DE69511486T2

DE69511486T2 - Verfahren zum Auswerten der Reibungscharakteristiken einer Schulter-Gewindeverbindung

Info

Publication number: DE69511486T2
Application number: DE69511486T
Authority: DE
Inventors: Anatoly Baryshnikov; Angelo Calderoni; Paolo Ferrara
Original assignee: Eni SpA
Current assignee: Eni SpA
Priority date: 1994-07-13
Filing date: 1995-06-28
Publication date: 1999-12-09
Anticipated expiration: 2015-06-29
Also published as: DE69511486D1; US5637806A; ITMI941449A1; EP0692608A1; ITMI941449A0; IT1275632B1; EP0692608B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Reibungseigenschaften einer abgesetzten Gewindeverbindung oder einer drehbaren Gewindeverbindung.
Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung der Reibungseigenschaften einer üblichen drehbaren Gewindeverbindung in einem Bohrstrang eines Bohrlochs zur Gewinnung von Kohlenwasserstoffen, das direkt im Arbeitseinsatz angewendet werden kann.
Bekannt ist, daß für Erdbohrungen verwendete Bohrstränge aus einer Reihe von Bohrgestängen aufgebaut sind, die durch drehbare Gewindeverbindungen miteinander verbunden sind. Diese Art der Verbindung stellt durch einen pin/box- Kontakt, der gewöhnlich auf einem Absatz vorgesehen ist, sicher, daß der Schlamm im Inneren des Bohrgestänges von dem sich außerhalb befindlichen abgetrennt ist.
Die Einsatzgrenzen einer üblichen abgesetzten Gewindeverbindung, insbesondere der für Bohrvorhaben verwendeten, hängen nur von dem beim Einpassen auftretenden Anziehdrehmoment ab, dem das zu verbindende Bohrgestänge vor der Inbetriebnahme im Bohrloch ausgesetzt wird. Die Bestimmung des für jedes Rohr des Bohrgestänges optimalen Anziehdrehmoments ist daher eine wichtige Voraussetzung, um den Bohrvorgang mit einer äußerst genauen Sicherheitstoleranz und äußerster Zuverlässigkeit ausführen zu können.
Die gegenwärtig für die Bestimmung des beim Einpassen optimalen Anziehdrehmoments bekannten Verfahren beruhen in erster Linie auf einer Formel, zu deren Bestimmung der Gesamtreibungsparameter Ka eine entscheidende Rolle spielt; letzterer bestimmt den beim Einpassen auftretenden Wert des Anziehdrehmoments Mup in Abhängigkeit von den Kräften Qup, die sowohl auf den Absatz wie auch entlang des Gewindes wirken, nach der folgenden Formel:
Mup = KaQup
Der Gesamtreibungsparameter Ka, der die Summe des auf den Absatz, Ks, und entlang des Gewindes, Kt, auftretenden Reibungsparameter ist, hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie der Geometrie der Verbindung, dem zwischen den Gewinden der Verbindung vorgesehenen Stoff, und dem Zustand der Oberflächen (Gewinde und Absatz), und kann daher in Abhängigkeit von der Veränderung der oben genannten Faktoren während des Einpassens innerhalb großer Bereiche schwanken.
Unter diesen Umständen kann während des Einpassens das optimale Anziehdrehmoment erreicht werden, wenn der Verbindung soviel Energie zugeführt wird, daß in ihr ein bestimmter Qup-Wert erzeugt wird, der als optimal angesehen wird. Verändert sich der Gesamtreibungsparameter Ka, verändert sich folglich auch das Während des Einpassens auf die Verbindung anzuwendende optimale Anziehdrehmoment.
Eine alte Vorschrift des API (American Petroleum Institute) schlug vor, daß der optimale Wert des Anziehdrehmoments während des Einpassens unabhängig von dem Stoff gemessen wird, der zwischen den Gewinden vorgesehen ist, welcher jedoch, wie bereits erwähnt, auch die hauptsächlichen Veränderungen des Gesamtreibungsparameters und damit das optimale Anziehdrehmoment bestimmt.
Das API hat folglich diesen Irrtum korrigiert, indem das Konzept eines relativen Reibungsfaktors Rf eingeführt wurde, mit dem Ka' in der Gegenwart eines bestimmten Schmierstoffes auf der Grundlage eines Referenzwertes Ka,ref korrigiert werden kann, der aus der Anwendung auf ein Gewinde aus einem Referenzmaterial erhalten wird, um so der folgenden Gleichung zu genügen:
Ka = RfKa,ref
Insbesondere schlägt die neue API-Vorschrift ein Verfahren zur Bestimmung des relativen Reibungsfaktors Rf vor, das im wesentlichen auf einem Vergleich der Steigung von Kurven basiert, bei denen das Drehmoment gegen die Drehung aufgetragen wird, und die erhalten werden, indem im Labor ein Bolzen angezogen wird, der zuvor mit einem Referenzschmiermittel bzw. mit dem zu untersuchenden Stoff behandelt worden war.
In der beispielhaften Fig. 1 wird ein Beispiel eines für diese Art der Berechnung geeigneten Diagramms gezeigt, in dem das Drehmoment gegen die Drehung aufgetragen ist. Auf der Ordinate ist das während des Einpassens angelegte Drehmoment (M) aufgetragen und auf der Abszisse der relative Drehwinkel (Ω) zwischen dem Stift und der Ausnehmung der Verbindung.
Dieser Winkel wird zu dem Zeitpunkt gemessen, in dem auf dem Absatz der Verbindung ein Kontakt hergestellt ist.
Aus dem Einpassen des Bolzens werden zwei Kurven mit unterschiedlichen Steigungen erhalten, tgφup, die sich auf das Einsetzen des mit dem zu vermessenden Stoff behandelten Bolzens bezieht, und tgφup,ref, der sich auf den mit der Referenz behandelten bezieht. Der relative Reibungsfaktor ergibt sich aus der folgenden Gleichung:
Rf = tgφup/tgφup,ref
Das im Stand der Technik vorgeschlagene System zur Bestimmung des Gesamtreibungsparameters weist den Nachteil auf, daß es die tatsächliche Verbindung und insbesondere einen Faktor, der sich auf die Geometrie, und einen Faktor, der sich auf den Zustand der Kontaktfläche der Verbindung bezieht, die, wie bereits erwähnt, Ka und damit das optimale Anziehdrehmoment beeinflussen, nicht berücksichtigt. Mit anderen Worten bestimmt das aus dem Stand der Technik bekannte System den Ka-Wert der Gewindeverbindung indirekt zu Beginn von deren Lebenszyklus und kann daher den Abnutzungsgrad ihrer Kontaktflächen nicht berücksichtigen.
Der Anmelder hat ein Verfahren gefunden, das eine direkte Bestimmung des Gesamtreibungsparameters Ka einer abgesetzten Gewindeverbindung zu jedem Zeitpunkt innerhalb der Dauer der Verbindung ermöglicht, und folglich nicht nur die Art des verwendeten Stoffes, sondern auch den Abnutzungsgrad der Verbindung und jeden anderen Faktor, der Ka beeinflußt, im Moment der Herstellung der Verbindung berücksichtigt.
Die Erfindung betrifft daher ein Verfahren zur Bestimmung des tatsächlichen Gesamtreibungsparameters Ka einer abgesetzten Gewindeverbindung, umfassend die Schritte:
a) Herstellen einer Verbindung unter Anwendung eines allgemeinen Anziehdrehmoments und Bestimmen des entsprechenden Drehmoment/Drehwinkel-Diagramms;
b) anschließendem Lösen der Verbindung unter Bestimmung des entsprechenden Drehmoment/Drehwinkel-Diagramms;
c) Berechnung des tatsächlichen Ka der Verbindung nach einer der folgenden Gleichungen:
wobei p für die Steigung des Gewindes steht, tgφup und tgφout für die Steigungen der Kupplungs/Rotations-Diagramme jeweils während der Phase der Herstellung bzw. des Lösens der Verbindung, Mup und Mout jeweils für das Drehmoment während der Herstellung bzw. des Lösens.
Die Bestimmung der oben genannten Formel wurde durch die Erkenntnis ermöglicht, daß das Drehmoment, das während des Lösens der Verbindung anliegt, geringer ist als der Wert während der Herstellungsphase und daß die Steigung der Drehmoment/Drehwinkel-Kurve während der Phase der Herstellung immer größer ist als während der Phase des Lösens. Diese Unterschiede ermöglichen unter Verwendung der Diagramme aus Fig. 2 die Bestimmung der oben genannten Formel.
Tatsächlich trifft während der Herstellungsphase die folgende Beziehung zu:
Mup = KaQup
wohingegen in der Lösephase die Beziehung
Mout = (Ka - p/π)Qup
gilt, in der Qup für die axialen Kräfte steht, die sowohl in der Phase der Herstellung wie auch des Lösens auf die Schulter und entlang des Gewindes wirken.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung des tatsächlichen Gesamtreibungsparameters Ka einer abgesetzten Gewindeverbindung, umfassend die Schritte:

a) Herstellen einer Verbindung unter Anlegen eines unbestimmten Anziehdrehmoments und Bestimmen des zugehörigen Drehmoment/Drehwinkel-Diagramms;

b) daran anschließend Lösen der Verbindung und Bestimmen des zugehörigen Drehmoment/Drehwinkel-Diagramms;

c) Bestimmen des tatsächlichen Ka-Wertes der Verbindung nach einer der folgenden Gleichungen:

wobei p die Steigung des Gewindes bezeichnet, tgφup und tgφout jeweils die Steigung des Drehmoment/Drehwinkel-Diagramms in der Phase der Herstellung und des Lösens bezeichnet, Mup und Mout jeweils das Drehmoment während der Herstellung bzw. des Lösens bezeichnet.