine einstückige Verbindung ist.
Verfahren zum Anziehen einer Rohrverbindung nach einem der Ansprüche 1–4, wobei die Rohrverbindung in einem Zustand angezogen wird, in welchem sie 1–2 Grad zur Senkrechten geneigt ist.