ПРОБКА ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ТРУБНОГО РЕЗЬБОВОГО КОМПОНЕНТА ВЫСШЕГО КЛАССА

Настоящее изобретение относится к пробке для проведения испытаний с приложением давления к трубному компоненту, и более конкретно для проведения испытаний на трубных компонентах, имеющих на одном своем конце резьбовую часть и уплотнительную поверхность.

Для формирования обсадных колонн или рабочих колонн, или бурильных колонн для углеводородных скважин, или для других аналогичных скважин разработаны резьбовые соединения высшего класса (или класса «премиум»). Резьбовое соединение высшего класса формируют посредством взаимодействия охватываемого резьбового конца высшего класса первого трубного компонента и охватывающего резьбового конца высшего класса второго трубного компонента.

Охватываемый резьбовой конец высшего класса содержит резьбу, свободный конец, уплотнительную поверхность, сформированную между резьбой и свободным концом, при этом уплотнительная поверхность может находиться на расстоянии, не равном нулю, от указанного свободного конца. Между резьбой и уплотнительной поверхностью и/или между уплотнительной поверхностью и свободным концом может быть предусмотрена кольцевая кромка. Уплотнительная поверхность предусмотрена для взаимодействия с дополняющей уплотнительной поверхностью охватываемого резьбового конца высшего класса для взаимодействия по типу металл-металл. Свободный конец может образовывать осевой упор свинчивания. Уплотнительная поверхность и дополняющая уплотнительная поверхность могут иметь различные профили, в частности, в примере, где одна из этих поверхностей образует поверхность в форме усеченного конуса, тогда как дополняющая образует поверхность в форме тора.

Для определения этих резьбовых соединений как таковых и достижения их эффективности необходима возможность испытания их эффективности, в частности сопротивления самого трубного компонента давлению, независимо от соединения. Настоящее изобретение особенно полезно для проведения таких испытаний, позволяя гарантировать отсутствие последствий таких испытаний для резьбового конца высшего класса. Действительно, убыточно подтверждать качество трубы, теряя при этом необходимое качество резьбового конца высшего класса, который она содержит.

Трубный компонент, подлежащий испытанию, при котором требуется испытать уплотнение под внутренним давлением, например, может быть вспомогательным устройством (предохранительный клапан, устройство подвески колонны, приспособление для уменьшения сечения колонны) или трубным подузлом, предусмотренным для введения посредством свинчивания в трубную колонну углеводородных скважин. Испытания могут быть выполнены посредством воды, газа или других текучих сред, например, масла.

Из уровня техники известны документы US-2663183 и US-4407171, описывающие пробки для проведения испытаний на герметичность, предусмотренные для взаимодействия с охватываемыми резьбовыми частями, при этом указанные резьбовые части не относятся к высшему классу, как те, что описаны здесь.

Кроме того, из документа EP-1924832 известен способ испытания, применимый к охватываемому и охватывающему резьбовым концам высшего класса, позволяющий выполнять испытания при очень высоких давлениях. В частности, в документе раскрыто свинчивание пробки с охватываемой резьбой конца для выполнения таким образом осевого сжатия уплотнительного кольца пробки между осевым упором конца и дном пробки, для установления таким образом давления испытания внутри компонента, содержащего указанный резьбовой конец. Несмотря на то, что этот тип пробки является удовлетворительным, он не позволяет проводить испытания со всеми типами резьбовых концов высшего класса. В частности, когда такая пробка используется на охватываемом резьбовом конце типа раскрытого в документах EP-2212510 и WO-2013/108931, утечки сквозь соединение являются значительными.

Целью настоящего изобретения является предоставление удовлетворительного решения для проведения испытаний как для резьбовых частей высшего класса без осевого упора, так и пригодного для резьбовых частей высшего класса, осевой упор которых выполнен с возможностью утечки. В качестве альтернативы стандартному поиску оптимального компромисса между характеристиками твердости и упругости уплотнительного конца, настоящее изобретение ставит перед собой цель предложить новое и эффективное решение поставленной задачи без образования повышенных издержек.

Таким образом, настоящее изобретение предоставляет пробку для испытаний под давлением, предусмотренную для трубного компонента, при этом трубный компонент содержит на свободном конце охватываемый резьбовой элемент, причем охватываемый резьбовой элемент содержит охватываемую резьбу и уплотнительную поверхность, при этом пробка содержит резьбу, совместимую с охватываемой резьбой, внутренний кольцевой паз и уплотнительное кольцо, удерживаемое в указанном пазе таким образом, что уплотнительное кольцо сжато в радиальном направлении между внешней окружностью охватываемого резьбового элемента и дном указанного внутреннего кольцевого паза.

В частности, указанный кольцевой паз может быть расположен, в положении в сборе с указанным трубным компонентом, напротив части, расположенной между охватываемой резьбой и свободным концом, при этом на расстоянии, не равном нулю, от охватываемой резьбы.

Предпочтительно указанный кольцевой паз может быть расположен, в положении в сборе с указанным трубным компонентом, напротив части, расположенной между уплотнительной поверхностью и свободным концом.

В частности, дно этого паза может содержать часть поверхности в форме усеченного конуса. Указанное дно может содержать наклон, идентичный наклону кромки, расположенной между частью в форме усеченного конуса, содержащей уплотнительную поверхность, и свободным концом, при этом указанная кромка имеет наклон меньший, чем наклон части в форме усеченного конуса. Эти характеристики позволяют улучшить равномерность сжатия уплотнительного кольца.

Предпочтительно уплотнительное кольцо может содержать первый участок, имеющий радиально внутреннюю окружность и радиально внешнюю окружность, при этом эти окружности являются по сути концентрическими и гомотетическими. В такой конфигурации наклон внутренней и внешней концентрических окружностей первого участка может быть идентичен наклону кромки.

В частности, кольцевой паз может быть расположен, в положении в сборе с указанным трубным компонентом, напротив части в форме усеченного конуса, частично на уплотнительной поверхности.

Например, уплотнительное кольцо может содержать второй участок, имеющий, соответственно, радиально внутреннюю окружность и радиально внешнюю окружность, при этом радиально внутренняя окружность указанного второго участка имеет наклон, идентичный наклону части в форме усеченного конуса, содержащей уплотнительную поверхность.

Уплотнительное кольцо также может содержать третий участок, имеющий скошенную внутреннюю окружность, служащую предохранителем для правильной установки кольца в паз. Эта скошенная внутренняя окружность также может обеспечивать лучшее зацепление с трубным компонентом в пробке, что также позволяет свободному концу трубного компонента предотвращать смещение уплотнительного кольца из его паза.

Предпочтительно пробка может содержать внутреннюю поверхность в форме усеченного конуса между совместимой резьбой и пазом, таким образом, что эта внутренняя поверхность в форме усеченного конуса находится диаметрально на расстоянии не равном нулю, например, более 0,05 мм, от уплотнительной поверхности, напротив которой расположена указанная внутренняя поверхность в форме усеченного конуса в положении в сборе. Наличие в диаметральном направлении этого не равного нулю расстояния позволяет ограничить расширение конца трубного компонента при воздействии на него давлением, а также избежать контактов между испытываемым трубным компонентом и пробкой в процессе навинчивания и свинчивания пробки. Внутренняя поверхность в форме усеченного конуса предоставляет поверхность статичной опоры для уплотнительной поверхности охватываемого резьбового элемента.

Согласно одному варианту осуществления уплотнительное кольцо может быть выполнено из материала с твердостью от 90 до 100 по Шору А, в частности из полиуретана или тефлона®.

Для облегчения установки и упрощения определения окончания свинчивания пробки с резьбовым элементом пробка может содержать поверхность внутреннего осевого упора для вхождения в контакт со свободным концом трубного компонента.

Более конкретно, в случае, когда охватываемая резьба является резьбой трапециевидного типа, то совместимая резьба также является резьбой трапециевидного типа, но может отличаться от резьбы, дополняющей эту охватываемую резьбу, таким образом, что взаимодействие между охватываемой резьбой и совместимой резьбой не создает никакого взаимодействия в радиальном направлении между впадинами и вершинами витков указанной охватываемой резьбы. Применение совместимой резьбы, а не дополняющей, позволяет сохранить целостность резьбы во время проведения испытаний.

Более конкретно, и с учетом давления, при котором проводят испытания, совместимая резьба и паз предпочтительно могут быть выполнены в металлическом корпусе пробки.

Преимущество решения согласно настоящему изобретению заключается в предоставлении пробки с возможностью многоразового использования и легкого свинчивания вручную.

Настоящее изобретение будет более понятно при изучении подробного описания варианта осуществления, приведенного в качестве неограничивающего примера и проиллюстрированного прилагаемыми графическими материалами, на которых:

- фиг. 1 представляет собой вид в продольном сечении пробки согласно настоящему изобретению, в сборе с трубным компонентом, подлежащим испытанию давлением;

- фиг. 2 представляет собой подробный вид области A, представленной на фиг. 1;

- фиг. 3 представляет собой вид сверху пробки согласно настоящему изобретению;

- фиг. 4 представляет собой подробный вид области A пробки согласно настоящему изобретению без уплотнительного кольца;

- фиг. 5 представляет собой вид в продольном сечении уплотнительного кольца пробки согласно настоящему изобретению;

- фиг. 6 представляет собой подробный вид в продольном сечении одного варианта осуществления пробки согласно настоящему изобретению, в сборе с трубным компонентом, подлежащим испытанию давлением.

На фиг. 1 показан охватываемый резьбовой элемент 1 трубного компонента перед испытанием его давлением. Трубный компонент показан здесь пустым. Несмотря на то, что на фиг. 1 не показано подробно, трубный компонент открыт с двух своих противоположных в осевом направлении концов, относительно оси вращения X указанного трубного компонента. В этом случае для выполнения испытания с воздействием давлением необходимо, чтобы второй конец также был герметично закрыт, например, посредством пробки согласно настоящему изобретению.

Этот охватываемый резьбовой элемент 1 содержит коническую охватываемую резьбу 2, а также нерезьбовую зону 3, расположенную за резьбой 2 и проходящую к свободному концу 4 резьбового элемента 1. Резьба 2 предусмотрена для дальнейшей сборки с другим трубным компонентом в трубной колонне перед установкой в углеводородные скважины.

Радиально внешняя поверхность нерезьбовой зоны 3 содержит, согласно фиг. 2, между резьбой 2 и свободным концом 4, часть 5 в форме усеченного конуса, имеющую уплотнительную поверхность 6. Уплотнительная поверхность 6 предусмотрена для взаимодействия с дополняющей поверхностью с возможностью создания уплотнения металл-металл, когда подлежащий испытанию трубный компонент собирают с дополняющим трубным компонентом. Между частью 5 в форме усеченного конуса и свободным концом 4 радиально внешняя поверхность резьбового элемента 1 содержит кольцевую кромку 8 и наконечник 7. Кольцевая кромка 8 может быть цилиндрической или в форме усеченного конуса, но в последнем случае наклон части в форме усеченного конуса кромки меньше наклона части в форме усеченного конуса 5. Наконечник 7 обеспечивает совмещение с оконечной поверхностью 9 свободного конца 4, причем эта оконечная поверхность 9 образует поверхность осевого упора, когда компонент находится в сборе с дополняющим компонентом.

На фиг. 1 также показана пробка 10 для испытаний, предусмотренная для изоляции внутреннего пространства компонента, к которому должно быть приложено давление. Эта пробка 10 содержит корпус, образующий по сути цилиндрическую стенку 11, предусмотренную для установки вокруг охватываемого резьбового элемента 1. Корпус пробки предпочтительно выполнен из металла. Пробка 10 также содержит дно 12, проходящее поперечно цилиндрической стенке. Через дно проходит подводящий канал 13 и выход 14 текучей среды под давлением.

Поперечное дно 12 с внешней стороны также имеет по меньшей мере одну точку 15 крепления. Согласно фиг. 3, дно 12 содержит две точки крепления 15’ и 15’’, в данном случае диаметрально противоположные и расположенные на расстоянии от центра дна 12 для предотвращения образования зоны хрупкости и для возможности закрепления в этих точках крепления подъемного устройства.

Цилиндрическая стенка 11 имеет на своей внутренней окружности коническую охватывающую резьбу 16. Охватывающая резьба 16 является совместимой с охватываемой резьбой 2 так, чтобы позволять свинчивать пробку 10 с элементом 1 вручную, например, с помощью цепного ключа, обеспечивающего усилие свинчивания менее 1000 Н·м, предпочтительно приблизительно 200 Н·м.

Цилиндрическая стенка 11 содержит внутренний уступ, образующий внутреннюю кольцевую кромку 17. Внутренняя кольцевая кромка 17 пробки предусмотрена для взаимодействия в качестве упора при окончании свинчивания с поверхностью 9 упора. Кромка 17 по сути имеет такую же конусность, как и поверхность 9 упора, расположенная напротив нее в свинченном состоянии, как показано на фиг. 2. Кромка 17 может взаимодействовать только с частью поверхности 9 упора, при том условии, что установка пробки 10 на резьбовой элемент 1 не требует прикладывания чрезмерного усилия свинчивания.

Между этой внутренней кольцевой кромкой 17 и совместимой резьбой 16 цилиндрическая стенка 11 содержит участок 18. На участке 18 выполнен кольцевой паз 19, открывающийся внутрь пробки. Уплотнительное кольцо 20 установлено в паз 19. Уплотнительное кольцо 20 выступает радиально внутрь относительно переднего 21 и заднего 22 краев паза, при этом выступ расположен между этими передним 21 и задним 22 краями. Уплотнительное кольцо 20 имеет толщину, превышающую радиальную глубину паза. Паз имеет осевой размер вдоль оси X, которая также является осью вращения пробки, превышающий осевой размер уплотнительного кольца относительно той же оси. Осевой зазор уплотнительного кольца 20 в пазе 19 позволяет обеспечить зазор, облегчающий установку кольца в паз и извлечение из него. Этот осевой зазор также позволяет сглаживать различия в размерах кольца в связи с допусками при производстве кольца и при проточке паза. Наконец, этот осевой зазор позволяет допускать расширение кольца в осевом направлении, когда последнее будет подвергаться радиальному сжатию при окончании свинчивания подлежащего испытанию трубного компонента с указанной пробкой.

На фиг. 4 передние 21 и задние 22 края поднимаются от дна 23 паза 19 в плоскости, по сути перпендикулярной оси X. Дно 23 паза содержит часть 40 поверхности в форме усеченного конуса с наклоном « i » относительно оси X, соединенную с задним краем 22 первой радиусной частью 24. Часть 40 поверхности в форме усеченного конуса может представлять всю стенку дна 23 до переднего края 21. Но в показанном примере и с целью облегчения проточки паза часть поверхности 40 в форме усеченного конуса представляет только часть дна 23, причем дно 23 содержит цилиндрическую часть 41 в продолжение части 40 поверхности в форме усеченного конуса, при этом указанная цилиндрическая часть 41 соединена с передним краем 21 второй радиусной частью 25. Первая радиусная часть 24 имеет радиус кривизны, больший чем радиус кривизны радиусной части 25, для снижения концентрации напряжений в этом месте во время проведения испытания.

Из практических соображений цилиндрическая часть 41 может проходить на фиксированное осевое расстояние, независимо от размера пробки, например, порядка 2,5 мм.

Уплотнительное кольцо 20 имеет радиально внешнюю окружность 26, содержащую наклонную часть 42, в данном случае с таким же наклоном « i », как и у части 40 в форме усеченного конуса дна 23. Для равномерного взаимодействия с дном, при условии, что испытание давлением приводит уплотнительное кольцо 20 в состояние сжатия в направлении переднего края 21 паза, радиально внешняя окружность 26 содержит цилиндрическую часть 43 для взаимодействия с цилиндрической частью 41 дна 23.

Наклонная часть 42 радиально внешней окружности 26 связана первой радиусной частью 27 с первой поперечной стенкой 28 с осью вращения кольца, совпадающей с осью X в положении в сборе. Первая поперечная стенка 28 связана с радиально внутренней окружностью 29 кольца. Радиально внутренняя окружность 29 состоит из 3 последовательных частей 30, 31 и 32. Части 30, 31 и 32 таковы, что наклон первой части 30 меньше наклона второй части 31, который в свою очередь меньше наклона третьей части 32.

Первая часть 30 соединена посредством соединительного радиуса 44 с первой поперечной стенкой 28. Она обладает наклоном, который по сути имеет такую же величину, как и наклон « i » наклонной части 42 радиально внешней окружности 26. Этот наклон « i » выбран по сути равным наклону части кромки 8, напротив которой расположена эта часть 30 в положении в сборе. Часть 30 сконфигурирована с возможностью выдерживания изотропной и равномерной нагрузки под давлением.

Разрыв наклона между первой частью 30 и второй частью 31 сконфигурирован так, чтобы быть расположенным на стыке между частью 5 в форме усеченного конуса и кромкой 8 с целью ограничения смещения кольца. Наклон второй части 31 по сути равен наклону части 5 в форме усеченного конуса для предоставления возможности равномерного сжатия уплотнительного кольца 20.

Разрыв наклона между второй частью 31 и третьей частью 32 также служит видимым указателем для правильной установки уплотнительного кольца в паз 19. Третья часть 32 связана со второй поперечной стенкой 45, параллельной первой поперечной стенке 28, которая связана с цилиндрической частью 43 радиально внешней окружности 26. Соединительный радиус 46 между второй поперечной стенкой 45 и цилиндрической частью 43 больше радиуса второй радиусной части 25 для сглаживания различий в размерах, связанных с соответствующими допусками при проточке между пазом 19 и уплотнительным кольцом 20.

В положении в сборе, как видно на фиг. 2, часть кольца, выполненная из материала элемента 1, практически полностью размещена в объеме, образованном между внешней окружностью охватываемого элемента 1 и дном 23 паза. Налагаемая часть соответствует эффективному сжатию, поглощенному материалом уплотнительного кольца 20, которое в частности приводит к его деформации в пазе 19. В этом положении уплотнительное кольцо 20 радиально сжато, например, на 20 %, обеспечивая таким образом уплотнение сборки пробки и компонента, подлежащего испытанию.

Передний край 21 связан с внутренней поверхностью 33 в форме усеченного конуса, предусмотренной для установки напротив в положении в сборе уплотнительной поверхности 6. Перед началом испытания между уплотнительной поверхностью 6 и внутренней поверхностью в форме усеченного конуса 33, смежной с пазом 19, предусмотрен зазор 34. Зазор 34 достаточно незначителен, что препятствует смещению уплотнительного кольца в этом пространстве. При этом этот зазор 34 достаточен для того, чтобы под действием давления испытания уплотнительная поверхность 6 входила в упор с указанной расположенной напротив поверхностью, практически не испытывая пластической деформации.

Под выражением «практически не испытывая пластической деформации» следует понимать пренебрежение легкой пластической деформацией, которая может быть обнаружена чувствительными измерительными приборами, но которая не будет влиять на характеристики применения рассматриваемого компонента.

Зазор 34 имеет величину равную по меньшей мере 0,05 мм диаметрального зазора. Указанное значение может представлять собой диаметральный зазор не более 0,3 % номинального внешнего диаметра трубного компонента. Зазор может составлять максимум 0,2 мм.

Подобный зазор 50, в частности идентичный в радиальном размере зазору 34, может быть выполнен между частью 51 кромки 8 и наконечником 7, который расположен радиально напротив внутренней цилиндрической стенки 52 пробки. Зазор 50 также позволяет ограничить радиальное расширение испытываемого охватываемого резьбового конца.

Один вариант осуществления пробки согласно настоящему изобретению показан на фиг. 6. Согласно этому варианту кромка 8 до такой степени короткая, что вся кромка 8 расположена напротив паза 19. Паз 19 также частично находится напротив части наконечника 7. Согласно этой конфигурации и для облегчения операций радиальной проточки кольцевая кромка 17 является усеченной, и также обеспечивает меньшую поверхность контакта со свободным концом 4, чем предусмотрено в первом варианте осуществления, в частности показанном на фиг. 1 и 2.