Трубне нарізне з’єднання з посиленим упором

Даний винахід стосується тр убних нарізних з'єднань, утворених охоплюваним нарізним елементом, який розташований на кінці першої труби і який з'єднується за допомогою згвинчування з охоплюючим нарізним елементом, який розташований на кінці другої тр уби. Такі трубні з'єднання використовуються, зокрема, для формування колон обсадних тр уб або колон експлуатаційних труб, а також колон бурильних труб , призначених для використання у свердловинах, що забезпечують видобуток вуглеводнів, або у геотермічних свердловинах. Охоплювані та о хоплюючі нарізні елементи можуть бути розташовані, кожний, на одному з кінців труб великої довжини, причому охоплюваний нарізний елемент однієї труби загвинчується в охоплюючий нарізний елемент іншої тр уби для того, щоб утворити так зване інтегральне нарізне з'єднання. Відповідно до альтернативного варіанту реалізації, охоплювані нарізні елементи можуть бути розташовані на кожному з двох кінців труб великого діаметра, причому ці нарізні елементи з'єднуються один з одним за допомогою короткого відрізка труби або трубної муфти, на кінцях якої виконані два охоплюючих нарізних елемента. Таке нарізне з'єднання між двома трубами великої довжини носить назву «муфтового нарізного з'єднання» і має у своєму складі два трубни х нарізних з'єднання. Кажучи більш конкретно, даний винахід стосується так званих нарізних з'єднань вищої якості, які мають у своєму складі поверхні або опорні зони герметизації, яка реалізовується в контакті металу з металом, взаємодіючі одне з одним у радіальному напрямку і зв'язані з поверхнями упора, призначеними, зокрема, для забезпечення точного позиціонування цих поверхонь герметизації. Такі ефективні нарізні з'єднання описані, наприклад, у патентному документі ЕР 488912, забезпечують герметичність нарізних з'єднань по відношенню до текучих середовищ у різних конфігураціях їх використання (вплив осьового розтягування або осьового стиснення, вплив внутрішнього або зовнішнього тиску, вигину і т.п.). Новітні технології буріння свердловин, які можуть проходити похило або навіть горизонтально, вимагають повороту колони труб і, відповідно, нарізних з'єднань цих труб, в процесі опускання колони труб в свердловину. У такій технології буріння необхідно згвинчувати нарізні трубні з'єднання з досить високими моментами затягування, які в будь-якому випадку є значно більш високими, ніж моменти крутіння, виникаючі в процесі опускання колони труб в свердловину, причому в іншому випадку позиціонування поверхонь герметизації може бути змінене несприятливим чином і дане нарізне з'єднання може давати течу. Внаслідок рівнів моменту затягування нарізних з'єднань, а також згинальних зусиль в частинах даної колони труб, що зазнають вигину внаслідок особливостей геометрії даної свердловини (свердловини з напрямком, що змінюється), поверхні упора зазнають впливу досить великих зусиль. У більш конкретному випадку реалізації, який відповідає колонам обсадних труб або колонам експлуатаційних тр уб, свердловина забезпечена декількома концентричними колонами труб і вн утрішні та зовнішні діаметри труб, які утворюють ці колони, істотним чином обмежені для того, щоб забезпечити можливість використання максимального числа вставлених одна в одну колон труб в свердловині. Поверхні упора цих нарізних з'єднань, які являють собою поверхні, орієнтовані по суті перпендикулярно по відношенню до подовжньої осі нарізних елементів, мають, таким чином, обмежену товщину у радіальному напрямку і зазнають, у разі таких нарізних з'єднань, дуже високих механічних напружень, які можуть призвести до пластичної деформації цих упорів. З патентних документів WO 94/29627 та WO 00/14441 відомі трубні нарізні з'єднання, які забезпечують можливість згвинчування з дуже високим моментом затягування даного нарізного з'єднання, який частково або повністю виконує функцію взаємного упора бокових частин нарізних елементів, що з'єднуються один з одним. У даному винаході зроблена спроба створити ефективне трубне нарізне з'єднання, що має пару взаємодіючих поверхонь упора, охоплюваної та охоплюючої, особливо стійких по відношенню до пластичної деформації, причому без використання для цього функції упора одна в одну бокових поверхонь витків різі. Були зроблені певні зусилля, спрямовані на те, щоб даний винахід міг бути застосований до трубних нарізних з'єднань з одним або декількома упорами для кожного нарізного елемента, але в яких основний упор (тобто упор, який першим входить в упорнийконтакт і який виявляється внаслідок цього найбільш навантаженим) виконаний на вільному фронтальному кінці охоплюваного нарізного елемента і виконаний відповідним чином також на охоплюючому нарізному елементі. Також потрібно зазначити, що даний винахід може бути застосований до трубного нарізного з'єднання будь-якого типу з будь-якою формою витків різі або з будь-якою формою поверхні герметизації. Трубне нарізне з'єднання, виконане відповідно до даного винаходу, містить охоплюваний нарізний елемент, виконаний на кінці першої труби і охоплюючий нарізний елемент, виконаний на кінці другої тр уби. Охоплюваний нарізний елемент містить охоплювану або зовнішню різь і закінчується охоплюваною кромкою. Ця охоплювана кромка містить: - зовнішню периферійну поверхню, на якій виконана охоплювана опорна поверхня герметизації, - охоплювану кільцеву поверхню упора, яка має по суті поперечне розташування, розміщена в безпосередній близькості від охоплюваної опорної поверхні герметизації, зв'язана безпосередньо з цією поверхнею і утворена фронтальною поверхнею вільного кінця цього охоплюваного нарізного елемента, - внутрішню периферійну поверхню. У цьому випадку під поверхнею, що має по суті поперечне розташування, потрібно розуміти як плоскі, так і такі, що не є плоскими, наприклад, конічні, поверхні, твірна яких розташована не більш, ніж на 30° від площини, перпендикулярної по відношенню до подовжньої осі даного нарізного з'єднання. Охоплюючий нарізний елемент містить призначені для взаємодії з відповідними засобами охоплюваного нарізного елемента охоплюючу різь, внутрішню периферійну поверхню, на якій виконана охоплююча опорна поверхня герметизації, і охоплюючий круговий виступ. Цей охоплюючий круговий виступ містить кільцеву о хоплюючу упорну поверхню по суті поперечного розташування, яка розміщена рядом і зв'язана з охоплюючою опорною поверхнею герметизації і яка визначає кільцеву зону охоплюючого виступу, яка зазнає впливу осьових зусиль стиснення, виникаючих внаслідок взаємного механічного контакту між охоплюваною упорною поверхнею і охоплюючою упорною поверхнею. Охоплювана різь загвинчується в о хоплюючу різь аж до того моменту, коли охоплювана упорна поверхня увійде в упорний контакт з охоплюючою упорною поверхнею, причому в цьому випадку охоплювана опорна поверхня герметизації взаємодіє у радіальному напрямку з охоплюючою опорною поверхнею герметизації. Відповідно до однієї з відмітних особливостей даного винаходу кільцева зона охоплюючого кругового виступу містить внутрішню периферійну поверхню, внутрішній діаметр якої, знаходячись щонайменше частково у безпосередній близькості від охоплюючої упорної поверхні, є меншим, ніж діаметр внутрішньої периферійної поверхні охоплюваної кромки, причому відношення R двох цих діаметрів має величину, яка менше 1, але більше або дорівнює 0,9. Така характеристика забезпечує зменшення еквівалентного механічного напруження Von Mises у кільцевій зоні охоплюючого уступ у, яке перевищує, в численних нарізних з'єднаннях існуючого рівня техніки в даній області, еквівалентне механічне напруження в охоплюваному упорі через тривісне розташування механічних напружень, що утворюються сусідніми опорними поверхнями герметизації: всі основні механічні напруження в охоплюваному упорі по суті являють собою напруження стиснення, тоді як у кільцевій зоні охоплюючого уступу одне тільки осьове напруження являє собою напруження стиснення, а два інших основних напруження являють собою напруження розтягування. Ця відмітна особливість дозволяє також зберегти достатній внутрішній прохідній діаметр у такому трубному нарізному з'єднанні. Відомі патентні документи FR 1488719 та FR 1489013, в яких показано, на деяких з наведених в них фігурах, тр убне нарізне з'єднання, яке має упори і опорні поверхні герметизації і яке містить охоплювану кромку на кінці охоплюваного нарізного елемента та охоплюючий круговий виступ на охоплюючому нарізному елементі, причому внутрішній діаметр внутрішньої периферійної поверхні кільцевої зони охоплюючого кругового виступу, розташований частково в безпосередній близькості від поверхні охоплюючого упора, є меншим, ніж діаметр внутрішньої периферійної поверхні охоплюваної кромки. При цьому ніякі межі величини відношення цих діаметрів в цих двох документа не вказані. Крім того, у патентному документі FR 1489013, ніяка функція не зв'язана з відмінністю цих внутрішніх діаметрів. Можна тільки передбачити, що менший діаметр внутрішньої периферійної поверхні кільцевої зони охоплюючого кругового виступ у є наслідком збільшення товщини труби внаслідок деформації, здійснюваної для формування охоплюючого нарізного елемента. У патентному документі FR 1488719, який стосується нарізних з'єднань для обсадних труб, кільцева зона охоплюючого кругового виступу має внутрішній діаметр, менший, ніж діаметр охоплюваної кромки, для того, щоб виключити пошкодження охоплюваних кромок і, отже, порушення герметизації нарізного з'єднання, внаслідок ударів, виникаючих в процесі опускання колон бурильних труб всередину колони обсадних труб. Функція різниці внутрішніх діаметрів є, таким чином, абсолютно іншою, ніж у випадку даного винаходу. Переважно, величина відношення R підпорядковується наступному виразу: 17 - 0,7S2 £ R £ 1 2 - 0,2S2 , , , в якому S являє собою відношення між діаметром зовнішнього краю охоплюваної упорної поверхні і внутрішнім діаметром охоплюваної кромки. Ця характеристика має тенденцію мінімізувати розходження еквівалентного механічного напруження між охоплюваним упором і кільцевою зоною охоплюючого кільцевого виступ у і дозволяє внаслідок цього оптимізувати геометричні параметри нарізного з'єднання, виконаного відповідно до даного винаходу. Переважно, внутрішня периферійна поверхня охоплюючого кругового виступ у трубного нарізного з'єднання відповідно до даного винаходу має мінімальний діаметр в точці, де ця внутрішня периферійна поверхня перериває так звану конічну поверхню максимального зсуву, яка визначається таким чином: - конічна поверхня визначається половиною кута з вершиною 45° і є коаксіальною по відношенню до охоплюючого нарізного елемента, - діаметр конічної поверхні зменшується у кільцевій зоні охоплюючого кругового виступ у по мірі віддалення від охоплюючої упорної поверхні, - поверхня проходить через зовнішній край охоплюючої упорної поверхні. Також переважно, діаметр внутрішньої периферійної поверхні охоплюючого кругового виступ у на своєму кінці, розташованому з боку охоплюючої поверхні упора, дорівнює внутрішньому діаметру внутрішньої периферійної поверхні охоплюваної кромки. Переважно, внутрішня периферійна поверхня охоплюючого кругового виступ у представляє першу так звану перехідну частину, вн утрішній діаметр якої поступово зменшується у напрямку від о хоплюючої поверхні упора, а потім другу циліндричну частину, яка має мінімальний внутрішній діаметр. Можна визначити точку з'єднання між перехідною частиною і циліндричною частиною внутрішньої периферійної поверхні охоплюючого кругового виступу. Також переважно, ця точка з'єднання розташована по суті на половині осьової відстані між, з одного боку, кінцем перехідної частини розташованого з боку охоплюючої поверхні упора, а з іншого боку, точкою перетину внутрішньої периферійної поверхні охоплюючого кругового виступ у з конічною поверхнею максимального зсуву. Інші ознаки і переваги даного винаходу будуть краще зрозумілі з наведеного нижче докладного опису з посиланням на прикладені креслення, на яких: - на Фіг.1 зображений схематичний вигляд муфтового нарізного з'єднання відповідно до існуючого рівня техніки в даній області. - на Фіг.2 зображений схематичний вигляд деталі муфтового нарізного з'єднання, показаного на Фіг.1, на рівні охоплюваного та охоплюючого упорів. - на Фіг.3 зображений схематичний вигляд деталі нарізного з'єднання відповідно до даного винаходу. - на Фіг.4 зображений збільшений схематичний вигляд деталі нарізного з'єднання відповідно до даного винаходу, показаної на Фіг.3. - на Фіг.5 зображений схематичний вигляд варіанту деталі, показаної на Фіг.4. - на Фіг.6 зображена діаграма надмірного затягування при згвинчуванні, яка показує значення моменту затягування при згвинчуванні в функції числа обертів аж до виникнення пластичної деформації упорів. На Фіг.1 та 2 показане муфтове нарізне з'єднання, виконане відповідно до існуючого рівня техніки в даній області, між двома сталевими трубами великої довжини 10 і 10’. На кожному кінці труб 10, 10’ виконаний охоплюваний нарізний елемент 11, 11’. При цьому охоплюваний нарізний елемент 11 містить конічну різь 12 і закінчується зі сторони свого вільного кінця охоплюваною кромкою 18. Ця охоплювана кромка 18 містить: - зовнішню периферійну поверхню, на якій виконана охоплювана опорна поверхня герметизації 13, що є конічною і нахиленою, наприклад, під кутом 20° по відношенню до осі XX даного нарізного елемента; - кільцеву упорну поверхню 16 по суті поперечного розташування, утворену фронтальною поверхнею вільного кінця охоплюваного нарізного елемента. Ця охоплювана поверхня упора 16 примикає до охоплюваної опорної поверхні герметизації 13, приєднаної до неї за допомогою тороїдальної поверхні малого радіуса, що має величину порядку одного міліметра для того, щоб не допустити забезпечення ламкості цього з'єднання. Охоплюваний упор 14 у даному прикладі реалізації являє собою так званий зворотний упор або упор з негативним кутом, упорна поверхня 16 якого являє собою увігнуту конічну поверхню, що має половину кута при вершині в 75°, яка утворює, відповідно, кут 15° з перпендикуляром до осі XX; - внутрішню периферійну поверхню 17, що має внутрішній діаметр IDр і виконану за допомогою механічної обробки таким чином, щоб забезпечити збіг осі цієї поверхні 17 з віссю даного охоплюваного нарізного елемента при будь-яких можливих змінах товщини тр уб 10. Ця поверхня 17 з'єднана, з однієї сторони, із звичайною внутрішньою периферійною поверхнею труби 10, а з іншої сторони, з охоплюваною упорною поверхнею 16 в точці В. У даному прикладі реалізації з'єднання труб 10 і 10' виконане за допомогою муфти 20, яка містить два охоплюючих нарізних елемента 21, 21', розташовані симетрично на кожному з кінців цієї муфти 20. Охоплюючі нарізні елементи 21, 21' містять засоби, розташовані таким чином, щоб взаємодіяти з відповідними засобами охоплюваних нарізних елементів 11, 11' для утворення двох трубни х нарізних з'єднань 1 та 1'. Внаслідок повної симетричності даного вузла муфтового з'єднання двох тр уб далі буде описане тільки одне нарізне з'єднання 1. Охоплюючий нарізний елемент 21 містить охоплюючу різь 22, яка відповідає охоплюваній різі 12, причому внутрішня периферійна поверхня цього нарізного елемента містить охоплюючу конічну опорну поверхню герметизації 23 і охоплюючий круговий виступ, забезпечений охоплюючою упорною кільцевою поверхнею 26, яка має по суті поперечне розташування і утворена опуклою конічною поверхнею з половиною кута при вершині, який дорівнює 75°. Охоплююча поверхня упора 26 примикає до охоплюючої опорної поверхні герметизації 23 і з'єднана з нею за допомогою тороїдальної поверхні малого радіуса для того, щоб виключити, як і для охоплюваного нарізного елемента, ламкість в цьому з'єднанні. Точка А визначає зовнішній край охоплюючої упорної поверхні 26 і, отже, кореневу частину охоплюючого кругового виступу з боку охоплюючої опорної поверхні герметизації 23. Цей край співпадає із зовнішнім краєм охоплюваної упорної поверхні 16. У зістикованому положенні даного нарізного з'єднання охоплювана різь 12 загвинчена в охоплюючу різь 22 аж до того моменту, коли охоплюваний упор 14 буде упиратися під певним контактним тиском в охоплюючий упор 24. Поперечне розташування поверхонь упора 16, 26 дозволяє розташувати охоплюваний нарізний елемент 11 по відношенню до охоплюючого нарізного елемента 21, причому їх відносне положення визначається дуже точно за допомогою величини моменту затягування при згвинчуванні. У змонтованому положенні нарізного з'єднання охоплювана опорна поверхня герметизації 13 взаємодіє у радіальному напрямку з охоплюючою опорною поверхнею герметизації 23. Це означає, що для відповідних поперечних перетинів охоплюваної та охоплюючої опорних поверхонь герметизації діаметр охоплюваної опорної поверхні перед згвинчуванням даного нарізного з'єднання трохи перевищує діаметр охоплюючої опорної поверхні. Така взаємодія у радіальному напрямку призводить до виникнення високого контактного тиску між опорними поверхнями герметизації 13, 23. Цей контактний тиск забезпечує виконання даного нарізного з'єднання герметичним по відношенню до внутрішні х або зовнішніх текучих середовищ, незважаючи на різні механічні впливи, що відчуваються ним (наприклад, внутрішній або зовнішній тиск, зусилля розтягування, стиснення, згинальне зусилля, і все це при наявності циклічних змін температури або без таких змін і т.п.), як прості, так і у різних сполученнях. Високий рівень моменту затягування при згвинчуванні нарізного з'єднання є необхідним для того, щоб виключити всіляку можливість повороту охоплюваного нарізного елемента 11 по відношенню до охоплюючого нарізного елемента 21 після остаточного згвинчування, зокрема, у тому випадку, коли колоні труб надають обертального руху в процесі її опускання в свердловину. Цей момент затягування при згвинчуванні забезпечується утворенням осьового тиску металу упорів 14, 24 і він не повинен призводити до пластифікації цих упорів. Крім того, у випадку буріння з відхиленнями напрямку свердловини згинальні напруження викликають надмірні зусилля осьового стиснення на цих упорах нарізних з'єднань. Те ж саме буде відбуватися і у тому випадку, коли сама колона труб зазнає впливу зусиль осьового стиснення і/або циклічних змін температури. У загальному випадку на нарізних з'єднаннях відповідно до існуючого рівня техніки в даній області, як це можна побачити на Фіг.1 і 2, охоплюючий круговий виступ має на своїй вершині внутрішню периферійну циліндричну поверхню 27 з тим самим внутрішнім діаметром, що і внутрішня охоплювана периферійна поверхня 17 охоплюваної кромки 18. Це дозволяє виключити: - виникнення завихрень в потоку текучого середовища, що переміщається всередині даного нарізного з'єднання, зокрема, на стику між охоплюваним нарізним елементом 11 і охоплюючим нарізним елементом 21, при тому, що ці завихрення спричиняють явище ерозійної корозії; - блокування або пошкодження на цьому рівні інструментів або обладнання, що опускаються в процесі експлуатації в дан у колону тр уб. Потрібно зазначити, що в процесі випробувань надмірного затягування при згвинчуванні на нарізних з'єднаннях того типу, який поданий на Фіг.1 і 2, метал кільцевої зони охоплюючого кругового виступу 24 завжди виявлявся пластифікованим раніше, ніж метал охоплюваного упора 14. Це можна пояснити впливом наявності опорної поверхні герметизації, що примикає до упорів, на тривісність механічних напружень, як це показане схематично на Фіг.2. Якщо розглядати елементарний кубик металу 15 охоплюваного упора 14, то цей кубик 15 зазнає впливу сукупності механічних напружень, які можуть бути зведені до трьох основних напружень sАР, sRP і sСР відповідно в осьовому, радіальному та окружному напрямках. Осьове напруження sАР в основному є наслідком моменту затягування при згвинчуванні і являє собою напруження стиснення (негативний знак). Радіальне напруження sRP в основному є результатом радіальної взаємодії між опорними поверхнями герметизації 13, 23 і також являє собою напруження стиснення. Негативний кут зворотних поверхонь 16, 26 упорів намагається посилити вплив радіальної взаємодії опорних поверхонь герметизації на радіальне напруження sRP. Окружне напруження sСР також в основному є наслідком радіальної взаємодії між опорними поверхнями герметизації 13, 23, яке намагається зменшити діаметр охоплюваної кромки таким чином, що окружне напруження sСР також являє собою напруження стиснення, і інтенсивність цього напруження також посилюється внаслідок зворотного розташування упорів 14, 24. Якщо розглядати елементарний кубик металу 25 у кільцевій зоні 24 охоплюючого кругового виступ у, то цей кубик 25 зазнає впливу сук упності трьох основних механічних напружень, таких як: - осьове напруження sАВ, яке також являє собою напруження стиснення (негативна величина); - радіальне напруження sRB, яке в основному є результатом впливу радіальної взаємодії на охоплюючій опорній поверхні герметизації 23 (і додатково впливу зворотної поверхні упора 26), який являє собою напруження розтягування (позитивна величина); - окружне напруження sСВ, яке також є результатом радіальної взаємодії на охоплюючій опорній поверхні герметизації 23 і впливу зворотної поверхні упора 26, який також являє собою напруження розтягування (позитивна величина). Однак, відповідно до відомих теорій пластичності матеріалів, пластична деформація починається в тому випадку, коли еквівалентне механічне напруження, таке як еквівалентне механічне напруження Von Mises, яке являє собою функцію алгебраїчних різниць основних напружень, узятих попарно, стає більш високим, ніж межа пружності матеріалу, що розглядається. Еквівалентне напруження Von Mises є відносно малим для елементарного кубика 15 в охоплюваному упорі 14, оскільки три основних напруження sАР, sRP і sСР мають один і той самий знак. Ці напруження є відносно високими для елементарного кубика 25 в кільцевій зоні охоплюючого кругового виступу 24, оскільки два з цих основних напружень (sRB, sCB) є позитивними (напруження розтягування), тоді як третє основне напруження (sАВ) є негативним (напруження стиснення). Таким чином, забезпечуючи надмірне затягування при згвинчуванні нарізного з'єднання, еквівалентне напруження в елементарному кубику 25 охоплюючого кругового виступу буде здатне перевищити межу пружності матеріалу швидше, ніж еквівалентне напруження в елементарному кубику 15 охоплюваного упора 14. Потрібно зазначити, що переважно або локально збільшити межу пружності металу в кільцевій зоні охоплюючого кругового виступу 24, наприклад, шляхом індукційного загартування або створення попереднього напруження в результаті дробоструминної обробки поверхні, або зменшити еквівалентне напруження на рівні кільцевої зони охоплюючого кругового виступ у 24, що зазнає осьового стиснення, збільшуючи для цього площу поверхні, на яку ці напруження впливають. Беручи до уваги тр уднощі, пов'язані із здійсненням ефективної термічної або механічної обробки всередині нарізної муфти, переважно забезпечити потовщення поперечного перетину охоплюючого кругового виступ у, як це схематично показане на Фіг.3, 4 або 5. Фіг.3 і 4 відрізняються від Фіг.2 тим, що кільцева зона 24 охоплюючого кругового виступ у представляє потовщення з внутрішньої сторони таким чином, щоб мінімальний внутрішній діаметр IDB її внутрішньої периферійної поверхні 27 був меншим, ніж внутрішній діаметр IDр внутрішньої периферійної поверхні 17 охоплюваної кромки 18. Внутрішня периферійна поверхня 27 охоплюючого кругового виступ у являє собою циліндричну-конічну поверхню, що має першу так звану «перехідну» конічну частину 29, розташовану з боку охоплюючої поверхні упора 26, і другу циліндричну частину 30 з діаметром IDB. Конічна поверхня 29 є коаксіальною по відношенню до охоплюючого нарізного елемента, половина кута Q при її вершині становить 30° і її діаметр зменшується по мірі віддалення від охоплюючої поверхні упора 26. Внутрішній діаметр конічної поверхні 29 на її кінці В з боку охоплюючої поверхні упора 26 дорівнює внутрішньому діаметру IDр вн утрішньої периферійної поверхні 17 охоплюваної кромки таким чином, що перехід від охоплюваного нарізного елемента 11 до охоплюючого нарізного елемента 21 здійснюється без зміни внутрішнього діаметра. Кут Q має величину менше 45° для того, щоб обмежити завихрення потоку текучого середовища, що проходить всередині, і зачеплення і блокування інструмента, що опускається в колону тр уб. Далі буде показано, чому необхідно фіксувати нижню межу для величини кута Q. Таким чином, конічна поверхня 29 забезпечує поступове або плавне з'єднання між внутрішньою периферійною поверхнею 17 охоплюваної кромки і циліндричною частиною 30 внутрішньої периферійної поверхні 27 охоплюючого кругового виступ у. Діаметр IDB циліндричної частини 30 внутрішньої периферійної поверхні 27 охоплюючого кругового виступу повинен бути менше величини IDр, оскільки в іншому випадку не буде забезпечене посилення охоплюючого упора 24. При цьому величина діаметра IDB більше або дорівнює 0,9 від величини діаметра IDр для того, щоб зберегти достатній прохідний перетин всередині колони труб. Дійсно, діаметр IDB на рівні менше 0,9 від величини IDр дозволить вставити лише невелику кількість колон труб одна в одну, і така конструкція колони буде при цьому занадто дорого коштува ти. Потрібно зазначити, що недоцільно збільшувати товщин у кільцевої зони 24 охоплюючого кільцевого виступу, зменшуючи діаметр IDB, для якого охоплюючий упор 24 виявляється таким же міцним, як і охоплюваний упор 14. При цьому було встановлено, що відношення R між величинами IDB і IDр повинно 1 7 - 0,7S 2 , 1 2 - 0,2S 2 , 1 3 - 0,3S 2 , входити в межі від до і, переважно, повинне дорівнювати , причому тут S дорівнює відношенню ODA/ IDр і ODA являє собою діаметр зовнішнього краю поверхні 16 охоплюваного упора. У цьому випадку цей діаметр дорівнює діаметру, що проходить через точку А, розташовану у кореневій частині охоплюючого кругового виступу 24. При цьому значення R в діапазоні від 0,95 до 0,98 одержані з урахуванням звичайних значень IDр і ODA. Переважно, діаметр IDB перевищує так званий діаметр «drift», що визначається нормами АРІ або виробниками трубних нарізних з'єднань заданого розміру, причому контроль цього діаметра «drift» полягає у переміщенні оправки заданого діаметра в з'єднаних між собою трубах для того, щоб переконатися в тому, що дана колона труб дозволяє опустити різні інструменти аж до діаметра, заданого цими трубами, без ризику блокування цих інструментів в тр убах. Вн утрішній діаметр труб 10, 10', зокрема, діаметр їх звичайної частини, внаслідок цього повинен перевищува ти цей діаметр «drift». Крім того, було встановлено, що, як це можна побачити на Фіг.3, не є корисним, щоб потовщення кругового виступ у проходило по всій осьовій довжині внутрішньої периферійної поверхні 27. Дійсно, було встановлено, що ділянка кільцевої зони охоплюючого кільцевого виступ у 24, що найбільше деформується, являє собою конічну поверхню 32, коаксіальну по відношенню до охоплюючого нарізного елемента, проходячи через точку А у кореневій частині охоплюючого кругового виступу з боку о хоплюючої опорної поверхні 23, з половиною кута при вершині, яка дорівнює приблизно 45°, і яка має діаметр, який зменшується в кільцевій зоні охоплюючого кругового виступу 24 по мірі віддалення від поверхні упора 26. Деформації, що виникають вздовж цієї конічної поверхні, являють собою деформації зсуву, причому ці напруження зсуву можуть бути мінімізовані шляхом виконання мінімального внутрішнього діаметра IDB в точці перетину D між цією так званою конічною поверхнею 32 максимального зсуву і вн утрішньою периферійною поверхнею 27 охоплюючого кругового виступ у. Таким чином, якщо кут Q конічної поверхні 29 менше 15°, можливо, що цей конус максимального зсуву 32 буде перетинати внутрішню периферійну поверхню 27 в її конічній частині 29, де її діаметр не є мінімальним внутрішнім діаметром IDB, внаслідок чого циліндрична частина 30, що має діаметр IDB, виявляється потовщеною. З цієї точки зору кут Q величиною порядку 30°, і навіть більше, є переважним. Тому, переважно, щоб точка С з'єднання між поверхнями 29 і 30 була розташована по суті на половині осьової відстані між точками В і D. На Фіг.5 схематично показаний варіант конструкції, показаної на Фіг.4, в якому перехідна частина не є конічною поверхнею, але являє собою тороїдальну поверхню 39, коаксіальну по відношенню до охоплюючого нарізного елемента. Ця тороїдальна поверхня 39 являє собою в подовжньому розрізі, показаному на Фіг.5, дугу кола: - яка має радіус порядку 10мм; - центр якої направлений в товщину матеріалу охоплюючого нарізного елемента; - яка проходить через точку В з'єднання з внутрішньою периферійною поверхнею 17 охоплюваної кромки; - дотична до якої в точці В утворює кут 30° з віссю XX з'єднаних нарізних елементів, тобто з твірною внутрішньої периферійної поверхні 17; - яка примикає по дотичній в точці С до циліндричної частини 30 внутрішніх периферійних поверхні 27 охоплюючого кругового виступ у. Така тороїдальна поверхня також забезпечує плавне з'єднання між внутрішньою периферійною поверхнею 17 і циліндричною частиною 30 з внутрішнім діаметром IDB таким чином, щоб кут дотичної до неї в точці В з віссю XX мав величину в діапазоні від 15° до 45°. Інші форми перехідної частини внутрішньої периферійної поверхні 27, що поступово змінюються, охоплюючого кругового виступу також можливі, наприклад, можливе використання системи з двох тороїдальних поверхонь, що примикають одна до одної і дотичні між собою, які мають протилежну кривизну, причому одна з цих поверхонь є дотичною в точці В до внутрішньої периферійної поверхні 17, а інша є дотичною в точці С до циліндричної поверхні 30. Не виходячи за рамки даного винаходу, опорні поверхні герметизації можуть не примикати безпосередньо до упорних поверхонь 16, 26: на Фіг.2-5 показані тороїдальні поверхні з'єднання малого радіуса між опорними поверхнями герметизації 13, 23 і відповідними упорними поверхнями 16, 26. При цьому інші типи поверхонь можуть забезпечити це з'єднання, не виходячи за рамки даного винаходу, оскільки радіальна взаємодія на рівні опорних поверхонь герметизації спричиняє появу радіальних та окружних напружень розтягування в кільцевій зоні охоплюючого кругового виступу. Даний винахід може застосовуватися у численних конфігураціях нарізних з'єднань, серед яких: - інтегральні або муфтові нарізні з'єднання; - нарізні з'єднання для труб малого або великого діаметра (наприклад, експлуатаційні труби або обсадні труби); - нарізні з'єднання із зовнішньою парою упорів (охоплюючий упор виконаний на вільному кінці охоплюючого нарізного елемента) або декількома комплектами упорів; - нарізні з'єднання як з конічними, так і з не конічними опорними поверхнями герметизації, які мають, наприклад, тороїдальну форму на обох нарізних елементах, або ж тороїдальну форму на одному нарізному елементі і конічну форму на протилежному нарізному елементі; - нарізні з'єднання з прямими (плоскими) поверхнями упора або поверхнями упора, розташованими під негативним кутом; у випадку так званих зворотних упорів або упорів, розташованих під негативним кутом, іноді виявляється переважним в цьому останньому випадку, щоб величина кута нахилу ци х упорів по відношенню до перпендикуляра до осі XX з'єднаних між собою нарізних елементів не перевищувала 20° і переважно мала величину в діапазоні від 5° до 10°; - нарізні з'єднання з конічними або циліндричними різями, простими або багатоступінчастими; - нарізні з'єднання з витками різі різних форм, наприклад, з витками, що мають трикутну, круглу або трапецієподібну форму; - нарізні з'єднання з витками змінної ширини. Приклади реалізації Приклад 1 Були здійснені випробування згвинчування і розгвинчування на двох групах нарізних з'єднань типу VAM ТОРÒ відповідно до каталога VAMÒ №940, виданого в липні 1994 року корпорацією Vallourec Oil & Gas, в таких умовах: - зовнішній діаметр труб: 177,8мм (7дюймів), - товщина стінок труб: 10,36мм (29фунтів на фут), - зовнішній діаметр на охоплюваному кінці (ODA): 170,8мм, - внутрішній діаметр охоплюваної кромки (IDр): 161,3мм, - діаметр «drift»: 153,90мм (6,059дюймів), - якість труб типу API L80 (межа пружності більше або дорівнює 552МПа). Стандартна випробувальна група Р нарізних з'єднань відповідає нарізному з'єднанню, показаному на фіг. 2, і має внутрішній охоплюючий діаметр IDB зони охоплюючого кругового виступ у, який дорівнює охоплюваному вн утрішньому діаметру IDp. Випробувальна група Q нарізних з'єднань була модифікована відповідно до даного винаходу і відповідає схемі, поданій на Фіг.5: посилення охоплюючого упора в цій групі Q виражається за допомогою діаметра IDB циліндричної частини 30, що становить 156,2мм, який перевищує діаметр «drift». При цьому перед циліндричною частиною 30 розташована тороїдальна частина 39, яка має радіус 10мм, таким чином, щоб точка D перетину конуса 32 максимального зсуву з внутрішньою охоплюючою периферійною поверхнею 27 знаходилася на рівні циліндричної частини 30, що має діаметр IDB. Величина відношення R=IDB/IDр дорівнює 0,97 для випробувальної групи Q і знаходиться всередині інтервалу (0,96-0,99), що визначається пунктом З формули винаходу, якщо фати до уваги величину ODA. Протягом цих випробувань згвинчування і розгвинчування реєструвався момент затягування при згвинчуванні в функції числа обертів згвинчування, і забезпечувалося поступове збільшення рівня максимального моменту в кожному випробуванні згвинчування циклу, що відноситься до однієї і тієї ж групи нарізних з'єднань, аж до одержання пластифікації упорів. У всіх цих випробуваннях згвинчування і розгвинчування витки різі, опорні поверхні герметизації і поверхні упорів зазнавали попереднього покриття мастилом типу API 5 A2. На Фіг.6 показана крива зміни моменту затягування при згвинчуванні Т в функції числа обертів N для останнього випробування згвинчування нарізного з'єднання з групи Q. Як можна побачити на цій діаграмі, момент затягування різко зростає і крива підіймається по суті вертикально після точки Е (момент затягування ТЕ), яка відповідає механічному з'єднанню упорів. Цей різкий підйом моменту затягування відбувається по суті лінійно і продовжується аж до точки F (момент затягування TF). Після цієї точки F (нелінійна частина кривої) починається пластична деформація щонайменше одного з упорів. При цьому величина Topt відповідає необхідній величині моменту затягування при згвинчуванні. Ця величина знаходиться між величинами ТЕ і TF. Таблиця 1 Результати моменту затягування при згвинчуванні Момент затягування ТЕ Topt TF TF-TE Група Р (Н.м) 3300 12740 21200 17900 Група Q (Н.м) 8100 36600 28500 На основі величин, наведених в таблиці 1, необхідно зазначити, що величина (TF-ТЕ), яка являє собою частину моменту затягування при згвинчуванні, яка витримується упорами, виявляється значно збільшеною (+60%) у випадку нарізних з'єднань відповідно до даного винаходу з гр упи Q в порівнянні з нарізними з'єднаннями з групи Р відповідно до існуючого рівня техніки. Приклад 2 Були проведені випробування нарізних з'єднань двох розмірів А і В, відповідних типу VAMÒ АСЕ якості L80 відповідно до каталога VAMÒ , згаданого в прикладі 1. Характеристики зразків, що зазнавали випробувань, наведені в таблиці 2. Таблиця 2 Випробувані зразки Зразок Корпус труби Охоплювана кромка Муфта Зовнішній діаметр Товщина Довжина Внутрішній діаметр (IDр) Зовнішній діаметр кінця (ODA) Зовнішній діаметр Внутрішній діаметр ГОВ Довжина Діаметр «drift» Матеріал Необхідний момент затягування при згвинчуванні (Topt) (*) Тип А В 244,48мм (9"5/8) 88,90мм (3"1/2) 13,84мм (53,5ф/фт) 6,45мм (9,2ф/фт) 800мм 800мм 220,09мм 77,96мм 235,37 83,88 266,24мм 98,80мм 219,79мм 77,66мм 340мм 215мм 212,83мм (8,379") 72,82мм (2,867") Безшовна труба з вуглецевої сталі з межею пружності >552Мра 21575Н.м 3825Н.м (*) з використанням мастила типу АРІ 5А2 У таблиці 3 наведені виміряні значення внутрішнього діаметра перед і після виконання згвинчування нарізного з'єднання з моментом затягування Topt . З цієї таблиці можна бачити, що внутрішній діаметр IDB у всіх випадках перевищує діаметр «drift» (див. таблицю 2) як для стандартних нарізних з'єднань (A3, В3), так і для нарізних з'єднань, модифікованих відповідно до даного винаходу (A1, А2, В1, В2). Результати вимірювання внутрішнього діаметра Таблиця 3 Внутрішній діаметр, що охоплюється IDр (мм) Внутрішній охоплюючий діаметр IDB (мм) Кут конічної Номер скошеної Класифікація зразка Перед Після Перед Після Перед Після кромки згвинчуванням згвинчування згвинчуванням згвинчування згвинчуванням згвинчування (*) Даний A1 220,09 219,56 213,89 214,08 0,972 0,975 35° винахід Порівняльний А2 10° приклад Існуючий A3 219,58 219,79 220,00 0,999 У1,002 рівень техніки Даний В1 77,96 77,67 73,66 73,83 0,945 0,951 35° винахід Порівняльний В2 10° приклад Існуючий В3 77,68 77,66 77,84 0,996 1,002 рівень техніки Відношення R (=IDB/IDp) (*) - (позиція 29 на Фіг.4) а) В таблиці 4 представлені результати випробування надмірного затягування при згвинчуванні аж до пластифікації, причому витки різі, опорні поверхні герметизації і поверхні упора були покриті мастилом типу API 5A2. Таблиця 4 Результати випробувань надмірного затягування при згвинчуванні Зразок № A1 А2 A3 В1 В2 В3 Випробування на надмірне згвинчування Момент TF пластифікації(Н.м) Візуальний огляд упора і кругового виступ у 96079 Відсутня пластична деформація і заїдання 71905 Пластична деформація охоплюючого упора Пластична деформація охоплюючого упора і охоплюваного кінця 68317 (точка А) 8414 Заїдання без пластичної деформації охоплюючого упора 6100 Пластична деформація охоплюючого упора 4952 Пластична деформація охоплюючого упора Результати випробувань надмірного затягування при згвинчуванні класифіковані в порядку убування по відношенню, зокрема, до критеріїв моменту затягування TF і зовнішнього вигляду упорів та кругови х виступів: 1) посилений охоплюючий упор з конічною кромкою, скошеною під кутом 35° (випробування A1, B1); 2) посилений охоплюючий упор з конічною кромкою, скошеною під кутом 10° (випробування А2, В2); 3) стандартний охоплюючий упор (випробування A3, В3). Величина моменту затягування TF, у випадках A1 і В1, на величину від 40% до 70% перевищує величину моменту затягування на стандартному нарізному з'єднанні. Вона також на рівні від 5% до 23% перевищує величину моменту затягування на стандартному нарізному з'єднанні у випадках А2 і В2. Найкращі результати, одержані для нарізних з'єднань з конічною кромкою, скошеною під кутом 35°, в порівнянні з результатами, одержаними для нарізних з'єднань з конічною кромкою, скошеною під кутом 10°, можна пояснити відносним положенням точок С і D, показаних на Фіг.4. У випадку нарізних з'єднань A1 і В1 точка D, показана на Фіг.4, розташована далі від точки С по відношенню до точки В, тобто в зоні постійного і мінімального діаметра IDB, що не відповідає випадку нарізних з'єднань А2 і В2, згідно з даними, наведеними в таблиці 5. Таблиця 5 Відносне положення точок С і D Зразок Кут кромки A1 А2 В1 В2 35° 10° 35° 10° Осьова відстань ВС (мм) BD (мм) 4,4 12,8 17,6 11,8 3,1 5,9 12,2 4,6 BC/BD IDВ/IDp (*) IDB/IDp 0,4 1,5 0,5 2,7 0,972 0,981 0,945 0,979 0,972 0,972 0,945 0,945 (*) ID D = внутрішньому діаметру в точці D У випадку випробувань А1 і В1 точка С розташована приблизно на половині осьової відстані між точками В і D. b) Випробування на крутіння при внутрішньому тиску. Подібні нарізні з'єднання серій А і В були заздалегідь згвинчені при необхідному значенні моменту затягування при згвинчуванні (Topt), вказаному в таблиці 2. Ці нарізні з'єднання потім були піддані комбінованому механічному впливу, призначеному для імітації опускання в свердловину з обертанням з'єднаних між собою труб, прикладаючи до них одночасно: a) внутрішній тиск величиною 43,7МПа для зразків A1-А3 і величиною 56,0МПа для зразків В1-В3, причому такий рівень внутрішнього тиску спричиняє напруження в тілі труб, яке становить 80% від мінімальної визначеного специфікаціями межі пружності (552МПа, як це вказане в таблиці 2); b) момент крутіння, що змінюється. У таблиці 6 наведені значення моменту затягування при згвинчуванні Тl, при яких відповідні нарізні з'єднання починають давати течу. Таблиця 6 Результати випробувань на крутіння під внутрішнім тиском № Зразка A1 А2 A3 В1 B2 В3 Величина моменту витоку Тl (Н.м) 93182 76068 71406 11807 8816 8149 Потрібно зазначити, що максимальний момент крутіння перед початком витоку Тl виявляється трохи збільшеним (менше, ніж на 10%) для посилених упорів з кромкою, скошеною під кутом 10° (зразки А2, В2), в порівнянні з еталоном, виконаним відповідно до існуючого рівня техніки (зразки A3, В3). Проте цей максимальний момент крутіння до початку витоку зростає на величину від 30% до 45% для посилених упорів з кромкою, скошеною під кутом 35° (зразки A1, B1). с) Циклічні випробування згвинчування і розгвинчування. Випробувальний зразок A1 був підданий 10 послідовним циклам згвинчування і розгвинчування з використанням моменту затягування при згвинчуванні, який в 1,5 рази перевищував необхідний момент затягування при згвинчуванні, наведений в таблиці 2. Ніяких проблем не виникло при дослідженні реєстрації моменту згвинчування і розгвинчування і випробувані зразки не мали при візуальному огляді ніяких пошкоджень після здійснення цих 10 циклів випробувань згвинчування і розгвинчування.