Нарізне з’єднання для з’єднання сталевих труб

1. Нарізне з'єднання для з'єднання сталевих труб, що має ніпель, який має зовнішню різь, і муфту, яка містить внутрішню різь, причому зовнішня різь і внутрішня різь є конічними різями, що містять щонайменше ділянку повної різі, при цьому різь на ділянці повної різі, яка має приблизно трапецеїдальну форму різі, містить вершину, навантажувальну бічну сторону і стикувальні бічні сторони профілю різі, при цьому витки різі відділені один від одного западиною профілю різі, яке відрізняється тим, що - щонайменше частина різі на ділянці повної різі або муфти, або ніпеля першого трубного елемента має двоступеневу стикувальну форму, що містить стикувальну бічну сторону профілю різі з фаскою; - згадана двоступенева стикувальна форма має стикувальний кут нахилу α бічної сторони профілю різі, що становить 5-45°, і кут фаски β, що становить 20-60°, і відповідає будь-якій з наступних умов (1) або (2): (1) відношення h/H висоти h фаски двоступеневої стикувальної форми до висоти різі Н ніпеля становить від 0,25 до 0,50; або (2) задовольняється наступна нерівність (3): h  z1  sin   h'   y  sin / 2   / 2 … (1) cos   h x '   x  sin   y  sin / 2   / 2 … (2) cos  2 (19) 1 3 96796 4 ніпель і муфта, кожний елемент, містять різі, а також ущільнювальну поверхню, виконану на периферичній поверхні біля різі, і поверхню заплечика, що містить кінцеву поверхню одного з елементів - ніпеля або муфти, і поверхню іншого елемента, що контактує з кінцевою поверхнею. 8. Нарізне з'єднання для з'єднання сталевих труб за будь-яким з пп. 1-6, де контактуючі поверхні ніпеля або муфти щонайменше першого трубного елемента мають двоступеневу стикувальну форму, яка містить щонайменше один тип покриття для оброблення поверхні, що вибирається з: гальванічного покриття, фосфатного покриття, твердого змащувального покриття, напівтвердого змащувального покриття і в'язкого рідкого змащувального покриття. Даний винахід стосується нарізного з'єднання, призначеного для використання при з'єднанні сталевих труб, наприклад, нафтогазопромислових і трубопровідних труб (НГПТТ), що містять колони і обсадні труби, використовувані при пошуковорозвідувальних роботах, при бурінні нафтових і газових свердловин і при видобуванні сирої нафти і природних газів, при збиранні секцій водовідділювальних колон, при прокладенні трубопровідних труб і т.п. Зокрема винахід стосується нарізного з'єднання для з'єднання сталевих труб, за допомогою якого забезпечують можливість легкого заведення ніпеля в похилому стані, і яке має дуже високий опір заїданню з нарізних ділянок. Нарізне з'єднання для з'єднання сталевих труб являє собою з'єднання ніпеля, що є елементом, забезпеченим зовнішньою різзю, виконаною на кінцевій ділянці першого трубного елемента, і муфти, що є елементом, забезпеченим внутрішньою різзю, виконаною на кінцевій ділянці другого трубного елемента. З'єднання виконують за допомогою нарізного спряження зовнішньої різі і внутрішньої різі, які (обидві) звичайно є конічними різями. Звичайно перший трубний елемент є трубою, наприклад, нафтогазопромисловою трубою або трубопровідною трубою, а другий трубний елемент є окремим елементом у формі муфти. (Цей тип нарізного з'єднання сталевих труб називають з'єднанням муфтового типу). У цьому конструктивному виконанні зовнішня різь виконана на обох кінцях труби, а внутрішня різь виконана з обох сторін муфти. Інший тип нарізного з'єднання сталевих труб є інтегральним типом, в якому не використовують муфту, і в якому зовнішня різь виконана на зовнішній поверхні одного кінця труби, а внутрішня різь виконана на внутрішній поверхні іншого кінця труби. У цьому типі нарізного з'єднання перший трубний елемент є першою трубою, а другий трубний елемент є другою трубою. Раніше нафтогазопромислові і трубопровідні труби з'єднували, в основному використовуючи стандартні нарізні з'єднання, регламентовані стандартами Американського інституту нафтової промисловості (АІНП). Однак в останні роки, в міру того, як умови навколишнього середовища в регіонах видобування і виробництва сирої нафти і природного газу стають все більш суворими, все в більшому масштабі використовують спеціальні нарізні з'єднання з поліпшеними робочими характеристиками, які називаються нарізними з'єднаннями підвищеної якості. У нарізному з'єднанні підвищеної якості кожний з елементів - ніпель і муфта - в доповнення до конічної різі, за допомогою якої забезпечують можливість щільного затягнення нарізного з'єднання, забезпечений ущільнювальною поверхнею, виконаною на його периферичній поверхні біля різі, і поверхнею заплечика, яка служить як упорна поверхня під час згвинчування. З'єднання проектують таким чином, щоб забезпечувався радіальний натяг між ущільнювальними поверхнями ніпеля і муфти. Якщо з'єднання затягують доти, поки поверхні заплечиків ніпеля і муфти не впираються одна в одну, ущільнювальні поверхні цих елементів щільно стикаються одна з одною по всій периферії з'єднання і утворюють ущільнення за допомогою прямого контакту метал-метал. Поверхні заплечиків не тільки діють як прилягаючі упори під час згвинчування, але також сприймають стискувальне навантаження, що впливає на з'єднання. На фіг. 1 представлений схематичний пояснювальний вигляд нарізного з'єднання сталевих труб муфтового типу, що є типовим з'єднанням підвищеної якості. На цьому кресленні знаком (А) позначений загальний вигляд з'єднання, а знаком (В) ділянка цього з'єднання в збільшеному масштабі. Як показано на фіг. 1(В), нарізне з'єднання для з'єднання сталевих труб містить: ніпель 1, що є елементом із зовнішньою різзю, виконаною на кінці труби; і муфту 2, що є відповідним елементом з внутрішньою різзю, виконаною з обох сторін муфти. На зовнішній поверхні ніпель 1 містить зовнішню конічну різь 11 і прилягаючу ненарізну циліндричну ділянку, яка називається "виступом" (далі який називається "виступаючою ділянкою") 12, виконаним на його кінці, що межує із зовнішньою різзю 11. Виступаюча ділянка 12 містить ущільнювальну поверхню 13 на її зовнішній периферичній поверхні і (затяжну) поверхню 14 заплечика на його кінцевій поверхні. Протистояча муфта 2 містить: внутрішню конічну різь 21; ущільнювальну поверхню 23 і поверхню 24 заплечика, яка може бути спряжена із зовнішньою конічною різзю 11 або може упиратися в неї, може бути спряжена з металевою ущільнювальною поверхнею 13 і поверхнею 14 заплечика ніпеля 1, відповідно. Деяка кількість витків внутрішньої різі на кінці муфти (в проілюстрованому прикладі - чотири витки) є неспряжуваними витками, які не повністю спряжуються з різзю ніпеля. У цьому випадку деяка кількість витків відповідної зовнішньої різі на внутрішньому кінці ніпеля є неповними витками, які не мають бажану форму зовнішньої різі, яка потребується для повного спряження з внутрішньою різзю. Наявність неповних витків різі в цьому місці або на ніпелі, або в муфті, або в обох елементах необхідна для згла 5 дженого заведення ніпелів під час згвинчування. У деяких з'єднаннях зовнішня різь на кінцевій стороні біля ущільнювальної поверхні ніпеля є неповною різзю, яку не спряжують з внутрішньою різзю муфти. Як показано на кресленні, виступаюча ділянка, що містить поверхню заплечика як кінцеву поверхню, звичайно виконують на кінці ніпеля, але також можна виконувати виступаючу ділянку на кінці муфти або передбачати їх на кінцях обох елементів ніпеля і муфти. На фіг. 2 представлений схематичний вигляд для пояснення форми і розмірів трапецеїдальної різі, до якої відноситься і є типовою упорна різь згідно із стандартами АІНП. Як і на фіг. 1, позицією 11 позначена зовнішня різь, а позицією 21 - внутрішня різь. Різі, використовувані для виконання з'єднань підвищеної якості, в основному є трапецеїдальними різями, що копіюють цю упорну різь згідно зі стандартами АІНП. У багатьох видів різі відношення висоти до довжини, кути нахилу бічних сторін різі (кути нахилу бічних поверхонь або бічних сторін різі) і подібні параметри є майже точними копіями параметрів упорної різі згідно зі стандартами АІНП. У разі використання упорної різі згідно зі стандартами АІНП, що має крок різі, який дорівнює 5 виткам на дюйм (5 1/дюйм), висота різі 74 (див. фіг. 2), що є висотою вершини профілю зовнішньої різі, яка дорівнює 1,575 мм; кут нахилу 71 бічної сторони профілю різі (кут нахилу навантажуваної бічної сторони профілю різі) навантажуваної бічної сторони профілю різі (що є бічною поверхнею профілю різі із задньої сторони відносно напрямку заведення ніпеля) дорівнює 3°; кут нахилу 72 бічної сторони профілю різі (стикувальний кут нахилу бічної сторони профілю різі) стикувальної бічної сторони профілю різі (що є бічною поверхнею профілю різі з передньої сторони відносно напрямку заведення ніпеля) дорівнює 10°; а середня величина зазору 73 в осьовому напрямку з'єднання між стикувальними бічними сторонами профілю зовнішньої різі і внутрішньої різі (зазор між стикувальними бічними сторонами профілю різі) приблизно становить 100 мкм (30-180 мкм). Коли домінуючими були вертикальні свердловини, нарізні з'єднання сталевих труб могли адекватно функціонувати, якщо з'єднання могло витримувати розтягувальне навантаження, що створювалося вагою труб, приєднаних до даної труби, і запобігати витоку рідини під високим тиском, яка пропускається через внутрішню порожнину колони. Однак в останні роки, у світлі того, що свердловини бурять все глибше, і збільшується кількість похилих або горизонтальних свердловин, стовбури яких зігнені під землею, збільшується кількість свердловин, які бурять в складних умовах навколишнього середовища, наприклад, в океанах або приполярних областях, потрібно, щоб нарізні з'єднання мали широкий набір властивостей, які включають опір стисненню, опір вигину, ущільнення, що протистоїть зовнішньому тиску, легкість використання в умовах експлуатації. При дослідженні форм різі нарізного з'єднання сталевих труб було встановлено, що у вказаному 96796 6 нижче патентному документі 1 описане нарізне з'єднання для з'єднання сталевих труб, в якому різям обох елементів - ніпеля і муфти, тобто зовнішній різі і внутрішній різі, придана двоступенева форма стикувальних ділянок, що містила фаски, виконані шляхом видалення зони між вершиною профілю різі і стикувальною бічною стороною профілю різі вздовж прямої або закругленої лінії. Забезпечена фаскою ділянка діє як контактна поверхня, яка є першою зоною, яка повинна вступити в контакт при заведенні ніпеля в муфту. Призначенням цієї контактної поверхні є сприяння заведенню за допомогою контакту контактуючих поверхонь ніпеля і муфти, якщо ніпель і муфта зміщені в осьовому напрямку при заведенні ніпеля в муфту. У вказаному нижче патентному документі 2 описане подібне трубне з'єднання. А саме, на стикувальних бічних сторонах профілів різі обох елементів - ніпеля і муфти - виконують кутові фаски. Коли ніпель заводять у муфту, кутові фаски спряжуються одна з одною і сприяють заведенню ніпеля. В обох патентних документах 1 і 2 передбачене запобігання зміщенню кута заведення і сприяння заведенню шляхом створення контакту між ніпелем і муфтою у зоні ділянок, забезпечених фаскою, між стикувальними бічними сторонами профілів і вершинами профілів різі. Відповідно до цього фаски необхідні в обох елементах - ніпелі і муфті, і ефект, передбачуваний не спостерігається, якщо фаска виконана тільки на одному з двох елементів. У вказаному нижче патентному документі 3 запропоноване нарізне з'єднання для з'єднання сталевих труб, яке називається "циліндричноконічним трубним з'єднанням". Воно містить повну різь в циліндричній нарізній зоні і неповну різь в усіченій конічній нарізній зоні. У муфті, в стикувальних бічних сторонах профілю різі тільки неповних витків різі виконують двоступеневу стикувальну форму, в якій скіс, що становить 45°, має висоту, яка приблизно становить половину висоти різі, таким чином сприяючи заведенню ніпеля. Однак такий великий скіс не виконують відносно повних витків різі, де зовнішня різь ніпеля спряжується з внутрішньою різзю муфти. Крім того, нарізне з'єднання, запропоноване в цьому документі, створене для паралельних різей, а не для конічних різей. У вказаному нижче патентному документі 4 виконане нарізне з'єднання для з'єднання сталевих труб, що містять виступаючу ділянку 15, як це показано на фіг. 3, прикладеної до даного опису, передбаченої між ущільнювальною поверхнею 13 і поверхнею 14 заплечика в кінці ніпеля. Виступаюча ділянка 15 ніпеля 1 не контактує з протилежною ділянкою муфти 2. З іншої сторони, ущільнювальні поверхні 13 і 23 і поверхні 14 і 24 заплечиків ніпеля і муфти контактують одна з одною. За допомогою випускання виступаючої ділянки ніпеля і забезпечення неконтактуючої ділянки 15, виступаючого за ущільнювальні поверхні, товщина стінки виступаючої ділянки в обмеженій товщині стінки труби і, відповідно, товщина стінки поверхонь заплечиків і 7 ущільнювальних поверхонь може бути збільшена, і опір стисненню нарізного з'єднання труб і його здатність до ущільнення по відношенню до зовнішнього тиску можуть бути суттєво збільшені. Патентний документ 1-WO 92/15815; Патентний документ 2 патент США № 6322110; Патентний документ 3 - патент США № 4398756 (див. фіг. 5); Патентний документ 4-WO2004/109173. Задачею даного винаходу є створення нарізного з'єднання для з'єднання сталевих труб, при застосуванні якого забезпечується можливість легкого заведення ніпеля в муфту, навіть коли ніпель нахилений, і мала імовірність заїдання стикувальних бічних сторін профілю різі ніпеля і муфти під час згвинчування. Згідно з даним винаходом вищеописана задача може бути досягнута шляхом виконання суттєвої фаски, яка задовольняє попередньо задані умови, на стикувальних бічних сторонах витків спряжуваної різі (повної різі) на будь-якому одному з елементів - ніпелі або муфті - для одержання двоступеневих стикувальних бічних сторін профілю різі. Якщо фаска виконана на стикувальних бічних сторонах профілю різі обох елементів - ніпеля і муфти, як це запропоновано у вищеописаних патентних документах 1 і 2, то, хоча заведення ніпеля стає більш легкою операцією, вартість оброблення збільшується, а стабільність виконання різі знижується. В результаті, якщо стискувальні навантаження стають високими, то достатню силу затягування більше не можна забезпечити, що приводить до зменшення опори стисненню. У протилежність цьому, завдяки тому, що згідно з даним винаходом фаску формують на стикувальних бічних сторонах профілю різі тільки одного елемента - ніпеля або муфти, може бути досягнуте полегшення заведення ніпеля, і, в той же самий час, завдяки виконанню фаски можуть бути зменшені до мінімуму несприятливі ефекти, що впливають на стабільність виконання нарізного з'єднання і на опір стисненню. Даний винахід стосується нарізного з'єднання сталевих труб, що містить ніпель, який є трубним елементом, що містить зовнішню різь, і муфту, яка є трубним елементом, що містить внутрішню різь, де зовнішня різь і внутрішня різь є конічними різями, що містять щонайменше ділянку повної різі і, необов'язково, ділянка неповної різі; де різь щонайменше на ділянці повної різі має приблизно трапецеїдальну форму різі, яка містить вершину, що навантажує бічну сторону профілю різі і стикувальну бічну сторону профілю різі, де витки різі відділені один від одного западинами профілю різі. Під терміном "приблизно трапецеїдальна форма різі" розуміють, що форма різі є трапецеїдальною, якщо не зважати на конусність конічної різі. У нарізному з'єднанні сталевих труб згідно з даним винаходом щонайменше частина витків різі на ділянці повної різі або муфти, або ніпеля має двоступеневу стикувальну форму, що містить стикувальну бічну сторону профілю різі з фаскою. 96796 8 Двоступенева стикувальна форма містить стикувальний кут нахилу  бічної сторони профілю різі, який становить 5°-45°, і кут фаски , який становить 20°-60°, і відповідає будь-якій з наступних умов (1) або (2): (1) відношення h/H висоти h фаски двоступеневої стикувальної форми до висоти різі Н ніпеля становить від 0,25 до 0,50 (тобто 0,25