РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ Российский патент 2014 года по МПК F16L15/06 E21B17/42 

Изобретение относится к области плотных соединений для трубчатых компонентов, которые используются, в частности, при бурении или эксплуатации углеводородных скважин. При бурении или эксплуатации соединения подвергаются воздействию значительных напряжений на сжатие и растяжение и не должны разъединиться.

Подобные соединения подвергаются воздействию осевых напряжений на сжатие и растяжение, напряжений, вызванных внутренним и внешним давлением текучей среды, напряжений изгиба или скручивания, возможно, объединенному воздействию нескольких напряжений с изменяемой интенсивностью. Плотность соединения должна оставаться неизменной несмотря на нагрузки и тяжелые условия эксплуатации. Резьбовые соединения должны обеспечивать многократное выполнение соединения и разъединения без ухудшения их эксплуатационных характеристик, в частности без истирания. После разъединения трубчатые компоненты могут быть повторно использованы в других условиях эксплуатации.

При воздействии напряжений может возникнуть явление, которое называется "выход из зацепления", и данное явление может распространяться от одного витка резьбы к другому, что создает риск разъединения. Данному явлению способствует высокое внутреннее давление.

Изобретение предлагает улучшенное соединение, отличающееся улучшенными характеристиками при натяжении, для геологоразведочных работ или эксплуатации углеводородных скважин. Резьбовое соединение содержит первый и второй трубчатый компонент. Первый компонент содержит охватываемый конец, содержащий резьбовую зону, расположенную на его внешней периферийной поверхности. Второй компонент содержит охватывающий конец, содержащий резьбовую зону, расположенную на его внутренней периферийной поверхности. Резьбовая зона охватываемого конца ввинчена в резьбовую зону охватывающего конца. Резьбовые зоны содержат соответствующие охватываемые и охватывающие витки резьбы. Витки резьбы содержат основание, вершину, стыковочную боковую сторону и нагрузочную боковую сторону. В нагрузочной боковой стороне резьбовой зоны охватывающего конца и/или соответствующего охватываемого конца рядом с основанием расположен паз. Имеется выступ, который выступает в осевом направлении из нагрузочной боковой стороны резьбовой зоны охватываемого конца и/или соответствующего охватывающего конца, рядом с вершиной. Выступ содержит выпуклую поверхность и вогнутую поверхность. Выступ располагается в пазе, причем в соединенном состоянии между вогнутой поверхностью и пазом присутствует радиальный зазор. В соединенном состоянии между концом выступа и дном паза присутствует осевой зазор.

Дистальная поверхность охватываемого конца и/или охватывающего конца может быть приведена в осевой упорный контакт с соответствующей упорной поверхностью.

Выступ может иметь форму непрерывной или прерывистой спирали. Витки резьбы могут иметь постоянную осевую протяженность. Между стыковочными сторонами охватываемых и охватывающих витков резьбы в соединенном состоянии может присутствовать осевой зазор. Величина осевого зазора между стыковочными сторонами в соединенном состоянии может составлять от 0,05 мм до 1 мм.

Величина осевого зазора между концом выступа и дном паза в соединенном состоянии может составлять от 0,011 мм до 2 мм.

Величина радиального зазора между вогнутой поверхностью выступа и пазом в соединенном состоянии может составлять от 0,005 мм до 2 мм.

Осевая протяженность витков резьбы может различаться.

Радиальный зазор между вершиной резьбовой зоны охватывающего конца и основанием резьбовой зоны охватываемого конца и/или между вершиной резьбовой зоны охватываемого конца и основанием резьбовой зоны охватывающего конца может составлять от 0,05 мм до 0,5 мм, предпочтительно менее 0,2 мм, в соединенном состоянии. Между вершиной резьбовой зоны охватывающего конца и основанием резьбовой зоны охватываемого конца или между вершиной резьбовой зоны охватываемого конца и основанием резьбовой зоны охватывающего конца может существовать диаметральное сцепление.

Величина осевого зазора между стыковочными сторонами в соединенном состоянии может составлять от 0,05 мм до 2 мм.

Осевая поверхность выступа, обладающая большим диаметром, может находиться на одном уровне с вершиной резьбовой зоны охватываемого конца.

Вершина резьбовой зоны охватываемого конца может быть по существу направлена вдоль оси или сведена на конус. Основание резьбовой зоны охватываемого конца может быть по существу направлено вдоль оси или сведено на конус. Вершина резьбовой зоны охватывающего конца может быть по существу направлена вдоль оси или сведена на конус. Основание резьбовой зоны охватывающего конца может быть по существу направлено вдоль оси или сведено на конус.

Стыковочная сторона резьбовой зоны охватывающего конца может содержать прямолинейную часть, имеющую положительный наклон под углом, равным от 10° до 35°, предпочтительно от 15° до 25°. Стыковочная сторона резьбовой зоны охватываемого конца может содержать прямолинейную часть, имеющую положительный наклон под углом, равным от 10° до 35°, предпочтительно от 15° до 25°. Нагрузочная боковая сторона резьбовой зоны охватываемого и охватывающего конца может содержать прямолинейную часть, имеющую отрицательный наклон под углом, равным от 3° до 15°, предпочтительно от 3° до 5°.

Осевая длина выступа может составлять от 0,1 мм до 1 мм, предпочтительно от 0,2 мм до 0,4 мм. Осевая длина выступа может составлять от 50% до 150% радиальной высоты выступа, предпочтительно от 80% до 120%. Радиальная высота выступа может составлять от 0,1 мм до 1,5 мм, предпочтительно от 0,2 мм до 0,5 мм. Радиальная высота выступа может составлять от 5% до 45% радиальной высоты витка резьбы, предпочтительно от 10% до 30%. Конец выступа может быть по существу радиальным. Диаметр витков резьбы может различаться.

Внешний диаметр трубчатого компонента может превышать 250 мм, предпочтительно превышать 350 мм. Трубчатый компонент может быть обсадной трубой.

Дистальная поверхность охватываемого конца и/или охватывающего конца может быть приведена в осевой упорный контакт с соответствующей упорной поверхностью.

Каждый охватываемый и охватывающий конец может содержать уплотняющую поверхность, которые могут взаимодействовать друг с другом путем затягивания в уплотнении металл-металл.

Термин "навинчивание" обозначает процесс относительного вращения и перемещения одного компонента относительно другого с взаимным сцеплением резьбовых зон. Термин "соединение" или "свинчивание" обозначает процесс, следующий за навинчиванием, продолжающий относительное вращение и перемещение, что приводит к заданному крутящему моменту свинчивания между двумя компонентами. Это является соединенным состоянием. Угол сторон измеряется по часовой стрелке относительно радиальной плоскости, проходящей через основание сторон на уровне радиуса кривизны галтели, соединенного с основанием.

Дальнейшие характеристики и преимущества изобретения станут очевидны из следующего подробного описания и сопроводительных графических материалов, на которых:

Фигура 1 является схематическим изображением первого резьбового соединения в продольном сечении;

Фигура 2 является схематическим изображением второго резьбового соединения в продольном сечении;

Фигуры 3-5 является схематическими изображениями примеров резьбовых зон соединения в продольном полуразрезе; и

Фигура 6 является схематическим изображением соединения под воздействием высокой осевой нагрузки.

Сопроводительные графические материалы могут служить не только для дополнения изобретения, но также при необходимости для способствования его определению.

Для улучшения соединений автор изобретения разработал более совершенные соединения, названные высококачественными соединениями, которые превосходят стандарты АНИ. По выбору, рядом с резьбовыми зонами могут располагаться уплотняющие поверхности, при этом указанные поверхности находятся в зацеплении при навинчивании компонентов.

Резьбовые зоны расположены в конце каждой из охватываемых и охватывающих трубчатых деталей. Охватывающий трубчатый компонент может быть длинной трубой или, напротив, короткой соединительной трубой. Таким образом, непроницаемость для текучей среды (жидкости или газа), находящейся под высоким давлением, является результатом приведения уплотняющих поверхностей в контакт с взаимным радиальным сцеплением. Плотность радиального сцепления является отношением относительного осевого расположения охватываемых и охватывающих резьбовых зон, причем указанное относительное расположение определяется, например, контактом упорных поверхностей, расположенных соответственно на охватываемом и охватывающем концах.

Поскольку относительное расположение является результатом контакта упоров, на внутренней поверхности соединения расположены упорные поверхности. На своей внешней периферии охватываемый конец содержит резьбовую зону, продолженную уплотняющей поверхностью, которая, в свою очередь, продолжена конечной частью, которая оканчивается упорной поверхностью, расположенной радиально относительно оси вращения соединения. На своей внутренней периферии охватывающий конец содержит резьбовую зону, продолженную уплотняющей поверхностью, которая, в свою очередь, продолжена конечной частью, которая оканчивается упорной поверхностью, расположенной радиально относительно оси вращения соединения. Таким образом, соединение имеет двойной упор. Другие соединения имеют одинарный упор, расположенный радиально снаружи резьбовой зоны или изнутри резьбовой зоны.

Особое внимание заявитель уделил резьбовым соединениям крупного диаметра, с диаметром более 300 мм, в частности более 375 мм. Подобные соединения часто подвергаются воздействию значительных растягивающих и сжимающих нагрузок. Таким образом, желательно обеспечить хорошие характеристики соединения при растяжении и сжатии. При чрезмерной растягивающей нагрузке витки резьбы могут отделяться друг от друга вследствие явления расцепления, которое вызывает разделение двух компонентов соединения. С точки зрения техники и затрат последствия могут быть особенно неблагоприятными. В данном конкретном случае резьба имеет коническую образующую; выход резьбы из зацепления может привести к полному разъединению соединения.

В US 4822081 описана резьба для охватываемых и охватывающих соединений, которые используются в трубах для нефтепоисковых работ. Резьба относится к самоблокирующемуся типу, в котором между сторонами образуется контакт, если заплечики и торцевые поверхности находятся в контакте. Упорные поверхности являются коническими с разными углами сужения. Резьба также характеризуется самозапиранием в радиальном направлении. Данный тип самоблокирующегося и самозапорного резьбового соединения требует наличия очень высокого крутящего момента свинчивания, которого трудно достичь в трубах большого диаметра. Так как свободное пространство в резьбе очень мало, навинчивание может привести к тому, что смазочные вещества окажутся под высоким давлением, что может вызвать течи. Так как осевые положения упорных поверхностей относительно резьбы являются неточными из-за производственных погрешностей, это может привести к неправильному расположению уплотняющих поверхностей и последующей протечке. Окончание процесса навинчивания тяжело проследить путем определения верхнего предела крутящего момента в связи с отсутствием жесткого упора при навинчивании. Положения упора достигаются при окончательном свинчивании. Чрезмерный крутящий момент навинчивания может привести к пластической деформации уплотняющих поверхностей, что негативно влияет на герметичность соединения.

В документе US 5462315 описано трубчатое соединение с центральным уплотнением между двумя частями резьбы. Нагрузочные боковые стороны резьбы после свинчивания располагаются во взаимном контакте. Недостатки данного типа по существу такие же, что и недостатки предыдущего типа.

В документах US 2002/27363, EP 1046179 и EP 1302623 предусмотрен контакт сторон резьбы после свинчивания.

Документ JP 2002/081584 описывает профиль резьбы с взаимодействием захватов. Данные захваты поддерживают все растягивающие нагрузки и нагрузки, создающие радиальные смещения, которые могут повредить витки резьбы повторяющимися циклическими нагрузками. Растягивающие нагрузки должны оставаться низкими благодаря небольшой площади поверхности, посредством которой они передаются. Стыковочные боковые стороны имеют отвесный наклон, который отрицательно влияет на прочность на сжатие. Сильный крутящий момент навинчивания является необходимым из-за наличия взаимных помех, возникающих между вершинами резьбы и углублениями резьбы.

Автор изобретения разработал соединение, которое значительно снижает риск выхода из зацепления, независимо от положения резьбы, при низком крутящем моменте навинчивания, что позволяет обеспечить надлежащее расположение несущих поверхностей и предоставляет достаточно пространство для смазочных материалов. Резьба имеет различную ширину витков. В соединенном состоянии, т.е. после свинчивания, присутствует осевой зазор между стыковочными сторонами, а также присутствует радиальный зазор между основаниями и вершинами витков резьбы. Нагрузочные боковые стороны витков резьбы расположены под отрицательным углом. Стыковочные боковые стороны витков резьбы расположены под положительным углом. Упор обеспечивает надлежащее расположение уплотняющих поверхностей.

Как видно на фиг. 1, резьбовое трубчатое соединение 1 содержит охватывающий конец 2 и охватываемый конец 3. Охватывающий конец 2 и/или охватываемый конец 3 могут принадлежать трубе длиной несколько метров, например длиной порядка 10-15 метров. Один конец, обычно охватывающий, может составлять конец соединительной муфты, другими словами короткой трубы, позволяющей соединить две длинные трубы, каждая из которых содержит два охватываемых конца (соединение с резьбой и муфтой, известное как соединение T&C). Соединительная муфта может содержать два охватывающих конца. В одном из вариантов длинная труба может содержать один охватываемый конец и один охватывающий конец (резьбовое соединение, выполненное за одно). Соединение 1 является соединением, которое изготавливается в ходе массового производства.

Соединение 1 может использоваться для создания обсадных колонн или насосно-компрессорных колонн для углеводородных скважин, или вертикальных труб для подземного ремонта, или колонн бурильных труб для тех же скважин.

Различные типы труб могут изготавливаться из нелегированной, низколегированной или высоколегированной стали, или даже из сплавов черных и цветных металлов, которые являются теплообработанными или холоднодеформированными, в зависимости от условий эксплуатации, таких как, например, уровень механического напряжения, коррозионные свойства текучей среды, расположенной внутри или снаружи труб и т.д. Также возможно использовать стальные трубы с низкой коррозионной устойчивостью, оснащенные защитным покрытием, например сплавом, устойчивым к коррозии, или синтетическим материалом.

Резьбовой охватывающий конец 2 содержит охватывающую резьбовую зону 4. Охватывающая резьбовая зона 4 является конической, при этом половинный угол составляет от 0,5° до 5°, предпочтительно от 1° до 3°. Охватывающая резьбовая зона 4 расположена снаружи охватывающего элемента 2. Охватываемый конец 3 содержит охватываемую резьбовую зону 5, расположенную на внешней поверхности указанного охватываемого конца 3. Охватываемая резьбовая зона 5 сопряжена с охватывающей резьбой 4. Охватываемая резьбовая зона 5 имеет конусность, которая по существу равна конусности охватывающей резьбовой зоны 4.

На стороне, противоположной упорным поверхностям 7 и 8 относительно резьбовых зон 4 и 5, охватываемый конец 3 содержит дистальную поверхность 6, которая по существу перпендикулярна оси 20 соединения. Термин "дистальная поверхность" обозначает поверхность, расположенную между непрерывной или прерывистой резьбовой зоной и свободным концом охватываемого или охватывающего элемента. Дистальная поверхность может быть расположена на указанном свободном конце. В данном случае дистальная поверхность 6 является конечной поверхностью. Охватываемая резьбовая зона 5 проходит от конечной поверхности 6 на расстояние, достаточное для размещения уплотняющей поверхности. В соединенном состоянии конечная поверхность 6 отделена от любой выбираемой, по существу радиальной, поверхности охватывающего конца 2, в частности заплечика, расстоянием, равным по меньшей мере 0,1 мм.

Дистальная поверхность охватывающего конца 2 имеет форму кольцевой поверхности, в данном случае, по существу радиальной. Дистальная поверхность образует осевую упорную поверхность 8, которая позволяет ограничивать относительное осевое перемещение охватывающего конца 2 и охватываемого конца 3. Упорная поверхность 8 находится в контакте с заплечиком охватываемого конца 3, который также образует упорную поверхность 7, в данном случае, по существу радиальную. Упорная поверхность 8 может быть радиальной или наклонной под углом до 45° относительно радиальной плоскости. Упорная поверхность 8 может иметь коническую форму, как в документе EP 0488912, тороидальную форму, как в документе US 3870351 или в WO 2007/017082, или многоступенчатую, как в документе US 4611838, с выступом, как в документе US 6047797, или комбинацию данных форм. Читателю предлагают ознакомиться с данными документами. В примере, изображенном на фиг. 1, величина абсолютного угла составляет менее 1°. Упорные поверхности 7 и 8 охватывающего конца 2 и охватываемого конца 3 расположены в радиальном направлении на внешней стороне соединения. Упорные поверхности 7 и 8 расположены между охватывающей 4 и охватываемой 5 резьбовой зоной и внешней поверхностью соединения 1.

Между резьбовой зоной 4 и упорной поверхностью 8 охватывающий конец 2 содержит по существу коническую или цилиндрическую безрезьбовую поверхность 14, которая удалена в радиальном направлении от по существу конической или цилиндрической поверхности 15 охватываемого конца 3, расположенной между резьбовой зоной 5 и упорной поверхностью 7. Пространство, которое осталось свободным между поверхностями 14 и 15, может выступать в качестве резервуара для смазочных веществ при выталкивании смазочных веществ между резьбовыми зонами 4 и 5 в ходе навинчивания. Данные поверхности 14 и 15 обеспечивают прохождение обрабатывающего вставного резца

На одной стороне резьбовой зоны 4, противоположной упорной поверхности 8, охватывающий конец 2 содержит выемку 10 и поверхность вращения 12. На фиг. 1, выемка 10 имеет форму поверхности, продолжающей основание витков резьбы резьбовой зоны 4. Выемка 10 облегчает удаление режущего инструмента из резьбовой зоны 4. Выемка 10 может выступать в роли резервуара для смазочных веществ при выталкивании смазочных веществ между резьбовыми зонами 4 и 5 в ходе навинчивания. Выемка 10 может иметь форму, обладающую такой же конусностью, что и основание витков резьбы резьбовой зоны 4. Поверхность вращения 12 продолжает выемку 10 в направлении, противоположном упорной поверхности 8. Диаметр поверхности вращения 12 уменьшается в направлении, противоположном упорной поверхности 8. Поверхность вращения 12 может быть сведена на конус. В настоящем случае поверхность вращения 12 имеет куполообразную форму в виде круглой или эллиптической дуги в сечении, выполненном в осевой плоскости. Радиус круглой или эллиптической дуги может составлять от 8 мм до 25 мм. Помимо этого, охватывающий конец 2 содержит по существу цилиндрическую поверхность вращения 16.

Охватываемый конец 3 содержит кромку 9, проходящую по оси за пределы охватываемой резьбовой зоны 5 до дистальной конечной поверхности 6. Внешняя сторона кромки 9 содержит безрезьбовую поверхность 11, которая продолжает основание витков резьбы резьбовой зоны 5. Безрезьбовая поверхность 11 может обладать такой же конусностью, что и основание витков резьбы резьбовой зоны 5. Кромка 9 содержит поверхность вращения 13, расположенную на ее внешней стороне напротив резьбовой зоны 5. Осевая длина поверхности вращения 13 слегка меньше осевой длины поверхности вращения 12. Часть поверхности вращения 13 и часть поверхности вращения 12 находятся во взаимном радиальном сцеплении в соединенном положении соединения 1, изображенном на фигурах. Поверхности вращения 12 и 13, которые образуют уплотняющие поверхности, позволяют предотвратить перемещение текучей среды между пространством внутри и снаружи соединения. В других вариантах осуществления поверхность вращения 13 может иметь куполообразную форму в виде круглой или эллиптической дуги и/или поверхность вращения 12 может быть сведена на конус.

В данном случае поверхность вращения 13 по существу сведена на конус. Величина угла конусности может составлять от 1° до 45°, предпочтительно от 3° до 20°, например 6°. Величина угла конусности поверхности вращения 13 может быть больше величины угла конусности резьбовых зон 4 и 5. Дистальная конечная поверхность 6 соединена с торцом поверхности вращения 13 со стороны, противоположной резьбовой зоне 4. Соединение содержит осевой упор, образованный поверхностями 7 и 8, который обеспечивает точное расположение зоны уплотнения, образованной поверхностями вращения 12 и 13 в соединенном состоянии.

Вариант осуществления, изображенный на фиг. 2, подобен предыдущему варианту осуществления, но отличается от него тем, что поверхность вращения 12, образующая уплотнение, сведена на конус и ее половинный угол составляет, например, от 1° до 30°. Поверхность вращения 13, образующая уплотнение, сведена на конус и ее половинный угол составляет от 1° до 30°. Половинный угол поверхности вращения 13 меньше половинного угла поверхности вращения 12. Известным образом изображение поверхностей вращения 12 и 13 отображает ситуацию взаимного проникновения, для того чтобы отобразить диаметральное сцепление. Очевидно, что поверхности вращения 12 и 13 слегка деформируются в зоне взаимного контакта. Поверхность вращения 12 следует за выемкой 10 в осевом направлении после по существу радиального заплечика 18.

Вторая зона уплотнения расположена в осевом направлении между упорными поверхностями 7, 8 и резьбовыми зонами 4, 5. Внутренняя безрезьбовая поверхность 14 имеет слегка выпуклую форму вращения в осевом сечении, например форму круглой или эллиптической дуги. Внутренняя поверхность 14 охватывающего конца 2 расположена вдоль протяженности оснований 40 витков резьбы. Внешняя поверхность 15 охватываемого конца 3 расположена вдоль протяженности вершин 50 витков резьбы. Внешняя поверхность 15 сведена на конус и ее половинный угол составляет, например, от 1° до 45°. Внутренняя 14 и внешняя 15 поверхность расположены таким образом, чтобы образовывать диаметральное сцепление.

Охватываемый конец 3 содержит уплотняющую поверхность 15, расположенную рядом с упорной поверхностью 7, и уплотняющую поверхность 13, удаленную от упорной поверхности 7. Уплотняющая поверхность 13 находится в плотном контакте с уплотняющей поверхностью 12 в соединенном или свинченном состоянии. Уплотняющая поверхность 15 расположена между охватываемой резьбовой зоной 5 и внешней поверхностью 3а охватываемого конца 3. Уплотняющая поверхность 15 находится в плотном контакте с уплотняющей поверхностью 14 в соединенном или свинченном состоянии.

Кромка 9 охватываемого конца 3 содержит по существу радиальную конечную поверхность 6, расположенную между уплотняющей поверхностью 15 и каналом 3b охватываемого конца 3. Диаметр канала 3b может варьироваться. Это означает, что излишняя толщина обеспечивает лучшее контактное давление. Радиальные размеры конечной поверхности 6 могут составлять от 0,5 мм до 16 мм в зависимости от диаметра трубы, величина которого может составлять до 550 мм и предпочтительно превышать 250 мм, более предпочтительно - 350 мм. В соединенном состоянии конечная поверхность 6 удалена от любой по существу радиальной поверхности охватывающего конца 2 на расстояние, например, равное по меньшей мере 0,1 мм. Соединение содержит осевой упор, который обеспечивает точное расположение двух зон уплотнения, образованных уплотняющими поверхностями 12 и 13 с одной стороны и 14 и 15 с другой стороны, в соединенном состоянии.

Как видно на фиг. 3, охватывающая резьбовая зона 4 содержит витки резьбы 40, при этом осевая длина данных витков резьбы у вершин меньше осевой длины у основания. Охватываемая резьбовая зона 5 содержит резьбу 50, при этом осевая длина данной резьбы у ее вершин превышает осевую длину у ее основания. Угол наклона стыковочной боковой стороны одного витка резьбы является положительным в направлении по часовой стрелке, данный угол измеряется относительно радиальной плоскости, перпендикулярной оси соединения. Угол наклона нагрузочной боковой стороны одного витка резьбы является отрицательным в направлении по часовой стрелке, причем данный угол измеряется относительно радиальной плоскости, перпендикулярной оси соединения. Угол наклона стыковочной боковой стороны охватывающей резьбовой зоны 4 по существу равен углу наклона стыковочной боковой стороны охватываемой резьбовой зоны 5. Угол наклона нагрузочной боковой стороны охватывающей резьбовой зоны 4 по существу равен углу наклона нагрузочной боковой стороны охватываемой резьбовой зоны 5. Термин "наклон боковой стороны" обозначает либо наклон конусной части указанной боковой стороны или наклон касательной в точке перегиба двух радиусов кривой.

Виток резьбы 40, 50 содержит вершину 41, 51, основание 42, 52, нагрузочную боковую сторону 43, 53 и стыковочную боковую сторону 44, 54. Соединительные галтели расположены между сторонами и вершиной и между сторонами и основанием. Ширина вершин 41, 51 и оснований 42, 52 является постоянной вдоль оси трубы. Диаметр вершин 41, 51 и оснований 42, 52 может различаться в зависимости от расположения соответствующего витка резьбы вдоль оси трубы из-за коничности резьбы. Вершины 41, 51 и основания 42, 52 витков резьбы 40, 50 параллельны оси резьбового соединения. Это облегчает стыковку и сцепление при навинчивании.

Нагрузочная боковая сторона 43 может быть наклонена под углом от 3° до 15°, предпочтительно от 3° до 5°, относительно радиальной плоскости. Нагрузочная боковая сторона 44 может быть наклонена под углом от 3° до 15°, предпочтительно от 3° до 5°, относительно радиальной плоскости. Стыковочная боковая сторона 44 может быть наклонена под углом от 10° до 35°, предпочтительно от 15° до 25°. Стыковочная боковая сторона 54 может быть наклонена под углом от 10° до 35°. Длина основания 42 может составлять от 0,5 мм до 3 мм. Длина основания 52 может составлять от 0,5 мм до 3 мм. Витки резьбы 40 и 50 обладают соотношением высоты к шагу, равным от 3 до 25.

Кроме этого в основании нагрузочной боковой стороны 43 витков резьбы 40 расположен паз или канал 45. Паз 45 выполнен вдоль протяженности основания 42. Радиальная протяженность паза 45 составляет от 0,11 мм до 2 мм. Осевая протяженность паза 45 составляет от 0,1 мм до 1,5 мм. Паз 45 имеет в целом спиральную форму. В осевом сечении паз 45 содержит по существу радиальное дно 45a, край 45b большого диаметра и край 45c малого диаметра. Край 45c малого диаметра по существу направлен вдоль оси или сведен на конус. Край 45b большого диаметра расположен по существу в осевом направлении и его диаметр предпочтительно равен диаметру основания 42.

В качестве альтернативы паз может располагаться в основании нагрузочной боковой стороны 53 витков резьбы 50, а выступ может располагаться на вершине нагрузочной боковой стороны 43 витков резьбы 40.

Нагрузочная боковая сторона 53 витков резьбы 50 содержит выступ 55. Выступ 55 выполнен вдоль протяженности вершины 51. Радиальная протяженность выступа 55 составляет от 0,1 мм до 1,5 мм в радиальном направлении витков резьбы 50. Осевая протяженность выступа 55 составляет от 0,1 мм до 1 мм в осевом направлении оснований 52 витков резьбы 50. Выступ 55 имеет в целом спиральную форму. В осевом сечении выступ 55 содержит по существу радиальную поверхность 55a, край 55b большого диаметра и край 55c малого диаметра. По существу радиальная поверхность 55a может образовывать свободный конец выступа 55. Край 55b большого диаметра является выпуклым. Край 55c малого диаметра является вогнутым. Край 55c малого диаметра по существу расположен в осевом направлении. Край 55b большого диаметра по существу расположен в осевом направлении и его диаметр предпочтительно равен диаметру вершины 51. Площадь сечения выступа 55 может составлять от 0,01 мм до 3 мм. Радиальная протяженность выступа 55 составляет примерно от 0,1 мм до 1,5 мм, предпочтительно от 0,2 мм до 0,5 мм. Осевая протяженность выступа 55 составляет примерно от 0,1 мм до 1 мм, предпочтительно от 0,2 мм до 0,5 мм.

Радиальная высота выступа 55 может быть выражена как часть радиальной высоты витка резьбы, например, от 5% до 45%, предпочтительно от 10% до 30%. Осевая длина выступа 55 может быть выражена как часть его радиальной высоты, например, от 50% до 150%, предпочтительно от 80% до 120%.

В соединенном состоянии (после свинчивания) между краем 45c малого диаметра и краем 55c малого диаметра присутствует радиальный зазор. Указанный радиальный зазор может составлять от 0,1 мм до 2 мм.

В соединенном состоянии (после свинчивания) радиальный зазор присутствует между вершинами 41 витков резьбы 40 охватывающей резьбовой зоны 4 и основаниями 52 витков резьбы 50 охватываемой резьбовой зоны 5. Величина радиального зазора составляет примерно от 0,05 мм до 0,5 мм. При выборе величины радиального зазора в соединенном состоянии можно руководствоваться желаемым количеством смазочных веществ и допусками на механическую обработку. При высоком качестве машинной обработки желателен зазор величиной 0,15 мм или менее. В соединенном состоянии радиальный зазор может присутствовать между основаниями 42 витков резьбы 40 и вершинами 51 витков резьбы 50. Радиальный зазор составляет примерно от 0,05 мм до 0,5 мм. В качестве альтернативы возможно сцепление, равное примерно от 0 до 1 мм.

В соединенном состоянии (после свинчивания) осевой зазор, который можно увидеть на фиг. 3-5, присутствует между стыковочными боковыми сторонами 44 и 54 соответственно витков резьбы 40 охватывающей резьбовой зоны 4 и витков резьбы 50 охватываемой резьбовой зоны 5. Величина осевого зазора составляет примерно от 0,002 мм до 1 мм. При выборе величины осевого зазора в соединенном состоянии можно руководствоваться желаемым количеством смазочных веществ, углом сторон и допусками на механическую обработку. При высоком качестве машинной обработки желателен зазор величиной 0,5 мм или менее. Нагрузочные боковые стороны 43 и 53 принимают на себя нагрузки сцепления после свинчивания.

Витки резьбы взаимно образуют радиальные стопорные захваты.

Величина соединительных галтелей может составлять от 0,05 мм до 3 мм. Соединительные галтели снижают концентрацию напряжений у основания нагрузочных боковых сторон и таким образом улучшают усталостные характеристики соединения.

В примере, изображенном на фиг. 3, угол стыковочных боковых сторон 44 и 54 равен 25°. Угол нагрузочных боковых сторон 43 и 53 равен 3°. Радиальный зазор между вершиной 41 и основанием 52 равен 0,15 мм. Осевой зазор между стыковочными боковыми сторонами 44 и 54 составляет порядка 0,5 мм. Радиальный зазор между краем 45c малого диаметра и краем 55c малого диаметра равен 0,1 мм. Радиальная протяженность выступа 55 равна 0,38 мм. Осевая протяженность выступа 55 равна 0,35 мм.

В примере, изображенном на фиг. 4 и 5, угол стыковочных боковых сторон 44 и 54 составляет от 15° до 25°. Угол нагрузочных боковых сторон 43 и 53 равен от 3° до 5°. Радиальный зазор между вершиной 41 и основанием 52 составляет от 0,05 мм до 0,15 мм. Осевой зазор между стыковочными боковыми сторонами 44 и 54 составляет порядка 0,5 мм. Радиальный зазор между краем 45c малого диаметра и краем 55c малого диаметра равен 0,2 мм. Радиальная протяженность выступа 55 равна 0,35 мм. Осевая протяженность выступа 55 равна 0,35 мм.

В примере, изображенном на фиг. 5, край 45c малого диаметра паза 45 сведен на конус, предпочтительно, с углом конусности от 1° до 30°. Край 55c малого диаметра выступа 55 сведен на конус, предпочтительно, с углом конусности от 10° до 30°. Конусность краев 45c и 55c малого диаметра может быть одинаковой.

На фиг. 6 изображено соединение под воздействием высокого растягивающего напряжения. Охватывающий конец 2 имеет свойство деформироваться в направлении наружу, причем увеличение диаметра усиливается при приближении поверхности 14, расположенной рядом с упорной поверхностью 8 на свободном конце охватывающего элемента 2. Последний охватывающий виток резьбы 46, сцепленный с охватываемым витком резьбы 56, подвергается воздействию сильной деформации в радиальном направлении. Паз 45 последнего охватывающего витка резьбы 46 находится в контакте с выступом 55 охватываемого витка резьбы 56 с упругой или пластической деформацией. Предпоследний охватывающий виток резьбы 47, сцепленный с охватываемым витком резьбы 57, подвергается воздействию более слабой радиальной деформации. Паз 45 предпоследнего охватывающего витка резьбы 47 находится в контакте с выступом 55 охватываемого витка резьбы 57 с небольшой упругой деформацией. Третий от конца охватывающий виток резьбы 48, сцепленный с охватываемым витком резьбы 58, подвергается воздействию небольшого радиального разделения, причем радиальный зазор сохраняется между краем 45c малого диаметра паза 45 третьего от конца охватывающего витка резьбы 48 и краем 55c малого диаметра выступа 55 охватываемого витка резьбы 57. Таким образом, третий виток резьбы 48 из свободного конца способен предоставить нормальную механическую функцию. Первые два витка резьбы 47 и 48 снижают увеличение диаметра охватывающего конца 2 при воздействии напряжения при осевом растяжении. Первые два витка резьбы 47 и 48 поддерживают целостность соединения в радиальном направлении, предотвращая выход из зацепления, который может происходить с обычным соединением при воздействии напряжения при осевом растяжении.

Охватывающая 4 и охватываемая 5 резьбовые зоны могут составлять многозаходную резьбу, предпочтительно двухзаходную резьбу. Это ускоряет навинчивание.

В одном из вариантов осуществления угол стыковочных боковых сторон 44 и 54 может составлять от 0° до -5°.

Соединение хорошо приспособлено для создания внутренней обсадной колонны скважины.

Изобретение не ограничивается вышеописанными примерами соединений и труб, приведенных исключительно в качестве примеров, но оно включает в себя все вариации, которые могут быть предусмотрены специалистом в контексте приведенной формулы изобретения.

Изобретение относится к резьбовым соединениям для геологоразведочных работ или эксплуатации на углеводородных скважинах. Резьбовое соединение содержит первый компонент, содержащий охватываемый конец с резьбовой зоной, расположенной на его внешней периферийной поверхности, и второй компонент, содержащий охватывающий конец с резьбовой зоной, расположенной на его внутренней периферийной поверхности. Резьбовая зона охватываемого конца ввинчена в резьбовую зону охватывающего конца. Резьбовые зоны содержат соответствующие охватываемые и охватывающие витки резьбы, которые содержат основание, вершину, стыковочную боковую сторону и нагрузочную боковую сторону. В нагрузочной боковой стороне резьбовой зоны охватывающего конца и/или охватываемого конца соответственно рядом с основанием расположен паз, а также имеется выступ, который выступает из нагрузочной боковой стороны резьбовой зоны охватываемого конца и/или соответственно из охватывающего конца. Рядом с вершиной данный выступ содержит выпуклую поверхность и вогнутую поверхность. В соединенном состоянии между вогнутой поверхностью и пазом присутствует радиальный зазор, а между концом выступа и дном паза присутствует осевой зазор. Изобретение повышает надежность резьбового соединения. 19 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Резьбовое соединение (1), которое применяется для геологоразведочных работ или эксплуатации углеводородных скважин, отличающееся тем, что данное соединение содержит первый и второй трубчатый компонент, первый компонент содержит охватываемый конец (3), содержащий резьбовую зону (5), расположенную на его внешней периферийной поверхности, второй компонент содержит охватывающий конец (2), содержащий резьбовую зону (4), расположенную на его внутренней периферийной поверхности, резьбовая зона (5) охватываемого конца ввинчена в резьбовую зону (4) охватывающего конца, резьбовые зоны (4, 5) содержат соответствующие охватываемые и охватывающие витки резьбы (40, 50), витки резьбы (40, 50), содержащие основание (42, 52), вершину (41, 51), стыковочную боковую сторону (44, 54) и нагрузочную боковую сторону (43, 53), в нагрузочной боковой стороне резьбовой зоны (40) охватывающего конца и/или охватываемого конца соответственно, рядом с основанием (42), расположен паз (45), а также имеется выступ (55), который выступает из нагрузочной боковой стороны резьбовой зоны (50) охватываемого конца и/или соответственно из охватывающего конца, рядом с вершиной (51), данный выступ (55) содержит выпуклую поверхность (55b) и вогнутую поверхность (55c), данный выступ (55) располагается в пазе (45), причем в соединенном состоянии между вогнутой поверхностью и пазом присутствует радиальный зазор, а между концом выступа и дном паза присутствует осевой зазор.

2. Резьбовое соединение по п.1, отличающееся тем, что выступ является непрерывным.

3. Резьбовое соединение по п.1, отличающееся тем, что выступ является прерывистым.

4. Резьбовое соединение по п.1, отличающееся тем, что осевой зазор между концом выступа (55) и дном паза (45) составляет от 0,011 мм до 2 мм в соединенном состоянии.

5. Резьбовое соединение по п.4, отличающееся тем, что радиальный зазор между вогнутой поверхностью выступа (55) и пазом (45) составляет от 0,005 мм до 2 мм в соединенном состоянии.

6. Резьбовое соединение по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что витки резьбы имеют постоянную осевую протяженность, причем в соединенном состоянии между стыковочными боковыми сторонами (44, 54) охватываемых и охватывающих витков резьбы присутствует осевой зазор.

7. Резьбовое соединение по п.6, отличающееся тем, что величина осевого зазора между стыковочными сторонами (44, 54) составляет от 0,05 мм до 1 мм в соединенном состоянии.

8. Резьбовое соединение по любому из пп.1-5, отличающееся тем, что витки резьбы имеют различную осевую протяженность.

9. Резьбовое соединение по п.1, отличающееся тем, что в соединенном состоянии между вершинами (51) охватываемых витков резьбы и основаниями (42) охватывающих витков резьбы и/или между вершинами (41) охватывающих витков резьбы и основаниями (52) охватываемых витков резьбы присутствует радиальный зазор.

10. Резьбовое соединение по п.9, отличающееся тем, что радиальный зазор между вершиной (41) резьбовой зоны (4) охватывающего конца и основанием (52) резьбовой зоны (5) охватываемого конца и/или радиальный зазор между вершинами (51) охватываемых витков резьбы и основаниями (42) охватывающих витков резьбы составляет от 0,05 мм до 0,5 мм, предпочтительно менее 0,2 мм, в соединенном состоянии.

11. Резьбовое соединение по п.1, отличающееся тем, что присутствует сцепление в соединенном состоянии между вершинами (51) охватываемых витков резьбы и основаниями (42) охватывающих витков резьбы или между вершинами (41) охватывающих витков резьбы и основаниями (52) охватываемых витков резьбы.

12. Резьбовое соединение по п.1, отличающееся тем, что стыковочные боковые стороны (44) резьбовых зон охватываемого и охватывающего концов содержат прямолинейную часть, имеющую положительный наклон под углом, равным от 10° до 35°, предпочтительно от 15° до 25°.

13. Резьбовое соединение по п.12, отличающееся тем, что нагрузочные боковые стороны (43) резьбовых зон охватываемого и охватывающего концов содержат прямолинейную часть, имеющую отрицательный наклон под углом, равным от 3° до 15°, предпочтительно от 3° до 5°.

14. Резьбовое соединение по п.1, отличающееся тем, что осевая длина выступа (55) составляет от 0,1 мм до 1 мм, предпочтительно от 0,2 мм до 0,4 мм.

15. Резьбовое соединение по п.1, отличающееся тем, что осевая длина выступа (55) составляет от 50% до 150% радиальной высоты выступа, предпочтительно от 80% до 120%.

16. Резьбовое соединение по п.1, отличающееся тем, что радиальная высота выступа (55) составляет от 0,1 мм до 1,5 мм, предпочтительно от 0,2 мм до 0,5 мм.

17. Резьбовое соединение по п.1, отличающееся тем, что радиальная высота выступа (55) составляет от 5% до 45% радиальной высоты витка резьбы, предпочтительно от 10% до 30%.

18. Резьбовое соединение по п.1, отличающееся тем, что охватывающая (4) и охватываемая (5) резьбовая зона являются многозаходными резьбами, предпочтительно двухзаходными резьбами.

19. Резьбовое соединение по п.1, отличающееся тем, что дистальная поверхность охватываемого конца и/или охватывающего конца приведена в осевой упорный контакт с соответствующей упорной поверхностью.

20. Резьбовое соединение по п.19, отличающееся тем, что каждый из охватываемых и охватывающих концов содержит уплотняющую поверхность, которые взаимодействуют друг с другом путем затягивания в уплотнении металл-металл.