DE10108863C1 - Verfahren und Einrichtung zur Abdichtung von Gewindeverbindungen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Abdichtung von Gewindeverbindungen, insbesondere für Zapfen-Muffen-Gewinde. DOLLAR A Um eine dichte Zapfen-Muffen-Gewindeverbindung eines Rohrstranges, der in Untertageposition getrennt und erneut zusammengefügt wurde, sicher zu gewährleisten, wird mit dem Einsetzen des Zapfens 2 des anzuschließenden Rohrsegmentes 8 bzw. des Rohrstranges in die in Untertageposition befindliche Muffe 3 ein Ringraum 21 ausgebildet und nach Prüfung der Zugfestigkeit der hergestellten Zapfen-Muffen-Verbindung eine in den Ringraum 21 eingesetzte Dichtung 5 mit Hilfe einer Spannmutter 9 verpresst, die das Zapfen-Muffen-Gewinde 4 gegenüber dem anstehenden Druck im Rohrstrang sicher abdichtet - Fig. 2.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abdichtung der Gewindeverbindungen in Rohrsträngen, die aus miteinander verbundenen Teilstücken/Einzelrohren zusammengesetzt sind, insbesondere für Zapfen- Muffen-Gewindeverbindungen in Steigrohren und Verrohrungen von Tiefbohrungen und Bohrungen von Untertagespeichern.

Neben modernen Schweißverfahren, mit denen einzelne Rohre zur Herstellung von Verrohrungen oder Rohrleitungssysteme, wie beispielsweise Pipelines, miteinander verbunden werden, sind unterschiedlich ausgebildete Zapfen- Muffen-Gewindeverbindungen bekannt, um Steigrohrleitungen und/oder Verrohrungen in Tiefbohrungen, beispielsweise für Erdölfördersonden oder in Bohrungen von Untertagespeichern herzustellen. Die einzelnen Rohre werden über Tage zusammengefügt und nach Zug- und Druckprüfung der Zapfen- Muffen-Verbindung schrittweise in die Bohrung eingefahren und auf die projektgemäße Teufe abgesetzt.

Im Falle einer Verrohrung wird der Raum zwischen dem Außenmantel des als Verrohrung dienenden Rohrstranges und der Bohrlochwand mit einer Zementschlämme hinterfüllt und auf diese Weise nach dem Erhärten des Zements eine Verbindung zwischen der Verrohrung und der anstehenden geologischen Struktur hergestellt.

Für die Sicherung einer dichten Zapfen-Muffen-Gewindeverbindung gegen äußere und innere Drücke sind ebenfalls bereits zahlreiche Lösungen vorgeschlagen worden, wie beispielsweise aus EP 0 127 560 B1, EP 0 241 521 B1, DE 38 27 711 A1 und DE-OS 24 57 541 hervorgeht.

Nach EP 0 127 560 B1 und 0 241 521 B1 ist zwischen den in Abschnitten unterteilten Keilgewinde der Verbindungsmuffe und des Zapfens eine Dichtfläche vorgesehen und in der Dichtfläche des Zapfengewindes eine Dichtung eingebracht, um eine sichere Metall-Metall-Dichtung der Gewindeverbindung zu gewährleisten. Zusätzlich zu dieser Dichtungsanordnung ist nach EP 0 127 560 B1 eine weitere zusätzliche Radialdichtung im stirnseitigen Bereich des Zapfens vorgesehen, die mit einer entsprechenden Dichtfläche der Verbindungsmuffe zusammenwirkt.

Die Rohrkupplung nach DE 38 27 711 A1 weist zur Herstellung einer dichten Gewindeverbindung u. a. eine am Gewindeauslauf des Muffengewindes angeordnete Radialdichtung auf, während die ersten Gewindegänge des einzuschraubenden Zapfengewindes zur Bildung einer Dichtfläche abgeflacht sind. Mit Einschrauben des Zapfengewindes in die Muffe wird neben der Metall- Metall-Dichtung zwischen den Flanken des Gewindes mit der eingebrachten Radialdichtung eine weitere Abdichtung geschaffen.

Bei der Gewindeverbindung nach DE-OS 24 57 541 ist zwischen den Gewindeabschnitten des Muffen- und Zapfengewindes ein L-förmiger Dichtring vorgesehen, der in einer radialen Erweiterung des Zapfens eingesetzt ist und mit Einschrauben des Zapfens in die Muffe zwischen den Stirnflächen der radialen Erweiterung verpresst wird. Im Anschluß an den Auslauf des Verbindungsgewindes in der Muffe und der Stirnseite des Zapfens ist jeweils eine weitere radiale Dichtfläche angeordnet, die eine erste Metall-Metall-Abdichtung der Muffen-Zapfen-Verbindung bildet.

Die volle Funktionssicherheit dieser Dichtungsanordnungen in den Muffen- Zapfen-Verbindungen ist nur gewährleistet, wenn die Rohrsegmente über Tage zusammengeschraubt und die Rohrverbindung auf ihre Dichtheit geprüft werden kann.

In den Fällen, in denen beispielsweise die Verrohrung einer Bohrung in Untertageposition getrennt und erneut zusammengefügt werden muß, können diese zur Herstellung von dichten Zapfen-Muffen-Verbindungen vorgeschlagenen Lösungen jedoch nicht eingesetzt werden.

Trotz größter Sorgfalt beim Verbinden des Zapfens des erneut anzuschließenden Rohres an die in Untertageposition getrennte Muffe des in Einbaulage verbliebenen Teiles einer Verrohrung können Verschmutzungen, die beim Verbinden in das Zapfen-Muffen-Gewinde eindringen und die Herstellung einer dichten Verbindung verhindern, nicht sicher ausgeschlossen werden.

Kann eine dichte Verrohrung der Bohrung, wie sie beispielsweise für Untertagegasspeicher gefordert wird, nicht gesichert werden, ist dies regelmäßig mit der Stillegung der Speicherbohrung und dem Abteufen einer neuen Bohrung, für die hohe Investitionskosten aufzubringen sind, verbunden.

Aus US 365 068 und US 2 438 234 sind Lösungen zur Herstellung abgedichteter Gewindeverbindungen zwischen zwei miteinander zu verbindender Rohrsegmente oder für den Anschluß eines Rohrsegmentes an einem Winkelstück bekannt, wobei eine Dichtung in einem Ringraum in Richtung der Gewindeverbindung verspannt bzw. verpresst wird. Nach US 365 068 dienen für die Verbindung der Rohrsegmente gesonderte Rohrmuffen, die an ihren Stirnseiten ein Außengewinde tragen und in diesem Gewindebereich so ausgebildet sind, dass dieser Abschnitt einen Ringraum bildet, in den die Dichtung eingelegt und über Druckstücke und auf das Außengewinde aufgeschraubte Spannmuttern in Richtung der Gewindeverbindung der Rohrsegmente verspannt werden kann.

In analoger Weise erfolgt auch die Abdichtung der Gewindeverbindung zwischen Winkelstück und Rohrsegment nach US 2 438 234. Das Winkelstück weist ein Zusatzelement auf, das mit dem Außenmantel des eingeschraubten Rohrsegmentes einen Ringraum bildet, wobei das Zusatzelement auf das Winkelstück aufgeschweißt oder in das Winkelstück eingeschraubt ist. Im letzteren Fall wird dann das anzuschließende Rohrsegment in das Zusatzstück eingeschraubt. In den so entstandenen Ringraum wird wiederum eine Dichtung eingelegt und mit Hilfe eines Druckstückes und Zuganker in Richtung des Anschlussgewindes verspannt.

Beide Lösungen sind für die Abdichtung von Zapfen-Muffen-Gewindeverbindungen an Verrohrungen von Tiefbohrungen und Sonden nicht anwendbar, da der zur Herstellung des Ringraumes notwendige Freiraum über den Außenmantel der Verrohrung hinaus, an den ja die jeweilige geologische Formation unmittelbar ansteht, nicht zur Verfügung steht.

Eine Abdichtung für eine Zapfen-Muffen-Gewindeverbindung ist ferner aus US 3 167 333, insbesondere Fig. 5 und 6, bekannt. Die auf der freien Stirnfläche des eingeschraubten Rohrsegmentes befindliche Dichtung wird mit Hilfe einer Spannmutter in Richtung der Gewindeverbindung verspannt. Für höhere Arbeits- oder Betriebsdrücke dürfte diese Dichtungsanordnung bezüglich der relativ kleinen Dichtflächen nicht einsetzbar sein. Neben den begrenzten Möglichkeiten für ein wirksames Nachspannen der Dichtung, steht die Dichtung in unmittelbarem Kontakt mit dem in der Rohrleitung transportierten Medien und unterliegt dadurch einem erheblichen Verschleiß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung anzugeben, mit denen das Gewinde einer in Untertageposition getrennten und erneut zusammengefügten Zapfen-Muffen-Verbindung eines Rohrstranges effektiv und sicher abgedichtet werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren nach den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen und eine Einrichtung gemäß den Merkmalen nach Anspruch 3 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 und 4 bis 9.

Um die nach erfolgter Trennung in Untertageposition erneut zusammengefügte Zapfen- Muffen-Verbindung eines aus einzelnen Rohrelementen bestehenden Rohrstranges gegen den anstehenden Druck, beispielsweise den in der Bohrung eines Untertagegasspeichers anstehenden Speicherdruck, abzudichten, wird mit dem Einsetzen des Zapfens des anzuschließenden Rohrsegmentes (Rohrstranges) in die in Untertageposition befindliche Muffe ein Ringraum ausgebildet und nach Prüfung der Zugfestigkeit der hergestellten Zapfen-Muffen-Verbindung eine in den Ringraum eingesetzte Dichtung verpresst, die das Zapfen-Muffen-Gewinde gegenüber dem anstehenden Druck sicher abdichtet - Anspruch 1.

Die in den Ringraum eingesetzte Dichtung besteht mindestens aus einem Dichtelement, das von einem oberen und unteren Druckring eingefasst ist - Anspruch 8 und wird mit Hilfe einer Spannmutter mit einem axialen gegen die Zapfen-Muffen-Verbindung gerichteten Anpressdruck so verpresst, dass das Dichtelement an den gegenüberliegenden Wänden des Ringraumes fest anliegt und die Zapfen-Muffen-Verbindung gegenüber dem anstehenden Druck abdichtet - Anspruch 1.

Der Zapfen des anzuschließenden Rohrsegmentes/Rohrstranges ist in axialer Verlängerung mit einem Dichtungsträger ausgestattet, der gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung in das in Untertageposition befindliche Rohrsegment eingreift und zusammen mit der Innenwand des in Untertageposition befindlichen Rohrsegmentes einen Ringraum bildet. Der freie Endabschnitt des Zapfens ist mit einem Gewinde zur Aufnahme einer Spannmutter versehen, die zum Verspannen der vor Montage auf den Dichtungsträger aufgesteckten Dichtung dient - Anspruch 3.

Die Spannmutter, die nach Aufsetzen der Dichtung auf den Dichtungsträger aufgeschraubt wird, ist während des Einsetzens des Zapfens in die in Untertageposition befindliche Muffe und dem anschließenden Herstellen der Zapfen-Muffen-Verbindung durch einen Scherstift gesichert und an ihrem freien Ende mit Nuten oder Schlitzen für den Eingriff eines Spannwerkzeuges versehen, mit dem die Spannmutter gegen die auf dem Dichtungsträger befindliche Dichtung verschraubt wird Anspruch 5, 6, und 7.

Nach der Erfindung können Zapfen-Muffen-Verbindungen, vorzugsweise Zapfen- Muffen-Verbindungen von Verrohrungen und Förderrohrsträngen, in ihrer Untertageposition getrennt und erneut dicht verbunden werden, ohne dass hierzu aufwendige Kupplungsgewinde mit integrierten Abdichtungssystemen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, eingesetzt werden müssen. Die erfindungsgemäße Lösung ist ohne Einschränkung an allen Zapfen-Muffen- Verbindungen anwendbar, sofern diese beispielsweise im Rahmen der Erneuerung oder Rekonstruktion der Rohrinstallationen vor Ort, d. h. ohne ihren vollständigen Ausbau getrennt und erneut verbunden werden müssen, wobei eine Abdichtung der erneut vorgenommenen Verbindung gegen äußere und innere Drücke gewährleistet sein muß.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Kavernenspeicher in schematischer Darstellung, wobei die Verrohrung der Kavernenbohrung und das Steigrohr in an sich bekannter Weise aus einzelnen, miteinander fest verbundenen Rohrsegmenten zusammengesetzt ist;

Fig. 2 die Einzelheit D der Verrohrung der Kavernenbohrung nach Fig. 1, deren Zapfen-Muffen-Gewindeverbindung in Untertageposition getrennt und nach der Erfindung erneut zusammengefügt und abgedichtet wurde;

Fig. 3 die zur Abdichtung der Zapfen-Muffen-Gewindeverbindung verwendete Dichtung gemäß Einzelheit E aus Fig. 2 in schematischer Darstellung.

Die in einer geeigneten geologischen Struktur ausgesolte und als Gasspeicher dienende Kaverne 15 eines Kavernenspeichers 14 ist in allgemein bekannter Weise über die Kavernenbohrung und die in der Bohrung vorhandenen Rohrinstallationen mit den Obertageanlagen des Speichers verbunden. Die Bohrung der Kaverne besitzt eine Verrohrung 17, die wie der Förderrohrstrang 18 aus einzelnen Rohrsegmenten 20; 19 zusammengesetzt ist. Die Rohrsegmente 19; 20 wurden durch Schweißverfahren oder - wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel - durch Zapfen-Muffen-Verbindungen miteinander verbunden, wobei die Zapfen-Muffen-Verbindungen gegenüber dem in der Bohrung der Kaverne anstehenden Speicherdruck abgedichtet worden sind. Im Rahmen einer notwendigen Rekonstruktion und Erneuerung von Teilen der Verrohrung 17 mußte die Zapfen-Muffen-Verbindung an der durch Einzelheit D gekennzeichneten Stelle getrennt und der Zapfen des neu einzusetzenden Rohres an die in Untertageposition befindliche Muffe erneut angeschlossen und eine druckdichte Verbindung gegenüber dem anstehenden Speicherdruck hergestellt werden.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist zur Abdichtung der in Untertageposition erneut hergestellten Verbindung zwischen dem Zapfen 2 des Rohrsegmentes 1 und der Muffe 3 des Rohrsegmentes 8 über das Gewinde 4 in axialer Verlängerung des Zapfens 2 ein Dichtungsträger 6 vorgesehen, der mit der Innenwand des Rohrsegmentes 8 einen Ringraum 21 bildet und zur Aufnahme einer Dichtung 5 dient. Die auf den Dichtungsträger 6 vor Herstellung der Zapfen-Muffen- Verbindung aufgesteckte Dichtung 5 besteht mindestens aus einem Dichtungselement 13 und einem oberen und unteren Druckring 11; 12, die das Dichtungselement 13 einfassen und eine gleichmäßige Druckverteilung beim Verpressen im Dichtungselementes 13 gewährleisten.

Auf das Gewinde 7 des Dichtungsträgers 6 ist eine Spannmutter 9 aufgeschraubt, mit der die im Ringraum 21 befindliche Dichtung 5 nach Herstellung der Zapfen-Muffen-Verbindung und Prüfung der Zugbelastbarkeit der Verbindung so verpresst wird, dass sie an den Wänden des Ringraumes 21 fest anliegt und die Zapfen-Muffen-Verbindung 2; 3; 4 gegenüber dem in der Bohrung anstehenden Speicherdruck abdichtet.

Der freie Endabschnitt der Spannmutter 9 ist mit Nuten 10 oder mit Schlitzen für den Eingriff eines Spannwerkzeuges ausgestattet, das bis zum Anschlag 22 im Zapfen 2 eingefahren wird und die Spannmutter 9, die auf den Dichtungsträger 6 vormontiert und während der Einbauphase und Herstellung der Zapfen-Muffen- Verbindung durch einen Scherstift gesichert wird, gegen die Dichtung 5 verschraubt.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass die Dicht- und Festigkeitsfunktionen getrennt bewirkt werden, indem die Zapfen-Muffen-Verbindung 2; 3; 4 ausschließlich zur Aufnahme und Übertragung der Zugbelastungen der Verrohrung dient und die Dichtfunktion der Zapfen- Muffen-Verbindung ausschließlich über die im Ringraum 21 verpreßte Dichtung 5 gewährleistet wird. Bei im Laufe der Zeit eventuell auftretenden Undichtigkeiten der Verbindung 2; 3; 4 kann die Dichtung 5 mittels der Spannmutter 9 nachgespannt werden.

BEZUGSZEICHENAUFSTELLUNG

1

Rohrsegment

2

Zapfen

3

Muffe

4

Gewinde
S Dichtung

6

Dichtungsträger

7

Gewinde

8

Rohrsegment

9

Spannmutter

10

Nuten

11

Druckring

12

Druckring

13

Dichtelement

14

Kavernenspeicher

15

Kaverne

16

Bohrlochzementierung

17

Verrohrung

18

Steigrohr

19

Rohrsegment

20

Rohrsegment

21

Ringraum

22

Anschlag

Claims (9)

1. Verfahren zur Abdichtung von Zapfen-Muffen-Gewindeverbindungen in Steigrohren und Verrohrungen von Tief- und Kavernenbohrungen, indem nach Herstellung der Gewindeverbindung ein, die Gewindeverbindung abdichtendes Dichtungselement in einem Ringraum verpresst wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den miteinander zu verbindenden Rohrsegmenten (1; 8) ein Ringraum (21) geschaffen und nach Herstellung der Verbindung zwischen Zapfen (2) und Muffe (3) die in den Ringraum (21) eingelegte Dichtung (5) mit Hilfe einer Spannmutter (9), die innerhalb des Rohrsegmentes (8) angeordnet ist, in Richtung der Zapfen-Muffen- Verbindung (2; 3) und gegen die Wände des Ringraumes (21), die durch den Außenmantel eines Dichtungsträgers (6) und den Innenmantel eines Rohrsegmentes (8) gebildet werden, verpresst wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eingelegte Dichtung (5) nach Prüfung der Zugfestigkeit der Verbindung zwischen Zapfen (2) und Muffe (3) verpresst wird.

3. Einrichtung zur Abdichtung von Zapfen-Muffen-Gewindeverbindungen in Steigrohren und Verrohrungen von Tief- und Kavernenbohrungen dadurch gekennzeichnet, dass das anzuschließende Rohrsegment (1) einen Dichtungsträger (6) aufweist, der mit dem zu verbindenden Rohrsegment (8) einen Ringraum (21) zur Aufnahme einer Dichtung (5) bildet und mit einem Gewinde (7) für eine Spannmutter (9) versehen ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsträger (6) in axialer Verlängerung des Zapfens (2) angeordnet ist und der Zapfen (2) einen Anschlag (22) aufweist.

5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die auf den Dichtungsträger (6) aufgeschraubte Spannmutter (9) durch einen Scherstift gesichert ist und an ihrer freien Stirnseite Mittel für den Eingriff eines Spannwerkzeuges vorgesehen sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der freien Stirnseite der Spannmutter (9) axial verlaufende Nuten (10) angeordnet sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass für den Eingriff eines Spannwerkzeuges Schlitze vorgesehen sind.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Ringraum (21) eingesetzte Dichtung (5) mindestens aus einem Dichtelement (13) und einem oberen und unteren Druckring (11; 12) besteht, die das Dichtelement (13) einfassen.

9. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Ringraum (21) eingesetzte Dichtung (5) ohne Trennen der Zapfen-Muffen- Verbindung (2; 3) über die innere Spannmutter (9) nachspannbar ist.