NO326307B1 - Gasstett rorforbindelse - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en rørforbindelse med et tappelement og et muffeelement som angitt i innledningen til patentkrav 1.

Offshoreboring etter gass gjennomføres på stadig større havdyp, med større formasjons-trykk. Slike borehull må vedlikeholdes og repareres. Det finnes imidlertid intet til-fredsstillende verktøy, dvs til en streng sammenskrubare spesialrør, på markedet. Den endrede borevirksomhet krever et verktøy med en rørforbindelse som tilfredsstiller kravene til

høy innetrykkfasthet og gasstetthet,

uømfiendtlig, robust utførelse for grov håndtering og ofte gjentatt anvendelse

av samme verktøy,

flere gangers sammenskruing uten tap av tetnings funksjonen,

høye sammenskruingsmomenter og dermed høye forspenninger med hensyn til bøye-vekselpåkjenninger henholdsvis høye dreiemomenter for workover-arbeider,

lettere og raskere inn- og utkjøring,

lett og kostnadsgunstige reparasjonsmuligheter.

For tiden blir offshore/workoverarbeider gjennomført med bruk av større, gasstette rørgjengeforbindelser, som tåler de høye gassinnertrykk, men som har dårlig gjentatt sammenskrubarhet og krever derfor ofte reparasjoner og kan derfor bare benyttes noen få ganger, dvs at bruken er forbundet med høye kostnader. Dessuten er slike forbindel-ser ikke konstruert for de ved offshore/workoverarbeider nødvendigvis forekommende bøye-vekselpåkjenninger som følge av bølger, strømninger eller virvelvibrasjoner, slik at den gjentatte anvendbarhet er sterkt begrenset på grunn av den lave bøyevekselfast-het.

Det kan også anvendes flensforbindelser, men disse er meget tidskrevende både ved montering så vel som demontering, og er forbundet med høye kostnader.

For tilfredsstillelse av de nevnte krav vil generelt sett en spesielt utformet borstang-kobling, særlig med innerskulder og ytterskulder egne seg, fordi en slik konstruksjon kan tåle høye sammenskruingsmomenter og dermed også høye arbeidsdreiemomenter. Borstrengkoblinger tåler imidlertid ikke høyere gasstrykk. Det er kjent at man ved hjelp av en ekstra tetningsring, eksempelvis av teflon, kan tilveiebringe en avtetning relativt et gassinnertrykk. En slik avtetning er imidlertid begrenset gjentatt anvendbar og egner seg bare for lavere trykk (se firmaprospekt - Mannesmann OCTG -"Premium Test Drill Pipe for high pressure oil and gas wells" nr 2/89).

Fra WO 96/03605 er det kjent en rørforbindelse. Denne kjente, i en borstreng anvendte rørforbindelse består av et tappelement, som har et mellom en ytre skulder og en tappendeflate anordnet kjegleformet yttergjengeavsnitt og et mellom den ytre skulder og ytre gjengeavsnittet så vel som et mellom yttergjengeavsnittet og tappendeflaten anordnet gjengefritt avsnitt, og med et med tappelementet sammenskrubart muffeelement, som har et mellom en indre skulder og en muffe endeflate anordnet kjegleformet innergjengeavsnitt og et mellom den indre skulder og innergjengeavsnittet så vel som et mellom innergjengeavsnittet og muffeendeflaten anordnet gjengefritt avsnitt, idet de i den sammenskruede tilstand motliggende gjengefrie avsnitt i området ved den ytre skulder er lengre enn de i området ved den indre skulder liggende frie avsnitt på tapp-og muffeelementet.Den ved sammenskruingen med muffeendeflaten i kontakt kommende ytre skulder danner primærskulderen.

En lignende rørforbindelse er vist i DE-3,245,819 Bl. Denne likeledes som borstreng-kobling utformede rørforbindelse har de samme trekk som den foranbeskrevne rørfor-bindelse, og også i denne utførelsesforrnen er det ytterskulderen som danner primærskulderen, som er den som aktiveres først ved sammenskruingen. Lengden til de i området ved ytterskulderen liggende gjengefrie avsnitt er likeledes større enn lengden til de i området ved innerskulderen liggende gjengefrie avsnitt. Videre foreslås det at avstanden fra muffeendeflaten til den indre skulder skal være større enn avstanden fra tappeendeflaten og til den ytre skulder. Derved tilveiebringes det en spalte når muffeendeflaten ved manuell sammenslcruing får anlegg mot den ytre skulder.

Disse to kjente rørforbindelser tilfredsstiller ikke de spesielle krav som må stilles til rørforbindelser for offshore/workoverarbeider.

Hensikten med oppfinnelsen er å videreutvikle den kjente rørforbindelse slik at den tilfredsstiller de spesielle krav som stilles ved offshore/workoverarbeider. Disse spesielle krav er høy gasstetthet ved innertrykk over 68950 kPa (10 000 psi), høy motstandskraft mot bøyevekselpåkjenninger, robusthet ved håndteringen og flere gangers gjentatt anvendbarhet uten at tettheten går tapt, så vel som hurtig montering og demontering og lett og kostnadsgunstige reparasjonsmuligheter.

Denne hensikt oppnås med en rørforbindelse som angitt i patentkrav 1. Fordelaktige videreutviklinger er angitt i de uselvstendige patentkrav.

For opptak av de nødvendige høye dreiemomenter benyttes på kjent måte de vanlige ytter- og innerkontakter. For i tillegg å kunne begrense belastningen på den sekundært virkende innerkontakt, er det utformet et langt og gjengefritt avsnitt på tappeelementet, med ett element av den metalliske avtetning. Nedenfor skal tappelementets gjengefrie avsnitt ved innerkontakten betegnes som en leppe. Leppens lengde er minst to ganger og fortrinnsvis opptil tre ganger så stor som lengden til det gjengefrie avsnitt ved ytterskulderen. Derved oppnås at ytterskulderen ved økende sammenskruingsmoment får økende belastningsandel og at de aksiale trykkspenninger i leppen holdes lave. Slike aksiale trykkspenninger reduserer inertrykkbelastningsevnen. En ulempe er imidlertid at en lengre leppe vil få større nedbøyning, hvilket vil kunne redusere tetningssitsen. Dette problem løses ved at det er anordnet en støttekontakt som reduserer nedbøyningen til en uskadelig verdi. I muffeelementet er det for øking av elastisiteten mellom gjenge-og tetningsområdet anordnet et spor hvis funksjon består i ikke å avlaste muffelegemet som et avlastningsspor for nedbygging av spenningstopper, men primært for å gjøre dette området mer elastisk, for derved å redusere leppekompirmeringen. Samtidig tje-ner dette spor til opptak av overskytende gjengefett fra gjengene. Fettet kan samle seg i sporet, uten utøvelse av et skadelig trykk på tetningssystemet. Dimensjoneringen av sporet tar dessuten også hensyn til benyttelsen av multippeltannverktøy for økonomisk fremstilling av gjengene.

Ved egnet valg av radiene til de krummede kontaktflater i muffeelementet så vel som ved optimalisering av de innbyrdes påvirkede avstander mellom tetningssetet og kon-taktflaten og støttekontaktstillingen oppnås at det i tetningssitsen tilveiebringes konstant flatepressing som er tilstrekkelig stor og er mest mulig uavhengig av fremstillingstole-ranser i overlappingen og av lengdeforskj eller mellom tapp- og muffeelementene, og slik at variasjoner i støttekontakten kan oppfanges. De krummede kontaktflater kan alternativt også være anordnet i tappelementets mot innerskulderen vendte gjengefrie avsnitt, idet da det dermed samvirkende gjengefrie avsnitt i muffeelementet er utformet som en rett, skråstilt flate.

Beregninger og analyser har vist at man oppnår de ønskede resultater ved de følgende verdier for de relevante parametere:

Til grunn for beregningene ligger videre at den i gjengeavsnittene tilveiebragte gjenge for redusering av radialkomponenten som følge av aksialbelastninger har en brattere lastflanke enn sammenlignbare gjenger (eksempelvis API) på 15 til 20° (fortrinnsvis 18°), og en gjengestigning på 0,5 til 4 gjenger pr 25,4 mm (fortrinnsvis 3 gjenger pr 25,4 mm) så vel som en konisitet fra 1:4 til 1:8 (fortrinnsvis 1:6). Tetningskonisiteten skal være 1:3 til 1:5 (fortrinnsvis 1:4). Den store gjengestigningen og den bratte tet-ningskonus gir kort friksjonsstrekning under sammenskruing og løsskruing og dermed mindre slitasje.

Ifølge et videre trekk ved oppfinnelsen er den indre skulder utformet som en skulder på 90°. Det medfører den fordel at oppståelsen av radialkrefter unngås ved kompresjonen. Radialkrefter ville ha en ugunstig innvirkning på tetningssystemet.

Oppfinnelsen skal nå forklares nærmere under henvisning til tegningene som viser et utførelseseksempel av den nye rørforbindelse. På tegningene viser fig. la et halvsnitt av et muffeelement ifølge oppfinnelsen, fig. lb viser et halvsnitt av et tappelement ifølge oppfinnelsen, og fig. 2 viser den ifølge oppfinnelsen utformede gjengeform, i større målestokk. 1 fig. la er det vist et halvsnitt gjennom et muffeelement 1 ifølge oppfinnelsen, og i fig. lb er det vist et tappelement 2 ifølge oppfinnelsen. Muffeelementet 1 har et mellom en indre skulder 3 og en muffeendeplate 4 liggende kjegleformet innergjengeavsnitt 5. Mellom begynnelsen av innergjengeavsnittet 5 og muffeendeflaten 4 er det anordnet et kjegleformet gjengefritt avsnitt 6. Muffeelementets 1 andre gjengefrie avsnitt 20 befinner seg mellom enden av innergjengeavsnittet 5 og den indre skulder 3. Muffeelementets 1 ytre diameter er angitt med en pil 8. Det med muffeelementet 1 sammenskrubare, ifølge oppfinnelsen utformede tappelement 2 har et mellom en ytre skulder 9 og en tappendeflate 10 liggende yttergjengeavsnitt 11. Mellom enden av yttergjengeavsnittet 11 og den ytre skulder 9 er det et sylindrisk gjengefritt avsnitt 12. Tappelementets 2 andre gjengefrie avsnitt 19 befinner seg mellom yttergjengeavsnittets 11 begynnelse og tappendeflaten 10.

Ifølge oppfinnelsen er muffeelementets 1 andre gjengefrie avsnitt 20 delt i en tetningsdel 26 og et spor 7. Sporet 7 strekker seg fra enden av innergjengeavsnittet 5 og til begynnelsen av tetningsdelen 26. I tetningsdelen 26 er utformet to hvelvede kontaktflater 13,14. Den nærmest innerskulderen 3 liggende kontaktflate 13 er utformet som tetningssete og den lengre fra innerskulderen liggende kontaktflate 14 er utformet som støttekontakt. Tetningssetet 13 og støttekontakten 14 vil ved sammenskruingen få sam-virke med en i tappelementets 2 gjengefrie avsnitt 19 anordnet rett kjegleflate 15. Stigningen til denne kjegleflate 15 velges relativt bratt og ligger fortrinnsvis ved 1:4. I ret-ning mot yttergjengeavsnittet 11 går kjegleflaten 15 over i en andre kjegleflate 16. Den er noe flatere og har fortrinnsvis en stigning på 1:6. På grunn av stigningsforskjellen vil overgangsflaten 16 beskytte tetningssetet mot beskadigelsen Stigningen til overgangs-kjegleflaten 16 tilsvarer fortrinnsvis også stigningen til innergjengeavsnittet 5 og yttergjengeavsnittet 11.

Den ytre skulder 9 på tappelementet 2 danner primærskulderen, som er den som aktiveres først ved en kreftepåvirket sammenskruing. Dette oppnås ved at avstanden 17 mellom den indre skulder 3 og muffeendeflaten er større enn avstanden 18 mellom den ytre skulder 9 og tappeendeflaten 10. Et ytterligere vesentlig kjennetegn ved den nye rørfor-bindelse ifølge oppfinnelsen er at lengden til det gjengefrie avsnitt 19 på tappelementet 2 i området ved den indre kontakt er minst to ganger så stor som lengden til muffeelementets 1 gjengefrie avsnitt 6 i området ved den ytre kontakt. Tappelementets 2 inner-diameter er angitt med en pil 21.

I fig. 2 er den nye gjengeform ifølge oppfinnelsen vist i noe større målestokk. I den øvre del av fig. 2 er det vist 1 14 tann 22.2,22.2 i muffeelementets 1 innergjengeavsnitt 5. Den nedre del viser en tann 23.1 i tappelementets 2 yttergjengeavsnitt 11. Grunn-formen til begge gjengeavsnitt 5,11 er en grov rundgjenge, som bygger på API-stand-arden, noe som er fordelaktig for den nødvendige gjentatte sammenskruing. Det kan her dreie seg om 100 gangers og mer sammenskruinger. Videre egner gjengeformen seg for rask sammenføring, dvs for en såkalt "stabbing" av tappelement 2 og muffeelement 1. Styreflanken 24 har analogt med API-rotarygj engen en vinkel på 30°. Til avvik fra API er lastflankens 25 vinkel brattere, i området fra 15 til 20°, fortrinnsvis 18°. Dette gjelder på lignende måte også for tennene 23.1 i tappelementets 2 yttergjengeavsnitt 11.

Claims (15)

1. Rørforbindelse med et tappelement (2), som har et mellom en ytre skulder (9) og en tappendeflate (10) anordnet kjegleformet yttergjengeavsnitt (11) og et mellom den ytre skulder (9) og yttergjengeavsnittet (11) så vel som et mellom yttergjengeavsnittet (11) og tappendeflaten (10) anordnet gjengefritt avsnitt (12,19), og med et med tappelementet (2) sammenskrubart muffeelement (1), som har et mellom en indre skulder (3) og en muffeendeflate (4) anordnet kjegleformet innergjengeavsnitt (5) og et mellom den indre skulder (3) og innergjengeavsnittet (5) så vel som et mellom innergjengeavsnittet (5) og muffeendeflaten (4) anordnet gjengefritt avsnitt (20,6), idet de i den sammenskrudde tilstand motliggende gjengefrie avsnitt (19,20) på tapp- og muffeelementet i området ved den indre skulder (3) har en annen lengde enn de i området ved den ytre skulder (9) liggende gjengefrie avsnitt (12,6) på tapp- og muffeelementet, karakterisert ved at den ved sammenskruingen med muffeendeflaten (4) i kontakt kommende ytre skulder (9) på tappelementet (2) danner en primærskulder og avstanden (18) mellom tappendeflaten (10) og den ytre skulder (9) er mindre enn avstanden (17) mellom muffeendeflaten (4) og den indre skulder (3) på muffeelementet, at de i området ved den indre skulder (3) henholdsvis tappendeflaten (10) anordnede gjengefrie avsnitt (20,19) er minst dobbelt så lange som de i området ved den ytre skulder (9) henholdsvis muffeendeflaten (4) for hånden værende avsnitt (12,6), idet det gjengefrie avsnitt (20) på muffeelementet (1) har et spor (7) og en tetningsdel (26), og i den sammenskrudde tilstand det nærmest tappendeflaten (10) liggende gjengefrie området (15) på tappelementet (2) for kontakt med muffeelementets (1) tetningsdel (26) og danner en mekanisk tetning, hvilken tetningsdel (26) har to i innbyrdes aksial avstand plasserte kontaktflater (13,14), av hvilke den som tetningssete virkende kontaktflate (13) er nærmere til og den en støttevirkning utøvende andre kontaktflate (14) er lengre fra den indre skulder (3), og det for øking av elastisiteten anbrakte spor (7) er anordnet mellom gjengeavsnittet (5) og tetningsdelen (26).

2. Rørforbindelse ifølge krav 1, karakterisert ved at de i området ved den indre skulder (3) henholdsvis tappendeflaten (10) for hånden værende gjengefrie avsnitt (19,20) er tre ganger så lange som de i området ved den ytre skulder (9) henholdsvis muffeendeflaten (4) for hånden værende gjengefrie avsnitt (6,12).

3. Rørforbindelse ifølge krav log2, karakterisert ved at innergjengeavsnittet (5) og yttergjengeavsnittet (11) har en grov standardgjenge, hvis lastflanke (25) har et vinkelområde på 15 til 20° og hvis styreflanke (24) har en vinkel på 30°.

4. Rørforbindelse ifølge krav 3, karakterisert ved at last-flanken (25) har en vinkel på 18°.

5. Rørforbindelse ifølge krav 3 og 4, karakterisert ved at gjengestigningen ligger i området mellom 2,5 til 4 gjenger pr 25,4 mm.

6. Rørforbindelse ifølge krav 5, karakterisert ved at gjengestigningen er 3 gjenger pr 25,4 mm.

7. Rørforbindelse ifølge et av kravene 3 til 6, karakterisert v e d at gjengeavsnittenes (5,11) konisitet ligger i området mellom 1:4 til 1:8.

8. Rørforbindelse ifølge krav 7, karakterisert ved at gjengeavsnittenes (5,11) konisitet er 1:6.

9. Rørforbindelse ifølge et av kravene 1 ti 8, karakterisert ved at tappelementet (2) i det gjengefrie avsnitt (19) har en skrått forløpende, rett kontaktflate og at muffeelementet (1) har to dermed samvirkende, konvekst hvelvede kontaktflater (13,14).

10. Rørforbindelse ifølge krav 9, karakterisert ved at radiene til de hvelvede kontaktflater (13,14) i muffeelementet (1) er større enn den midle-re radius for tappelementets (2) leppe og at tetningskontaktflatens (13) radius alltid er mindre enn støttekontaktflatens (14) radius.

11. Rørforbindelse ifølge ett av kravene 9 og 10, karakterisert v e d at overmålet i kontaktflatene (13,14) (diameterforskjell muffeelement (1)-tappelement (2)) er materialavhengig, idet overmålet i støttekontaktflaten (14) alltid er mindre enn i tetningskontaktflaten (13) og de følgende betingelser er oppfylt:

12. Rørforbindelse ifølge ett av kravene 9 til 11, karakterisert ved at avstandene mellom tetningskontaktflaten (13) og tappelementets (2) ende (10) på den ene side og mellom tetningskontaktflaten (13) og støttekontaktflaten (14) på den annen side så vel som mellom støttekontaktflaten (14) og gjengebegynnelsen (11) tilfredsstiller de følgende betingelser:

13. Rørforbindelse ifølge et av kravene 7 til 12, karakterisert v e d at stigningen til tappelementets (2) rette kontaktflate ligger i området mellom 1:3 ti 1:5, og går over i en stigning tilsvarende den for gjengeavsnittet (11).

14. Rørforbindelse ifølge krav 13, karakterisert ved at stigningen til tappelementets (2) rette kontaktflate er 1:4.

15. Rørforbindelse ifølge et av kravene 1 til 14, karakterisert ved at den indre skulder (3,10) er utformet som 90°-skulder.