EA009319B1 - Соединитель труб - Google Patents

Abstract

Предложено устройство для соединения первой и второй секции трубы. Оно содержит корпус, имеющий сквозной канал, первый конец, жесткую секцию и внешнюю поверхность, приспособленную для присоединения к первой и второй секциям трубы. На первом конце корпуса может быть выполнена первая коническая секция, и первый конец корпуса может быть приспособлен для размещения внутри первой секции колтюбинга. На втором конце корпуса может быть выполнена вторая коническая секция, и второй конец корпуса может быть приспособлен для размещения внутри второй секции колтюбинга. Первая и вторая конические секции могут иметь внешние и внутренние конические поверхности. Соединение двух колтюбингов с использованием соединителя, раскрываемого в настоящем изобретении, приводит к снижению затрат благодаря улучшенному узлу между двумя колтюбингами, которые будут противостоять изгибающим силам, действующим рядом с узлом, таким способом, который является более совершенным, по сравнению с узлами, образованными колтюбинговыми соединителями предшествующего уровня техники. Также рассматриваются относящиеся к этому способы.

Description

Колтюбинг (гибкие трубы) находит широкое применение в нефтепромысловых операциях, таких как бурение и заканчивание нефтяных и газовых скважин, транспортировка оборудования и выполнение текущего ремонта законченных скважин. Для помещения колтюбинга в ствол скважины колтюбинговая колонна разматывается с колтюбингового барабана, проходит через гузнек инжектора и вставляется в систему устья скважины для введения колтюбинга в ствол скважины. Для извлечения колтюбинга из ствола скважины колтюбинг наматывается обратно из ствола скважины через систему устья скважины, через гузнек на колтюбинговый барабан. Известно, что изгибание и выпрямление колтюбинга при операциях в месте расположения скважины и наматывание колтюбинга на барабан вызывают малоцикловую усталость в колтюбинге, которая, если остается необнаруженной, может привести к повреждению колтюбинга. Способность разматывать и наматывать колтюбинг в виде непрерывной колонны труб, тем не менее, дает привлекательные эксплуатационные преимущества по сравнению с соединяемыми трубами, которые требуют соединений на каждом отрезке трубы.

Однако существуют случаи, когда требуются соединения между колоннами колтюбинга, например в ситуациях, когда длина колтюбинга, требующаяся для работы, превышает возможность колтюбингового барабана; когда объем погрузочно-разгрузочного оборудования ограничивает допустимый вес колтюбингового барабана, ограничивая тем самым длину колтюбинга, которая может быть на него намотана; когда требуется ремонт в колтюбинге или когда длина колтюбинга извлекается из скважины.

Проблема выполнения колтюбинговых соединений между двумя колтюбинговыми колоннами или между колтюбингом и инструментом или колонной заканчивания обычно решалась одним из трех способов, а именно с помощью сварки на нефтепромысле, с помощью использования жестких соединителей или с помощью гибких соединителей.

Для соединения колтюбинговой колонны на нефтепромысле обычно используется стыковая сварка. Такая сварка выполняется с помощью совмещения вместе концов двух сегментов труб, причем каждый сегмент имеет концевой срез, перпендикулярный его оси, и концы, располагающиеся на одной линии друг с другом («встык» друг с другом), и выполнения кругового сварного шва вокруг стыка отрезанных концов. Сварка в условиях нефтепромысла является более сложной и менее прочной, чем сварка со смещением, которая используется при контролируемых условиях при производстве колтюбинга. Секции колтюбинга, сваренные встык, обычно слабее и имеют гораздо более короткую малоцикловую усталостную долговечность, чем секции колтюбинга без сварки: обычно стыковая сварка имеет малоцикловую усталостную долговечность порядка 50-60% от малоцикловой усталостной долговечности колтюбинга. Так как разрушение сварных швов колтюбинга может привести к небезопасным условиям работы, то до введения сварного колтюбинга в ствол скважины требуются проверочные испытания с использованием таких методов, как рентгеновский, испытание на растяжение, испытание под давлением стыкового сварного шва. Кроме того, часто требуются соединения в зонах, где могут присутствовать взрывоопасные условия, которые ведут к необходимости применять дополнительные меры безопасности при сварке на нефтепромысле. В результате сварка на нефтепромысле является затратным по времени и нежелательным с эксплуатационной точки зрения способом соединения вместе двух сегментов колтюбинга.

Жесткие соединители обычно используются для присоединения инструментов и устройств к концу колтюбинга, такого как присоединение инструментальной колонны к концу размотанного колтюбинга до введения в ствол скважины. Жесткие соединители могут использоваться во время ввода в действие ствола скважины для соединения между одной или более размотанных колтюбинговых колонн. Однако жесткие соединители не наматываются вместе с колтюбингом на колтюбинговый барабан, так как они не имеют нужной гибкости для сгибания вокруг колтюбингового барабана и оборудования для ввода в действие. В результате жесткие соединители обладают рядом недостатков. Подобно сварке на нефтепромысле, использование жестких соединителей при вводе в действие ствола скважины требует остановки разматывания колтюбинга, установки жесткого соединителя в колтюбинг, выполнения соединения и затем повторного старта разматывания колтюбинговой колонны в ствол скважины. Более того, жесткие соединители часто имеют большие диаметры, чем колтюбинг, и закрепляются снаружи вокруг колтюбинга. В связи с этим они вызывают эксплуатационные трудности, потому что не проходят через оснастку устья скважины.

Известны жесткие соединители, выполненные с таким же диаметром, как и колтюбинг, или имеющие конец, который может быть вставлен во внутренний диаметр колтюбинга; такие соединители упоминаются здесь как внутренние соединители. Внутренние соединители дают эксплуатационные преимущества по сравнению с соединителями, расположенными снаружи, поскольку внутренние соединители не приводят к увеличению внешнего диаметра на соединительной части колтюбинговой колонны. Хотя эксплуатационные трудности уменьшаются при использовании внутренних соединителей, тем не менее, использование внутренних жестких соединителей в колтюбинге вызывает трудности. Использование

- 1 009319 жесткого соединителя с гибким колтюбингом создает резкий переход между соединителем и колтюбингом. Поскольку колтюбинг изгибается при нормальной работе, конец колтюбинга, примыкающий к концу жесткого соединителя, изгибается под нежелательным углом. Эта зона обычно называется точкой шарнира, так как изгибание может быть настолько сильным, что может иметь сходство с шарнирным соединением. Такая деформация колтюбинга на жестком соединении может быстро сделать колтюбинг непригодным или небезопасным для использования. Обычно трубы, используемые с соединителем, становятся непригодными для использования или повреждаются после нескольких циклов сгибания/выпрямления.

Жесткие соединители обычно не имеют гибкости, позволяющей им быть намотанными на колтюбинговый барабан. Иногда в тех ситуациях, когда один конец жесткого соединителя присоединяется к терминальному концу колтюбинга и соединитель относительно короткий, становится возможным намотать колтюбинг с прикрепленным жестким соединителем на барабан при условии, что противоположный конец соединителя ни к чему не присоединяется. Один из таких внутренних соединителей для присоединения одной колтюбинговой колонны к другой колтюбинговой колонне или заканчивающей колонны (закрепление для постоянного размещения в скважине) к колтюбинговой колонне описан в патенте США 6474701.

Известны гибкие соединители для соединения колтюбинговых колонн, обеспечивающего их наматывание. Один способ для выполнения гибкого соединения, обеспечивающего наматывание, для присоединения инструментальных колонн к колтюбинговой колонне описан в патенте США 6561278 и в патенте США 6766858. Описанные в них внешние соединители, в частности, применимы для использования с колтюбингом, выполненным из композиционных материалов, и колтюбингом, имеющим талевый канат, вставленный в боковую стенку. В этих патентах пара соединителей, содержащая первый соединитель, расположенный у первого конца отрезанной трубной колонны, и второй соединитель, расположенный у второго конца отрезанной трубной колонны, используется для присоединения одного или более узлов скважинных инструментов к колтюбинговой колонне.

Другой тип внутреннего гибкого соединителя для использования с колтюбингом описан в статье 8РЕ 89527, авторы Ьий, Н.В., и другие, под названием Эсус1ортсп1 о! а Νο\ν 8роо1аЫе Месйашса1 Сойеб ТиЬшд Соппейот, Матсй 1004. Как описано в этой статье, такой гибкий соединитель использует композиционные материалы, включающие в себя эластомерную среднюю секцию для обеспечения гибкости, и воплощается в конструкции, имеющей композиционные материалы и использующей как суперлегированные стали, так и эластомеры, вводимые во внешний диаметр соединителя. Гибкий соединитель, описанный в 8РЕ 89527, имеет переходные секции на каждом конце соединителя, где колтюбинг перекрывает соединитель. Согласно статье авторов Ьий и другие испытание этого соединителя показало, что характеристики малоцикловой усталости комбинации соединитель/колтюбинг обеспечивают срок службы комбинации в 39-69% от срока службы самого колтюбинга.

В статье 8РЕ 89527 также обсуждаются испытания, требующиеся для подтверждения того, что материалы, из которых изготавливается соединитель, пригодны для использования при работе в условиях скважины и нефтепромысла. Колтюбинговые соединители, как и сам колтюбинг, должны быть совместимы с окружающей средой, в которой они будут использоваться. Испытания необходимы для демонстрации того, что существенное ухудшение или повреждение соединителя колтюбинга не будут результатом воздействия окружающих условий скважины. Например, колтюбинг может использоваться для подачи кислотной обработки к подземному пласту или в условиях окружающей среды, в которых присутствуют повышенные уровни Н₂§. Испытание на действие кислоты на различных материалах соединителя, описанное в 8РЕ 89527, показывает, что эта совместимость может изменяться. Для того, чтобы избежать стоимостных и временных затрат, необходимых для испытаний на совместимость, было бы предпочтительным выполнить внутренний гибкий соединитель из материалов, имеющих одинаковое химическое сопротивление с химическим сопротивлением колтюбинга или сходное с ним. Важно, что более экономичным было бы выполнить внутренний соединитель колтюбинга из уже имеющихся коммерческих материалов, нежели из специальных изделий, таких как те, которые используются в соединителе, описанном в 8РЕ 89537.

Конкретной задачей для использования гибкого соединителя и колтюбинга, выполненного из обычных материалов, является изменение границ свойств материалов, принятых обычно в таких материалах, как стали коммерческого класса, используемые для изготовления колтюбинга. Эти материалы обычно производятся с 10-20% допуском для предела текучести. Например, известно, что сталь 4140 (18-22Рс) имеет предел текучести от 80000 до 95000 фунтов/кв.дюйм. Это изменение в пределе прочности является основанием для конструкторских ограничений между соединителем и колтюбингом. Например, если один из компонентов имеет предел текучести около разрешенного минимума (компонент низкой текучести) и другой компонент имеет предел текучести около разрешенного максимума (компонент высокой текучести), то деформация в компонентах при одинаковых условиях будет разной, приводя к разным малоцикловым усталостным долговечностям. В таких ситуациях, когда компонент низкой текучести достигает предела текучести, компонент низкой текучести начинает пластически деформироваться, а компонент высокой текучести остается в своей зоне упругости и не переходит в состояние текучести. В точ

- 2 009319 ке, в которой достигается предел текучести компонента высокой текучести и компонент высокой текучести начинает пластически деформироваться, компонент низкой текучести уже был существенно деформирован. Например, для обычного материала, такого как сталь 4140, имеющего кривые минимальной и максимальной текучести, показанные на фиг. 1, при напряжении 100 кщ компонент низкой текучести будет иметь 4% деформированного состояния, в то время как компонент высокой текучести будет иметь около 0,5%. Поскольку малоцикловая усталостная долговечность тесно связана с величиной циклической деформации, компонент низкой текучести будет разрушен значительно скорее, чем компонент высокой текучести.

Известные гибкие соединители, такие как раскрытые в 8РЕ 89527, имеют гибкие секции в центре соединителя. Средняя гибкая секция выполнена так, чтобы иметь такую же жесткость при изгибе, как и колтюбинг. Концевые секции на каждой стороне гибкой центральной секции являются более жесткими, чем колтюбинг. Теория проектирования, стоящая за такой конфигурацией, заключается в разработке гибкой центральной секции соединителя колтюбинга, которая при одинаковой деформации деформируется так же, как и сам колтюбинг. Характеристики малоцикловой усталости этих гибких соединителей зависят как от жестких концевых соединений, обеспечивающих постепенный переход между гибким колтюбингом и гибкой центральной частью соединителя, так и от гибкой центральной секции, имеющей такую же жесткость и усталостную долговечность, как и колтюбинг. Поэтому для характеристик этих гибких соединителей, выполненных с гибкими центральными частями, важно, чтобы как гибкая центральная секция, так и колтюбинг деформировались одинаково. Этого не легко достичь, принимая во внимание изменения свойств материала и изменения условий напряжения/деформации по изгибу между гибкой секцией соединителя и длиной колтюбинговой колонны под воздействием концевой части соединителя. Было замечено, что соединители колтюбинга, которые используют гибкую секцию между двумя жесткими концевыми соединениями, имеют несовместимые характеристики и периодически разрушаются гораздо чаще, чем ожидается.

Поэтому существует необходимость в усовершенствованных способах и устройствах для соединения колтюбинга. Для решения проблем предшествующего уровня техники разработаны способы и устройства в соответствии с принципами настоящего изобретения и его вариантами осуществления.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение предлагает способ соединения первой трубы и второй трубы с использованием внутреннего трубного соединителя, имеющего канал, причем соединитель имеет первую концевую секцию с конической внешней поверхностью и жесткую секцию, причем жесткая секция соединителя прикреплена к первой и второй трубе. В некоторых вариантах осуществления внутренняя поверхность соединителя вдоль канала также выполнена конической. В ряде вариантов осуществления вторая концевая секция с конической внешней поверхностью также предусмотрена и расположена внутри второй трубы. В предпочтительных вариантах осуществления по меньшей мере одна из первой или второй трубы является колтюбингом, и в конкретных вариантах осуществления обе трубы являются колтюбингом. В способах настоящего изобретения по меньшей мере одна из первой или второй трубы может быть намотана на барабан. Соединитель и способ соединения согласно настоящему изобретению особенно полезны при осуществлении ремонта в колтюбинге, в котором секция колтюбинга повреждена или извлечена, и устройство и способ согласно настоящему изобретению используются для ремонта, наложения заплаты или, как правило, для соединения двух секций колтюбинга, между которыми была повреждена или изъята часть трубы.

Устройство соединителя согласно настоящему изобретению, применимое для соединения первой и второй секции трубы, содержит корпус с проходящим через него продольным каналом, первую концевую секцию и жесткую секцию; первая концевая секция соединителя имеет коническую внешнюю поверхность, и внешняя поверхность жесткой секции выполнена с возможностью присоединения к внутреннему диаметру первой и второй труб. В ряде вариантов осуществления соединитель может дополнительно содержать вторую концевую секцию, причем вторая концевая секция имеет коническую внешнюю поверхность и жесткую секцию, расположенную между первой и второй концевыми секциями. Первая и вторая концевая секции могут дополнительно содержать коническую внутреннюю поверхность вдоль канала. Вокруг корпуса может быть выполнен кольцевой выступ, предназначенный для размещения между концами первой и второй секций трубы. Одно или более уплотнений могут располагаться между корпусом соединителя и первой, или второй, или обеими трубами. Жесткая секция соединителя согласно настоящему изобретению может быть закреплена внутри первой или второй трубы за счет взаимодействия внешней поверхности корпуса с внутренней поверхностью трубы с использованием многочисленных углублений, канавок, выступов, пробивных отверстий или других соединительных средств. В ряде вариантов осуществления по меньшей мере между одной концевой секцией соединителя и трубой имеется барьер для мусора.

Настоящее изобретение в особых вариантах осуществления относится к способу размещения колтюбинга в стволе скважины, при котором используют колтюбинговый соединитель, имеющий корпус с проходящим через него каналом, причем корпус имеет первую и вторую концевые секции с коническими внешними поверхностями и жесткую секцию, расположенную между первой и второй концевыми сек

- 3 009319 циями; размещают одну концевую секцию в первой секции колтюбинга, размещают вторую концевую секцию во втором колтюбинге, прикрепляют жесткую секцию к внутреннему диаметру первого и второго колтюбинга для создания соединенных труб и опускают соединенные трубы в ствол скважины. Согласно способу также можно извлекать колтюбинг из ствола скважины. Первый или второй колтюбинг может размещаться на барабане. Таким же образом соединенный колтюбинг может быть размещен на барабане. В ряде вариантов осуществления соединитель может содержать кольцевой выступ, расположенный вокруг корпуса и предназначенный для размещения между концами первой и второй секций колтюбинга, и в раде вариантов осуществления соединитель может содержать по меньшей мере один барьер для защиты от попадания мусора между концевой секцией и колтюбингом.

Другие свойства, аспекты и преимущества настоящего изобретения будут понятны из последующего описания.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - кривая напряжений/деформаций для класса стали.

Фиг. 2 - вид сбоку конкретного варианта осуществления колтюбингового соединителя, выполненного согласно настоящему изобретению и используемого для присоединения секции колтюбинга к инструментальной колонне.

Фиг. ЗА - вид сбоку другого конкретного варианта осуществления колтюбингового соединителя, выполненного согласно настоящему изобретению, аналогичный виду, показанному на фиг. 2, но показанного не присоединенным к какому-либо колтюбингу.

Фиг. ЗВ - вид сбоку другого конкретного варианта осуществления колтюбингового соединителя, выполненного согласно настоящему изобретению.

Фиг. ЗС - вид сбоку другого конкретного варианта осуществления колтюбингового соединителя, выполненного согласно настоящему изобретению.

Фиг. 4 - вид сбоку двух колтюбинговых соединителей, выполненных согласно настоящему изобретению и используемых для присоединения колтюбинга к инструментальной колонне.

Фиг. 5 - вид сбоку конкретного варианта осуществления колтюбингового соединителя, выполненного согласно настоящему изобретению и используемого для присоединения двух секций колтюбинга к инструментальной колонне.

Фиг. 6А - диаграмма деформаций внутреннего колтюбингового соединителя, имеющего гибкую центральную секцию, полученная на основе моделирования методом конечных элементов из предшествующего уровня техники.

Фиг. 6В - диаграмма деформаций варианта осуществления колтюбингового соединителя согласно настоящему изобретению, полученная на основе моделирования методом конечных элементов из предшествующего уровня техники.

Фиг. 7 - вид сбоку другого конкретного варианта осуществления колтюбингового соединителя, выполненного согласно настоящему изобретению и используемого для соединения двух секций колтюбинга.

Хотя изобретение будет описано в связи с предпочтительными вариантами осуществления, будет понятно, что объем изобретения не ограничивается этими вариантами осуществления. Наоборот, подразумевается охватывать все варианты, модификации и эквиваленты, которые могут быть включены в объем и сущность изобретения, как они определяются в прилагаемой формуле изобретения.

Подробное описание изобретения

На чертежах одинаковые цифры позиции обозначают одинаковые элементы на ряде изображений. На фиг. 2 показан колтюбинговый соединитель 10 согласно настоящему изобретению, используемый для соединения первой секции колтюбинга 12 и второй секции колтюбинга 14. Соединитель 10, имеющий корпус 16 с проходящим через него продольным каналом 18, содержит жесткую секцию 27 и по меньшей мере одну концевую секцию 28. Часто жесткая секция 27 размещается между двумя концевыми секциями 28, как показано на фиг. 2. В ряде вариантов осуществления корпус 16 соединителя 10 может быть не единым, и в дополнительных вариантах осуществления жесткая секция 27 отсоединяется от одной или более концевых секций 28. В вариантах осуществления для соединения двух секций колтюбинга, таких, как показано на фиг. 2, предпочтительно, чтобы корпус 16 соединителя 10 был непрерывным корпусом, в котором одна зона корпуса 16 соединителя являлась бы жесткой секцией 27, а другая зона или зоны корпуса 16 соединителя были бы концевой секцией или секциями 28. Такой вариант осуществления в особенности подходит для размещения между первой секцией колтюбинга 12 и второй секцией колтюбинга 14 для осуществления ремонта между двумя секциями, например, когда зона была повреждена, подвержена напряжению или имеет плохое качество.

Жесткая секция 27 соединителя 10 имеет внешний диаметр, который будет плотно прилегать к внутреннему диаметру первой и второй секций колтюбинга 12 и 14. Внешний диаметр корпуса 16 остается, по существу, постоянным вдоль жесткой секции 27, за исключением локализованных зон, где находятся такие элементы, для выполнения соединения с колтюбингом 12 и 14, как канавка или выемка.

В концевой секции 28 корпуса 16 внешний диаметр 29 корпуса 16 постепенно уменьшается от конца 31 концевой секции 28, соседней к жесткой секции 27, по направлению к дистальному торцу 33 корпуса 16 таким образом, что внешний диаметр концевой секции 28 корпуса 16 не входит в плотный кон

- 4 009319 такт с внутренним диаметром колтюбинга 12 или 14. Когда колтюбинг 12 и 14 прямые, концевая секция 28 не контактирует с внутренним диаметром колтюбинга 12 или 14 благодаря уменьшающемуся внешнему диаметру 29 концевой секции 28. Этот уменьшающийся внешний диаметр, упоминаемый здесь как конический, может быть сконструирован любым из способов, который обеспечивает меньший внешний диаметр на дистальном торце 33 концевой секции 28; примеры способов, с помощью которых может быть выполнена конусность, включают в себя, но не ограничиваются, одним углом, сериями коротких угловых секторов, постоянным радиусом или составным радиусом.

Так как колтюбинг 12 присоединяется к соединителю 10 в жесткой секции 27 и колтюбинг 12 обычно гнется при размещении колтюбинга и работе, только ограниченная зона концевой секции 28 будет контактировать с внутренним диаметром колтюбинга 12, когда он гнется, благодаря уменьшающемуся внешнему диаметру 29 концевой секции 28. Таким образом, существует ограниченная зона контакта между колтюбингом 12/14 при его изгибании вдоль длины концевой секции 28, и эта ограниченная зона контакта перемещается вдоль длины концевой секции 28 при изгибании колтюбинга 12. Таким образом, точка напряжения, возникающая в точке контакта, перемещается вдоль концевой секции 28 и перекрывает колтюбинг 12, исключая, тем самым, образование специфической точки концентрации напряжений или точки шарнира. Эта характеристика настоящего изобретения упоминается здесь как признак ограниченного изгиба.

Признак ограниченного изгиба исключает образование точки шарнира, возникающей в результате напряжения, многократно концентрирующегося в зонах. Известно, что такие точки шарнира создают слабое место в колтюбинговых соединителях. С помощью конструкции этот признак ограниченного изгиба обеспечивает переход между жесткой секцией 27 соединителя 10 и колтюбингом 12 или 14 и распределяет деформацию в колтюбинге по длине концевой секции 28, а не в локализованной точке шарнира. При таком распределении деформации максимальное напряжение, действующее на любую отдельную точку колтюбинга 12 или 14, перекрывающего концевую секцию 28, и длительность, при которой любая отдельная точка подвергается такому напряжению, уменьшаются. Это улучшает характеристику малоцикловой усталости всей конфигурации колтюбинга и соединителя. Такая конфигурация заметно отличается от известных гибких внутренних соединителей и противоположна обычному подходу обеспечения гибкой средней секции с более жесткой секцией на каждой стороне. Таким образом, колтюбинговый соединитель настоящего изобретения пригоден для обеспечения соединения, которое является гибким на обоих концах и жестким в середине.

В различных вариантах осуществления диаметр внутренней поверхности корпуса 16 вдоль продольного канала 18 в концевой секции 28 может уменьшаться таким же образом, что и внутренний диаметр 29, может оставаться одинаковым вдоль концевой секции 28 или может увеличиваться для образования внутренней конической поверхности 30. В вариантах осуществления, в которых диаметр внутренней поверхности корпуса 16 вдоль продольного канала 18 в концевой секции 28 остается одинаковым или увеличивается, толщина поперечного сечения стенки корпуса 16 в концевой секции 28 уменьшается по направлению к дистальному концу 33 в результате уменьшения внешнего диаметра 29. Это уменьшение толщины стенки делает концевую секцию 28 более гибкой у дистального конца 33 и гораздо менее гибкой вдоль длины концевой секции 28, простирающейся к концу жесткой секции 27. Таким образом, соединитель 10 является наиболее гибким у дистального конца 33 концевой секции 28 и имеет убывающую гибкость, перемещающуюся по направлению к жесткой секции 27 вдоль длины концевой секции 28 таким образом, что наиболее жесткая зона концевой секции 28 находится у конца 31, смежного жесткой секции 27.

Соединитель 10 может быть прикреплен к колтюбингу 12 или 14 в жесткой секции 27 способами, подходящими для использования с внутренними соединителями, такими как валковые соединители, винты, обжатие и выдавливание углубления. На фиг. 2 показано соединение между жесткой секцией 27 и колтюбингом 12 и 14, выполненное с помощью углублений 22 на внешней поверхности жесткой секции 27, в которые входят выступы 20 на колтюбинге 12 и 14. Такие углубления могут быть выполнены различными способами, такими как окружение колтюбинга пресс-формой и сжатие пресс-формы для формирования углублений, использование кнопки или винта для формирования углублений или использование предварительной модели более слабых точек в жесткой секции 27, в которых колтюбинг 12 или 14 может быть легко запрессован. В некоторых вариантах осуществления внешняя поверхность жесткой секции 27 может быть выполнена по модели таким образом, чтобы улучшить такое соединение с колтюбингом 12 и 14. Например, углубления во внешней поверхности жесткой секции 27 могут распределяться равномерно по окружности в локализованной зоне или вдоль длины жесткой секции 27. Для отверстия под винт могут альтернативно предусматриваться выемки во внешней поверхности жесткой секции 27; таким же образом такие выемки могут находиться в локализованной зоне или вдоль длины жесткой секции 27.

Кроме того, рисунок, форма или глубина таких углублений могут меняться, и в частности могут меняться таким образом, чтобы напряжение во время изгиба соединения распределялось через углубления, а не концентрировалось в ограниченной локализованной зоне. Более того, это изменение может быть выполнено таким образом, чтобы изменять относительную плотность соединения между соедини- 5 009319 телем 10 и колтюбингом 12 или 14 через жесткую секцию 27 соединителя 10 таким образом, чтобы соединение между соединителем 10 и колтюбингом 12 или 14 было относительно плотным около концов колтюбинга 12 или 14 и соединение было менее плотным в других зонах жесткой секции 27 соединителя

10. Например, винты в углублениях, расположенных ближе всего к концам колтюбинга 12 или 14, могут быть завинчены на глубину, отличную от той, на которую завинчиваются винты, расположенные дальше от концов колтюбинга 12 или 14.

Как вариант или дополнительно к углублениям вдоль внешней поверхности жесткой секции 27, выемки могут быть предусмотрены на внутренней поверхности корпуса 16 вдоль продольного канала 18. В этом способе секция более тонкой стенки корпуса 16 предусматривается в требуемых местоположениях, в которых колтюбинг 12 или 14 может быть запрессован или обжат для обеспечения контакта между соединителем 10 и колтюбингом 12 или 14. В другом варианте осуществления вокруг окружности жесткой секции 27 может быть предусмотрена канавка, или серия кольцевых или частично кольцевых канавок может быть расположена, или расположена в шахматном порядке, вдоль длины жесткой секции 27. Различные комбинации этих способов так же могут быть использованы и рассмотрены в рамках объема настоящего изобретения.

Соединитель 10 может быть предпочтительно выполнен с одним или более уплотнений 24 для предотвращения утечки жидкости между соединителем 10 и с одним или с обоими колтюбингами 12/14. Эти уплотнения 24 могут быть уплотнениями любого известного типа, включающими в себя, но не ограничивающимися кольцевыми уплотнениями, шевронными уплотнениями, Т-образными уплотнениями, динамическими уплотнениями, такими как Ро1уРак, и различными другими эластомерными устройствами.

В конкретных вариантах осуществления настоящий соединитель 10 может включать в себя кольцевой выступ 26, расположенный вокруг корпуса 16 в жесткой секции 27 таким образом, чтобы он находился между соответствующими концами колтюбингов 12 и 14. Диаметр кольцевого выступа 26 такой же или, по существу, эквивалентен внешнему диаметру колтюбинга 12 и 14. Таким образом, кольцевой выступ 26 не мешает соединителю 10 проходить через устьевое оборудование. Кольцевой выступ 26 обеспечивает опору для конца колтюбинга 12 или 14 или уменьшает силы, которые вызывают расширение концов труб, а также удерживает и защищает концы труб. Специалистам в данной области техники будет понятно, что кольцевой выступ 26 работает для уменьшения деформации или «закручивания» (еддίη§) концов колтюбинга 12 или 14 во время использования.

В ряде вариантов осуществления в связи с соединителем 10 может использоваться устройство управления расходом, такое как обратный клапан. Устройство управления расходом позволяет потоку жидкости протекать через одну конфигурацию и запрещает потоку жидкости протекать через другую конфигурацию. Способы переключения такого устройства управления расходом от одной конфигурации к другой конфигурации хорошо известны и включают в себя, например, воздействие осевого внешнего давления на соединитель, сброс шарика или обеспечение контрольного сигнала. Такие варианты осуществления являются вариантами конкретного использования, когда колтюбинг находится под давлением, таким как давление скважины или давление жидкости. Устройство управления расходом может быть расположено внутри жесткой секции 27 соединителя 10 или внутри колтюбинга 12 или 14, примыкающего к соединителю 10. Также может быть использована комбинация внутреннего и внешнего устройства управления расходом.

Как показано на фиг. 3А-3С, уменьшающийся внешний диаметр 29 концевой секции 28 может быть сконструирован на внешней поверхности корпуса 16 различными способами, включающими в себя, но не ограничивающимися одним углом, серией коротких угловых секторов, постоянным радиусом или составным радиусом. В ряде вариантов осуществления диаметр внутренней поверхности корпуса 16 вдоль продольного канала 18 может увеличиваться в концевой секции 28 для образования внутренней конической поверхности 30. Например, в конкретных вариантах осуществления на фиг. 2 показана конечная секция 28, имеющая внешнюю коническую поверхность 29 и внутреннюю коническую поверхность 30 в продольном канале 18. Эта внутренняя коническая поверхность 30 также может быть сконструирована различными способами, включающими в себя, но не ограничивающимися одним углом, серией коротких угловых секторов, постоянным радиусом или составным радиусом. В ряде вариантов осуществления способ конструирования уменьшающегося внешнего диаметра 29 и внутренней конической поверхности 30 может быть одинаковым, а в ряде вариантов осуществления способ их выполнения может быть различным. В конкретном варианте осуществления, показанном на фиг. 3А, концевая секция 28 включает в себя внутреннюю коническую поверхность 30 и коническую внешнюю поверхность корпуса 29. В варианте осуществления, показанном на фиг. 3В, концевая секция 28 включает в себя множество внешних конических поверхностей или коротких угловых секторов 29А, 29В и 29С и внутренняя поверхность 30 не является конической. В варианте осуществления, показанном на фиг. 3С, концевая секция 28 включает в себя коническую внешнюю секцию 29, выполненную с постоянным радиусом, и внутреннюю поверхность 30 в продольном канале 18, которая не является конической.

На фиг. 4 показан колтюбинговый соединитель 10, сконструированный согласно настоящему изобретению и используемый для соединения первой секции колтюбинга 12 и инструментальной колонны 13. Соединитель 10 имеет корпус 16 с проходящим через него продольным каналом 18 и содержит жест

- 6 009319 кую секцию 27 и концевую секцию 28. В ряде вариантов осуществления соединитель 10 может разбираться с помощью отделения жесткой секции 27 от концевой секции 28 и собираться с помощью присоединения жесткой секции 27 к концевой секции 28 с использованием любых известных способов соединения, сохраняющих внешнюю поверхность без выступов, таких как резьбовое соединение, рельефное соединение, замковое или шпоночное соединение.

Жесткая секция 27 соединителя 10 имеет внешний диаметр, который плотно прилегает внутри внутреннего диаметра колтюбинга 12. Другой конец 41 жесткой секции 27 присоединяется к инструментальной колонне 13. Такое присоединение к инструментальной колонне 13 может быть выполнено с помощью любых известных способов соединения, сохраняющих внешнюю поверхность без выступов, таких как резьбовое соединение, рельефное соединение, замковое или шпоночное соединение. В концевой секции 28 внешний диаметр 29 корпуса 16 постепенно уменьшается от конца концевой секции 28, смежного жесткой секции 27, по направлению к дистальному концу 33 корпуса 16 так, что внешний диаметр 29 концевой секции 28 у дистального конца 33 корпуса 16 не входит в плотный контакт с внутренним диаметром колтюбинга 12. Когда колтюбинг 12 выпрямлен, концевая секция 28 не входит в контакт с внутренним диаметром колтюбинга благодаря ее уменьшающемуся внешнему диаметру 29. Таким образом, существует ограниченная зона контакта между колтюбингом 12/14 при его изгибе вдоль длины концевой секции 28, и эта ограниченная зона контакта перемещается вдоль длины концевой секции 28 при изгибании колтюбинга 12. Таким образом, точка напряжения, возникающая в точке контакта, перемещается вдоль концевой секции 28 и перекрывает колтюбинг 12, предотвращая, таким образом, образование отдельной точки концентрации напряжения или точки шарнира. Свойство ограниченного изгиба концевой секции 28, описанное ранее, имеется в варианте осуществления, показанном на фиг. 4.

На фиг. 5 показан конкретный вариант осуществления, в котором два колтюбинговых соединителя 10 сконструированы согласно настоящему изобретению для присоединения к первой секции колтюбинга 12, инструментальной колонне 13 и второй секции колтюбинга 14. Каждый колтюбинговый соединитель 10 имеет корпус 16 со сквозным продольным каналом 18 и содержит жесткую секцию 27 и концевую секцию 28. Каждый колтюбинговый соединитель 10 присоединяется к колтюбингу 12 или 14 у жесткой секции 27 и присоединяется к инструментальной колонне 13 у одного конца 41. Первый колтюбинговый соединитель 10 присоединяется к колтюбингу 12 у жесткой секции 27, и второй колтюбинговый соединитель 10 таким же образом присоединяется к колтюбингу 14 у жесткой секции 27. Жесткие секции 27 имеют внешний диаметр, который плотно прилегает к внутреннему диаметру колтюбинга 12. Концевая секция 28 каждого из первого и второго колтюбингового соединителя 10 имеет внешний диаметр 29, который постепенно уменьшается от конца 40 концевой секции 28, смежной жесткой секции 27, по направлению к дистальному концу 33 корпуса 16 таким образом, что внешний диаметр 29 концевой секции 28 у дистального конца 33 корпуса 16 не входит в контакт с внутренним диаметром колтюбинга 12 или 14, соответственно, когда колтюбинг не изгибается.

В некоторых вариантах осуществления первый или второй соединитель 10 или оба могут содержать корпус 16, в котором одна зона корпуса 16 является жесткой секцией 27, а другая зона корпуса 16 является концевой секцией 28. В других вариантах осуществления корпус 16 первого или второго соединителя 10 или обоих, может разбираться с помощью отделения жесткой секции 27 от концевой секции 28 и собираться с помощью присоединения жесткой секции 27 к концевой секции 28 с использованием любых известных способов соединения, сохраняющих внешнюю поверхность без выступов, таких как резьбовое соединение, рельефное соединение.

Жесткая секция 27 каждого из первого и второго соединителя 10 имеет внешний диаметр, который плотно прилегает, соответственно, к внутреннему диаметру колтюбинга 12 или 14. Концевая секция 28 каждого из первого и второго колтюбингового соединителя 10 имеет внешний диаметр 29, который постепенно уменьшается от конца 31 концевой секции 28, смежного жесткой секции 27, по направлению к дистальному концу 33 корпуса 16 так, что внешний диаметр 29 концевой секции 28 у дистального конца 33 корпуса 16 не входит в контакт с внутренним диаметром колтюбинга 12 или 14, соответственно, когда колтюбинг не изгибается. Эта свойство ограниченного изгиба концевой секции 28, описанное ранее, входит в вариант осуществления, показанный на фиг. 5.

Каждый из описанных вариантов осуществления имеет уменьшение внешнего диаметра концевой секции 28. Когда происходит изгибание при нормальной работе, колтюбинг 12/14 изгибается до тех пор, пока он не войдет в контакт с концевой секцией 28. При продолжении изгибания точка контакта между колтюбингом 12/14 и концевой секцией 28 перемещается вдоль длины концевой секции 28, предотвращая, таким образом, образования локализованной точки шарнира. Таким образом, соединитель 10 согласно настоящему изобретению подвергается уменьшенной деформации во время изгибания и, в результате, испытывает уменьшенную усталость и имеет больший срок эксплуатации.

Преимущества настоящего изобретения могут быть поняты с использованием фиг. 6А и 6В, на которых показан результат моделирования методом конечных элементов. Фиг. 6А показывает результат моделирования методом конечных элементов известного внутреннего колтюбингового соединителя, имеющего гибкую центральную секцию и жесткие концевые секции; показаны многочисленные зоны 50 концентрации высокой деформации, включая расширенную зону 50 концентрации высокой деформации

- 7 009319 в гибкой центральной секции. Фиг. 6В показывает результат моделирования методом конечных элементов, имеющего такие же входные данные, что и на фиг. 6А, за исключением того, что соединитель смоделирован как соединитель согласно настоящему изобретению; показано несколько зон 50 концентрации высокой деформации для соединителя настоящего изобретения. Поскольку концентрация высокой деформации приводит к сокращенному сроку эксплуатации или к повышенному риску разрушения, преимущества соединителя согласно настоящему изобретению очевидны при сравнении фиг. 6В и 6А, из которых видно, что соединитель 10 настоящего изобретения подвергается меньшей деформации, чем колтюбинговый соединитель, имеющий гибкую центральную секцию.

Как показано на фиг. 7, в другом конкретном варианте осуществления в соединителе 10 может быть дополнительно предусмотрен направляющий/мусорный барьер 32, расположенный у каждого конца соединителя 10. Барьер 32 может включать в себя корпус 34 с простирающейся от него трубчатой секцией 36, приспособленной для установки внутри канала 18 соединителя 10. Корпус 34 может включать в себя плечо 38, сконструированное для вхождения в контакт с кончиком концевой секции 28 соединителя 10. Корпус 34 может включать в себя кольцевую выемку 44 для вставления кольцевого уплотнения 42. Корпус 34 может дополнительно включать в себя конический внутренний канал 40. Мусорный барьер 32 работает для удерживания мусора и обломков породы, которые могут мешать контролируемому изгибу, от попадания в зону ограниченного изгиба между внешним диаметром 29 концевых секций 28 и внутренней поверхностью 30 колтюбингов 12/14. Барьер 32, как показано, может быть отдельным от соединителя 10, или он может быть единым целым с соединителем 10. В различных вариантах осуществления барьер 32 может быть жестким или гибким. Примером единого гибкого варианта осуществления является эластомерный конус, сформованный на конце соединителя 10. Может быть использована любая комбинация этих способов. Если барьер 32 является отдельным от соединителя 10, а не единым с ним целым, он может удерживаться в положении с помощью наплавленного валика сварного шва 46 колтюбинга на одной стороне и соединителем 10 на другой стороне. Фиг. 7 дополнительно показывает, что соединитель 10 может включать в себя кольцо 48 противовыдавливания, смежное уплотнению 24.

В свете вышеприведенного описания колтюбинга настоящего изобретения и относящихся к нему способов можно понять, что настоящее изобретение описывает улучшенные по сравнению с предшествующим уровнем техники соединители колтюбинга и способы соединения. Преимущества настоящего изобретения включают в себя прочность на растяжение, подобную прочности на растяжение колтюбинга; возможность изгибания вокруг колтюбингового барабана и гузнека инжектора во время работы; малоцикловую усталостную долговечность, подобную колтюбингу; обеспечение герметичного компрессионного уплотнения как от внутренних, так и от внешних источников; проход через сборку устья скважины.

Хотя варианты осуществления в настоящем изобретении были описаны относительно колтюбинга, специалист в данной области техники поймет, что настоящее изобретение пригодно для соединения любых труб, независимо от его конкретного использования для колтюбинга.

Хотя выше были подробно описаны только несколько примеров вариантов осуществления настоящего изобретения, специалисты в данной области техники легко поймут, что возможны многочисленные модификации в примерах вариантов осуществления без фактического отхода от новых идей и преимуществ настоящего изобретения. Соответственно, подразумевается, что все такие модификации должны включаться в объем изобретения, как определяется в последующей формуле изобретения.

Подразумевается, что пункты средство-плюс-функция формулы изобретения охватывают конструкции, описанные в настоящем изобретении, как конструкции, выполняющие описанную функцию, и не только конструктивные эквиваленты, но также и эквивалентные структуры. Таким образом, хотя гвоздь и винт могут не быть конструктивными эквивалентами в том, что гвоздь использует цилиндрическую поверхность для скрепления деревянных частей вместе, в то время как винт использует винтовую поверхность при закреплении деревянных деталей, гвоздь и винт могут быть эквивалентными структурами.

Claims (26)

1. Способ соединения первой трубы и второй трубы, при котором выполняют соединитель для труб, имеющий корпус со сквозным продольным каналом, причем соединитель для труб имеет первую концевую секцию и жесткую секцию, и первая концевая секция имеет коническую внешнюю поверхность;

размещают первую концевую секцию соединителя внутри первой трубы; и прикрепляют жесткую секцию соединителя к первой трубе и второй трубе внутри внутреннего диаметра первой и второй труб.

2. Способ по п.1, при котором выполняют соединитель, дополнительно содержащий внутреннюю коническую поверхность в канале.

3. Способ по п.1, при котором выполняют соединитель, дополнительно содержащий вторую концевую секцию, причем жесткая секция расположена между первой и второй концевыми секциями, и при котором дополнительно размещают вторую концевую секцию соединителя внутри второй трубы; и

- 8 009319 прикрепляют жесткую секцию соединителя ко второй трубе; при этом вторая концевая секция имеет коническую внешнюю поверхность.

4. Способ по п.1, при котором первая труба является колтюбингом.

5. Способ по п.3, при котором каждая из первой и второй труб является колтюбингом.

6. Способ по п.5, при котором по меньшей мере один из первых или вторых колтюбингов наматывается на барабан.

7. Способ по п.5, при котором соединитель выполняют для ремонта между первой и второй трубой.

8. Устройство для соединения первой и второй секций труб, содержащее корпус со сквозным продольным каналом, первую концевую секцию и жесткую секцию; причем первая концевая секция соединителя имеет коническую внешнюю поверхность; и внешняя поверхность жесткой секции выполнена с возможностью присоединения к внутреннему диаметру первой и второй трубы.

9. Устройство по п.8, в котором корпус дополнительно содержит вторую концевую секцию, имеющую коническую внешнюю поверхность, а жесткая секция расположена между первой и второй концевыми секциями.

10. Устройство по п.9, в котором по меньшей мере одна из первой или второй концевых секций дополнительно содержит коническую внутреннюю поверхность.

11. Устройство по п.8, дополнительно содержащее кольцевой выступ, расположенный вокруг корпуса и выполненный с возможностью размещения между концами первой и второй секций трубы.

12. Устройство по п.8, дополнительно содержащее множество углублений, расположенных на внешней поверхности жесткой секции корпуса, выполненного с возможностью взаимодействия по меньшей мере с одной из первой или второй труб.

13. Устройство по п.12, в котором дополнительно углубления выполнены различными.

14. Устройство по п.8, дополнительно содержащее уплотнение, расположенное между корпусом и по меньшей мере одной из первой и второй секций трубы.

15. Устройство по п.8, дополнительно содержащее по меньшей мере один барьер для предотвращения попадания мусора между концевой секцией корпуса и трубой.

16. Устройство по п.8, дополнительно содержащее расположенное в нем устройство управления расходом.

17. Способ размещения колтюбинга в стволе скважин, при котором выполняют соединитель колтюбингов, имеющий корпус со сквозным продольным каналом, причем корпус имеет первую и вторую концевые секции, каждая из которых имеет коническую внешнюю поверхность, и жесткую секцию, расположенную между первой и второй концевыми секциями;

размещают первую концевую секцию соединителя внутри первого колтюбинга;

размещают вторую концевую секцию соединителя внутри второго колтюбинга;

прикрепляют жесткую секцию к внутреннему диаметру каждого из первого и второго колтюбингов, образуя, таким образом, соединенную трубу; и опускают соединенную трубу в ствол скважины.

18. Способ по п.17, при котором соединитель дополнительно содержит кольцевой выступ, расположенный вокруг корпуса и выполненный с возможностью размещения между концами первой и второй секций колтюбинга.

19. Способ по п.17, при котором дополнительно размещают по меньшей мере один барьер рядом по меньшей мере с одной из первой или второй концевой секций для предотвращения, таким образом, попадания мусора между концевой секцией и колтюбингом.

20. Способ по п.17, при котором по меньшей мере один из первого или второго колтюбингов размещают на барабане.

21. Способ по п.17, при котором соединенный колтюбинг разматывают с барабана.

22. Способ по п.21, при котором соединенный колтюбинг наматывают на барабан.

23. Способ по п.17, при котором дополнительно используют устройство управления расходом внутри по меньшей мере одного из соединителя, первого колтюбинга или второго колтюбинга.

24. Способ размещения колтюбинга в стволе скважины, при котором выполняют первый соединитель труб, имеющий корпус со сквозным продольным каналом, имеющий первую концевую секцию и жесткую секцию, причем первая концевая секция имеет коническую внешнюю поверхность;

размещают первую концевую секцию первого трубного соединителя внутри первого колтюбинга;

прикрепляют жесткую секцию первого соединителя труб к внутреннему диаметру каждого первого колтюбинга;

используют второй соединитель труб, имеющий корпус со сквозным продольным каналом, имеющий первую концевую секцию и жесткую секцию, причем первая концевая секция имеет коническую внешнюю поверхность;

размещают первую концевую секцию второго соединителя труб внутри второго колтюбинга; прикрепляют жесткую секцию второго соединителя труб внутри второго колтюбинга;

- 9 009319 размещают инструментальную колонну между первым соединителем труб и вторым соединителем труб, формируя, таким образом, соединенную трубу; и опускают соединенную трубу в ствол скважины.

25. Способ по п.24, при котором по меньшей мере один из первого или второго колтюбингов размещают на барабане.

26. Способ по п.24, при котором дополнительно используют устройство управления расходом внут-