EA005874B1 - Способ выполнения герметичного уплотнительного соединения труб с пластичным расширением - Google Patents

Abstract

В процессе выполнения радиального расширения при прохождении патрона внутри уплотнительного соединения труб наклонные заплечики (41, 43), образованные, соответственно, на периферийной поверхности (8) охватывающего элемента (2), обращенной радиально внутрь, и на второй периферийной поверхности (7) охватываемого элемента (1), обращенной радиально наружу, смещаются в осевом направлении относительно друг друга и вступают в герметичный контакт с возможностью радиального взаимодействия.

Description

Изобретение относится к уплотнительному соединению труб, в частности труб, применяемых в скважинах для добычи углеводородов или для аналогичных скважин, например для геотермических скважин.

Указанное уплотнительное соединение может быть выполнено между двумя трубами большой длины или между одной трубой большой длины и соединительной муфтой. Указанные уплотнительные соединения используют, в частности, при сборке колонн обсадных труб («кейсингов») или эксплуатационных колонн («тюбингов»). Принимая во внимание требуемые механические характеристики, обсадные трубы и эксплуатационные трубы выполняют обычно из термически обработанной стали.

В свою очередь, уплотнительные соединения труб должны быть устойчивыми к растяжению, к сжатию, к сгибанию и иногда к скручиванию, а также к значительным перепадам давления в двух направлениях - снаружи и изнутри. Они также не должны пропускать газ, по меньшей мере, в некоторых случаях. С этой точки зрения наиболее предпочтительными являются резьбовые уплотнительные соединения труб.

Однако в настоящее время существует тенденция расширять диаметр уже установленных труб с непрерывной пластичной деформацией. Это дает различные преимущества, о которых будет сказано ниже. Целесообразно также, чтобы уплотнительные соединения оставались в рабочем состоянии после пластичной деформации в результате расширения диаметра, которому их подвергают совместно с трубами. Таким образом, желательно, чтобы резьбовые уплотнительные соединения оставались неизменными после пластичного расширения с сохранением основных полезных свойств, таких, в частности, как механическое сопротивление растяжению/сжатию при наличии или отсутствии избыточного давления снаружи или изнутри, а также герметичность.

Как будет подробно показано ниже, классические уплотнительные соединения не дают полностью удовлетворительного результата: они либо не удовлетворяют указанным требованиям, либо они им удовлетворяют, но не постоянно, либо, наконец, они им удовлетворяют, но не многократно.

В документе XVО 02/01102 предложена конструкция уплотнительного соединения, способного выдержать пластичное расширение по диаметру.

Настоящее изобретение направлено на усовершенствование известных технических решений.

Изобретение относится к способу выполнения высокоэффективного герметичного уплотнительного соединения, основанного на исходном трубном соединении, которое содержит первый охватываемый элемент трубы, содержащий первую наружную резьбу и кольцевую кромку, содержащую первую осевую опорную поверхность на свободном конце первого элемента, и второй охватывающий элемент трубы, содержащий вторую внутреннюю резьбу, соответствующую первой резьбе, а также полость, соответствующую охватываемой кромке, содержащей вторую осевую опорную поверхность, при этом первую резьбу завинчивают во вторую резьбу таким образом, чтобы обе опорные поверхности взаимно соприкасались, и исходное уплотнительное соединение труб расширяют по диаметру с получением пластичных деформаций с помощью расширительного патрона, диаметр которого больше внутреннего диаметра указанных трубных элементов и который перемещают внутри уплотнительного соединения в осевом направлении.

Согласно главному отличительному признаку настоящего изобретения, в процессе указанного радиального расширения первый наклонный заплечик, повернутый в осевом направлении в сторону, противоположную указанным осевым опорным поверхностям, и выполненный на периферийной поверхности охватываемой кромки, повернутой в радиальном направлении наружу, и первый наклонный заплечик, повернутый в осевом направлении в сторону указанных опорных осевых поверхностей и выполненный на периферийной поверхности охватывающей полости, повернутой в радиальном направлении внутрь, перемещают в осевом направлении относительно друг друга и герметично прижимают друг к другу с возможностью радиального взаимодействия между ними.

Под «герметичным прижатием» в данном случае подразумевают контакт между двумя поверхностями, сильно прижатыми друг к другу с обеспечением герметичного соединения металла с металлом.

В соответствии с предпочтительными вариантами осуществления настоящее изобретение характеризуется нижеследующими дополняющими друг друга или взаимозаменяющими признаками.

Периферийная поверхность полости, обращенная радиально внутрь, содержит кольцевой паз вогнутого дугообразного профиля, содержащий первую боковую поверхность, повернутую в осевом направлении в сторону указанных осевых опорных поверхностей, и вторую боковую поверхность, повернутую в осевом направлении в обратную сторону от указанных осевых опорных поверхностей, при этом первый наклонный заплечик полости определяется указанной первой боковой поверхностью.

Профиль кольцевого паза имеет радиус кривизны от 5 до 30 мм, предпочтительно примерно 10 мм.

Первые наклонные заплечики кромки и полости выполнены на исходном уплотнительном трубном соединении.

Первые наклонные заплечики, выполненные на исходном уплотнительном трубном соединении, расположены в осевом направлении друг против друга, по меньшей мере, на части их радиальной высоты.

- 1 005874

Часть кромки, заключенная между ее первым наклонным заплечиком и ее осевой опорной поверхностью, по меньшей мере, частично вдавливается в поверхность паза в процессе расширения.

Со стороны второй осевой опорной поверхности паз сопрягается с первой частью периферийной стенки, а с противоположной стороны - со второй частью периферийной стенки, имеющей диаметр, меньший диаметра первой части периферийной стенки.

Разность диаметров указанных частей периферийной стенки меньше или равна 1 мм.

Первый наклонный заплечик кромки образован, по меньшей мере, частичным вдавливанием этой кромки в поверхность паза во время расширения.

Паз примыкает ко второй осевой опорной поверхности.

Со стороны второй осевой опорной поверхности паз сопрягается с первой частью периферийной стенки и с противоположной стороны - со второй частью периферийной стенки, имеющей практически такой же диаметр, как и первая часть периферийной стенки».

Со стороны второй осевой опорной поверхности паз сопрягается с первой частью периферийной стенки и с противоположной стороны - со второй частью периферийной стенки с диаметром, большим, чем диаметр первой части периферийной стенки.

Разность диаметров указанных частей периферийной стенки меньше или равна 1 мм.

Первая часть периферийной стенки полости имеет меньший диаметр, чем поверхность, расположенная напротив охватываемой кромки, для обеспечения радиального взаимодействия между этими поверхностями в конце завинчивания.

Первый наклонный заплечик охватываемой кромки и/или первый наклонный заплечик полости снабжены покрытием из материала, обладающего большей ковкостью, чем материал подложки.

Радиальное расширение соединения выполнено при коэффициенте расширения, по меньшей мере, равном 10%.

Радиальное расширение соединения выполнено при коэффициенте расширения, по меньшей мере, равном 15%.

Периферийная поверхность полости, обращенная в радиальном направлении внутрь, содержит второй наклонный. заплечик, обращенный в осевом направлении в обратную сторону от первого наклонного заплечика, ограничивая вместе с ним кольцевое ребро жесткости.

Первый и второй наклонные заплечики полости сопрягаются в вершине ребра жесткости через закругления.

Закругление второго наклонного заплечика полости имеет радиус больший, чем радиус закругления первого наклонного заплечика.

Наклонный заплечик охватываемой кромки сопрягается через выпуклое закругление с периферийной поверхностью, обращенной в радиальном направлении наружу.

Указанные заплечики имеют наклон от 5 до 20°, предпочтительно около 10°, по отношению к продольной оси соединения.

Указанные заплечики имеют радиальную высоту от 0,2 до 1 мм, предпочтительно около 0,5 мм.

Первый трубный элемент и второй трубный элемент принадлежат соответственно трубе большой длины и соединительной муфте, предназначенной для соединения указанной трубы с другой трубой большой длины при помощи второго трубного соединения, выполненного также при помощи способа согласно изобретению.

Первая осевая опорная поверхность является выступающей поверхностью, образованной кольцевым язычком и поперечной поверхностью, примыкающей к язычку и отступающей относительно последнего в осевом направлении, и соединена с внутренней периферийной поверхностью первого элемента, а вторая осевая опорная поверхность является вогнутой опорной поверхностью, образованной кольцевым пазом и поперечной поверхностью, примыкающей к пазу и соединенной с внутренней периферийной поверхностью второго элемента, при этом язычок взаимодействует с пазом.

Первая резьба и вторая резьба выполнены коническими с конусностью, по меньшей мере, равной 12,5%.

Первая резьба и вторая резьба выполнены цилиндрическими.

Кромка имеет толщину, составляющую от 1/3 до 2/3 толщины первого трубного элемента.

Кромка имеет такие длину и толщину, при которых отношение длины к толщине кромки составляет от 1 до 4.

Первый трубный элемент труб содержит кольцевую канавку в конце первой резьбы между резьбой и кромкой.

Кольцевая канавка имеет глубину, равную высоте витков первой резьбы.

Кольцевая канавка имеет такие длину и глубину, при которых ее длина от 2 до 15 раз превышает ее глубину.

Объектом изобретения является также исходное уплотнительное соединение труб, применяемое для осуществления вышеуказанного способа, включающее в себя первый охватываемый трубный элемент, содержащий первую наружную резьбу и кольцевую кромку с первой осевой опорной поверхностью на свободном конце первого элемента, и второй охватывающий трубный элемент, содержащий вторую

- 2 005874 внутреннюю резьбу, соответствующую первой резьбе, а также полость, соответствующую охватываемой кромке и содержащую вторую осевую опорную поверхность, при этом первая резьба выполнена с возможностью завинчивания во вторую резьбу для установления взаимного контакта между обеими поверхностями, а периферийная поверхность полости, обращенная в радиальном направлении внутрь, содержит первый наклонный заплечик, обращенный ко второй осевой опорной поверхности.

Объектом настоящего изобретения является также высокоэффективное герметичное уплотнительное соединение, выполняемое при помощи вышеуказанного способа, включающее в себя первый охватываемый трубный элемент, содержащий первую наружную резьбу и кольцевую кромку с первой осевой опорной поверхностью на свободном конце первого элемента, и второй охватывающий трубный элемент, содержащий вторую внутреннюю резьбу, соответствующую первой резьбе, а также полость, соответствующую охватываемой кромке со второй осевой опорной поверхностью, при этом первую резьбу завинчивают во вторую резьбу, первый наклонный заплечик, обращенный в осевом направлении в обратную сторону от указанных осевых опорных поверхностей и образованный на периферийной поверхности охватываемой кромки, обращенной в радиальном направлении наружу, и первый наклонный заплечик, обращенный в осевом направлении к указанным осевым опорным поверхностям и образованный на периферийной поверхности охватывающей полости, обращенной в радиальном направлении внутрь, находятся во взаимном герметичном контакте, взаимодействуя друг с другом в радиальном направлении.

На фигурах, описанных ниже и не носящих ограничительного характера, показаны варианты выполнения изобретения, при этом идентичные или аналогичные элементы обозначены на всех фигурах одинаковыми позициями.

Фиг. 1 представляет собой изображение известного исходного резьбового уплотнительного соединения, в котором применено настоящее изобретение.

Фиг. 2 - изображение охватываемого элемента резьбового уплотнительного соединения, показанного на фиг. 1.

Фиг. 3 - изображение охватывающего элемента резьбового уплотнительного соединения, показанного на фиг. 1.

Фиг. 4-7 - изображения резьбового уплотнительного соединения, показанного на фиг. 1, на различных этапах процесса расширения.

Фиг. 4 - изображение фазы расширения резьбового уплотнительного соединения.

Фиг. 5 - изображение фазы сгибания.

Фиг. 6 - изображение фазы выпрямления.

Фиг. 7 - изображение конечного состояния резьбового уплотнительного соединения после процесса расширения.

Фиг. 8 - изображение первой фазы завинчивания уплотнительного соединения в соответствии с настоящим изобретением перед расширением.

Фиг. 9 - график момента завинчивания во время фазы, показанной на фиг. 8.

Фиг. 10 - изображение второй фазы завинчивания уплотнительного соединения в соответствии с настоящим изобретением перед расширением.

Фиг. 11 - график момента завинчивания, показанный на фиг. 9, дополненный фазой, показанной на фиг. 10.

Фиг. 12 - изображение третьей фазы завинчивания уплотнительного соединения в соответствии с настоящим изобретением перед расширением.

Фиг. 13 - график момента завинчивания, показанный на фиг. 11, дополненный фазой, показанной на фиг. 12.

Фиг. 14 - изображение четвертой фазы завинчивания уплотнительного соединения в соответствии с настоящим изобретением перед расширением.

Фиг. 15 - график момента завинчивания, показанный на фиг. 13, дополненный фазой, показанной на фиг. 14.

Фиг. 16 - изображение, аналогичное фиг. 14, относящееся к варианту выполнения.

Фиг. 17 - изображение, аналогичное фиг. 16, иллюстрирующее соединение после расширения в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 18-23 - изображения, аналогичные фиг. 16 и 17, относящиеся к другим вариантам выполнения, при этом четные и нечетные фигуры иллюстрируют, соответственно, исходные уплотнительные соединения и уплотнительные соединения после расширения.

Ниже будет рассмотрен процесс бурения скважин, например скважин для добычи углеводородов или геотермических скважин.

Традиционно, верхнюю часть скважины вначале бурят на относительно небольшую глубину в несколько десятков метров при помощи бурового инструмента большого диаметра порядка, например, 500 мм и крепят при помощи колонны обсадных труб такого же диаметра. Затем диаметр бурения поступенчато уменьшают вплоть до дна скважины, которое может иметь значительно меньший диаметр порядка 150 мм. Затем такую скважину крепят с помощью нескольких концентрических колонн обсадных труб, каждую из которых опускают в конце этапа бурения при соответствующем диаметре в подвешенном ви

- 3 005874 де, начиная от поверхности; трубы большего диаметра опускают от поверхности в глубину на несколько десятков метров, а трубы меньшего диаметра опускают от поверхности до дна скважины, глубина которой может достигать нескольких тысяч метров. Промежуток между обсадными трубами и породой заполняют, например, тампонажным раствором.

После того как скважину полностью пробурили и закрепили обсадными трубами, можно опускать эксплуатационную колонну труб, которая обеспечивает, в частности, подъем углеводородов на поверхность, то есть собственно эксплуатацию скважины. Понятно, что указанная колонна эксплуатационных труб имеет наружный диаметр, несколько меньший внутреннего диаметра колонны обсадных труб.

Для того чтобы оборудовать скважину, следует задействовать большое количество труб разных размеров, чаще всего собранных с помощью резьбовых уплотнительных соединений, учитывая преимущества такого типа сборки. Указанные трубы стремятся выполнять как можно более тонкими, чтобы не устанавливать у поверхности обсадные трубы очень большого диаметра. Таким образом, соблюдение допустимых нагрузок и допусков, применяемых к уплотнительным резьбовым соединениям, часто приводит к тому, что их толщина оказывается больше толщины рабочей части труб, что вынуждает увеличивать разность между диаметрами концентрических колонн по мере их спуска по глубине скважин.

Сборку труб выполняют либо путем завинчивания друг в друга содержащих резьбу концов труб (уплотнительные соединения, называемые прямыми), либо с помощью резьбовых соединительных муфт, охватывающих концы труб. Трубы опускают последовательно после их завинчивания в конец предыдущей трубы или предыдущей соединительной муфты.

В спецификации ΑΡΙ 5СТ Института Нефти США (ΑΡΙ) определены, таким образом, уплотнительные резьбовые соединения двух труб большой длины («ш1е§га1-)от1 1иЫид», «ех1тете-1те саыид»), а также резьбовые муфтовые соединения, содержащие два уплотнительных резьбовых соединения, обеспечивающие сборку двух труб большой длины при помощи соединительной муфты. Указанные уплотнительные соединения ΑΡΙ являются герметичными только при условии добавления смазки с наполнителем из металлических частиц, которая заполняет зазоры между витками резьбы.

Очевидно, что соединения между трубами (или между трубами и соединительными муфтами) должны оставаться герметичными, какими бы ни были нагрузки, которые испытывают трубы во время их спуска в скважину и во время эксплуатации, причем в самых широких пределах действующего на них веса, так как каждое уплотнительное соединение удерживает, по меньшей мере, частично, находящиеся под ним трубы. Таким образом, механические свойства резьбовых уплотнительных соединений оказываются тесно связанными с их геометрическими параметрами.

В резьбовых уплотнительных соединениях, выполненных согласно стандартам ΑΡΙ, всегда существует, несмотря на смазку с наполнителем из частиц, канал утечки, через который под большим давлением может вытекать жидкость через зазор, существующий между не соприкасающимися друг с другом поверхностями. Для данной нагрузки растяжения существует порог давления жидкости, за пределами которого комбинированное усилие растяжения и давления вызывает в резьбовых уплотнительных соединениях ΑΡΙ сначала утечку, которая впоследствии может привести к разъединению резьбы охватываемых и охватывающих частей, находящихся в контакте.

В связи с этим уплотнительные резьбовые соединения и сборки подвергались различным усовершенствованиям: например, в патентах ТВ 1489013, ЕР 0488912, И8 4494777 ставилась задача выполнения резьбовых уплотнительных трубных соединений, называемых «высокоэффективными» или «ргетшт», которые являются сверхгерметичными благодаря наличию уплотнительных опорных поверхностей типа «металл-металл», взаимодействующих друг с другом в радиальном направлении, и упорам между охватываемыми и охватывающими элементами, выполненным таким образом, чтобы гарантировать заданный диапазон взаимодействия между уплотнительными опорными поверхностями.

Как было показано выше, после опускания колонны труб в скважину ее подвергают расширению по диаметру с непрерывной пластичной деформацией. Этого достигают, например, с помощью патрона, который продвигают внутрь колонны: см. патенты или патентные заявки XVО 93/25799, XVО 98/00626, АО 99/06670, АО 99/35368, АО 00/61915, ОВ 2344606, ОВ 2348657. Данная технология предоставляет большие потенциальные возможности, в числе которых следует выделить возможность опускания колонны, занимающей очень мало места, которую затем расширяют с приложением усилия; возможность установки таким образом на место колонны обсадных труб; возможности заделать на месте отверстия в обсадных или эксплуатационных трубах, появившиеся в результате коррозии или при трении буровых штанг, или же опустить в скважину трубы, занимающие мало места, которые будут расширены до требуемого диаметра после их установки на место; и, наконец, что наиболее существенно, возможность бурения скважин единого диаметра по всей их длине, крепление которых выполняют с помощью колонн обсадных труб одного диаметра, при этом части колонн опускают в нерасширенном состоянии, а затем расширяют на месте по диаметру уже ранее установленных и расширенных колонн, которые соединяют с ними встык.

При этом становится возможным значительно уменьшить число труб, необходимых для оборудования скважин, не прибегая к использованию труб большого диаметра и большой толщины. В результате этого снижается стоимость скважин. Можно даже рассмотреть возможность бурения скважины непо- 4 005874 средственно с колонной обсадных труб, которая в данном случае будет выполнять роль колонны буровых штанг.

Оказалось, что выполнить резьбовые уплотнительные соединения, которые сохраняли бы свои характеристики после расширения, которое может превышать 10% и даже достигать 25%, является крайне сложной задачей, тем более, что соединение должно быть надежным (все уплотнительные соединения должны сохранять прочность в условиях эксплуатации).

Из документов И8 5924745 и АО 98/42947 известны способы резьбовой сборки, выдерживающей расширение. Однако в настоящем документе речь идет о сборке так называемых труб Е8Т (ехрапбаЫе 81ойеб ШЫп§5). содержащих продольные и поперечные прорези и подвергаемых расширению по диаметру на дне скважины (при помощи продвижения расширительной оправки в указанных трубах); находясь в расширенном состоянии, прорези дают возможность жидкости, находящейся снаружи трубы (углеводород, поступающий из месторождения), поступать в трубу, затем эту жидкость поднимают на поверхность. В этом случае герметичность сборки не имеет существенного значения, а трубы не испытывают слишком большой механической нагрузки, находясь на дне скважины.

По существу, первые предложения, относящиеся к пластичному расширению колонн герметичных труб, основаны на использовании сварных соединений (катушки труб, предварительно соединенных встык при помощи сварки, разматываемые начиная от поверхности) или фрикционных соединений («δΐΐρκ»). Однако такие уплотнительные соединения не обладают характеристиками резьбовых уплотнительных соединений, в частности в том, что касается сочетания механической прочности, герметичности при любых условиях эксплуатации, а также возможности многократного демонтажа/монтажа.

Оказалось, что классические резьбовые уплотнительные соединения труб, описанные в патенте и 8 4494777, не выдерживают пластичного расширения по диаметру. После выполнения расширения в указанных уплотнительных соединениях были установлены следующие негативные результаты:

- отсутствие герметичности (что не позволяет выполнять расширение путем продвижения патрона по колонне гидравлическим способом);

- прогиб охватываемого конца, направленный внутрь соединения, который существенно и недопустимым образом уменьшает внутренний рабочий диаметр колонны, образуя внутренний выступ в пространстве, определенном внутренним рабочим диаметром;

- возможность разрыва охватываемой концевой кромки при превышении предела деформации в некоторых зонах, подверженных наиболее значительным нагрузкам вследствие изменения толщины по всей длине охватываемых и охватывающих элементов по отношению к толщине корпуса трубы.

Была поставлена задача выполнения уплотнительного соединения труб, способного выдерживать процесс расширения в скважине и сохранять герметичность по отношению к жидкостям и, по возможности, к газам после указанной операции расширения. Была также поставлена задача, чтобы резьбовое уплотнительное соединение труб было простым и экономичным в изготовлении. Кроме того, была поставлена задача, чтобы резьбовое уплотнительное соединение имело при работе, то есть после расширения, хорошие металлургические характеристики, особенно, чтобы оно имело в этом состоянии достаточный предел упругости, не было хрупким и обладало прочностью на растрескивание при воздействии Н28.

Известны резьбовые уплотнительные соединения, содержащие охватываемую кромку, соответствующую охватывающей полости (И8 4611838, И8 3870351, АО 99/08034, И8 6047997). Оказалось, что указанные известные варианты сборки не обеспечивают герметичности после выполнения пластичного расширения, которое, впрочем, в указанных документах вообще не рассматривалось.

Вариант выполнения уплотнительного герметичного соединения металла с металлом в форме штифта, адаптированный к указанной технологии, описан в международной патентной заявке РСТ/ЕЯ 01/02005, упомянутой выше. Тем не менее в этом варианте выполнения при наиболее высоких коэффициентах расширения во время прохождения патрона трубы испытывают механические нагрузки, при которых штифт выходит из своего гнезда, что приводит к недостаточной герметичности или даже ее отсутствию в местах монтажа уплотнительных соединений.

На фиг. 1 в качестве примера показано уплотнительное соединение согласно заявке РСТ/ЕЯ 01/02005, опубликованной под номером АО 02/01102, отличающееся от настоящего изобретения, содержащее охватываемый резьбовой элемент 1, выполненный на конце первой трубы 11. Указанный охватываемый элемент завинчивают до упора в охватывающий резьбовой элемент 2, выполненный на конце второй трубы 12. При этом внутренний диаметр охватываемого резьбового элемента равен внутреннему диаметру ΌΙ труб 11, 12. В варианте выполнения, показанном на фиг. 1 исключительно в качестве примера, наружный диаметр охватывающего резьбового элемента равен наружному диаметру ΌΕ труб 11,12.

Уплотнительное соединение показано на фиг. 1 завинченным до упора до того, как выполняют какую-либо операцию расширения по диаметру.

Вторая труба 12 представляет собой трубу большой длины. Указанная вторая труба могла бы быть муфтой (вариант не представлен), содержащей, с одной стороны, охватывающий элемент 2 и, с другой стороны, второй охватывающий элемент, симметричный или несимметричный по отношению к первому элементу и завинчивающийся на охватываемом элементе, выполненном на конце другой трубы большой длины.

- 5 005874

На фиг. 2 показан только охватываемый элемент 1.

Он содержит коническую наружную резьбу 3 с трапециевидными витками и продолжен в направлении своего свободного конца нерезьбовой частью, содержащей кольцевую канавку 21 и кромку 5, и заканчивается кольцевой поверхностью охватываемого конца 9.

Кольцевая канавка 2 выполнена неглубокой и имеет ϋ-образную форму.

Она начинается сразу же за резьбой, и ее глубина к, меньше высоты витков резьбы 3. Таким образом дно кольцевой канавки доходит до основания первого витка резьбы.

Ширина кольцевой канавки 1_д практически равна 4-кратной глубине й₈.

Кромка 5 содержит:

а) наружную периферийную поверхность 7 цилиндрической формы,

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

Таким образом, кромка 5 имеет равномерную толщину е₁, практически равную половине толщины е трубы 11. Она имеет длину 1₁, измеренную от края кольцевой канавки до отвесной поверхности 15 (определенной ниже) и практически равную 3-кратной толщине кромки е₁.

Охватываемая концевая поверхность 9 образует фальц. Указанный фальц содержит охватываемую кольцевую поперечную поверхность 15 и кольцевой язычок 13, выполненный в осевом направлении и примыкающий к поперечной поверхности 15. Охватываемая поперечная поверхность 15 находится на стороне фальца, направленной внутрь резьбового уплотнительного соединения.

Наружная периферийная поверхность язычка 13 выполнена в продолжении поверхности 7 кромки, тогда как ее внутренняя периферийная поверхность 17 является, например, цилиндрической.

Радиальная толщина язычка 13 практически равна толщине поперечной поверхности 15, тогда как высота язычка (или высота его осевой проекции) практически равна радиальной толщине указанного язычка. Она может быть в 1,5 раза больше указанной радиальной толщины, чтобы лучше удерживать свободный конец язычка во время расширения.

На фиг. 3 показан только охватывающий элемент 2.

Он содержит, начиная от свободного конца охватывающего элемента, внутреннюю резьбу 4 с трапециевидными витками, соответствующую наружной резьбе 3, затем нерезьбовую часть 6. Указанная нерезьбовая часть 6 образует полость, которая соответствует кромке 5 охватываемого элемента 1 и взаимодействует с ней.

Охватывающая полость 6 содержит обращенную внутрь периферийную поверхность 8 цилиндрической формы, соединенную с одной стороны с внутренней резьбой 4, а с другой стороны через охватывающий заплечик 10 с цилиндрической внутренней периферийной поверхностью 20 второй трубы 12.

Как правило, диаметр периферийной поверхности 8 полости несколько превышает диаметр внутренней периферийной поверхности 7 охватываемой кромки 5. Таким образом, поверхности 7 и 8 могут скользить одна в другой с небольшим зазором во время завинчивания охватываемого элемента в охватывающий элемент, например с зазором 0,2 мм. Преимущество такого скольжения будет описано ниже.

Охватывающий заплечик содержит кольцевую поверхность заплечика 10, которая имеет расположение и форму, практически соответствующие форме и расположению охватываемого конца 9. Поверхность 10 образует фальц, состоящий из охватывающей кольцевой поперечной поверхности 16 и кольцевого паза 14, примыкающего к поперечной поверхности 16.

Охватывающую поперечную поверхность 16 выполняют со стороны фальца направленной внутрь резьбового уплотнительного соединения.

Стенка 18 паза 14, примыкающая к поперечной поверхности 16, является, например, цилиндрической и может сопрягаться с ней при помощи фаски или закругления. Противоположная стенка паза находится в продолжении периферийной поверхности 8. Во время завинчивания резьбового уплотнительного соединения поверхность 17 язычка «поднимается» на стенку 18 паза до тех пор, пока свободный поперечный конец 25 язычка не дойдет до дна 24 кольцевого паза 14. Осевая высота й_г кольцевого паза 14 и осевая глубина Р_г паза таковы, что поперечные поверхности 15 и 16 соприкасаются друг с другом только после дополнительного завинчивания. Небольшой зазор между цилиндрическими поверхностями 7 и 8 и между продолжающими их поверхностями язычка и паза обеспечивает удаление смазки в конце завинчивания, что способствует правильной установке на место кромки 5 по отношению к полости 6.

На фиг. 4-7 ясно показаны деформации, которые возникают при выполнении с помощью патрона диаметрального расширения порядка 15% в трубах, смонтированных при помощи резьбовых уплотнительных соединений, которые были описаны выше и которые позволяют получить в результате расширенное герметичное уплотнительное соединение.

Такая деформация, которой подвергают металлические материалы, приводит к пластичным деформациям металла.

Например, от наружного диаметра 139,7 мм (5,5 дюймов) на второй трубе 12 над расширением и, следовательно, в пока еще не деформированной части переходят к наружному диаметру 157,5 мм (6,2 дюйма) на первой расширенной трубе 11 (на одной линии или под выходным конусом 33 патрона). Поэтому для труб следует использовать металл, который допускал бы такие пластичные деформации.

- 6 005874

Создаваемые пластичные деформации увеличивают предел упругости изделий: предел упругости трубы, первоначально составлявший 310 МПа (45 Κ8Ι), после деформации увеличился до 380 МПа (55 Κ8Ι).

Расширение по диаметру выполняют известным способом с помощью патрона 30 (фигура 4) с соответствующим максимальным диаметром. Указанный патрон с усилием перемешают в трубах либо протягивая его при помощи буровых штанг, либо проталкивая, например, при помощи гидравлического давления.

Патрон имеет, например, двухконусную форму и содержит входной конус 31, с помощью которого выполняют расширение, цилиндрическую среднюю часть 32 и выходную коническую часть 33. Все поверхности частей патрона соединены между собой соответствующими радиусами сопряжения.

В документе АО 93/25800, в частности, указаны углы входных конусов, наиболее приемлемые для диаметрального расширения труб, называемых Е8Т и предназначенных для эксплуатации нефтегазовых скважин.

Поскольку трубы 11, 12 имеют практически постоянное сечение, их концы не вызывают особых проблем во время прохождения патрона при наличии достаточной способности к деформации металла, из которого они выполнены.

Проблемы возникают из-за того, что резьбовые элементы на концах труб имеют меньшую толщину, чем корпуса труб, которая может локально меняться, поддерживаются в той или иной мере и имеют тенденцию к деформации, причем по-разному на охватываемых частях и соответствующих им охватывающих частях.

Если эти различные деформации контролировать при помощи резьбовых уплотнительных соединений согласно изобретению, то после диаметрального расширения они позволяют получить герметичное резьбовое уплотнительное соединение без существенных рельефных дефектов внутри внутренней периферийной поверхности труб.

Процесс расширения резьбового уплотнительного соединения можно разделить на 4 фазы, которые отображены на фигурах 4-7.

Несмотря на то что операцию расширения можно выполнить в обратном порядке, что приведет к адекватным результатам, ниже представлен предпочтительный способ деформации, при котором патрон перемещают от охватываемого резьбового элемента 1 первой трубы 11 к охватывающему резьбовому элементу 2 второй трубы 12.

Фаза расширения на конусе патрона

На фиг. 4 показано резьбовое уплотнительное соединение во время выполнения указанной фазы. Расширение выполняют с помощью входного конуса 31 патрона 30, и на фиг. 4 показана наружная резьба 3 и внутренняя резьба 4 во время выполнения расширения по диаметру.

На фиг. 4 входной конус 31 патрона 30 начинает деформацию охватываемой кромки и соответствующей охватывающей зоны полости, сгибая их, чтобы наклонить относительно оси соединения.

Во время указанной фазы расширения ответные усилия при прохождении патрона 30 постепенно передаются от первой трубы 11 ко второй трубе 12.

Во время указанной фазы расширения, в результате этих ответных усилий кромка 5 прижимается в осевом направлении кольцевой поверхностью охватывающего заплечика 10.

Конец фазы расширения соответствует приходу свободного конца охватываемого элемента к концу входного конуса 31 патрона

б) Фаза сгибания.

Во время этой фазы охватываемая кромка находится на уровне центральной части 32 патрона: см. фиг. 5.

ί) Охватываемая кромка.

На каждом из своих концов охватываемая кромка 5 подвергается действию изгибающих моментов противоположных направлений.

Поверхность охватываемого конца 9 фактически удерживается внутри поверхности охватывающего заплечика 10 за счет фальцев с упорами 15, 16 и захватной системы язычок 13/кольцевой паз 14.

Захват фальцев заставляет свободную концевую зону охватываемой кромки 5 следовать наклону зоны 22 полной толщины охватывающего элемента за пределами заплечика. Указанная зона 22 находится в процессе расширения на входном конусе 31 патрона и создает, таким образом, изгибающий момент на этом уровне.

Другой конец кромки со стороны наружной резьбы 3 больше не поддерживается, а наоборот, действует на кромку изгибающим моментом, противоположным изгибающему моменту свободного конца кромки.

Наличие изгибающих моментов с противоположными знаками на двух концах охватываемой кромки приводит к бананообразному изгибу охватываемой кромки 5, как показано на фиг. 5, при этом наружная периферийная поверхность 7 кромки 5 принимает выпуклую форму.

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

- 7 005874

Кольцевая канавка 21, расположенная между охватываемой кромкой 5 и наружной резьбой, играет роль пластичной шаровой опоры, которая усиливает сгибание охватываемой кромки, ограничивая ширину, на которой может быть выполнен указанный изгиб.

Вместе с тем, необходимо следить за тем, чтобы напряжения осевого сжатия на уровне охватываемой кромки не вызвали продольной деформации металла 23 под кольцевой канавкой. Такая продольная деформация может привести к выступанию металла под кольцевой канавкой по отношению к внутренней периферийной поверхности 19.

ίί) Охватывающая полость.

Аналогичное явление сгибания происходит в охватывающей полости.

Зона 22 полной толщины, относительно жесткая по сравнению с достаточно тонкими зонами кромки, испытывает при прохождении патрона на уровне средней части дополнительное расширение, в результате чего внутренний диаметр зоны 22 становится больше диаметра средней зоны 32 патрона. Явление дополнительного расширения описано в документе \УО 93/25800.

в) Фаза выпрямления.

Указанная фаза показана на фиг. 6 и соответствует прохождению охватывающей зоны 22 по средней части 32 патрона 30.

ί) Охватывающая полость.

Сгибание, возникающее во время предыдущей фазы, стремится к нулю под воздействием напряжения и круговых нагрузок, что приводит к появлению осевых изгибающих нагрузок в обратном направлении по отношению к изгибу, обеспечивая, таким образом, выпрямление.

Изгибающий момент, вызванный указанными нагрузками, пропорционален толщине материала на входе зоны выпрямления. При прохождении по трубе 12 до ее полной толщины (зона 22) изгибающий момент будет недостаточным для того, чтобы распрямить внутреннюю периферийную зону охватывающей полости, которая стремится прогнуться в направлении оси изделия. Такое поведение проявляется в виде локального уменьшения наружного диаметра трубы 12.

ίί) Охватываемая кромка.

По мере выпрямления охватывающей части уменьшается разность осевых размеров, которая была вызвана сгибанием. Охватываемая кромка 5 постепенно выходит из сжатого состояния. Этот процесс сопровождается разъединением поверхностей 15, 16, первоначально находившихся в состоянии взаимного упора. Процесс еще более усиливается за счет «опускания» внутренней периферийной поверхности 8 охватывающей полости, которое приводит к эффекту разъединения опорных поверхностей 15, 16.

При этом сохраняется бананообразная деформация, возникающая во время предыдущей фазы.

г) Конечное состояние.

На фиг. 7 показано конечное состояние резьбового уплотнительного соединения после прохождения патрона.

Состояние круговых нагрузок, возникающее, например, при расширении, приводит к запрессовыванию наружной периферийной поверхности 7 охватываемой кромки во внутреннюю периферийную поверхность 8 охватывающей полости. В этом случае можно говорить об самозапрессовывании поверхностей 7, 8 резьбового уплотнительного соединения в расширенном состоянии, что позволяет обеспечить герметичность. Охватываемая кромка 5 не отклоняется в сторону оси, так как радиальное смещение, обеспеченное захватом фальцев 9, 10, создает достаточное количество пластичных деформаций.

Упругое восстановление элементов резьбового уплотнительного соединения после прохождения патрона является незначительным по сравнению с возникшими пластичными деформациями.

Радиальное запрессовывание создает контактное давление порядка нескольких десятков МПа и даже более 100 МПа, достаточное для того, чтобы обеспечить герметичность по отношению к внутреннему или внешнему давлению, действующему на резьбовое уплотнительное соединение. Длина запрессовки по всей периферии контактных поверхностей достаточна для обеспечения между ними надежного уплотнения.

Кроме того, герметичность необходима, когда расширение выполняют, проталкивая патрон 30 гидравлическим способом под давлением 10-30 МПа, поскольку любая утечка на уровне уже расширенных уплотнительных соединений мешает дальнейшему продвижению патрона внутри колонны и, следовательно, блокирует процесс расширения.

Следует отметить, что в конечном состоянии может случиться так, что язычок 13 не будет больше находиться в кольцевом пазу 14.

Поверхность охватываемого конца 9, не захваченная поверхностью охватывающего заплечика 16, вызывает опускание указанного конца во время фазы выпрямления, что ведет к разъединению ранее находившихся в состоянии взаимного упора поперечных поверхностей 15 и 16 и, как следствие, к появлению недопустимого выступания нижнего конца охватываемой кромки в направлении внутреннего пространства колонны. В этом случае колонна мешает спуску оборудования или инструментов заданных габаритов.

- 8 005874

Слишком большой зазор между периферийной поверхностью 7 охватываемой кромки 5 и периферийной поверхностью 8 охватывающей полости на резьбовом уплотнительном соединении до расширения помешает запрессовыванию указанных поверхностей в конце операции расширения.

Радиальное взаимодействие указанных поверхностей в исходном состоянии до расширения может стать помехой для дифференциальных деформаций (сгибание, выпрямление) этих поверхностей во время операций расширения, учитывая тот факт, что эти дифференциальные деформации обеспечивают запрессовывание указанных поверхностей в конце операции расширения. Такое взаимодействие может также привести к заклиниванию указанных поверхностей во время завинчивания и к неправильной установке на место элементов с неверным захватом поверхностей 9 и 10 и, как следствие, стать причиной недостаточного запрессовывания поверхностей 7 и 8 после расширения.

Согласно предпочтительному варианту выполнения конструкция с кольцевым фальцем, содержащим поперечные поверхности 15, 16 и систему язычок 13/кольцевой паз 14, позволяет предотвратить опускание свободного охватываемого конца во время расширения. Для того чтобы получить тот же результат, возможны другие варианты выполнения жестко соединенных друг с другом поверхностей 9, 10.

Слишком тонкая охватываемая кромка 5 толщиной менее 1/3 толщины труб 11, 12 не позволяет добиться эффективного упора на уровне поперечных поверхностей 15, 16.

Если толщина е₁ охватывающей кромки 5, наоборот, превышает 2/3 толщины труб 11, 12, то толщина трубы 12 на уровне зоны охватывающей полости создает слишком слабое критическое сечение внутренней резьбы 4 и, следовательно, не обеспечивает достаточного сопротивления растяжению витков резьбы.

Отношение длины к толщине охватываемой кромки 5 определяет поведение кромки 5 при сжатии и при сгибании.

Охватываемая кромка 5 длиной 1₁, меньшей, чем ее толщина 1₂, не дает возможности выполнить достаточное сгибание периферийной поверхности 7 охватываемой кромки 5 и/или выпрямление периферийной поверхности 8 охватывающей полости.

Охватываемая кромка 5 длиной 1₁ , в 4 раза превышающей ее толщину е₁, может вызвать продольный изгиб охватываемой кромки и привести к выступанию этой кромки вовнутрь со стороны резьбы.

Этот эффект усиливается при наличии кольцевой канавки 21 между наружной резьбой 3 и охватываемой кромкой 5.

Поэтому кольцевая канавка предпочтительно имеет глубину, ограниченную высотой витка резьбы, и длину, ограниченную в соответствии с ее глубиной.

Язычок 13, имеющий недостаточную радиальную толщину и осевую высоту, меньшую радиальной толщины, не мог бы в достаточной степени удерживаться во время расширения.

Обратимся к фигуре 8, на которой показана одна из двух симметричных частей осевого разреза по первому варианту выполнения уплотнительного соединения в соответствии с настоящим изобретением во время фазы завинчивания.

На фиг. 8 показано уплотнительное соединение, содержащее охватываемый резьбовой элемент 1, содержащий наружную резьбу 3, выполненную на конце первой трубы 11. Указанный охватываемый элемент находится в процессе завинчивания в охватывающий резьбовой элемент 2, содержащий внутреннюю резьбу 4, выполненную на конце второй трубы 12.

Кольцевая кромка 5 имеет периферийную поверхность 7, обращенную радиально наружу. Указанная периферийная поверхность 7 кромки содержит, начиная от наружной резьбы, кольцевую канавку 21, за которой следует первая цилиндрическая поверхность, затем наклонный заплечик 43 и вторая цилиндрическая поверхность. Первая цилиндрическая поверхность имеет диаметр, меньший диаметра второй цилиндрической поверхности.

Полость 6 содержит периферийную поверхность 8, обращенную радиально внутрь. Указанная периферийная поверхность 8 полости содержит, начиная от внутренней резьбы, первый наклонный заплечик 42, за которым следует второй наклонный заплечик 41, образуя таким образом между двумя наклонными заплечиками кольцевое ребро жесткости 40 с цилиндрической вершиной. Кольцевое ребро жесткости имеет высоту порядка нескольких десятых миллиметра (например, 0,4 мм).

На фиг. 8, 10, 12 и 14 показаны этапы сборки уплотнительного соединения согласно изобретению. На фиг. 9, 11, 13 и 15 приведены иллюстрации момента затягивания, соответствующего этапам сборки.

Так на фиг. 8 показана начальная фаза завинчивания уплотнительного соединения согласно изобретению. Периферийная поверхность 7 кромки перемещается при вращении относительно периферийной поверхности 8 полости. На фиг. 9 показано линейное изменение с небольшим подъемом момента завинчивания, необходимого для данной фазы завинчивания А.

На фиг. 10 показан переход вершины ребра жесткости 40 через кромку 5. Таким образом, во время осевого смещения охватываемого элемента 1 наклонный заплечик 42, образующий часть ребра жесткости 40 на охватывающем элементе, препятствует продолжению осевого смещения охватываемого элемента 1. Таким образом, значение момента завинчивания увеличивается для того, чтобы кромка 5 прошла по наклонному заплечику 42. В этом случае кромка будет испытывать радиальные нагрузки, которые приводят к ее упругому радиальному сжатию. Указанная фаза завинчивания показана на фигуре 11:

- 9 005874 крутизна наклона момента завинчивания увеличивается в части В. Затем момент завинчивания сохраняет этот наклон, пока вершина ребра жесткости 40 находится в контакте со второй цилиндрической поверхностью.

На фиг. 12 показано завершение прохождения вершины ребра жесткости 40 через кромку 5. Таким образом, когда наклонный заплечик 43 кромки 5 достигает уровня наклонного заплечика 41 полости, радиальные нагрузки на кромку 5 уменьшаются, и она упруго разгружается. Момент завинчивания в этом случае также сильно уменьшается. На фиг. 13 это явление выражается отрицательным наклоном момента завинчивания в части С. Затем, язычок 13 вступает в контакт с верхней поверхностью кольцевого паза 14 и заходит в него. В этом случае момент завинчивания соответствует части Ό, которая представляет собой наклон момента завинчивания, снова ставший положительным. Указанный наклон немного превышает наклон части А.

Радиальная толщина язычка 13 немного меньше толщины кольцевого паза 14, и их нижние поверхности не соприкасаются друг с другом.

На фиг. 14 показан конец входа язычка 13 в кольцевой паз 14. Таким образом, согласно фиг. 14 язычок 13 имеет достаточные осевые размеры для того, чтобы он мог упереться в осевом направлении в дно 24 кольцевого паза 14. На фиг. 15 показан избыточный момент завинчивания в части Е, соответствующий контактному давлению между язычком 13 и кольцевым пазом 14. Кроме того, уже на этой стадии между верхними периферийными поверхностями язычка 13 и кольцевого паза 14 может быть достигнута определенная герметичность.

В другом варианте выполнения геометрии язычка 13 он не имеет достаточной осевой длины, чтобы соприкасаться с дном кольцевого паза 14. Избыточный момент завинчивания, показанный на фиг. 15, соответствует случаю, когда охватываемая кольцевая поверхность 15 упирается в охватывающую кольцевую поверхность 16.

Во время фаз завинчивания Ό и Е наклонные заплечики 41 полости и 43 кромки находятся друг против друга.

Предпочтительно, чтобы в процессе сборки уплотнительного соединения, части В и С позволяли определить момент прохождения ребра жесткости, соответствующий последней фазе завинчивания.

Поверхность охватываемого конца 9 кромки, образующая первую осевую опорную поверхность, содержит язычок 13, кольцевые края которого имеют закругленную форму.

Поверхность охватывающего заплечика 10 полости, образующая вторую осевую опорную поверхность, содержит кольцевой паз 14 и охватывающую поперечную кольцевую поверхность 16, при этом кольцевой край, соединяющий кольцевой паз с кольцевой поверхностью 16, выполняют закругленным. Указанный закругленный край взаимодействует с закругленным внутренним краем язычка 13 во время фазы завинчивания, при этом необходимо, чтобы язычок 13 зашел в кольцевой паз 14 между этапами С и Ό.

Наклонный заплечик 43 охватываемой кромки соединяется через закругление в направлении конца кромки с частью периферийной поверхности, обращенной в радиальном направлении наружу. Указанное кольцевое закругление имеет радиус кривизны порядка нескольких миллиметров (например, 5 мм).

Наклонные заплечики 41 и 42 предпочтительно определяют границы кольцевого ребра жесткости. Вершина этого кольцевого ребра жесткости содержит цилиндрическую поверхность, ограниченную с каждой стороны закруглением. Кольцевое закругление каждого из наклонных заплечиков 41 и 42 имеет радиус кривизны порядка нескольких миллиметров (например, 5 мм и 9 мм соответственно).

Указанные кольцевые закругления наклонных заплечиков 41 и 42 полости взаимодействуют с внешним закругленным краем язычка 13 во время фаз завинчивания В и С.

Таким образом, наличие кольцевого закругления наклонного заплечика 42 полости позволяет уменьшить риск заклинивания во время продвижения язычка.

Согласно варианту, показанному на фиг. 16, периферийная поверхность 8 полости, обращенная радиально внутрь, содержит кольцевую канавку 44, которая имеет вогнутый профиль практически дугообразной формы, радиусом около 10 мм и сопрягается со стороны второй осевой опорной поверхности 10 с первой частью периферийной стенки 45, а с противоположной стороны - со второй частью периферийной стенки, образующей вершину ребра жесткости 40 и имеющей диаметр, меньший диаметра части стенки 45, при этом первый наклонный заплечик 41 определяет боковую поверхность канавки 44 со стороны ребра жесткости.

Согласно этому же варианту периферийная поверхность 7 кромки, обращенная радиально наружу, содержит цилиндрическую часть 47, расположенную между первым наклонным заплечиком 43 и первой осевой опорной поверхностью 9. Пространство между дном канавки 44 и цилиндрической частью 47, а также зазоры позволяют правильно удалить смазку во время завинчивания.

Во время расширения уплотнительного соединения вогнутая форма канавки 44 выдавливает соответствующую выпуклую форму на периферийной поверхности 7 кромки, максимальный диаметр которой увеличивается таким образом по отношению к диаметру, полученному при конфигурации, показанной на фигуре 14, при этом контактное давление уплотнительных поверхностей обоих элементов увеличивается, что приводит к более стабильной герметичности.

- 10 005874

Согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения, уплотнительное соединение во время последней фазы завинчивания способно к расширению при поддержании коэффициента расширения в пределах от 10 до 25%, при этом предпочтительный коэффициент расширения составляет 15%.

На фиг. 16 наклонный заплечик 41 полости и наклонный заплечик 43 кромки разделены осевым расстоянием 1. Это осевое расстояние 1 зависит от выбранного коэффициента расширения уплотнительного соединения таким образом, чтобы при радиальной деформации в соответствии с выбранным коэффициентом расширения наклонный заплечик 41 полости и наклонный заплечик 43 кромки вступали друг с другом в герметичный контакт.

Действительно, радиальное расширение приводит к осевой деформации, что вызывает относительное смещение наклонного заплечика 41 полости и наклонного заплечика 43 кромки. Направление осевого расширения не имеет значения, поэтому контакт между наклонными заплечиками 41 и 43 устанавливается либо в результате приближения наклонного заплечика 42 полости к наклонному заплечику 43 кромки, либо, наоборот, - в результате приближения наклонного заплечика 43 кромки к наклонному заплечику 41 полости.

В случае, когда коэффициент расширения равен 15%, осевое расстояние 1 составляет несколько миллиметров (например, 2 мм).

На фиг. 17 уплотнительное соединение показано после расширения, выполненного в соответствии с выбранным коэффициентом расширения, например 15%, как было описано ранее.

Таким образом, радиальные деформации при расширении привели к осевым деформациям кромки 5 и полости 6. Наклонный заплечик 43 кромки вступает в контакт по меньшей мере в одной точке Р с наклонным заплечиком 41 полости или наоборот. Этот герметичный контакт остается стабильным даже при наличии нагрузки. В случае коэффициента расширения, превышающего выбранное теоретическое значение, герметичный контакт будет усилен.

В результате вдавливания в охватываемую кромку канавка производит более значительный локальный изгиб, который способствует улучшению контакта между язычком 13 и боковой стенкой 18 кольцевого паза 14. Такой контакт позволяет закрепить и стабилизировать состояние кромки под давлением жидкости, особенно изнутри.

Охватывающий элемент 2 исходного уплотнительного соединения, показанный на фигуре 18, отличается от охватывающего элемента 2, показанного на фигуре 16, с одной стороны, избыточным давлением заплечика 42 и ребра жесткости 40, которые он ограничивал вместе с заплечиком 41, а, с другой стороны, избыточным давлением части периферийной стенки 45. Периферийная поверхность 8 полости, обращенная радиально внутрь, содержит, таким образом, канавку 44, которая сопрягается непосредственно с дном 24 кольцевого паза 14, и цилиндрическую часть стенки 50, которая сопрягается с канавкой 44 с противоположной стороны бокового паза 14. Заплечик 43 охватываемого элемента 1 также отсутствует, поэтому периферийная поверхность 7 кромки, обращенная радиально наружу, содержит часть цилиндрической поверхности 51, выполненную сплошной от кольцевой канавки 21 до конца 25 язычка 13. Цилиндрические поверхности 50 и 51 расположены друг против друга с небольшим зазором в части длины уплотнительного соединения между кольцевой канавкой 21 и канавкой 44, что исключает всякий риск заклинивания во время завинчивания.

Например, для уплотнительного соединения труб, имеющего наружный диаметр 193,7 мм (7,625 дюйма), профиль канавки 44 может иметь радиус кривизны 6,31 мм, ширину 6,76 мм и глубину порядка нескольких десятых миллиметра.

Во время продвижения расширительного патрона, в результате радиального воздействия на кромку часть цилиндрической поверхности 51, которая расположена напротив канавки 44, изгибается и проходит в свободное пространство, ограниченное канавкой. Таким образом, на периферийной поверхности 7 образуется заплечик 52, сопряженный с заплечиком 41, определенным боковой стороной канавки 44. Так же, как и заплечики 41 и 43, показанные на фиг. 17, заплечики 41 и 52, показанные на фигуре 19, во время расширения перемещаются в осевом направлении относительно друг друга при усиливающемся осевом затягивании, что приводит к герметичному контакту.

В исходном уплотнительном соединении труб, частично показанном на фиг. 20, охватываемый элемент 1 идентичен охватываемому элементу, показанному на фиг. 18. Зато канавка 44 охватывающего элемента 2 оказывается смещенной в осевом направлении по сравнению с канавкой охватывающего элемента, показанного на фигуре 18. Таким образом, периферийная поверхность 8 полости содержит по обе стороны от канавки 44 сопряженные с ней две части цилиндрических поверхностей одинакового диаметра, а именно: первую часть 55, выполненную до дна 24 кольцевого паза 14, и вторую часть 56, выполненную со стороны, противоположной кольцевому пазу. Часть 55 выполняют с небольшим зазором напротив цилиндрической поверхности охватываемой кромки, а часть 56 выполняют напротив кольцевой канавки 21. Благодаря такой конфигурации, исключается любой риск заклинивания во время завинчивания.

Профиль канавки, например, идентичен профилю канавки, описанному со ссылкой на фиг. 18, при этом его центр кривизны расположен от дна 24 кольцевого паза на расстоянии, равном 9,38 мм, так что

- 11 005874 край канавки, противоположный кольцевому пазу, находится напротив части наружной цилиндрической поверхности 51 охватываемой кромки.

Во время радиального расширения на охватываемом заплечике образуется заплечик 52, как описано со ссылкой на фиг. 19, причем этот заплечик взаимодействует с заплечиком 41, как было описано выше.

Охватываемая кромка, показанная на фиг. 22, имеет профиль, похожий на профиль кромки, показанной на фиг. 16. Ее периферийная поверхность 7, обращенная радиально внутрь, содержит, начиная от конца 25 язычка 13, первую часть цилиндрической стенки 47, сопряженную через наклонный заплечик 43 со второй частью цилиндрической стенки 60 меньшего диаметра, за которой, в свою очередь, следует кольцевая канавка 21. Профиль полости охватывающего элемента, показанного на фиг. 22, аналогичен профилю полости охватывающего элемента, показанного на фигуре 20, с учетом того, что диаметр части цилиндрической стенки 61, заключенной между канавкой 44 и дном 24 кольцевого паза, меньше диаметра части цилиндрической поверхности 62, сопрягающейся с канавкой напротив кольцевого паза 14. Диаметр части поверхности 61 также немного меньше диаметра части поверхности 47, что обеспечивает радиальное взаимодействие этих поверхностей во время завинчивания уплотнительного соединения.

Вместе с тем диаметр части поверхности 62 больше диаметра части поверхности 47, что исключает риск заклинивания этих поверхностей во время завинчивания.

Например, для исходного уплотнительного соединения труб с наружным диаметром 152,4 мм (6 дюймов) профиль канавки 44 может иметь радиус кривизны 10,4 мм с центром на расстоянии 3,7 мм от торцевой грани 25 язычка 13 и осевую ширину 4,9 мм, при этом максимальная глубина канавки равна 0,445 мм по отношению к части поверхности 61 и 0,19 мм по отношению к части поверхности 62, при этом разность диаметров между этими двумя частями поверхности составляет 0,51 мм.

Во время радиального расширения наряду с ранее существовавшим заплечиком 43 в зонах 43 и 47 периферийной поверхности 7 охватывающей кромки образуется заплечик 63, как показано в описании к фиг. 19, и взаимодействует с заплечиком 41, как было показано выше.

Канавка формирует в кромке более существенный локальный изгиб, который способствует контакту между язычком 13 и боковой стенкой 18 кольцевого паза. Такой контакт позволит закрепить и стабилизировать состояние кромки под воздействием давления жидкости, особенно изнутри.

Согласно варианту выполнения, показанному на фигурах 16, 18, 20 и 22, глубина канавки предпочтительно составляет от 0,05 до 1 мм и предпочтительно меньше 0,5 мм, при этом данную глубину определяют, когда канавка находится между двух частей периферийной стенки различных диаметров, как радиальную высоту наиболее высокой из ее двух боковых стенок.

Во время изготовления исходного уплотнительного соединения труб предпочтительно расположить на одной и/или другой поверхности, которые предназначены для взаимного герметичного контакта, слой ковкого материала, описанного в патентной заявке № 02 0053 от 3 января 2002. Указанный ковкий слой позволяет заполнить неровности металлов, используемых для выполнения охватываемого элемента 1 и охватывающего элемента 2. После расширения область контакта между наклонным заплечиком кромки и наклонным заплечиком полости увеличивается.

Как известно, чтобы исключить асимметрию при выполнении резьбы и, следовательно, избежать снижения механической прочности уплотняющих соединений из-за того, что диаметры труб, соответственно наружный и внутренний, не являются концентрическими, когда они поступают после изготовления до нарезания резьбы, можно выполнить расширение наружного диаметра до выполнения резьбы, начиная от свободного конца охватывающего элемента и продолжая частично или по всей длине резьбы, которую будут впоследствии нарезать.

Аналогичным образом можно уменьшить внутренний диаметр рядом с концом охватываемого элемента при помощи вытяжки, выполняемой перед механической обработкой.

Расширение и вытяжка могут быть выполнены при постоянном диаметре или при возрастающем диаметре для охватывающего элемента и при уменьшающемся диаметре для охватываемого элемента по направлению к концу.

Claims (37)

1. Способ выполнения высокоэффективного герметичного уплотнительного соединения труб, в котором исходным является первоначальное соединение труб, содержащее первый охватываемый трубный элемент (1), содержащий первую наружную резьбу (3) и кольцевую кромку (5) с первой осевой опорной поверхностью (9) на свободном конце первого элемента, и второй охватывающий трубный элемент (2), содержащий вторую внутреннюю резьбу (4), соответствующую первой резьбе (3), и полость (6), соответствующую охватываемой кромке со второй осевой опорной поверхностью (10), при этом первую резьбу завинчивают во вторую резьбу для установления взаимного контакта между обеими поверхностями и исходное уплотнительное соединение расширяют по диаметру путем пластичных деформаций при помощи расширительного патрона (30), диаметр которого больше диаметра (ΌΙ) указанных трубных элементов и который перемещают в осевом направлении внутри уплотнительного соединения, отличающийся тем, что в процессе указанного радиального расширения первый наклонный заплечик (43), обра

- 12 005874 щенный в осевом направлении в противоположную сторону от указанных осевых опорных поверхностей и сформированный на периферийной поверхности охватываемой кромки, обращенной радиально наружу, а также первый наклонный заплечик (41), обращенный в осевом направлении к указанным осевым опорным поверхностям и сформированный на периферийной поверхности охватывающей полости, обращенной радиально внутрь, смещают в осевом направлении относительно друг друга для установления взаимного герметичного контакта с возможностью радиального взаимодействия.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что периферийная поверхность (8) полости, обращенная радиально внутрь, содержит кольцевую канавку (44), имеющую профиль в форме вогнутой дуги и содержащую первую боковую стенку, обращенную в осевом направлении к указанным осевым опорным поверхностям, и вторую боковую стенку, обращенную в осевом направлении в противоположную сторону от указанных осевых опорных поверхностей, при этом первый наклонный заплечик (41) полости определен указанной первой боковой стенкой.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что профиль канавки имеет радиус кривизны от 5 до 30 мм, предпочтительно около 10 мм.

4. Способ по любому из пп.2 и 3, отличающийся тем, что радиальная высота самой высокой из указанных первой и второй боковых стенок составляет от 0,05 до 1 мм, предпочтительно меньше 0,5 мм.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что первые наклонные заплечики кромки и полости предусмотрены на исходном уплотнительном соединении труб.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что первые наклонные заплечики, находящиеся на исходном уплотнительном соединении труб, расположены друг против друга в осевом направлении по меньшей мере в части их радиальной высоты.

7. Способ по любому из пп.5 и 6 в комбинации с п.2, отличающийся тем, что часть кромки, заключенную между ее передним наклонным заплечиком (43) и ее осевой опорной поверхностью (9), по меньшей мере, частично вдавливают в поверхность канавки во время расширения.

8. Способ по любому из пп.5-7 в комбинации с п.2, отличающийся тем, что канавку (44) сопрягают со стороны второй осевой опорной поверхности (10) с первой частью периферийной стенки (45) и с противоположной стороны - со второй частью периферийной стенки (40), диаметр которой меньше, чем диаметр первой части периферийной стенки.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что разность диаметров указанных частей периферийной стенки выбирают меньшим или равным 1 мм.

10. Способ по п.2, отличающийся тем, что первый наклонный заплечик охватываемой кромки образуют в результате ее, по меньшей мере, частичного вдавливания в поверхность канавки во время расширения.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что канавку выполняют примыкающей ко второй осевой опорной поверхности.

12. Способ по п.10, отличающийся тем, что канавку (44) сопрягают со стороны второй осевой опорной поверхности (10) с первой частью периферийной стенки (55) и с противоположной стороны - со второй частью периферийной стенки (56) практически того же диаметра, что и первая часть периферийной стенки.

13. Способ по п.10, отличающийся тем, что канавку (44) сопрягают со стороны второй осевой опорной поверхности (10) с первой частью периферийной стенки (61) и с противоположной стороны - со второй частью периферийной стенки (62), имеющей диаметр, больший чем первая часть периферийной стенки.

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что разность диаметров указанных частей периферийной стенки выбирают меньшей или равной 1 мм.

15. Способ по любому из пп.13 и 14, отличающийся тем, что первая часть периферийной стенки (61) полости имеет диаметр, меньший чем поверхность, находящаяся напротив охватываемой кромки, для обеспечения радиального взаимодействия указанных поверхностей в конце завинчивания.

16. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что первый наклонный заплечик (43) охватываемой кромки и/или первый наклонный заплечик (41) полости имеют покрытие, выполненное из материала, более ковкого, чем материал подложки.

17. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что радиальное расширение уплотнительного соединения выполняют с коэффициентом расширения, по меньшей мере, равным 10%.

18. Способ по п.17, отличающийся тем, что радиальное расширение уплотнительного соединения выполняют с коэффициентом расширения, примерно равным 15%.

19. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что периферийная поверхность полости, обращенная радиально внутрь, содержит второй наклонный заплечик (42), обращенный в осевом направлении в противоположную сторону от первого наклонного заплечика (41) и ограничивающий вместе с ним кольцевое ребро жесткости (40).

20. Способ по п.19, отличающийся тем, что первый и второй наклонные заплечики (41 и 42) полости сопрягают в вершине кольцевого ребра жесткости через закругления.

- 13 005874

21. Способ по п.20, отличающийся тем, что закругление второго наклонного заплечика (42) полости имеет радиус кривизны, превышающий радиус кривизны закругления первого наклонного заплечика (41).

22. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что наклонный заплечик (43) охватываемой кромки сопрягают через выпуклое закругление с периферийной поверхностью, радиально обращенной наружу.

23. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что указанные заплечики имеют угол наклона от 5 до 20°, предпочтительно примерно 10°, по отношению к продольной оси уплотнительного соединения.

24. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что указанные заплечики имеют радиальную высоту от 0,2 до 1 мм, предпочтительно около 0,5 мм.

25. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что первый трубный элемент и второй трубный элемент принадлежат соответственно трубе большой длины и муфте, предназначенной для присоединения этой трубы к другой трубе большой длины с помощью второго уплотнительного соединения труб, выполненного также способом по любому из предыдущих пунктов.

26. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что первая осевая опорная поверхность выполнена в виде выступающей поверхности (9), состоящей из кольцевого язычка (13) и поперечной поверхности (15), примыкающей к язычку и отстоящей в осевом направлении относительно этого язычка и соединенной с внутренней периферийной поверхностью первого элемента таким образом, что вторая осевая опорная поверхность является вогнутой опорной поверхностью (10), содержащей кольцевой паз (14) и поперечную поверхность (16), примыкающую к нему и соединенную с внутренней периферийной поверхностью второго элемента, при этом язычок (13) взаимодействует с кольцевым пазом (14).

27. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что первая резьба (3) и вторая резьба (4) выполнены коническими с конусностью, равной 12,5%.

28. Способ по любому из пп.1-26, отличающийся тем, что первая резьба (3) и вторая резьба (4) выполнены цилиндрическими.

29. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что толщина е₁ кромки (5) составляет от 1/3 до 2/3 толщины первого трубного элемента (1).

30. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что отношение длины (ф) кромки к ее толщине (е1) составляет от 1 до 4.

31. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что в первом трубном элементе (1) выполняют кольцевую канавку (21) в конце первой резьбы (3) между резьбой и кромкой (5).

32. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что кольцевая канавка (21) имеет глубину (й₈), равную высоте витков первой резьбы (3).

33. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что отношение длины (1_д) кольцевой канавки (21) к ее глубине (й₈) составляет от 2 до 15.

34. Исходное уплотнительное соединение труб, используемое для применения способа по любому из предыдущих пунктов, содержащее первый охватываемый трубный элемент (1), содержащий первую наружную резьбу (3) и кольцевую кромку (5), содержащую первую осевую опорную поверхность (9) на свободном конце первого элемента, и второй охватывающий трубный элемент (2), содержащий вторую внутреннюю резьбу (4), соответствующую первой резьбе (3), а также полость (6), соответствующую охватываемой кромке, содержащей вторую осевую опорную поверхность (10), при этом первая резьба выполнена с возможностью завинчивания во вторую резьбу для установления контакта между двумя опорными поверхностями, а периферийная поверхность полости, обращенная радиально внутрь, содержит первый наклонный заплечик (41), направленный в сторону второй осевой опорной поверхности.

35. Уплотнительное соединение труб по п.34, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью расширения при помощи осевого перемещения патрона в том или ином направлении.

36. Высокоэффективное уплотнительное герметичное соединение, выполняемое способом по любому из пп.1-33, включающее в себя первый охватываемый трубный элемент (1), содержащий первую наружную резьбу (3) и кольцевую кромку (5), содержащую первую осевую опорную поверхность (9, 15) на свободном конце первого элемента, и второй охватывающий трубный элемент (2), содержащий вторую внутреннюю резьбу (4), соответствующую первой резьбе (3), и полость (6), соответствующую охватываемой кромке, содержащей вторую осевую опорную поверхность, при этом первую резьбу завинчивают во вторую резьбу, а первый наклонный заплечик (43), обращенный в осевом направлении в противоположную сторону от указанных осевых опорных поверхностей и выполненный на периферийной поверхности охватываемой кромки, обращенной радиально наружу, и первый наклонный заплечик (41), обращенный в осевом направлении к указанным осевым опорным поверхностям и выполненный на периферийной поверхности охватывающей полости, обращенной радиально внутрь, находятся в герметичном контакте с возможностью радиального взаимодействия.

- 14 005874

37. Герметичное уплотнительное соединение по п.36, выполняемое способом по п.26, отличающееся тем, что язычок (13) соприкасается с боковой стенкой (18) кольцевого паза (14), прилегающего к указанной поперечной поверхности (16) второй осевой опорной поверхности.