Способ изготовления резьбового соединения для нефтяной скважинной трубы

Изобретение относится к резьбовым соединениям труб. Способ изготовления поверхностно обработанного резьбового соединения для нефтяной скважинной трубы включает в себя обработку поверхности резьбового соединения посредством инжекции и распыления частиц, имеющих твердость по шкале С Роквелла, равную, по меньшей мере, 50, и диаметр частиц от 30 до 300 мкм, на поверхности обрабатываемого резьбового соединения при давлении воздуха от 0,3 до 0,5 МПа. Изобретение обеспечивает достаточную усталостную трещиностойкость резьбового соединения для нефтяной скважинной трубы на разрыв. 8 з.п. ф-лы, 8 ил., 4 табл.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к способу изготовления резьбового соединения для нефтяной скважинной трубы.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В последние годы, поскольку технология разведки и технология добычи для нефтяных и газовых месторождений совершенствуются, не является необычной добыча нефти из нефтяных месторождений на глубине тысяч метров. В таких нефтяных скважинах используется необычно большое количество нефтяных скважинных труб, и каждая нефтяная скважинная труба поддерживает герметичность посредством резьбового соединения, и нефтяные скважинные трубы соединяются в одну для использования.

Выложенная заявка на патент Японии №Н06-99354 описывает технологию, в которой часть уплотнения металл по металлу соединения стальных труб подвергается обработке дробеструйным поверхностным упрочнением для улучшения стойкости к истиранию посредством повышения трещиностойкости поверхности. Кроме того, выложенная заявка на патент Японии №Н08-145248 описывает технологию, в которой твердость части уплотнения с наружной резьбой или с внутренней резьбой повышается и шероховатость поверхности части уплотнения с резьбой с повышенной твердостью должна составлять от 0,25 до 1,00 мкм, так что стойкость к истиранию высокохромистой стали, содержащей 10% или более Cr в массовом отношении, улучшается.

ПРОБЛЕМЫ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ, РЕШАЕМЫЕ НАСТОЯЩИМ ИЗОБРЕТЕНИЕМ

В последние годы разработка нефтяных или газовых месторождений, находящихся в океане, распространяется на более глубокие места и места, где разработка является более сложной. Соответственно, стойкость к образованию усталостных трещин является более важной, чем стойкость к истиранию труб под водой между дном моря и буровыми установками на поверхности моря, и таким образом чаще требуются соединения, имеющие высокую стойкость по отношению к образованию усталостных трещин.

Один из способов повышения стойкости к образованию усталостных трещин у резьбовых соединений для нефтяных скважинных труб представляет собой способ, в котором наворачиваются вставные резьбовые соединения для добычи нефти, изначально производимые с высокой стойкостью к образованию усталостных трещин, или разрабатываются специальные соединения, которые должны использоваться, но такой способ стоит много денег. Потребность в существующих специальных соединениях или существующих конкретных соединениях, которые имеют необходимые рабочие характеристики благодаря усовершенствованию, по этой причине увеличивается. С другой стороны, в качестве общего способа повышения стойкости к образованию усталостных трещин материалов является известный способ обработки дробеструйного поверхностного упрочнения поверхности материалов для повышения твердости поверхности.

Выложенные заявки на патент Японии №6-99354 и 8-145248 не содержат идеи повышения стойкости к образованию усталостных трещин и, таким образом, их содержание не описывает технических средств для повышения стойкости к образованию усталостных трещин.

Кроме того, источник усталостной трещины в резьбовых соединениях для нефтяных скважинных труб в основном представляет собой детали с резьбой и таким образом является сложной равномерная обработка деталей с резьбой с использованием обычного дробеструйного поверхностного упрочнения. Это связано с тем, что резьбовые соединения для нефтяных скважинных труб, как правило, применяют специальную форму резьбы, такую как форму резьбы Американского нефтяного института.

Например, в случае трапециевидной формы резьбы, показанной на фиг.7, искривленная часть нижнего угла резьбы, которая представляет собой критическую точку стойкости к образованию усталостных трещин в резьбовых соединениях, имеет радиус 0,2 мм. По этой причине является неразумным получение однородной твердости посредством применения обычного дробеструйного поверхностного упрочнения, которое использует частицы с минимальным диаметром примерно 0,5 мм, для этой части. В частности, не рассматриваются попытки применения обычного дробеструйного поверхностного упрочнения к резьбовому соединению для нефтяных скважинных труб с резьбой АНИ круглой формы, показанной на фиг.8.

По этой причине целью настоящего изобретения является создание резьбового соединения для нефтяной скважинной трубы, в котором достаточная стойкость к образованию усталостных трещин обеспечивается посредством усовершенствования обычного резьбового соединения для нефтяной скважинной трубы, получаемого с помощью резьбы, имеющей специальную форму, такую как трапециевидная форма резьбы или круглая форма резьбы АНИ, и способ ее получения.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно изобретению создан способ изготовления поверхностно обработанного резьбового соединения для нефтяной скважинной трубы, включающий в себя обработку поверхности резьбового соединения посредством инжекции и распыления частиц, имеющих твердость по шкале С Роквелла, равную, по меньшей мере, 50, и диаметр частиц от 30 до 300 мкм, на поверхности обрабатываемого резьбового соединения при давлении воздуха от 0,3 до 0,5 МПа.

Форма резьбы резьбового соединения может представлять собой любую форму из трапециевидной резьбы и круглой резьбы согласно стандартам Американского нефтяного института.

Диаметр частиц может быть равен от 50 до 100 мкм.

Обработка инжекцией и распылением может осуществляться только на неполной части резьбы.

Обработка инжекцией и распылением площади поверхности, равной 1 см², может осуществляться в течение 3 сек или меньше.

Указанный «диаметр частицы" означает средний диаметр частицы в агрегате частиц с постоянным диапазоном диаметров. Указанная обработка инжекцией и распылением мелкодисперсных частиц на поверхности материала называется "микродробеструйное поверхностное упрочнение".

В способе изготовления резьбового соединения для нефтяной скважинной трубы микродробеструйное поверхностное упрочнение обеспечивает увеличение стойкости резьбового соединения к образованию усталостных трещин.

При осуществлении указанного способа частицы являются более твердыми и мелкодисперсными по сравнению с обрабатываемым материалом и инжектируются и распыляются на поверхность с высокой скоростью, в результате чего максимальное остаточное напряжение в направлении сжатия создается на относительно неглубокой части вблизи поверхности материала, что уменьшает создание трещин как источника усталостной трещины. Поскольку частицы, которые должны инжектироваться, являются мелкодисперсными, даже если каждая часть резьбового соединения имеет сложную форму или форму с мелкими деталями, частицы распыляются равномерно. По этой причине стойкость к образованию усталостных трещин может увеличиться равномерно по всей поверхности резьбового соединения.

Учитывая вышеуказанную форму частиц, они могут инжектироваться в изогнутую часть нижнего угла резьбы, где обычные частицы с большим диаметром частиц не могут инжектироваться посредством дробеструйного поверхностного упрочнения, так что могут обеспечиваться характеристики микродробеструйного поверхностного упрочнения и достаточная стойкость к образованию трещин.

При осуществлении способа большие максимальные остаточные напряжения в направлении сжатия могут создаваться вблизи поверхности материала резьбового соединения, таким образом, стойкость к образованию усталостных трещин дополнительно увеличивается.

Используемые частицы могут иметь разный диаметр и, предпочтительно, чтобы сначала инжектировались частицы с большим диаметром для уменьшения шероховатости обрабатываемой поверхности после инжекции, что также способствует обеспечению более высокой стойкости к образованию усталостных трещин.

Из вышеизложенного ясно, что обработка микродробеструйного поверхностного упрочнения может эффективно применяться к резьбовому соединению для нефтяной скважинной трубы для повышения стойкости к образованию усталостных трещин. Применение микродробеструйного поверхностного упрочнения является более простой и дешевой по сравнению с другими обработками, и, кроме того, комбинация карбюризации и нитридирования может дополнительно улучшить стойкость к образованию усталостных трещин.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 представляет собой схему, иллюстрирующую форму и положение измерения материала при исследовании, используемом в примере 1.

Фиг.2 представляет собой схему, иллюстрирующую форму и размер резьбы, сформированной на материале при исследовании на фиг.1.

Фиг.3 представляет собой схему, иллюстрирующую форму и положение измерения материала при исследовании, используемом в примере 2.

Фиг.4 представляет собой график, иллюстрирующий измеренные значения остаточного напряжения при сжатии в осевом направлении, в направлении по глубине.

Фиг.5 представляет собой график, иллюстрирующий величину изменения остаточного напряжения при сжатии в осевом направлении, в направлении по глубине.

Фиг.6 представляет собой схему, иллюстрирующую конструкцию ротационной машины для исследования усталости на изгибе типа с четырехточечным изгибом.

Фиг.7 представляет собой схему, иллюстрирующую форму трапециевидной резьбы.

Фиг.8 представляет собой схему, иллюстрирующую форму круглой резьбы АНИ.

НАИЛУЧШИЙ СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение будет ниже объясняться конкретно на основе примеров.

ПРИМЕР 1

Часть с наружной резьбой специального резьбового соединения для нефтяной скважинной трубы, имеющая форму резьбы трапециевидного типа, вырезают в виде прямоугольника с шириной 25 мм в осевом направлении и исследуют изменение поверхностного остаточного напряжения основания резьбы, вызываемого микродробеструйным поверхностным упрочнением, в то время как условия изменяются.

Исследуемый материал

Часть с наружной резьбой специального резьбового соединения для нефтяной скважинной трубы используют в качестве исследуемого материала. Спецификации специального резьбового соединения для нефтяной скважинной трубы являются следующими:

Номинальный наружный диаметр: 177,80 мм

Номинальная толщина поперечного сечения: 11,51 мм

Материал: АНИ Р110

Напряжение разрыва: ≥758 МПа

Форма исследуемого материала и положение измерения поверхностного остаточного напряжения

Как показано на фиг.1, часть с наружной резьбой для нефтяной скважинной трубы разрезают в осевом направлении в виде прямоугольника с шириной 25 мм и длиной примерно 120 мм для получения материала для исследований. Измеряемая часть поверхностного остаточного напряжения представляет собой место "X" на фиг.1. Это - приблизительно центр части неполной резьбы (основания резьбы). Для ссылки форма резьбы, а также ее размеры показаны на фиг.2.

Условия обработки микродробеструйного поверхностного упрочнения

Используют мелкодисперсные частицы из углеродистой стали (плотность по шкале С Роквелла, равная 60 или более), у которых содержание углерода равно от 0,8 до 1,0%. Используют смесь, содержащую три вида частиц, у которых диаметры частиц (медианные) равны 0,5 мм, 50 мкм и 0,5 мм и 50 мкм. Измерение осуществляют при трех условиях, когда давление распыления равно 0,3, 0,4 и 0,5 МПа. Расстояние до сопла (расстояние от сопла до поверхности материала, которая должна обрабатываться) равно от 100 до 150 мм, и измерение осуществляют способом, когда расстояние до сопла является однородным при каждом условии. Время обработки микродробеструйного поверхностного упрочнения при каждой обработке равно 2 сек/см².

Остаточное напряжение в осевом направлении

Используют рентгеновское устройство для измерения напряжений микродеталей.

Используют характеристическое рентгеновское излучение CrKα.

Условия измерения являются следующими:

Плоскость дифракции: 211

Угол дифракции: 156,4

Напряжение трубки: 40 кВ

Ток трубки: 30 мА

Направление измерения: осевое направление

Положение измерения: центр основания трубы

Способ измерения: метод с постоянным наклоном

Измеренные результаты, а также условия обработки микродробеструйного поверхностного упрочнения показаны в таблице 1.

ТАБЛИЦА 1 Результаты измерения остаточного напряжения при сжатии при микродробеструйном поверхностном упрочнении (поверхность резьбы)

Случай, когда значение остаточного напряжения имеет знак "+", представляет собой напряжение в направлении разрыва, а случай знака "-" представляет собой напряжение в направлении сжатия. Остаточное напряжение в осевом направлении до обработки микродробеструйного поверхностного упрочнения (сравнительный пример 1-1) равно +400 МПа, но остаточное напряжение в осевом направлении после обработки равно -450 МПа или меньше. Следовательно, обнаружено, что остаточное напряжение при сжатии в осевом направлении увеличивается примерно на 1000 МПа благодаря обработке микродробеструйного поверхностного упрочнения.

ПРИМЕР 2

Используют материал трубы, который является таким же, как в примере 1, и уплощенную часть подвергают обработке микродробеструйного поверхностного упрочнения, и остаточное напряжение при сжатии в осевом направлении после и до обработки исследуют в направлении по глубине.

Форма исследуемого материала и положение измерения поверхностного остаточного напряжения

Форма исследуемого материала, используемого в настоящем примере, показана на фиг.3. На фиг.3 поверхность с качеством после фрезерования располагается приблизительно на третьей части левой стороны исследуемого материала, и оставшаяся часть представляет собой обработанную поверхность уплотнения. В случае, когда обработанная поверхность уплотнения представляет собой:

a:b=1:2,

точка "X" на чертеже представляет собой точку измерения, и измеряют остаточное напряжение на глубине через каждые 10 мкм от поверхности вплоть 50 мкм. Условия обработки микродробеструйного поверхностного упрочнения являются следующими:

Условия обработки микродробеструйного поверхностного упрочнения

Используют мелкодисперсные частицы из углеродистой стали с содержанием углерода от 0,8 до 1,0% (плотность по шкале С Роквелла, равную 60 или более). Условия диаметра частиц (медианного) являются следующими: а: 50 мкм, b: 200-600 мкм, с: смесь а и b, d: 100 мкм.

Давление распыления является постоянно равным 0,5 МПа, расстояние до сопла (расстояние от сопла до поверхности материала, которая должна обрабатываться) равно от 100 до 150 мм, и время обработки составляет примерно 2 сек/см².

Измеренные результаты и условия обработки микродробеструйного поверхностного упрочнения показаны в таблице 2 и фиг.4.

Кроме того, таблица 3 и фиг.5 показывают величины изменения остаточного напряжения в осевом направлении до и после обработки микродробеструйного поверхностного упрочнения для каждого из исследуемых материалов, используемых в примерах от 2-1 до 2-4.

Изменения остаточного напряжения при сжатии в осевом направлении больше всего на поверхности и оно стремится к уменьшению в более глубоких частях, но остаточное напряжение при сжатии в осевом направлении составляет от 400 до 600 МПа от поверхности до части с глубиной 50 мкм и таким образом создается эффект микродробеструйного поверхностного упрочнения. Кроме того, когда проверяются измеренные результаты остаточного напряжения на фрезерованной поверхности перед обработкой в сравнительном примере 2, остаточное напряжение разрыва составляет примерно +500 МПа на поверхности. Остаточное напряжение уменьшается в более глубоких частях, остаточное напряжение разрыва изменяется до остаточного напряжения при сжатии на глубине 30 мкм, и остаточное напряжение при сжатии становится равным 200 МПа на глубине 50 мкм. Это означает, что на поверхности создается остаточное напряжение разрыва из-за обработки. Поскольку остаточное напряжение на поверхности стороны с резьбой в примере 1 представляет собой остаточное напряжение разрыва +400 МПа (смотри сравнительный пример 1-1), считается, что распределение остаточного напряжения в направлении по глубине и в примере 1 является приблизительно таким же. В соответствии с данными примеров 1 и 2 обнаружено, что остаточное напряжение на поверхностной части сильно изменяется от направления разрыва к направлению сжатия благодаря обработке микродробеструйного поверхностного упрочнения.

ПРИМЕР 3

Осуществляют исследование материала и проверяют реальный эффект.

Исследуемый материал

Размер: номинальный наружный диаметр 177,8 мм × номинальная толщина сечения 11,51 мм.

Материал: материал Р110 для нефтяных скважинных труб.

Прочность на разрыв: от 758 до 965 МПа (от 110 килофунт/кв.дюйм до 140 килофунт/кв.дюйм).

Минимальная прочность на разрыв: 862 МПа (125 килофунт/кв.дюйм).

Резьбовое соединение: специальное соединение для нефтегазовых промысловых труб.

Форма резьбы трапециевидного типа с металлическим уплотнением и заплечиком.

Условия исследования

1. Система исследования усталости: ротационное исследование изгиба типа четырехточечного изгиба.

Сущность и схематические размеры машины для исследования показаны на фиг.6.

2. Условия исследования

Заданный угол изгиба: 13°/30,48 м (13°/100 футов; угол, при котором предсказывается длина дуги для 100 футов, равная 13°. Конечное установленное напряжение: ±13,8 МПа).

Скорость вращения: 166 мин^-1 (166 об/мин).

Когда внутреннее давление заполняющего газа уменьшается примерно на 0,5 МПа, детектируется генерация трещины.

3. Условия дробеструйного поверхностного упрочнения

Давление распыления: 0,4 МПа.

Расстояние распыления: от 100 до 150 мм.

Время распыления: примерно 1 сек/см².

Материал частиц дроби: углеродистая сталь, от 0,8 до 1,0% С (плотность по шкале С Роквелла, равная 60 или более).

Диаметр частиц: показан в таблице 4.

4. Способ оценки

Число оборотов при исследовании до тех пор, пока не создается трещина. Это число оборотов при исследовании сравнивают с числом оборотов при исследовании, относящемуся к исследуемому материалу, который не подвергается обработке микродробеструйного поверхностного упрочнения, с тем чтобы оценить его.

Результаты исследований

Диаметры частиц и результаты исследований показаны в таблице 4. "Трещина на части с резьбой", показанная в результатах, означает, что трещина создается на исследуемой части с резьбой, а "трещина на части с изгибной нагрузкой" означает, что трещина создается в положениях 1 и 2 на фиг.6, а именно в конечной части, где наружное кольцо подвеса нагруженной части касается наружной поверхности трубы, так что исследование на части с резьбой, которая должна исследоваться, прекращается без повреждения. "Трещина на поврежденной части основного тела" означает, что трещина создается на части главного тела трубы в положении 3, на фиг.6, которое повреждено (повреждение при столкновении или что-либо подобное во время свинчивания соединения), и, таким образом, исследование на части с резьбой, которая должна исследоваться, прекращается без повреждения. "Трещина на дефектной части поверхности основного тела" означает, что трещина создается из-за небольшого дефекта поверхности (небольшого дефекта, который не представляет собой проблемы при описании нормальных труб) на поверхности основного тела исследуемой трубы, в положении 4 на фиг.6 (между частью соединения и нагрузочной частью), и, таким образом, исследование на части с резьбой, которая должна исследоваться, прекращается без повреждения.

Как ясно из результатов исследований в таблице 4, когда поверхность резьбового соединения подвергается обработке микродробеструйного поверхностного упрочнения, исследуемое число оборотов до генерирования трещин увеличивается и трещиностойкость по отношению к образованию усталостных трещин улучшается (примеры от 3-1 до 3-8). При этом исследуемый материал с использованием частиц диаметром 50 мкм (примеры 3-1, 5, 6, 7) имеет число оборотов при исследовании, которое в два раза больше, чем для необработанных исследуемых материалов, и таким образом получается заметный эффект. Кроме того, когда исследуемый материал, у которого только часть с неполной резьбой подвергается микродробеструйному поверхностному упрочнению (пример 3-7), число оборотов при исследовании дополнительно улучшается.

Исследование на исследуемых материалах, иных, чем пример 3-1, которые подвергаются обработке микродробеструйному поверхностному упрочнению, прекращается из-за трещин, генерируемых на частях, иных, чем резьбовые соединения. Можно сказать, что их стойкость к образованию усталостных трещин на частях соединения улучшается, по меньшей мере, до численных значений, показанных в результатах исследований в таблице 4 или больше.

Настоящее изобретение объясняется в связи с примерами, которые, видимо, являются наиболее практичными и предпочтительными в настоящее время, но настоящее изобретение не ограничивается примерами, описанными в настоящей заявке, настоящее изобретение может быть изменено соответствующим образом без отклонения от сущности и идеи, читаемой из формулы изобретения и описания в целом. Нужно понять, что соединение для нефтяной скважинной трубы, которое включает в себя такие изменения, и способ его изготовления, как подразумевается, охватываются техническими рамками настоящего изобретения.

1. Способ изготовления поверхностно обработанного резьбового соединения для нефтяной скважинной трубы, включающий в себя обработку поверхности резьбового соединения посредством инжекции и распыления частиц, имеющих твердость по шкале С Роквелла, равную, по меньшей мере, 50, и диаметр частиц от 30 до 300 мкм, на поверхности обрабатываемого резьбового соединения при давлении воздуха от 0,3 до 0,5 МПа.

2. Способ по п.1, в котором форма резьбы резьбового соединения представляет собой любую форму из трапециевидной резьбы и круглой резьбы согласно стандартам Американского нефтяного института.

3. Способ по п.1 или 2, в котором диаметр частиц равен от 50 до 100 мкм.

4. Способ по п.1 или 2, в котором обработка инжекцией и распылением осуществляется только на неполной части резьбы.

5. Способ по п.1 или 2, в котором обработка инжекцией и распылением площади поверхности, равной 1 см², осуществляется в течение 3 с или меньше.

6. Способ по п.3, в котором обработка инжекцией и распылением осуществляется только на неполной части резьбы.

7. Способ по п.3, в котором обработка инжекцией и распылением площади поверхности, равной 1 см², осуществляется в течение 3 с или меньше.

8. Способ по п.4, в котором обработка инжекцией и распылением площади поверхности, равной 1 см², осуществляется в течение 3 с или меньше.

9. Способ по п.6, в котором обработка инжекцией и распылением площади поверхности, равной 1 см², осуществляется в течение 3 с или меньше.