Нарізне з’єднання сталевих труб

Реферат: Нарізне з'єднання для сталевих труб містить ніпель (1) і муфту (2). Ніпель має зовнішню різь (11) і кінцеву ділянку (12), яка містить ущільнювальну поверхню (13) і передню ділянку (16) з поверхнею заплечика. Муфта має внутрішню різь (21), ущільнювальну поверхню (23) і поверхню заплечика. Поверхня заплечика ніпеля містить дві явно різні суміжні поверхні основний заплечик (14) на внутрішній стороні і додатковий заплечик (15) на зовнішній стороні. Відповідно, поверхня заплечика муфти містить дві різні суміжні поверхні - основний заплечик (24) на внутрішній стороні і додатковий заплечик (25) на зовнішній стороні. Поверхні основних заплечиків ніпеля і муфти розташовані таким чином, щоб перешкоджати радіальній деформації кінця кінцевої ділянки всередину, а поверхні додаткових заплечиків ніпеля і муфти розташовані UA 98016 C2 (12) UA 98016 C2 таким чином, щоб обмежувати радіальну деформацію кінця кінцевої ділянки назовні. Основний заплечик ніпеля має більший радіальний розмір, ніж додатковий заплечик ніпеля, і щонайменше поверхня основного заплечика ніпеля знаходиться в осьовому приляганні з щонайменше відповідною поверхнею основного заплечика муфти. UA 98016 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Даний винахід стосується нарізних з'єднань, використовуваних при з'єднанні сталевих труб, таких як труби нафтового сортаменту, які включають в себе труби і обсадні труби, що застосовуються, головним чином, в нафтових свердловинах і газових свердловинах на етапі пошукових робіт і експлуатації, труби для піднімання інструментів, труби для лінійних трубопроводів і до них подібні. Більш конкретно, даний винахід стосується нарізного з'єднання для сталевих труб, такого типу, яке, в доповнення до нарізної ділянки, має ущільнювальну поверхню і поверхню заплечика і має чудові герметизувальні властивості при впливі внутрішнього і зовнішнього тиску і чудовий опір тиску при багаторазових впливах комбінованих навантажень. Технологія, використовувана для з'єднання сталевих труб, застосовуваних в нафтодобувній промисловості, таких як труби нафтового сортаменту, труби для піднімання приладів і трубопровідні труби, включає використання нарізних з'єднань. Нарізні з'єднання для сталевих труб утворені ніпелем, що має зовнішній нарізний елемент, виконаний на кінці першого трубчастого елемента, і муфтою з внутрішнім нарізним елементом, виконаним на кінці другого трубчастого елемента. З'єднання стягується зчепленням зовнішньої різі і внутрішньої різі. Стандартні нарізні з'єднання регламентовані стандартами Американського інституту нафти (АНІ), але останнім часом вимоги до збереження навколишнього середовища при розвідці й видобутку сирої нафти і природного газу стали більш жорсткими. В результаті, збільшується використання спеціальних високоякісних з'єднань, які називаються з'єднаннями класу «преміум», які стандартами АНІ не передбачені. У типовому з'єднанні класу «преміум» в додання до конічної різі для міцного з'єднання сталевих труб, ніпель і муфта мають ущільнювальні поверхні, які можуть утворювати ущільнення «метал-з-металом» для забезпечення герметизувальних характеристик, а також поверхні заплечиків затягування, призначені для функціонування як упорів при стягуванні (фіксації) з'єднання. Раніше, оскільки домінуючими були вертикальні свердловини, було достатньо, щоб нарізне з'єднання труби нафтового сортаменту могло протистояти навантаженню на розтягнення, зумовленому вагою труб, а також виключало протікання текучого середовища високого тиску, що проходить по ньому. Однак останнім часом свердловини стають більш глибокими, збільшується кількість похилих свердловин і горизонтальних свердловин, які під землею згинаються, збільшується проходка свердловин у важких зовнішніх умовах, таких як морські райони і приполярні зони. Тому вимоги, що пред'являються до нарізних з'єднань, стають все більш різноманітними і більш жорсткими, прикладами чого є вимоги до міцності на стиснення, міцності на вигин, герметизувальна здатність при високому зовнішньому тиску і легкість використання в умовах родовищ. В результаті, кваліфікаційні випробування нарізних з'єднань стають все більш жорсткими. При випробуваннях Серії А відповідно до недавніх стандартів ISO 13679 навперемінний вплив внутрішнього тиску і зовнішнього тиску в комбінації з розтягненням або стисненням (внутрішній тиск+розтягнення, внутрішній тиск+стиснення, зовнішній тиск+розтягнення і зовнішній тиск+стиснення) (далі це називається повторюваним комбінованим навантаженням) додавався три рази. Раніше такі жорсткі умови випробування при розробці нарізних з'єднань не використовувалися. Як показано на фіг. 2, типове з'єднання класу «преміум» має конструкцію, в якій на кінці нарізної ділянки, що має конічну зовнішню різь 11, нарізану на ніпелі 1, який є зовнішнім нарізним елементом, є ділянка 12, що не має різі, яка називається кінцевою ділянкою. На зовнішній обводовій поверхні кінцевої ділянки є ущільнювальна поверхня 13, призначена для формування ущільнення «метал-до-металу». На кінцевій поверхні кінцевої ділянки (і, відповідно, на кінцевій поверхні ніпеля) утворена поверхня 14 заплечика затягування. З'єднання має муфту 2, яка є відповідним внутрішнім нарізним елементом з внутрішньою різзю 21, ущільнювальною поверхнею 23 і поверхнею 24 заплечика в задній частині муфти, яке відповідає і спряжується із зовнішньою різзю 11, з ущільнювальною поверхнею 13 і з кінцевою поверхнею 14 заплечика, відповідно, ніпеля 1. У радіальному напрямку між ущільнювальними поверхнями ніпеля і муфти забезпечується накладення, яке називається далі перепадом. Цей тип нарізного з'єднання сконструйований таким чином, що при стягуванні такого з'єднання до взаємного контенту поверхонь заплечиків ніпеля і муфти, ущільнювальні поверхні обох елементів входять між собою в тісний контакт по всьому колу, і цим контактом «метал-з-металом» забезпечується герметизація з'єднання. Вищеописана ущільнювальна операція проявляється максимальним чином, коли стягування відбувається з доданням відповідного крутного моменту в проміжку від стикового контенту 1 UA 98016 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 заплечиків до того моменту, коли заплечики починають зазнавати пластичної деформації (тоді і наступає стан нормального натягу). Поверхні заплечиків діють не тільки як упори при стягуванні, але й призначені для сприйняття майже всього стискаючого навантаження, діючого на це з'єднання. Тому, якщо поверхні заплечиків не товсті, або якщо заплечики не міцні, вони не можуть протистояти великому стискаючому навантаженню. Спосіб збільшення опору зовнішньому тиску і опору стисненню з'єднання типу «преміум» описаний в публікації WO 2004/109173 (патентний документ №1). Це нарізне з'єднання значно збільшує опір зовнішньому тиску в результаті введення між поверхнею заплечика і ущільнювальною поверхнею кінцевої поверхні ніпеля ділянки (далі яка називається передньою ділянкою), яка не вступає в контакт з муфтою. У той же час кут конусності передньої ділянки виконаний таким, що дорівнює 0 (циліндрична поверхня) або менше, ніж кут конусності ущільнювальної поверхні. Внаслідок використання цієї передньої ділянки відвернене зменшення товщини кінцевої поверхні заплечика, ніж досягнуте збільшення опору стисненню. Однак винахідниками було виявлено, що в нарізному з'єднанні, описаному в патентному документі № 1, при одночасному прикладанні сильної сили стиснення і зовнішнього тиску і при подальшому одночасному прикладанні зусилля розтягнення і внутрішнього тиску з'являється імовірність виникнення протікань. Публікація WO 00/08367 (патентний документ № 2) розкриває конструкцію нарізного з'єднання, в якому щільна контактна зона забезпечується в двох місцях кінцевої ділянки, а саме - щільна контактна зона біля нарізної ділянки, яка визначена як ущільнювальна поверхня, і щільна контактна зона біля кінцевої поверхні (поверхня заплечика), яка визначена як захисна ділянка. Захисна ділянка, яка є другою контактною зоною, утворена в місці, близькому до кінця кінцевої ділянки, і має за свою мету забезпечення першого ущільнення для внутрішнього тиску (і таким чином, - захистити ущільнювальну поверхню) і оптимізацію зусиль і моментів, яким протистоїть кінцева ділянка. У нарізному з'єднанні, описаному в патентному документі № 2, величина радіального перепаду захисної ділянки є більш високою, ніж величина радіального перепаду ущільнювальної поверхні (щонайменше в 1,15 рази, а максимально - в 1,3 рази) для забезпечення достатнього контактного тиску на захисній ділянці при помірному контактному тиску на ущільнювальній поверхні. Крім того, патентний документ № 2 рекомендує встановлювати достатні відстані від заплечика до захисної ділянки, від захисної ділянки до ущільнювальної поверхні і від ущільнювальної поверхні до різі, при цьому кінцева ділянка виходить дуже довгою, так що достатня товщина (радіальне вимірювання) поверхні заплечика одержана бути не може. В результаті, при прикладанні високого стискаючого навантаження з'єднання не може достатньо протистояти стискаючому зусиллю і його характеристики на стиснення можуть бути неадекватними. Патент Німеччини № 4446806 (патентний документ № 3) розкриває конструкцію нарізного з'єднання такого ж типу, що і описаний в патентному документі № 2. Патент США № 4473245 (патентний документ № 4) розкриває конструкцію нарізного з'єднання, в якому забезпечується ущільнення «метал-з-металом» на зовнішній поверхні різі, а заплечик затягування забезпечує додаткове ущільнення «метал-з-металом». Однак, в нарізному з'єднанні, розкритому в патентному документі № 4, товщина кінцевої ділянки виходить дуже тонкою, так що при цьому важко забезпечити його опір високому зовнішньому тиску і сильному стисненню. Патент США № 3489437 (патентний документ № 5) розкриває конструкцію нарізного з'єднання, в якому забезпечується ущільнення «метал-з-металом» і введений заплечик. Однак, в даному нарізному з'єднанні, товщина кінцевої ділянки спроектована відповідно до того ж правила, що використане в показаному на фіг. 2 типовому з'єднанні типу «преміум», так що не передбачається, що вона зможе забезпечити опір високому зовнішньому тиску і сильному стисненню. Патент США № 3870351 (патентний документ № 6) розкриває конструкцію нарізного з'єднання, яке відрізняється тим, що його поверхні заплечиків мають спеціальний профіль. У даному нарізному з'єднанні поверхні заплечиків мають округлені профілі (поверхня одного заплечика ніпеля або муфти є опуклою, а поверхня іншого заплечика є угнутою), і вони взаємодіють таким чином, що утворюють друге ущільнення. Ця конструкція призначена для вирівнювання контакту між ущільнювальними поверхнями першого ущільнення придушенням нерівномірності або вигину ділянки язика в напрямку осі труби під час затягування. Однак в нарізному з'єднанні, розкритому в патентному документі № 6, хоч і приділяється увага вирівнюванню ущільнювального контакту або ущільнювального тиску першого 2 UA 98016 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 ущільнення, не розглядається використання нарізного з'єднання в такій ситуації, коли на нього одночасно впливають високе зусилля стиснення і високий зовнішній тиск. Як показано на фіг. 7 даного патентного документа, між зовнішньою стороною поверхні угнутого заплечика муфти і зовнішнім краєм поверхні опуклого заплечика ніпеля існує простір. У ситуації, коли на з'єднання діє високе зусилля натягнення і високий внутрішній тиск, поверхні заплечиків ніпеля і муфти внаслідок високого розтягувального зусилля можуть легко розійтися, а кінець кінцевої ділянки може бути легко деформований або зрушений в напрямку зовнішньої сторони, тобто, в тому напрямку, в якому діаметр розширюється. Тому в нарізному з'єднанні, розкритому в патентному документі № 6, необхідно контролювати і придушувати деформацію або переміщування кінця ніпеля в напрямку зовнішньої сторони, як описано вище. Крім того, якщо поверхня заплечика має опуклий профіль, найближча до краю поверхня заплечика муфти, яка є угнутою, настільки тонка, що при прикладанні до з'єднання високого стискаючого навантаження поверхня заплечика муфти намагається зазнати пластичної деформації. Метою даного винаходу є створення нарізного з'єднання типу «преміум» для сталевих труб, яке вирішує проблеми вищеописаних відомих і має найвищий опір стисненню і може значно збільшити загальні герметизувальні характеристики під впливом періодичних комбінованих навантажень. Як показано в патентному документі № 1, відомо, що в нарізному з'єднанні типу «преміум» для сталевих труб опір зовнішньому тиску значно збільшений використанням передньої ділянки, яка не торкається муфти між ущільнювальною поверхнею кінцевої ділянки і кінцевою поверхнею поверхні заплечика ніпеля. Однак коли на нарізне з'єднання, що має передню ділянку, діє високий крутний момент або високий тиск стиснення, з'єднання іноді може мати протікання. Після глибоких досліджень винахідники виявили, що причина появи протікань пов'язана з довгою передньою ділянкою, яка ніяк не підтримується і може переміщуватися в радіальному напрямку (напрямок, перпендикулярний осі з'єднання); таким чином, поверхня заплечика на кінцевій поверхні передньої ділянки ніпеля нестійко деформується в цьому напрямку, внаслідок вигину всієї передньої ділянки розвивається пластична деформація, що може погіршити герметизувальні характеристики, зумовлені контактом «метал-до-металу» ущільнювальних поверхонь, розташованих поруч з різями. Відповідно, для досягнення високих і стабільних герметизувальних характеристик нарізного з'єднання для сталевих труб, що мають передню ділянку, в умовах впливу внутрішнього і зовнішнього тиску, необхідна конструкція, яка запобігає нестійкій деформації поверхні заплечика кінцевої ділянки. Крім того, для запобігання нестійкій деформації при збереженні опору скручуванню і високих герметизувальних характеристик при впливі внутрішнього і зовнішнього тиску необхідна конструкція, яка гарантує довжину кінцевої ділянки ніпеля і товщину поверхні заплечика. Відповідно до даного винаходу деформація кінцевої частини поверхні заплечика кінцевої ділянки ніпеля в радіальному напрямку може бути усунена виконанням основної ділянки поверхні заплечика (далі який називається поверхнею основного заплечика) такої форми, яка дозволила б протистояти деформації в напрямку внутрішньої поверхні, а також використанню додаткового заплечика як допоміжного заплечика, який протистояв би деформації в напрямку зовнішньої поверхні. Тобто, поверхня заплечика фіксується нерухомою, так щоб деформація не виникала ні в напрямку внутрішньої поверхні, ні в напрямку зовнішньої поверхні. Для збереження високого опору стисненню більша частина товщини заплечика ніпеля зайнята основним заплечиком, що має малий нахил з перпендикулярною поверхнею осьового напрямку з'єднання. Додатковий заплечик не одержує, по суті, ніякого навантаження стиснення, для нього достатньо зупинити деформацію у зовнішньому радіальному напрямку кінця ніпеля. Тому товщина додаткового заплечика переважно як можна найменша. Тільки коли на нарізне з'єднання між ніпелем і муфтою впливає високе стискаюче навантаження, поверхня заплечика ніпеля надійно підтримується поверхнею заплечика муфти взаємним упором і основних заплечиків і додаткових заплечиків, і нерівномірна деформація в радіальному напрямку кінця кінцевої ділянки запобігається, тим самим забезпечуючи високий опір стисненню. Даний винахід являє собою нарізне з'єднання для сталевих труб, що містить ніпель і муфту, при цьому ніпель має зовнішню різь і кінцеву ділянку, що містить ущільнювальну поверхню і передню ділянку з поверхнею заплечика, муфта має внутрішню різь, ущільнювальну поверхню і поверхню заплечика, причому зовнішня різь зчеплена з внутрішньою різзю, ущільнювальна поверхня ніпеля знаходиться в ущільнювальному контакті з відповідною ущільнювальною поверхнею муфти, на кінцевій поверхні ніпеля виконана поверхня заплечика ніпеля, ущільнювальна поверхня ніпеля розташована на кінцевій стороні труби поруч із зовнішньою різзю, між ущільнювальною поверхнею і поверхнею заплечика розташована передня ділянка, 3 UA 98016 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 яка не контактує з ділянкою муфти, поверненою в сторону передньої ділянки ніпеля, яке відрізняється тим, що поверхня заплечика ніпеля містить дві різні суміжні поверхні - основний заплечик на внутрішній стороні і додатковий заплечик на зовнішній стороні, відповідна поверхня заплечика муфти, повернена в сторону поверхні заплечика, містить дві різні суміжні поверхні основного заплечика на внутрішній стороні і додатковий заплечик на зовнішній стороні, поверхні основних заплечиків ніпеля і муфти розташовані таким чином, щоб перешкоджати деформації кінця кінцевої ділянки радіально всередину, поверхні додаткових заплечиків ніпеля і муфти розташовані таким чином, щоб обмежити деформацію кінця кінцевої ділянки радіально назовні, основний заплечик ніпеля має більший радіальний розмір, ніж додатковий заплечик ніпеля, щонайменше поверхня основного заплечика ніпеля знаходиться в осьовому приляганні з щонайменше відповідною поверхнею основного заплечика муфти. Ознаки «поверхня заплечика ніпеля містить дві різні суміжні поверхні» означає, що кути поверхні основного заплечика і поверхні додаткового заплечика відносно площини, перпендикулярної осі нарізного з'єднання, різні. У переважних варіантах виконання даного винаходу поверхня основного заплечика ніпеля є зворотною поверхнею заплечика, що має негативний кут по відношенню до площини, перпендикулярної осі з'єднання. «Поверхня основного заплечика ніпеля є зворотною поверхнею заплечика, що має негативний кут по відношенню до площини, перпендикулярної осі з'єднання» означає, що поверхня заплечика має кут нахилу, такий, що найбільш внутрішня ділянка основного заплечика розташована в задній частині найбільш зовнішньої ділянки (ділянка, суміжна з поверхнею додаткового заплечика) в напрямку подачі ніпеля при стягуванні нарізного з'єднання. Подібним же чином, «поверхня додаткового заплечика ніпеля має позитивний кут» означає, що поверхня додаткового заплечика має кут нахилу, такий, що найбільш зовнішня ділянка поверхні додаткового заплечика розташована в задній частині найбільш внутрішньої ділянки (ділянка, суміжна з поверхнею основного заплечика) в напрямку подачі ніпеля при стягуванні нарізного з'єднання. Ці кути нахилу, таким чином, знаходяться в діапазоні між -90 і +90 градусів. У переважному варіанті виконання даного винаходу тільки поверхня основного заплечика ніпеля знаходиться в осьовому приляганні до відповідної поверхні основного заплечика муфти. У цьому випадку між додатковими заплечиками ніпеля і муфти немає суттєво щільного контакту і, більш переважно, немає ніякого контакту взагалі. Герметизувальні функції між ущільнювальними поверхнями ніпеля і муфти виконуються більш ефективно. В іншому варіанті виконання щонайменше частина передньої ділянки ніпеля має зовнішню обводову поверхню, яка не знаходиться на продовженні ущільнювальної поверхні ніпеля. «Принаймні частина передньої ділянки ніпеля має зовнішню обводову поверхню, яка не знаходиться на продовженні ущільнювальної поверхні» означає, що форма зовнішньої поверхні частини або всієї передньої ділянки по суті відрізняється від форми ущільнювальної поверхні. Згадана частина передньої ділянки, що має по суті форму, яка відрізняється від ущільнювальної поверхні, переважно є зоною, що проходить на щонайменше половину довжини передньої ділянки в осьовому напрямку, і, таким чином, називається основною частиною передньої ділянки. Наприклад, згадана основна частина передньої ділянки може бути циліндричною поверхнею, яка не нахилена відносно осьового напрямку, або ж вона може бути конічною поверхнею з малим кутом нахилу. Зона, яка є частиною передньої ділянки, що залишилася, переважно є зоною, більш короткою, ніж половина осьової довжини, і вона може мати ту ж саму форму, що і ущільнювальна поверхня, тобто, вона може бути продовженням ущільнювальної поверхні. В інших переважних варіантах виконання абсолютна величина кута поверхонь основних заплечиків ніпеля і муфти становить від 5 до 25 градусів по відношенню до площини, перпендикулярної осі з'єднання (тобто, кут поверхні основного заплечика знаходиться в діапазоні від -5 до -25 градусів), кут нахилу поверхонь їх додаткових заплечиків становить від 5 до 30 градусів відносно осі з'єднання (від +60 до +85 градусів по відношенню до площини, перпендикулярної осі з'єднання), а кут нахилу ущільнювальних поверхонь ніпеля і муфти знаходиться в діапазоні від 5 до 25 градусів відносно осі з'єднання. Кут нахилу поверхонь додаткових заплечиків відносно осі з'єднання, переважно, перевищує кут нахилу ущільнювальних поверхонь. В результаті, навіть якщо поверхня заплечика деформується, погіршення ущільнювальних характеристик внаслідок деформації ущільнювальної поверхні відвернене. Для збільшення опору стисненню, переважно, щоб товщина (радіальне вимірювання) поверхні заплечика біля кінця ніпеля була зроблена як можна більшою, і поперечний переріз ділянок, більш близьких до кінця ущільнювальної поверхні (тобто, передньої ділянки) був як 4 UA 98016 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 можна більш широким. З цією метою в своїй основній частині, в тому вигляді, як вона визначена вище, передня ділянка переважно має менший нахил, ніж нахил ущільнювальної поверхні і поверхні додаткового заплечика відносно осі з'єднання. Конкретно, форма зовнішньої поверхні основної частини передньої ділянки ніпеля може бути виконана у вигляді циліндричної поверхні (з нахилом по відношенню до осі з'єднання в 0 градусів) або у вигляді усіченої конічної поверхні, що має нахил по відношенню до осі з'єднання, менший, ніж нахил ущільнювальної поверхні або поверхні додаткового заплечика по відношенню до тієї ж самої осі. Якщо зовнішня поверхня передньої ділянки на закінчення стягування торкається внутрішньої поверхні муфти, з'являється імовірність порушення герметизувальних властивостей з'єднання. Тому, щоб наперед уникнути цього контакту, між цими поверхнями у вищеописаній основній частині передньої ділянки, переважно, виконаний зазор (радіальна відстань між неконтактуючими площинами) величиною щонайменше 0,1 мм. Внутрішня поверхня муфти в цій зоні, переважно, має форму, подібну до форми передньої ділянки ніпеля, а зазор між двома поверхнями в основній зоні виконаний переважно рівномірним. Як раніше згадувалося в поясненні терміну «щонайменше частина передньої ділянки має зовнішню обводову поверхню, якане знаходиться на продовженні ущільнювальної поверхні», часткова поверхня передньої ділянки ніпеля, суміжна ущільнювальній поверхні, може мати той же самий нахил, що і ущільнювальна поверхня. Перехід між поверхнею додаткового заплечика і поверхнею основного заплечика утворює округлену вершину, що має радіус максимально в 1,5 мм. Обидві ущільнювальні поверхні ніпеля і муфти можуть бути усіченими конічними, але виконання однієї з ущільнювальних поверхонь усіченою конічною поверхнею, а іншої ущільнювальної поверхні у вигляді поверхні обертання кривої (тороїдальна поверхня), що має радіус кривизни, щонайменше 20 мм, або у вигляді комбінації згаданої поверхні обертання кривої і усіченої конічної поверхні збільшує характеристики герметизації з'єднання. Обидві поверхні додаткових заплечиків ніпеля і муфти переважно є усіченими конічними поверхнями. Обидві поверхні основних заплечиків ніпеля і муфти переважно є усіченими конічними поверхнями, але може бути також, щоб одна з них була проектувальною криволінійною поверхнею (опукла тороїдальна поверхня), а інша угнутою криволінійною поверхнею (угнута тороїдальна поверхня) або комбінацією таких криволінійних поверхонь з плоскими поверхнями, як показано в публікації WO 2007/017082. Як альтернативний варіант, поверхні основних заплечиків можуть мати ступінчасту форму, як показано в патенті США 4611838. Товщина (радіальний розмір) поверхні основного заплечика, переважно, щонайменше в 1,5 рази більша, ніж товщина додаткового заплечика. У нарізному з'єднанні типу «преміум» для сталевих труб відповідно до даного винаходу на кінці кінцевої ділянки ніпеля виконана передня ділянка, яка не входить в контакт з муфтою, а форма поверхонь заплечиків поверхонь їх кінцевих поверхонь має дворівневу конструкцію, що містить поверхню основного заплечика і поверхню додаткового заплечика, чим досягнуті високі характеристики на стиснення. В результаті, характеристики по ущільненню при багаторазовому прикладанні комбінованого навантаження значно збільшилися, і при випробуваннях Серії А відповідно до стандарту ISO 13679 ніякі протікання не виникають. Фіг. 1 представляє схематичний поперечний переріз сусідньої частини кінцевої ділянки нарізного з'єднання сталевих труб відповідно до даного винаходу, в якому основна частина передньої ділянки є усіченою конічною поверхнею. Фіг. 2(А) і 2(В) представляють схематичний поперечний переріз типового високоякісного з'єднання труби нафтового сортаменту для зчленування звичайного типу, фіг. 2(А) - місцевий вигляд, що показує тільки одну сторону різі, фіг. 2(В) - вигляд загального з'єднання. Фіг. 3 представляє схематичний поперечний переріз нарізного з'єднання сталевих труб відповідно до даного винаходу. Фіг. 4 представляє схематичний поперечний переріз сусідньої частини кінцевої ділянки нарізного з'єднання сталевих труб відповідно до даного винаходу, в якому основна частина передньої ділянки є циліндричною поверхнею. Фіг. 5 представляє схематичний поперечний переріз, що показує форму різі. Фіг. 6(A)-6(D) являють собою умовні схеми, що показують пази, утворені на поверхні заплечика ніпеля. Фіг. 6(А) - частковий вигляд в перспективі, фіг. 6(В), 6(С) - вигляди з боку торця, фіг. 6(D) показує осьовий профіль ніпеля і муфти в районі кінця ніпеля. Фіг. 7 і 8 показують пази, утворені на поверхні заплечика ніпеля. Нижче з посиланнями на креслення буде описане нарізне з'єднання для сталевих труб відповідно до даного винаходу. 5 UA 98016 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Фіг. 1, 3 і 4 являють собою схематичні поперечні перерізи нарізного з'єднання для сталевих труб відповідно до даного винаходу. Це нарізне з'єднання являє собою один тип високоякісного нарізного з'єднання, що містить ніпель 1 і муфту 2. Відповідно, ніпель 1 містить нарізну ділянку, яка має зовнішню різь 11 і кінцеву ділянку 12, розташовану з боку переднього кінця нарізної ділянки і що має ущільнювальну поверхню 13. На кінцевій поверхні вершини кінцевої ділянки 12 знаходиться поверхня заплечика. Як показано на цих ілюстраціях, ущільнювальна поверхня 13 ніпеля 1 звичайно розташована суміжно або в прилягаючій зоні до нарізної ділянки кінцевої ділянки 12. Муфта 2 містить нарізну ділянку, що має внутрішню різь 21, яка зчіплюється із зовнішньою різзю 11 ніпеля 1, ущільнювальну поверхню 23, яка може входити в ущільнювальний контакт з ущільнювальною поверхнею 13 ніпеля (з досягненням контактного ущільнення метал-метал), і поверхню заплечика, яка контактує з поверхнею заплечика ніпеля в осьовому напрямку з'єднання. Як показано на фіг. 5, обидві різі - зовнішня різь 11 ніпеля 1 і внутрішня різь 21 муфти 2 є конічною різзю з діаметром вершин і діаметром западин, що зменшується в напрямку кінця ніпеля. Аналогічно, ущільнювальні поверхні 13 і 23 ніпеля 1 і муфти 2 є конічними поверхнями, які зменшуються в діаметрі в напрямку кінця ніпеля. Ділянка зовнішньої різі, більш близька до кінця нарізної ділянки ніпеля 1 (сторона, суміжна з кінцевою ділянкою 12), може бути незчіплюваною різзю, яка не зчіплюється з внутрішньою різзю 21 муфти 2. В цьому випадку, як показано на фіг. 3, на ділянці муфти 2, протилежній незчіплюваній різі ніпеля, переважно, виконується обводовий паз 32. Таким чином, збільшується жорсткість кінцевої ділянки, а також опір з'єднання стисненню. З тією ж самою метою обтискачем труби або осіданням товщина стінки ніпеля і муфти в напрямку до поверхні заплечика може бути збільшена (внутрішній діаметр зменшується). Кінцева ділянка 12 ніпеля 1 має передню ділянку 16 між ущільнювальною поверхнею 13 і поверхнею заплечика на кінці, який є неконтактною зоною, тобто, не торкається протилежної ділянки муфти. Тому довжина кінцевої ділянки збільшена в порівнянні із звичайним високоякісним з'єднанням, показаним на фіг. 2, яка не має неконтактної зони в напрямку ущільнювальної поверхні ніпеля. У даному винаході кінцева поверхня заплечика ніпеля 1 має дворівневу конструкцію, що містить поверхню 14 основного заплечика з боку внутрішньої поверхні з'єднання і поверхню 15 додаткового заплечика із зовнішньої сторони поверхні з'єднання. Товщина 46 (товщина, спроектована на площину, перпендикулярну осі з'єднання) поверхні 14 основного заплечика більша товщини 46 поверхні 15 додаткового заплечика. Поверхня 14 основного заплечика ніпеля 1 являє собою поверхню «зворотного» заплечика, при цьому кут 42 відносно площини, перпендикулярної осі з'єднання, є негативним кутом. З іншого боку, кут поверхні 15 додаткового заплечика відносно площини, перпендикулярної осі з'єднання, є позитивним. Звичайно, поверхня заплечика муфти 2, яка контактує з поверхнями 14 і 15 заплечика ніпеля 1, відповідно, містить поверхню 24 основного заплечика на внутрішній стороні поверхні з'єднання і поверхню 25 додаткового заплечика із зовнішньої сторони поверхні з'єднання. У звичайному високоякісному з'єднанні потрібно, щоб опір на стиснення становив приблизно від 40 до 60% від межі текучості тіла труби, а для деяких нафтових свердловин необхідно, щоб опір на стиснення перевищував 80% цієї величини. Звичайно, навантаження стиснення приходиться не тільки на заплечики, але і на нарізні ділянки, і якщо нарізні ділянки мають хорошу здатність витримувати навантаження стиснення, то навантаження на заплечики може бути у відповідній мірі збільшене. Однак товщина 41 кінцевої ділянки (товщина стінки ніпеля в середині ущільнювальної поверхні 13) становить щонайменше 25%, а переважно щонайменше 50% від товщини стінки труби, так щоб ділянка кінцевої ділянки мала необхідний опір стисненню. Чим більша товщина ущільнювальної поверхні й передньої ділянки кінцевої ділянки, тим більша їх герметизувальна здатність ущільнюватися під зовнішнім тиском, так що, коли на внутрішній поверхні на кінці кінцевої ділянки утворена фаска 17 для запобігання виникненню турбулентності за рахунок збільшення округлості цієї частини, кут фаски 17 відносно осі з'єднання, переважно, є досить невеликим, в діапазоні від 9 до 30 градусів. Хоча на фіг. 1, 3 і 4 це не так, фаска з малим кутом таким самим чином може бути виконана на внутрішній поверхні муфти 2, що з'єднується з ніпелем 1. Форма ущільнювальних поверхонь 13 і 23 ніпеля 1 і муфти 2 може бути виконана у вигляді прямої лінії, яка нахилена відносно осі з'єднання, або у вигляді кривої лінії, такої як дуга кола (перша буде називатися усіченою конічною поверхнею, а остання - криволінійною поверхнею обертання), крім того, це може бути поверхня обертання, утворена обертанням навколо осі з'єднання відрізка лінії, яка являє собою комбінацію обох цих ліній (а саме - комбінація усіченої 6 UA 98016 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 конічної поверхні і криволінійної поверхні обертання). Переважно, щоб ущільнювальна поверхня одного з елементів, тобто ніпеля 1 або муфти 2 була виконана у вигляді усіченої конічної поверхні, а ущільнювальна поверхня іншого елемента являла собою комбінацію усіченої конічної поверхні і криволінійної поверхні обертання. В результаті цього герметизувальні характеристики з'єднання збільшуються, і стиранню виникнути стає просто важко. Якщо кут 44 нахилу ущільнювальних поверхонь 13 і 23 відносно осі з'єднання дуже великий, це приводить до зменшення контактного тиску в ущільненні при розтягувальному навантаженні, а якщо цей нахил дуже малий, то внаслідок збільшення величини зсуву стирання проявляється швидше. Кут 44 нахилу ущільнювальних поверхонь знаходиться в діапазоні від 5 до 25 градусів, переважно в діапазоні від 10 до 20 градусів. При використанні конічних різей кут 44 нахилу ущільнювальних поверхонь більший, ніж кут нахилу різей 11, 21. Наприклад, кут нахилу різей знаходиться в діапазоні між 1 до 5 градусів, переважно, він становить близько 1,6 градусів. Якщо зворотний кут хоч в найменшій мірі передається на поверхні 14 і 24 основних заплечиків ніпеля 1 і муфти 2, то деформація кінцевої ділянки при виникненні навантаження стиснення стає нерівномірною, що розповсюджується в радіальному напрямку назовні, і герметизувальні характеристики з'єднання збільшуються. Однак якщо зворотний кут буде зроблений дуже великим, то в поверхні 24 основного заплечика муфти може виникнути надмірна пластична деформація, що погіршує ефект стабілізації деформації і погіршує герметизувальні характеристики з'єднання. Тому зворотний кут 42 поверхонь 14 і 24 основних заплечиків є таким, щоб абсолютна величина кута нахилу поверхні 14 основних заплечиків ніпеля 1 відносно площини, перпендикулярної осі з'єднання (який фактично є негативним кутом) становила від 5 до 25 градусів, переважно - від 10 до 20 градусів. Поверхні 15 і 25 додаткових заплечиків ніпеля 1 і муфти 2 діють як упори, які придушують надмірну деформацію назовні кінця кінцевої ділянки 12 ніпеля 1. Тому поверхні 15 і 25 додаткових заплечиків в стані нормального натягу не торкаються одна одної. Коли на з'єднання впливає високе стискаюче навантаження або надмірне напружуване крутіння, вони торкаються одне одного і придушують надмірну зовнішню деформацію кінцевої ділянки. Геометричний діаметральний перепад (різниця в діаметрі, виміряна в опорній площині до стягування ніпеля і муфти) поверхонь додаткових заплечиків становить максимально 1,1 від аналогічного параметра ущільнювальних поверхонь і переважно по суті дорівнює діаметральному геометричному перепаду ущільнювальних поверхонь. Вираз «по суті дорівнює» передбачає наявність відхилення аж до 5%. Проектуванням поверхонь 15 і 25 додаткових заплечиків ніпеля і муфти таким, що вони мають майже такий же перепад, що і перепад між ущільнювальними поверхнями 13 і 23 в стані нормального натягу, внаслідок взаємодії ущільнювальних поверхонь ніпеля і муфти вся кінцева ділянка ніпеля буде загинатися всередину (зменшення в діаметрі), а поверхня додаткових заплечиків ніпеля буде загинатися всередину на щонайменше ту ж величину, що і перепад ущільнювальних поверхонь, так що між поверхнями додаткових заплечиків ніпеля і муфти контакту відбуватися не буде. Однак поверхні 15 і 25 додаткових заплечиків можуть торкатися одна одної в стані нормального натягу. У цьому випадку зроблено так, щоб контактне стиснення поверхонь додаткових заплечиків становило максимально 50% від контактного стиснення ущільнювальних поверхонь для запобігання негативному впливу на герметизувальні характеристики. Стан нормального натягу означає, що ніпель і муфта нарізного з'єднання стягнуті таким чином, щоб досягнути належного стягуючого моменту крутіння, передбаченого виробником з'єднання відповідно до форми і матеріалу цього з'єднання. У стані нормального натягу поверхні заплечиків (основні поверхні заплечиків у разі нарізного з'єднання відповідно до даного винаходу) ніпеля і муфти торкаються одна одної при певній величині перепаду без загального прояву або виникнення надмірної пластичної деформації. Кут 43 нахилу поверхонь 15 і 25 додаткових заплечиків відносно осі з'єднання становить щонайменше 5 градусів, а максимально - 30 градусів (тобто, кут нахилу відносно напрямку, перпендикулярного осі з'єднання становить щонайменше +60 градусів, а максимально - +85 градусів) і, переважно, більший, ніж кут 44 нахилу ущільнення з точки зору гарантування достатньої товщини основних поверхонь 14 і 24 заплечиків і придушення деформації поверхонь заплечиків в напрямку, перпендикулярному осі з'єднання (в радіальному напрямку). Ущільнювальна поверхня ніпеля, зовнішня поверхня передньої ділянки ніпеля і поверхня додаткового заплечика ніпеля, переважно, не вирівняні відносно одна одної, і аналогічно, не вирівняні відносно одна одної ущільнювальна поверхня муфти, внутрішня поверхня ділянки муфти, поверненої у бік зовнішньої поверхні передньої ділянки ніпеля, і поверхня додаткового заплечика муфти. 7 UA 98016 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 З точки зору збереження опору стиснення і опору крутіння товщина поверхні 15 додаткового заплечика ніпеля 1 (товщина, спроектована на площину, перпендикулярну осі з'єднання) зроблена меншою, ніж товщина поверхні 14 основного заплечика. Переважно, товщина поверхні 14 основного заплечика ніпеля 1 перевищує в щонайменше 1,5 рази товщину поверхні 15 додаткового заплечика, більш переважно щонайменше у 2,5 рази, а максимально - у 6 разів більша, а ще більш переважно, вона виконана в щонайменше 3 рази, а максимально - в 5 разів. Довжина 45 передньої ділянки 16 ніпеля 1 (а саме - довжина в осьовому напрямку всієї передньої ділянки, інакше кажучи, довжина неконтактної зони ніпеля і муфти, включаючи зону поверхні додаткового заплечика, яка може торкатися муфти) змінюється із зміною розміру нарізного з'єднання, але якщо вона дуже мала, то ефект збільшення ущільнювальних характеристик при зовнішньому тиску пропадає, у той час як, якщо вона дуже велика, ефект збільшення ущільнювальних характеристик «насичується». У діапазоні розмірів труб, використовуваних в нафтодобувній промисловості (зовнішній діаметр приблизно від 50 до 550 мм), вона переважно, становить приблизно від 4 до 20 мм. Для збільшення опору на стиснення, переважно, щоб товщина поверхні заплечика кінця ніпеля 1 була як можна найбільшою, і щоб об'єм тієї ділянки кінцевої ділянки 12, яка ближче до кінця, ніж ущільнювальна поверхня 13 (тобто, передньої ділянки 16 і поверхнями 14, 15 заплечика) також був як можна більшим. З цією метою зовнішня поверхня передньої ділянки, переважно, являє собою циліндричну поверхню (що має кут нахилу по відношенню до осі з'єднання в 0 градусів) або усічену конічну поверхню, що має нахил по відношенню до осі з'єднання, який менший, ніж нахил ущільнювальної поверхні, а поверхня додаткового заплечика над зоною його ділянки в осьовому напрямку і, переважно, над основною зоною, має довжину щонайменше в половину довжини в осьовому напрямку. У цьому випадку внутрішня поверхня частини муфти 2, протилежної передній ділянці 16, переважно, виконана з циліндричною поверхнею або з усіченою конічною поверхнею (наприклад, з тим же самим нахилом або з по суті подібним нахилом), як і форма передньої ділянки над щонайменше половиною довжини в осьовому напрямку, так щоб при цьому утворився рівномірний зазор відносно зовнішньої поверхні передньої ділянки. У варіанті виконання, в якому зовнішня поверхня основної частини передньої ділянки 16 виконана з усіченою конічною поверхнею (тобто, конусоподібна поверхня, показана на фіг. 1 і фіг. 3), внутрішня поверхня муфти, що має усічену конічну форму, яка протилежна основній частині передньої ділянки, функціонує як напрямна, так що стає можливим виконання стягування з'єднання при центруванні кінцевої ділянки ніпеля, в результаті чого ущільнювальні поверхні 13 і 23 ніпеля 1 і муфти 2 утворюють стійкий контакт, їх герметизувальна здатність збільшується, а стирання може бути виключене. В тому випадку, коли зовнішня обводова поверхня передньої ділянки ніпеля і внутрішня поверхня ділянки муфти протилежної передній ділянці ніпеля, має ділянку, що має усічену конічну форму, їх кут конусності, переважно, менше, ніж 10 градусів. З іншого боку, у варіанті виконання, в якому передня ділянка має циліндричну поверхню (фіг. 4), товщина (46+47) поверхні заплечика і товщина 41 ущільнювальної поверхні 13 в межах обмеженої товщини стінки труби може бути як можна більшою, так що опір стисненню може бути збільшений. Навіть в такому варіанті виконання, в якому зовнішня поверхня передньої ділянки є усіченою конічною, товщина поверхні заплечика може бути збережена близькою до товщини поверхні заплечика варіанта виконання з циліндричною поверхнею, якщо при стягуванні припустити контакт по поверхні додаткового заплечика. Якщо по закінченні стягування зовнішня поверхня передньої ділянки торкається внутрішньої поверхні протилежної поверхні муфти, з'являється імовірність порушення герметизувальних властивостей з'єднання. Щоб уникнути цього контакту величина зазору (радіальна відстань) між зовнішньою поверхнею основної частини передньої ділянки ніпеля і внутрішньою поверхнею протилежної ділянки муфти в стані нормального натягнення нарізного з'єднання переважно становить щонайменше 0,1 мм. Максимальна величина цього зазору, переважно, становить 1,0 мм, оскільки дуже великий зазор може привести до втрати внутрішньою поверхнею муфти своєї здатності спрямовувати передню ділянку ніпеля під час стягування. Однак, як показано на фіг. 4, часткова зона передньої ділянки 16, суміжна з ущільнювальною поверхнею 13 ніпеля 1, може мати такий же нахил, що і ущільнювальна поверхня 13 (тобто, вона може стати продовженням ущільнювальної поверхні і мати помітно іншу форму, ніж основна частина передньої ділянки 16 (на показаному - прикладі циліндрична поверхня)) і/або часткова зона, що прилягає до поверхні 25 додаткового заплечика на ділянці муфти 2, протилежній передній ділянці, може мати такий же нахил, що і поверхні 25 додаткового заплечика (вона може стати продовженням поверхні додаткового заплечика і мати 8 UA 98016 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 помітно іншу форму, ніж внутрішня поверхня ділянки муфти, спрямована у бік основної частини передньої ділянки ніпеля). В результаті поліпшується не тільки передня ділянка, але і досягається хороша якість стягування при центруванні кінцевої ділянки ніпеля. Крім того, в цьому випадку основна частина передньої ділянки має форму, яка відрізняється від форми ущільнювальної поверхні 13 і поверхні 15 додаткового заплечика по обох її сторонах. Перехід між поверхнею 14 основного заплечика і поверхнею 15 додаткового заплечика ніпеля 1 утворює закруглену вершину 49 з радіусом максимально в 1.5 мм. В результаті зона контакту поверхні основного заплечика і поверхні додаткового заплечика може бути максимізована, і при цьому може бути досягнуте збільшення опору стисненню, а також придушення деформації в радіальному напрямку поверхні заплечика. Як обговорювалося вище, нарізне з'єднання відповідно до даного винаходу може мати високі характеристики під тиском, завдяки своїй передній ділянці, яка утворена біля кінця кінцевої ділянки ніпеля таким чином, щоб не входити в контакт з протилежною поверхнею муфти, а також завдяки двоступеневій конструкції заплечика, поверхня якого на кінці ніпеля має поверхню основного заплечика і поверхню додаткового заплечика. Однак маслянистий змащувальний матеріал, яким є текуче середовище, використовуване під час формування нарізноґо з'єднання, може залишатися в просторі 50 між ніпелем і муфтою, утвореному в зоні передньої ділянки (далі по тексту цей простір буде називатися переднім простором). По завершенні формування нарізного з'єднання тиск в передньому просторі 50 збільшується під впливом укладеного в цьому просторі змащувального матеріалу, а підвищений тиск може спричинити контактний тиск між ущільнювальними поверхнями 13 ніпеля і муфти і зменшити, і, таким чином, погіршити герметизувальну здатність з'єднання. У переважному варіанті виконання даного винаходу поверхня заплечика, щонайменше одного з елементів - ніпеля або муфти, має щонайменше один паз або дренажне заглиблення, що проходить від переднього простору у внутрішню поверхню нарізного з'єднання. Таким чином, паз проходить по обох поверхнях, тобто по поверхні основного заплечика і по поверхні додаткового заплечика ніпеля і/або муфти. Можна локалізувати ділянку паза на поверхні заплечика ніпеля, а також його ділянку, що залишається на поверхні заплечика муфти. Таким чином, передній простір 50 поєднується з внутрішнім простором нарізного з'єднання через паз. Тому, коли тиск текучої субстанції, укладеної в передньому просторі, збільшується, вона може виходити у внутрішній простір нарізного з'єднання через паз. Можна було б допустити, щоб текуча субстанція з переднього простору виходила через наскрізний отвір, що проходить всередині ділянки заплечика, але формування такого наскрізного отвору є досить важким. У переважному варіанті виконання, як показано на фіг. 6(A)-6(D) на поверхні заплечика ніпеля виконаний щонайменше один паз. У випадку, показаному на фіг. 6(А), поверхня заплечика ніпеля, яка є кінцевою поверхнею кінцевої ділянки, має паз, що містить дві ділянки паза, тобто, перша або зовнішня ділянка 51А паза і друга або внутрішня ділянка 51В паза. Зовнішня ділянка 51А паза продовжується похило через поверхню 15 додаткового заплечика, а внутрішня ділянка 51В паза продовжується похило через поверхню 14 основного заплечика. Фіг. 6(В) показує вигляд з боку торця кінцевої ділянки, що має три пази, кожний з яких має дві ділянки 51А і 51В паза, розташовані вздовж кола кінця кінцевої ділянки. На фіг. 7 показана фотографічна ілюстрація кінця ніпеля, що має паз з такими двома покроковими пазами на поверхні заплечика. Для досягнення вищеописаного функціонування ділянки 51А і 51В пази повинні поєднуватися один з одним. З цією метою, як показано на фіг. 6(D), вздовж найбільш внутрішньої обводової ділянки заплечика муфти, яка протистоїть вершині 49 заплечика ніпеля (перехід або поверхня розділення між поверхнею основного заплечика і поверхнею додаткового заплечика ніпеля), як канал може бути виконана угнутість 52, таким чином, що вона продовжується від точки, що протистоїть внутрішньому кінцю зовнішньої ділянки 51А паза, до точки, що протистоїть зовнішньому кінцю внутрішньої ділянки 51В паза, відповідно до чого, ділянки 51А і 51В паза в заплечику ніпеля сполучаються одна з одною через угнутість 52, що проходить вздовж обводової вершини 49 заплечика муфти. Альтернативно, цей з'єднувальний канал між ділянками 51А і 51В паза може бути одержаний утворенням камери або порожнини на поверхні ніпеля вздовж обводової вершини 49, так щоб вона продовжувалася від внутрішнього кінця зовнішньої ділянки 51А паза до зовнішнього кінця внутрішньої ділянки 51В паза. Більш переважно, така з'єднувальна порожнина або канал може бути утворений на обох поверхнях на поверхні заплечика ніпеля і на поверхні заплечика муфти. Як показано на фіг. 6(С), зовнішня ділянка 51А паза і внутрішня ділянка 51В паза можуть поєднуватися прямо (тобто, внутрішній кінець зовнішньої ділянки 51А паза з'єднаний із зовнішнім кінцем внутрішньої ділянки 51В паза). На фіг. 8 показана фотографічна ілюстрація 9 UA 98016 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 ділянки заплечика кінця ніпеля, на якій зовнішня і внутрішня ділянки паза безпосередньо з'єднані одна з одною. Ця конфігурація створюється без формування з'єднувального каналу, як це описано вище, хоча формування паза дещо полегшується, якщо зовнішня і внутрішня ділянка паза розташовані в одному і тому ж обводовому положенні, як показано на фіг. 6(А). У будь-якому випадку виконання паза або дренажних порожнин може бути виконане з використанням систем обробки з цифровим керуванням. В іншому варіанті виконання зовнішня ділянка 51А паза на поверхні додаткового заплечика може пройти в радіальному напрямку, а не в навскісному напрямку, як показано на фіг. 6(А)6(С), переважно таким чином, щоб дві ці ділянки паза, що проходять в радіальному напрямку безпосередньо з'єднувалися одна з одною. У цьому випадку довжина кожної ділянки паза мінімізована, так що текуче середовище може легко виходити, при цьому пази можуть бути нанесені без систем обробки з цифровим керуванням. Однак потрібні спеціальні станки для виконання пазів. У варіантах виконання, показаних на фіг. 6(В) і 6(С), на однакових відстанях вздовж кола поверхні заплечика на кінці ніпеля виконані три пази, кожний з яких містить зовнішню і внутрішню ділянку паза для створення з'єднувального каналу між переднім простором і внутрішнім простором нарізного з'єднання. Взагалі може бути виконаний щонайменше один такий паз, і не існує верхньої межі на кількість пазів, хоча вісім - достатньо. Заплечик ніпеля і/або муфти, переважно, має від двох до чотирьох таких пазів. Поперечний переріз пазів не обмежується, але вони повинні мати поперечний переріз, достатній для проходження текучого середовища через них. Глибина пазів, переважно, повинна бути щонайменше 0,1 мм, більш переважно, щонайменше 0,2 мм. Для запобігання значному погіршенню характеристик нарізного з'єднання під тиском через зменшення площі контакту основної поверхні заплечика в результаті формування пазів, обводова довжина кожної з внутрішніх і зовнішніх ділянок паза, переважно, є такою, щоб кожний паз проходив максимально, на 180 градусів вздовж кола поверхні заплечика. Таким чином, якщо на кожному із заплечиків - основному заплечику і додатковому заплечику виконані три пази, як показано на фіг. 6(В) або 6(С), то кожний паз, переважно, проходить вздовж дуги з кутом у 180 градусів або менше, більш переважно, з кутом в 120 градусів або менше. Ці пази можуть бути виконані на поверхні заплечика муфти, а не ніпеля. Коли в обводовому напрямку виконана множина пазів, деякі з пазів можуть бути виконані на ніпелі, а паз, що залишився або пази - на муфті. Коли паз містить зовнішню і внутрішню ділянку паза, як показано на фіг. 6(А)-6(С), то можна також виконувати зовнішню ділянку паза на ніпелі, а внутрішню ділянку паза - на муфті або навпаки. Форма нарізного з'єднання для сталевих труб, які відрізняються від вищеописаних, може бути такою ж, що і форма звичайного нарізного з’єднання для сталевих труб із з'єднанням типу «преміум». Наприклад, зовнішня різь 11 і внутрішня різь 21 ніпеля 1 і муфти 2 нарізного з'єднання для сталевих труб відповідно до даного винаходу можуть бути конічними різями, подібними до різі типового звичайного нарізного з'єднання для сталевих труб (такими як опорна трапецеїдальна різь, нормована Американським інститутом нафти, або як різь, що має трапецеїдальну форму, на основі трапецеїдальної опорної різі, нормована Американським інститутом нафти). Було багато пропозицій, що стосуються форми конічної різі для нарізного з'єднання для сталевих труб (наприклад, кутів нахилу бічної сторони різі і сторони навантаження, величина фаски по вершині, зазор між бічними сторонами, відстань між ділянками гребенів і западин, і радіус кривизни округлених ділянок), і будь-які з них можуть бути використані. Наприклад, хоча на фіг. 5 не показано, на заводній стороні (бічна поверхня різі, на фіг. 5 - з правого боку) однієї або обох з різей - зовнішньою або внутрішньою може бути виконана фаска (зміна рівня, що проводиться відповідною операцією). На конічній різі зовнішньої різі 11 і внутрішньої різі 21 поверхня гребенів і ділянка западини кожного гребеня може бути виконана паралельним конусу конічної різі, але переважно вони виконуються паралельними осьовому напрямку з'єднання. Тим самим можуть бути зменшені проблеми, пов'язані з відхиленнями кута стиковки при виконанні з'єднувальних операцій на родовищі. Як добре відомо, нарізні з'єднання для сталевих труб бувають з'єднувального типу й «інтегрального» типу. У типовому з'єднанні з'єднувального типу ніпель сформований на зовнішній поверхні обох кінців сталевих труб, що з'єднуються, а муфта сформована на внутрішній поверхні обох сторін з'єднувальної муфти, яка являє собою окремий елемент. В інтегральному типі ніпель сформований на зовнішній поверхні одного кінця сталевої труби, а муфта сформована на внутрішній поверхні іншого кінця, і труби з'єднуються без використання 10 UA 98016 C2 5 10 15 20 муфти. Даний винахід може бути застосований до обох цих типів нарізних з'єднань для сталевих труб. Для ілюстрації результатів даного винаходу на п'яти випробуваних трубах були проведені випробування Серії А відповідно до стандарту ISO 13679, результати яких представлені в таблиці 1. Показані в таблиці 1 випробувані труби з #1 по #5 мають основну форму нарізного з'єднання типу з'єднувального типу, показаного на фіг. 2, для труб нафтового сортаменту. Вони були трьох розмірів обсадної колони 9-5/8 дюйми, 53,5# (зовнішній діаметр 244,48 мм, товщина стінки 13,84 мм), 10-3/4 дюйми, 60,7# (зовнішній діаметр 273,05 мм, товщина стінки 13,84 мм) і 10-3/4 дюйми, 65,7# (зовнішній діаметр 273,05 мм, товщина стінки 15,11 мм). Матеріалом труб використовувалася вуглецева сталь L80 за стандартами Американського інституту нафти. Довжина в осьовому напрямку передньої ділянки 45 ніпеля і довжина в осьовому напрямку основної неконтактної зони 48 передньої ділянки показана в таблиці 1. Зовнішня поверхня основної частини передньої ділянки і протилежна внутрішня поверхня муфти для випробуваних зразків з #1 по #4 мали усічену конічну форму, як показано на фіг. 1, або циліндричну форму - для випробуваного зразка #5, як показано на фіг. 4. Зазор між ніпелем і муфтою в основній частині передньої ділянки для випробуваних зразків з #1 по #4 був 0,2 мм, а для випробуваного зразка #5 0,9 мм. Кут фаскової ділянки 17 становить 15 градусів для всіх випробуваних зразків. Результати випробувань серії А відповідно до стандарту ISO 13679 також представлені в таблиці 1. Таблиця 1 Довжина передньої ВідноКут, град ділянки в Коментарі шення осьовому МатетовРезультати ріал щини напрямку, мм # Розмір випроз'єднан- Ущіль- Поверхні Поверх- поверВся бувань Неконня нюваль- додат- ні основ- хонь передтактна запленої кового ного ня зона чиків повер- заплезапледілян48 хні чика чика ка 9-5/8" За даним 1 L80 14 20 15 3,7 10,2 13,5 Хороші 53,5# винаходом 10-3/4" За даним 2 L80 14 20 -15 3,6 12,2 15,5 Хороші 60,7# винаходом 10-3/4" За даним 3 L80 14 20 -15 4,7 6,2 9,5 Хороші 65,7# винаходом 9-5/8" За даним 4 Q125 14 20 -15 3,7 10,2 13,5 Хороші 53,5# винаходом Протікання 9-5/8" від внутПорівняль5 L80 14 Відсутня 0 14,0 14,0 53,5# рішнього ний приклад тиску 25 30 Як показано в таблиці 1, навіть якщо розмір або матеріал з'єднання відповідно до даного винаходу змінювався, ніяких протікань взагалі не було, і була помітна різниця в характеристиках в порівнянні із з'єднаннями, що не відповідають обсягу даного винаходу, в яких протікання мали місце. Даний винахід вище був описаний по відношенню до конкретного варіанта виконання, але цей опис - не більше ніж приклад, і даний винахід ним не обмежений. Зокрема, фахівцям в даній галузі техніки ясно, що в даному винаході може симетрично використовуватися ніпель і муфта з ущільнювальною поверхнею муфти на кінцевій ділянці, що проходить по вільному кінцю муфти, і з заплечиком муфти, розташованим на вільному кінці муфти, з використанням всіх раніше описаних ознак від ніпеля на муфту і навпаки. 11 UA 98016 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 1. Нарізне з'єднання для сталевих труб, що містить ніпель і муфту, при цьому ніпель має зовнішню різь і кінцеву ділянку, що містить ущільнювальну поверхню, і передню ділянку з поверхнею заплечика, муфта має внутрішню різь, ущільнювальну поверхню і поверхню заплечика, причому зовнішня різь зчеплена з внутрішньою різзю, ущільнювальна поверхня ніпеля знаходиться в ущільнювальному контакті з відповідною ущільнювальною поверхнею муфти, поверхня заплечика ніпеля виконана на кінцевій поверхні ніпеля, ущільнювальна поверхня ніпеля розташована на кінцевій стороні труби поруч із зовнішньою різзю, передня ділянка розташована між ущільнювальною поверхнею і поверхнею заплечика і не контактує з ділянкою муфти, поверненою у бік передньої ділянки ніпеля, яке відрізняється тим, що поверхня заплечика ніпеля містить дві різні суміжні поверхні - основний заплечик на внутрішній стороні і додатковий заплечик на зовнішній стороні, відповідна поверхня заплечика муфти, повернена у бік поверхні заплечика, містить дві різні суміжні поверхні - основний заплечик на внутрішній стороні і додатковий заплечик на зовнішній стороні, поверхні основних заплечиків ніпеля і муфти розташовані таким чином, щоб перешкоджати деформації кінця кінцевої ділянки радіально всередину, поверхні додаткових заплечиків ніпеля і муфти розташовані таким чином, щоб обмежити деформацію кінця кінцевої ділянки радіально назовні, основний заплечик ніпеля має більший радіальний розмір, ніж додатковий заплечик ніпеля, щонайменше поверхня основного заплечика ніпеля знаходиться в осьовому приляганні з щонайменше відповідною поверхнею основного заплечика муфти, щонайменше частина передньої ділянки ніпеля має зовнішню периферійну поверхню, яка не знаходиться на продовженні ущільнювальної поверхні ніпеля, і ущільнювальна поверхня ніпеля, зовнішня поверхня передньої ділянки ніпеля і поверхня додаткового заплечика ніпеля не вирівняні одна відносно одної, і ущільнювальна поверхня муфти, внутрішня поверхня ділянки муфти, поверненої у бік зовнішньої поверхні передньої ділянки ніпеля, і поверхня додаткового заплечика муфти не вирівняні одна відносно одної. 2. Нарізне з'єднання за п. 1, в якому поверхня основного заплечика ніпеля є зворотною поверхнею заплечика, що має негативний кут відносно площини, перпендикулярної осі з'єднання. 3. Нарізне з'єднання за п. 1 або 2, в якому поверхня додаткового заплечика ніпеля має позитивний кут відносно площини, перпендикулярної осі з'єднання. 4. Нарізне з'єднання за будь-яким з пп. 1-3, в якому тільки поверхня основного заплечика серед поверхонь заплечика на кінці ніпеля знаходиться в осьовому приляганні до відповідної поверхні основного заплечика муфти. 5. Нарізне з'єднання за будь-яким з пп. 1-4, в якому поверхня додаткового заплечика ніпеля здатна взаємодіяти з поверхнею додаткового заплечика муфти, причому геометричний діаметральний перепад між поверхнями додаткових заплечиків ніпеля і муфти становить 1,1 або менше від геометричного діаметрального перепаду між ущільнювальними ділянками ніпеля і муфти. 6. Нарізне з'єднання за п. 5, в якому геометричний діаметральний перепад між поверхнями додаткових заплечиків ніпеля і муфти по суті дорівнює геометричному діаметральному перепаду між ущільнювальними ділянками ніпеля і муфти. 7. Нарізне з'єднання за будь-яким з пп. 2-6, в якому кут зворотного заплечика відносно площини, перпендикулярної осі з'єднання, знаходиться між 5 і 25 градусами. 8. Нарізне з'єднання за будь-яким з пп. 1-7, в якому поверхні заплечиків є по суті зрізаноконічними. 9. Нарізне з'єднання за будь-яким з пп. 1-8, в якому поверхня основного заплечика і поверхня додаткового заплечика ніпеля при впливі на них стискаючого навантаження здатні підтримуватися відповідною поверхнею основного заплечика і поверхнею додаткового заплечика муфти. 10. Нарізне з'єднання за будь-яким з пп. 1-9, в якому ущільнювальні поверхні ніпеля і муфти нахилені відносно осі нарізного з'єднання на кут, що становить від 5 до 25 градусів. 11. Нарізне з'єднання за будь-яким з пп. 1-10, в якому поверхні додаткових заплечиків ніпеля і муфти нахилені відносно осі нарізного з'єднання на кут, що становить від 5 до 30 градусів. 12. Нарізне з'єднання за будь-яким з пп. 1-11, в якому нахил поверхонь додаткових заплечиків перевищує нахил ущільнювальних поверхонь. 12 UA 98016 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 13. Нарізне з'єднання за будь-яким з пп. 1-12, в якому основна частина передньої ділянки ніпеля розташована із зазором в поверненій до неї ділянці муфти, при цьому мінімальна величина зазору становить по діаметру 0,1 мм. 14. Нарізне з'єднання за будь-яким з пп. 1-13, в якому нахил ущільнювальної поверхні муфти, внутрішньої поверхні ділянки муфти, поверненої у бік зовнішньої поверхні передньої ділянки ніпеля, і поверхні додаткового заплечика муфти є однаковим. 15. Нарізне з'єднання за будь-яким з пп. 1-14, в якому ніпель містить закруглену вершину між поверхнею додаткового заплечика і поверхнею основного заплечика з радіусом, меншим ніж 1,5 мм. 16. Нарізне з'єднання за будь-яким з пп. 1-15, в якому одна з ущільнювальної поверхні - ніпеля або муфти, є зрізаною конічною поверхнею, а інша ущільнювальна поверхня містить тороїдальну поверхню, яка має радіус кривизни, що перевищує 20 мм, або комбінацію тороїдальної поверхні і зрізаної конічної поверхні. 17. Нарізне з'єднання за будь-яким з пп. 1-16, в якому обидві поверхні додаткових заплечиків ніпеля і муфти є зрізаними конічними поверхнями. 18. Нарізне з'єднання за будь-яким з пп. 1-17, в якому радіальний розмір основного заплечика щонайменше в 1,5 рази перевищує радіальний розмір додаткового заплечика. 19. Нарізне з'єднання за будь-яким з пп. 1-18, в якому зовнішня обводова поверхня передньої ділянки ніпеля і внутрішня поверхня ділянки муфти, повернена у бік передньої ділянки ніпеля, мають по суті циліндричну форму. 20. Нарізне з'єднання за будь-яким з пп. 1-19, в якому зовнішня обводова поверхня передньої ділянки ніпеля і внутрішня поверхня ділянки муфти, повернена у бік передньої ділянки ніпеля, мають по суті зрізану конічну форму, при цьому кут конусності становить менше 10 градусів. 21. Нарізне з'єднання за будь-яким з пп. 1-20, в якому поверхня заплечика щонайменше одного елемента - ніпеля або муфти, має щонайменше один паз, що проходить від простору між передньою ділянкою ніпеля і ділянкою муфти, протилежною передній ділянці, у внутрішній простір нарізного з'єднання. 22. Нарізне з'єднання за п. 21, в якому паз містить першу ділянку паза, утворену на додатковому заплечику, і другу ділянку паза, утворену на основному заплечику і сполучену з першою ділянкою паза по поверхні розділення між основним заплечиком і додатковим заплечиком. 23. Нарізне з'єднання за п. 21, в якому паз містить першу ділянку паза, утворену на додатковому заплечику, і другу ділянку паза, утворену на основному заплечику, не сполучену безпосередньо з першою ділянкою паза по поверхні розділення між основним заплечиком і додатковим заплечиком, при цьому друга ділянка паза сполучена з першою ділянкою паза через з'єднувальний канал. 24. Нарізне з'єднання за п. 23, в якому з'єднувальний канал є угнутістю, виконаною в поверхні заплечика муфти. 25. Нарізне з'єднання за п. 23, в якому з'єднувальний канал є угнутістю, виконаною в поверхні заплечика ніпеля. 26. Нарізне з'єднання за п. 24 або п. 25, в якому угнутість виконана операцією зняття фаски або прорізанням пазів. 13 UA 98016 C2 14 UA 98016 C2 15 UA 98016 C2 16 UA 98016 C2 Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 17