專利名稱：用于鉆探和操作油氣井的管狀部件以及生成的螺紋連接部的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于鉆探和操作油氣井的管狀部件，更確切地說，涉及這種部件的端部，所述端部是陽型或陰型的，并且能夠連接到同樣用于鉆探和操作油氣井的另一部件的對應端部。因此，本發明還涉及通過裝配連接兩個管狀部件而生成的螺紋連接部。
背景技術：
術語“用于鉆探和操作油氣井的部件”是指任何這樣的元件，該元件具有大致管狀形狀以旨在連接到相同或不同類型的另一元件，從而在完成時構成用于鉆探油氣井的鉆柱或用于維護的立管(如檢查立管(work over riser))或用于操作的立管(如采油立管)， 或者在操作井時涉及的套管柱或油管柱。本發明尤其適用于在鉆柱中使用的部件，如鉆桿、 重鉆桿、鉆鋌、以及連接鉆桿和重鉆桿的稱為鉆具接頭的部件。按照已知的方式，在鉆柱中使用的各個部件通常包括設有陽螺紋區的端部和/或設有陰螺紋區的端部，每個端部旨在通過裝配而與另一部件的對應端部相連接，裝配件限定了連接部。這樣構成的鉆柱在鉆探時從井的表面被驅動而旋轉；因此，這些部件必須以高扭矩裝配到一起，以便能夠傳送足以允許無中斷或者甚至無越扭矩地執行鉆井的旋轉扭矩。在常規的產品中，裝配扭矩通常是因通過緊固在用于裝配的各個部件上設置的抵接表面而產生的配合來實現的。然而，由于抵接表面的范圍是管的厚度的一部分，所以當施加了過高的裝配扭矩時，迅速到達抵接表面的臨界塑化閾值。因此，研發了能夠減輕抵接表面不能承受的載荷的至少一部分、或者甚至全部的螺紋。該目的是通過使用自鎖螺紋(如在現有技術文獻us Re 30647和US Re 34467中描述的自鎖螺紋)來實現的。在這種類型的自鎖螺紋中，陽端部螺紋(也稱為牙)的牙側和陰端部螺紋(也稱為牙)的牙側具有恒定的螺距，但是螺紋寬度可變。更確切地說，分別對于陽端部的螺紋、陰端部的螺紋，隨著分別離開陽端部、離開陰端部的距離增大，螺紋牙頂(或牙)的寬度遞進地增大。因此，在裝配期間，陽螺紋和陰螺紋(或牙)在對應于鎖緊點的位置處完成互鎖。更確切地說，對于自鎖螺紋，當陽螺紋(或牙)的牙側鎖到對應的陰螺紋(或牙)的牙側上時，發生了鎖緊。當到達鎖緊位置時，彼此裝配到一起的陽螺紋區和陰螺紋區具有對稱面，沿著該對稱面，位于陽螺紋區端部的陽牙和陰牙的公共中高度(common mid-height)處的寬度對應于位于陰螺紋區端部的陽牙和陰牙的公共中高度處的寬度。因此，裝配扭矩由牙側之間的所有接觸表面(S卩，比現有技術的抵接表面構成的總表面區域大很多的總表面區域)承受。為了加強陽螺紋與陰螺紋的互鎖，陽螺紋和陰螺紋(或牙)具有榫形輪廓，使得在裝配后它們中的一個穩固地配合在另一個內。該榫形結構意味著避免了與當連接部經受大的彎曲或拉伸載荷時陽螺紋與陰螺紋脫開相對應的跳出風險。更確切地說，相比于在API5B 中限定的“梯形”螺紋(其中，軸向寬度從螺紋的基部起向螺紋牙頂減小)，并且相比于如在API7中限定的“三角”螺紋，榫形螺紋的幾何形狀增大了連接部的徑向剛度。然而，榫形結構存在幾個缺點。首先，螺紋牙側與通過螺紋牙底的軸線形成負角 (即，與在梯形螺紋結構的情況下使用的角度相反的角度)的事實增大了在裝配或斷開連接部期間陽螺紋與陰螺紋咬磨的風險。其次，螺紋牙頂的寬度比螺紋基部的寬度大的事實意味著關于疲勞強度的某種敏感度。因此，已經表明，當連接部在交變彎曲下操作時，陽螺紋區端部的螺紋(或牙)的牙側經受了高程度的剪切應力，這可能引起陽牙撕裂。類似地，當連接部在交變彎曲下操作時， 陰螺紋區端部的螺紋(或牙)的牙側也經受了高程度的剪切應力，這可能引起陰牙撕裂。隨著插入牙側和承載牙側到螺紋牙頂和牙底的倒角半徑越小，這種疲勞敏感性增加越多。事實上，這種小的倒角半徑成為了應力集中系數。為了克服該問題，文獻US-6254146提出了一種三面牙側結構。因此，兩個面分別與螺紋牙頂和牙底形成“正”的角，限定了在與螺紋牙頂和牙底形成“負”角的方向上延伸的中面。因此，螺紋具有總體上呈榫形的輪廓，并且牙側通過小得多的半徑連接到螺紋牙頂和螺紋牙底。然而，該結構在中面與其鄰近面所形成的鈍角處存在很大的缺點。更確切地說， 將中面連接到鄰近面的小半徑也是應力集中的部位，從而存在在裝配和斷開操作期間磨損的風險。
發明內容
更確切地說，本發明涉及一種用于螺紋連接部的管狀部件，該管狀部件在其一個端部處具有根據該螺紋端部是陽型還是陰型而形成在其外周面或內周面上的螺紋區，所述端部結束于終端面，所述螺紋區在至少一部分上具有螺紋，當沿通過所述管狀部件的軸線的縱向截面觀看時，所述螺紋包括螺紋牙頂、螺紋牙底、承載牙側、插入牙側，所述螺紋牙頂的寬度在所述終端面的方向上減小，而所述螺紋牙底的寬度增大，其特征在于，當沿著通過所述管狀部件的軸線的縱向截面觀看時，所述承載牙側和/或所述插入牙側的輪廓具有設置有曲變點(I)的連續曲線(34)作為中央部分，所述輪廓在所述螺紋牙頂處凸出而在所述螺紋牙底處凹入。下面描述本發明的可選的補充或替換特征。所述牙側的輪廓是由兩條相切的圓弧形成的連續曲線。所述牙側的輪廓在其一個遠側部包括分別通過曲率半徑連接到螺紋牙頂、連接到螺紋牙底的線段。所述線段與分別通過所述螺紋牙頂、所述螺紋牙底的軸線形成在30到60度范圍內的角。所述線段與分別通過所述螺紋牙頂、所述螺紋牙底的軸線形成的角大致等于45度。將所述輪廓分別連接到所述螺紋牙頂、所述螺紋牙底的曲率半徑在0. 5到2. 5mm 的范圍內。將所述輪廓分別連接到所述螺紋牙頂、所述螺紋牙底的曲率半徑大致等于1mm。所述螺紋區具有錐形母線，該錐形母線與所述管狀部件的軸線形成在1度到5度范圍內的角，使得給定螺紋的插入牙側的徑向高度大于所述螺紋的承載牙側的徑向高度。
所述線段的徑向高度在所述插入牙側的高度與所述承載牙側的高度之差的50% 到100%的范圍內。所述線段的徑向高度等于所述插入牙側的高度與所述承載牙側的高度之差。所述螺紋牙頂和所述螺紋牙底平行于所述管狀部件的軸線。本發明還涉及一種包括第一管狀部件和第二管狀部件的螺紋連接部，所述第一管狀部件和所述第二管狀部件中的每一個都設有相應的陽端部和陰端部，所述陽端部在其外周面上包括至少一個螺紋區并且結束于相對于該連接部的軸線徑向取向的終端面，所述陰端部在其內周面上包括至少一個螺紋區并且結束于相對于該連接部的軸線徑向取向的終端面，所述陽螺紋區具有能夠與所述陰螺紋區的對應部分以自鎖緊固配合的至少一部分， 所述第一管狀部件和所述第二管狀部件是根據本發明的管狀部件。根據特定特征，在所述陽螺紋區的牙的牙頂與所述陰螺紋區的牙底之間設有間隙 h。根據其它特征，所述陽端部和所述陰端部均分別包括在所述螺紋區的部分在自鎖裝配后配合時能夠以緊密接觸配合到一起的密封表面。根據其它特征，所述螺紋連接部是鉆探部件的螺紋連接部。
在下面的描述中，將參照附圖更詳細地闡釋本發明的特征和優點。圖1是通過裝配自鎖區來連接兩個管狀部件而生成的根據本發明的連接部的示意圖。圖2是圖1的連接部中的裝配自鎖配合的詳細示意圖。圖3是根據本發明的管狀連接部件的陽端部的螺紋的詳細視圖。圖4是根據第一特定實施方式的管狀連接部件的陽端部螺紋的詳細視圖。圖5是根據第二特定實施方式的管狀連接部件的陽端部的螺紋的詳細視圖。
具體實施例方式圖1所示的螺紋連接部按照已知的方式包括具有回轉軸線10且設有陽端部1的第一管狀部件和具有回轉軸線10且設有陰端部2的第二管狀部件。兩個端部1、2均結束于相對于未鄰接的螺紋連接部的軸線10徑向取向的終端面7、8，并且分別設置有通過裝配兩個部件而配合到一起以相互連接的螺紋區3、4。螺紋區3、4是已知類型，被稱為“自鎖”(也可以說螺紋的軸向寬度和/或螺紋之間的間隔具有遞進的變化)，從而在裝配期間，在到達最終的鎖緊位置之前，會出現遞進的軸向緊固。按照已知的方式，并且從圖2中可見，術語“自鎖螺紋區”是指包括以下詳細描述的特征的螺紋區。和陰螺紋(或牙)42的牙側類似，陽螺紋(或牙)32的牙側具有恒定的螺距，而螺紋的寬度在相應的終端面7、8的方向上減小，使得在裝配期間，陽螺紋(或牙)32 和陰螺紋(或牙)42通過在預定位置相互鎖緊而結束。更確切地說，和陰螺紋區的插入牙側41之間的螺距SFPb —樣，陰螺紋區4的承載牙側40之間的螺距LFPb是恒定的，其中，具體地說，承載牙側40之間的螺距大于插入牙側 41之間的螺距。
類似地，和陽承載牙側30之間的螺距LFPp —樣，陽插入牙側31之間的螺距SFPp 也是恒定的。此外，陽插入牙側31和陰插入牙側41之間的相應螺距SFPp和SFPb彼此相等，并且小于陽承載牙側30和陰承載牙側40之間的相應螺距LFPp和LFPb (它們也彼此相
寸J ο從圖2可見，如現有技術中已知的，當沿通過螺紋連接部的軸線的縱截面觀看時， 陽螺紋和陰螺紋(或牙)具有這樣的輪廓，該輪廓具有榫形總體外觀，使得陽螺紋和陰螺紋在裝配后穩固地相互配合到一起。這種附加的保證意味著避免了與當連接部經受大的彎曲或拉伸應力時陽螺紋和陰螺紋脫開相對應的稱為“跳出”的風險。更確切地說，與軸向寬度從螺紋的牙底到牙頂減小的通常稱為“梯形”的螺紋相比，榫形螺紋的幾何形狀增大了連接部的徑向剛度。圖3示出了根據本發明一個模式的螺紋32的沿通過管狀部件的軸線10的縱截面觀看的視圖。該螺紋屬于所述管狀部件的陽端部1。根據本發明，承載牙側30和/或插入牙側31的輪廓具有連續曲線34作為中央部分，該連續曲線34設有曲變點(I)，所述輪廓通過曲率半徑連接到螺紋的牙頂35和牙底36。應當指出，術語“輪廓的中央部分”是指除了輪廓的端部之外的輪廓的主要部分。還應當指出，是在輪廓的中央部分不是直線的意義上將輪廓的中央部分稱為曲線的。因此，被稱為“曲線”的輪廓的中央部分是與被稱為“直線”的中央部分相對而言的。該曲線在不包括奇異點的意義上是連續的，因此總是限定有切線。這意味著沒有將成為應力集中部位的角點。牙側輪廓也通過曲率半徑連接到螺紋牙頂 35和牙底36。更確切地說，和牙側輪廓一樣，曲率半徑切向連接到螺紋牙頂35和牙底36。此外， 曲線34具有曲變點(I)。這意味著，輪廓到螺紋牙頂和到螺紋牙底的連接是在沒有尖型或其它型的角點的情況下進行的。此外，在螺紋牙頂處，輪廓具有凸出形狀，而在螺紋牙底處， 輪廓具有凹入形狀，從而改進了在裝配連接部期間和工作期間對應力的耐受性。還應理解， 在自鎖螺紋連接部中，螺紋之間的接觸程度是非常高的，因為這確保了兩個管狀部件的鎖緊，而且尤其重要的是，它出現在牙側上。因此，重要的是，牙側沒有任何幾何形狀的缺點， 如小倒角半徑。還要指出的是，對于大的曲率半徑比對于小的曲率半徑更容易遵守加工公差。要指出的是，本發明所規定的牙側輪廓可以應用于管狀部件的承載牙側或者所述管狀部件的插入牙側，或者應用于兩者。然而，尤其有利的是將這種牙側輪廓應用于至少插入牙側，因為在裝配期間這些牙側受的應力最大。換句話說，它們承受了最大的磨損風險。 然而，應用于承載牙側的牙側輪廓使得可以將陽端部與陰端部更容易地分開。還應指出的是，所述連續曲線可以基于多項式型、橢圓型、拋物線型或正弦型方程。作為示例，根據圖5所示的特定實施方式，所述牙側的輪廓是由兩個半徑分別為 Rl和R2的相切圓弧形成的連續曲線。根據圖4所示的另一實施方式，所述牙側的輪廓具有一連續曲線作為中央部分， 該連續曲線在其各端都包括通過曲率半徑(r)切向連接到螺紋牙頂35、螺紋牙底36的線段 33。因此，這兩條線段33均構成了曲線34上的直線部分。曲線34的直線部分具有在裝配兩個管狀部件期間提供用作斜坡的表面的優點。
有利的是，線段33分別與螺紋的牙頂35、牙底36形成30到60度范圍內(優選地，大致等于45度)的角α。還有利的是，半徑(r)在0. 5到2. 5mm的范圍內，優選地大致等于1mm。有利且可從圖2中看出的是，管狀部件的螺紋3和4沿錐形母線20取向，以便于裝配的進行。通常，該錐形母線與軸線10形成了包括在1度到5度的范圍內的角度。在該情況下，錐形母線被限定為通過承載牙側的中間。因此，給定螺紋的插入牙側的徑向高度Iisf 大于該螺紋的承載牙側的徑向高度h『根據使用錐螺紋的一種有利模式，并且從圖3中可見，線段33的徑向高度hft在插入牙側的徑向高度Iisf和承載牙側的徑向高度1^之差的50%到100%的范圍內。插入牙側的高度所需的最小值意味著在線段33處獲得了在裝配期間足以使陽元件和陰元件之間的接觸穩定的平整支承表面，這更有效地分散了應力。所需的最大值對應于可接受的牙側輪廓，即，沒有太大的彎曲。根據使用錐螺紋的一種優選模式，并且從圖3中可見，線段33的徑向高度hft等于插入牙側的徑向高度Iisf和承載牙側的徑向高度Kf之差。有利且從圖2可見的是，陽螺紋區和陰螺紋區的牙頂和牙底平行于螺紋連接部的軸線10。這有利于加工。如上所述，原則上是在陽承載牙側30與陰承載牙側40之間進行接觸，并且也對于陽插入牙側31和陰插入牙側41進行接觸。與之相反，可以在陽螺紋牙頂和陰螺紋牙底之間設置間隙(h)；類似地，可以在陽螺紋牙底與陰螺紋牙頂之間設置間隙(h)，以便于裝配期間的進展并且避免任何磨損風險。有利且從圖1可見的是，通過靠近陽元件的終端面7的兩個密封區5、6設置了針對管狀連接部的內部以及外部介質的流體密封。已知泥巴在壓力下在鉆柱內移動到井的底部，以便保證正確操作鉆頭，并且將碎屑提升到表面。在特定的鉆探條件或連接部工作條件下，可能會出現加壓氣體。從而由抵接表面提供到該處的密封不再得到確保。因此，必須保證與兩個部件之間的連接部處的高壓對應的更大程度的密封。為此，在其它類型的連接部(如由申請人在目錄n° 940中描述的VAM ToP連接部)中，已知的是在連接部的陽端部上螺紋區之外提供用于配合與連接部的陰端部上設置的密封表面以徑向緊固配合的密封表面。密封區5可以具有徑向朝外彎的穹形表面，該穹形表面的直徑朝向終端面7減小。 該穹形表面的半徑優選地在30到IOOmm的范圍內。穹形表面的半徑太大(> 150mm)，將導致與錐-錐接觸等同的缺點。該穹形表面的半徑太小(< 30mm)，將導致不足的接觸寬度。面對該穹形表面，陰端部2具有徑向朝內彎的錐形表面，該錐形表面的直徑也在陽元件的終端面7的方向上減小。錐形表面的峰值半角的正切在0. 025到0. 075的范圍內，即錐度在5%到15%的范圍內。錐形表面的錐度太小(<5%)，將導致裝配時的磨損風險，錐度太大(> 15% )，則必需非常嚴格的加工公差。發明人已經發現，與兩個錐形表面之間的接觸區(在接觸區的端部具有兩個窄的有效接觸區)相反，這種錐形表面與穹形表面之間的接觸區可以產生高效的軸向接觸寬度和接觸壓力沿有效接觸區的基本半橢圓分布。應當指出，陽端部和陰端部的密封區5和6可以被設置為靠近陰端部的終端面8。
根據本發明的接觸區幾何形狀意味著不管所連接的元件的軸向定位如何因加工公差變化，都可以保持良好的有效接觸寬度，該有效接觸區沿穹形表面的穹頂樞轉，保持了拋物線型的局部接觸壓力分布。因此，在操作中，S卩，當螺紋連接部在彎曲狀態下操作時，本發明的基本優點是，牙側輪廓經由倒角連接到相鄰的螺紋牙頂和牙底，使得所述倒角減小了牙側的腳部處的應力集中系數，由此改進了連接部的疲勞特性。本發明還具有以下優點牙側輪廓沒有角點，這也減小了在施加很高的Hertz應力的這些區域處的應力集中系數。這種類型的輪廓在裝配部件期間還提供了優點，因為它們限制了磨損的風險。
權利要求
1.一種用于螺紋連接部的管狀部件，該管狀部件在其一個端部(1 ；2)處具有根據該螺紋端部是陽型還是陰型而形成在其外周面或內周面上的螺紋區(3 ；4)，所述端部(1 ；2)結束于終端面(7 ；8)，所述螺紋區(3 ；4)在至少一部分上具有螺紋(32 ；42)，當沿通過所述管狀部件的軸線的縱向截面觀看時，所述螺紋包括螺紋牙頂(35，45)、螺紋牙底(36，46)、承載牙側(30，40)、插入牙側(32，42)，所述螺紋牙頂(35，45)的寬度在所述終端面(7,8)的方向上減小，而所述螺紋牙底(36，46)的寬度增大，其特征在于，當沿著通過所述管狀部件的軸線(10)的縱向截面觀看時，所述承載牙側(30 ；40)和/或所述插入牙側(31 ；41)的輪廓具有設置有曲變點(I)的連續曲線(34)作為中央部分，所述輪廓靠近所述螺紋牙頂凸出而靠近所述螺紋牙底凹入。
2.根據權利要求1所述的用于螺紋連接部的管狀部件，其特征在于，所述牙側的輪廓是由兩條相切的圓弧形成的連續曲線。
3.根據權利要求1所述的用于螺紋連接部的管狀部件，其特征在于，所述牙側的輪廓在其一個遠側部處包括分別通過曲率半徑(r)連接到螺紋牙頂(35，45)、連接到螺紋牙底 (36，46)的線段(33)。
4.根據權利要求3所述的用于螺紋連接部的管狀部件，其特征在于，所述線段(33)與分別通過所述螺紋牙頂(35)、螺紋牙底(36)的軸線形成在30到60度范圍內的角(α)。
5.根據權利要求4所述的用于螺紋連接部的管狀部件，其特征在于，所述角(α)大致等于45度。
6.根據權利要求3到5中任一項所述的用于螺紋連接部的管狀部件，其特征在于，將所述輪廓分別連接到所述螺紋牙頂(35，45)、所述螺紋牙底(36，46)的曲率半徑(r)在0. 5 到2. 5mm的范圍內。
7.根據權利要求6所述的用于螺紋連接部的管狀部件，其特征在于，所述曲率半徑(r) 大致等于1mm。
8.根據權利要求3到7中任一項所述的用于螺紋連接部的管狀部件，其特征在于，所述螺紋區(3 ；4)具有錐形母線(20)，該錐形母線與所述管狀部件的軸線(10)形成角(β)， 使得給定螺紋(32 ；42)的插入牙側的徑向高度(hSF)大于所述螺紋的承載牙側的徑向高度 (hLF)。
9.根據權利要求8所述的用于螺紋連接部的管狀部件，其特征在于，所述線段(33)的徑向高度(hft)在所述插入牙側的徑向高度與所述承載牙側的徑向高度(hj之差的50% 到100%的范圍內。
10.根據權利要求8或權利要求9所述的用于螺紋連接部的管狀部件，其特征在于，所述線段(3 的徑向高度(hft)等于所述插入牙側的徑向高度(hSF)與所述承載牙側的徑向高度(hLF)之差。
11.根據任一前述權利要求所述的用于螺紋連接部的管狀部件，其特征在于，所述螺紋牙頂和所述螺紋牙底平行于所述管狀部件的軸線(10)。
12.一種包括第一管狀部件和第二管狀部件的螺紋連接部，所述第一管狀部件和所述第二管狀部件中的每一個都設有相應的陽端部(1)和陰端部O)，所述陽端部(1)在其外周面上包括至少一個螺紋區(3)并且結束于終端面(7)，所述陰端部(2)在其內周面上包括至少一個螺紋區(4)并且結束于終端面(8)，所述陽螺紋區(3)具有能夠與所述陰螺紋區(4)的對應部分以自鎖緊固配合的至少一部分，其特征在于，所述第一管狀部件和所述第二管狀部件是根據任一前述權利要求所述的管狀部件。
13.根據權利要求12所述的螺紋連接部，其特征在于，在所述陽螺紋區(3)的牙的牙頂與所述陰螺紋區的牙底之間設有間隙(h)。
14.根據權利要求12或權利要求13所述的螺紋連接部，其特征在于，所述陽端部(1) 和所述陰端部( 均分別包括在所述螺紋區(3，4)的部分在自鎖裝配后配合時能夠以緊密接觸配合到一起的密封表面(5，6)。
15.根據權利要求12到14中任一項所述的螺紋連接部，其特征在于，所述螺紋連接部是鉆探部件的螺紋連接部。
全文摘要
本發明涉及一種用于螺紋連接部的管狀部件，該管狀部件在其一個端部(1；2)處具有根據該螺紋端部是陽型還是陰型而形成在其外周面或內周面上的螺紋區(3；4)，所述端部(1；2)結束于終端面(7；8)，所述螺紋區(3；4)在至少一部分上具有螺紋(32；42)，當沿通過所述管狀部件的軸線的縱向截面觀看時，所述螺紋(32；42)包括螺紋牙頂(35)、螺紋牙底(36)、承載牙側(30，40)、插入牙側(32，42)，所述螺紋牙頂(35)的寬度在所述終端面(7，8)的方向上減小，而所述螺紋牙底(36)的寬度增大，其特征在于，當沿著通過所述管狀部件的軸線(10)的縱向截面觀看時，所述承載牙側(30；40)和/或所述插入牙側(32；42)的輪廓具有設置有曲變點(I)的連續曲線(34)作為中央部分，所述輪廓在所述螺紋牙頂處凸出而在所述螺紋牙底處凹入。本發明還涉及螺紋連接部。
文檔編號E21B17/042GK102395747SQ201080016782
公開日2012年3月28日 申請日期2010年4月9日 優先權日2009年4月17日
發明者E·韋爾熱, O·卡龍, S·格朗熱 申請人:住友金屬工業株式會社, 瓦盧萊克曼內斯曼油氣法國公司