EA006214B1 - Усиленное трубное резьбовое соединение для улучшенной герметизации после диаметрального пластического расширения - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к трубному резьбовому соединению с высокими эксплуатационными характеристиками и содержащему первый охватываемый трубный элемент (11) и второй охватывающий трубный элемент (12), соединяемые друг с другом при помощи свинчивания. Один из трубных элементов (11, 12) содержит не имеющую резьбы кромку (38, 5), проходящую между резьбовой частью этого трубного элемента и его свободным концом и формирующую поверхность герметизации (40, 7), способную входить в герметичный контакт с располагающейся против нее поверхностью (41, 8) другого трубного элемента после их свинчивания, диаметрального расширения и возникновения вследствие этого упругих возвратных усилий первого и второго трубных элементов. Это трубное резьбовое соединение содержит трубчатую манжету (34, 36), которая перед свинчиванием надевается на второй трубный элемент (12), позиционируется с возможностью прохождения в осевом направлении, в основном, против упомянутой кромки (3, 5) и, после диаметрального расширения, создает упругое возвратное усилие, добавляемое к упругому возвратному усилию второго трубного элемента для противодействия упругому возвратному усилию первого трубного элемента, реализуя за счет этого, по меньшей мере, стягивание этого второго трубного элемента при помощи упомянутой трубчатой манжеты.

Description

Предлагаемое изобретение относится к трубному резьбовому соединению, используемому, в частности, для скважин, предназначенных для добычи углеводородного сырья, или для других подобных скважин, например для геотермальных скважин.

Такое резьбовое соединение может быть выполнено между двумя трубами большой длины или между трубой большой длины и короткой муфтой. Эти резьбовые соединения используются, в частности, для сборки колонн обсадных труб (сактдк) или колонн эксплуатационных труб добычи (ШЬшдк). Принимая во внимание требуемые в данном случае механические характеристики, обсадные трубы и эксплуатационные трубы обычно изготавливаются из стали, подвергшейся термической обработке.

Со своей стороны, трубные соединения должны быть устойчивыми по отношению к растяжению, к сжатию, к изгибу и в ряде случаев к воздействию крутящего момента, а также должны выдерживать значительные перепады давления в обоих направлениях между внутренней и внешней средой. Эти трубные соединения также должны быть герметичными по отношению к газам, по меньшей мере, в некоторых случаях. С этой точки зрения, резьбовые трубные соединения являются особенно предпочтительными.

Однако в настоящее время предполагается подвергать трубы по месту сборки колонны диаметральному расширению с осуществлением постоянной пластической деформации. Это дает возможность получить ряд преимуществ, о которых более подробно будет сказано ниже. При этом необходимо, чтобы трубные соединения оставались эффективными и работоспособными после пластической деформации диаметрального расширения, которому они подвергаются так же, как и сами трубы. Таким образом, желательно, чтобы эти трубные резьбовые соединения выдерживали диаметральное пластическое расширение, сохраняя, в основном, свои положительные свойства, в частности механическую стойкость по отношению к растяжению или сжатию в условиях наличия или отсутствия внутреннего или внешнего избыточного давления, а также требуемую герметичность. Трубное соединение остается герметичным при тем более значительных давлениях жидкости и/или газа, чем более сильное контактное давление установлено между различными частями этого трубного соединения на достаточно значительной ширине и по всей периферийной части находящихся в контакте поверхностей герметизации.

Обычные трубные соединения в этих условиях не обеспечивают получения вполне удовлетворительных результатов: они либо не выдерживают этих требований, либо выдерживают их от случая к случаю, либо удовлетворяют этим требованиям, но не повторяющимся образом.

В патенте XVО 02/01102 предложена конструкция трубного соединения, выполненная таким образом, чтобы она выдерживала диаметральное пластическое расширение. В патенте РК 02 00055 заявитель также предложил усовершенствованную конструкцию трубного соединения, выдерживающую упомянутое диаметральное пластическое расширение.

Задача предлагаемого изобретения состоит в дальнейшем усовершенствовании резьбового трубного соединения, в частности в улучшении его герметичности.

Задача решается тем, что предложено трубное резьбовое соединение, обладающее высокими эксплуатационными характеристиками и содержащее первый охватываемый трубный элемент и второй охватывающий трубный элемент, которые могут быть соединены друг с другом при помощи свинчивания соответствующих сопряженных между собой резьбовых участков. По меньшей мере один из упомянутых первого и второго трубных элементов содержит не имеющую резьбы кромку, проходящую между резьбовой частью этого трубного элемента и его свободным концом и представляющую поверхность герметизации, способную входить в герметичный контакт с располагающейся против нее поверхностью другого трубного элемента после их свинчивания, последующего диаметрального расширения и возникновения вследствие этого упругих возвратных усилий первого и второго трубных элементов.

В соответствии с основной отличительной характеристикой изобретения предлагаемое трубное резьбовое соединение имеет в своем составе трубчатую уплотнительную манжету, которая перед свинчиванием данного резьбового соединения может быть надета на упомянутый второй трубный элемент, может быть позиционирована с возможностью прохождения в осевом направлении, в основном, против упомянутой не содержащей резьбы кромки и, после упомянутого диаметрального расширения, может создавать упругое возвратное усилие, которое в данном случае добавляется к соответствующему упругому возвратному усилию второго трубного элемента противодействия упругому возвратному усилию первого трубного элемента, за счет чего обеспечивается, по меньшей мере, стягивание указанного второго трубного элемента при помощи указанной трубчатой манжеты.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления предлагаемого изобретения упомянутая не содержащая резьбы кромка первого трубного элемента содержит на своем конце язычок, имеющий возможность входить в упорный контакт с соответствующей канавкой, выполненной на втором трубном элементе, после свинчивания данного трубного соединения и перед его диаметральным расширением. При этом упомянутая не содержащая резьбы кромка также может удерживаться при помощи упомянутого язычка в упомянутой канавке в процессе диаметрального расширения.

Предпочтительно, чтобы поверхность герметизации упомянутой кромки и располагающаяся против нее поверхность были выполнены цилиндрическими и располагались с небольшим зазором друг относительно друга после свинчивания трубного соединения и перед его диаметральным расширением.

- 1 006214

В соответствии с другим вариантом осуществления предлагаемого изобретения поверхность герметизации упомянутой кромки и располагающаяся против нее поверхность имеют возможность взаимодействовать друг с другом в радиальном направлении после свинчивания трубного резьбового соединения и перед его диаметральным расширением.

В соответствии с первым вариантом осуществления предлагаемого изобретения каждый из упомянутых первого и второго трубных элементов содержит кромку, не имеющую резьбы и проходящую между резьбовой частью этого элемента и его свободным концом, и имеет поверхность герметизации, которая выполнена с возможностью вхождения в герметичный контакт с располагающейся против нее поверхностью другого трубного элемента после свинчивания этих трубных элементов, причем последующее диаметральное расширение вызывает возникновение упругих возвратных усилий первого и второго трубных элементов. В данном варианте выполнения трубное соединение содержит две трубчатые манжеты, которые могут быть надеты перед свинчиванием на упомянутый второй трубный элемент, которые могут быть позиционированы таким образом, чтобы располагаться в осевом направлении, в основном, против упомянутых кромок соответственно, и которые могут создавать упругое возвратное усилие, которое добавляется к возвратному усилию второго трубного элемента противодействия упругому возвратному усилию первого трубного элемента, за счет чего обеспечивается, по меньшей мере, стягивание второго трубного элемента при помощи трубчатой манжеты.

В соответствии со вторым вариантом осуществления предлагаемого изобретения две упомянутые трубчатые манжеты связаны между собой при помощи трубчатой перемычки, имеющей поперечное сечение, меньшее, чем поперечное сечение манжет, причем эти манжеты и упомянутая перемычка изготавливаются в виде единой детали.

Предпочтительно, чтобы упомянутая трубчатая перемычка имела радиальную толщину, меньшую, чем радиальная толщина манжет.

В соответствии с другим вариантом осуществления предлагаемого изобретения каждая трубчатая манжета имеет длину перекрытия, примерно равную длине располагающейся против нее кромки, увеличенную, в случае необходимости, не более чем на 8 шагов упомянутой резьбы.

Предпочтительно, чтобы каждая из упомянутых манжет была центрирована на располагающейся против нее кромке.

В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения трубчатая манжета, располагающаяся против упомянутой кромки второго трубного элемента, содержит радиальный выступ, который имеет возможность входить в контакт с радиальной поверхностью, располагающейся на конце этого второго элемента, и способен облегчить позиционирование этой трубчатой манжеты.

Предпочтительно, чтобы эта трубчатая манжета удерживалась в требуемом положении по отношению к упомянутому второму трубному элементу путем склеивания, по меньшей мере, части поверхностей этого второго трубного элемента и располагающейся против них манжеты.

Упомянутая трубчатая манжета позиционируется в осевом направлении на упомянутом втором элементе посредством стягивания, по меньшей мере, путем охлаждения этого второго элемента и/или путем нагревания трубчатой манжеты.

Для облегчения позиционирования трубчатой манжеты упомянутый второй элемент содержит метку, располагающуюся на его наружной периферийной поверхности. В соответствии с возможным вариантом выполнения эта метка представляет собой канавку небольшой глубины, выполненную на этом втором элементе.

Предпочтительно, чтобы радиальная толщина трубчатой манжеты составляла по меньшей мере 1,5 мм.

Материал, из которого изготовлена упомянутая трубчатая манжета, обладает пределом упругости, превышающим предел упругости материала, из которого изготовлены первый и второй элементы. Кроме того, предел упругости материала трубчатой манжеты может быть отрегулирован при помощи термической обработки.

Предлагаемое изобретение также относится к способу выполнения герметичного трубного резьбового соединения, осуществляемого на основе так называемого исходного трубного резьбового соединения. Это исходное трубное резьбовое соединение подвергают диаметральному расширению в области пластических деформаций при помощи оправки расширения, диаметр которой превышает внутренний диаметр упомянутых трубных элементов и которая перемещается в осевом направлении внутри данного резьбового соединения, причем одна или каждая трубчатая манжета после такого диаметрального расширения создает упругое возвратное усилие, которое добавляется к упругому возвратному усилию, создаваемому упомянутым вторым элементом в зоне, перекрываемой этой манжетой.

Предлагаемое изобретение также относится к герметичному трубному резьбовому соединению с улучшенными характеристиками, которое можно получить при помощи способа в соответствии с этим изобретением, содержащему первый охватываемый трубный элемент и второй охватывающий трубный элемент, соединяемые при помощи свинчивания соответствующих сопряженных резьбовых участков. По меньшей мере один из этих первого и второго трубных элементов имеет в своем составе не содержащую резьбы кромку, проходящую между резьбовой частью этого элемента и его свободным концом и представляющую поверхность герметизации, входящую в герметичный контакт с располагающейся против

- 2 006214 нее поверхностью другого трубного элемента. Кроме того, данное резьбовое трубное соединение содержит трубчатую манжету, охватывающую с некоторым усилием стягивания упомянутый второй трубный элемент и проходящую в осевом направлении, в основном, против упомянутой кромки.

Приведенные в приложении фигуры чертежей схематически иллюстрируют не являющиеся ограничительными примеры осуществления предлагаемого изобретения, в частности фиг. 1 представляет собой схематический вид в разрезе резьбового трубного соединения, к которому может быть применено предлагаемое изобретение, фиг. 2 представляет собой схематический вид в разрезе охватываемого элемента резьбового трубного соединения, показанного на фиг. 1, фиг. 3 представляет собой схематический вид в разрезе охватывающего элемента резьбового трубного соединения, показанного на фиг. 1, фиг. 4-7 представляют собой схематические виды в разрезе резьбового трубного соединения согласно изобретению на различных этапах процесса его диаметрального расширения, причем фиг. 4 представляет собой схематический вид в разрезе фазы диаметрального расширения резьбового трубного соединения, фиг. 5 представляет собой схематический вид в разрезе фазы изгиба резьбового трубного соединения, фиг. 6 представляет собой схематический вид в разрезе фазы выпрямления резьбового трубного соединения, фиг. 7 представляет собой схематический вид в разрезе окончательного положения резьбового трубного соединения, подвергшегося операции диаметрального расширения, фиг. 8 представляет собой схематический вид в разрезе трубного резьбового соединения перед его диаметральным расширением, содержащего пример выполнения манжеты в соответствии с предлагаемым изобретением, фиг. 9 представляет собой схематический вид в разрезе трубного резьбового соединения после его диаметрального расширения, содержащего пример выполнения манжеты в соответствии с предлагаемым изобретением.

Приведенные в приложении фигуры содержат вполне конкретные элементы. Таким образом, они могут служить не только для лучшего понимания приведенного ниже описания предлагаемого изобретения, но также и способствовать определению этого изобретения, в случае необходимости.

В приложении I представлены результаты сравнительного исследования уровня герметичности для эталонного трубного резьбового соединения и для трубного резьбового соединения в соответствии с предлагаемым изобретением.

Ниже будет описан процесс бурения скважин, предназначенных для добычи углеводородного сырья, или, например, геотермальных скважин.

Традиционным образом верхняя часть такой скважины, прежде всего, пробуривается на относительно небольшую глубину, составляющую несколько десятков метров, при помощи бурового инструмента, имеющего относительно большой диаметр, составляющий, например, 500 мм, и укрепляется путем опускания колонны обсадных труб такого же диаметра. Затем диаметр бурового инструмента постепенно уменьшается с определенным шагом вплоть до донной части этой скважины, которая может быть пробурена с меньшим диаметром, имеющим величину порядка 150 мм в том же самом примере осуществления. При этом такая скважина укрепляется путем опускания нескольких концентрических колонн обсадных труб, каждая из которых опускается в скважину после окончания бурения участка соответствующего диаметра, и каждый из этих участков подвешивается на поверхности горизонта начала бурения данной скважины. При этом трубы наибольшего диаметра проходят от поверхности упомянутого горизонта начала бурения до глубины в несколько десятков метров, а трубы меньшего диаметра проходят от поверхности этого горизонта бурения до дна скважины, глубина которой может достигать нескольких тысяч метров. При этом свободное пространство, имеющееся между колоннами обсадных труб и толщей земли, может быть, например, зацементировано.

После того как данная скважина полностью пробурена и укреплена при помощи системы обсадных труб, в эту скважину может быть опущена колонна эксплуатационных труб, которая обеспечивает, например, возможность подъема углеводородного сырья на поверхность земли, то есть обеспечивает эффективную эксплуатацию данной скважины. Очевидно, что эта колонна эксплуатационных труб должна иметь наружный диаметр, несколько меньший, чем внутренний диаметр колонны обсадных труб.

Таким образом, требуемое оборудование скважины приводит к необходимости использования большого количества труб различных размеров, соединяемых между собой, чаще всего, при помощи резьбовых трубных соединений, принимая во внимание преимущества соединений этого типа. При этом стремятся сделать эти трубы возможно более тонкими для того, чтобы исключить необходимость использования обсадных труб слишком большого диаметра в непосредственной близости от поверхности горизонта бурения. Однако соблюдение ограничений и требований, предъявляемых к резьбовым трубным соединениям, в ряде случаев приводит к необходимости придания этим трубам несколько большей

- 3 006214 толщины, чем толщина обычной части труб, что требует увеличения диаметрального расширения между концентрическими колоннами труб в том случае, когда их опускают в глубину скважины.

Соединение труб между собой в данном случае осуществляется либо путем свинчивания резьбовых концов этих труб друг с другом (так называемое интегральное соединение), либо при помощи трубчатой резьбовой муфты, перекрывающей концы этих трубных элементов. При этом упомянутые трубы последовательно опускаются после их свинчивания на конце соответствующей трубы или на конце упомянутой трубчатой муфты.

Таким образом, спецификация ΑΡΙ 5 СТ, сформулированная в Ашепсап Ре1го1еиш ΙηκΙίΙιιΚ (ΑΡΙ), определяет трубные резьбовые соединения, выполняемые между двумя трубами большой длины (”|п(едга1ίοίηΐ 1иЫпд, ех1геше-1те сакшд), а также муфтовые резьбовые соединения, имеющие в своем составе два резьбовых соединения и позволяющие соединять между собой две трубы большой длины при помощи муфты. Эти резьбовые соединения в соответствии с ΑΡΙ являются герметичными только при введении в них смазки, имеющей в качестве наполнителя металлические частицы и заполняющей промежутки между витками резьбы.

Разумеется, соединения между трубами (или между трубами и соединительными муфтами) должны оставаться герметичными при любых механических воздействиях, которые эти трубы могут испытывать в процессе их опускания в скважину, и в широком диапазоне весовых нагрузок, поскольку каждое соединение должно выдерживать, по меньшей мере, частично вес всех труб, располагающихся ниже этого соединения. При этом механические характеристики резьбовых трубных соединений оказываются тесно связанными с их геометрическими размерами.

Трубное резьбовое соединение прежде всего определяется эффективностью при растяжении, которая рассчитывается как соотношение между поперечным сечением данной трубы против ее резьбового участка и поперечным сечением этой трубы по ее длине.

Кроме того, в том случае, когда воздействующее на трубы внутреннее или внешнее давление текучей среды становится чрезмерным, резьбовые соединения могут расцепляться, особенно в случае резьбы с витками треугольной формы с закругленной вершиной. Именно поэтому в трубных соединениях обычно предпочитают использовать трапециевидную резьбу.

При этом независимо от типа используемой резьбы и несмотря на применение смазки, содержащей металлические частицы в качестве наполнителя, всегда существует канал утечки, в котором текучая среда под высоким давлением имеет возможность двигаться вследствие наличия зазора, существующего между поверхностями, не находящимися в механическом контакте друг с другом. Для данного значения растягивающей резьбовое трубное соединение нагрузки существует некоторое пороговое значение давления текучей среды, за пределами которого совместное действие этого растягивающего усилия и этого давления вызывает на резьбовых соединениях типа ΑΡΙ разъединение находящихся в контакте друг с другом охватываемого и охватывающего резьбовых участков данного соединения.

Для устранения этого явления резьбовые стыки и соединения являлись объектом различных усовершенствований. Так, например, в патентах ЕК 1489013, ЕР 0488912, И8 4494777 ставилась задача реализовать так называемые трубные резьбовые соединения повышенного качества или соединения типа ргешшш, которые являются особенно герметичными благодаря наличию опорных поверхностей герметизации, обеспечивающих контакт металла с металлом и имеющих соответствующую конструкцию упоров между охватываемым и охватывающим элементами данного трубного резьбового соединения.

Это достигается при помощи двух входящих во взаимный механический контакт конических поверхностей герметизации, причем охватываемая поверхность герметизации располагается снаружи и за пределами охватываемой резьбы, а охватывающая поверхность герметизации располагается соответствующим образом на охватывающем элементе. Поперечные упоры используются совместно для позиционирования опорных поверхностей герметизации и для повышения их эффективности.

Как уже было сказано выше, после опускания колонны труб в скважину предполагается подвергнуть ее диаметральному расширению с созданием постоянной пластической деформации. Эта операция осуществляется, например, при помощи оправки, которая протягивается внутри колонны труб. Указанные операции раскрыты в таких публикациях, как XVО 93/25799, XVО 98/00626, XVО 99/06670, XVО 99/35368, Χνϋ 00/61915, СВ 2344606, СВ 2348657. В указанных публикациях раскрыты такие операции, как опускание в скважину колонны труб относительно небольших габаритных размеров, которая затем подвергается принудительному диаметральному расширению;

размещение подобным образом в скважине колонны обсадных труб;

производимое дополнительно закупоривание по месту отверстий в обсадных трубах или в эксплуатационных трубах, возникающих в результате коррозии металла или в результате трения буровых штанг, или же опускание в скважину труб относительно небольших габаритных размеров, которые затем будут подвергнуты требуемому диаметральному расширению по месту их установки;

и, наконец, и главным образом, обеспечение возможности бурения скважин одного и того же диаметра на всей их протяженности, оборудование которых обсадными трубами осуществляется при помощи колонны труб постоянного диаметра, причем эти обсадные трубы вводятся в скважину в нерасши

- 4 006214 ренном диаметрально состоянии, после чего подвергаются диаметральному расширению на месте до диаметра скважины.

При этом обеспечивается возможность существенно уменьшить количество труб, необходимых для оборудования данной скважины, исключая использование труб наибольшего диаметра и наибольшей толщины. Соответствующим образом уменьшается и стоимость конструирования скважины. При этом даже может быть рассмотрен вариант бурения скважины непосредственно с колонной обсадных труб, которые будут выполнять функцию системы бурильных труб.

При этом было установлено, что реализация резьбовых трубных соединений, способных сохранить свои характеристики после произведенного диаметрального расширения, является трудоемкой операцией, с учетом предъявляемых к ним требований надежности (все трубные резьбовые соединения должны сохранять упомянутые характеристики) и стабильности в реальных условиях функционирования данного трубного соединения.

При этом оказывается, что обычные трубные резьбовые соединения, например трубные соединения, выполненные в соответствии с патентом и8 4494777, не выдерживают диаметрального пластического расширения. Для этих трубных резьбовых соединений после их диаметрального расширения установлено, что в них отсутствует герметичность (которая дополнительно мешает реализации диаметрального расширения в результате гидравлического проталкивания оправки в колонне труб);

имеется провисание охватываемого конца внутрь данного трубного соединения, которое существенным и неприемлемым образом уменьшает внутренний эксплуатационный проходной диаметр колонны труб, образуя внутренний выступ в пространстве, определяемом внутренним эксплуатационным диаметром;

в некоторых случаях возникает разрушение концевой охватываемой кромки в результате превышения способности к деформации некоторых особенно напряженных зон вследствие изменений толщины вдоль охватываемого и охватывающего элементов по отношению к толщине корпуса трубы.

При этом стремятся реализовать трубное резьбовое соединение, которое будет способно противостоять операции выполнения диаметрального расширения в скважине и которое будет оставаться герметичным по отношению к жидкостям и к газам после выполнения операции диаметрального расширения. Стремятся также к тому, чтобы данное трубное резьбовое соединение было простым и экономичным в изготовлении. Кроме того, трубное резьбовое соединение должно обладать удовлетворительными эксплуатационными металлургическими характеристиками после произведенного диаметрального расширения, в частности иметь достаточный предел упругости, чтобы это трубное соединение не было излишне хрупким и чтобы оно демонстрировало удовлетворительные характеристики в отношении образования трещин под воздействием сероводорода Н₂8.

В настоящее время известны трубные резьбовые соединения, имеющие охватываемую кромку, соотносящуюся с охватывающим ложементом (см. патенты И8 4611838, И8 3870351, \УО 99/08034, И8 6047997). Оказалось, что эти известные конструкции трубных соединений не обеспечивают герметичность после пластического диаметрального расширения, которое, впрочем, здесь не предусматривалось.

В соответствии с патентом И8 4611838 охватываемая кромка имеет кольцевую поверхность охватываемого конца, содержащего кольцевой зубец; также предусмотрена кольцевая поверхность охватывающего уступа, содержащая кольцевую канавку. Для создания упора охватываемая кромка имеет тороидальную наружную периферийную поверхность, а охватывающий ложемент имеет коническую внутреннюю периферийную поверхность. Эти периферийные поверхности взаимодействуют друг с другом в радиальном направлении в конце свинчивания данного трубного резьбового соединения с возможностью образования опорных поверхностей герметизации. В упомянутом патенте И8 4611838 ставится задача добиться максимально возможного радиального взаимодействия наружной тороидальной периферийной поверхности охватываемой кромки с внутренней конической периферийной поверхностью охватывающего ложемента в конце свинчивания (и вследствие этого обеспечить максимальную герметичность резьбового соединения) благодаря форме этих периферийных поверхностей, а также эффекту опоры нижней поверхности упомянутой канавки на нижнюю поверхность упомянутого зубца. Однако охватываемая концевая поверхность в соответствии с патентом И8 4611838 не удерживается надлежащим образом в своем положении на поверхности охватывающего уступа резьбового соединения и не позволяет, таким образом, передавать изгибающий момент сил на свободный конец охватываемой кромки вследствие наличия свободного пространства между верхней стенкой язычка на его свободном конце и верхней стенкой канавки в ее донной части. Таким образом, герметичность после диаметрального расширения не может быть гарантирована.

В патенте И8 3870351 представлена конфигурация охватываемой кромки и охватываемого конца, а также охватывающего ложемента, близкая к их конфигурации из патента И8 4611838, причем в этом случае поверхность охватываемого свободного конца является криволинейной и выпуклой и располагается против криволинейной и вогнутой поверхности охватывающего ложемента с возможностью формирования двух систем опорных поверхностей герметизации в контакте металла с металлом, причем одна из этих систем располагается на уровне упомянутых криволинейных поверхностей, а другая система

- 5 006214 располагается на наружной периферийной поверхности охватываемой кромки и на внутренней периферийной поверхности охватывающего ложемента. Такая конфигурация позволяет усилить радиальное взаимодействие между периферийными опорными поверхностями герметизации в свинченном резьбовом соединении, что, однако, не всегда оказывается достаточным для рассматриваемого здесь применения (обеспечение герметичности после диаметрального расширения).

В патенте \¥О 99/08034 описано резьбовое соединение с витками квадратного сечения, имеющее охватываемую кромку, находящуюся в сопряжении с охватывающим ложементом, и содержащее кольцевые поверхности охватываемого конца и охватывающего уступа в форме упирающихся и вставленных одна в другую четвертей. Наружная периферийная поверхность охватываемой кромки и внутренняя периферийная поверхность охватывающего ложемента образуют цилиндрические части, которые взаимодействуют между собой в радиальном направлении для образования системы периферийных опорных поверхностей герметизации в конце свинчивания данного резьбового соединения, когда охватываемая и охватывающая четверти входят одна в другую. Конфигурация этих поверхностей является достаточно сложной и дорогостоящей в изготовлении и не дает никаких гарантий герметичности после выполнения пластического диаметрального расширения. Кроме того, попадание смазки может привести к неудовлетворительному позиционированию резьбовых элементов.

И, наконец, в патенте и8 6047997 описана конструкция буровых штанг для подземных каналов, причем в этом случае не предъявляются специальные требования относительно герметичности. Поверхность охватываемого конца в соответствии с этим патентом вставлена в поверхность охватывающего уступа, но фигуры демонстрируют наличие значительного пространства между наружной периферийной поверхностью охватываемой кромки и внутренней периферийной поверхностью охватывающего ложемента, что является в данном случае неприемлемым.

В соответствии с технологией соединения при помощи диаметрального расширения каждая труба присоединяется к уже соединенным трубам после прохождения внутри предшествующих ей труб. Для обеспечения такого прохождения диаметр каждой уже присоединенной трубы подвергается расширению примерно на 10-25%, начиная с первой трубы, путем прохождения оправки, обычно имеющей коническую форму и протягиваемой от поверхности скважины. Это расширение труб также позволяет повысить герметичность на уровне находящихся в контакте поверхностей резьбовых соединений.

Способ выполнения стыка герметизации в контакте металла с металлом в форме пальца, адаптированного к этой технологии, описан в упомянутом выше патенте \¥О 02/01102. Другой способ реализации представлен в упомянутой выше и еще не опубликованной французской заявке на патент РК 0200055. В каждой из этих реализаций описано соединение герметизации, которое может быть подвергнуто диаметральному расширению и которое содержит после этого расширения зоны герметизации, обеспечивающие герметичность по отношению к текучей среде и даже к газу.

Зона герметизации образована двумя находящимися в контакте поверхностями, подвергающимися воздействию контактного давления. Эта зона герметизации остается герметичной при давлении жидкости и даже газа, тем более значительном, чем большую величину имеет упомянутое контактное давление на этих поверхностях. Кроме того, размеры этих поверхностей герметизации (ширина и длина) также оказывают влияние на степень герметизации. В данном изобретении предлагается повысить герметизацию этих соединений при наличии давления жидкости и газа, в частности, повышая контактное давление на уровне зон герметизации.

На фиг. 1 схематически представлено трубное соединение, содержащее охватываемый резьбовой элемент 1, располагающийся на конце первой трубы 11. Этот охватываемый резьбовой элемент завинчен до упора в охватывающий резьбовой элемент 2, располагающийся на конце второй трубы 12. Внутренний диаметр охватываемого резьбового элемента в данном случае равен внутреннему диаметру Ό1 труб 11, 12. В способе выполнения, представленном на фиг. 1, наружный диаметр охватывающего резьбового элемента равен наружному диаметру ΌΕ труб 11, 12 только в качестве примера.

Представленное на фиг. 1 трубное резьбовое соединение показано в состоянии простого свинчивания до упора перед выполнением любой операции диаметрального расширения.

Вторая труба 12 показана как представляющая собой трубу большой длины. Однако эта вторая труба также может представлять собой муфту (не показана), снабженную на одной своей стороне охватывающим резьбовым элементом 2 и снабженную на другой стороне вторым охватывающим резьбовым элементом, который может быть симметричным или не симметричным упомянутому первому резьбовому элементу и который навинчивается на охватываемый резьбовой элемент, располагающийся на конце другой трубы большой длины.

На фиг. 2 схематически представлен один охватываемый трубный элемент 1.

Этот охватываемый трубный элемент содержит охватываемую коническую резьбу 3 с витками трапециевидного сечения, который продолжается в направлении своего свободного конца не содержащей резьбы концевой частью, образованной канавкой 21 и кромкой 5, и завершается кольцевой поверхностью охватываемого конца 9.

Канавка 21 имеет ϋ-образную форму небольшой глубины.

- 6 006214

Эта канавка начинается непосредственно за резьбой, и ее глубина й₈ имеет величину, меньшую, чем высота витков резьбы 3. Таким образом, дно этой канавки подходит к основанию первого витка резьбы.

Ширина канавки 1_д, по существу, в 4 раза превышает ее ширину й₈.

Кромка 5 имеет

a) наружную периферийную цилиндрическую поверхность 1,

b) внутреннюю периферийную поверхность 19, которая соответствует концевой зоне внутренней цилиндрической периферийной поверхности первой трубы 11.

Таким образом, кромка 5 имеет однородную толщину е₁, по существу, равную половине толщины е стенки трубы 11. Она имеет длину 1₁, измеренную от конца упомянутой канавки вплоть до отвесной линии поверхности 15 (эта поверхность будет определена ниже), и, по существу, в 3 раза превышает толщину е1 этой кромки.

Концевая охватываемая поверхность 9 образует четверть. Эта четверть образована поперечной охватываемой кольцевой поверхностью 15 и кольцевым язычком 13, проходящим в осевом направлении и примыкающим к поперечной поверхности 15. Эта поперечная охватываемая поверхность 15 располагается со стороны упомянутой четверти, ориентированной внутрь резьбового соединения.

Наружная периферийная поверхность язычка 13 располагается в продолжение поверхности 7 упомянутой кромки, тогда как его внутренняя периферийная поверхность 17 является, например, цилиндрической.

Радиальная толщина язычка 13 является, по существу, идентичной толщине поперечной поверхности 15, тогда как высота этого язычка (или его осевая протяженность), по существу, равна радиальной толщине этого же язычка. Она также может в 1,5 раза превышать эту радиальную толщину для наилучшего удержания свободного конца язычка в процессе диаметрального расширения.

На фиг. 3 схематически представлен один охватывающий трубный элемент.

Этот охватывающий трубный элемент содержит, со стороны его свободного конца, охватывающую резьбу 4 с витками трапециевидного сечения, подобную охватываемой резьбе 3, а затем не содержащую резьбы часть 6. Эта не содержащая резьбы часть 6 образует ложемент для того, чтобы соответствовать и взаимодействовать с кромкой 5 охватываемого элемента 1.

Охватывающий ложемент 6 представляет обращенную в направлении внутрь периферийную поверхность 8 цилиндрической формы, связанную с одной стороны с охватывающей резьбой 4, а с другой стороны, через охватывающий уступ 10, с внутренней периферийной цилиндрической поверхностью 20 второй трубы 12.

В общем случае диаметр периферийной поверхности 8 охватывающего ложемента незначительно превышает диаметр наружной периферийной поверхности 7 охватываемой кромки 5. Таким образом, поверхности 7 и 8 имеют возможность скользить друг относительно друга с небольшим зазором в процессе завинчивания охватываемого резьбового элемента в охватывающий резьбовой элемент, например с зазором, имеющим величину порядка 0,2 мм. Преимущество такого скольжения будет описано ниже.

Охватывающий уступ представляет кольцевую поверхность уступа 10, которая располагается, по существу, соответствующим образом и обладает формой, по существу, подобной форме охватываемого конца 9. Эта поверхность 10 образует четверть, сформированную поперечной кольцевой охватывающей поверхностью 16 и кольцевой канавкой 14, примыкающей к этой поперечной поверхности 16.

Охватывающая поперечная поверхность 16 располагается со стороны упомянутой четверти, ориентированной в направлении внутрь резьбового соединения.

Стенка 18 канавки 14, примыкающая к поперечной поверхности 16, является, например, цилиндрической и может присоединяться к этой поверхности при помощи фаски или закругления. Противоположная стенка этой канавки располагается в продолжение периферийной поверхности 8. В процессе свинчивания данного резьбового соединения поверхность 17 язычка устанавливается на стенку 18 канавки вплоть до того, как поперечный свободный конец язычка дойдет до дна канавки 14. Осевая высота й_г язычка 14 и осевая глубина Р_г канавки выполнены такими, что поперечные поверхности 15 и 16 входят в контакт друг с другом только после дополнительного свинчивания. Небольшой зазор между цилиндрическими поверхностями 7 и 8 и между поверхностями упомянутого язычка и упомянутой канавки, которые их продолжают, позволяет удалить смазку в конце свинчивания и, следовательно, дает возможность правильно позиционировать кромку 5 по отношению к ложементу 6.

На фиг. 4-7 схематически поясняются операции, которые осуществляются в том случае, когда при помощи по меньшей мере одной оправки реализуют диаметральное расширение примерно на 15% на трубах, соединенных при помощи вышеописанных резьбовых соединений, и которые позволяют в конечном счете получить диаметрально расширенное герметичное соединение.

Такая деформация, осуществляемая на металлических материалах, приводит к пластической деформации металла.

Таким образом, переходят, например, от наружного диаметра, составляющего 139,7 мм (или 5,5 дюйма), на второй трубе 12 перед расширением и, следовательно, в еще не деформированной части, к наружному диаметру, составляющему 157,5 мм (или 6,2 дюйма), на первой уже расширенной трубе 11

- 7 006214 (вертикально над или позади выходного конуса 33 оправки). Вследствие этого необходимо использовать для изготовления труб металл, который допускает такие пластические деформации.

Создаваемые таким образом пластические деформации повышают предел упругости изделий: труба, первоначально обладающая пределом упругости на уровне 310 МПа (45 Κ8Ι), повышает, таким образом, предел упругости до 380 МПа (55 Κ8Ι).

Диаметральное расширение реализуется известным образом при помощи оправки 30 (см. фиг. 4) соответствующего максимального диаметра. Эту оправку заставляют проходить через трубы либо протягивая ее при помощи буровых штанг, либо проталкивая ее, например, при помощи гидравлического давления.

Эта оправка имеет, например, форму двухстороннего конуса и содержит входной конус 31, на котором осуществляется расширение, среднюю цилиндрическую часть 32 и выходную коническую часть 33. Все поверхности различных частей оправки соединены между собой при помощи соответствующих соединительных радиусов.

В патенте \¥О 93/25800 приведены, в частности, величины углов входных конусов, приспособленные к диаметральному расширению труб, снабженных щелями и называемых Е8Т (ехраибаЫе 81ойеб 1иЫид), для эксплуатации углеводородных скважин.

Поскольку трубы 11, 12 имеют, по существу, постоянное поперечное сечение, их концы не ставят специфических проблем в процессе прохождения оправки, если способность к деформации металла, из которого изготовлены эти трубы, будет достаточной.

Процесс диаметрального расширения резьбового соединения может быть разложен на четыре фазы, которые схематически представлены на фиг. 4-7.

Хотя операция диаметрального расширения вполне может быть выполнена в противоположном направлении и приведет к адекватным результатам, здесь представлен предпочтительный способ осуществления деформации, в соответствии с которым оправка перемещается от охватываемого элемента 1 первой трубы 11 в направлении охватывающего элемента 2 второй трубы 12.

a) Фаза диаметрального расширения на конусе оправки.

На фиг. 4 представлено резьбовое соединение в процессе осуществления этой фазы.

Диаметральное расширение осуществляется при помощи входного конуса 31 оправки 30, и на фиг. 4 показаны охватываемая резьба 3 и охватывающая резьба 4 в процессе этого расширения.

На фиг. 4 входной конус 31 оправки 30 начинает деформацию охватываемой кромки и аналогичной зоны охватывающего ложемента, вызывая их сгибание таким образом, чтобы наклонить их по отношению к оси соединения.

В процессе этой фазы расширения усилия реакции на прохождение оправки 30 постепенно передаются от первой трубы 11 ко второй трубе 12.

Вследствие наличия этих усилий реакции охватываемая кромка 5 сжимается в осевом направлении в процессе этой фазы диаметрального расширения при помощи кольцевой поверхности охватывающего уступа 10.

Окончание фазы расширения соответствует приходу свободного конца охватываемого элемента к концу входного конуса 31 оправки.

b) Фаза изгиба.

В процессе осуществления этой фазы охватываемая кромка располагается на уровне центральной части 32 оправки, как это схематически показано на фиг. 5.

ί) Охватываемая кромка.

Охватываемая кромка 5 подвергается на каждом из двух своих концов воздействию противоположных по направлению изгибающих моментов сил.

Действительно, поверхность охватываемого конца 9 удерживается в своем положении на поверхности охватывающего уступа 10 вследствие наличия четвертей с упорами 15, 16 и системы захвата язычка 13 и канавки 14.

Захват упомянутых четвертей заставляет зону свободного конца охватываемой кромки 5 отслеживать наклон зоны 22 полной толщины охватывающего элемента за уступом. Эта зона 22 еще находится в процессе расширения на входном конусе 31 оправки и создает таким образом изгибающий момент сил на этом уровне.

Другой конец упомянутой кромки, располагающийся со стороны охватываемой резьбы 3, больше не удерживается и, напротив того, задает этой кромке изгибающий момент сил, противоположный моменту сил на свободном конце этой кромки.

Изгибающие моменты сил противоположного знака на двух концах охватываемой кромки вызывают искривление в форме банана этой охватываемой кромки, как это показано на фиг. 5, причем наружная периферийная поверхность 7 кромки 5 принимает изогнутую выпуклую форму.

Состояние осевого сжатия охватываемой кромки 5 в конце фазы расширения облегчает ее искривление под действием упомянутых изгибающих моментов.

- 8 006214

Канавка 21, располагающаяся между охватываемой кромкой 5 и охватываемой резьбой 3, выполняет роль пластического шарового шарнира, который усиливает искривление этой охватываемой кромки, ограничивая ширину, на которой это искривление может быть осуществлено.

В этом случае, однако, следует обратить внимание на то, что напряжения осевого сжатия на уровне охватываемой кромки не вызывают коробления металла 23 под канавкой. Это коробление выражалось бы в появлении выступа металла под канавкой по отношению к внутренней периферийной поверхности 19.

ίί) Охватывающий ложемент.

То же самое явление изгиба происходит и на охватывающем ложементе.

Зона 22 полной толщины, относительно жесткая по отношению к относительно тонким зонам охватываемой кромки, подвергается при прохождении на уровне средней части оправки дополнительному расширению таким образом, что внутренний диаметр этой зоны 22 становится больше диаметра средней зоны 32 оправки. Это явление дополнительного диаметрального расширения описано в патенте \УО 93/25800.

с) Фаза выпрямления.

Эта фаза, схематически проиллюстрированная на фиг. 6, соответствует прохождению охватывающей зоны 22 полной толщины по средней части 32 оправки 30.

ί) Охватывающий ложемент.

Величина изгиба, созданного в предшествующей фазе, стремится к нулю под действием натяжения и окружных напряжений, что создает состояние осевых напряжений обратного изгиба по отношению к кривизне, вызывая, таким образом, выпрямление.

Изгибающий момент сил, создаваемый этими напряжениями, пропорционален толщине материала перед выпрямлением. В момент подхода оправки на трубе 12 в зону полной толщины (зона 22) изгибающий момент сил не является достаточным для выпрямления внутренней периферийной зоны охватывающего ложемента, которая при этом стремится погрузиться в направлении оси данного изделия. Такое поведение выражается в локальном уменьшении наружного диаметра трубы 12.

ίί) Охватываемая кромка.

По мере выпрямления охватывающей части различие в осевых габаритных размерах, которое было создано изгибом, уменьшается. Таким образом, охватываемая кромка 5 постепенно теряет свое состояние сжатия. Этот процесс сопровождается разделением поверхностей 15, 16, первоначально упиравшихся друг в друга. Это явление усиливается погружением внутренней периферийной поверхности 8 охватывающего ложемента, которое производит эффект раскрытия упоров 15, 16.

При этом деформация в форме банана, вызванная в предыдущей фазе, сохраняется.

б) Конечное состояние.

На фиг. 7 схематически представлено конечное состояние резьбового соединения после прохождения оправки.

Состояние напряжений в окружном направлении, созданное диаметральным расширением, приводит к стягиванию наружной периферийной поверхности 7 охватываемой кромки внутренней периферийной поверхностью 8 охватывающего ложемента. При этом можно говорить о самостягивании упомянутых периферийных поверхностей 7, 8 резьбового соединения в диаметрально расширенном состоянии, что позволяет обеспечить герметизацию этого соединения. Охватываемая кромка 5 не погружается в направлении оси, поскольку радиальное смещение, вызванное захватом или зацеплением четвертей 9, 10, создает достаточные пластические деформации.

Упругий возврат элементов резьбового соединения после прохождения оправки оказывается пренебрежимо малым по сравнению с произведенными пластическими деформациями.

Упомянутое радиальное стягивание вызывает контактное давление на уровне нескольких десятков МПа и даже более 100 МПа, что вполне достаточно для обеспечения герметичности по отношению к внутренним или внешним давлениям текучей среды в данном резьбовом соединении. Длина зоны стягивания является достаточной на всей периферийной части поверхностей контакта для того, чтобы обеспечить устойчивую герметичность между этими поверхностями.

В то же время, герметичность необходима и в том случае, когда диаметральное расширение осуществляется путем проталкивания оправки 30 гидравлическим способом при давлении от 10 до 30 МПа, причем любая утечка через уже расширенные резьбовые соединения препятствует продвижению оправки вперед в колонне труб и блокирует, следовательно, процесс диаметрального расширения.

Слишком большой зазор между периферийной поверхностью 7 охватываемой кромки 5 и периферийной поверхностью 8 охватывающего ложемента в резьбовом соединении перед диаметральным расширением не позволит обеспечить стягивание этих поверхностей в конце операции такого расширения.

Радиальное взаимодействие между этими поверхностями в исходном состоянии перед диаметральным расширением способно помешать дифференциальным деформациям (искривление, выпрямление) между этими поверхностями в процессе выполнения операции диаметрального расширения, причем эти дифференциальные деформации позволяют реализовать стягивание этих поверхностей в конце операции диаметрального расширения. Также имеется опасность в этом случае вызвать заклинивание этих поверхностей в процессе свинчивания резьбового соединения или же получить неудовлетворительное позицио

- 9 006214 нирование элементов с неправильным захватом поверхностей 9 и 10 и, следовательно, посредственное стягивание поверхностей 7 и 8 после диаметрального расширения.

В соответствии с предпочтительным способом выполнения форма в виде кольцевой четверти с поперечными поверхностями 15, 16 и системой язычок 13/канавка 14 позволяют воспрепятствовать опусканию охватываемого свободного конца в процессе диаметрального расширения. Возможны и другие способы выполнения поверхностей 9, 10, дающие аналогичные результаты.

Слишком тонкая охватываемая кромка 5, имеющая толщину, которая составляет менее трети от толщины стенок труб 11, 12, не позволяет реализовать эффективный упор на уровне поперечных поверхностей 15, 16.

Если толщина е₁ охватываемой кромки 5, напротив, имеет величину, превышающую 2/3 от толщины стенок труб 11, 12, толщина стенки трубы 12 на уровне зоны охватывающего ложемента приводит к слишком малому критическому сечению охватывающей резьбы 4 и, следовательно, к недостаточной прочности резьбового соединения на растяжение.

Соотношение между длиной и толщиной охватываемой кромки 5 регулирует поведение этой кромки 5 при сжатии и при изгибе.

Охватываемая кромка 5, имеющая длину 1₁, меньшую, чем ее толщина, не позволяет этой кромке обеспечить достаточный изгиб периферийной поверхности 7 этой охватываемой кромки 5 и/или выпрямление периферийной поверхности 8 охватывающего ложемента.

Охватываемая кромка 5, имеющая длину 1₁, более чем в 4 раза превышающую толщину е₁, может вызвать вспучивание или продольный изгиб охватываемой кромки и выступание внутрь этой кромки со стороны резьбы.

Этот эффект усиливается в результате наличия канавки 21 между охватываемой резьбой 3 и охватываемой кромкой 5.

Именно поэтому упомянутая канавка предпочтительно имеет глубину, ограниченную высотой резьбы, и длину, ограниченную по отношению к ее глубине.

Язычок 13, имеющий недостаточную радиальную толщину и осевую высоту, меньшую, чем его радиальная толщина, не сможет оказаться удержанным в достаточной степени в процессе диаметрального расширения.

На фиг. 8 схематически представлено трубное резьбовое соединение после свинчивания резьбовых частей трубных элементов, предназначенное для осуществления диаметрального расширения в соответствии с предлагаемым изобретением.

Это резьбовое соединение содержит охватываемый трубный элемент 11 и охватывающий трубный элемент 12, аналогичные элементам, которые были представлены на фиг. 1. Концевая часть охватываемого трубного элемента содержит кромку 5, периферийная поверхность 8 которой способна входить в контакт с периферийной поверхностью 7 охватывающего ложемента 8 охватывающей трубы 12 в процессе диаметрального расширения этого резьбового соединения. Зона контакта с контактным слиянием между поверхностями 7 и 8 после диаметрального расширения называется внутренней зоной герметизации С1, поскольку она располагается внутри данного соединения. После диаметрального расширения существует также зона контакта между поверхностью язычка охватываемой кромки и располагающейся против нее канавки охватывающего трубного элемента.

Трубчатая манжета 36 располагается концентрически на охватывающем трубном элементе 12. Эта трубчатая манжета 36 имеет внутренний диаметр, позволяющий оператору надеть эту манжету перед свинчиванием трубных элементов 11 и 12 на охватывающий трубный элемент 12 и в то же время находиться в контакте с наружной поверхностью 37 этого трубного элемента 12. Эта трубчатая манжета проходит на всей своей длине 1т1 таким образом, чтобы перекрывать в осевом направлении охватываемую кромку 5 и выступать по одну и по другую стороны от этой кромки 5, то есть выступать за ее пределы со стороны резьбы и за край язычка 13. Предпочтительно эта трубчатая манжета 36 центрируется на упомянутой кромке.

В конце свинчивания данного резьбового соединения и перед его диаметральным расширением язычок 13 входит в осевой упор в донную часть канавки 14, и поверхности герметизации 7 и 8 являются цилиндрическими и располагаются с небольшим зазором между собой в конце свинчивания. Охватываемая кромка 5 удерживается в процессе диаметрального расширения при помощи системы захвата язычок 13/канавка 14.

В рассматриваемом примере выполнения трубчатая манжета 36 изготовлена из материала, идентичного материалу, из которого изготовлены соединяемые трубные элементы, и предел упругости этого материала, например, идентичен пределу упругости материала, из которого изготовлены эти трубные элементы. После выполнения диаметрального расширения данного резьбового соединения упомянутая трубчатая манжета создает упругое возвратное усилие, которое добавляется к упругому возвратному усилию охватывающего элемента и противодействует упругому возвратному усилию охватываемого элемента. Таким образом обеспечивается стягивание охватывающего элемента при помощи этой трубчатой манжеты. Кроме того, различие усилий упругого возврата между, с одной стороны, охватываемым трубным элементом, а с другой стороны, системой, образованной упомянутой манжетой и охватываю

- 10 006214 щим трубным элементом, вызывает сжатие этого охватывающего элемента. Поскольку трубчатая манжета 36 перекрывает поверхности 7 и 8 и слегка выходит за их пределы, упомянутое сжатие выражается в возрастании давления контакта между поверхностями герметизации 7 и 8 охватываемого и охватывающего трубных элементов. При этом также осуществляется стягивание охватываемого элемента охватывающим элементом. Наличие трубчатой манжеты 36 требует использования несколько большей энергии для диаметрального расширения, чем в случае, когда такая манжета не используется (приращение необходимой для расширения энергии составляет примерно 10%), но значительно усиливает контактное давление на уровне внутренней зоны герметизации С1 после диаметрального расширения (приращение этого давления составляет примерно 200% при использовании манжеты толщиной от 4 до 5 мм).

В рассматриваемом здесь примере выполнения и перед диаметральным расширением трубчатая манжета 36 определяется следующими характеристиками:

длиной перекрытия 1т1, примерно равной, по меньшей мере, длине охватываемой кромки 1_Ь увеличенной на ширину одного витка резьбы, умноженную максимум на коэффициент в диапазоне от 2 до 8, радиальной толщиной ет1, ограниченной в диапазоне между максимальной радиальной толщиной, заданной максимальным габаритным размером данного резьбового соединения, и минимальной радиальной толщиной, определяемой слишком малым воздействием данной манжеты на упругое возвратное усилие резьбовых элементов: предпочтительно радиальная толщина составляет несколько миллиметров, например по меньшей мере 1,5 мм, и предпочтительно примерно от 4 до 5 мм для труб, имеющих наружный диаметр порядка 150 мм и толщину стенок в диапазоне от 7 до 8 мм. Предпочтительная толщина манжеты, по существу, близка к толщине охватываемой кромки. После осуществления операции диаметрального расширения радиальная толщина манжеты составляет по меньшей мере 1 мм.

В соответствии с одним из вариантов осуществления предлагаемого изобретения поверхности 7 и 8 образуют так называемую внутреннюю зону герметизации С1 резьбового соединения после его диаметрального расширения. Однако здесь образована и другая зона герметизации, существующая перед и после диаметрального расширения данного резьбового соединения, представленная на фиг. 8.

Таким образом, охватывающий трубный элемент 12 содержит, между своей резьбой и своим свободным концом, охватывающую кромку 38, не содержащую резьбы. Эта охватывающая кромка 38 формирует внутреннюю периферийную поверхность 41, завершающуюся радиальной поверхностью 39, которая представляет собой кольцевую поверхность. Охватываемый трубный элемент 11 формирует наружную периферийную поверхность 40 с той стороны охватываемой резьбы, которая противоположна свободному концу этого охватываемого элемента. После полного свинчивания охватываемого и охватывающего трубных элементов внутренняя периферийная поверхность 41 вступает во взаимодействие в радиальном направлении с наружной периферийной поверхностью 40 охватываемого трубного элемента 11 таким образом, чтобы сформировать зону герметизации перед диаметральным расширением. Обе эти периферийные поверхности 40 и 41 являются коническими и имеющими подобные параметры конусности. В процессе диаметрального расширения, поскольку охватывающая кромка не упирается в осевом направлении в охватываемый элемент, не имеет места явление изгиба или контризгиба, как это происходит в случае охватываемой кромки, находящейся в осевом упоре в охватывающий элемент. Таким образом, охватывающая кромка не погружается в сторону оси данного трубного соединения. Просто после диаметрального расширения происходит несколько более значительный упругий возврат охватывающей кромки 38 по отношению к нижележащему охватываемому элементу. Это вызывает возникновение герметичного контакта между внутренней периферийной поверхностью 41 охватывающего трубного элемента 12 и подобной ей наружной периферийной поверхностью 40 охватываемого трубного элемента 11. Взаимодействие этих поверхностей 40 и 41 в конце свинчивания позволяет обеспечить контакт между упомянутыми поверхностями в процессе упругого возврата после диаметрального расширения.

Зона герметичного контакта между этими поверхностями 40 и 41 после диаметрального расширения называется наружной зоной герметизации СЕ, поскольку эта зона данного трубного соединения является наиболее наружной.

Однако, если не принимать во внимание другие средства, так называемая наружная герметизация, создаваемая на уровне зоны СЕ, является меньшей, чем так называемая внутренняя герметизация, создаваемая на уровне зоны С1.

Трубчатая манжета 34 располагается концентрически на охватывающем трубном элементе 12. Эта трубчатая манжета 34 имеет такой внутренний диаметр, который позволяет оператору надеть эту манжету перед свинчиванием трубных элементов 11 и 12 на охватывающий трубный элемент 12 и в то же время находиться в контакте с наружной поверхностью 37 этого трубного элемента 12. Эта вторая трубчатая манжета проходит на всей своей длине 1т2 таким образом, чтобы перекрывать в осевом направлении периферийные поверхности 40 и 41, способные сформировать зону герметизации перед и после диаметрального расширения, и выступать по одну и по другую стороны от этих поверхностей, то есть выступать за эти поверхности со стороны резьбы и за радиальную поверхность 39. В рассматриваемом здесь примере выполнения трубчатая манжета 34 изготовлена из материала, идентичного материалу, из которого изготовлены соединяемые трубные элементы, и предел упругости материала этой манжеты, например, идентичен пределу упругости материала трубных элементов. После выполнения диаметрального

- 11 006214 расширения упомянутая трубчатая манжета создает упругое возвратное усилие, которое добавляется к упругому возвратному усилию охватывающего элемента и противодействует упругому возвратному усилию охватываемого элемента. Таким образом обеспечивается стягивание охватывающего элемента при помощи этой трубчатой манжеты. Кроме того, различие усилий упругого возврата между этой манжетой и внутренней поверхностью охватываемого трубного элемента вызывает сжатие охватывающего элемента. Поскольку трубчатая манжета 34 перекрывает поверхности 40 и 41 и немного выходит за их пределы, упомянутое сжатие выражается в возрастании давления контакта между поверхностями герметизации 40 и 41 охватываемого и охватывающего трубных элементов по сравнению с подобным трубным соединением, используемым без этой манжеты 34. При этом также осуществляется стягивание охватываемого элемента охватывающим элементом. Наличие трубчатой манжеты 34 требует использования несколько большей энергии диаметрального расширения, чем в случае, когда такая манжета не используется, но значительно усиливает контактное давление на уровне наружной зоны герметизации СЕ после диаметрального расширения (приращение этого давления составляет более 300%).

В рассматриваемом примере выполнения и перед диаметральным расширением трубчатая манжета 34 определяется следующими характеристиками:

длиной перекрытия 1т2, примерно равной, по меньшей мере, осевой длине охватывающей кромки 38, увеличенной на ширину одного витка резьбы, умноженную максимум на коэффициент в диапазоне от 2 до 8, радиальной толщиной ет2, ограниченной в диапазоне между максимальной толщиной, заданной максимально допустимым габаритным размером данного резьбового соединения, и минимальной толщиной, определяемой слишком малым воздействием данной манжеты на упругое возвратное усилие: предпочтительно радиальная толщина манжеты составляет несколько миллиметров, например по меньшей мере 1,5 мм, и еще более предпочтительно имеет величину в диапазоне примерно от 4 до 5 мм для труб, имеющих наружный диаметр порядка 150 мм и толщину стенок от 7 до 8 мм. Кроме того, толщина манжеты 34 предпочтительно имеет тот же порядок величины, что и толщина охватывающей кромки. После осуществления диаметрального расширения радиальная толщина манжеты составляет по меньшей мере 1 мм.

Как для манжеты 34, так и для манжеты 36 оказывается, что короткая манжета, образующая прерывание сплошности материала по отношению к охватываемому и охватывающему трубным резьбовым элементам, в значительно большей степени будет улучшать характеристики герметизации, в частности наружной герметизации, чем присоединенная длинная манжета или чем простое утолщение материала на охватывающем элементе вместо одной или обеих упомянутых выше присоединенных манжет. Такое утверждение совершенно не казалось очевидным.

Могут быть рассмотрены различные способы монтажа трубчатых манжет.

В соответствии с возможным примером выполнения трубчатая манжета 34 содержит радиальный выступ 42 на одном из своих концов. Таким образом, перед свинчиванием трубных элементов 11 и 12 оператор надевает на трубный элемент 12 трубчатую манжету 34 тем ее концом, который является противоположным концу, содержащему упомянутый выступ, причем внутренняя периферийная поверхность этой манжеты находится в контакте с наружной периферийной поверхностью 37. Эта трубчатая манжета 34 надевается вплоть до того момента, когда радиальный выступ 42 войдет в контакт с радиальной поверхностью 39. Трубчатая манжета 34 таким образом позиционируется в осевом направлении. Радиальный выступ 42 предпочтительно может быть приклеен к радиальной поверхности 39 для улучшения контактного давления. При этом может быть использован клей-смазка, твердеющий за несколько минут в условиях отсутствия доступа воздуха и позволяющий сохранить позиционирование трубчатой манжеты по отношению к охватывающему трубному элементу в процессе осуществления диаметрального расширения. Слой клея может быть срезан или может растрескаться в процессе расширения, что не является существенным.

В соответствии с возможным вариантом выполнения трубчатая манжета 36 или/затем трубчатая манжета 34 надевается (или надеваются) оператором на охватывающий трубный элемент 12 перед свинчиванием, после чего позиционируется в осевом направлении благодаря наличию маркировки на наружной периферийной поверхности 37 охватывающего трубного элемента 12, причем эта маркировка может представлять собой канавку небольшой глубины. Осевое положение одной и/или двух трубчатых манжет 36 и 34 может быть зафиксировано при помощи упомянутого выше клея-смазки, как и в случае манжеты с радиальным выступом. Осевое положение одной и/или двух трубчатых манжет 36 и 34 также может быть зафиксировано при помощи небольшого стягивания этих манжет на охватывающем трубном элементе. Это стягивание может быть реализовано путем нагревания манжеты и/или путем охлаждения охватывающего элемента.

Радиальная толщина трубчатой манжеты может быть уменьшена за счет некоторого уменьшения эффективности ее использования в плане усиления герметичности, создаваемого этой манжетой. Однако для тонких манжет можно в некоторой степени компенсировать упомянутую потерю эффективности путем увеличения их предела упругости по отношению к пределу упругости для охватываемого и охватывающего трубных элементов 11 и 12. При этом, чем больше предел упругости материала данной манже

- 12 006214 ты превышает предел упругости материала охватываемого и охватывающего трубных элементов, тем лучшей оказывается герметичность при данной толщине манжеты. Предел упругости материала трубчатой манжеты может быть изменен путем соответствующей термической обработки. Однако пластичность материала обычно уменьшается в результате повышения его предела упругости. При этом компромисс может быть найден между пластичностью, которая должна оставаться достаточной для того, чтобы сохранять возможность создания диаметрального расширения без разрушения трубчатой манжеты, и пределом упругости, достаточно высоким для того, чтобы гарантировать удовлетворительные характеристики герметичности, несмотря на ограниченную радиальную толщину данной трубчатой манжеты.

Если данный трубный элемент содержит только одну зону герметизации, наружную СЕ или внутреннюю С1, эта зона герметизации способна обеспечить герметичность по отношению к текучим средам как в направлении изнутри наружу, так и в направлении снаружи внутрь. В этом случае выражения наружная зона герметизации и внутренняя зона герметизации позволяют, главным образом, расположить зону герметизации на уровне свободного конца охватываемого трубного элемента или охватывающего трубного элемента.

В приложении I приведены относительные характеристики резьбовых трубных соединений относительно контактного давления, интегрированного по ширине контакта. Это исследование имело целью провести сравнение, по отношению к эталонному простому трубному резьбовому соединению (случай 1), различных вариантов выполнения резьбовых соединений в соответствии с предлагаемым изобретением, адаптированных к этому простому резьбовому трубному соединению. Резьбовое трубное соединение, взятое в данном случае в качестве эталонного, представляет собой резьбовое соединение, имеющее наружный диаметр 152,4 мм (или 6 дюймов) и вес на единицу длины 27,8 кг/м (или 18,6 фунтов/фут), изготовленное из стали марки ΑΙ8Ι 420 (содержащей 13% Сг) в американской системе обозначений (соответствует марке Х20Сг13 в европейской системе обозначений), подвергнутой обработке степени ΑΡI Ь80 (ΑΡΙ - Американский Институт Нефти), соответствующей минимальному пределу упругости на уровне 551 МПа.

Табл. 1 и 2 касаются соответственно результатов обеспечения наружной и внутренней герметизации в процентах для каждого из рассматриваемых случаев по отношению к внутренней герметизации для эталонного случая:

случай 1: эталонное резьбовое соединение;

случай 2: эталонное резьбовое соединение, покрытое очень длинной манжетой, закрепленной на охватываемом резьбовом элементе и перекрывающей резьбу, а также охватываемую и охватывающую кромки, имеющей толщину 4,5 мм, изготовленной из стали, идентичной стали, из которой изготовлено данное резьбовое соединение (13% Сг), и обработанной идентично этому резьбовому соединению (ΑΡΙ Ь80);

случай 3: эталонное резьбовое соединение, снабженное двумя короткими манжетами в соответствии с предлагаемым изобретением (см. фиг. 8) одинаковой толщины, материал и обработка этих манжет такие же, как и в предшествующем случае;

случай 4: тот же, что и случай 3, но содержащий одну-единственную манжету, располагающуюся на уровне охватывающей кромки, очень тонкую (толщина манжеты составляет 1,6 мм) и приклеенную к охватывающему трубному элементу на уровне ее радиального выступа;

случай 5: тот же, что и случай 4, но содержащий одну-единственную манжету, обработанную для степени ΑΡΙ Ρ 110 (соответствующей пределу упругости материала Вр_0>2 > 758 МПа).

В эталонном случае 1 внутренняя герметичность является высокой, но наружная герметичность является несколько меньшей (44% от величины внутренней герметичности). Использование длинной манжеты (случай 2) улучшает только внутреннюю герметичность. Использование двух коротких манжет (случай 3), толщина которых подобна толщине манжеты в случае 2, улучшает одновременно наружную и внутреннюю герметичность. Сильно уменьшая толщину манжеты (случай 4), можно сохранить наружную герметичность на удовлетворительном уровне (только эта наружная герметичность исследовалась в данном случае). Повышение степени обработки материала манжеты и, следовательно, увеличение предела упругости (случай 5) позволяют повысить наружную герметичность, которая практически достигает уровня герметичности в эталонном случае.

Пиковое значение усилия (не указанное здесь), создаваемое в результате наличия манжеты для диаметрального расширения, и энергия расширения являются достаточно ограниченными.

Для трубного элемента, представляющего две зоны герметизации, наружную и внутреннюю, возможный вариант реализации трубчатой манжеты представляет собой трубчатую деталь перекрытия 45, как это схематически представлено на фиг. 9, содержащую манжеты 34 и 36, показанные на фиг. 8, и связанные между собой при помощи трубчатой перемычки 46. Эта трубчатая перемычка 46 имеет радиальную толщину, значительно меньшую, чем радиальная толщина манжет 34 и 36, позволяющую практически не противодействовать усилию диаметрального расширения на всей длине этой перемычки 46.

Различные способы монтажа этой детали перекрытия являются такими же, как и для единственной трубчатой манжеты 34.

- 13 006214

Предлагаемое изобретение не ограничивается способами его осуществления, описанными в качестве примеров.

Предлагаемое изобретение применяется либо к резьбовым соединениям, представляющим только внутреннюю зону герметизации, либо к резьбовым соединениям, представляющим только наружную зону герметизации, либо к резьбовым соединениям, представляющим и внутреннюю, и наружную зоны герметизации. Предлагаемое изобретение может быть адаптировано к резьбовым соединениям, представляющим также и другие зоны герметизации, например промежуточные зоны герметизации.

Claims (20)

1. Трубное резьбовое соединение с высокими эксплуатационными характеристиками и содержащее первый охватываемый трубный элемент (11) и второй охватывающий трубный элемент (12), которые могут быть соединены друг с другом при помощи свинчивания соответствующих сопряженных между собой резьбовых участков, причем по меньшей мере один из упомянутых первого и второго трубных элементов (11, 12) содержит не имеющую резьбы кромку (38, 5), проходящую между резьбовой частью этого трубного элемента и его свободным концом и имеющую поверхность герметизации (40, 7), выполненную с возможностью вхождения в герметичный контакт с располагающейся против нее поверхностью (41, 8) другого трубного элемента после их свинчивания, диаметрального расширения и возникновения в результате упругих возвратных усилий первого и второго трубных элементов, отличающееся тем, что это трубное резьбовое соединение содержит трубчатую манжету (34, 36), надеваемую перед свинчиванием этого резьбового соединения на упомянутый второй трубный элемент (12), позиционируемую с возможностью прохождения в осевом направлении, в основном, против упомянутой кромки (3, 5) и, после упомянутого диаметрального расширения, создающую возвратное усилие, добавляемое к упругому возвратному усилию второго трубного элемента для обеспечения противодействия упругому возвратному усилию первого трубного элемента, с возможностью, по меньшей мере, стягивания этого второго трубного элемента при помощи упомянутой трубчатой манжеты.

2. Трубное соединение по п.1, отличающееся тем, что не имеющая резьбы кромка (5) первого трубного элемента содержит на своем конце язычок, выполненный с возможностью вхождения в осевой упорный контакт с соответствующей канавкой, выполненной на втором трубном элементе, после свинчивания и перед диаметральным расширением, причем упомянутая не имеющая резьбы кромка может удерживаться при помощи упомянутого язычка в упомянутой канавке в процессе диаметрального расширения.

3. Трубное соединение по любому из пп.1 или 2, отличающееся тем, что поверхность герметизации упомянутой кромки и располагающаяся против нее поверхность выполнены цилиндрическими и располагаются с небольшим зазором друг относительно друга после свинчивания этого соединения и перед его диаметральным расширением.

4. Трубное соединение по п.1, отличающееся тем, что поверхность герметизации упомянутой кромки и располагающаяся против нее поверхность выполнены с возможностью взаимодействовать друг с другом в радиальном направлении после свинчивания этого соединения и перед его диаметральным расширением.

5. Трубное соединение по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что каждый из упомянутых первого и второго трубных элементов (11, 12) содержит кромку (38, 5), не имеющую резьбы и проходящую между резьбовой частью этого элемента и его свободным концом, и формирует поверхность герметизации (40, 7), которая выполнена с возможностью вхождения в герметичный контакт с располагающейся против нее поверхностью (41, 8) другого трубного элемента после свинчивания, причем диаметральное расширение вызывает возникновение упругих возвратных усилий первого и второго трубных элементов, при этом трубное соединение содержит две трубчатые манжеты (34, 36), надеваемые перед свинчиванием на упомянутый второй трубный элемент (12), позиционируемые с возможностью располагаться в осевом направлении, в основном, против упомянутых кромок (38, 5) соответственно и создающие упругое возвратное усилие, добавляемое к возвратному усилию второго трубного элемента для обеспечения про

- 14 006214 тиводействия упругому возвратному усилию первого трубного элемента, обеспечивая, по меньшей мере, стягивание второго трубного элемента при помощи трубчатой манжеты.

6. Трубное соединение по п.5, отличающееся тем, что две трубчатые манжеты (34, 36) связаны между собой при помощи трубчатой перемычки (46), имеющей поперечное сечение, меньшее, чем поперечное сечение упомянутых манжет, причем эти манжеты и упомянутая перемычка выполнены в виде единой детали (46).

7. Трубное соединение по п.6, отличающееся тем, что трубчатая перемычка (46) имеет радиальную толщину, меньшую, чем радиальная толщина манжет.

8. Трубное соединение по любому из пп.1-7, отличающееся тем, что каждая трубчатая манжета (34, 36) имеет длину перекрытия (1т2, 1т1), примерно равную длине располагающейся против нее кромки и дополненную, в случае необходимости, участком, составляющим не более чем 8 шагов упомянутой резьбы.

9. Трубное соединение по п.8, отличающееся тем, что каждая манжета (34, 36) центрирована на упомянутой располагающейся против нее кромке (38, 5).

10. Трубное соединение по любому из пп.1-9, отличающееся тем, что трубчатая манжета (34), располагающаяся против кромки (38) второго трубного элемента, содержит радиальный выступ (42), выполненный с возможностью вхождения в контакт с радиальной поверхностью (39), предусмотренной на конце этого второго элемента (12), и облегчающий позиционирование этой трубчатой манжеты (34).

11. Трубное соединение по любому из пп.1-10, отличающееся тем, что трубчатая манжета (34, 36) удерживается в требуемом положении по отношению к второму трубному элементу (12) путем склеивания по меньшей мере части поверхностей этого второго трубного элемента и располагающейся против них манжеты.

12. Трубное соединение по любому из пп.1-11, отличающееся тем, что трубчатая манжета (34, 36) позиционируется в осевом направлении на втором трубном элементе (12) посредством стягивания, по меньшей мере, путем охлаждения этого второго трубного элемента (12).

13. Трубное соединение по любому из пп.1-12, отличающееся тем, что трубчатая манжета (34, 36) позиционируется в осевом направлении на втором трубном элементе (12) посредством стягивания, по меньшей мере, путем нагревания этой трубчатой манжеты.

14. Трубное соединение по любому из пп.1-13, отличающееся тем, что второй трубный элемент (12) содержит метку, располагающуюся на его наружной периферийной поверхности (37) и способную облегчить позиционирование на ней трубчатой манжеты.

15. Трубное соединение по п.14, отличающееся тем, что упомянутая метка представляет собой канавку небольшой глубины, выполненную на втором трубном элементе (12).

16. Трубное соединение по любому из пп.1-15, отличающееся тем, что радиальная толщина упомянутой трубчатой манжеты составляет по меньшей мере 1,5 мм.

17. Трубное соединение по любому из пп.1-16, отличающееся тем, что материал, из которого изготовлена упомянутая трубчатая манжета, обладает пределом упругости, превышающим предел упругости материала, из которого изготовлены первый и второй трубные элементы.

18. Трубное соединение по любому из пп.1-17, отличающееся тем, что предел упругости материала трубчатой манжеты регулируется при помощи соответствующей термической обработки.

19. Способ реализации герметичного трубного резьбового соединения, отличающийся тем, что за основу берут трубное резьбовое соединение в соответствии с любым из предшествующих пунктов, называемое исходным трубным резьбовым соединением, причем это исходное трубное резьбовое соединение подвергают диаметральному расширению в области пластических деформаций при помощи оправки расширения (30), диаметр которой превышает внутренний диаметр (ΌΙ) упомянутых трубных элементов и которую перемещают в осевом направлении внутри данного резьбового соединения, причем одна или каждая трубчатая манжета после такого диаметрального расширения создает упругое возвратное усилие, добавляемое к упругому возвратному усилию второго трубного элемента в зоне, которую эта манжета перекрывает.

20. Трубное герметичное резьбовое соединение с высокими эксплуатационными характеристиками, получаемое при помощи способа в соответствии с п.19, содержащее первый охватываемый трубный элемент (1) и второй охватывающий трубный элемент (2), соединяемые друг с другом при помощи свинчивания соответствующих сопряженных резьбовых участков, причем по меньшей мере один из этих первого и второго трубных элементов (11, 12) содержит не имеющую резьбы кромку (38, 5), проходящую между резьбовой частью этого трубного элемента и его свободным концом и формирующую поверхность герметизации (40, 7), входящую в герметичный контакт с располагающейся против нее поверхностью (41, 8) другого трубного элемента, причем данное резьбовое трубное соединение дополнительно содержит трубчатую манжету, охватывающую с некоторым усилием стягивания упомянутый второй трубный элемент и проходящую в осевом направлении, в основном, против упомянутой кромки.

- 15 006214

Фиг. 1

- 16 006214

Фиг. 8