Трубчатое соединение со спирально проходящим выступом передачи момента
[0001] По настоящей заявке испрашивается приоритет в соответствии с Предварительной заявкой США №61/730,720, поданной 28 ноября 2012 г., и Заявкой на патент №13/798,330, поданной 13 марта 2013 г., содержание которых полностью включено в данную заявку посредством ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0002] Настоящая заявка относится к трубным соединениям и, в частности, к трубным соединениям, имеющим спиральный упорный уступ.
[0003] В нефтегазовой промышленности при разведке и добыче осуществляют бурение скважин со всегда увеличивающейся глубиной и во все более сложных условиях при поиске и добыче углеводородного сырья (нефтепродуктов). Эта промышленность обычно использует стальную трубу (Oil Country Tubular Goods - нефтегазопромысловые и трубопроводные трубы), чтобы защитить ствол скважины (обсадные трубы) и управлять добываемыми текучими средами (насосно-компрессорные трубы), подаваемыми по ним. Обсадные трубы и насосно-компрессорные трубы изготовляются и перевозятся относительно короткими по длине и устанавливаются в буровую скважину на одну длину трубы за один раз, каждая труба подсоединяется к следующей. Поскольку в поисках нефти и газа проходческие компании вынуждены бурить более глубокие и более сложные скважины, требования к обсадным трубам и насосно-компрессорным трубам выросли пропорционально, как в отношении сил растяжения, так и сил сжатия. Благодаря развитию технологии бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин данная тенденция еще больше усиливается, а требования к обсадным и насосно-компрессорным трубам должны еще более учитывать возрастающие нагрузки на кручение.
[0004] В данной области техники существуют два общих класса соединительных устройств. Наиболее распространенным является соединитель с резьбовым сочленением, в котором две ниппельных резьбы, или наружных резьбы, нарезанных на концах двух длинных участках соединений трубы, соединяются двумя замковыми резьбами, или внутренними резьбами, нарезанными на относительно коротком элементе, для соединения с большим внешним диаметром, чем труба, и приблизительно таким же внутренним диаметром. Другой класс - интегральный соединитель, в котором ниппельный элемент навинчивается на один конец всей длины участка соединения трубы, а замковый элемент ввинчивается на всю длину второго участка соединения. После чего эти участки соединения могут быть соединены без необходимости в промежуточном соединительном элементе. Концы тела трубы могут быть дополнительно обработаны для облегчения нарезки резьбы соединения.
[0005] Профиль резьбы, как показано на фиг. 1, обычно определяется впадиной резьбы, вершиной резьбы, закладной боковой стороной и опорной боковой стороной. В обычной резьбе «входной угол» (угол профиля резьбы), угол между опорной и закладной боковыми сторонами является положительным и означает, что ширина вершины резьбы меньше ширины впадины резьбы с которой начинается сцепление. В результате зуб ниппеля легко располагается в канавке замковой муфты так, что их резьбы соединяются путем вращения одного элемента в другом. В окончательно собранном положении вершина или впадина, или обе вершины и впадины могут сцепляться, и между опорными боковыми сторонами и закладными боковыми сторонами может быть зазор. Это позволяет резьбе легко собираться. Как показано в примере положения резьбы, представленном на фиг. 2А (положение начала сцепления), фиг. 2B (положение сцепленных резьб) и фиг. 2С (положение собранного соединения), этот зазор дает возможность избежать случая нагрузочной и закладной боковых сторон, приводящая к принудительному взаимодействию с ее сопрягаемой поверхностью, что могло бы привести к «стопорению» и не полному сцеплению.
[0006] Ряд достижений с течением лет дал начало «усовершенствованным» соединениям. В общих чертах эти соединения, в сравнении с соединительными устройствами, определенными American Petroleum Institute (API) и другими аналогичными организациями, отличаются: 1) более сложными профилями резьбы; 2) одной или более уплотняющей поверхностью контакта металлов; и 3) одним или более выступами передачи момента. Выступ(ы) передачи момента это механизм, использующийся для геометрического размещения металлического(их) уплотнения(й) и противодействия сопротивлению резьб внешнему крутящему моменту при сохранении относительно низкого касательного напряжения в пределах участка(ов) соединения, имеющих резьбу. Сопротивление крутящему моменту является функцией участка выступа передачи момента.
[0007] Другой тип резьбовой системы, использовавшийся в данной области, известен как «клиновидная» резьба, образуемая системой резьбы в форме ласточкиного хвоста различной ширины и шага. Такой тип резьбы способствует легкому зацеплению и сборке, но также и возникновению принудительного контакта между противостоящими сторонами резьбы в полностью собранном положении. Как правило, клиновидная резьба оказывает большее сопротивление крутящему моменту, чем другие виды усовершенствованных резьбовых соединений. У «клиновидной резьбы» есть определенные недостатки, главный из которых заключается в том, что ее намного сложнее нарезать и измерять, чем резьбу с одним шагом. Нарезка клиновидной резьбы на конусной поверхности далее повышает сложность, как процесса нарезки, так и процесса измерения.
[0008] Буровики и специалисты, занимающиеся бурением глубоких, высоконапорных, высокотемпературных и/или наклонно-направленных нефтяных и газовых скважин нуждаются в резьбовом соединении, обладающем высокомоментными характеристиками, и отличающимся относительно легким и недорогим процессом нарезки и производства.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0009] В одном аспекте, способ соединения отрезков обсадных или насосно-компрессорных нефтегазопромысловых труб и трубопроводных труб включает в себя следующие этапы: использование первого трубного элемента, имеющего соответствующий ниппельный элемент с первой резьбовой конструкцией и первым спиральным выступом передачи момента, размещенном в осевом направлении вдоль ниппельного элемента на определенном расстоянии от первой резьбовой конструкции; использование второго трубного элемента, имеющего соответствующий замковый элемент со второй резьбовой конструкцией и вторым спиральным выступом передачи момента, размещенном в осевом направлении вдоль замкового элемента на определенном расстоянии от второй резьбовой конструкции; зацеплению ниппельного элемента и замкового элемента друг с другом в положение начала сцепления, которое определяется взаимодействием первой резьбовой конструкции и второй резьбовой конструкции, при этом в положении начала сцепления первый спиральный выступ передачи момента не контактирует и не перекрывается в осевом направлении со вторым спиральным выступом передачи момента; вращение по меньшей мере одного из первого или второго трубных элементов таким образом, чтобы взаимодействие между первой резьбовой конструкцией и второй резьбовой конструкцией привело первый спиральный выступ передачи момента в совместное выравнивание со вторым спиральным выступом передачи момента; и продолжение вращения по меньшей мере одного из первого или второго трубных элементов пока первый спиральный выступ передачи момента не войдет в зацепление со вторым спиральным выступом передачи момента.
[0010] В еще одном аспекте, трубное соединение включает в себя ниппельный элемент и замковый элемент. Ниппельный элемент имеет первую резьбовую конструкцию и спиральный выступ передачи момента, размещенный в осевом направлении вдоль ниппельного элемента на определенном расстоянии от первой резьбовой конструкции. Замковый элемент имеет вторую резьбовую конструкцию и второй спиральный выступ передачи момента, размещенный в осевом направлении вдоль замкового элемента на определенном расстоянии от второй резьбовой конструкции. Размер и местоположение первой резьбовой конструкции и второй резьбовой конструкции выбраны таким образом, чтобы управлять положением начала сцепления трубного соединения, и в положении начала сцепления первый спиральный выступ передачи момента не входит в зацепление и не перекрывается в осевом направлении со вторым спиральным выступом передачи момента.
[0011] В одном примере, первая резьбовая конструкция и вторая резьбовая конструкция могут представлять собой соответствующие конические резьбы с постоянным шагом, а первый и второй спиральные выступы передачи момента могут быть образованы соответствующими конструкциями отличными от конических.
[0012] Подробности одного или более вариантов осуществления приведены в сопроводительных чертежах и описании ниже. Другие функции, задачи и преимущества будут очевидны из описания и чертежей, а также из формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0013] Фиг. 1 представляет схематический вид профиля формы резьбы.
[0014] Фиг. 2А, 2B и 2С показывают участки соединения в начале сцепления, сцепленном положении и положении полностью собранного соединения соответственно.
[0015] Фиг. 3 показывает пример усовершенствованного соединения с поверхностью цилиндрического выступа передачи момента.
[0016] Фиг. 4 показывает вариант осуществления соединения со спиральным выступом передачи момента, входящим в цилиндрический выступ передачи момента.
[0017] Фиг. 5 и 6 показывают еще один вариант осуществления соединения со спиральным выступом передачи момента, входящим в цилиндрический выступ передачи момента.
[0018] Фиг. 7 показывает вариант осуществления соединения, в котором спиральный выступ передачи момента образован в виде клиновидной конструкции в форме ласточкиного хвоста.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0019] Настоящее трубное соединение конструктивно выполнено со спиральным выступом передачи момента.
[0020] В основном варианте осуществления, обычный проходящий по окружности выступ передачи момента (например, выступ обычно как ниппель-головка в замковой муфте-основании соединения с усовершенствованным резьбовым сочленением, или центральный выступ) дополняется или заменяется располагающимся по спирали выступом передачи момента.
[0021] Как сказано выше, большинство «усовершенствованных» соединений, как схематически показанная на фиг. 3 часть соединения ниппеля 10 и замковой муфты 12, включают в себя резьбы 14, металлическое уплотнение 16 и принудительно перемещающийся выступ 18 передачи момента. Так как первый элемент соединения вводится при сборке во второй сопрягаемый элемент, резьбы вступают в контакт в некоторой момент на их соответствующих «закладных» боковых сторонах. Поскольку первый элемент ввертывается во второй за счет приложенного к первому элементу внешнего крутящего момента, резьбы входят в зацепление и первый элемент резьбового соединения продвигается во второй, в соответствии с геометрией сцепляемых резьб. Так как резьбовое соединение обеспечивает полную сборку, две противоположных конструкции, «выступы передачи момента», вступают в контакт.
[0022] Стандартный выступ передачи момента, обычно как сопряжение ниппеля-головки в замковой муфте-основании соединения с усовершенствованным резьбовым сочленением представляет собой поверхность цилиндрического выступа, как показано на фиг. 3, по всей окружности обоих элементов. Оба выступа расположены или в плоскости проекции (например, 20), которая по существу перпендикулярна продольной оси 22 элемента/соединения (например, в случае поверхностей выступа, которые, только, как показано, проходят радиально) или вдоль плоскости проекции относительно короткой части вдоль оси (например, участок 24 вдоль оси в случае выступов, которые проходят под одним и тем же углом в радиальном направлении). В любом случае, в любом заданном радиальном направлении от центральной оси элемента/соединения, линия, проходящая по окружности, может быть определена вдоль поверхности, для которой расстояние в радиальном направлении и линия будут лежать в плоскости по существу перпендикулярной оси соединения. Так как поверхность 16А металлического уплотнения первого элемента контактирует с поверхностью 16B металлического уплотнения второго элемента, взаимодействие между ними вызывает силу реакции и сразу же останавливает непрерывное относительное осевое движение. Витки резьбы первого элемента, приводимые в движение внешним крутящим моментом, который продолжает вращение, вызывает сдвиг такой, что контакт по резьбе перемещается от положения начала сцепления закладных боковых сторон до сцепления опорных боковых сторон.
[0023] Как только опорные боковые стороны сцеплены, любое увеличение прикладываемого внешнего крутящего момента вызывает возникновение силы реакции между боковыми опорными сторонами резьбы и уплотнение контакта металлов, вынуждая первый элемент двигаться во второй элемент вдоль пути, определенным геометрией резьбы, и делает более плотным сцепление металлов, преодолевая сопротивление уплотнений, противодействующих посадке. Как только поверхность 18А выступа передачи момента первого элемента вступает в контакт с поверхностью 18B выступа передачи момента второго элемента последующее вращение невозможно. Контакт между каждыми элементами выступов передачи момента оказывает сопротивление дальнейшему окружному движению.
[0024] Если внешний крутящий момент достаточно большой, а несущая способность и прочность на срез резьбы достаточно большие, сами выступ(ы) передачи момента будут переходить в состояние пластического деформирования, при этом сила реакции между выступами каждого элемента становится больше несущей способности и прочности на срез резьбы выступа.
[0025] Настоящее изобретение направлено на решение задачи увеличения сопротивления крутящему моменту соединения путем увеличения площади поверхности выступа передачи момента, так как контактные напряжения прямо пропорциональны силе и обратно пропорциональны площади. Для заданной толщины стенки трубы, резьбы должны составлять определенный процент от радиального заглубления по толщине участка стенки, чтобы обеспечить требуемые несущую способность и на прочность на срез, чтобы резьбы передавали нагрузку на трубу. Действительный процент площади поперечного сечения является функцией геометрии резьбы: шага резьбы, высоты резьбы, конусности резьбы. Оставшаяся часть радиального заглубления или толщины участка стенки может быть использована для уплотнительных поверхностей металл к металлу и выступа передачи момента.
[0026] Холодная штамповка головки ниппеля для уменьшения внутреннего диаметра ниппельного элемента дает возможность конструктору увеличить площадь поверхности выступа передачи момента, но имеет ограничения. Одним из важных требований по нефтегазопромысловым и трубопроводным трубам является «проходной диаметр» самых больших цилиндров конкретного диаметра и длины, который будет проходить по собранным трубам и соединениям. Проходной диаметр всего лишь несколько меньше чем номинальный внутренний диаметр тела трубы, поэтому ниппель может быть выполнен только небольшим по величине, что ограничивает увеличение площади поверхности выступа на небольшую величину.
[0027] В вариантах осуществления, представленных на фиг. 4, стандартный выступ 30 передачи момента, известный как ниппель-головка в замковой муфте-основании соединения с усовершенствованным резьбовым сочленением, дополнительно имеет спиральные поверхности 32 и 34, механически полученные цилиндрическом на участке 36 тела трубы, параллельно ее продольной оси 38. В ниппельном элементе 10 спиральный выступ передачи момента имеет две боковые стороны 32А и 34А, соединенные впадиной и вершиной по винтовой линии трех витков. Замковый элемент 12 может иметь соответствующие сопрягающиеся стороны выступа передачи момента. Каждая из этих поверхностей потенциально позволяет добавить площадь поверхности к цилиндрическому выступу передачи момента. Вместе с тем, протяженность поверхностей может изменяться от менее одного витка до более трех витков, при этом основной вопрос связан с поиском поверхностей, которые будут воспринимать силу реакции первых поверхностей 30А и 30В выступа передачи момента, который еще цилиндрический, от поверхностей опорных сторон резьб соединения.
[0028] В проиллюстрированных вариантах осуществления, спиральный выступ передачи момента имеет по сути трапецеидальную конструкцию «от одной боковой стороны до другой боковой стороны» профиля. Как видно на фиг. 6, спиральный выступ передачи момента может включать в себя начальные пазы 50. Замковый элемент может также включать в себя зону 52 зазора между поверхностью 16B металлического уплотнения замковой муфты и началом поверхности 34B выступа передачи момента замковой муфты, чтобы позволить головке ниппеля и соответствующему началу спирального выступа передачи момента ниппеля занять определенное положение, не доходя (например, по оси до правой стороны на виде фиг. 6) до начала поверхности 34B замковой муфты. При сборке, обе спирально выступающие боковые стороны/поверхности выступов передачи момента спирального выступа одного элемента входят в контакт с сопрягающимися боковыми сторонами/поверхностями выступов передачи момента спирального выступа другого элемента до полной сборки (например, при перемещении выступа передачи момента спирального выступа передачи момента на ниппеле 10 в спиральный выступ передачи момента на замковой муфте 12).
[0029] Поверхности боковых сторон, механически полученные под небольшим углом, измеряемым от перпендикуляра к продольной оси тела трубы, позволяют осуществлять дальнейшее вращение соединения под воздействием приложенного внешнего крутящего момента. Так как поверхности боковых сторон далее двигаются вместе, нормальная сила между поверхностями боковых сторон увеличивается, и результирующая увеличенная сила трения оказывает сопротивление приложенному внешнему моменту; т.е., ей необходим больший момент, крутящий момент, для продолжения совместного движения двух элементов.
[0030] Так как элементы полностью собраны, концы форм спиральных выступов передачи момента и две поверхности цилиндрического выступа передачи момента входят в зацепление, значительно повышая требования к сборке по крутящему моменту. Кроме того, как только входящий в зацепление элемент стопорится, перпендикулярной поверхностью, цилиндрическим выступом, любой увеличивающийся приложенный внешний момент продолжает создавать все большую и большую силу противодействия между опорными боковыми сторонами поверхностей спиральных выступов передачи момента и поверхностями цилиндрических выступов.
[0031] Сила реакции между опорными боковыми сторонами ниппеля и опорными боковыми сторонами замковой муфты приводит к возникновению сжимающей силы, действующей на ниппельный элемент, так как опорные боковые стороны замковой муфты заставляют продвигаться опорные боковые стороны и целиком ниппельный элемент в замковый элемент. Сила реакции между опорными боковыми сторонами замковой муфты и опорными боковыми сторонами ниппеля приводит к возникновению силы растяжения, действующей на замковый элемент, так как опорные боковые стороны ниппеля заставляют продвигаться опорные боковые стороны и целиком замковый элемент из цилиндрического выступа передачи момента.
[0032] Так как силы увеличиваются увеличивающимся внешним крутящим моментом, эффект Пуассона приводит в движение как ниппельный, так и замковый элементы: диаметрально увеличивая длину окружности ниппеля, находясь в состоянии сжатия; диаметрально уменьшая длину окружности замковой муфты, находясь в состоянии растяжения. Эта сила реакции действует на поверхностях цилиндрических выступов и передается обратно соединению, начиная со спирального выступа передачи момента. Эффект Пуассона блокирует спиральные поверхности, начиная непосредственно на пересечении цилиндрического выступа передачи момента и действуя через спиральные выступы передачи момента в направлении резьб. Такой механизм блокировки позволяет обеим боковым сторонам спирального выступа передачи момента увеличить эффективную площадь объединенного выступа передачи момента.
[0033] Данный вариант осуществления изобретения дает ряд преимуществ.
[0034] Спиральному упорному уступу требуется только несколько спирально полученных механической обработкой поверхностей.
[0035] Эти поверхности аналогичны форме резьбы, хотя и имеют другую функцию и могут быть получены механической обработкой аналогичным способом, что и резьба.
[0036] Спиральный выступ передачи момента иллюстрируемого варианта осуществления механически обрабатывается по цилиндрической траектории, параллельно продольной оси тела трубы, дополнительно упрощая и обточку, и измерение поверхностей. Однако в некоторых вариантах осуществления спиральный выступ передачи момента может обтачиваться по сходящей на конус траектории.
[0037] Площадь сцепленной поверхности, может быть увеличена либо путем изменения формы (например, для труб с более толстыми стенками можно увеличить высоту поверхностей) или изменением шага.
[0038] Другие варианты осуществления данного изобретения могут предложить дополнительные или вспомогательные преимущества. Например, вышеприведенное описание представляет поверхности трапецеидальной формы под малым углом к перпендикуляру к оси трубы. Даже малый угол вызовет появление радиальных сил. Эти радиальные силы направлены на расцепление двух элементов, при этом наиболее негативное воздействие оказывается на элемент с более малым поперечным сечением; в данном варианте осуществления изображен ниппель. В альтернативном варианте осуществления могут использоваться спиральные поверхности квадратной или прямоугольной формы, при этом угол между боковыми поверхностями и перпендикуляром к продольной оси трубы равен или близок к нулю.
[0039] В других вариантах осуществления могут использоваться более сложные формы, в которых некоторые боковые стороны имеют отрицательные углы или углы в форме ласточкиного хвоста. Демонстрируемый спиральный выступ передачи момента следует цилиндрическому профилю относительно оси соединения, и поэтому ему не требуется осевого зазора в зацеплении, как требуется собранным резьбовым формам, используемым в обсадных трубах и насосно-компрессорных трубах. Резьбовые соединения должны иметь такие характеристики, чтобы их можно было собрать на буровой установке. Для этого требуется глубина для спуска трубы в скважину, чтобы стабилизировать длину трубы, находящейся на вышке, пока рабочие установки организуют контакт между двумя элементами и свинчивают их вместе. Первичная резьба 14 в этом соединении выполняет такую функцию, в то время как спиральный участок нужно только оптимизировать для противодействия приложенному внешнему моменту, «создающий» крутящий момент. Таким образом, в предложенном соединении поверхности спирального выступа передачи момента не будут входить в зацепление и не будут перекрываться в осевом направлении, когда два элемента находятся в положении начала сцепления, определенном первичной резьбой, которая контролирует операцию соединения по резьбе. Только после того как относительное вращение одного элемента вызовет совместное осевое движение элементов, поверхности спирального выступа передачи момента начнут перекрываться в осевом направлении и входить друг в друга.
[0040] В других вариантах осуществления могут использоваться различные по ширине: форма квадрата, форма, близкая к квадрату, или типа «ласточкин хвост», в которых контакт боковых поверхностей может быть улучшен с помощью механизмов действия клина вышеупомянутой клиновидной резьбы. Увеличенная несущая способность по крутящему моменту является функцией увеличенной площади контактной поверхности обеих боковых поверхностей зуба и пар бороздок в клиновидном выступе передачи момента. Эту величину можно оптимизировать, исходя из доступной высоты участка и вращения сборки основной ведущей резьбы (обычная резьба, размещенная в разных местах в соединении). Например, на фиг. 7 показан вариант осуществления, в котором спиральный выступ передачи момента имеет трапецеидальную форму, которая вклинивается (например, когда спиральный выступ 100 передачи момента ниппельного элемента входит в спиральный выступ 104 передачи момента замкового элемента, выступы заклиниваются в полностью собранном состоянии; уплотнение контакта металлов обозначено поз. 124).
[0041] Несущая способность по крутящему моменту также повышается любым обычным выступом передачи момента, который может быть в резьбовом соединении и работать в соединении со спиральным выступом передачи момента, описанным выше. Обычный выступ передачи момента может быть продолжением спирального выступа передачи момента или располагаться независимо от него в любом месте соединения.
[0042] Усовершенствованные соединения имеют выступы в разных местах и в некоторых случаях множество выступов. Основные места расположения следующие:
[0043] Ниппель-головка/замковая муфта-основание, пересекающие внутренний диаметр соединения (пример приводится в данном документе).
[0044] Ниппель-основание/замковая муфта-торец, пересекающие внешний диаметр соединения.
[0045] Средний участок стенки соединения, «центральный выступ» (напр., для расположения выступа, указанного в патенте США №5.415.442, включенного в данную заявку в качестве ссылки).
[0046] Квалифицированному специалисту в данной области техники должно быть понятно, что идея спирального выступа передачи момента может использоваться в любом или во всех таковых конструктивных выполнениях выступов с соответствующими модификациями.
[0047] Хотя металлическое уплотнение может присутствовать или отсутствовать в резьбовом соединении, конструктивное выполнение, в котором используется уплотнение металлического контакта между спиральным выступом передачи момента и обычными резьбами, будет иметь дополнительное преимущество перед обычным усовершенствованным соединением в том, что спиральный выступ передачи момента будет изолировать уплотнение металлического контакта от сжимающей нагрузки, испытываемой ниппельным элементом.
[0048] Металлические уплотнения образуются при посадке с натягом двух гладких металлических поверхностей. При сжимающей нагрузке металлическое уплотнение, в частности, ниппельного элемента, может деформироваться из-за избыточной сжимающей нагрузки. Из-за давления в зоне контакта, производимого посадкой с натягом, две поверхности пытаются разделиться. Хотя в обычных конструкциях используются разные приемы, чтобы удержать две поверхности вместе, анализ показывает некоторую степень разделения, в результате чего происходит потеря давления в зоне контакта. Спиральный выступ передачи момента изолирует уплотнительные поверхности от воздействия осевых нагрузок и дает более стабильное и постоянное металлическое уплотнение при различных условиях нагрузки.
[0049] В конструкциях спирального выступа передачи момента, описанных выше, предусмотрена поверхность выступа передачи момента, которая имеет протяженность более чем 360 градусов и предпочтительно более 720 градусов. Следуя поверхности спирального выступа передачи момента на данном радиальном расстоянии от центральной продольной оси, итоговая траектория не лежит по существу в плоскости, перпендикулярной продольной оси трубы или тела соединения, или даже на коротком протяжении, как показано на фиг. 3, из-за спирального характера поверхностей.
[0050] В одном варианте осуществления осевая длина LHTS спирального выступа передачи момента может составлять 30% или менее от общей длины L соединения, в то время как LPT первичной резьбы может составлять 50% или более (например, 60% или более) от общей длины L соединения; при этом понятно, что длина L соединения определяется как осевое расстояние между (i) выступом, уплотнением металлического контакта или резьбой, расположенными дальше всего по направлению к концу соединения, и (ii) выступом, уплотнением металлического контакта или резьбой, расположенными дальше всего по направлению к противоположному концу соединения).
[0051] В одном варианте осуществления осевая длина LHTS спирального выступа передачи момента может составлять от 15% до 45% от осевой длины LPT первичной резьбы.
[0052] В одном варианте осуществления спиральный выступ передачи момента проходит на протяжении не более четырех витков, в то время как форма первичной резьбы проходит на протяжении по меньшей мере 10 витков.
[0053] Необходимо понимать, что предшествующее описание является исключительно иллюстративным и пояснительным, и не ограничивает данного изобретения, и что возможны другие изменения и модификации. Например, если коническая резьба с постоянным шагом типа, используемого в усовершенствованных соединениях (напр., для соединений ULTRA-DQX, ULTRA-FJ, ULTRA-QX и ULTRA-SF производства компании Ultra Premium Oilfield Products, Хьюстон, Texas) преимущественно описывается в связи с резьбой спирального выступа передачи момента, другие типы резьбы резьбовых конструкций могут использоваться вместо усовершенствованной соединительной резьбы, такие как круглая резьба API, трапецеидальная резьба API или другие.
1. Трубное соединение, содержащее
ниппельный элемент, имеющий
первую коническую резьбу с постоянным шагом, имеющую впадину, вершину, закладную боковую сторону и опорную боковую сторону,
поверхность первого спирального выступа для передачи момента с различной по ширине формой витка резьбы, расположенную соосно с ниппельным элементом от первой конической резьбы с постоянным шагом, при этом поверхность первого спирального выступа для передачи момента с различной по ширине формой витка резьбы отлична от конической,
замковый элемент, имеющий вторую коническую резьбу с постоянным шагом, имеющую впадину, вершину, закладную боковую сторону и опорную боковую сторону,
поверхность второго спирального выступа для передачи момента с различной по ширине формой витка резьбы, расположенную соосно с замковым элементом от второй конической резьбы с постоянным шагом, при этом поверхность второго спирального выступа передачи момента отлична от конической,
ниппельный элемент и замковый элемент выполнены так, что в положении начала сцепления поверхность первого спирального выступа для передачи момента с различной по ширине формой витка резьбы не сцепляется или не перекрывается с поверхностью второго спирального выступа для передачи момента с различной по ширине формой витка резьбы.
2. Трубное соединение по п. 1, в котором (i) первая коническая резьба с постоянным шагом и поверхность первого спирального выступа для передачи момента с различной по ширине формой витка резьбы имеют такой размер и расположены относительно друг друга так, и (ii) вторая коническая резьба с постоянным шагом и поверхность второго спирального выступа для передачи момента с различной по ширине формой витка резьбы имеют размеры и расположены относительно друг друга так, что во время сборки вращением ниппельного элемента и замкового элемента под контролем взаимодействия между первой конической резьбой с постоянным шагом и второй конической резьбой с постоянным шагом поверхность первого спирального выступа для передачи момента с различной по ширине формой витка резьбы приводит к выравниванию с поверхностью второго спирального выступа для передачи момента с различной по ширине формой витка резьбы.
3. Трубное соединение по п. 1, в котором поверхность первого спирального выступа для передачи момента с различной по ширине формой витка резьбы и поверхность второго спирального выступа для передачи момента с различной по ширине формой витка резьбы имеют шаг опорной боковой стороны больший, чем шаг закладной стороны.
4. Трубное соединение по п. 1, в котором
диаметр впадин поверхности первого спирального выступа для передачи момента с различной по ширине формой витка резьбы меньше обоих диаметра впадин в начале первой конической резьбы с постоянным шагом и диаметра впадин на конце первой конической резьбы с постоянным шагом,
диаметр впадин поверхности второго спирального выступа для передачи момента с различной по ширине формой витка резьбы меньше диаметра впадин в начале второй конической резьбы с постоянным шагом и диаметра впадин на конце второй конической резьбы с постоянным шагом.
5. Трубное соединение по п. 4, в котором
ниппельный элемент включает в себя первую переходную зону соосно между поверхностью первого спирального выступа для передачи момента с различной по ширине формой витка резьбы и первой конической резьбой с постоянным шагом, причем первая переходная зона включает в себя первую уплотнительную поверхность,
замковый элемент включает в себя вторую переходную зону соосно между поверхностью второго спирального закручиваемого выступа для передачи момента с различной по ширине формой витка резьбы и второй конической резьбой с постоянным шагом, причем вторая переходная зона включает в себя вторую уплотнительную поверхность.
в состоянии полного соединения первая уплотнительная поверхность сцепляется со второй уплотнительной поверхностью для уплотнения.
6. Трубное соединение по п. 5, в котором
длина по оси поверхности первого спирального выступа для передачи момента с различной по ширине формой витка резьбы меньше длины по оси первой конической резьбы с постоянным шагом,
длина по оси поверхности второго спирального выступа для передачи момента с различной по ширине формой витка резьбы меньше длины по оси второй конической резьбы с постоянным шагом.
7. Трубное соединение по п. 6, в котором
длина по оси поверхности первого спирального выступа для передачи момента с различной по ширине формой витка резьбы существенно меньше длины по оси первой конической резьбы с постоянным шагом,
длина по оси поверхности второго спирального выступа для передачи момента с различной по ширине формой витка резьбы существенно меньше длины по оси второй конической резьбы с постоянным шагом.
8. Трубное соединение по п. 4, в котором
поверхность первого спирального выступа для передачи момента с различной по ширине формой витка резьбы имеет протяженность на меньшем числе витков, чем первая коническая резьба с постоянным шагом,
поверхность второго спирального выступа для передачи момента с различной по ширине формой витка резьбы имеет протяженность на меньшем числе витков, чем вторая коническая резьба с постоянным шагом.
9. Трубное соединение по п. 1, в котором
поверхность первого спирального выступа для передачи момента с различной по ширине формой витка резьбы проходит в первую поверхность по существу цилиндрического выступа для передачи момента передачи момента ниппельного элемента, а поверхность второго спирального выступа для передачи момента с различной по ширине формой витка резьбы во вторую поверхность по существу цилиндрического выступа для передачи момента передачи момента замкового элемента, при этом в положении полного соединения поверхность первого по существу цилиндрического выступа для передачи момента передачи момента сцеплена с поверхностью второго по существу цилиндрического выступа для передачи момента передачи момента, и поверхность первого спирального выступа для передачи момента различной по ширине формой витка резьбы для передачи момента сцеплена с поверхностью второго спирального выступа для передачи момента с различной по ширине формой витка резьбы так, что образуется комбинированный цилиндрический и спиральный выступ.
10. Трубное соединение по п. 2, в котором
в окончательно образованном соединении ниппельного элемента и замочного элемента поверхность первого спирального выступа для передачи момента с различной по ширине формой витка резьбы и поверхность второго спирального выступа для передачи момента с различной по ширине формой витка резьбы сцеплены в месте, которым является одно из: (i) в месте ниппель-головка/замковая муфта-основание, которое пересекает внутренний диаметр соединения, (ii) в месте ниппель-головка/замковая муфта-основание, которое пересекает наружный диаметр соединения, или (iii) на среднем участке стенки соединения как центрального выступа для передачи момента соединения.
11. Трубное соединение, содержащее ниппельный элемент, имеющий первую резьбовую конструкцию,
первый спиральный выступ с различной по ширине формой витка резьбы для передачи момента, расположенный соосно с ниппельным элементом от первой резьбовой конструкции,
замковый элемент, имеющий
вторую резьбовую конструкцию,
второй спиральный выступ для передачи момента с различной по ширине формой витка резьбы, расположенный соосно с замковым элементом от второй резьбовой конструкции, причем первая резьбовая конструкция и вторая резьбовая конструкция имеют размеры и расположены так, чтобы контролировать положение начала сцепления в трубном соединении, при этом в положении начала сцепления первый спиральный выступ с различной по ширине формы для передачи момента не сцепляется или не перекрывается со вторым спиральным выступом для передачи момента с различной по ширине формой витка резьбы.
12. Трубное соединение по п. 11, в котором поверхность первого спирального выступа для передачи момента различной по ширине формой витка резьбы и поверхность второго спирального выступа для передачи момента различной по ширине формой витка резьбы имеют шаг опорной боковой стороны больший, чем шаг закладной стороны.
13. Трубное соединение по п. 11, в котором
оба (i) первая резьбовая конструкция и первый спиральный выступ для передачи момента с различной по ширине формой витка резьбы имеют размеры и расположены относительно друг друга так, и (ii) вторая резьбовая конструкция и второй спиральный выступ для передачи момента различной по ширине формой витка резьбы имеют размеры и расположены относительно друг друга так, что во время сборки вращением ниппельного элемента под контролем взаимодействия между первой резьбовой конструкцией и второй резьбовой конструкцией, первый спиральный выступ для передачи момента с различной по ширине формой витка резьбы направляется к положению выравнивания со вторым спиральным выступом для передачи момента с различной по ширине формой витка резьбы.
14. Трубное соединение по п. 11, в котором
первый спиральный выступ для передачи момента с различной по ширине формой витка резьбы проходит в первый по существу цилиндрический выступ передачи момента ниппельного элемента, а второй спиральный выступ для передачи момента с различной по ширине формой витка резьбы проходит во второй по существу цилиндрический выступ передачи момента замкового элемента, причем в положении полностью образованного соединения первый по существу цилиндрический выступ передачи момента сцеплен со вторым по существу цилиндрическим выступом передачи момента, а первый спиральный выступ для передачи момента с различной по ширине формой витка резьбы сцеплен со вторым спиральным выступом для передачи момента различной по ширине формой витка резьбы так, что образуется комбинированный цилиндрический и спиральный выступ.
15. Способ соединения труб по длине обсадных труб и трубопроводных труб, включающий в себя:
использование первого трубного элемента, имеющего присоединенный ниппельный элемент с первой резьбовой конструкцией и первым спиральным выступом для передачи момента с различной по ширине формой витка резьбы, расположенный соосно с ниппельным элементом от первой резьбовой конструкции,
использование второго трубного элемента, имеющего присоединенный замковый элемент со второй резьбовой конструкцией и вторым спиральным выступом для передачи момента с различной по ширине формой витка резьбы, расположенный соосно с замковым элементом от второй резьбовой конструкции,
сцепление ниппельного элемента и замкового элемента друг с другом в положении начала сцепления, которое определено взаимодействием первой резьбой конструкции и второй резьбовой конструкции, причем в положении начала сцепления первый спиральный выступ для передачи момента различной по ширине формой витка резьбы не контактирует или не перекрывается по оси со вторым клиновым выступом различной по ширине формой витка резьбы для передачи момента,
вращение по меньшей мере одного из первого трубного элемента или второго трубного элемента так, что взаимодействие между первой резьбовой конструкцией и второй резьбовой конструкцией приводит первый спиральный выступ для передачи момента различной по ширине формой витка резьбы в выровненное положение со вторым спиральным выступом для передачи момента различной по ширине формы.
16. Способ по п. 15, в котором ниппельный элемент образован как одно целое с первым трубным элементом, а замковый элемент образован как одно целое со вторым трубным элементом.
17. Способ по п. 15, в котором первая резьбовая конструкция является конической резьбой с постоянным шагом, а вторая резьбовая конструкция является конической резьбой с постоянным шагом.
