EA006405B1

EA006405B1 - Кузнечная сварка труб для тяжелых условий работы

Info

Publication number: EA006405B1
Application number: EA200500217A
Authority: EA
Inventors: Йоханнис Йозефус Ден Бур; Энтони Томас Коул; Клистенис Димитриадис; Дьюрре Ханс Зейслинг
Original assignee: Шелл Интернэшнл Рисерч Маатсхаппий Б.В.
Priority date: 2002-07-17
Filing date: 2003-07-17
Publication date: 2005-12-29
Also published as: DE60319546T2; EA200500217A1; AU2003246712B2; WO2004007135A1; NO20050824L; EP1531961B1; ATE387981T1; CA2492479A1; DK1531961T3; DE60319546D1; US20060169752A1; CN100377829C; AU2003246712A1; EP1531961A1; CN1668411A; NO331983B1; UA82487C2

Abstract

Способ соединения нефтепромысловых, скважинных или других труб для тяжелых условий работы, при котором соединяют трубы кузнечной сваркой и обдувают струей восстановительного газа нагретые концы труб во время по крайней мере части операции кузнечной сварки, для удаления оксидов с концов труб, подвергающихся кузнечной сварке, и ограничения количества оксидных включений и неровностей между концами труб, подвергающихся кузнечной сварке. Концы труб могут иметь зубчатую или неплоскую форму, чтобы препятствовать любым резким изменениям в прочности стенки в месте сварки и/или уменьшить действие сдвигающих сил на шов кузнечной сварки, когда трубы скручиваются и/или радиально расширяются.

Description

Изобретение относится к усовершенствованному способу кузнечной сварки труб для тяжелых условий работы с целью получения высокопрочного и высококачественного сварного соединения. К числу труб для тяжелых условий работы могут относиться нефтепромысловые, скважинные и/или другие трубы, которые при работе подвергаются большим механическим и/или термическим напряжениям в результате их применения в неровном стволе скважины или в агрессивной среде на суше или на море. Таким образом, трубы для тяжелых условий работы часто могут подвергаться большим радиальным, тангенциальным и/или сдвигающим напряжениям, которые могут вызывать большую упругую, пластическую и/или псевдопластическую деформацию стенки трубы или любых трубных соединений. В число труб для тяжелых условий работы могут входить трубы, которые расширяют в забое скважины до большего диаметра и пластически деформируют во время процесса расширения, бурильные трубы, которые могут иметь длину в 10 км и быть скручены свыше 30 раз по окружности трубы в результате крутящего момента, передаваемого к буровому долоту, и трения между бурильной трубой и неровной стенкой ствола скважины или обсадными трубами нагревательной установки, паронагнетательные и/или другие трубы нагревательной установки, которые подвергаются большому термическому расширению и могут быть зажаты вследствие термического расширения окружающей породы и/или ее оседания во время производственных операций.

Кузнечная сварка заключается в периферийном нагреве концов труб, подлежащих соединению, и последующем сдавливании вместе концов труб для образования металлургической связи.

Для того, чтобы сделать концы труб достаточно горячими для обеспечения образования металлургической связи, может быть использовано большое число способов нагрева. В их число входят электрический, электромагнитный, индукционный, инфракрасный, искровой и/или фрикционный нагрев или сочетания этих и других способов нагрева.

Термин «кузнечная сварка», используемый в этом описании изобретения, охватывает все способы, которые состоят в периферийном нагреве концов труб и последующем металлургическом соединении нагретых концов труб, включая способы сварки, которые общеизвестны как диффузионная сварка, сварка трением, стыковая сварка оплавлением и/или стыковая сварка сопротивлением.

В патенте США № 2604589 описывается способ стыковой сварки сопротивлением, при котором концы соединяемых металлических элементов, имеющие взаимодополняющие синусоидальные формы, нагревают пропусканием низкочастотного или постоянного тока вдоль элементов.

Как известно из патентов США 4566625; 4736084; 4669650 и 5721413, выданных на имя Реч.Г.Мое, может быть полезным непосредственно до кузнечной сварки и во время нее обдувать концы труб струей восстановительного газа, например водорода или окиси углерода, так чтобы удалять любую окисную пленку с нагретых концов труб и получать металлургическую связь с минимальным количеством дефектов. Кроме того, из патентов США 2719207 и 4728760 известно использование невзрывчатых смесей, содержащих около 95 об.%, по существу, инертного газа, например аргона, азота и/или гелия, и около 5 об.% восстановительного газа, например водорода и/или окиси углерода для стыковой сварки оплавлением и индукционной стыковой сварки.

Как показали эксперименты, способы кузнечной сварки позволяют получать высококачественные металлургические связи между концами труб, особенно если во время процесса сварки концы труб обдувают восстановительной газовой смесью.

Целью изобретения является создание способа кузнечной сварки скважинных, нефтепромысловых и/или других труб для тяжелых условий работы, который дает возможность кузнечной сваркой образовывать соединение труб в течение нескольких минут и который позволяет получать сварной шов, у которого стенка трубы в области сварного шва ослабляется и/или упрочняется только в минимальной степени и, при необходимости, таким образом, что происходит лишь постепенное изменение прочности в продольном направлении труб.

Краткое изложение сущности изобретения

Согласно изобретению предлагается усовершенствованный способ соединения труб для тяжелых условий работы, при котором соединяют трубы кузнечной сваркой и струей восстановительного газа обдувают нагретые концы труб во время по меньшей мере части операции кузнечной сварки, для удаления оксидов с концов труб, подвергающихся кузнечной сварке, и ограничения количества оксидных включений и неровностей между концами труб, подвергающимися кузнечной сварке, при этом концы труб нагревают пропусканием электрического тока высокой частоты через концы труб посредством ряда электродов, характеризующийся тем, что концам труб придают взаимодополняющую правильную синусоидальную или зубчатую форму по окружности труб, и что электроды прижимают к внутренней и/или наружной поверхности концов труб вблизи вершин зубьев и/или синусоидальных торцевых поверхностей.

Использование концов труб, которые в окружном направлении имеют взаимодополняющую зубчатую или синусоидальную форму, уменьшает силы, действующие на соединенные кузнечной сваркой концы труб во время применения колонны труб при тяжелых условиях работы. Входящие в зацепление зубчатые или синусоидальные концы могут быть прижаты друг к другу во время операции кузнечной

- 1 006405 сварки посредством передвижения концов труб друг к другу в продольном направлении во время процесса сварки, при этом контролируя окружную ориентацию концов труб так, чтобы во время стадии нагрева имелся бы по всей окружности зазор с по существу постоянной шириной.

Концы труб неплоской формы предпочтительно имеют правильную, входящую в зацепление синусоидальную или зубчатую форму для того, чтобы препятствовать, в частности, действию сдвигающих напряжений на соединение, образованное кузнечной сваркой, когда колонна труб скручивается и/или радиально расширяется, при вращении и/или растягивании колонны труб в полости, как например, в подземной скважине.

В таком случае концы труб можно нагревать пропусканием тока высокой частоты в окружном направлении через стенки труб вблизи концов труб, подлежащих соединению, при этом уменьшают появление холодных мест по окружности нагретых концов труб, располагая ряд продольных ферритовых стержней вокруг наружной поверхности концов труб и/или внутри них.

Обдувающим газом может быть невзрывчатая смесь по существу инертного газа и восстановительного газа, конкретнее, обдувающий газ содержит более 90 об.% по существу инертного газа, например, азота, гелия или аргона, и более 2 об.% водорода.

Колонной труб для тяжелых условий работы может быть обсадно-бурильная колонна, которая несет буровое долото при бурении скважины и которая после окончания процесса бурения остается в стволе скважины в расширенной или нерасширенной конфигурации.

Кроме того, трубы могут быть соединены кузнечной сваркой в стволе скважины после операции расширения труб, при этом в область концов труб вставляют труболовку, которая затем нагревает концы труб до температуры кузнечной сварки и сжимает их вместе, при этом обдувая струей восстановительного газа концы нагретых труб во время по меньшей мере части операции кузнечной сварки.

Концы труб могут, по меньшей мере, частично перекрывать друг друга, и в этом случае во внутреннюю трубу вставляют труболовку и/или другое устройство для кузнечной сварки, которое нагревает конец трубы, вдувает восстановительный газ в любой зазор, остающийся между перекрывающими друг друга концами труб, и затем прижимает наружную поверхность нагретого конца внутренней трубы к внутренней поверхности наружной трубы для соединения кузнечной сваркой указанных концов труб.

В таком случае концы труб, частично перекрывающие друг друга, выполняют зубчатыми или имеющими взаимодополняющую синусоидальную форму для того, чтобы уменьшить появление резких изменений напряжений в расширенных концах труб, подвергшихся кузнечной сварке, когда колонна труб изгибается, сдавливается и/или деформируется иным образом.

Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Изобретение будет подробнее описано на примере со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых фиг. 1 показывает концы труб со взаимодополняющими зубчатыми торцевыми поверхностями; зубчатые торцевые поверхности могут быть использованы для выравнивания труб в угловом направлении;

фиг. 2 показывает два конца труб со взаимодополняющими неплоскими торцевыми поверхностями, которые в этом случае имеют синусоидальную форму; и фиг. 3 показывает два конца труб, частично перекрывающих друг друга, при этом их торцевые поверхности имеют синусоидальную форму.

Как показано на фиг. 1 , сварка зубчатых концов 3 соединяемых труб 1 , 2 по длине контура входящих в зацепление неплоских зубчатых концов 3, которые ротационно симметричны относительно продольной оси 10 труб 1, 2, обеспечивает общую длину сварного шва, которая больше, чем общая окружная длина труб, и тем самым уменьшает нагружение сварного шва по сравнению с нагружением тела трубы.

На фиг. 2 неплоские концы 6 двух примыкающих отрезков труб 4 и 5 имеют в окружном направлении синусоидальную форму, которая ротационно симметрична относительно продольной оси 11 отрезков труб 4 и 5.

На фиг. 3 показаны концы труб 7 и 8, которые частично перекрывают друг друга. Внутренний конец трубы 8 имеет неплоскую ротационно симметричную, синусоидальную торцевую поверхность 9, которая соприкасается с наружной трубой 7, в то время как наружная труба 7 имеет неплоскую, ротационно симметричную, синусоидальную торцевую поверхность 1 2, которая соприкасается с внутренней трубой 8. Сварка вместе труб 7 и 8 по длине перекрывающих друг друга отрезков 13 труб между неплоскими торцевыми поверхностями 9 и 12 дает длину сварного шва, которая больше, чем длина окружности труб, и тем самым уменьшает нагружение сварного шва по сравнению с нагружением тел труб. Кроме того, такое выполнение дает последовательную передачу нагружения от тела одной трубы к телу другой трубы и обеспечивает уменьшение концентраций напряжений в зоне перекрытия труб, когда трубы скручиваются под действием скручивающих усилий и/или изгибаются, и/или радиально расширяются.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ соединения труб для тяжелых условий работы, при котором соединяют трубы кузнечной сваркой и обдувают струей восстановительного газа нагретые концы труб во время по меньшей мере части операции кузнечной сварки для удаления оксидов с концов труб, подвергающихся кузнечной сварке, и ограничения количества окисных включений и неровностей между концами труб, подвергающимися кузнечной сварке, при этом концы труб нагревают пропусканием электрического тока высокой частоты через концы труб посредством ряда электродов, отличающийся тем, что концам труб придают взаимодополняющую, правильную синусоидальную или зубчатую форму по окружности труб, при этом электроды прижимают к внутренней и/или наружной поверхности концов труб вблизи вершин зубьев и/или синусоидальных торцевых поверхностей.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве обдувающего газа используют невзрывчатую смесь по существу инертного газа и восстановительного газа, например смесь, содержащую более 90 об.% по существу инертного газа, например азота, гелия и аргона, и более 2 об.% водорода.
3. Способ по любому из пп. 1-2, отличающийся тем, что формируют колонну труб для тяжелых условий работы, которую используют в качестве обсадно-бурильной колонны, которая несет буровое долото при бурении скважины и которая после окончания процесса бурения остается в стволе скважины в расширенной или нерасширенной конфигурации.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что концы труб нагревают пропусканием тока высокой частоты в окружном направлении через стенки труб вблизи концов труб, подлежащих соединению, при этом уменьшают появление холодных мест по окружности нагретых концов труб, располагая ряд продольных ферритовых стержней вокруг наружной поверхности концов труб и/или внутри них.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что трубы соединяют кузнечной сваркой в стволе скважины после операции расширения труб, при этом концы труб нагревают до температуры кузнечной сварки и сжимают вместе, при этом нагретые концы труб обдувают струей восстановительного газа во время по меньшей мере части операции кузнечной сварки.
6. Способ по п.5, отличающийся тем, что при, по меньшей мере, частичном перекрытии концов труб вставляют устройство для кузнечной сварки во внутреннюю трубу, которое нагревает концы труб и вдувает восстановительный газ в любой зазор, остающийся между перекрывающими друг друга концами труб, и затем прижимает наружную поверхность нагретого конца внутренней трубы к внутренней поверхности наружной трубы для соединения кузнечной сваркой указанных концов труб, при этом торцевые поверхности концов труб, частично перекрывающих друг друга, выполняют зубчатыми или имеющими взаимодополняющую синусоидальную форму для уменьшения действия сил на расширенные концы труб, подвергнутые кузнечной сварке.