Соединение с множеством уплотнений для вертикальных труб подводной водоотделяющей колонны

 

Изобретение относится к области разработки нефтяных и газовых месторождений, в частности к соединениям вертикальных труб подводной водоотделяющей колонны, и представляет собой резьбовое трубное соединение для транспортировки находящихся под высоким давлением корродирующих или загрязняющих текучих сред в трубопроводе или вертикальной колонне, окруженной массой воды и подвергающейся высоким статистическим или динамическим напряжением и изгибающим усилиям. Соединение снабжено крупной резьбой с острыми торцами и несущими торцами, приспособленными для того, чтобы выдерживать высокие нагрузки. Соединение снабжено множеством уплотняющих средств, размещенных в теле соединения и изолирующих резьбу от воздействия текучих сред, находящихся снаружи соединения или в его канале, изобретение обеспечивает повышение герметичности соединений труб подводной водоотделяющей колонны. 12 з.п. ф-лы, 6 ил.

Настоящее изобретение относится к резьбовым муфтам или соединениям, предназначенным для использования в целях соединения между собой секций труб с образованием трубопровода или трубчатой водоотделяющей колонны, применяемой под водой.

Более конкретно, изобретение относится к резьбовому соединению, содержащему несколько независимых чувствительных к давлению уплотнений, смещенных в осевом направлении относительно уплотнения, образуемого взаимным зацеплением резьбы, с целью изоляции резьбы от воздействия текучей среды как находящейся внутри, так и окружающей резьбовое соединение водоотделяющей колонны.

Предшествующий уровень техники.

В процессе разработки морских нефтяных и газовых месторождений водоотделяющая колонна образует канал для подачи продукции скважины из скважины, пробуренной в океанском дне, к установкам для получения нефти и/или газа на поверхности океана.

Кроме того, водоотделяющая колонна может представлять собой канал для подачи текучей среды с морской буровой платформы на морское дно для дальнейшей транспортировки по подводному трубопроводу к другим пунктам.

Статические и динамические нагрузки, прилагаемые к каждому резьбовому соединению водоотделяющей колонны, могут быть значительными, в особенности на глубине в три тысячи футов (900 м) или более.

Кроме того, требуется множество уплотнений для того, чтобы не допустить утечки текучей среды, находящейся внутри водоотделяющей колонны, и попадания в нее наружных жидкостей.

Эксплуатационная водоотделяющая колонна соединяется своим нижним концом с устьем подводной эксплуатационной скважины, а своим верхним концом - с плавучим производственным судном, оборудованным для перегрузки, хранения, разделения или переработки продукции скважины способами, известными в этой области техники.

С другой стороны, водоотделяющая колонна может быть соединена своим верхним концом с плавучим производственным судном и своим нижним концом с подводным трубопроводом с целью транспортировки продукции с плавучего производственного судна или морской буровой платформы.

Вес водоотделяющей колонны и находящейся в ней продукции может удерживаться крупными натяжными устройствами, размещенными на плавучем судне.

Натяжные устройства компенсируют также движение стоящего на якоре судна, связанное с воздействием ветра, волн, течений и т.п.

Производственные водоотделяющие колонны, которые опущены с плавучего объекта, могут не иметь средств, препятствующих их боковому смещению, которое вызывается боковым смещением плавучего объекта на поверхности океана. Такое смещение может вызывать растягивающие и изгибающие напряжения, ведущие к воздействию морской воды, окружающей водоотделяющую колонну, на резьбовую часть соединения, или к утечке через поврежденное соединение находящейся под давлением в колонне продукции скважины, которая может вызвать загрязнение прилегающего участка океана.

В патенте GB 2064041 описывается соединение, содержащее наконечник и муфту, причем эти элементы снабжены конусными резьбовыми поверхностями, предназначенными для распределения осевых нагрузок между элементами, для чего между элементами предусматриваются кольцевые уплотнения.

Сущность изобретения.

Главной задачей настоящего изобретения является создание резьбового соединения для труб, снабженного приводимыми в действие давлением уплотнениями, расположенными в теле соединения и по обоим концам резьбы с целью недопущения контакта текучей среды с резьбой соединения внутри канала соединения, или снаружи, или окружающей соединение.

Другой задачей настоящего изобретения является создание резьбового соединения, содержащего наконечник и муфту и снабженного средством для ослабления или для изменения направленности нагрузки на резьбу, размещенным в стенке наконечника и муфты в точке, прилегающей к участку резьбы большего диаметра на наконечнике и резьбы меньшего диаметра на муфте, благодаря чему вся резьба наконечника и муфты оказывается в разделяющем нагрузку зацеплении.

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание крепкого центрированного резьбового трубного соединения, состоящего из наконечника и муфты и снабженного внутренним и наружным уплотнениями в теле соединения при наличии диаметра канала, равного диаметру канала в прилегающих секциях трубопровода.

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание трубопроводного соединения, состоящего из наконечника и муфты и снабженного множеством уплотнений соединения, которое может быть быстро свинчено и которое содержит множество уплотнений, занимающих свое место в ходе одной операции.

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание трубного соединения с гладким каналом, равным каналу трубы, в которой оно устанавливается, так что трубу меньшего диаметра можно протянуть через соединение или извлечь из трубопровода без задержки на трубном соединении.

Другой задачей настоящего изобретения является создание резьбового трубного соединения из наконечника и муфты, которое не допускает вывинчивания наконечника из муфты при нормальных условиях эксплуатации, за исключением тех случаев, когда требуется снять трубу с места.

И еще одной задачей настоящего изобретения является создание резьбового соединения из наконечника и муфты со скреплением металла с металлом и средством фиксации на наконечнике и/или муфте, независимо от взаимодействия их резьбы, позволяющими исключить или значительно уменьшить любую тенденцию к вывинчиванию наконечника из муфты в тех случаях, когда соединение подвергается изгибающему или другим напряжениям при вертикальном или ином расположении на водоотделяющей колонне морского промысла.

Этот отличительный признак является также привлекательным для трубопроводов на морском дне, проложенных с отклонениями от прямой линии. Циклические колебания давления и температуры в трубопроводе могут привести к попыткам "отвинчивания" соединения, если не принять меры по его фиксации.

В соответствии с изобретением предлагается резьбовое соединение со множеством уплотнений для вертикальных труб водоотделяющей колонны, имеющее гладкий сквозной канал, диаметр которого равен внутреннему диаметру трубы, составленной из трубных секций, и содержащее: конический наконечник с резьбой, выполненной в центральной части его конусной поверхности, уплотняющий выступ, простирающийся в осевом направлении от конца резьбовой части наконечника, имеющего меньший диаметр и упорный буртик, выступающий в радиальном направлении на конце резьбовой части наконечника, имеющего больший диаметр; муфту, приспособленную для ввинчивания в нее наконечника, часть указанной муфты, имеющей внутреннюю коническую поверхность, резьбу, выполненную на указанной конической части муфты, и размеры которой позволяют вводить ее в зацепление с резьбовой частью наконечника, и углубленное уплотняющее поверхностное средство, выполненное по окружности по внутренней стенке муфты, размеры которого позволяют вставлять в него уплотняющий выступ наконечника, согласно изобретению, соединение содержит кольцеобразную углубленную канавку для изменения направленности нагрузки на резьбу, выполненную на наружной поверхности наконечника, глубина которой превышает глубину резьбы и которая прилегает к концу резьбовой части наконечника, имеющего больший диаметр, углубленное уплотняющее поверхностное средство, выполненное по окружности в теле указанного наконечника рядом с канавкой для изменения направленности, причем указанное уплотняющее поверхностное средство содержит осевой упорный буртик, а муфта содержит уплотняющий выступ для взаимодействия с уплотняющим поверхностным средством у основания указанного конического наконечника, углубленную по окружности канавку для изменения направленности нагрузки на резьбу, выполненную в стенке муфты рядом с ее резьбовой частью с меньшим диаметром и имеющую глубину, превышающую глубину резьбы, и уплотняющее поверхностное средство на торцевой поверхности уплотнительного выступа указанной муфты, предназначенное для взаимодействия с упорным буртиком наконечника, при этом уплотняющее поверхностное средство наконечника содержит радиальный буртик между канавкой для изменение направленности нагрузки на резьбу и упорным буртиком наконечника, при этом радиальный буртик вместе с уплотняющим выступом муфты образует уплотнительное зацепление.

Краткое описание чертежей.

Задача настоящего изобретения станет более понятна из подробного описания соединения, являющегося предметом настоящего изобретения, со ссылкой на чертежи, на которых: на фиг. 1 показано схематическое изображение платформы с растянутыми опорами, стоящей на якорях на морском дне на глубинах от 1000 до 6000 футов (300-1800 м); фиг. 2 - продольный разрез половины соединения, являющегося предметом настоящего изобретения и предназначенного для использования на эксплуатационных водоотделяющих колоннах платформы с растянутыми опорами; фиг. 3 - продольный разрез переднего конца муфты соединения, изображенного на фиг. 2, установленной в предварительно нагруженном состоянии относительно затяжного буртика наконечника, в увеличенном масштабе; фиг. 4 - продольный разрез, иллюстрирующий особенности резьбы наконечника и муфты при взаимном зацеплении, как показано на фиг. 2, в увеличенном масштабе; фиг. 5 - продольный разрез уплотнения с фиг. 3 между передним концом муфты соединения и сопряженным наконечником в предварительно нагруженном состоянии, в увеличенном масштабе;
фиг. 6 - продольный разрез уплотняющего средства с фиг.2 между передним концом наконечника и внутренней стенкой муфты ниже их резьбы.

Тонкостенное уплотняющее удлинение или выступ 31 на передней части наконечника 24 входит в осевом направлении в расточенный участок 32 увеличенного диаметра муфты. На стенках наконечника 24 и муфты 25 выполнены смещенные в осевом направлении относительно тонкостенных резьб 27 и 29 наконечника 24 и муфты 25 углубленные и проходящие по окружности канавки 33 и 34 для изменения направленности нагрузки на резьбы.

Эти канавки подобны описанным в патенте США N 4892337, выданном на имя Гундерсона и др. , и применяются для распределения напряжений, связанных с осевой нагрузкой, по резьбам 27 и 29, совмещенным в эксплуатационном режиме, как это показано на фиг.2 настоящей заявки. Канавки 33 и 34 для изменения направленности нагрузки на резьбы могут иметь закругленные или эллиптические стенки (поверхность), глубина которых примерно в два или более раза превышает протяженность в радиальном направлении воспринимающего нагрузку профиля резьбы.

В переднем конце муфты 25 имеется другое тонкостенное уплотняющее удлинение или выступ 35 (фиг.3), углубленный в тело соединения и простирающийся в осевом направлении далее канавки 33 для изменения направленности нагрузки на резьбу наконечника 24, перекрывая эту (33) канавку для изменения направленности и соприкасаясь с предварительно нагруженным или промежуточным буртиком 36, выполненным на стенке наконечника 24.

Передний конец 35 выступа 35 соприкасается с поверхностью буртика 36, выполненного на наконечнике, образуя наружное уплотнение или осевое компрессионное уплотнение в теле соединения, способствующее недопущению попадания морской воды на резьбовой участок соединения.

Второе уплотнение, углубленное в тело соединения, обеспечивается для тех же целей с помощью уплотнительного кольца 38, размещаемого в кольцевой канавке 39 для уплотнительного кольца, выполненной рядом с буртиком 36 наконечника, как это показано на фиг.3 и 5. При свинчивании вместе наконечника и муфты (фиг.2) выступ 35 на переднем конце муфты закрывает канавку для уплотнительного кольца 39 и зажимает уплотнительное кольцо 38 между внутренней поверхностью 41 выступа 35 и стенкой канавки 39.

При желании поверхность 41 муфты 35 может быть скошена наружу, как показано в позиции 42, под углом к оси от 5 до 25^o, обеспечивая таким образом постепенное сжатие уплотнительного кольца по мере продвижения в процессе выполнения соединения передней кромки 37 выступа 35 к буртику 36 наконечника.

Соприкасающиеся поверхности буртика 36 и передней кромки 37 выступа образуют в соединении одно непроницаемое для жидкости уплотнение, в то время как сжатое между наконечником и муфтой уплотнительное кольцо 38 образует второе уплотнение.

Уплотнительное кольцо 38 изготавливают из долговечного (например способного служить 20 лет) сжимаемого и упругого материала, способного сжиматься на 25% или более и сохранять непроницаемое для жидкости уплотнение.

Третье углубленное уплотнение образуется между внутренней поверхностью 41 выступа 35 муфты и наружной поверхностью буртика 43, образованного по окружности на внешней поверхности наконечника 24 рядом с канавкой 39 для уплотнительного кольца и канавкой 33 для изменения направленности.

Внутренняя поверхность 41 выступа 35 муфты и наружная поверхность буртика 43 скошены по существу под одинаковым углом и имеют размеры, обеспечивающие стыковой контакт с образованием после выполнения соединения, как это показано позицией 44 на фиг.5, создаваемое под давлением межметаллическое непроницаемое для жидкости уплотнение.

При желании, для того чтобы добиться улучшения уплотнения, может быть создано небольшое различие в углах наклона межметаллического уплотнения наконечника и межметаллического уплотнения муфты (в данном случае 10 и 12^o), для того чтобы добиться лучшего первоначального "притирания" и контактных напряжений на меньшей площади соприкасающихся поверхностей.

Таким образом, соприкасающиеся поверхности межметаллического уплотнения в позиции 44 могут различаться по углу наклона от 0,5 до 4^o относительно оси соединения с целью получения лучших результатов по уплотнению.

Для того чтобы добиться большего сжатия уплотнительного кольца 38 и межметаллического уплотнения 44, соприкасающиеся поверхности буртика 36 и конца выступа 37 выполняют с определенным задним углом (например, от 5 до 25^o относительно радиальной линии), чтобы образовать за счет этого кулачковые поверхности, когда к резьбовым участкам при затягивании соединения прикладывается дополнительный момент затяжки, в результате чего передняя кромка 37 выступа 35 окажется заглубленной вовнутрь в радиальном направлении, увеличивая давление на межметаллическое уплотнение.

Таким образом, можно видеть, что радиально проскальзывающие поверхности между передней кромкой 37 выступа 35 и поверхностью буртика 36 образуют кулачковое средство, способствующее затягиванию уплотнений 38 и 44.

Второе межметаллическое уплотнение 45 образуется между наконечником 24 и муфтой 25 на другом конце резьбы 27 - 29 и предназначено для недопущения попадания и корродирующего воздействия находящейся в расточке 21 соединения текучей среды, на резьбу или падения давления в трубе (обеспечивает контроль скважины).

Предусматривается увеличенный диаметр расточки 32 муфты 25 ниже канавки 34 для изменения направленности нагрузки на резьбу, с коротким отрезком стенки, размеры которой обеспечивают стыковой контакт с наружной поверхностью выступа 31 переднего конца наконечника 24 с образованием межметаллического уплотнения 45, когда соединение находится в рабочем положении.

По мере того как давление текучей среды в канале 21 соединения возрастает, выступ 31 может отгибаться наружу, что ведет к улучшению межметаллического уплотнения в уплотнении 45.

Обратное явление происходит в случае наружного межметаллического уплотнения, предупреждая проникновение морской воды.

В случае соединения, являющегося предметом настоящего изобретения и предназначенного для использования в водоотделяющей колонне морского нефтегазового промысла, подверженной воздействию океанских условий, желательно наличие 2 - 4 витков на дюйм (25,4 мм) на соединении, предназначенном для использования с трубными секциями 9 - 5/8 дюйма (245 мм).

Активные грани резьбы 27 и 28 предпочтительно наклонены под 45^o (от 40 до 60^o) относительно оси соединения с целью облегчения получения вертикальной нитки труб. Несущие грани 47 резьбы 27 (фиг.4) наклонены наружу и вниз под углом от 1 до 5^o, предпочтительно на 3^o относительно плоскости, перпендикулярной к оси соединения, для того чтобы способствовать развинчиванию соединения.

Между основанием и вершиной резьбы 27 и 28 предусмотрен изогнутый по радиусу зазор 48, предназначенный для устранения повреждений, вызванных напряжениями как статическими, так и циклическими.

Между гранями резьбы отсутствует свободное пространство, что ведет к радиальному, а также осевому взаимодействию в сопряженной резьбе соединения.

Как показано на фиг. 2, толщина стенки наконечника 24 и муфты 25 гораздо больше, чем стенки труб 22, 23, к которым они приварены.

Это сделано для того, чтобы они могли вместить длинный резьбовой участок 26, 28 и уплотняющие средства на каждом конце резьбы, а также другие конструкционные особенности.

Соединение 20 оконтурено по своей наружной стенке с образованием участков переходной толщины, таких как 48 и 49, конструкция которых позволяет уменьшить концентрацию напряжений.

Эти искривленные поверхности могут быть эллиптическими по форме или иметь два или более радиуса, которые предпочтительно приближаются к эллиптическому профилю. Верхняя часть участка 49 предпочтительно имеет форму поднимающегося уступа 50 на муфте 25, который может быть использован для захвата трубным подъемником при опускании водоотделяющей колонны 16 на подводную скважину 15 (фиг.1).

Кроме того, наружная поверхность наконечника 24 над уступом 26 снабжена поверхностью 51 для установки на ней ключа для труб или иного установочного или прилагающего вращение устройства в процессе соединения между собой муфты и наконечника.

Аналогичным образом наружная поверхность муфты 25 снабжена подобной поверхностью 52 под ключ подходящей длины, предназначенной для той же цели. В случае соединения размеров, описанных выше, длина поверхностей 51 и 52 под ключ должна быть около 6 дюймов (152 мм).

Наличие участков большой длины на соединении исключает необходимость установки ключа на самой трубе, что: (а) предупреждает повреждение коррозионностойкого покрытия трубы, (б) предупреждает появление меток или мест концентрации напряжений на сварных швах или рядом с ними, вызывающих уменьшение усталостной долговечности, и (в) предупреждает пересечение клещей с браслетными анодами или устройствами, несущими вертикальную нагрузку.

Резьбовое соединение, описанное выше, предназначено для соединения вместе секций труб, расположенных в океане вертикально.

Поскольку нагрузка на водоотделяющую колонну, согласно расчетам, равна 670 Kips при расположении в воде на глубине 3000 футов (900 м), требуется массивное соединение.

Очевидно, что это соединение может быть использовано для скрепления вместе секций труб горизонтального трубопровода или же трубопровода, уложенного J-методом, с целью быстрого строительства трубопровода в условиях, когда применение сварки в морских условиях нежелательно из-за потерь времени на контроль качества сварного шва методом рентгеноскопии или иными методами.

Формула изобретения

1. Резьбовое соединение с множеством уплотнений для вертикальных труб водоотделяющей колонны, имеющее гладкий сквозной канал, диаметр которого равен внутреннему диаметру трубы, составленной из трубных секций, и содержащее конический наконечник (24) с резьбой (27), выполненной на центральной части его конусной поверхности, уплотняющий выступ (31), простирающийся в осевом направлении от конца резьбовой части наконечника (24), имеющего меньший диаметр, и упорный буртик (36), выступающий в радиальном направлении на конце резьбовой части наконечника (24), имеющем больший диаметр, муфту (25), приспособленную для ввинчивания в нее наконечника, часть указанной муфты (25), имеющая внутреннюю коническую поверхность, резьбу (29), выполненную на указанной конической части муфты (25) и размеры которой позволяют вводить ее в зацепление с резьбовой частью наконечника (24), и углубленное уплотняющее поверхностное средство (45), выполненное по окружности по внутренней стенке муфты (25), размеры которого позволяют вставлять в него уплотняющий выступ (31) наконечника (24), отличающееся тем, что соединение содержит кольцеобразную углубленную канавку (33) для изменения направленности нагрузки на резьбу, выполненную на наружной поверхности наконечника (24), глубина которой превышает глубину резьбы и которая прилегает к концу резьбовой части наконечника, имеющего больший диаметр, углубленное уплотняющее поверхностное средство, выполненное по окружности в теле указанного наконечника (24) рядом с канавкой (33) для изменения направленности, причем указанное уплотняющее поверхностное средство содержит осевой упорный буртик (36), а муфта (25) имеет уплотняющий выступ (35) для взаимодействия с уплотняющим поверхностным средством у основания указанного конического наконечника (24), углубленную по окружности канавку (34) для изменения направленности нагрузки на резьбу, выполненную в стенке муфты (25) рядом с ее резьбовой частью с меньшим диаметром и имеющую глубину, превышающую глубину резьбы, и уплотняющее поверхностное средство (37) на торцевой поверхности уплотнительного выступа (35) указанной муфты (25), предназначенное для взаимодействия с упорным буртиком (36) наконечника (24), при этом уплотняющее поверхностное средство наконечника (24) содержит радиальный буртик (43) между канавкой (33) для изменения направленности нагрузки на резьбу и упорным буртиком (36) наконечника (24), при этом радиальный буртик (43) вместе с уплотняющим выступом (35) муфты (25) образует уплотнительное зацепление.

2. Соединение по п.1, отличающееся тем, что толщина стенок у концов (22, 23) соединения, противоположных концам, имеющим участки с сопряженной резьбой, уменьшена до толщины стенок используемых трубных секций.

3. Соединение по п.2, отличающееся тем, что уменьшение диаметра по конфигурации наружной поверхности от середины к концам (22, 23) соединения имеет форму плавно изгибающихся или эллиптически спрофилированных поверхностей (48, 49).

4. Соединение по п.3, отличающееся тем, что содержит несущий нагрузку буртик (50), выполненный на наружной поверхности муфты (25) в точке начала уменьшения части соединения с большим диаметром.

5. Соединение по п.1, отличающееся тем, что уплотняющие выступы (31, 35) муфты (25) и наконечника (24) имеют такие размеры, что обеспечивают межметаллическое уплотняющее взаимодействие с уплотняющими поверхностными средствами (36, 43, 45) указанных муфты и наконечника соответственно и образуют непроницаемые для жидкости межметаллические уплотнения.

6. Соединение по п. 5, отличающееся тем, что содержит кольцеобразную канавку (39), выполненную в наконечнике (24) по внутреннему диаметру радиально выступающего осевого упорного буртика (36), и кольцо (38) в кольцеобразной канавке, имеющее диаметр, превышающий глубину указанной канавки, так что оно может быть зажато между дном канавки и внутренней поверхностью уплотняющего выступа (35) муфты (25), когда конец указанного уплотняющего выступа (35) муфты (25) упирается в упорный буртик указанного наконечника, обеспечивая непроницаемость для жидкости.

7. Соединение по п.6, отличающееся тем, что прикасающаяся поверхность упорного буртика (36) и торцевая поверхность уплотняющего выступа (35) муфты скошены под задним углом, достаточным для образования замковых поверхностей, посредством чего дополнительный момент затяжки, приложенный к резьбовому соединению, заставляет замковые поверхности вдавить уплотняющий выступ (35) муфты (25) внутрь, дополнительно сжимая кольцевое уплотнение и прилегающее межметаллическое уплотнение.

8. Соединение по п. 5, отличающееся тем, что резьбовые конусные части наконечника (24) и муфты (25), расположенные между канавками (33, 34) для изменения направленности нагрузки на резьбу, содержат резьбу (27, 29), выполненную с острым торцом, который длиннее, чем несущий торец, который выполнен с задним углом до 5^o при наблюдении относительно радиальной линии, проведенной через наконечник (24) и муфту (25).

9. Соединение по п.8, отличающееся тем, что острые торцы резьб (27, 29) как наконечника, так и муфты, выполнены наклонными под углом 40 - 60^o относительно оси и в сторону от концов наконечника муфты соответственно.

10. Соединение по п.9, отличающееся тем, что основание и вершины резьб (27, 29) избирательно модифицированы так, что вершина каждой резьбы на муфте (25) и на наконечнике (24) после сборки отделена от основания резьбы, с которой она сопрягается, образуя замкнутое пространство у основания каждой резьбы.

11. Соединение по п.5, отличающееся тем, что межметаллические уплотнения между наконечником (24) и муфтой (25) образуют фрикционное контрящее средство.

12. Соединение по п. 1, отличающееся тем, что радиальный буртик (43) наконечника (24) и уплотняющий выступ муфты (25) образуют межметаллическое кольцеобразное уплотнение с непараллельными соприкасающимися поверхностями.

13. Соединение по п.12, отличающееся тем, что соприкасающиеся поверхности межметаллического уплотнения могут отклоняться от приблизительно 0,5 до 4^o относительно оси соединения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6