Узел для соединения двух труб

(51)7 16 58/10, 16 13/02 НАЦИОНАЛЬНОЕ ПАТЕНТНОЕ ВЕДОМСТВО РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН(54) СОЕДИНИТЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ ДЛЯ СОЕДИНЕНИЯ ДВУХ ТРУБ, ВЫПОЛНЕННЫЙ ЗА ОДНО ЦЕЛОЕ С НИМИ Технический результат изобретения - повышение прочности труб на сжатие и кручение. Соединительный узел для соединения двух труб,выполненный за одно целое с ними и содержащий первый гнездовой элемент, снабженный внутренней двухступенчатой резьбой, расположенной на конце первой трубы, второй стержневой элемент, снабженный внешней двухступенчатой резьбой, расположенной на конце второй трубы, два уплотнения с металлическим контактом, расположенные на обоих концах соединительного узла, и, по меньшей мере,два заплечика, расположенные, соответственно, на одном конце соединительного узла и на его середине. 10581 Изобретение относится к соединительному узлу для двух труб, выполненному за одно целое с ними. Известно, что в нефтяной промышленности имеется тенденция к уменьшению диаметра разработочных скважин для снижения стоимости бурения. Однако для достижения такого результата геометрия соединений, соединяющих участки труб с образованием обсадной трубы, должна быть, по существу,идентичной геометрии самих труб, то есть, по существу, эти соединения должны иметь те же внешние и внутренние диаметры. Соединения или соединительные узлы, выполненные за одно целое с трубами, такие, как равнопроходные соединения и соединения, близкие к равнопроходным, были разработаны применительно к тем случаям, когда их внешний диаметр равен диаметру соединяемых труб (равнопроходное соединение) или несколько больше (на 2-3,5 ) этого диаметра (соединение, близкое к равнопроходному). Однако эти соединительные узлы имеют недостаток, заключающийся в том, что их механические свойства, такие, как прочность на растяжение, на сжатие, при кручении и на изгиб, значительно ниже этих же показателей самих труб. В частности, прочность на растяжение равнопроходных соединений или соединений, близких к равнопроходному, в зависимости от диаметра и толщины труб варьируется от 65 до 75 по сравнению с этим же показателем самой трубы, в то время как прочность на сжатие,изгиб и при кручении этих соединений, часто являющиеся частью этих же показателей для труб, даже значительнее ниже. Такое снижение механических характеристик ограничивает применение этих соединений применением их в скважинах ограниченной глубины с низким перепадом давлений, где нет необходимости во вращении труб при их введении в буровые скважины(как это необходимо, например, при цементировании обсадной трубы). Для преодоления этих недостатков в литературе предлагались соединительные узлы указанного выше типа, близкие к равнопроходным и выполненные за одно целое с трубами, включающие модификации, позволяющие улучшить механические характеристики. Например, в опубликованной международной патентной заявке 93/18329 описан соединительный узел, выполненный на концах соединяемых труб за одно целое с этими трубами и состоящий из двух элементов стержневого и гнездового, каждый из которых содержит, по меньшей мере, два резьбовых участка, разделенных соединительным заплечиком, причем при нахождении труб в собранном состоянии заплечики сопряжены друг с другом. В опубликованной Европейской патентной заявке 767335 описан соединительный узел для труб,выполненный на концах соединяемых труб за одно целое с ними и состоящий из двух резьбовых элементов стержневого и гнездового, имеющих коническое продольное сечение. Обе резьбы посередине разъединены заплечиком, перпендикулярным оси труб. 2 Для улучшения уплотнительного эффекта соединительного узла начальные части резьбы стержневого элемента и концевые части резьбы гнездового элемента механической обработкой удалены, так что при соединении две поверхности входят в контакт с последующей упругой деформацией взаимодействующих поверхностей. Хотя механические характеристики описанных выше соединений улучшены по отношению к равнопроходному соединению, этого, тем не менее, недостаточно для обеспечения их пригодности в глубоких скважинах. Предложен соединительный узел, близкий к равнопроходному и выполненный за одно целое с трубами, который имеет повышенную прочность на сжатие и кручение. Это улучшение достигнуто благодаря описанной ниже особой конструкции концов стержневого и гнездового элементов соединительного узла, в которой для повышения прочности на сжатие до величины, близкой к прочности на растяжение и прочности при кручении, максимальная величина которых примерно равна комплексному крутящему моменту соединительного узла, умноженному на 2,5, предложено выполнение, по меньшей мере, двух заплечиков (внешнего и промежуточного). Кроме того, наличие двух металлических уплотнений (внутреннего и внешнего) в сочетании с заплечиками и особым профилем двухступенчатой резьбы обеспечивает соединение, имеющее прекрасную прочность при комбинированной нагрузке и позволяющее противостоять экстремальным напряжениям при давлении, сжимающим, растягивающим и изгибным напряжениям и напряжениям при кручении в скважине, делая при этом само соединение весьма подходящим для наклонных или горизонтальных высокотемпературных скважин и скважин высокого давления. Следовательно, объектом настоящего изобретения является соединительный узел для соединения двух труб, выполненный за одно целое с ними и содержащий) первый гнездовой элемент конического продольного сечения, снабженный внутренней двухступенчатой резьбой, выполненной на конце первой трубы) второй стержневой элемент, снабженный внешней двухступенчатой резьбой, выполненной на конце второй трубы, имеющий коническое продольное сечение и выполненный с возможностью размещения в гнездовом элементе) заплечик, расположенный перпендикулярно оси трубы на стержневом элементе на середине длины резьбы) заплечик, расположенный перпендикулярно оси трубы на середине длины резьбы гнездового элемента и выполненный с возможностью сопряжения с заплечиком стержневого элемента при нахождении соединения в собранном положении) два установочных участка, выполненных соответственно, на начальной части и конечной части 10581 гнездового элемента с возможностью совмещения с соответствующими наклонными участками, выполненными на начальной части и конечной части стержневого элемента,отличающийся тем, что) между наклонным участком и началом резьбы стержневого элемента выполнен кольцевой паз, глубина (обеспечивающая возможность обработки резьбы) которого компенсируется соответствующим заплечиком на конце резьбы, имеющим толщину, по существу, равную глубине этого паза) между начальным установочным участком гнездового элемента и началом соответствующей резьбы расположен второй кольцевой паз, который аналогичен первому и глубина (обеспечивающая возможность обработки резьбы) которого компенсируется возможным соответствующим заплечиком или установочным участком на конце резьбы. В соответствии с настоящим изобретением появилась возможность создания соединительного узла, который выполнен за одно целое с трубами,который имеет, по меньшей мере, два заплечика,внешний диаметр которого слегка увеличен (на 23 ) в соответствии с самим узлом и геометрия которого, следовательно, остается идентичной геометрии соединяемых труб. Действительно благодаря наличию двух пазов, ширина которых в зависимости от диаметра и толщины трубы составляет от 1 до 2 см, а глубина - от 2 до 4 мм, резьбы начинаются от участка трубы, имеющего меньшую толщину, так что становится возможным образование на конце резьбы заплечиков такой же толщины, что и глубина паза. Таким образом, на конце соединительного узла может быть выполнен, по меньшей мере, один дополнительный заплечик, при этом отсутствует необходимость в увеличении толщины концевых участков соединяемых труб. Соединительный узел для двух труб, выполненный за одно целое с ними, станет более понятным из последующего описания со ссылками на прилагаемые чертежи, которые иллюстрируют вариант выполнения соединительного узла, не ограничивающий объем изобретения, и на которых фиг. 1 и 2 изображают половину продольного разреза по оси Х-Х стержневого и гнездового элементов соединительного узла, выполненного с тремя заплечиками, соответственно, в несоединенном и в соединенном положениях,фиг. 5 и 6 изображают половину продольного разреза по оси Х-Х стержневого и гнездового элементов соединительного узла, выполненного с двумя заплечиками, соответственно, в несоединенном и в соединенном положениях,фиг. 4 и 7 изображают полный разрез соединительного узла при нахождении стержневого и гнездового элементов в соединенном положении, в частности, фиг. 4 А, 4 В, 4 С и 7 А, 7 В, 7 С изображают,соответственно, по три фрагмента продольного разреза соединительного узла с заплечиками и металлическим уплотнением, при этом фиг. 4 относится к узлу с тремя заплечиками (один внешний, один про межуточный и один внутренний), а фиг. 7 относится к узлу лишь с двумя заплечиками (один внешний и один промежуточный),фиг. 3 изображает частичный вид профиля резьбы вдоль оси Х-Х, на котором видно, что ее предпочтительная конструкция включает отрицательный угол нагрузки и положительный входной угол. Как показано на чертежах, номером 1 позиции обозначена полая концевая часть гнездовой трубы 3,снабженная внутренней резьбой 2, а номером 4 позиции - соответствующая полая концевая часть стержневой трубы 5, снабженная внешней резьбой 6 Стержневой и гнездовой элементы труб имеют коническое продольное сечение, конусность которого в зависимости от диаметра и толщины трубы варьируется от 8 до 16 . На середине резьбы 2 и резьбы 6 расположен заплечик 7, перпендикулярный оси труб, как показано на фиг. 4 В и 7 В. Концы соединительного узла, выполненного за одно целое с трубами, показаны, соответственно, на фиг. 4 А/7 А и 4 С/7 С. Стержневой элемент соединительного узла на своем конце выполнен с внешними наклонными участками 8 и 9, которые благодаря совмещению с внутренними установочными участками 10 и 11,выполненными на конце гнездового элемента, образуют два уплотнения с металлическим контактом,внутреннее и внешнее, обеспечивающие полное уплотнение соединительного узла при любых рабочих условиях. Между наклонным участком 8 стержневого элемента и началом резьбы 6 расположен паз 12,глубина которого на конце резьбы компенсируется заплечиком 13, перпендикулярным участку 9. Между начальным установочным участком 11 гнездового элемента и началом резьбы 2 расположен паз 14,глубина которого на конце резьбы компенсируется заплечиком 15, по существу, перпендикулярным установочному участку 10 (см. фиг. 4 С). В альтернативном решении этот заплечик отсутствует (см. фиг. 7 С), но его отсутствие компенсируется установочным участком 10. Исключительно для иллюстрации изобретения ниже представлены механические характеристики соединительного узла, описанного со ссылками на фиг. 1, 2 и 4 и предназначенного для труб диаметром 195,58 мм и толщиной 15,11 мм. Высота внутреннего и внешнего заплечиков составляет примерно 2 мм, а высота промежуточного заплечика - примерно 1,5 мм. Суммарно площадь трех заплечиков составляет примерно 3500 мм 2 при площади поперечного сечения трубы, составляющей примерно 8600 мм 2, и площади поперечного сечения соединительного узла, составляющей 6900 мм 2. Это дает коэффициент растяжения соединительного узла, равный примерно 80 предела текучести трубы (коэффициент растяжения в 6900/860010080 ). С учетом площади трех заплечиков коэффициент сжатия составляет 50 коэффициента растяжения(коэффициент сжатия в 3500/690010050 ). Принимая также во внимание влияние резьбы (кото 3 10581 рое может быть оценено примерно в 30 ), коэффициент сжатия может быть приравнен к коэффициенту растяжения соединительного узла (примерно 80). ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Соединительный узел для соединения двух труб, выполненный за одно целое с ними и содержащий а) первый гнездовой элемент конического продольного сечения, снабженный внутренней двухступенчатой резьбой, выполненной на конце первой трубы) второй стержневой элемент, снабженный внешней двухступенчатой резьбой, выполненной на конце второй трубы, имеющий коническое продольное сечение и выполненный с возможностью размещения в гнездовом элементе) заплечик, расположенный перпендикулярно оси трубы на стержневом элементе на середине длины резьбы) заплечик, расположенный перпендикулярно оси трубы на середине длины резьбы гнездового элемента и выполненный с возможностью сопряжения с заплечиком стержневого элемента при нахождении соединения в собранном положении) два установочных участка, выполненных, соответственно, на начальной части и конечной части гнездового элемента с возможностью совмещения с соответствующими наклонными участками, выполненными на начальной части и конечной части стержневого элемента,отличающийся тем, что) между наклонным участком и началом резьбы стержневого элемента выполнен кольцевой паз для обеспечения возможности обработки резьбы, глубина которого равна толщине соответствующего заплечика гнездового элемента на конце резьбы) между начальным установочным участком гнездового элемента и началом соответствующей резьбы расположен второй кольцевой паз для обеспечения возможности обработки резьбы, который аналогичен первому, а глубина паза равна толщине соответствующего заплечика или установочного участка на конце резьбы.