Улучшенное уплотнение между трубами

УЛУЧШЕННОЕ УПЛОТНЕНИЕ МЕЖДУ ТРУБАМИ Изобретение относится к резьбовому трубному соединению, содержащему ниппель (20), имеющий на одном конце охватываемый резьбовой участок и муфту (10), имеющую на одном конце охватывающий участок, имеющий комплементарную винтовую резьбу. Ниппель и муфта взаимно зацепляются вдоль резьбовых участков с охватываемой резьбой, проходящей до охватываемого стопорного выступа, смежного комплементарному стопорному выступу на другом участке. Комплементарный стопорный выступ содержит выемку в форме конического приемника,имеющего радиальную поверхность (23), смежную соответствующей радиальной поверхности(15) на комплементарном стопорном выступе. Изогнутая уплотняющая поверхность (24) на ниппеле (20) зацепляет с возможностью уплотнения соответствующую изогнутую уплотняющую поверхность (16) на комплементарном стопорном выступе муфты (10), причем каждая изогнутая уплотняющая поверхность (16, 24) расположена на дуге периферии отдельного круга, и кривизна уплотняющей поверхности (16) муфты больше кривизны уплотняющей поверхности (24) на ниппеле (20).(71)(73) Заявитель и патентовладелец: ХАЙ СИЛД ЭНД КАПЛД "ХСК" ФЗКО (AE) Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится к улучшенному уплотнению между двумя секциями трубы. Секции трубы, в частности предлагаемые, находят применение в нефтяной и газовой буровых промышленностях. Уровень техники изобретения Изготовление стальных труб для использования в нефтяной и газовой буровых промышленностях является объектом большого количества исследований и инноваций. Помимо материалов и средств для образования цилиндрической трубы, один аспект, на котором сфокусировано внимание, представляет собой соединение двух отдельных труб с возможностью обеспечения непроницаемого для текучих сред соединения, способного выдерживать усилия растяжения и сжатия. Эти соединения обычно образуются свинчиванием двух труб, каждая из которых имеет комплементарные резьбы, предварительно нарезанные на концах каждой из этих труб, т.е. добавление дополнительных труб к свободному концу для создания колонны. В качестве альтернативного способа соединения концов двух труб используется резьбовая муфта, но принцип остается тем же. Для улучшения свойств уплотнения соединения, созданного между трубами, и для получения уплотнения, способного выдерживать многократное обслуживание в нормальных рабочих условиях, профиль и поверхность резьбовой части конца труб и областей непосредственно около резьбовой части по направлению к концу трубы специально выполняются с возможностью взаимодействия для обеспечения уплотнения. Обычно конец трубы имеет резьбовой участок, нарезаемый на внешней стороне трубы для образования ниппеля или охватываемой секции или на внутренней поверхности трубы для образования муфты или охватывающей секции. Поверхность, на которую выполняется резьбовой участок, может включать в себя сужение для обеспечения соединения. Альтернативно, диаметр трубы в области образования уплотнения может быть увеличен по сравнению с диаметром вдоль длины трубы, обычно холодным формованием, чтобы обеспечивать образуемое соединение. На трубе не нарезанная секция обычно остается между концом трубы и резьбовой секцией, причем не нарезанная секция часто называется стопорным выступом. При исследовании делается особый акцент на стопорном выступе, так как он часто образует главную уплотняющую область соединения трубы. Стопорный выступ на ниппеле обычно профилируется, чтобы зацеплять соответствующую выемку на муфте для образования прочного уплотнения. Особый профиль обычно выбирается так, чтобы эффективно распределять напряжение, действующее в трубе при приложении крутящего момента для образования соединения и удержания уплотнения, когда используется соединение. В дополнение к профилированию также могут быть нанесены покрытия для улучшения непроницаемого для текучих сред свойства уплотнений. Однако, когда начинают добываться большие запасы нефти и газа, и цена на нефть растет, появляется увеличивающаяся необходимость и возможность извлекать нефть и газ из запасов, которые до этого времени были невыгодными. Например, извлечение необходимо выполнять из более глубоких или более недоступных уровней. Более того, также имеется потребность в возможности использования существующих буровых скважин в качестве начальной точки достижения более труднодоступных месторождений. В результате этого соединениям трубы необходимо выдерживать высокие температуры и давления,т.е. растяжение и сжатие, по сравнению со случаем предыдущего применения. Например, многим колоннам труб необходимо иметь изгибы около 90 при протяжении из вертикальной ориентации в горизонтальную. Такой изгиб, очевидно, заставляет силы сжатия и растяжения действовать на одно и то же соединение. Одна проблема, существующая в известных соединениях, заключается в сгибе конца ниппеля на участках свинчивания соединения. Это может приводить к задиранию, если соединение свинчивается не в первый раз, тогда на следующих участках свинчивания. Несмотря на то, что эта проблемам может быть устранена увеличением допусков на производстве, это представляет собой дорогостоящее решение и более того не полностью исключает эти трудности, особенно в нормальных рабочих условиях. Целью настоящего изобретения является устранение выше отмеченных недостатков известных соединений. Сущность изобретения Согласно первому аспекту изобретения создано трубное соединение, содержащее резьбовое соединение для труб, содержащее первый отрезок трубы или ниппель, имеющий на одном конце охватываемый резьбовой участок, и второй отрезок трубы или муфту, имеющую на одном конце охватывающий участок, имеющий комплементарную винтовую резьбу, причем указанные участки выполнены с возможностью взаимного зацепления вдоль большей части аксиальной длины резьбовых участков, причем их винтовые резьбы наклонены в одном направлении и под острым углом к продольной оси отрезка трубы, охватываемая резьба проходит до охватываемого стопорного выступа, смежного комплементарному стопорному выступу на другом участке, комплементарный стопорный выступ содержит выемку в форме конического приемника, имеющего скругленную вершину, и стопорный выступ на ниппеле содержит затягивающий выступ, зацепляющий посредством трения соответствующий выступ в комплементарном стопорном выступе, радиальную поверхность, смежную с соответствующей радиальной поверхностью на комплементарном стопорном выступе, изогнутую уплотняющую поверхность на ниппеле, зацепляющую с возможностью уплотнения соответствующую изогнутую уплотняющую поверхность на комплементарном стопорном выступе муфты, причем изогнутые уплотняющие поверхности имеют такую форму, чтобы каждая располагалась на дуге периферии отдельного круга, и кривизна уплотняющей поверхности муфты больше, чем кривизна уплотняющей поверхности на ниппеле. Выше описанная конструкция обеспечивает перемещение уплотнения вдоль изогнутой поверхности для обеспечения уплотнения в месте создания напряжений. Предпочтительно центр круга, на котором расположена уплотняющая поверхность ниппельной секции, имеет центр на линии, которая расположена на расстоянии, равном 0,30-0,40" (0,762-1,016 см), от точки пересечения линий, проходящих от затягивающего выступа и радиальной поверхности на ниппеле. Предпочтительно радиус круга, на котором расположена уплотняющая поверхность ниппельной секции, составляет от 0,25-0,35" (0,635-0,890 см). Предпочтительно угол между линией, на которой расположен центр круга, на котором расположена уплотняющая поверхность ниппеля, и проходящей линией, от центра круга и первоначальной точки контакта двух уплотняющих поверхностей, составляет от 7,0-9,0. Предпочтительно угол между линией, на которой расположен центр круга, на котором расположена уплотняющая поверхность муфты, и линией, проходящей от центра круга и первоначальной точки контакта двух уплотняющих поверхностей, составляет от 10,0-12,0. Краткое описание чертежей Далее изобретение описано со ссылкой на сопровождающие чертежи, которые показывают один вариант выполнения соединения. На чертежах изображено следующее: фиг. 1 представляет собой сечение вдоль продольной оси секции трубы, показывающее уплотняющую область уплотнения муфты; фиг. 2 представляет собой сечение вдоль продольной оси секции трубы, показывающее уплотняющую область уплотнения ниппеля; фиг. 3 иллюстрирует место внутри секции трубы уплотнения муфты на фиг. 1; фиг. 4 иллюстрирует место внутри секции трубы уплотнения ниппеля на фиг. 2; фиг. 5 иллюстрирует график крутящего момента, полученный во время свинчивания соединения; фиг. 6 и 7 иллюстрируют исходные точки и линию, используемые для определения положения закругленной уплотняющей поверхности. Подробное описание изобретения При выполнении уплотняющей области соединения между ниппельной и муфтовой секциями стальных труб используется и изменяется большое количество признаков, чтобы испытать и достигнуть объективных параметров особого уплотнения. Настоящее изобретение относится к использованию того,что часто называют радиус на ниппельной и муфтовой секции, причем указанные радиусы зацепляют друг друга на участке свинчивания соединения и обеспечивают определенное перемещение ниппеля и муфты относительного друг друга, однако указанное перемещение сохраняет уплотнение. Уплотнение также может поддерживаться, когда продольные оси ниппельной и муфтовой секций выровнены не полностью, причем обеспеченное указанное отклонение не слишком значительно. В поперечном сечении вдоль продольной оси трубы радиус обозначен в виде изогнутых линий и таким образом показан на фигурах. Несмотря на то, что такой радиус известен в уровне техники, неожиданно обнаружено, что использование двух радиусов, т.е. одного на ниппельной секции и одного на муфтовой секции, взаимодействующих с возможностью обеспечения уплотнения, стабильно под действием сил растяжения и сжатия и также повышенных температур. В связи с этим созданное уплотнение пригодно для использования в трудных средах, таких как среды на больших глубинах, где требуется большая кривизна колонны, имеется большой перепад давления между внутренним объемом трубы и вне ее, и температуры могут достигать более 200 С. Во-первых, обнаружено, что два радиуса предпочтительно имеют различные кривизны относительно друг друга. Во-вторых, каждая изогнутая поверхность может быть определена как часть дуги круга,центр которого находится в главном корпусе трубы. При этом обнаружено, что результаты улучшаются для тех ситуаций, в которых при контакте между поверхностями центр этих кругов смещается продольно один от другого и от точки контакта. В этом случае центр круга для изогнутой поверхности муфтовой секции лежит в продольном направлении основного объема трубы, частью которой является муфтовая секция. Подобным образом, центр круга для изогнутой поверхности на ниппельной секции лежит продольно противоположной стороне точки контакта. Далее изобретение описано со ссылками на фиг. 1 и 2, которые показывают выемку стопорного выступа муфтовой секции и стопорного выступа ниппельной секции трубы соответственно. Муфтовая секция 10 трубы содержит выемку 11, ограниченную металлом, из которого образуется основной объем 12 трубы. Сам корпус трубы показан штриховкой, чтобы визуально способствовать интерпретации признаков. Выемка 11 имеет затягивающий выступ 13, который при использовании зацепляет соответствующую поверхность на ниппеле на участке свинчивания соединения. Несмотря на то, что это зацепление присутствует в известных соединениях, в настоящем изобретении это не является обязательным или необходимым. Как показано на фиг. 1, затягивающий выступ 13 определяет угол 15 относительно плоскости, перпендикулярной продольной оси трубы. Будет понятно специалисту в области техники, что этот угол может быть изменен в заданных пределах без принижения характеристик главного уплотнения. Изогнутая поверхность 14 с радиусом 0,02" (0,0508 см) соединяет затягивающий выступ 13 с дополнительной суженной поверхностью 15. Поверхность 15 в трех измерениях является конической, но изображение в поперечном сечении на фиг. 1 показывает ее в виде прямой линии. Поверхность 15 находится под углом 7,12 (tg"1 (1/8 к продольной оси трубы. В точке А профиль поперечного сечения муфты 10 становится изогнутым между точкой А и точкой В. Вдоль этой секции изогнутая поверхность 16 между точками А и В описывает дугу периферии круга, центр которого расположен в основном объеме материала трубы 10. Радиус круга на фигуре составляет 0,6 см. За пределами точки В дополнительная коническая поверхность 17 под углом 65 к плоскости, перпендикулярной продольной оси трубы 10, соединяет изогнутую поверхность 16 с конечной вершиной резьбового участка трубы 10. Ниппель 20 имеет конфигурацию, которая является комплементарной конфигурации выемки 11 в муфте 10. Ниппель 20 имеет затягивающий выступ 21 под углом 15 к плоскости, перпендикулярной продольной оси ниппеля 20. Затягивающий выступ 21 соединяется изогнутой поверхностью 22 радиусом 0,0415" (0,1054 см) с конической поверхностью 23, которая имеет конусность 0 относительно продольной оси ниппеля 20. В точке С профиль поперечного сечения ниппеля 20 становится изогнутым между точкой С и D,при этом изогнутая поверхность 24 расположена на дуге периферии круга радиусом 0,6 см. За пределами точки D дополнительная коническая поверхность 25 соединяет изогнутую поверхность 24 с конечной вершиной резьбового участка 26 ниппеля 20. Выемка 27, показанная на фиг. 2, является основанием резьбового участка 26. Ниппель 20 имеет скошенную поверхность 28, которая имеет прямое поперечное сечение, как показано, и расположена под углом 10 к продольной оси ниппеля 20. Указанная поверхность 28 также может быть вогнутой (если смотреть из внутреннего объема ниппеля). Связь ниппеля и муфты, показанных на фиг. 1 и 2, с остальной частью соответственной трубы, показана волнистыми линями на фиг. 3 и 4. В связи с этим при использовании на участке свинчивания соединения ниппельная и муфтовая секции сводятся вместе посредством зацепление резьбовых секций ниппеля и муфты приложением крутящего момента. Крутящий момент прикладывается до образования уплотнения между двумя секциями. Эта ситуация обычно определяется отслеживанием величины приложенного крутящего момента, типичный график которого показан на фиг. 5. В точке зацепления затягивающих выступов 13, 21 и образования уплотнения крутящий момент повышается прерывисто от ранее непрерывно увеличивающегося значения. Главное уплотнение образуется между двумя изогнутыми поверхностями 16, 24. Преимущество использования двух изогнутых поверхностей состоит в обеспечении уплотнения,которое способно поддерживать целостность под действием сил растяжения или сжатия, включая изгиб соединения. Если действуют такие силы, изогнутые поверхности "крутятся" навстречу друг другу, и,несмотря на то, что точка уплотнения может перемещаться, ее целостность остается неповрежденной. В дополнение, считается, что конец ниппеля имеет тенденцию изгибаться внутрь за счет сил, приложенных к нему. Если этот процесс зайдет слишком далеко, деформация может стать такой значительной, что на последовательных участках свинчивания может возникать задирание, когда конец ниппеля вводится в муфтовую секцию. Дополнительный признак изобретение относится к позиционированию и аспекту изогнутых уплотняющих поверхностей на ниппеле и муфте. Это проиллюстрировано на фиг. 6 и 7, на которых показана изогнутая поверхность 16 на муфте, положение центра круга, на периферии которого расположен указанный круг, определяется в отношении к мнимой точке Р в пределах основного металла муфты 10. Точку Р получают пересечением линии, продолжающей затягивающий выступ 13, и линии, продолжающей плоскую секцию 15 (продолжения показаны в виде пунктирных линий на фиг. 6). Как только получают эту точку, центр круга располагается на линии R, перпендикулярной оси муфты, которая имеет минимальное расстояние, равное 0,2" (0,508 см) от точки Р пересечения, в направлении резьбового участка. Линия R показана пунктирами на фиг. 6. Радиальное положение центра круга на этой линии определяется периферией круга, чтобы обеспечивать плавный контакт кривой с поверхностью 17 в точке В, т.е. поверхность является тангенциальной по отношению к кругу в точке контакта. Обнаружено, что значение минимального расстояния R от Р может составлять от 0,15-0,25" (0,380-0,635 см). Например, для секции муфты 41/2" (11,43 см) расстояние 0,193" (0,4902 см) принимается пригодным, и для секции муфты 7" (17,78 см) - 0,2002" (0,5085 см). Положение центра круга, который используется в отношении изогнутой поверхности 24 на ниппеле 20, определяется подобным образом. Первоначально воображаемая точка Q, находится на пересечении линии, продолжающей затягивающий выступ 21, и линии, продолжающей плоскую секцию 23. Далее центр круга располагается на линии S, перпендикулярной оси муфты, которая имеет минимальное расстояние 0,35" (0,889 см) от точки пересечения Q в направлении от Q к резьбовому участку. Обнаружено,что значение минимального расстояния S от Q может составлять от 0,30-0,40" (0,7620-1,016 см). Например, для ниппельной секции 4/2" (11,43 см) расстояние 0,33" (0,8382 см) принимается пригодным, и для ниппельной секции 7" (17,78 см) - 0,3298" (0,8377 см). Радиус образованных кругов необходимо тщательно выбирать для обеспечения хорошей целостности уплотнения, а также, чтобы уплотнение оставалось неповрежденным под действием сил, действующих в него. Дополнительный признак изобретения, который является важным, представляет собой угол между линией, соединяющей первоначальную точку контакта уплотнения и центр круга, и линией, перпендикулярной продольной оси трубы, на которой расположен центр круга. Кривизна уплотняющей поверхности на ниппеле предпочтительно меньше кривизны соответствующей поверхности на муфте. Для ниппеля пригодный радиус выбирается в диапазоне 0,25-0,35" (0,63-0,89 см), а выше описанный угол от 7-9. В отношении муфты радиус выбирается от 0,05-0,07" (0,12-0,18 см), а угол от 10-12. В связи с этим, будет признано, что радиусы кругов на ниппеле и муфте устанавливаются различными друг от друга. Понятно, что изобретение не ограничивается вышеописанными вариантами, которые приведены исключительно для примера, и различные изменения возможны в пределах объема изобретения, определяемого формулой изобретения. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Трубное соединение, содержащее резьбовое соединение для труб, содержащее первый отрезок трубы или ниппель (20), имеющий на одном конце охватываемый резьбовой участок, и второй отрезок трубы или муфту (10), имеющую на одном конце охватывающий участок, имеющий комплементарную винтовую резьбу, причем указанные участки выполнены с возможностью взаимного зацепления вдоль большей части аксиальной длины резьбовых участков, причем их винтовые резьбы наклонены в одном направлении под острым углом к продольной оси отрезка трубы, охватываемая резьба проходит до охватываемого стопорного выступа, смежного комплементарному стопорному выступу на другом участке,комплементарный стопорный выступ содержит выемку в форме конического приемника, имеющего скругленную вершину (14), и стопорный выступ на ниппеле (20) содержит затягивающий выступ (21),зацепляющий посредством трения соответствующий выступ (13) в комплементарном стопорном выступе, радиальную поверхность (23), смежную соответствующей радиальной поверхности (15) на комплементарном стопорном выступе, изогнутую уплотняющую поверхность (24) на ниппеле (20), зацепляющую с возможностью уплотнения соответствующую изогнутую уплотняющую поверхность (16) на комплементарном стопорном выступе муфты (10), причем изогнутые уплотняющие поверхности (16, 24) имеют такую форму, чтобы каждая располагалась на дуге периферии отдельного круга, и кривизна уплотняющей поверхности (16) муфты больше кривизны уплотняющей поверхности (24) на ниппеле (20). 2. Соединение по п.1, в котором центр круга, на котором расположена уплотняющая поверхность(24) ниппеля, имеет центр на линии, которая расположена на расстоянии, равном 0,30-0,40" (0,762-1,016 см) от точки пересечения линий, проходящих от затягивающего выступа и радиальной поверхности на ниппеле. 3. Соединение по п.1 или 2, в котором радиус круга, на котором расположена уплотняющая поверхность ниппельной секции, составляет от 0,25-0,35" (0,635-0,890 см). 4. Соединение по любому предыдущему пункту, в котором угол между линией, на которой расположен центр круга, на котором расположена уплотняющая поверхность ниппеля, и линией, проходящей от центра круга и первоначальной точки контакта двух уплотняющих поверхностей, составляет от 7,09,0. 5. Соединение по любому предыдущему пункту, в котором угол между линией, на которой расположен центр круга, на котором расположена уплотняющая поверхность муфты, и линией, проходящей от центра круга и первоначальной точки контакта двух уплотняющих поверхностей, составляет от 10,012,0. 6. Соединение по п.1 или 2, в котором радиус круга, на котором расположена уплотняющая поверхность муфты, составляет от 0,12 до 0,18 см. 7. Соединение по п.1, в котором центр круга, на котором расположена уплотняющая поверхность(16) муфты, имеет центр на линии, которая расположена на расстоянии, равном 0,380-0,635 см от точки пересечения линий, продолжающихся от затягивающего выступа 13 и линии, продолжающейся от плоской секции 15 на муфте.