Offshore-Bohrungen nach Gas werden in immer größere Wassertiefen niedergebracht, die höhere Lagerstättendrücke haben. Diese Bohrungen müssen gepflegt und repariert werden. Dafür sind jedoch keine zufriedenstellenden Werkzeuge d. h. zu einem Strang verschraubbare Spezialrohre, am Markt vorhanden. Die veränderte Bohrtätigkeit verlangt ein Werkzeug mit einer Rohrverbindung, die den Anforderungen an -hohe Innendruckfestigkeit und Gasdichtheit, -unempfindliche, robuste Ausführung für grobe Handhabung und vielfach wiederholte Anwendung desselben Werkzeuges, @ Vielfachverschraubung ohne Verlust der Dichtfunktion, -Hohe Verschraubmomente und damit hohe Vorspannungen gegen Biegewechselbeanspruchung bzw. hohe Drehmomente für Workover-Arbeiten, -leichter und schneller Ein-und Ausbau, -leichte und kostengünstige Reparaturmöglichkeit. genügen.

Gegenwärtig werden Offshore/Workover-Arbeiten mit größeren, gasdichten Tubing- Gewindeverbindungen durchgeführt, die geeignet sind, die hohen Gas-lnnendrücke zu halten, jedoch wegen der geringen Wiederverschraubbarkeit stark reparaturanfällig sind und so nur wenige Male benutzt werden können, d. h. hohe Kosten verursachen.

Außerdem sind solche Verbindungen nicht für die bei Offshore/Workover-Arbeiten zwangsläufigen Biegewechselbeanspruchungen durch Wellengang, Strömung oder

Strudel-Vibrationen konstruiert, so daß wegen der geringen Biegewechselfestigkeit eine Wiederverwendbarkeit stark begrenzt ist.

Ebenfalls angewendet werden können Flanschverbindungen, die jedoch hohen zeitlichen Aufwand beim Ein-und Ausbau erfordern und deswegen hohe Kosten verursachen.

Für die gestellten Anforderungen würde sich im allgemeinen ein besonders ausgeführter Bohrgestängeverbinder eignen, insbesondere mit Innen-und Außenschulter, da durch die Konstruktion mit Doppelstoß hohe Verschraub-und damit auch hohe Arbeitsdrehmomente aufgenommen werden können. Die Bohrgestängeverbindung ist jedoch durchlässig gegen höhere Gasdrücke. Es ist bekannt, daß mit Hilfe eines zusätzlichen Dichtringes aus z. B. Teflon-Material eine Abdichtung gegen Gasinnendruck erfolgen kann. Diese Abdichtung ist jedoch beschränkt wiederverwendbar und nur für niedrige Drücke geeignet (siehe Firmenprospekt-Mannesmann OCTG-"Premium Test Drill Pipe for high pressure oil and gas wells"No. 2/89).

Eine gattungsbildende Rohrverbindung ist aus der WO 96/03605 bekannt. Diese als Bohrgestänge verwendete Rohrverbindung besteht aus einem Zapfenelement, das einen zwischen einer äußeren Schulter und einer Zapfenstirnfläche angeordneten kegeligen Außengewindeabschnitt und einen zwischen der äußeren Schulter und dem Außengewindeabschnitt sowie einen zwischen dem Außengewindeabschnitt und der Zapfenstirnfläche angeordneten gewindefreien Abschnitt aufweist und mit einem mit dem Zapfenelement verschraubbaren Muffenelement, das einen zwischen einer inneren Schulter und einer Muffenstirnfläche angeordneten kegeligen Innengewindeabschnitt und einen zwischen der inneren Schulter und dem Innengewindeabschnitt sowie einen zwischen dem Innengewindeabschnitt und der Muffenstirnfläche angeordneten gewindefreien Abschnitt aufweist, wobei die im verschraubten Zustand einander gegenüberliegenden gewindefreien Abschnitte im Bereich der äußeren Schulter länger sind als die im Bereich der inneren Schulter liegenden gewindefreien Abschnitte des Zapfen-und des Muffenelementes. Die bei der Verschraubung mit der Muffenstirnfläche in Kontakt Retende äußere Schulter bildet die Primarschulter.

Eine vergleichbare Rohrverbindung ist in der DE 32 45 819 B1 offenbart. Diese ebenfalls als Bohrgestängeverbinder ausgebildete Rohrverbindung weist die gleichen Merkmale wie die zuvor beschriebene Rohrverbindung auf, wobei auch bei dieser Konstruktion die Außenschulter die Primärschulter bildet, die beim Verschrauben zuerst aktiviert wird. Die Länge der im Bereich der Außenschulter liegenden gewindefreien Abschnitte ist ebenfalls größer als die der im Bereich der Innenschulter liegenen gewindefreien Abschnitte. Weiterhin wird vorgeschlagen, den Abstand von der Muffenstirnfläche bis zur inneren Schulter größer zu wählen, als den Abstand von der Zapfenstirnfläche zur äußeren Schulter. Dadurch wird ein Spalt erzeugt, wenn beim Zusammenschrauben von Hand die Muffenstirnfläche an der äußeren Schulter zur Anlage kommt.

Beide bekannten Rohrverbindungen genügen nicht den besonderen Anforderungen, die an Rohrverbindungen für Offshore/Workover-Arbeiten gestellt werden müssen.

Aufgabe der Erfindung ist es, die bekannte Rohrverbindung mit Doppelstoß so weiterzuentwickeln, daß sie den besonderen Anforderungen für Offshore/Workover- Arbeiten genügt. Die besonderen Anforderungen sind hohe Gasdichtheit mit Innendrücken > 10. 000 psi, hohe Widerstandskraft gegen Biegewechselbeanspruchung, Robustheit in der Handhabung und häufige Wiederverwendbarkeit ohne Beeinträchtigung der Dichtheit, sowie schneller Ein-und Ausbau und leichte und kostengünstige Reparierbarkeit.

Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelost. Vorteilhafte Weiterbildungen sind jeweils Gegenstand von Unteransprüchen.

Zur Aufnahme der geforderten hohen Drehmomente werden in bekannter Weise der übliche Außen-und Innenstoß herangezogen. Um die Belastung des sekundär wirksamen Innenstoßes zusätzlich zu begrenzen, wurde ein langer gewindefreier Abschnitt des Zapfenelementes konstruiert, welches ein Element der metallischen Abdichtung trägt. Im nachfolgenden wird der. gewindefreie Abschnitt des Zapfenelementes am Innenstoß mit Lippe bezeichnet. Die Lange der Lippe ist mindestens zweimal vorzugsweise bis dreimal so lang wie der gewindefreie Abschnitt an der Außenschulter. Dadurch wird bewirkt, daß mit ansteigendem

Verschraubmoment die Außenschulter anteilig mehr belastet wird und in der Lippe die axialen Druckspannungen, welche die Innendruckbelastbarkeit herabsetzen, gering gehalten werden. Nachteilig wirkt sich jedoch aus, daß eine längere Lippe auf starke Durchbiegung belastet wird und damit die Funktion des Dichtsitzes gefährdet. Dieses Problem wird gelöst durch die Anordnung eines Stützkontaktes, wodurch die Durchbiegung auf ein unschädliches Maß reduziert wird. Im Muffenelement ist zur Erhöhung der Elastizität zwischen dem Gewinde-und dem Dichtbereich eine Nut vorgesehen, deren Funktion darin besteht, den Muffenkörper nicht im Sinne einer Entlastungsnut durch Abbau von Spannungsspitzen zu entlasten, sondern primär diesen Bereich elastischer zu machen, um die Kompression in der Lippe zu reduzieren. Gleichzeitig dient diese Nut der Aufnahme von überschüssigem Verschraubfett aus dem Gewinde, welches dort gesammelt werden kann, ohne auf das Dichtsystem einen schädlichen Druck auszuüben. Die Dimensionierung der Nut berücksichtigt außerdem die Benutzung von Mehrzahnstrehlern für die wirtschaftliche Herstellung des Gewindes.

Durch eine geeignete Wahl der Radien der ballig ausgebildeten Kontaktflächen im Muffenelement sowie durch Optimierung der wechselseitig beeinflußten Abstände des Dichtsitzes von der Stoßfläche und von der Lage des Stützkontaktes wird erreicht, daß im Dichtsitz eine genügend große und von den Fertigungstoleranzen der Überdeckung sowie der Längendifferenz von Zapfen-und Muffenelement möglichst unabhängige konstante Flächenpressung erzeugt wird und die Schwankungen im Stützkontakt aufgefangen werden. Die ballig ausgebildeten Kontaktflächen können alternativ auch im der Innenschulter zugewandten gewindefreien Abschnitt des Zapfenelementes angeordnet sein, wobei dann der damit zusammenwirkende gewindefreie Abschnitt des Muffenelementes als gerade geneigte Fläche ausgebildet ist.

Die Berechnungen und Analysen haben ergeben, daß bei folgenden Verhältnissen der relevanten Parameter die gewünschten Ergebnisse erreicht werden.

RD = mind. 1, 25 x RX RD = Radius der dichtkontaktfläche Rs = ca. 2 x Po RL = mittlerer Radius der Dichtlippe Rs = Radius der Stützkontaktfläche a 0, 2 Uo = z1 x R, x E (Z1 = 1, 6.... 2, 4) UD = Übermaß in der Dichtkontaktfläche Us = z2 x Do (z2 = 0, 5.... 0, 7) a 0, 2 = Streckgrenze E = Elastizitätsmodul Us = Übermaß in der Stützkontaktfläche (z3 = 1, 2.... 1, 5) LID = Abstand Innenschulter - Dichtsitz SL = mittlere Lippendicke (z4 = 0, 5... 0, 8) Los = Abstand Dichtsitz-Stützkontakt LSG = z5 x LDS (z5 = 1, 5.... 2, 0) LSG = Abstand Stützkontakt-Gewindeeinlauf Den Berechnungen liegt ferner zugrunde, daß das in den Gewindeabschnitten erzeugte Gewinde zur Reduzierung der Radialkomponente infolge von Axiallasten eine steilere Lastflanke als vergleichbare Gewinde (z. B. API) von 15-20° (vorzugsweise 18°) aufweist und eine Gewindesteigung von 2, 5-4 Gang/Zoll (vorzugsweise 3 Gang/ Zoll) sowie einen Kegel von 1 : 4 bis 1 : 8 (vorzugsweise 1 : 6) hat. Der Dichtkegel soll 1 : 3 bis 1 : 5 (vorzugsweise 1 : 4) betragen. Die große Gewindesteigung und der steile Dichtkegel führen zu kurzem Reibweg während des Ver-und Entschraubens und damit zu geringem Verschleiß.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die innere Schulter als 90°-Schulter ausgebildet. Dies hat den Vorteil, daß bei Kompression das Entstehen von Radialkräften vermieden wird, was sich ungünstig auf das Dichtsystem auswirken würde.

In der Zeichnung wird anhand eines Ausführungsbeispieles die erfindungsgemäß ausgebildete Rohrverbindung näher erläutert. Es zeigt :

Fig. 1 a im halbseitigen Längsschnitt ein erfindungsgemäß ausgebildetes Muffenelement, Fig. 1 b im halbseitigen Längsschnitt ein erfindungsgemäß ausgebildetes Zapfenelement und Fig. 2 im vergrößeren Maßstab die erfindungsgemäß ausgebildete Gewindeform.

In Figur 1 a ist in einem halbseitigen Längsschnitt ein erfindungsgemäß ausgebildetes Muffenelement 1 und in Figur 1 b ein erfindungsgemäß ausgebildetes Zapfenelement 2 dargestellt. Das Muffenelement 1 weist einen zwischen einer inneren Schulter 3 und einer Muffenstirnfläche 4 liegenden kegeligen Innengewindeabschnitt 5 auf. Zwischen dem Anfang des Innengewindeabschnittes 5 und der Muffenstirnfläche 4 ist ein kegelig gewindefreier Abschnitt 6 angeordnet. Der zweite gewindefreie Abschnitt 20 des Muffenelementes 1 befindet sich zwischen dem Ende des Innengewindeabschnittes 5 und der inneren Schulter 3. Der äußere Durchmesser des Muffenelementes 1 ist mit einem Pfeil 8 gekennzeichnet. Das mit dem Muffenelement 1 verschraubbare erfindungsgemäß ausgebildete Zapfenelement 2 weist einen zwischen einer äußeren Schulter 9 und einer Zapfenstirnfläche 10 liegenden Außengewindeabschnitt 11 auf.

Zwischen dem Ende des Außengewindeabschnittes 11 und der äußeren Schulter 9 befindet sich ein zylindrisch ausgebildeter gewindefreier Abschnitt 12 und der zweite gewindefreie Abschnitt 19 des Zapfenelementes 2 befindet sich zwischen dem Anfang des Außengewindeabschnittes 11 und der Zapfenstirnfläche 1 0.

Erfindungsgemäß ist der zweite gewindefreie Abschnitt 20 des Muffenelementes 1 unterteilt in einen Dichtteil 26 und in eine Nut 7, die sich vom Ende des Innengewindeabschnittes 5 bis zum Anfang des Dichtteiles 26 erstreckt. Im Dichtteil 26 sind zwei ballig konturierte Kontaktftächen 13, 14 angeordnet. Die der inneren Schulter 3 näherliegende Kontaktfläche 13 ist als Dichtsitz und die weiter entfernt liegende Kontaktfläche 14 als Stützkontakt ausgebildet. Dichtsitz 13 und Stützkontakt 14 wirken bei der Verschraubung zusammen mit einer im gewindefreien Abschnitt 19 des Zapfenelementes 2 angeordneten geraden Kegelfläche 15. Die Neigung dieser Kege ! f ! äche 15 wird steil gewähit und liegt vorzugsweise bei 1 : 4. In Richtung Außengewindeabschnitt 11 geht sie über in eine zweite Kegelfläche 16, die flacher geneigt und vorzugsweise eine Neigung von 1 : 6 aufweist. Aufgrund des Neigungsunterschieds dient die Übergangsfläche 16 als Schutz des Dichtsitzes vor Beschädigungen. Die Neigung der Übergangskegelfläche 16 entspricht vorzugsweise

auch der Neigung des Innengewindeabschnittes 5 und des Außengewindeabschnittes 11.

Die äußere Schulter 9 des Zapfeneiementes 2 bildet die Primirschulter, die beim Kraftverschrauben als erste aktiviert wird. Dies wird dadurch erreicht, daß der Abstand 17 zwischen der inneren Schulter 3 und der Muffenstirnfläche größer ist als der Abstand 18 zwischen der äußeren Schulter 9 und der Zapfenstirnfläche 10. Ein weiteres wesentliches Kennzeichen der erfindungsgemäß ausgebildeten Rohrverbindung ist, daß die Länge des gewindefreien Abschnittes 19 des Zapfenelementes 2 im Bereich des innenstoßes mindestens zweimal so groß ist wie die Länge des gewindefreien Abschnittes 6 des Muffenelementes 1 im Bereich des Außenstoßes. Der Innendurchmesser des Zapfenelementes 2 ist mit einem Pfeil 21 gekennzeichnet.

In Figur 2 ist in einem vergrößerten Maßstab die erfindungsgemäß ausgebildete Gewindeform dargestellt. Der obere Teil der Figur 2 zeigt ausschnittsweise 1'/2-Zahn 22. 1, 22. 2 des Innengewindeabschnittes 5 des Muffenelementes 1. Der untere Teil zeigt ausschnittsweise einen Zahn 23. 1 des Außengewindeabschnittes 11 des Zapfenelementes 2. Die Grundform beider Gewindeabschnitte 5, 11 ist ein grobes Rundgewinde, aufbauend auf API-Standard, das vorteilhaft ist für die notwendige häufige Verschraubung, die 100 mal und mehr betragen kann, und für das schnelle Einfädeln, das sogenannte"Stabbing"von Zapfenelement 2 und Muffenelement 1. Die Führungsflanke 24 weist analog dem API Rotary-Gewinde einen Winkel von 30° auf.

Abweichend von API ist der Winkel der Lastflanke 25 steiler im Bereich von 15 bis 20° vorzugsweise von 18°. Dies gilt in gleicher Weise auch für die Zähne 23. 1 des Außengewindeabschnittes 11 des Zapfenelementes 2.