DE60108500T2

DE60108500T2 - Gewinde-Rohrverbindung, die eine diametrale Aufweitung erfahren hat

Info

Publication number: DE60108500T2
Application number: DE60108500T
Authority: DE
Inventors: Jean-Luc Coulon; Thierry Noel; Gabriel Roussie; Emmanuel Varenne
Original assignee: Vallourec Mannesmann Oil and Gas France SA
Current assignee: Vallourec Oil and Gas France SAS
Priority date: 2000-06-30
Filing date: 2001-06-25
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2021-06-26
Also published as: EA200300093A1; EP1295060B1; CA2410425C; CN1289847C; DE60108500D1; AR028758A1; US20020163192A1; JP3913170B2; ATE287510T1; CZ2003305A3; MXPA02012582A; PL359707A1; FR2811056A1; EP1295060A1; JP2004502104A; EA004560B1; BR0112096A; CN1440497A; AU2001270654A1; CA2410425A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Gewinde-Rohrverbindung, die durch diametrale Aufweitung eine plastische Verformung erfahren kann, und die nach einer solchen Aufweitung erhaltene Verbindung.
Es sind Gewinde-Rohrverbindungen bekannt, die zwischen zwei Rohren großer Länge oder zwischen einem Rohr großer Länge und einer Muffe hergestellt und insbesondere verwendet werden, um Säulen von Futterrohren ("casings") oder von Steigrohren ("tubings") für Kohlenwasserstoffbohrungen oder ähnliche Bohrschächte, wie zum Beispiel für die Geothermie, herzustellen.
Traditionell werden die Bohrschächte mit Werkzeugen unterschiedlicher Durchmesser gebohrt, wobei der obere Bereich des Bohrschachts mit Hilfe eines Werkzeugs mit einem großem Durchmesser, zum Beispiel von 500 mm, gebohrt wird, während der Grund des Bohrschachts mit einem geringeren Durchmesser, in der Größenordnung von 150 mm, gebohrt wird. Die Bohrschächte werden daher mit Hilfe mehrerer konzentrischer Säulen verschalt, die alle von der Oberfläche her aufgehängt sind, wobei die Rohre mit größerem Durchmesser sich von der Oberfläche bis auf einige Hundert Meter Tiefe erstrecken, und die Rohre kleineren Durchmessers sich von der Oberfläche bis zum Grund des Bohrschachts erstrecken. Der Raum zwischen den Futterrohren und dem Erdboden ist im Allgemeinen zementiert.
Wenn der Bohrschacht vollständig gebohrt und verschalt ist, wird eine Säule von Steigrohren im Inneren der Futterrohre mit kleinerem Durchmesser abgesenkt, um insbesondere das Hochsteigen der Kohlenwasserstoffe an die Oberfläche zu ermöglichen.
Das Einrichten eines Bohrschachts führt also dazu, eine große Anzahl von Rohren einzusetzen, die unterschiedliche Abmessungen aufweisen und so dünn wie möglich sind, um keine zu großen Futterrohr-Durchmesser nahe der Oberfläche zu erfordern.
In Anbetracht der geforderten mechanischen Eigenschaften bestehen die Futterrohre und die Steigrohre üblicherweise aus wärmebehandeltem Stahl, und sie werden mit Hilfe von Gewindeverbindungen zusammengesetzt, wobei die Dicke der Gewindeverbindungen im Allgemeinen größer ist als die des laufenden Bereichs der Rohre und Durchmesserabweichungen zwischen konzentrischen Säulen bedingt.
Die Spezifikation API 5 CT des American Petroleum Institute definiert so Gewinde-Rohrverbindungen zwischen zwei Rohren großer Länge ("integral-joint tubing", "extreme-line casing") und gemuffte Gewindezusammenbauten mit zwei Gewindeverbindungen, die es ermöglichen, zwei Rohre großer Länge mit Hilfe einer Muffe zusammenzubauen.
Viele Patente haben diese Gewindeverbindungen und Gewindezusammenbauten verbessert: Zum Beispiel hatten die Patente FR 1.489.013, EP 0 488 912, US 4,494,777 zum Ziel, so genannte hochwertige oder "premium"-Gewinde-Rohrverbindungen herzustellen, die aufgrund von Metall-Metall-Dichtungsauflageflächen und aufgrund von Anschlägen zwischen Einsteckelementen und Aufnahmeelementen besonders dicht sind.
Die Patentanmeldung WO 99/08034 beschreibt eine Gewindeverbindung mit Flachgewindegängen, die eine einem Aufnahmesitz entsprechende Einstecklippe besitzt und ringförmige Einsteck-Endflächen und schulterförmige Aufnahme-Endflächen in Form von Falzen aufweist, die in Anschlag liegen und ineinander gefügt sind. Die äußere Umfangsfläche der Einstecklippe und die innere Umfangsfläche des Aufnahmesitzes weisen zylindrische Bereiche auf, die radial miteinander interferieren, um am Ende des Schraubvorgangs einen Satz von Umfangs-Dichtungsauflageflächen zu bilden, wenn die Einsteck- und Aufnahmefalze ineinander gefügt sind.
Seit neuestem werden neue Anwendungsmodi für rohrförmige Säulen von Kohlenwasserstoffbohrungen in Betracht gezogen, die darin bestehen, den Durchmesser der Rohre der Säule mit Hilfe eines Dorns um 10 bis 20% aufzuweiten, dessen Durchgang durch das Innere der Säule erzwungen wird: Siehe hierzu die Patente oder Patentanmeldungen WO 93/25799, WO 98/00626, WO 99/06670, WO 99/35368, WO 00/61915, GB 2344606, GB 2348657.
Eine solche Aufweitung kann es zum Beispiel erlauben, eine Säule von Futterrohren einzusetzen, ohne dass der Raum zwischen der äußeren Umfangsfläche der Rohre und der Oberfläche des in den Boden gebohrten Lochs zementiert werden muss, oder indem eine Säule mit geringem Raumbedarf bezüglich des Lochs abgesenkt wird.
Eine solche Aufweitung kann es auch erlauben, die Löcher eines Futter- oder Steigrohrs abzudichten, die durch Korrosion oder die Reibung der Bohrstangen entstanden sind, oder Rohre mit geringem Raumbedarf in den Bohrschacht abzusenken, die nach ihrem Einsetzen auf den gewünschten Durchmesser aufgeweitet werden.
Die Aufweitungstechnik kann es aber insbesondere ermöglichen, Bohrschächte über ihre ganze Länge mit gleichmäßigem Durchmesser zu bohren, deren Verschalung dann durch eine Säule von Rohren erfolgt, die alle den gleichen Durchmesser haben, wobei die Rohre im nicht aufgeweiteten Zustand abgesenkt und dann vor Ort auf den Durchmesser des Bohrschachts aufgeweitet werden.
Es ist dann möglich, die Anzahl von zur Ausstattung eines Bohrschachts notwendigen Rohren stark zu verringern, indem die Rohre größeren Durchmessers und größerer Dicke weggelassen werden, und somit die Kosten des Bohrschachts zu reduzieren. Man kann sogar in Betracht ziehen, den Bohrschacht direkt mit der Säule von Futterrohren zu bohren, die dann die Aufgabe von Bohrstangenzügen übernehmen würde.
Die Gewinde-Rohrverbindungen des Stands der Technik, wie zum Beispiel diejenigen gemäß dem Patent US 4,494,777 , ermöglichen solche Anwendungen aber nicht.
Nach der an diesen Verbindungen vorgenommenen Aufweitung stellt man fest:

– eine mangelnde Dichtheit, die insbesondere die Durchführung der Aufweitung durch hydraulisches Drücken des Dorns in der Säule verhindert;
– eine Durchbiegung des Einsteckendes zur Innenseite der Verbindung, die den inneren Arbeitsdurchmesser der Säule beträchtlich und in unzulässiger Weise verringert, indem ein innerer Vorsprung in den Raum erzeugt wird, der vom inneren Arbeitsdurchmesser definiert wird;
– ggf. das Brechen der Lippe durch Überschreiten der Verformungsfähigkeit bestimmter besonders beanspruchter Zonen aufgrund der Dickenveränderungen entlang der Einsteck- und Aufnahmeelemente bezüglich der Dicke am Rohrkörper.

Daher beschreiben die oben erwähnten Druckschriften betreffend die Aufweitungstechniken für die Ausführungsformen der Verbindungen zwischen Rohren nur geschweißte Verbindungen (Trommeln von vorher durch Schweißen aneinander gesetzten Rohren, die von der Oberfläche her abgewickelt werden) oder reibende Verbindungen ("slips"), obwohl die Gewindeverbindungen außerdem für ihre Leistungen bekannt sind, die die mechanische Festigkeit, die Dichtheit unter allen Betriebsbedingungen und die Möglichkeit des mehrfachen Ein- und Ausbaus vereinen.
Es ist anzumerken, dass aus den Druckschriften US 5 924 745 und WO 98/4947 Gewindeverbindungen bekannt sind, um so genannte EST-Rohre (expansable slotted tubes) zusammenzubauen, die mit Längsschlitzen versehen sind, welche die diametrale Aufweitung von Rohren am Grund von Kohlenwasserstoffbohrungen durch Hindurchführen eines Aufweitungsdorns durch diese Rohren ermöglichen. Solche Gewindeverbindungen bezwecken keine Dichtheitseigenschaften, da die Rohre mit Schlitzen versehen sind, die die Wand der Rohre durchqueren und es einem außerhalb des Rohrs befindlichen Fluid (von der Lagerstätte stammender Kohlenwasserstoff) ermöglichen, in das Rohr einzudringen, um darin an die Oberfläche gebracht zu werden.
Es wurde also versucht, eine Gewinde-Rohrverbindung herzustellen, die in der Lage ist, gegenüber dem Aufweitungsvorgang im Bohrschacht fest zu sein, und die nach diesem Aufweitungsvorgang für Flüssigkeiten, und wenn möglich sogar für Gase, dicht ist.
Es war ein weiteres Ziel, die Gewinde-Rohrverbindung einfach und wirtschaftlich herstellbar zu gestalten.
Außerdem sollte die Gewindeverbindung gute metallurgische Eigenschaften im Betrieb, also nach der Aufweitung, aufweisen, insbesondere in diesem Zustand eine ausreichende Elastizitätsgrenze aufweisen, keine Schwachstellen haben und gute Eigenschaften bezüglich der Rissbildung unter der Beanspruchung durch H₂S besitzen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist die aufweitbare Gewinde-Rohrverbindung ein Einsteck-Gewindeelement mit einem Außengewinde am Ende eines ersten Rohrs und ein Aufnahme-Gewindeelement mit einem Innengewinde am Ende eines zweiten Rohrs auf.
Das Einsteck-Gewindeelement weist jenseits des Außengewindes in Richtung des freien Endes des Elements eine gewindelose Einstecklippe auf, die eine äußere Umfangsfläche besitzt und in einer teilweise quer ausgerichteten, ringförmigen Einsteck-Endfläche endet.
Das Aufnahme-Gewindeelement weist ein dem Außengewinde entsprechendes Innengewinde und einen gewindelosen Aufnahmesitz für die Einstecklippe auf. Dieser Sitz weist eine innere Umfangsfläche und eine ringförmige Aufnahme-Schulterfläche auf, die teilweise quer ausgerichtet und mit der inneren Umfangsfläche des zweiten Rohrs verbunden ist.
Das Außengewinde ist in das Innengewinde bis zu einer Stellung eingeschraubt, in der die Einsteck-Endfläche gegen die Aufnahme-Schulterfläche in Eingriff kommt.
Gemäß einem allgemeinen Merkmal der Erfindung, das die Gewinde-Rohrverbindung in die Lage bringt, dicht zu sein und einen maximalen inneren Durchlassquerschnitt aufzuweisen, nachdem sie einer diametralen Aufweitung im Bereich der plastischen Verformungen unterzogen wurde, weisen die Einsteck-Endfläche und die Aufnahme-Schulterfläche zueinander komplementäre Formen auf, die vor der Aufweitung das Ineinanderfügen der Einsteck-Endfläche und der Schulter-Aufnahmefläche bewirken.
Außerdem ist die äußere Umfangsfläche der Einstecklippe mit geringem Spiel von der inneren Umfangsfläche des Aufnahmesitzes entfernt.
Das Ineinanderfügen der Einsteck-Endfläche und der Aufnahme-Schulterfläche bedingt ein Biegemoment am freien Ende der Einstecklippe, wenn der Bereich voller Dicke des zweiten Rohrs, der sich jenseits der Aufnahme-Schulter befindet, beim Aufweiten bezüglich der Achse des Zusammenbaus geneigt ist.
Das Ineinanderfügen ermöglicht es, auf der Gewindeverbindung im aufgeweiteten Zustand durch Metall-Metall-Kontaktdruck zwischen einem Teil der äußeren Umfangsfläche der Einstecklippe und einem entsprechenden Teil der inneren Umfangsfläche des Aufnahmesitzes diametral einen ringförmigen Dichtbereich zu bilden.
Das Ineinanderfügen verhindert auch jede natürliche Tendenz des freien Endes, sich bei der Aufweitung zur Innenseite der Säule zu bewegen und dort innen in Abwesenheit eines solchen Ineinanderfügens vorzustehen.
Dieses von den Erfindern in unterwarteter Weise festgestellte Verhalten beim Aufweiten wird im ausführlichen Teil der Beschreibung erläutert.
Unter einem geringem Spiel zwischen der äußeren Umfangsfläche der Einstecklippe und der inneren Umfangsfläche des Aufnahmesitzes werden Spielräume verstanden, die senkrecht zu diesen Flächen gemessen werden und höchstens 0,3 mm betragen.
Die Abwesenheit einer spürbaren radialen Interferenz zwischen der äußeren Umfangsfläche der Einstecklippe und der inneren Umfangsfläche des Aufnahmesitzes aufgrund dieses Spiels führt dazu, dass diese Umfangsflächen keine Aufgabe von Dichtungsauflageflächen auf der nicht aufgeweiteten Verbindung haben. Die Erfinder haben nämlich festgestellt, dass keine radiale Interferenz dieser Flächen vor dem Aufweiten der Gewindeverbindung notwendig ist, um nach der Aufweitung eine dichte Verbindung zu erhalten.
Sie haben dagegen festgestellt, dass ein zu großer Zwischenraum zwischen diesen Flächen es nicht erlaubt, ihr gegenseitiges festes Umschließen nach der Aufweitung durchzuführen, das für eine dichte Gewindeverbindung notwendig ist.
Im Stand der Technik ist das Patent US 4,611,838 bekannt, das eine Gewindeverbindung beschreibt, die eine Einstecklippe entsprechend einem Aufnahmesitz besitzt und die eine ringförmige Einsteck-Endfläche mit einem ringförmigen Zahn und eine ringförmige Aufnahme-Schulterfläche mit einer ringförmigen Nut aufweist, die gegeneinander in Anschlag liegen, wobei die Einstecklippe eine wulstförmige äußere Umfangsfläche und der Aufnahmesitz eine kegelförmige innere Umfangsfläche aufweist.
Diese Umfangsflächen interferieren radial am Ende des Schraubvorgangs, um Dichtungsauflageflächen zu bilden, wobei das Patent US 4,611,838 darauf abzielt, die radiale Interferenz der wulstförmigen äußeren Umfangsfläche der Einstecklippe mit der kegelförmigen inneren Umfangsfläche des Aufnahmesitzes am Ende des Schraubvorgangs (und somit die Dichtheit der Gewindeverbindung) aufgrund der Form dieser Umfangsflächen und aufgrund der Stützwirkung der unteren Fläche der Nut für die untere Fläche des Zahns zu maximieren.
Aber die Einsteck-Endfläche gemäß diesem Patent ist nicht vollständig in die Schulter-Aufnahmefläche der Gewindeverbindung eingefügt und ermöglicht es somit aufgrund des Freiraums zwischen der oberen Wand der Zunge an deren freiem Ende und der oberen Wand der Nut an deren Grund nicht, ein Biegemoment auf das freie Ende der Einstecklippe zu übertragen.
Nichts deutet in dieser Druckschrift auf die Wirkungen einer diametralen Aufweitung mit plastischer Verformung auf die Dichtungsauflageflächen, oder auch nur darauf hin, dass diese Gewindeverbindung erfolgreich einer solchen Aufweitung unterzogen werden könnte. Die von den Erfindern gesammelten Erfahrungen haben gezeigt, dass die Dichtheit einer Gewindeverbindung gemäß der Druckschrift US 4,611,838 nach einer solchen Aufweitung nicht gewährleistet werden kann.
Das Patent US 3,870,351 zeigt eine Konfiguration der Lippe und der Einsteck- und Aufnahmeenden ähnlich der Konfiguration des Patents 4,611,838, wobei die Einsteck-Endfläche konvex gewölbt ist und gegen eine konkav gewölbte Aufnahme-Schulterfläche anliegt, um zwei Sätze von Metall-Metall-Dichtungsauflageflächen zu erzeugen, der eine in Höhe der gewölbten Flächen, der andere auf der äußeren Umfangsfläche der Einstecklippe und auf der inneren Umfangsfläche des Aufnahmesitzes. Eine solche Konfiguration ermöglicht es, die radiale Interferenz zwischen den Umfangs-Dichtungsauflageflächen zu erhöhen.
In der oben erwähnten Patentanmeldung WO 99/08034 weisen die äußere Umfangsfläche der Einstecklippe und die innere Umfangsfläche des Aufnahmesitzes zylindrische Bereiche auf, die am Ende des Schraubvorgangs radial miteinander interferieren, mit den oben erläuterten Nachteilen, im Gegensatz zur Gewindeverbindung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Schließlich beschreibt das Patent US 6047997 einen Aufbau von Bohrstangen für unterirdische Leitungen, die keine besondere Dichtheit erfordern. Die Einsteck-Endfläche gemäß diesem Patent ist in eine Schulter-Aufnahmefläche eingefügt, aber die Figuren zeigen einen großen Zwischenraum zwischen der äußeren Umfangsfläche der Einstecklippe und der inneren Umfangsfläche des Aufnahmesitzes, was keine Herstellung von Dichtheit zwischen diesen Flächen nach einer diametralen Aufweitung der Gewindeverbindung erlaubt.
Keine der vier erwähnten Druckschriften hat einen Aufbau gleich dem von der vorliegenden Erfindung beanspruchten Aufbau. Keine zieht außerdem die diametrale Aufweitung der von ihnen beschriebenen Gewindeverbindungen in Betracht, oder beschreibt die Möglichkeit, nach einer solchen Aufweitung dichte Gewindeverbindungen zu erhalten.
Vorzugsweise besitzt gemäß der vorliegenden Erfindung die Einsteck-Endfläche für ihr Einfügen in die Aufnahme-Schulterfläche die Form eines Falzes, der auf der zur Innenseite der Gewindeverbindung weisenden Seite aus einer Querfläche und auf der gegenüberliegenden Seite des Falzes aus einer axial vorstehenden, ringförmigen Zunge besteht. Um mit der Einsteck-Endfläche zusammenzuwirken, weist die Aufnahme-Schulterfläche eine Falzform auf, die auf der zur Innenseite der Gewindeverbindung weisenden Seite aus einer Querfläche und auf der gegenüberliegenden Seite aus einer ringförmigen Nut besteht, wobei die Querfläche des Einsteck-Falzes mit der Querfläche des Aufnahme-Falzes und die ringförmige Zunge mit der ringförmigen Nut zusammenwirkt.
Sehr bevorzugt für die vorliegende Erfindung umschließen die ringförmigen Wände der Nut fest diejenigen der Zunge.
In der zusammengebauten Stellung liegen vorteilhafterweise die Falz-Querflächen an deren Innenseite gegeneinander in Anschlag. Alternativ können sie einfach praktisch in Kontakt sein.
Weiter vorzugsweise ist die radiale Dicke der Zunge des Einsteck-Falzes im Wesentlichen gleich derjenigen der Querfläche des gleichen Falzes.
Weiter vorzugsweise ist die axial gemessene Höhe der Zunge des Einsteck-Falzes im Wesentlichen gleich ihrer radialen Dicke.
Weiter vorzugsweise sind die äußere Umfangsfläche der Einstecklippe und die innere Umfangsfläche des Aufnahmesitzes zylindrische Flächen: Die spanende Verarbeitung dieser nicht interferierenden Flächen ist also besonders einfach und kostengünstig.
Vorteilhafterweise liegt die Dicke der Einstecklippe zwischen 1/3 und 2/3 der Dicke des ersten Rohrs.
Dieser Dickenbereich der Einstecklippe ermöglicht es, einen kritischen Querschnitt am Gewindegrund zu gewährleisten, der ausreicht für eine angemessene Zugfestigkeit der Gewindeverbindung gegenüber einer axialen Zugkraft.
Weiter vorteilhafterweise liegt das Verhältnis zwischen der Länge und der Dicke der Einstecklippe zwischen 1 und 4, wobei die Länge der Einstecklippe bis senkrecht zur Querfläche des Einsteck-Falzes gemessen wird.
Der minimale Wert dieses Verhältnisses ermöglicht die plastische Verformung der Einstecklippe und des Aufnahmesitzes beim Aufweiten; diese plastischen Verformungen bilden Flächen, die mit einem hohen Kontaktdruck aufeinander aufliegen und somit die Dichtheit der Gewindeverbindung nach der Aufweitung erzeugen.
Der maximale Wert dieses Verhältnisses ermöglicht die Vermeidung eines nicht beherrschten Knickens der Einstecklippe, das sich durch den Vorsprung der Lippe ins Innere der Rohrsäule äußern würde.
Sehr vorteilhafterweise weist das Außengewindeelement am Ende des Gewindes zwischen dem Gewinde und der Einstecklippe eine Kehle auf. Diese Kehle erleichtert die plastische Verformung der Einstecklippe während der Aufweitung der Gewindeverbindung.
Vorzugsweise hat die Kehle eine Tiefe im Wesentlichen gleich der Höhe des Außengewindegangs, so dass der Grund der Außengewindegänge am Kehlengrund mündet.
Weiter vorzugsweise hat die Kehle eine Länge, die zwischen 2- und 8-mal so groß ist wie ihre Tiefe. Ein Länge/Tiefe-Verhältnis von weniger als 2 ermöglicht es der Kehle nicht, die plastische Verformung der Lippe zu erleichtern. Ein Länge/Tiefe-Verhältnis von mehr als 8 äußert sich in einer großen Knickgefahr des Materials zur Innenseite der Säule bei der Aufweitung.
Die Erfindung kann vorteilhafterweise sowohl bei Gewindeverbindungen mit kegelförmigen Gewinden als auch bei Gewindeverbindungen mit ein- und/oder mehrstufigen zylindrischen Gewinden angewendet werden.
Weiter vorteilhafterweise haben das erste Rohr und das zweite Rohr sowohl in Höhe der Gewindeelemente als auch in Höhe der Rohrkörper den gleichen Innendurchmesser, was die Aufweitungsvorgänge vereinfacht.
Vorteilhafterweise gilt dies auch für die Außendurchmesser.
Sehr vorteilhafterweise ist die Gewinde-Rohrverbindung vom integralen Typ, d.h., dass jedes Rohr ein Rohr großer Länge ist, das ein Außengewindeelement an einem Ende und ein Innengewindeelement am anderen Ende aufweist, wobei das Außengewindeelement eines Rohrs in das Innengewindeelement eines anderen Rohrs geschraubt wird und so weiter, um eine Säule zu bilden.
Die vorliegende Erfindung hat somit zum Ziel, eine dichte Gewindeverbindung zu schützen, die aus der diametralen Aufweitung im Bereich der plastischen Verformungen einer Gewindeverbindung entsteht, wie oben erläutert wurde.
Vorzugsweise liegt die eingesetzte diametrale Aufweitung über 10%.
Die vorliegende Erfindung hat auch zum Ziel, die oben erläuterten Gewindeverbindungen im nicht aufgeweiteten oder aufgeweiteten Zustand zu schützen, deren Gewindeelemente aus Stahl bestehen, der stickstoffhungrige Elemente enthält, die ihn für eine Alterung durch Kaltverformung unempfindlich machen. Der Stahl wird außerdem wärmebehandelt, um seine verteilten Dehnungseigenschaften zu maximieren. Daraus entstehen gute Anwendungseigenschaften.
Die vorliegende Erfindung hat weiter zum Ziel, ein Verfahren zur Herstellung einer dichten Gewindeverbindung zu schützen.
Gemäß diesem Verfahren wird von einer oben erläuterten, erfindungsgemäßen Gewinde-Rohrverbindung ausgegangen, die "ursprüngliche aufweitbare Gewinde-Rohrverbindung" genannt wird, für die keine Dichtheitseigenschaft gefordert wird, und diese ursprünglichen Gewindeverbindung wird einem diametralen Aufweitungsvorgang auf dem Gebiet der plastischen Verformungen mit Hilfe eines Aufweitungsdorns mit einem Durchmesser unterzogen, der größer ist als der Innendurchmesser der Rohre der ursprünglichen Gewindeverbindung, wobei der Aufweitungsdorn in der ursprünglichen Gewindeverbindung axial bewegt wird. Die Einstecklippe und der Aufnahmesitz sind so bemessen, dass die Einstecklippe und der Aufnahmesitz zunächst beim Durchgang des Dorns gemeinsam eine plastische Biegeverformung erfahren, während nur der Aufnahmesitz anschließend eine plastische Verformung des Geradebiegens in umgekehrter Richtung erfährt, wodurch am Schluss die Einstecklippe fest vom Aufnahmesitz umschlossen wird.
Vorzugsweise wird die Biegung der Einstecklippe vom Vorhandensein einer Kehle am Ende der Einstecklippe auf der Seite des Außengewindes begrenzt.
Weiter vorzugsweise ist die eingesetzte Gewinde-Rohrverbindung vom integralen Typ, und der Aufweitungsdorn wird vom Außengewindeelement zum Innengewindeelement bewegt.
Die nachfolgenden Figuren stellen in nicht einschränkender Weise Ausführungsformen der Erfindung dar.
1 stellt eine erfindungsgemäße Gewindeverbindung vor der diametralen Aufweitung dar.
2 zeigt das Einsteckelement der Gewindeverbindung der 1.
3 zeigt das Aufnahmeelement der Gewindeverbindung der 1.
Die 4 bis 7 stellen die erfindungsgemäße Gewindeverbindung in verschiedenen Stufen des Aufweitungsvorgangs dar.
4 stellt die Aufweitungsphase der Gewindeverbindung dar.
5 stellt die Biegephase dar.
6 stellt die Phase des Geradebiegens dar.
7 stellt den Endzustand der Gewindeverbindung dar, die dem Aufweitungsvorgang unterzogen wurde.
8 stellt ein Detail der 2 in Höhe des freien Endes des Einsteckelements dar.
9 stellt ein Detail der 3 in Höhe des Aufnahmesitzes dar.
10 stellt ein Detail der 1 dar.
1 stellt eine erfindungsgemäße Gewindeverbindung dar, die ein Außengewindeelement 1 aufweist, das am Ende eines ersten Rohrs 11 angeordnet ist und in Anschlag in ein Innengewindeelement 2 geschraubt wird, das am Ende eines zweiten Rohrs 12 angeordnet ist. Der Innendurchmesser des Außengewindeelements ist gleich dem Innendurchmesser DI der Rohre 11, 12. Der Außendurchmesser des Innengewindeelements ist im vorliegenden Fall außerdem gleich dem Außendurchmesser DE der Rohre 11, 12, aber er kann auch anders sein.
Die Gewindeverbindung ist in 1 im einfach in Anschlag verschraubten Zustand vor jedem diametralen Aufweitungsvorgang dargestellt.
Wie dargestellt, ist das zweite Rohr 12 ein Rohr großer Länge, aber es könnte auch in nicht dargestellter Weise eine mit dem Aufnahmeelement 2 und einem zweiten, zu letzterem symmetrischen Aufnahmeelement versehene Muffe sein, die mit einem Einsteckelement verschraubt wird, das sich am Ende eines weiteren Rohrs großer Länge befindet.
Das Einsteckelement 1 ist in 2 alleine dargestellt.
Es besitzt ein kegelförmiges Außengewinde 3 mit trapezförmigen Gewindegängen, verlängert sich zu seinem freien Ende hin in einem aus einer Kehle 21 und einer Lippe 5 bestehenden gewindelosen Bereich, und endet in einer ringförmigen Einsteck-Endfläche 9.
Die Kehle 21 hat die Form eines wenig tiefen U.
Sie beginnt direkt jenseits des Gewindes, und ihre Tiefe hg ist gleich der Höhe der Gewindegänge des Gewindes 3. Auf diese Weise liegt der Grund der Kehle an der Basis des ersten Gewindegangs des Gewindes.
Die Breite lg der Kehle ist im Wesentlichen viermal so groß wie ihre Tiefe hg.
Die Lippe 5 weist auf:

a) eine äußere Umfangsfläche 7 von zylindrischer Form,
b) eine innere Umfangsfläche 19, die dem Endbereich der inneren zylindrischen Umfangsfläche des ersten Rohrs 11 entspricht.

Die Lippe 5 besitzt also eine gleichmäßige Dicke e_l im Wesentlichen gleich der Hälfte der Dicke e_t des Rohrs 11. Sie hat eine Länge l_l gemessen vom Ende der Kehle bis senkrecht vor der Fläche 15 (weiter unten definiert), die im Wesentlichen drei mal so groß ist wie die Lippendicke e_l.
Die Einsteck-Endfläche 9 bildet einen Falz, der in 8 im Einzelnen dargestellt ist. Dieser Falz besteht aus einer ringförmigen Einsteck-Querfläche 15 und aus einer ringförmigen Zunge 13, die axial vorsteht. Die Einsteck-Querfläche 15 befindet sich auf der Seite des Falzes, die zur Innenseite der Gewindeverbindung gerichtet ist.
Die Wände 17, 25 der Zunge 13 sind nicht strikt parallel, sondern konvergieren leicht zum freien Ende der Zunge; diese Wände werden also von leicht kegelförmigen Flächen getragen, die zur Achse des Zusammenbaus koaxial sind und deren halber Scheitelwinkel 1 bis 2 Grad beträgt.
Die radiale Dicke (ed) der Zunge 13 ist im Wesentlichen gleich derjenigen der Querfläche 15, während die Höhe (hd) der Zunge (oder ihr axialer Vorsprung) im Wesentlichen gleich der radialen Dicke (ed) der gleichen Zunge ist.
Das Aufnahmeelement 2 ist in 3 alleine dargestellt.
Es weist ein Innengewinde 4 mit trapezförmigen Gewindegängen, die denjenigen des Außengewindes 3 entsprechen, und einen gewindelosen Bereich 6 auf, der sich bezüglich des Innengewindes 4 auf der dem freien Ende des Aufnahmeelements entgegengesetzten Seite befindet. Dieser gewindelose Bereich 6 bildet einen Sitz, um der Lippe 5 des Einsteckelements 1 zu entsprechen und mit dieser zusammenzuwirken.
Der Aufnahmesitz 6 weist eine zylindrische innere Sitzumfangsfläche 8 auf, die auf der einen Seite mit dem Innengewinde 4 und auf der anderen Seite über eine Aufnahmeschulter 10 mit der inneren zylindrischen Umfangsfläche 20 des zweiten Rohrs 12 verbunden ist.
Der Durchmesser der Umfangsfläche des Sitzes 8 ist sehr geringfügig größer als der Durchmesser der äußeren Umfangsfläche 7 der Einstecklippe 5, so dass die Flächen 7 und 8 beim Einschrauben des Einsteckelements in das Aufnahmeelement mit geringem Spiel ineinander gleiten können, zum Beispiel mit einem Spiel von 0,2 mm.
Die Aufnahmeschulter (siehe 9) hat eine ringförmige Schulterfläche 10, die im Wesentlichen entsprechend der Einsteck-Endfläche 9 angeordnet ist und eine im Wesentlichen deren Form entsprechende Form aufweist. Die Fläche 10 bildet einen Falz, der aus einer ringförmigen Aufnahmequerfläche 16 und einer ringförmigen Nut 14 besteht.
Die Aufnahmequerfläche 16 befindet sich der Seite des Falzes, die zur Innenseite der Gewindeverbindung gerichtet ist.
Die Nut 14 hat eine axiale Tiefe (Pr), die geringfügig größer ist als die Höhe der Zunge 13, so dass in der zusammengebauten Stellung die ringförmigen Einsteck- und Aufnahmequerflächen 15, 16 gegeneinander in Anschlag liegen, während das Ende der Zunge 13 nicht gegen den Grund der Nut 14 anliegt (siehe 10).
Die Wände 18, 26 der Nut 14 sind nicht strikt parallel, sondern konvergieren leicht zum Grund der Nut; diese Wände werden also von leicht kegelförmigen Flächen getragen, die zur Achse des Zusammenbaus koaxial sind und deren halber Scheitelwinkel 1 bis 2 Grad beträgt, wie der halbe Scheitelwinkel der Wände 17, 25 der Zunge 13.
Die radiale Breite (lr) der Nut ist also nicht strikt konstant über die ganze Tiefe der Nut; sie ist ausgelegt, damit die Umfangswände der Zunge 13 mit den entsprechenden Wänden der Nut 14 kurz vor der Zusammenbaustellung in Kontakt gelangen.
Dadurch kann sowohl das erforderliche geringe Spiel zwischen den zylindrischen Umfangsflächen der Lippe 7 und des Sitzes 8 als auch das feste Umschließen der Zunge 13 durch die Nut 14 gewährleistet werden. Dieses Umschließen und das in Anschlag bringen der Querflächen 15, 16 bilden eine bevorzugte Art, die Einbettung der Einsteck-Endfläche 9 durch die Endfläche der Aufnahmeschulter 10 zu gewährleisten.
Die 4 bis 7 erläutern die Verformungsphänomene, die auftreten, wenn man mit Hilfe eines Dorns eine diametrale Aufweitung in der Größenordnung von 15% an Rohren durchführt, die mittels der soeben beschriebenen Gewindeverbindungen zusammengebaut werden und die es ermöglichen, im Endzustand eine dichte aufgeweitete Verbindung zu erhalten.
Eine solche an metallischen Werkstoffen durchgeführte Aufweitung führt zu plastischen Verformungen des Metalls.
Man geht so zum Beispiel von einem Außendurchmesser von 139,7 mm (5''1/2) auf dem zweiten Rohr 12 stromaufwärts vor der Aufweitung, und folglich im noch nicht verformten Bereich, auf einen Außendurchmesser von 157,5 mm (6,2'') auf dem ersten, aufgeweiteten Rohr 11 (senkrecht zu oder stromabwärts hinter dem Ausgangskegel 33 des Dorns) über. Daher muss für die Rohre ein Metall verwendet werden, das solche plastischen Verformungen akzeptiert.
Die erzeugten plastischen Verformungen erhöhen die Elastizitätsgrenze der Produkte: Ein Rohr, das ursprünglich eine Elastizitätsgrenze von 310 MPa (45 KSI) aufweist, hat nach der Verformung eine Elastizitätsgrenze von 380 MPa (55 KSI).
Die diametrale Aufweitung wird in bekannter Weise mit Hilfe eines Dorns 30 (4) mit einem geeigneten maximalen Durchmesser durchgeführt, dessen Durchgang durch die Rohre entweder durch Ziehen mit Hilfe von Bohrstangen oder durch Schieben zum Beispiel mittels eines hydraulischen Drucks erzwungen wird.
Der Dorn hat zum Beispiel die Form eines Doppelkegels, mit einem Eingangskegel 31, auf dem die Aufweitung stattfindet, einem zylindrischen Mittelteil 32 und einem kegelförmigen Ausgangsbereich 33. Alle Flächen der Dornbereiche sind miteinander durch entsprechende Verbindungsradien verbunden.
Die Patentanmeldung WO 93/25800 offenbart insbesondere Eingangskegelwinkel, die besonders geeignet sind für die diametrale Aufweitung von so genannten EST-Rohren für den Betrieb von Kohlenwasserstoffbohrungen.
Da die Rohre 11, 12 einen konstanten Querschnitt haben, stellen ihre Enden kein besonders Problem beim Durchgang des Dorns dar, vorausgesetzt, dass die Verformungsfähigkeit des Metalls, aus dem sie bestehen, ausreichend ist.
Die zu lösenden Probleme rühren daher, dass die Gewindeelemente am Ende der Rohre geringere Dicken aufweisen als der Körper der Rohre und die Tendenz haben, sich in den entsprechenden Einsteck- und Aufnahmebereichen unterschiedlich zu verformen.
Wenn diese unterschiedlichen Verformungen durch Verwendung der erfindungsgemäßen Gewindeverbindung beherrscht werden, ermöglichen sie die Herstellung einer Gewindeverbindung, die nach einer diametralen Aufweitung dicht ist und die kein erhebliches lokales Relief an der Innenseite der innerem Umfangsfläche der Rohre aufweist.
Das Aufweitungsverfahren der Gewindeverbindung kann in 4 Phasen zerlegt werden, die Gegenstand der 4 bis 7 sind.
Obwohl der Aufweitungsvorgang absolut in Gegenrichtung ausgeführt und zu geeigneten Ergebnissen werden kann, wurde die bevorzugte Verformungsart dargestellt, bei der der Dorn sich vom Einsteckelement 1 des ersten Rohrs 11 zum Aufnahmeelement 2 des zweiten Rohrs 12 bewegt.
a) Aufweitungsphase auf dem Kegel des Dorns
4 zeigt die Gewindeverbindung während dieser Phase.
Die Aufweitung wird vom Eingangskegel 31 des Dorns 30 durchgeführt, und 4 zeigt das Außengewinde 3 und das Innengewinde 4 während der diametralen Aufweitung.
In 4 beginnt der Eingangskegel 31 des Dorns 30 die Verformung der Einstecklippe und des entsprechenden Aufnahmesitzbereichs, indem er sie biegt, um sie bezüglich der Achse des Zusammenbaus zu neigen.
Während dieser Aufweitungsphase werden die Reaktionskräfte beim Durchgang des Dorns 30 progressiv vom ersten Rohr 11 zum zweiten Rohr 12 verlagert.
Aufgrund dieser Reaktionskräfte wird die Einstecklippe 5 während dieser Aufweitungsphase von der ringförmigen Aufnahme-Schulterfläche 10 axial zusammengedrückt.
Das Ende der Aufweitungsphase entspricht der Ankunft des freien Endes des Einsteckelements am Ende des Eingangskegels 31 des Dorns.
b) Biegephase
Während dieser Phase befindet sich die Einstecklippe in Höhe des zentralen Bereichs 32 des Dorns: Siehe 5.
i) Einstecklippe
Die Einstecklippe 5 wird an jedem ihrer beiden Enden entgegengesetzt gerichteten Biegemomenten ausgesetzt.
Die Einsteck-Endfläche 9 wird nämlich aufgrund der Falze mit Auflagen 15, 16 und des Umschließungssystems aus Zunge 13 und Nut 14 in die Aufnahme-Schulterfläche 10 eingefügt.
Das Ineinanderfügen der Falze zwingt die freie Endzone der Einstecklippe 5, der Neigung des Bereichs 22 voller Dicke des Aufnahmeelements jenseits der Schulter zu folgen, der sich noch auf dem Eingangskegel 31 des Dorns in Aufweitung befindet und somit in dieser Höhe ein Biegemoment erzeugt.
Das andere Ende der Lippe auf der Seite des Außengewindes 3 wird nicht mehr gestützt und zwingt im Gegenteil der Lippe ein zusätzliches Biegemoment auf, das demjenigen am freien Ende der Lippe entgegengesetzt ist.
Die Biegemomente mit umkehrten Vorzeichen an den beiden Enden der Einstecklippe bewirken die bananenförmige Krümmung der Einstecklippe 5 wie in 5, wobei die äußere Umfangsfläche 7 der Lippe 5 eine konvex gewölbte Form annimmt.
Der Zustand des axialen Zusammendrückens der Einstecklippe 5 am Ende der Aufweitungsphase erleichtert ihre Krümmung unter der Wirkung der Biegebewegungen.
Die zwischen der Einstecklippe 5 und dem Außengewinde 3 befindliche Kehle 21 hat die Aufgabe eines plastischen Kugelgelenks, das die Krümmung der Einstecklippe verstärkt, indem es die Breite begrenzt, über die diese Krümmung stattfinden kann.
Es muss in diesem Fall aber darauf geachtet werden, dass die axialen Zusammendrückbeanspruchungen in Höhe der Einstecklippe nicht das Abknicken des Metalls 23 unter der Kehle bewirken, was sich in einem Vorsprung des Metalls unter der Kehle bezüglich der inneren Umfangsfläche 19 äußern würde.
ii) Aufnahmesitz
Das gleiche Biegephänomen entsteht am Aufnahmesitz.
Der Bereich 22 voller Dicke, der bezüglich der relativ dünnen Lippenbereiche relativ steif ist, erfährt bei seinem Durchgang in Höhe des mittleren Bereichs eine zusätzliche Aufweitung, so dass der Innendurchmesser des Bereichs 22 größer wird als derjenige des mittleren Bereichs 32 des Dorns. Das Phänomen der zusätzlichen Aufweitung ist in der Druckschrift WO 93/25800 beschrieben.
c) Phase des Geradebiegens
Diese in 6 dargestellte Phase entspricht dem Durchgang des Aufnahmebereichs 22 voller Dicke über den mittleren Bereich 32 des Dorns 30.
i) Aufnahmesitz
Die in der vorhergehenden Phase erzeugte Biegung hat die Tendenz, unter der Wirkung der Spannung und der Umfangsbeanspruchungen auf Null zurückgeführt zu werden, was einen Zustand der axialen Biegebeanspruchungen erzeugt, der entgegengesetzt zur Krümmung liegt, wodurch das Geradebiegen erzeugt wird.
Das von diesen Beanspruchungen erzeugte Biegemoment ist proportional zur Materialdicke stromaufwärts vor dem geradegebogenen Bereich. Bei Ankunft auf dem Rohr 12 mit voller Dicke (Bereich 22) ist das Biegemoment dann nicht ausreichend, um den inneren Umfangsbereich des Aufnahmesitzes gerade zu biegen, der dann die Tendenz hat, sich zur Achse des Produkts zu senken. Dieses Verhalten zeigt sich in einer lokalen Verringerung des Außendurchmessers des Rohrs 12.
ii) Einstecklippe
Im Laufe des Geradebiegens des Aufnahmebereichs verringert sich also die Differenz des axialen Raumbedarfs, die von der Biegung erzeugt wurde. Die Einstecklippe 5 verliert also progressiv ihren zusammengedrückten Zustand. Dies setzt sich mit der Trennung der Flächen 15, 16 fort, die ursprünglich in Anschlag waren. Dieses Phänomen wird durch das "Neigen" der inneren Umfangsfläche 8 des Aufnahmesitzes verstärkt, das tatsächlich die Öffnung der Anschläge 15, 16 erzeugt.
Die in der vorhergehenden Phase aufgezwungene bananenförmige Verformung bleibt bestehen.
d) Endzustand
7 zeigt den Endzustand der Gewindeverbindung nach dem Durchgang des Dorns.
Der Zustand von Umfangsbeanspruchungen, der durch das Aufweiten erzeugt wird, führt zu einem festen Umschließen der äußeren Umfangsfläche 7 der Einstecklippe durch die innere Umfangsfläche 8 des Aufnahmesitzes. Man kann dann von einer Selbstumschließung der Flächen 7, 8 der Gewindeverbindung im aufgeweiteten Zustand sprechen, die die Dichtheit gewährleistet. Die Einstecklippe 5 neigt sich nicht zur Achse, da die durch das Ineinanderfügen der Falze 9, 10 erzwungene seitliche Verschiebung genügend plastische Verformungen erzeugt hat.
Die elastische Rückfederung der Elemente der Gewindeverbindung nach dem Durchgang des Dorns ist vernachlässigbar gegenüber den eingebrachten plastischen Verformungen.
Die feste radiale Umschließung erzeugt einen Kontaktdruck von mehreren zehn MPa, der ausreichend ist, um eine Dichtheit gegenüber inneren oder äußeren Drücken auf die Gewindeverbindung zu gewährleisten.
Die Dichtheit ist außerdem notwendig, wenn die Aufweitung dadurch erfolgt, dass der Dorn 30 hydraulisch mit einem Druck von 10 bis 30 MPa gedrückt wird, da jedes Leck in Höhe der bereits aufweiteten Verbindungen das weitere Eindringen des Dorns in die Säule und folglich den Aufweitungsvorgang verhindert.
Es ist anzumerken, dass es im Endzustand sehr wohl vorkommen kann, dass die Zunge 13 nicht mehr in der Nut 14, und insbesondere auf der Innenwand 18 der Nut ruht.
Die Merkmale des Anspruchs 1 und der von ihm abhängigen Ansprüche ermöglichen es, die gesuchten Ergebnisse zu erhalten.
Eine Einsteck-Endfläche 9, die kein Ineinanderfügen mit der Aufnahmeschulter-Endfläche 10 erlaubt, führt zu einem Absenken dieses Endes in der Phase des Geradebiegens, in der die ursprünglich in Anschlag liegenden Querflächen 15, 16 voneinander getrennt werden, und daraus folgt ein inakzeptabler Vorsprung des unteren Endes der Einstecklippe ins Innere der Säule. Die Säule erlaubt dann nicht mehr das Absenken von Geräten oder Werkzeugen mit einem gegebenen Raumbedarf.
Das zu große Spiel zwischen der Umfangsfläche 7 der Einstecklippe 5 und der Umfangsfläche 8 des Aufnahmesitzes auf der Gewindeverbindung vor der Aufweitung würde kein festes Umschließen dieser Flächen am Ende des Aufweitungsvorgangs erlauben.
Eine radiale Interferenz zwischen diesen Flächen im Ursprungszustand vor der Aufweitung kann die differentiellen Verformungen (Krümmung, Geradebiegen) zwischen diesen Flächen bei den Aufweitungsvorgängen stören, wobei diese differentiellen Verformungen die Herstellung der festen Umschließung dieser Flächen am Ende des Aufweitungsvorgangs ermöglichen.
Die bevorzugte Form als ringförmiger Falz mit Querflächen 15, 16 und einem System aus Zunge 13 und Nut 14 ermöglicht es, das Absenken des freien Einsteckendes bei der Aufweitung zu verhindern, ist aber nur ein mögliches Ausführungsbeispiel für die ineinander gefügten Flächen 9, 10, und andere, das gleiche Ergebnis bringende Ausführungsformen sind auch möglich.
Eine zu dünne Einstecklippe 5 mit einer Dicke e_l von weniger als einem Drittel der Dicke e_t der Rohre 11, 12 erlaubt keine Herstellung eines wirksamen Anschlags in Höhe der Querflächen 15, 16.
Wenn die Dicke e_l der Einstecklippe dagegen größer ist als 2/3 der Dicke e_t der Rohre 11, 12, bewirkt die Dicke des Rohrs 12 in Höhe des Aufnahmesitzbereichs einen kritischen Querschnitt des Innengewindes 4, der zu gering ist, und somit eine unzureichende Zugfestigkeit der Gewinde.
Das Verhältnis zwischen der Länge und der Dicke der Einstecklippe 5 bestimmt das Druck- und Biegeverhalten der Lippe 5.
Eine Einstecklippe 5 mit einer Länge l_l geringer als ihre Dicke e_l ermöglicht keine ausreichende Biegung der Umfangsfläche 7 der Einstecklippe 5 und/oder kein Geradebiegen der Umfangsfläche 8 des Aufnahmesitzes.
Eine Einstecklippe 5, deren Länge l_l viermal so groß ist wie ihre Dicke e_l, kann zu einem Knicken der Einstecklippe und zu ihrem Vorsprung nach innen auf der Seite des Gewindes führen.
Diese Wirkung wird durch das Vorhandensein einer Kehle 21 zwischen dem Außengewinde 3 und der Einstecklippe 5 verstärkt.
Daher hat die Kehle vorzugsweise eine Tiefe, die auf eine Gewindeganghöhe beschränkt ist, und eine Länge, die bezüglich ihrer Tiefe begrenzt ist.
Ausführungsbeispiel

– Rohre mit einem Außendurchmesser DE von 139,7 mm und einer Nenndicke e_t von 7,72 mm (5''^1/2 × 17,00 lb/ft) aus vergütetem Kohlenstoffstahl für eine minimale Elastizitätsgrenze von 290 MPa (42 KSI): Die chemische Zusammensetzung des Stahls und seine Wärmebehandlung sind ausgelegt, um höchstmögliche Duktilitätseigenschaften zu erhalten, und insbesondere gute Eigenschaften der verteilten Dehnung vor Einschnürung A_R beim Zugtest zu erhalten (A_R größer als oder gleich zum Beispiel 15%). Man wählt zum Beispiel einen Stahl mit ausreichend niedrigem Kohlenstoffgehalt, nahe 0,14% (Gewichtsprozent), mit einem relativen hohen Gehalt an Mangan in der Größenordnung von 1% und mit einem Zusatz von Aluminium, das in der Lage ist, den Reststickstoff des Stahls zu fixieren. Ein Gehalt an Al von 0,035% für einen Stickstoffgehalt von 0,010% ist absolut geeignet, da der Stahl durch Glühen oder Härten wärmebehandelt wird, gefolgt von Anlassen, damit der Zusatz von Al den Stickstoff tatsächlich fixieren kann. Auch andere für die Fixierung des Stickstoffs bekannte chemische Elemente können zusammen mit oder anstelle von Aluminium verwendet werden. Ein solche chemische Zusammensetzung, die den Gehalt an interstitiellen freien Atomen, wie zum Beispiel diejenigen des Stickstoffs, entfernen soll, macht außerdem den Stahl unempfindlich gegenüber dem schädlichen Phänomen der Alterung nach Kaltverformung, das auch die Duktilitätseigenschaften verschlechtert. Der Stahl kann im geglühten Zustand (zum Beispiel Normalglühen oder Spannungsfreiglühen nach Kaltbearbeitung) oder in einem strukturell gleichwertigen Zustand sein.
– Integrale Gewindeverbindungen gemäß der Erfindung:
• kegelförmige Gewinde 3, 4 (Konizität = 12,5% auf den Durchmesser) mit trapezförmigen Gewinden einer radialen Höhe von 1 mm und einer axialen Steigung von 4 mm
• Einstecklippe 5 von zylindrischer Form
• Dicke e_l der Einstecklippe 3,2 mm (41% der Dicke des Rohrs)
• Länge l_l der Einstecklippe = 11,5 mm
• Kehle 21 mit einer Tiefe hg von 1 mm und einer Länge lg von 4 mm zwischen dem Ende des Außengewindes 3 und der Einstecklippe 5
• Einsteck-Endfläche 9 mit einer Zunge 13 einer axialen Höhe von 1,8 mm und einer radialen Dicke von 1,8 mm
• Zugfestigkeit der Gewindeverbindung ≥ 50% der Zugfestigkeit jedes der Rohrkörper 11, 12.
– Ergebnisse nach Aufweitung der Rohrsäule:
• Außendurchmesser der Rohre 11, 12 = 157,5 mm (6,2'')
• Dicke der Rohre: 7,2 mm
• Elastizitätsgrenze der Rohre ≥ 415 MPa (60 KSI)
• Härte ≤ 22 HRc (maximaler Wert Spezifikationen NACE MR 01 75)
• zufrieden stellender Verlauf der folgenden Tests, die im aufgeweiteten und im aufgeweiteten + gealterten Zustand durchgeführt wurden
– Test des Zerspringens unter Innendruck
– Test des Zusammenbrechens unter Außendruck ("collapse")
– Stoßfestigkeitstest Charpy V
– Test SSC der Festigkeit gegenüber Rissbildung durch H₂S (SSC: "Sulfide stress cracking") gemäß der Spezifikation NACE TM 01-77 Anmerkung: NACE = National Association of Corrosion Engineers (USA).

Die Beschreibung der dargestellten Ausführungsformen schließt nicht aus, dass der der vorliegenden Erfindung gewährte Schutz sich auf Ausführungsformen erstrecken kann, die nicht dargestellt wurden, aber von den vorliegenden Ansprüchen abgedeckt werden.

Claims

Gewinde-Rohrverbindung für eine Kohlenwasserstoffbohrung, die ein Einsteck-Gewindeelement (1) am Ende eines ersten Rohrs und ein Aufnahme-Gewindeelement (2) am Ende eines zweiten Rohrs (12) aufweist, wobei das Einsteck-Gewindeelement zum freien Ende des Einsteckelements hin ein Außengewinde (3) und eine Einstecklippe (5) aufweist, die eine äußere Umfangsfläche (7) besitzt und quer zur Achse der Gewindeverbindung in einer ringförmigen Einsteck-Endfläche (9) endet, wobei das Aufnahme-Gewindeelement (2) ein Innengewinde (4), das dem Außengewinde (3) entspricht, und einen gewindelosen Bereich (6) als Aufnahmesitz für die Einstecklippe aufweist, wobei dieser Aufnahmesitz eine innere Umfangsfläche (8) und eine ringförmige Aufnahme-Schulterfläche (10) aufweist, die teilweise quer ausgerichtet und von einer zur Einsteck-Endfläche (9) komplementären Form ist, wobei das Außengewinde (3) in das Innengewinde (4) bis zu einer Stellung eingeschraubt ist, in der die Ringfläche des Einsteckendes (9) gegen die Aufnahme-Schulterfläche (10) in Eingriff kommt, wodurch diese Flächen ineinander gefügt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindeverbindung dazu bestimmt ist, später, aber vor der Inbetriebnahme, eine diametrale Aufweitung auf dem Gebiet der plastischen Verformungen zu erfahren, wobei die äußere Umfangsfläche (7) der Einstecklippe (5) mit geringem Spiel von der inneren Umfangsfläche (8) des Aufnahmesitzes (6) entfernt ist, ohne radial auf sie einzuwirken, damit die innere Umfangsfläche (8) des Aufnahmesitzes und die äußere Umfangsfläche (7) der Einstecklippe in dichtem Kontakt miteinander stehen, nachdem die Gewindeverbindung die diame trale Aufweitung auf dem Gebiet der plastischen Verformungen erfahren hat.
Gewinde-Rohrverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einsteck-Endfläche (9) die Form eines Falzes hat, der aus einer Querfläche (15) auf der Innenseite der Gewindeverbindung und auf der gegenüberliegenden Seite des Falzes aus einer axial vorstehenden, ringförmigen Zunge (13) besteht, und dass die Aufnahme-Schulterfläche (10) eine Falzform aufweist, die aus einer Querfläche (16) auf der nach innen gerichteten Seite der Gewindeverbindung und einer ringförmigen Nut (14) auf der gegenüberliegenden Seite besteht, wobei die Querfläche des Einsteck-Falzes (15) mit der Querfläche des Aufnahme-Falzes und die Zunge (13) mit der Nut (14) zusammenwirkt.
Gewinde-Rohrverbindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmigen Wände der Zunge (13) und der Nut (14) so angeordnet sind, dass in der zusammengebauten Stellung der Gewindeverbindung die ringförmigen Wände (18, 26) der Nut diejenigen (17, 25) der Zunge radial fest umschließen.
Gewinde-Rohrverbindung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmigen Wände (17, 25) der Zunge (13) leicht kegelförmig sind und zum freien Ende der Zunge hin konvergieren, und dass die ringförmigen Wände (18, 26) der Nut (14) leicht kegelförmig sind und zum Boden der Nut konvergieren, wobei die Neigung der Wände der Nut gleich derjenigen der Wände der Zunge ist.
Gewinde-Rohrverbindung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Querflächen des Einsteck- und des Aufnahme-Falzes (15, 16) gegeneinander in Anschlag liegen.
Gewinde-Rohrverbindung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Dicke (ed) der Zunge (13) im Wesentlichen gleich derjenigen der Querfläche (15) des Einsteck-Falzes (9) ist.
Gewinde-Rohrverbindung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die axial gemessene Höhe (hd) der Zunge (13) im Wesentlichen gleich ihrer radialen Dicke (ed) ist.
Gewinde-Rohrverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das geringe Spiel zwischen der äußeren Umfangsfläche (7) der Einstecklippe und der inneren Umfangsfläche (8) des Aufnahmesitzes höchstens 0,3 mm beträgt, wobei dieses Spiel senkrecht zu den Umfangsflächen gemessen wird.
Gewinde-Rohrverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Umfangsflächen (7) der Einstecklippe und die inneren Umfangsflächen (8) des Aufnahmesitzes zylindrisch sind.
Gewinde-Rohrverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstecklippe (5) eine Dicke (e_l) aufweist, die zwischen 1/3 und 2/3 der Dicke des ersten Rohrs (11) liegt.
Gewinde-Rohrverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lippe (5) eine solche Länge (l_l) und Dicke (e_l) aufweist, dass das Verhältnis zwischen Länge und Dicke der Lippe zwischen 1 und 4 liegt.
Gewinde-Rohrverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsteckelement (1) am Ende des Außengewindes (3) zwischen dem Gewinde und der Einstecklippe (5) eine Kehle (21) aufweist.
Gewinde-Rohrverbindung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kehle (21) eine Tiefe (hg) gleich der Höhe der Außengewindegänge (3) hat.
Gewinde-Rohrverbindung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kehle (21) eine derartige Länge (lg) und eine derartige Tiefe (hg) aufweist, dass die Länge der Kehle zwischen 2 und 8 mal so groß ist wie ihre Tiefe.
Gewinde-Rohrverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Rohr und das zweite Rohr (11, 12) sowohl in Höhe der Gewindeelemente (1, 2) als auch in Höhe des Rohrkörpers den gleichen Innendurchmesser (DI) aufweisen.
Gewinde-Rohrverbindung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Rohr und das zweite Rohr (11, 12) sowohl in Höhe der Gewindeelemente (1, 2) als auch in Höhe des Rohrkörpers den gleichen Außendurchmesser (DE) aufweisen.
Gewinde-Rohrverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass sie vom integralen Typ ist.
Gewinde-Rohrverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindeelemente (1) (2) aus Stahl bestehen, der stickstoffhungrige Elemente enthält, die den Stahl gegenüber der Alterung durch Kaltverformung unempfindlich machen, und dass der Stahl wärmebehandelt wird, um seine Eigenschaften der verteilten Dehnung zu maximieren.
Dichte Gewinde-Rohrverbindung für eine Kohlenwasserstoffbohrung, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer Gewinde-Rohrverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 18 entsteht, nachdem diese vor ihrer Benutzung einer Fertigstellung unterzogen wurde, wobei diese Fertigstellung eine diametrale Aufweitung auf dem Gebiet der plastischen Verformungen enthält, wobei die innere Umfangsfläche (8) des Aufnahmesitzes dann die Außenumfangsfläche der Einstecklippe (7) radial fest umschließt, was einen dichten Kontakt zwischen diesen beiden Flächen herstellt.
Dichte Gewinde-Rohrverbindung nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch die Abwesenheit eines inneren Vorsprungs der Einstecklippe (5) bezüglich der inneren Umfangsfläche (19, 20) des ersten und des zweiten Rohrs sowohl in Höhe des freien Endes der Lippe (9) als auch ihres anderen Endes auf der Seite des Einsteckgewindes.
Verfahren zur Herstellung einer dichten Gewindeverbindung für Kohlenwasserstoffbohrungen, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt eine "aufweitbare Gewinde-Rohrverbindung" genannte Gewinde-Rohrverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 bereitgestellt wird, und dass in einem zweiten Schritt die aufweitbare Gewinde-Rohrverbindung einem diametralen Aufweitungsvorgang auf dem Gebiet der plastischen Verformungen unterzogen wird, so dass am Ende des diametralen Aufweitungsvorgangs die innere Umfangsfläche (8) des Aufnahmesitzes die Außenumfangsfläche (7) der Einstecklippe fest umschließt, wodurch ein dichter Kontakt zwischen diesen beiden Umfangsflächen hergestellt wird.
Verfahren zur Herstellung einer dichten Gewinde-Rohrverbindung nach Anspruch 21, bei dem der Vorgang der diametralen Aufweitung erfolgt, indem durch das Innere der Gewindeverbindung einen Aufweitungsdorn (30) geführt wird, dessen maximaler Durchmesser größer ist als der Innendurchmesser (DI) der Gewindeelemente der aufweitbaren Gewinde-Rohrverbindung.
Verfahren zur Herstellung einer dichten Gewinde-Rohrverbindung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass der diametrale Aufweitungsgrad mehr als 10% beträgt.
Verfahren zur Herstellung einer dichten Gewinde-Rohrverbindung nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die aufweitbare Gewinde-Rohrverbindung vom integralen Typ ist, und dass der Aufweitungsdorn (30) vom Einsteck-Gewindeelement (1) zum Aufnahme-Gewindeelement (2) bewegt wird.