РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ СТАЛЬНЫХ ТРУБ ДЛЯ НЕФТЯНЫХ СКВАЖИН Российский патент 2020 года по МПК F16L15/04 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к резьбовому трубному соединению, используемому для соединения труб для нефтяных скважин, включая сюда обсадные и насосно-компрессорные трубы, в общем, используемые в исследованиях нефтяных скважин или газовых скважин и нефтедобыче. Другими словами, настоящее изобретение относится к резьбовому трубному соединению, используемому для соединения стальных труб, таких как трубные изделия нефтепромыслового сортамента (OCTG), стояки и магистральные трубы. Резьбовое трубное соединение настоящего изобретения имеет исключительные уплотняющие свойства и прочность на сжатие.

Уровень техники

Резьбовые трубные соединения широко используются для соединения стальных труб, используемых в нефтедобывающих промышленных установках, например, труб для нефтяных скважин. Для соединения труб, используемых в разведке и добыче нефти или газа, обычно используют стандартные резьбовые трубные соединения на основе стандарта API (Американский институт нефти).

Поскольку глубина нефтяных скважин и скважин природного газа в последнее время увеличилась, и горизонтальные скважины и наклонные скважины сейчас распространены больше, чем вертикальные скважины, земляные работы и добыча выполняются во все более суровых условиях. Кроме того, освоение скважин во все более неблагоприятных условиях, например, в океанических и полярных областях, привело к разнообразным требованиям к эксплуатационным характеристикам в отношении резьбовых трубных соединений, таким как прочность на сжатие, прочность при изгибе и герметичность при воздействии внешнего давления. В последние годы для обеспечения таких эксплуатационных характеристик все в большей степени используют высокоэффективные, в частности, резьбовые трубные соединения, именуемые высококачественными соединениями.

Для уменьшения объема земляных работ во время освоения скважины требуется уменьшить диаметр скважины. К вышеуказанным высококачественным соединениям относится безмуфтовое резьбовое трубное соединение, которое соединяет трубы напрямую без установленной между ними соединительной муфты, и требования к которому все в большей степени увеличиваются.

Высококачественное соединение обычно имеет коническую резьбу, участок уплотнения металл по металлу и участок заплечика для передачи крутящего момента на конце каждой трубы. Названные компоненты образуют ниппельную часть, которая является охватываемым участком, предусмотренным на одном конце трубы, и раструбную часть трубы, который является охватывающим участком на другом конце трубы и навинчена на охватываемый участок или насажена на него. Эти компоненты спроектированы таким образом, что при затяжке соединения (т.е. резьбового трубного соединения, как указано далее) охватывающий и охватываемый компоненты, имеющие одинаковое обозначение, обращены друг к другу.

Коническая резьба является важным элементом для надежного крепления соединения. Участок уплотнения металл по металлу обеспечивает уплотняющие свойства посредством приведения раструбной части и ниппельной части в контакт металл по металлу друг с другом в области участка уплотнения металл по металлу. Участок заплечика для передачи крутящего момента служит в качестве стороны заплечика, которая действует в качестве упора во время свинчивания соединения.

В резьбовом трубном соединении безмуфтового типа (далее также именуемом как безмуфтовое соединение) в осевом направлении (т.е. осевом направлении трубы, как указано далее) предусмотрены один или два или больше участков уплотнения металл по металлу. На поверхности наружной периферии нерезьбового участка (именуемого далее как носовая часть), продолжающегося резьбовой частью конической резьбы ниппельной части на стороне переднего конца ниппельной части, и на поверхности внутренней периферии нерезьбового участка (именуемого далее как отверстие под носовую часть), продолжающегося резьбовым концом конической резьбы раструбной части на стороне заднего конца раструбной части, предусмотрен, по меньшей мере, один из участков уплотнения металл по металлу. При свинчивании соединения участок уплотнения металл по металлу носовой части и участок уплотнения металл по металлу отверстия под носовую часть приходят в контакт друг с другом в радиальном направлении, и этот участок уплотнения металл по металлу образует поверхность уплотнения (именуемую для удобства как внутренняя поверхность радиального уплотнения), которая препятствует поступлению флюидов, находящихся внутри трубы, в область конической резьбы.

В некоторых безмуфтовых соединениях в каждом из концов, ниппельном и раструбном, область конической резьбы разделена на две части в осевом направлении. Из этих двух частей ряд резьбы на стороне переднего конца раструбной части и ряд резьбы на стороне заднего конца раструбной части, входящей с ней в зацепление, именуются как первый ряд резьбы. С другой стороны, ряд резьбы на стороне заднего конца ниппельной части и ряд резьбы на стороне переднего конца раструбной части, входящей с ней в зацепление, именуются как второй ряд резьбы. В радиальном направлении (т.е. в радиальном направлении трубы, как указано далее) первый ряд резьбы находится на внутренней стороне, и второй ряд резьбы находится на наружной стороне. На границе первого ряда резьбы и второго ряда резьбы предусмотрен участок заплечика для передачи крутящего момента, который именуется промежуточным заплечиком.

В безмуфтовом соединении, имеющем промежуточный заплечик, в случае, если в осевом направлении предусмотрены два участка уплотнения металл по металлу, один из участков уплотнения металл по металлу образует внутреннюю поверхность радиального уплотнения. Другой участок уплотнения металл по металлу предусмотрен на поверхности наружной периферии нерезьбового участка, продолжающегося задним концом второго ряда резьбы ниппельной части (именуемой для удобства как нерезьбовая поверхность на стороне заднего конца ниппельной части), и на поверхности внутренней периферии нерезьбового участка, продолжающегося передним концом второго ряда резьбы раструбной части (именуемой для удобства как нерезьбовая поверхность на стороне переднего конца раструбной части). При свинчивании соединения участок уплотнения металл по металлу нерезьбовой поверхности на стороне заднего конца ниппельной части и участок уплотнения металл по металлу нерезьбовой поверхности на стороне переднего конца раструбной части приходят в контакт друг с другом в радиальном направлении, и этот участок уплотнения металл по металлу образует поверхность уплотнения (именуемую для удобства как наружная поверхность радиального уплотнения), которая препятствует поступлению флюидов снаружи трубы в область конической резьбы.

Резьбовое соединение труб (резьбовое трубное соединение), описанное в Патентном документе, показано на фиг. 3 в качестве примера обычной конструкции немуфтового соединения, имеющего промежуточный заплечик. Задача (цель) изобретения, описанного в Патентном документе 1, состоит в изготовлении резьбового соединения для труб, которое обеспечивает соответствующую жесткость и имеет усовершенствованное уплотнение для улучшения противодействия конструкции (характеристика) соединения высоким нагрузкам, в частности, сжимающим нагрузкам, и препятствования воздействия указанной характеристики на функцию уплотнения. В изобретении, описанном в Патентном документе 1, предусмотрена усиливающая секция, выступающая от участка уплотнения металл по металлу нерезьбовой поверхности на стороне переднего конца раструбной части к самому переднему концу раструбной части, причем длина или длина и толщина стенки этой усиливающей секции регулируются, и общая длина усиливающей секции раструбной части не может приходить в контакт с противоположной трубой на стороне заднего конца ниппельной части (участком тела трубы).

Перечень цитируемых источников информации

Патентные документы

PTL1: японский патент № 5232475

Раскрытие сущности изобретения

Техническая проблема

Однако технология, описанная в PTL1, не обеспечивает достаточные уплотняющие свойства в случае прикладывания высокой нагрузки, которая является смешанной нагрузкой, включающей в себя натяжение, сжатие, а также внутреннее давление и внешнее давление, поэтому существует необходимость в улучшении уплотняющих свойств. Кроме того, помимо улучшения уплотняющих свойств также требуется повысить прочность на сжатие.

Соответственно, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить резьбовое соединение труб для нефтяных скважин, имеющее исключительные уплотняющие свойства и прочность на сжатие.

В контексте настоящего изобретения предусматривается, что выражение «исключительные уплотняющие свойства» включает в себя успешное прохождение оценочных испытаний резьбового соединения на уплотняющие свойства в условиях смешанной нагрузки, как установлено в испытаниях серии A по ISO13679:2002.

В контексте настоящего изобретения предусматривается, что выражение «исключительная прочность на сжатие» включает в себя успешное прохождение оценочных испытаний на уплотняющие свойства даже в случае прикладывания высокой сжимающей нагрузки в условиях сжатия, что является вариантом условий нагрузки в вышеупомянутых испытаниях по ISO. Растягивающую нагрузку задают таким образом, чтобы ее максимальное значение составляло 95% предела прочности на растяжение трубы или соединения, и прочность на сжатие выражается в процентах к растягивающей нагрузке. В соединении с резьбой и муфтой прочность соединительного участка обычно определяют по пределу прочности на растяжение трубы, причем степень сжатия, составляющая не меньше 80% от предела прочности на растяжение трубы, соответствует высокой способности к сжатию, и если достигается степень сжатия 100%, можно говорить об очень высокой прочности на сжатие. В соединении полуобтекаемого типа предел прочности на растяжение определяется конструкцией соединения, и при достижении 70% и более от предела прочности на растяжение трубы можно говорить о том, конструкция имеет достаточный предел прочности на растяжение. В соединении полуобтекаемого типа достижение 70% и более степени прочности по сравнению с пределом прочности на растяжение соединения соответствует высокой способности к сжатию, и если достигается степень сжатия 100%, эквивалентная пределу прочности на растяжение соединения, можно говорить об очень высокой прочности на сжатие.

Решение проблемы

Авторы настоящей заявки провели тщательные исследования для решения вышеуказанной проблемы и установили следующее. В предшествующих работах в соответствующей области авторы уделяли внимание тому, что жесткость участка уплотнения на стороне конца трубы, которую считали недостаточной, является причиной невозможности получения требуемых уплотнительных свойств. Авторы заявки установили, что жесткость можно обеспечить посредством установления площади сечения в заданной точке уплотнения, в результате чего можно достичь достаточного поверхностного давления и обеспечить достаточные уплотняющие свойства даже в случае прикладывания высокой нагрузки. В случае прикладывание растягивающего усилия участок уплотнения, образованный в результате контакта между поверхностью внутренней периферии раструбной части, образованной на стороне раструба на конце трубы, и поверхностью наружной периферии ниппельной части, подвергается деформации с уменьшением диаметра ниппельной части одновременно с деформацией растяжения. Таким образом, степень препятствования уплотнению уменьшается, и соответственно уменьшается давление на поверхности уплотнения на участке уплотнения на стороне раструбной части на конце трубы. Другими словами, авторы заявки установили, что давление на поверхности контакта на участке уплотнения на стороне раструбной части на конце трубы по всей вероятности уменьшается, и, таким образом, заданное значение площади сечения раструбной части на участке уплотнения на стороне конца трубы предпочтительно превышает площадь сечения ниппельной части на стороне участка уплотнения на стороне конца трубы с целью получения уплотняющих свойств. Кроме того, авторы заявки установили, что прочность на сжатие может быть получена посредством установления отношения площадей сечений применительно к промежуточному заплечику.

Основная идея настоящего изобретения достигается на основе вышеуказанных данных следующим образом.

[1] Резьбовое соединение стальных труб для нефтяных скважин содержит:

ниппельную часть, имеющую наружную резьбу, т.е. наружную конусную резьбу на одном конце стальной трубы; и

раструбную часть, имеющую внутреннюю резьбу, т.е. внутреннюю конусную резьбу, входящую в зацепление с наружной резьбой на другом конце стальной трубы,

ниппельную часть и раструбную часть, образующие конструкцию радиального уплотнения, которые уплотняют флюиды посредством металлического контакта друг с другом в двух положениях, в одном положении на участке уплотнения на стороне наружной периферии ниппельной части на стороне конца трубы и в одном положении на участке уплотнения на стороне внутренней периферии раструбной части на стороне конца трубы; резьбовое соединение также содержит:

промежуточный заплечик, образованный между рядами резьб, состоящих из внутренней и наружной конических резьб, причем

на участке уплотнения на стороне наружной периферии, образованном на ниппельной части на стороне конца трубы,

площадь S1 (мм²) сечения ниппельной части в точке уплотнения, которая является участком на поверхности наружной периферии носового участка на стороне ниппельной части, которая в первую очередь приходит в контакт с уплотнительной поверхностью на стороне раструбной части 3, и площадь S0 (мм²) сечения участка тела трубы, который является необработанным участком ниппельной части, удовлетворяет следующему соотношению (1),

на участке уплотнения на стороне внутренней периферии, образованном на раструбной части на стороне конца трубы,

площадь S2 (мм²) сечения раструбной части в точке уплотнения, которая является участком на поверхности внутренней периферии концевого участка трубы на стороне раструбного конца, которая в первую очередь приходит в контакт с уплотнительной поверхностью на стороне ниппельной части, и площадь S0' (мм²) сечения участка тела трубы, который является необработанным участком раструбной части, удовлетворяют следующему выражению (2), и

площадь S3 (мм²) поверхности контактного участка промежуточного заплечика и площадь S0 (мм²) сечения участка тела трубы, который является необработанным участком ниппельной части, удовлетворяют следующему выражению (3).

(S1/S0) × 100 ≥ 15(%) (1)

(S2/S0') × 100 ≥ 20(%) (2)

(S3/S0) × 100 ≥ 10(%) (3)

[2] Резьбовое соединение стальных труб для нефтяных скважин по [1], в котором S1, S0, S2 и S0' удовлетворяют следующему выражению (4)

(S1/S0) ≤ (S2/S0') (4).

Преимущественные эффекты изобретения

По настоящему изобретению предлагается резьбовое соединение стальных труб для нефтяных скважин, имеющее исключительные уплотняющие свойства и прочность на сжатие.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 – вид в разрезе резьбового соединения стальных труб для нефтяных скважин для объяснения примера варианта выполнения настоящего изобретения, а также выражения (1) и выражения (3);

фиг. 2 – вид в разрезе резьбового соединения стальных труб для нефтяных скважин для объяснения примера варианта выполнения настоящего изобретения, а также выражения (2);

фиг. 3 – вид в разрезе примера резьбового соединения стальных труб для нефтяных скважин из существующего уровня техники, где (a) – вид в разрезе в направлении оси трубы, и (b) – увеличенный вид в разрезе металлического участка уплотнения.

Осуществление изобретения

Ниже со ссылкой на чертежи приведено описание настоящего изобретения. На фиг. 1 показан вид в разрезе резьбового соединения стальных труб для нефтяных скважин с целью объяснения примера варианта выполнения настоящего изобретения, а также объяснения выражения (1) и выражения (3), которые описаны ниже. На фиг. 2 также показан вид в разрезе резьбового соединения стальных труб для нефтяных скважин с целью объяснения примера варианта выполнения настоящего изобретения, а также объяснения выражения (2), которое описано ниже. Следует отметить, что на фиг. 3 показан пример резьбового соединения стальных труб для нефтяных скважин по существующему уровню техники, где (a) вид в разрезе в осевом направлении трубы и (b) увеличенный вид в разрезе, показывающий участок уплотнения с контактом металл-металл.

Резьбовое соединение 1 стальных труб для нефтяных скважин по настоящему изобретению соединяет стальные трубы с ниппельной частью 2 и раструбной частью 3. Как показано на фиг. 1 и фиг. 2, резьбовое соединение 1 стальных труб для нефтяных скважин настоящего изобретения является резьбовым соединением (высококачественным соединением), включающим в себя ниппельную часть 2 и раструбную часть 3, соединенные резьбовым соединением. Резьбовое соединение 1 стальных труб для нефтяных скважин настоящего изобретения является безмуфтовым резьбовым соединением, соединяющим стальные трубы напрямую друг с другом с помощью ниппельной части 2 и раструбной части 3.

Ниппельный конец 2 имеет наружную резьбу 4, которая является наружной конической резьбой, предусмотренной на одном конце стальной трубы. Раструбный конец 3 имеет внутреннюю резьбу 5, которая является внутренней конической резьбой, входящей в зацепление с наружной резьбой 4, предусмотренной на другом конце стальной трубы.

Резьбовое соединение 1 стальных труб для нефтяных скважин настоящего изобретения включает в себя конструкцию радиального уплотнения, в которой ниппельный конец 2 и раструбный конец 3 приходят в металлический контакт друг с другом для уплотнения флюидов в двух положениях: на участке 9 уплотнения на стороне наружной периферии наружной резьбы 4 на концевой стороне трубы (отрицательная сторона в направлении оси X, которая параллельна оси α резьбового соединения на фиг. 1 и 2) и на участке 10 уплотнения на стороне внутренней периферии внутренней резьбы 5 на концевой стороне трубы (положительная сторона в направлении оси X на фиг. 1 и 2). Участок 9 уплотнения на стороне наружной периферии и участок 10 уплотнения на стороне внутренней периферии могут быть участком уплотнения с контактом металл по металлу, как описано со ссылкой на фиг. 3.

При свинчивании соединения участок 9 уплотнения на стороне наружной периферии может образовывать уплотнительную поверхность, которая препятствует поступлению флюидов, находящихся внутри трубы, на участок конической резьбы посредством контакта между участками уплотнения с контактом металл-металл носовой части (безрезьбовой участок ниппельного конца 2, который продолжается резьбовым концом конической резьбы на передней концевой стороне ниппельного конца) и отверстия под носовую часть (нерезьбовой участок раструбного конца 3, который продолжается резьбовым концом конической резьбы на задней концевой стороне раструбного конца).

Участок 10 уплотнения на стороне внутренней периферии предусмотрен на поверхности наружной периферии вышеуказанного ниппельного конца 2 на нерезьбовом участке, который продолжается задней концевой стороной второго ряда B резьбы (именуемой для удобства как нерезьбовая поверхность на задней концевой стороне ниппельного конца), и на поверхности внутренней периферии нерезьбового участка, который продолжается дальним концом второго ряда B резьбы вышеуказанного раструбного конца 3 (именуемой для удобства как нерезьбовая поверхность на передней концевой стороне раструбной части). При свинчивании соединения участок 10 уплотнения на стороне внутренней периферии образует уплотнительную поверхность, которая препятствует поступлению флюидов, находящихся снаружи трубы, на участок конической резьбы посредством контакта между уплотнительными участками вышеуказанной нерезьбовой поверхности на задней концевой стороне ниппельного конца и вышеуказанной нерезьбовой поверхности на передней концевой стороне раструбного участка.

Резьбовое соединение 1 стальных труб для нефтяных скважин настоящего изобретения включает в себя промежуточный заплечик C, образованный между двумя рядами резьб (первым рядом A резьбы и вторым рядом B резьбы) наружных и внутренних конических резьб. Промежуточный заплечик C служит в качестве участка заплечика для передачи крутящего момента, который играет роль упора при свинчивании соединения.

Кроме того, резьбовое соединение стальных труб для нефтяных скважин настоящего изобретения может иметь участок 11 заплечика у переднего конца ниппельного конца 2 и на раструбном конце может быть предусмотрен заплечик 12, который приходит в контакт с участком 11 заплечика.

Резьбовое соединение 1 стальных труб для нефтяных скважин настоящего изобретения отличается тем, что площадь S1 (мм²) сечения ниппельного конца в точке sp1 уплотнения (см. фиг. 1), которая является участком на поверхности наружной периферии носового участка на стороне ниппельного конца 2, которая в первую очередь приходит в контакт с уплотнительной поверхностью на стороне раструбной части 3, и площадь S0 (мм²) сечения участка тела трубы, который является необработанным ниппельным участком 6, удовлетворяют следующему соотношению (1) на участке 9 уплотнения на стороне наружной периферии. Участок тела трубы (необработанный участок 6 ниппельного конца) является областью ниппельного конца 2, которая не относится к наружной резьбе, предусмотренной на его переднем конце, и имеет цилиндрическую форму.

(S1/S0) × 100 ≥ 15(%) (1)

Если (S1/S0) x 100 меньше 15%, имеет место утечка, обусловленная натяжением и внутренним давлением, поэтому нельзя обеспечить достаточные уплотняющие свойства. Следовательно, в настоящем изобретении значение (S1/S0) x 100 устанавливают равным 15% и больше, предпочтительно, 20% и больше и более предпочтительно 25% и больше. В отличие от этого, если в настоящем изобретении (S1/S0) x 100 превышает 50%, нельзя обеспечить площади сечений промежуточного заплечика C и участка 9 уплотнения на стороне наружной периферии, поэтому нельзя получить достаточные эксплуатационные параметры. Следовательно, в настоящем изобретении значение (S1/S0) x 100 предпочтительно устанавливают равным не больше, чем 50% и более предпочтительно, не больше 40%.

В контексте настоящей заявки предусматривается, что вышеуказанный термин «сечения с площадями сечения S1, S0» включают в себя сечения по плоскостям, перпендикулярным к оси α резьбового соединения (положительное и отрицательное направления по оси X), и предусматривается, что сечения с площадями сечения S2, S3, описанные ниже, включают в себя сечения по плоскостям, перпендикулярным к оси α резьбового соединения (положительное и отрицательное направления по оси X).

В контексте настоящей заявки предусматривается, что вышеуказанный термин «сторона ниппельного конца 2, которая в первую очередь приходит в контакт с уплотнительной поверхностью на стороне раструбного конца 3» включает в себя самое переднее положение конца (самое переднее положение конца в отрицательном направлении по оси X) ниппельного конца 2, который приходит в контакт с уплотнительной поверхностью на стороне раструбного конца 3.

Резьбовое соединение 1 стальных труб для нефтяных скважин настоящего изобретения отличается тем, что площадь S2 (мм²) сечения раструбного конца 3, в точке sp2 уплотнения (см. фиг. 2), которая является участком на поверхности внутренней периферии концевого участка трубы на стороне раструбного конца 3, которая в первую очередь приходит в контакт с уплотнительной поверхностью на стороне ниппельного конца 2, и площадь S0' (мм²) сечения участка тела трубы, который является необработанным участком 7 раструбного конца, удовлетворяют следующему выражению (2) на участке 10 уплотнения на стороне наружной поверхности. В контексте настоящей заявки предусматривается, что термин «участок тела трубы (необработанный участок раструбного конца)» включают в себя область раструбного конца 3, которая не относится к внутренней резьбе, предусмотренной на его переднем конце, который имеет цилиндрическую форму.

(S2/S0') × 100 ≥ 20(%) (2)

Если (S2/S0') x 100 меньше 20%, имеет место утечка, обусловленная натяжением и внутренним давлением, поэтому нельзя обеспечить достаточные уплотняющие свойства. Следовательно, в настоящем изобретении значение (S2/S0') x 100 устанавливают равным 20% и больше, предпочтительно, 25% и больше и более предпочтительно 30% и больше. В отличие от этого, если в настоящем изобретении (S2/S0') x 100 превышает 50%, нельзя обеспечить площади сечений участка 10 уплотнения 10 на стороне внутренней периферии и промежуточного заплечика C, поэтому нельзя получить достаточные эксплуатационные параметры. Несмотря на то, что получение большой площади сечения посредством увеличения наружного диаметра участка уплотнения на стороне внутренней периферии не является невозможным, увеличение наружного диаметра противоречит получению соединения малого диаметра, что является характеристикой резьбового соединения безмуфтового типа, и, таким образом, проектирование соединения с чрезмерным наружным диаметром не является целесообразным. Следовательно, в настоящем изобретении значение (S2/S0') x 100 предпочтительно устанавливают равным не больше, чем 50% и более предпочтительно, не больше 45%.

В контексте настоящей заявки предусматривается, что вышеуказанный термин «сторона раструбного конца 3, которая в первую очередь входит в контакт с уплотнительной поверхностью на стороне ниппельного конца 2» включает в себя самое переднее положение конца (самое переднее положение конца в положительном направлении по оси X) раструбного конца 3, который приходит в контакт с уплотнительной поверхностью на стороне ниппельного конца 2.

Кроме того, резьбовое соединение 1 стальных труб для нефтяных скважин настоящего изобретения отличается тем, что площадь S3 (мм²) поверхности контактного участка 8 (см. фиг. 1) промежуточного заплечика C и площадь S0 (мм²) сечения участка тела трубы, который является необработанным участком 6 ниппельного конца, удовлетворят следующему выражению (3).

(S3/S0) × 100 ≥ 10(%) (3)

Если (S3/S0) × 100 меньше 10%, во время сжатия к уплотнительному участку прикладывается чрезмерная нагрузка, что вызывает ухудшение уплотняющих свойств применительно к пластической деформации, и натяжение и внутреннее давление вызывают утечку, поэтому нельзя обеспечить достаточные уплотняющие свойства. Кроме того, при свинчивании соединения может иметь место пластическая деформация, поэтому возможна ситуация, когда дальнейшая затяжка соединения станет невозможной. Таким образом, в настоящем изобретении значение (S3/S0) x 100 устанавливают равным 10% и больше, предпочтительно, 15% и больше и более предпочтительно 20% и больше. В отличие от этого, если в настоящем изобретении (S3/S0) x 100 превышает 50%, нельзя обеспечить площади сечений участка 9 уплотнения на стороне наружной периферии и участка 10 уплотнения на стороне внутренней периферии, поэтому нельзя получить достаточные эксплуатационные параметры. Следовательно, в настоящем изобретении значение (S3/S0) x 100 предпочтительно устанавливают равным не больше, чем 50% и более предпочтительно, не больше 40%.

В настоящем изобретении требуемые уплотняющие свойства и прочность при сжатии достигаются только при условии удовлетворения вышеуказанным выражениям с (1) по (3).

В резьбовом соединении 1 стальных труб для нефтяных скважин настоящего изобретения вышеуказанные значения S1, S0, S2 и S0' предпочтительно удовлетворяют следующему выражению (4).

(S1/S0) ≤ (S2/S0’) (4)

Когда к соединению прикладывают усилие растяжения, деформация в направлении уменьшения диаметра происходит одновременно с деформацией в направлении натяжения. Следовательно, величина препятствования уплотнению уменьшается, и, таким образом, давление на уплотнительной поверхности участка 10 уплотнения на стороне внутренней периферии на концевой стороне раструба соответственно уменьшается. Другими словами, поскольку давление на контактной поверхности на участке 10 уплотнения на стороне внутренней периферии по всей вероятности уменьшается, для обеспечения уплотняющих свойств заданное значение площади сечения уплотнения на участке 10 уплотнения на стороне внутренней периферии предпочтительно должно быть больше значения площади сечения участка 9 уплотнения на стороне наружной периферии. Таким образом, в настоящем изобретении можно обеспечить соответствующие уплотняющие свойства посредством задания (S2/S0) не меньше, чем (S1/S0), т.е. посредством задания отношения площадей сечений уплотнения на участке 10 уплотнения на стороне внутренней периферии больше отношения площадей сечений уплотнения на участке 9 уплотнения на стороне наружной периферии. Таким образом, в настоящем изобретении предпочтительно удовлетворяется отношение «(S1/S0) ≤ (S2/S0')», и более предпочтительно значение (S2/S0') составляет 1,1 или больше, еще более предпочтительно 1,2 или больше от (S1/S0).

В настоящем изобретении наружные диаметры необработанного участка 6 ниппельного конца и необработанного участка 7 раструбного конца предпочтительно составляют от 5 до 16 дюймов, более предпочтительно от 5,5 до 14 дюймов, хотя специально до этого не ограничиваются.

В настоящем изобретении толщины необработанного участка 6 ниппельного конца и необработанного участка 7 раструбного конца предпочтительно составляют, по меньшей мере, 12 мм и более предпочтительно, по меньшей мере, 15 мм.

В резьбовом соединении настоящего изобретения угол опорной поверхности кромки резьбы предпочтительно составляет 5 – 30 градусов, более предпочтительно10 – 25 градусов.

Угол задней поверхности кромки резьбы составляет от -10 до 0 градусов, более предпочтительно от -7 до -3 градусов.

Как указано выше, по настоящему изобретению резьбовое соединение стальных труб для нефтяных скважин имеет исключительные уплотняющие свойства и прочность на сжатие.

Примеры

Ниже приведено описание настоящего изобретения на основе примеров.

Были изготовлены образцы резьбового соединения, включающего в себя ниппельный участок, образованный посредством механической обработки концевого участка стальной трубы Q125 по API 5CT, имеющей наружный диаметр 9-5/8 дюйма x толщину 0,545 дюйма (наружный диаметр 244, 48 мм x толщину 13,84 мм), и соответствующий раструбный участок, и выполнены испытания серии A по ISO 13679:2002. Во время указанных испытаний использовали условия проведения испытаний соответствующих уровней, как показано в таблице 1. В качестве условий поведения испытаний, которые не показаны в таблице 1, для всех уровней для контактной поверхности резьбы использовали угол опорной поверхности кромки резьбы -5 градусов и угол задней поверхности кромки резьбы 15 градусов.

Используемое в таблице 1 выражение «отношение площади (%) участка уплотнения на стороне наружной периферии относительно необработанного участка заготовки трубы» означает отношение ((S1/S0) × 100 [%]) площади сечения S1 (мм²) ниппельного конца в точке уплотнения, которая является участком на поверхности наружной периферии носового участка на стороне ниппельного участка, которая в первую очередь приходит в контакт с уплотнительной поверхностью на стороне раструбного участка, относительно площади сечения S0 (мм²) участка тела трубы, который является необработанным участком ниппельного конца.

Выражение «отношение площади (%) участка уплотнения на стороне внутренней периферии относительно необработанного участка заготовки трубы» означает отношение ((S2/S0') × 100 [%]) площади сечения S2 (мм²) раструбного конца в точке уплотнения, которая является участком на поверхности внутренней периферии концевого участка трубы на стороне раструбного участка, которая в первую очередь приходит в контакт с уплотнительной поверхностью на стороне ниппельного участка, относительно площади сечения S0' (мм²) участка тела трубы, который является необработанным участком раструбного конца.

Выражение «отношение площади (%) промежуточного заплечика относительно необработанного участка заготовки трубы» означает отношение ((S3/S0) × 100 [%]) площади поверхности S3 (мм²) контактного участка промежуточного заплечика относительно площади сечения S0 (мм²) участка тела трубы, который является необработанным участком ниппельного конца.

Испытания в этом примере являются испытаниями для оценки уплотняющих свойств посредством прикладывания смешанной нагрузки, включающей в себя усилие растяжения/усилие сжатия, и внутреннего давления/наружного давления во время испытаний серии A, причем график нагрузки определяется по VME 95% и давлению смятия API. Во время указанных испытаний максимальную степень натяжения задают равной 70%.

Успешное прохождение гидроиспытаний в условиях нагрузки при максимальной степени сжатия 49% (70% для отношения относительно степени натяжения) означает подтверждение исключительных уплотняющих свойств и прочности при сжатии и успешное прохождение оценки эксплуатационных показателей. Успешное прохождение гидроиспытаний в условиях нагрузки при максимальной степени сжатия 70% (100% для отношения относительно степени натяжения) означает подтверждение исключительной прочности при сжатии.

Результаты испытаний представлены в таблице 1.

Как показано в таблице 1, в сравнительном образце 1 отношение площадей применительно к промежуточному заплечику составляло менее 10%, что является очень низким значением. Следовательно, во время затяжки на участке заплечика имела место пластическая деформация, и при свинчивании соединения результаты испытаний были неудовлетворительными.

В сравнительном образце 2, поскольку отношение площадей применительно к промежуточному заплечику составляло менее 10%, к уплотнительному участку во время сжатия прикладывали чрезмерную нагрузку, в результате чего ухудшались уплотняющие свойства, связанные с пластической деформацией. Следовательно, результаты испытаний были неудовлетворительными по причине утечки из-за натяжения и внутреннего давления (далее именуется как натяжение + внутреннее давление).

В сравнительном образце 3, поскольку отношение применительно к участку уплотнения на стороне наружной периферии было меньше 15%, результаты испытаний были неудовлетворительными по причине утечки из-за натяжения + внутреннего давления.

В сравнительном образце 4, поскольку отношение применительно к участку уплотнения на стороне внутренней периферии было меньше 20%, результаты испытаний были неудовлетворительными по причине утечки из-за натяжения и внешнего давления (натяжение + внешнее давление).

В отличие от этого испытания были успешными для всех образцов 1 – 5 настоящего изобретения, поэтому понятно, что образцы настоящего изобретения имеют исключительные уплотняющие свойства и прочность на сжатие.

Перечень номеров позиций

1 – резьбовое соединение стальных труб для нефтяных скважин

2 – ниппельный конец

3 - раструбный конец

4 – наружная резьба

5 – внутренняя резьба

6 – необработанный участок ниппельного конца

7 - необработанный участок раструбного конца

8 - контактный участок

9 – участок уплотнения на стороне наружной периферии

10 - участок уплотнения на стороне внутренней периферии

11, 12 – участок заплечика

A – первый ряд резьбы

B – второй ряд резьбы

C – промежуточный заплечик

sp1 – точка уплотнения

sp2 – точка уплотнения

α – ось резьбового соединения

Изобретение относится к резьбовому трубному соединению, используемому для соединения труб для нефтяных скважин, и направлено на предотвращение пластической деформации и повышение герметичности соединения. Резьбовое соединение включает в себя ниппельную часть, имеющую наружную резьбу, и раструбную часть, имеющую внутреннюю резьбу, входящую в зацепление с наружной резьбой, и на участке уплотнения на стороне наружной периферии площадь S1 (мм²) сечения ниппельной части в точке уплотнения в заданном положении и площадь S0 (мм²) сечения участка тела трубы, который является необработанным участком ниппельной части, удовлетворяет выражению (S1/S0) × 100 ≥ 15(%), на участке уплотнения на стороне внутренней периферии площадь S2 (мм²) сечения раструбной части в точке уплотнения в заданном положении и площадь S0' (мм²) сечения участка тела трубы, который является необработанным участком раструбной части, удовлетворяют выражению (S2/S0') × 100 ≥ 20(%), и площадь S3 (мм²) поверхности контактного участка промежуточного заплечика C между рядами A и B резьб и площадь S0 (мм²) сечения удовлетворяют выражению (S3/S0) × 100 ≥ 10 (%). 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Резьбовое соединение стальных труб для нефтяных скважин, содержащее:

ниппельную часть, имеющую наружную резьбу, являющуюся наружной конусной резьбой на одном конце стальной трубы; и

раструбную часть, имеющую внутреннюю резьбу, являющуюся внутренней конусной резьбой, входящей в зацепление с наружной резьбой на другом конце стальной трубы,

при этом ниппельная часть и раструбная часть, образующие конструкцию радиального уплотнения, герметизируют жидкость посредством металлического контакта друг с другом в двух положениях, в одном положении на участке уплотнения на стороне наружной периферии ниппельной части на стороне конца трубы и в другом положении на участке уплотнения на стороне внутренней периферии раструбной части на стороне конца трубы; резьбовое соединение также содержит:

промежуточный заплечик, образованный между рядами резьб, состоящих из внутренней и наружной конических резьб, при этом

на участке уплотнения на стороне наружной периферии, образованном на ниппельной части на стороне конца трубы,

площадь S1 (мм²) сечения ниппельной части в точке уплотнения, которая является участком на поверхности наружной периферии носового участка на стороне ниппельной части, которая в первую очередь приходит в контакт с уплотнительной поверхностью на стороне раструбной части, и площадь S0 (мм²) сечения участка тела трубы, который является необработанным участком ниппельной части, удовлетворяют нижеследующему соотношению (1),

на участке уплотнения на стороне внутренней периферии, образованном на раструбной части на стороне конца трубы,

площадь S2 (мм²) сечения раструбной части в точке уплотнения, которая является участком на поверхности внутренней периферии концевого участка трубы на стороне раструбного конца, которая в первую очередь приходит в контакт с уплотнительной поверхностью на стороне ниппельной части, и площадь S0' (мм²) сечения участка тела трубы, который является необработанным участком раструбной части, удовлетворяют нижеследующему соотношению (2), и

площадь S3 (мм²) поверхности контактного участка промежуточного заплечика и площадь S0 (мм²) сечения участка тела трубы, который является необработанным участком ниппельной части, удовлетворяют нижеследующему соотношению (3):

(S1/S0) × 100 ≥ 15(%) (1)

(S2/S0') × 100 ≥ 20(%) (2)

(S3/S0) × 100 ≥ 10(%) (3)

2. Резьбовое соединение по п. 1, в котором S1, S0, S2 и S0' удовлетворяют следующему соотношению (4):

(S1/S0) ≤ (S2/S0') (4).