CN101248306B - 用于可扩张连接的中间密封 - Google Patents

Abstract

一种可扩张的管连接，所述可扩张的管连接包括阳螺纹构件和阴螺纹构件。阳螺纹构件包括形成于小阶梯状部分和大阶梯状部分上的阳螺纹、以及形成于小阶梯状部分和大阶梯状部分之间的第一密封表面。阴螺纹构件包括形成于小阶梯状部分和大阶梯状部分上的阴螺纹、以及形成于小阶梯状部分和大阶梯状部分之间的第二密封表面。阳螺纹和阴螺纹为楔形螺纹。当选择阳螺纹构件与阴螺纹构件装配时，第一密封表面和第二密封表面之间存在选定间隙。所述间隙被选择为使得当塑性径向扩张选定量时，第一密封表面和第二密封表面的至少一部分之间形成密封。

Description

用于可扩张连接的中间密封

背景技术

套管接箍、衬管和其它油田管通常用于钻孔、完成及制造井。例如，套管接箍可以放置在井眼内以使形成稳定，并且保护成形不受到可能破坏成形的高井眼压力(例如，超过成形压力的井眼压力)。套管接箍为可以通过本领域技术中公知的螺纹连接、焊接连接和其它连接以端部至端部的方式相连的钢管部分。连接通常被设计成使得在相连的套管接箍的内部与形成于套管接箍的外壁与井眼壁部之间的环形空间之间形成密封。例如，所述密封可以为合成橡胶密封(例如，O形环密封)、螺纹密封、邻近连接处形成的金属与金属密封或本领域技术中已知的类似密封。

在图1中，显示了在中间位置具有金属与金属密封的连接。这种连接作为授予Noel的美国专利第6,543,816号的实施例公开。该专利的全部内容在此并入本文作为参考。所述连接包括阳螺纹构件101和阴螺纹构件102，每个构件都分别具有单个锥形螺纹18和19。阳螺纹18和阴螺纹19在中间位置处断开以形成对应的密封表面，从而在所述密封表面之间存在充分的接触压力时形成金属与金属密封20。与位于阳螺纹构件或阴螺纹构件的端部上的其它类型的金属与金属密封相比，显示在图1中的金属与金属密封20由于其中间位置而通常被称为“中间密封”。为了保证存在所需的接触压力以形成金属与金属密封20，通过阳螺纹构件101上的阳螺纹前端23和阴螺纹构件102上的台肩22设置了限位档块。

通常用于形成螺纹密封的螺纹的一种类型的螺纹是楔形螺纹。在图2中，显示了具有楔形螺纹的连接。“楔形螺纹”的特征在于螺纹，而不考虑具体的螺纹形式，所述螺纹增加了阳螺纹构件101和阴螺纹构件102的相对方向上的宽度(即，承载牙侧225和226以及带尖牙侧(stab flank)232和231之间的轴向距离)。螺纹沿连接结构在宽度上改变的速率由通常公知为“楔形比(wedge ratio)”的变量限定。虽然技术上不是比值，但在此使用的“楔形比”表示造成螺纹沿连接在宽度上变化的带尖牙侧导程和承载牙侧导程之间的差值。楔形比的详细说明在授予Mallis并让与本发明的受让人的美国专利第6,206,436号中提供。该专利的全部内容在此并入本文作为参考。

楔形螺纹广泛地公开在授予Blose的美国专利第RE 30,647号、授予Reeves的美国专利第34,467号、授予Ortloff的美国专利第4,703,954号、以及授予Mott的美国专利第5,454,605号中，所有这些专利均让与本发明的受让人且在此并入本文作为参考。继续参照图2，在阳螺纹构件101上，阳螺纹牙顶222朝向阳螺纹构件101的末端变窄，而阴螺纹牙顶291变宽。沿轴105移动(从右到左)，阳螺纹牙顶222变宽，而阴螺纹牙顶291变窄。在图1中，螺纹表面为锥形，这就意味着阳螺纹106的直径从开始到端部增加，而阴螺纹107的直径以互补的方式增加。具有螺纹锥形改进了阳螺纹构件101插进阴螺纹构件102中的能力，并在连接中分配应力。

通常，螺纹密封很难用具有宽牙顶和牙底的非楔形螺纹实现，然而，当用于楔形螺纹时，相同的螺纹形式也可以具有螺纹密封。楔形螺纹不具有任何特定的螺纹形式。适合的螺纹形式的一个实例是公开在授予Klementich并在此并入本文供参考的美国专利第5,360,239号中的半燕尾形螺纹形式。另一螺纹形式包括公开在授予Church的美国专利第6,722,706号中的多分面承载牙侧或带尖牙侧。以上螺纹形式中的每个都考虑了“圈闭式”螺纹形式，这就意味着至少对应的承载牙侧和/或对应的带尖牙侧的一部分轴向重叠。具有大致呈矩形的形状的开放(即，未圈闭)螺纹形式公开在授予Watts的美国专利第6,578,880号中。以上螺纹形式为可以用于本发明实施例的螺纹形式的实例。通常，诸如支壁(buttress)或支柱式梯形螺纹(stub acme)的开放螺纹形式因为其将大的径向力施加到阴螺纹构件上而不适用于楔形螺纹。大致呈方形的螺纹形式(例如，Watts公开的形式)、或圈闭式螺纹形式不会将向外的径向力施加到阴螺纹构件上。本领域的普通技术人员应该理解，包含在此的教示不局限于具体的螺纹形式。

对于楔形螺纹，螺纹密封通过由阳螺纹承载牙侧226和阴螺纹承载牙侧225之间、以及阳螺纹带尖牙侧232和阴螺纹带尖牙侧231之间的连接的至少一部分上的干涉所造成的接触压力来实现，所述接触压力在构成连接时出现。牙底292和221与牙顶222和291之间的紧密接近或干涉在出现在出现牙侧干涉的地方的至少一部分上时完成螺纹密封。通常，通过阳螺纹构件101和阴螺纹构件102上的牙底和牙顶之间增加的干涉(“牙底/牙顶干涉”)以及通过增加牙侧干涉可能包含较高的压力。此特定的连接还包括通过分别位于阳螺纹构件101和阴螺纹构件102上的对应的密封表面103和104之间的接触压力而实现的金属与金属密封。

楔形螺纹典型地不具有连接上的限位档块扭矩肩部。对于不具有限位档块转矩台肩的楔形螺纹，装配是“不确定的”，结果，在施加规定的扭矩范围的装配期间，阳螺纹构件和阴螺纹构件的相对位置比用于具有限位档块扭矩台肩(positive stop torque shoulder)的螺纹更多地改变。在此使用的“装配”指将阳螺纹构件和阴螺纹构件螺纹连接在一起。“选定的装配”指以需要的扭矩量或根据阳螺纹构件与阴螺纹构件的相对位置(轴向或圆周)将阳螺纹构件和阴螺纹构件螺纹连接在一起。在选定的装配处，对于设计为具有牙侧干涉和牙底/牙顶干涉的楔形螺纹，牙侧干涉和牙底/牙顶干涉在构成连接时均增加(即，扭矩的增加增加了牙侧干涉和牙底/牙顶干涉)。对于设计为具有牙底/牙顶间隙的楔形螺纹，当构成连接时，所述间隙减小。与楔形螺纹的设计无关，在装配期间，对应的牙侧和对应的牙底和牙顶彼此靠近(即，间隙减小或干涉增加)。不确定的装配通过增加连接上的装配扭矩使得牙侧干涉和牙底/牙顶干涉增加。因此，楔形螺纹可能通过设计具有更多的牙侧干涉和/或牙底/牙顶干涉的连接、或通过增加连接上的装配扭矩能够螺纹密封较高的气体和/或液体压力，然而，这也将增加装配期间连接上的应力，并可能导致在使用期间失效。

在一些打井操作中，有利的是钻孔(“开口”)中或下套管的井眼内的螺纹管或套管接箍在径向上塑性扩张。在本申请中所使用的径向塑性扩张管表示永久扩张或管或套管的内径增加。在下套管的井眼中，可径向扩张的套管可以用于增强已磨损或损坏的套管，例如，以便增加旧套管的猝发传输率(burst rating)，从而防止管井过早废弃。在井眼的开孔区段中，可径向扩张的套管的使用对于所需的最终下套管孔的直径可以减小钻孔的所需直径，并且还可以减小将套管固定到井眼内所需的水泥的所需体积。

扩张工具典型地用于将设置在井眼内部的套管柱或油管柱从初始状态(例如，从初始内径)径向塑性扩张到扩张状态(例如，具有较大的直径)。如图3所示，一个普通的现有技术的扩张过程使用成圆锥形的锥形冷成形的扩张工具(通常称为“清管器(pig)”)以扩张井眼中的套管。扩张工具通常被密封在清管器发送筒的内部，所述清管器发送筒为连接到在井眼中运行的套管柱的下端的钟形区段。因为清管器发送筒必须经常通过已经安装在井眼中的母体套管，所以清管器发送筒具有小于母体套管的“通径”的外径。在此使用的“通径”是可以通过设置在井中的套管柱或油管柱的最大外径。通常，由于井眼不是很直，或偏心或损坏套管或油管，所以通径稍微小于套管或油管的内径。由于此情况，恰好具有套管或油管的内径的工具不能自由移动通过套管或油管。

套管柱通常通过从套管悬挂器放下套管柱被设定在孔中的适当的位置。然后，钻杆或油管的工作管柱行进到井眼中并连接到扩张工具(例如，工作管柱通常连接到导向心轴)。当连接钻杆后，套管柱的重量由扩张工具支撑。然后，钻杆用于进一步将套管柱降低到井眼中选定的位置处。扩张工具包括具有通常在5度和45度之间的锥形角度的锥形区段。扩张工具通常关于其纵轴对称。扩张工具还包括具有与后面有锥形区段的套管柱(未示出)所需的扩张内径相对应的直径。扩张工具还可以包括穿过其中的轴孔，使得水泥和增压流体(例如，钻井液)可以通过扩张工具抽吸通过工作管柱并进入井眼。

水泥被抽吸通过钻杆并到清管器的水泥口外。水泥在待扩张的套管柱(此后称为“可扩张的套管柱”)的外部和井眼的内部之间流动。当已经泵入选定量的水泥后，典型地通过设计为位于水泥口的活门密封水泥口。活门通常通过钻杆泵出钻井液。连续泵出钻井液给清管器发送筒增压，造成在工作管柱上的轴向向上的提升力的组合，驱动扩张工具301向前(即，朝向表面向上)。当驱动扩张工具301向前移动时，可扩张的套管柱向外径向扩张到所需的扩张直径。继续扩张直到整个可扩张的套管柱扩张为止。在许多情况下，可扩张的套管柱包括扩张后保留在母体套管内的套管段。额外的套管段可以设计为用作用于扩张的套管段的衬管悬挂器并且在母体套管和扩张套管柱之间进行密封。

扩张工具301可以根据工具设计和应用在可扩张的套管柱的底部或顶部开始。径向扩张可以以例如每分钟25到60英尺的速度率进行。其它扩张处理(例如，在局部流体静压力下的扩张或“静压成形”)为本领域公知，但通常尽可能不用冷成形扩张加工。也存在其它用于冷成形套管的扩张工具。存在用于冷成形扩张加工的各种工具。

虽然各种扩张方法，特别是锥形扩张工具方法，已经证明在可扩张的套管柱上很好地工作，但装配螺纹连接的扩张可能造成结构密封问题。承受径向塑性扩张的螺纹连接在扩张后具有表现出非均匀轴向伸长的趋势和不同地反作用到残余轴向应力。具体地，阳螺纹构件和阴螺纹构件在径向扩张期间变形不同。在径向扩张期间，在装配时的高接触应力的位置处，如用于金属与金属密封的密封表面，阴螺纹构件通常远离阳螺纹构件移动。这部分是由于在塑性扩张期间由阴螺纹构件和阳螺纹构件的装配而在连接中存在的残余应力的减轻。此差异位移现象可能导致在轴向接合密封中的预加载荷的损失，使得传统的金属与金属密封(例如，包括台肩密封和中间密封)的使用对于塑性径向扩张套管和油管成为问题。

用于可扩张的套管应用的更多成功的螺纹中的一个为楔形螺纹。楔形螺纹适用于可扩张的套管应用的一个原因在于其可能不抵靠径向扭矩台肩(即，限位档块)装配，而是典型地代以通过螺纹承载牙侧和带尖牙侧几乎同时接触来装配。在扩张过程期间，当台肩处的压缩应力超过套管材料的压缩屈服强度时，连接中的轴向应力通常造成径向扭矩台肩失效。楔形螺纹的优点是与使用的螺纹形式无关。当燕尾形状或其它封闭的螺纹形式用于楔形螺纹时，在扩张期间和之后，楔形螺纹也将抵抗径向力，这也可能趋向于使阳螺纹连接与阴螺纹连接分离。也可以使用用于楔形螺纹的开放螺纹形式。

尽管在扩张应用中楔形螺纹相对成功，但仍然需要在随后的径向扩张中增加连接的可靠性。为了径向扩张，设计用于连接的密封结构通过更换现有技术中的密封结构或提供多余的密封结构可以提供更可靠的密封。

发明内容

在一个方面，本发明涉及一种包括阳螺纹构件和阴螺纹构件的可扩张的管连接。阳螺纹构件包括形成于小阶梯状部分和大阶梯状部分上的阳螺纹、以及形成于阳螺纹的小阶梯状部分和大阶梯状部分之间的第一密封表面。阴螺纹构件包括形成于小阶梯状部分和大阶梯状部分上的阴螺纹、以及形成于阴螺纹的小阶梯状部分和大阶梯状部分之间的第二密封表面。阳螺纹和阴螺纹为楔形螺纹。当选择阳螺纹构件与阴螺纹构件装配时，第一密封表面和第二密封表面之间存在选定间隙。所述间隙被选择为使得当塑性径向扩张选定量时，第一密封表面和第二密封表面的至少一部分之间形成密封。

在另一方面，本发明涉及一种设计可扩张的管连接的方法。所述方法包括步骤：选择阳螺纹构件和阴螺纹构件，每个螺纹构件都具有带有形成于其上的楔形螺纹的小阶梯状部分和大阶梯状部分。所述方法还包括步骤：选择第一密封表面形成在阳螺纹构件的小阶梯状部分和大阶梯状部分之间；以及选择第二密封表面形成在阴螺纹构件的小阶梯状部分和大阶梯状部分之间，其中第一密封表面和第二密封表面被构成为以选定的接触压力形成密封。选择用于可扩张的管连接的径向扩张量。所述方法还包括步骤：至少部分根据选定的径向扩张量来选择在选定的装配处的第一密封表面和第二密封表面之间的间隙，其中所述间隙被选择为使得在可扩张的管连接的径向扩张后，至少选定的接触压力存在于第一密封表面和第二密封表面之间。

本发明的其它方面和优点将从以下说明和随附权利要求清楚呈现。

附图说明

图1显示具有中间密封的现有技术的连接；

图2显示具有楔形螺纹的现有技术的连接；

图3显示现有技术的扩张工具；

图4A显示根据本发明的一个实施例的具有可扩张的中间密封的连接；

图4B显示径向扩张之前的图4A所示的连接的中间密封；

图4C显示径向扩张之后的图4A所示的连接的中间密封；

图5A显示根据本发明的一个实施例的径向扩张之前的中间密封；

图5B显示径向扩张之后的图5A中所示的中间密封；

图6A显示根据本发明的一个实施例的径向扩张之前的中间密封；

图6B显示径向扩张之后的图6A所示的中间密封；

图7A显示根据本发明的一个实施例的具有可扩张的中间密封的连接；

图7B显示径向扩张之前的图7A所示连接的中间密封；

图7C显示径向扩张之后的图7A所示连接的中间密封；

图8A显示未扩张的管区段的视图；

图8B显示径向扩张之后的图8A的管区段；

图9显示根据本发明的一个实施例的径向扩张之前的中间密封；以及

图10显示根据本发明的一个实施例的阳螺纹构件。

具体实施方式

在一个方面，本发明提供一种具有在经历径向扩张后提供密封的密封结构的连接。更具体地，本发明的实施例提供在选择装配时在其之间具有选定间隙的对应的密封表面，使得在所述连接被径向扩张后，在对应的密封表面之间存在用于形成密封所需的最小接触压力。

如上所述，由装配造成的连接中的大量残余应力在径向扩张期间通过部分阴螺纹构件远离阳螺纹构件移动而被减轻。该运动在残余应力最大的地方非常重要。残余应力的一个来源是金属与金属密封的对应的密封表面之间的接触压力。使金属与金属密封能够进行密封的最大压力与对应的密封表面之间的接触压力有关。不幸的是对于密封的可靠性而言，残余应力的减轻是由于对应的密封表面远离彼此移动，使得接触压力减小或消除，从而导致密封能力损失。结果，在径向扩张后具有金属与金属密封的目的与建立连接时具有密封相冲突。

阴螺纹构件的无支撑部分(即，不与阳螺纹构件接触)将具有在径向扩张期间具有高接触应力的区域的相反性能。图8A和图8B说明了阴螺纹构件的无支撑部分如何相对于支撑部分扩张。在图8A中，内圆柱体801(表示阳螺纹构件)设置在外圆柱体802(表示阴螺纹构件)中。虽然所有的外圆柱体802均径向扩张，但无支撑部分810将很少相对于内圆柱体801和外圆柱体802的相邻支撑部分820和830扩张。此情况的出现是因为在径向扩张期间，内管801将不会径向向外推动外管802的无支撑部分810。相反地，如图8B所示，当所述外管被从内部径向扩张时，由于外管的相邻支撑部分820和830被内管801径向向外推动，因此外管802的无支撑部分801被外管的相邻支撑部分820和830径向向外拉动，从而导致阴螺纹构件的无支撑部分810相对于支撑部分820和830“下陷”。结果，在径向扩张期间，先前未与内管801接触的外管802的无支撑部分810可以与内管801接触。当外管802的无支撑部分810以充分的接触压力与内管801接触时，外管802的无支撑部分810将继续以与内管801大约相同的速率进一步径向扩张。

本发明人提出利用支撑和无支撑部分之间的扩张差动在螺纹管连接(此后称为“连接”)中形成金属与金属密封。为了实现此目的，两个对应的密封表面之间的间隙被选择为使得在连接的径向扩张期间在对应的密封表面之间出现接触，其中所述密封表面中的一个在阳螺纹构件上而另一个在阴螺纹构件上。接触在径向扩张期间出现，使得当完成径向扩张后，对应的密封表面之间存在所需的接触压力，以便提供金属与金属密封。所需的接触压力可以根据连接需要密封的预期压力来确定。通过利用楔形螺纹并将对应的密封表面定位在中间位置处，金属与金属密封(此后称为“中间密封”)可以设计用于不同的径向扩张量和径向扩张技术。当参考阳螺纹构件或阴螺纹构件使用时，在此所使用的“中间位置”是指在两侧具有连接的螺纹部分的位置。

在图4A中，显示了根据本发明的实施例的连接。连接包括阳螺纹构件101和阴螺纹构件102。阳螺纹构件包括分别接近阴螺纹构件102上的螺纹部分132A和132B的两个螺纹部分131A和131B。螺纹部分优选为楔形螺纹，从而使连接不具有限位档块扭矩台肩以装配阳螺纹构件101和阴螺纹构件102。在此特定的实施例中，各构件的螺纹部分形成于中断以形成中间密封120的单一锥形体(taper)(即，单一阶梯状部分)上，其详细显示在图4B中。由于螺纹部分的中断，用于两段式连接(two-step connections)的相同术语用于说明本发明的实施例。“小阶梯状部分”是指具有较小直径的螺纹部分，而“大阶梯状部分”是指具有较大直径的螺纹部分。在此使用的“单一锥形体”意味着小阶梯状部分和大阶梯状部分都在相同的圆锥表面上(即，当从横截面看时，基本在同一直线上)。小阶梯状部分和大阶梯状部分可以稍微偏离大约小于螺纹的高度(偏离范围由图10中的螺纹部分131B的上方和下方的虚线显示)，或锥形角度略微改变且仍然为用于说明本发明的“单一锥形体”。本领域的普通技术人员应该理解，虽然锥形体典型地在每个螺距的根部进行测量，但锥形体也可以在连接上的任意位置处进行测量。当需要整个较薄的连接时，优选单一锥形体。虽然螺纹部分131A、132A、和131B、132B的长度大约相等，但所述螺纹部分的长度在不脱离本发明的范围的前提下可以改变。

转到图4B和图4C，图4A显示了根据本发明的实施例的中间密封120的详细视图。图4B显示了在径向扩张之前在选择的装配处的中间密封120。在选择的装配处，在阳螺纹构件101和阴螺纹构件102上的对应的密封表面121和122之间分别提供选定间隙。所述选定间隙可防止中间密封120在径向扩张之前起到密封的作用。在此具体的实施例中，对应的密封表面121和122为相对于连接的中心轴具有大约相同的角度的截头圆锥形。在另一个实施例中，对应的密封表面121和122可以具有不同的角度。通常且特别对于单一锥形的实施例，优选的是所述角度在连接的大约10度的锥形角度内。在径向扩张后，如图4C所示，选定间隙消失，且在对应的密封表面121和122之间存在选定的接触压力，从而提供能够具有横过径向扩张连接的密封压力的中间密封120。

在对应的密封表面之间选择间隙的目的是获得完成连接的径向扩张时所需的接触压力。选择太大的间隙可能导致在对应的密封表面之间不充分的接触压力，从而限制了中间密封能够密封抵抗的压力。选择太小的间隙可能造成在对应的密封表面之间的接触出现的太快，使得即使在选定的装配处已经具有接触压力，连接的连续径向扩张也会使对应的密封表面之间的接触压力增加到减轻应力的点。所述间隙应该选择为使得接触出现在具有充分径向扩张的对应的密封表面之间，其中保持充分的径向扩张以在对应的密封表面之间建立所需量的接触压力。

选定间隙的适当尺寸依赖于连接的几个特性、以及径向扩张量和用于径向扩张的方法。两个螺纹部分之间的阴螺纹构件的无支撑部分的壁厚和轴向长度确定无支撑部分的柔性，其中所述阴螺纹构件上形成密封表面。较薄壁和较长的轴向长度将造成无支撑而相对于阴螺纹构件的螺纹部分(即，支撑部分)下陷。增加的柔性表示对较大的选定间隙的需求。对由连接本身造成的无支撑部分的轴向长度具有限制。如果连接具有两个阶段，则除了在连接的整个轴向长度上的任何限制外，轴向长度可以根据需要选择。然而，因为增加密封表面的轴向长度将通过增加阴螺纹构件的外径或减小阳螺纹构件的内径增加连接的整个厚度，所以，更要限制单一锥形体。在井眼中的直径限制更加限制了连接的厚度。当然，连接厚度的增加依赖于锥形体的角度。

中间密封区域的柔性也可以通过“剪切”一个或多个相邻的螺纹而被增加。在此使用的“剪切”螺纹意味着使螺纹相对于为其一部分的其余螺纹部分较短。螺纹可以在开始就制造得比其余螺纹部分短，或者螺纹的牙顶可以从后面部分去除。剪切螺纹将在剪切的牙顶和对应的牙底之间造成间隙。无论是剪切阳螺纹还是阴螺纹，只要已剪切的螺纹与中间密封区域相邻，效果基本上是一样的。在一些连接中，锥形体的角度将需要一个或多个剪切的螺纹，以避免在连接的装配期间与密封区域相干扰。为了避免干扰剪切的螺纹为必须通过阳螺纹构件上的密封表面的阴螺纹构件的大阶梯状部分上的螺纹、以及必须通过阴螺纹构件上的密封表面的阳螺纹构件上的小阶梯状部分上的螺纹。相对于螺纹高度更陡的锥形角度增加了必须剪切以避免干扰的螺纹量。更陡的角度也限制中间密封区域的轴向长度，从而将降低中间密封区域的柔性。结果，更陡的角度可能还需要多于一个的待剪切的相邻螺纹，以允许在径向扩张期间充分弯曲。在一个实施例中，锥形角度大约为1到15度。在另一个实施例中，锥形角度大约为3到10度。在又一个实施例中，锥形角度可以大约为5到7度。本领域的普通技术人员应该理解，可以获得本发明的一个或多个优点而与锥形角度无关。

螺纹的类型和螺纹形式基本上影响阴螺纹构件相对于阳螺纹构件的径向扩张。如上所述，高应力区域在塑性径向扩张期间趋向于被减轻。例如，通常选择高装配扭矩以防止连接在使用期间松开。这将造成螺纹受到很高的应力。结果，阴螺纹构件趋向于试图在径向扩张期间与阳螺纹构件分离。圈闭式螺纹(trapped thread)形式(例如，燕尾形、半燕尾形以及钩状形式)由于互锁形状阻止阴螺纹构件与阳螺纹构件分离。因为承载牙侧和带尖牙侧相接触，所以具有圈闭式螺纹形式的楔形螺纹在阻止阴螺纹构件与阳螺纹构件的分离上特别成功，使得楔形螺纹优选用于一个或多个本发明的实施例。对于连接作为一个整体的一体性而言，特别是对于中间密封起到以下径向扩张的作用的能力而言，优选阻止阴螺纹分离。增加分离的阻力将减小对应的密封表面之间的选定间隙的尺寸。

由于由扩张方法造成过度扩张，所以用于径向扩张连接的扩张方法认为会影响选定间隙。过度扩张由在径向扩张期间施加在连接上的过度应力造成。对于使用清管器的径向扩张，清管器的锥度和清管器被拉动通过连接的速度影响施加在连接上的过度应力。较斜的锥度和较高的拉动速率增加过度扩张，而浅锥度和缓慢的拉动速率导致最小的过度扩张。在此使用的“过度扩张”由扩张工具的OD和管件的扩张ID之间的差值限定。通常，增加的过度扩张增加选定间隙的尺寸。可以影响过度扩张量的另一因素是扩张工具和连接的内径之间的摩擦系数。当使用用于径向扩张的清管器时，对于较小范围的辊型扩张工具，摩擦系数也直接影响阳螺纹构件在轴向上相对于阴螺纹构件的变形量。摩擦系数根据阳螺纹构件的内径和扩张工具的接触表面的表面光洁度、由井眼中的流体提供的润滑、以及用于扩张工具和连接的材料的机械特性而改变。因为扩张工具只接触阳螺纹构件，所以所述扩张工具直接拉伸阳螺纹构件。轴向变形出现在阴螺纹构件中，但该轴向变形主要反作用到阳螺纹构件的轴向变形并达到更小的范围。结果，在一些实施例中，选定间隙可以具有轴向分量。本领域的普通技术人员应该理解，任何适合的扩张方法在不脱离本发明的范围的前提下都可以用于径向扩张连接。

在选择间隙(特别是所述间隙的轴向分量)中最主要的因素是径向扩张量。径向扩张量典型地通过管件的扩张内径与管件的未扩张公称直径的比来量化。该比值减去一并乘以一百提供径向扩张的百分比。选定间隙和径向扩张之间的关系基本成比例。对于金属与金属密封而不是中间密封而言，对应的密封表面之间的选定间隙可以大约为径向扩张量的大约30％到50％，这些公开在由授予Sivley，IV等人(此后称为“Sivley”)并让与本发明的受让人的美国专利第6,554,287号中。该专利的全部内容在此并入本文作为参考。由Sivley公开的金属与金属密封包括密封表面，所述密封表面在靠近阴螺纹构件的末端处位于阴螺纹构件上并轴向以悬臂方式越过阳螺纹构件上的对应的密封表面。在径向扩张期间，阴螺纹构件的悬臂末端相对于阳螺纹构件收缩(即，扩张较小)，则使对应的密封表面接触，从而产生金属与金属密封。

由Sivley公开的金属与金属密封比本发明实施例中的中间密封更柔软。这是因为中间密封用作支梁(pinned beam)，而由Sivley公开的金属与金属密封为悬臂。由于降低了柔性，所以对于中间密封选定间隙的径向分量通常比由Sivley公开的金属与金属密封小。为了补偿刚性中间密封，以下公式可以用于计算选定间隙的径向分量：

$R=\frac{S\×e}{C}+I$ 公式1

其中R等于选定间隙的径向分量，S等于密封系数，e等于径向扩张量，C等于分离阻力系数，而I等于螺纹部分的牙底-牙顶的径向干涉的平均量。

密封系数S的值可以从大约0.3到0.5(即，30％到50％)。为0.3时，对应的密封表面将在径向扩张期间更早地接触，从而导致对应较高的接触压力，此压力决定中间密封可以密封抵抗的压力量。远小于0.3的密封系数S可以导致在径向扩张中接触更早地出现，从而可以导致阳螺纹构件上的密封表面扩张远离阳螺纹构件上的密封表面。另外，如果密封系数S远大于0.5，则对应的密封表面之间的最终接触压力可能不足以形成密封。除了密封抵抗的压力之外，其它的因素为对应的密封表面之间的接触面积。如果对应的密封表面大面积接触(相对于薄的线性接触)，则较小的密封系数S可能比较理想。

分离阻力系数C对应于径向扩张期间的连接对分离的阻力。如公式所示，较高的分离阻力符合选定间隙的较小径向分量。此性质主要通过特定连接的设计和使用的扩张方法确定。具有燕尾形螺纹形式的楔形螺纹对于螺纹分离有很大的阻力，并具有大约10到20的分离系数C。钩形或半燕尾形的螺纹形式根据牙侧角将具有大约5到10的分离系数C。开放螺纹形式对于分离具有最少的阻力，从而具有接近大约1到5的分离系数C。如上所述，扩张的方法影响施加在连接上的过度扩张量。过度扩张还对应于分离连接的较高趋向。因此，分离系数C根据过度扩张可以增加或减小。本领域的普通技术人员应该理解，通过实验扩张连接可以用于确定分离系数C。在一个实施例中，选定间隙可以为大约0.1到大约0.5英寸。在一个或多个实施例中，选定间隙可以只具有径向分量。

再看图5A和图5B，显示了根据本发明的一个实施例的中间密封。阴螺纹构件102上的密封表面包括两个表面122A和122B。密封表面122A可以基本为圆柱形，而密封表面122B为从密封表面122A向外逐渐变细的截头圆锥形。阳螺纹构件101包括可以为圆柱形的密封表面121。选定间隙显示在对应的密封表面121和122A之间。因为对应的密封表面121和122A为圆柱形，所以选定间隙不具有轴向分量。如果对应的密封表面121和122A中只有一个为圆柱形，则同样如此。另外，如果对应的密封表面为具有同样角度的截头圆锥形，如图4B所示，则当对应的密封表面121和122在径向扩张期间接触时不影响轴向分量。图5B显示了在径向扩张后图5A的中间密封。在径向扩张后，对应的密封表面121和122A以充分的接触压力接触以抵抗液压密封。

转向图6A和图6B，显示了根据本发明的一个实施例的另一个中间密封。图6A中的中间密封包括具有在密封线605处相较的两个密封表面121A和121B的阳螺纹构件101。阴螺纹构件102具有可以为截头圆锥形的密封表面122。在此具体的实施例中，如图6B所示，当连接被径向扩张时，密封被设计为在密封线605和密封表面122之间出现。密封线605的优点在于其为中间密封提供接触的窄圆周线。这将减小接触面积，从而增加接触压力并提供较高的压力密封。因为高接触压力限于局部，所以可以降低密封表面122径向扩张远离阳螺纹构件101的危险。此外，窄接触线比相对大的接触表面更少依赖用于密封的表面光洁度。本领域的普通技术人员应该理解，密封线605可以为圆形或斜面，而不脱离本发明的范围。此外，在一些实施例中，中间密封120可以包括形成相对密封表面122的密封的两个或更多个密封线。

在图7A中，显示了根据本发明的一个实施例的连接。所述连接包括阳螺纹构件101和阴螺纹构件102。阴螺纹构件102包括应变集中沟槽701，所述应变集中沟槽位于与中间密封120大约相同的轴向位置处。应变集中沟槽公开在授予Sivley，IV并让与给本发明的受让人的美国专利第6,607,220号(此后称为“Sivley‘220”)中。该专利的全部内容在此并入本文作为参考。Sivley‘220公开了形成应变集中沟槽以集中和/或控制通过连接的径向扩张产生的应变。如上所述，增加中间密封区域的柔性可以增加选定间隙。在阴螺纹构件102的外径上的应变集中沟槽701的形成通过局部减小壁厚增加了中间密封区域的柔性，从而使中间密封区域对残余周向应力有较小的阻力。由于应变集中沟槽701，在相对于阳螺纹构件101和其余阴螺纹构件102的扩张期间，中间密封区域更多地下陷。

转向图7B，显示了中间密封120的详细视图。在此具体的实施例中，中间密封120包括设置在形成于阴螺纹构件102中的沟槽703中的密封元件702，例如，O型环。在一个实施例中，沟槽703可以形成于阳螺纹构件101中。密封元件702被设计用于提供在径向扩张之前对连接的密封。在一个实施例中，密封元件702还可以提供径向扩张之后的密封。图7C显示了径向扩张后的中间密封120。作为封闭选定间隙的结果，密封元件702受到压缩。由密封元件702提供的任何密封能力对于通过接触线605和密封表面122之间的中间密封所提供的密封都是多余的。

在一些实施例中，螺纹密封可以设置在选定的转配处。在一个实施例中，楔形螺纹可以用于提供螺纹密封。在另一个实施例中，螺纹密封也可以在连接的径向扩张后提供。具有螺纹密封的径向可扩张连接公开在名为“Expandable Threaded Connection”并让与本发明受让人的美国专利第10/973,937号(“‘937申请”)。该专利的全部内容在此并入本文作为参考。如‘937申请中所公开，楔形螺纹可以设置有介于牙底和牙顶之间的选定间隙。间隙被选择为使得当连接通过选定的百分比塑性径向扩张时，在形成一部分连接上的螺纹密封的阳螺纹牙顶和阴螺纹牙底之间具有所需的干涉。

图9显示了根据本发明的另一个实施例的中间密封。在此实施例中，密封表面121沿锥形起伏。密封表面121可以包括三个密封线，这些密封线提供了当连接径向扩张时与阴螺纹构件102上的密封表面122接触的窄圆周线。显示在图9中的实施例提供了多余的密封结构，如果在表面上的连接处理期间出现损坏，则这可能是优点。

虽然已经参照有限数量的实施例对本发明进行了说明，但已经具有本公开的利益的本领域普通技术人员应该理解，在不脱离在此所公开的本发明的范围的前提下可以想到其它实施例。因此，本发明的范围应该只通过附属权利要求所限定。

Claims (15)

1.一种可扩张的管连接，包括：

阳螺纹构件，所述阳螺纹构件包括，

阳螺纹，所述阳螺纹形成于小阶梯状部分和大阶梯状部分上，以及

第一密封表面，所述第一密封表面形成于所述阳螺纹的所述小阶梯状部分和所述大阶梯状部分之间；

阴螺纹构件，所述阴螺纹构件包括，

阴螺纹，所述阴螺纹形成于小阶梯状部分和大阶梯状部分上，以及

第二密封表面，所述第二密封表面形成于所述阴螺纹的所述小阶梯状部分和所述大阶梯状部分之间；

其中所述阳螺纹和所述阴螺纹为楔形螺纹，

当所述阳螺纹构件与所述阴螺纹构件选择装配时，选定间隙位于所述第一密封表面和所述第二密封表面之间；以及

其中所述选定间隙以及所述第一和第二密封表面被构成为使得在所述可扩张的管连接塑性径向扩张选定量时，在所述第一密封表面和所述第二密封表面的至少一部分之间形成密封。

2.根据权利要求1所述的可扩张的管连接，其中所述阳螺纹构件和所述阴螺纹构件的小阶梯状部分和大阶梯状部分都形成于单一锥形体上。

3.根据权利要求2所述的可扩张的管连接，其中所述单一锥形体小于大约10度。

4.根据权利要求3所述的可扩张的管连接，其中所述单一锥形体在大约2度和大约5度之间。

5.根据权利要求1所述的可扩张的管连接，还包括设置在所述阳螺纹构件和所述阴螺纹构件中的一个的小阶梯状部分和大阶梯状部分之间的密封元件，其中所述密封元件在选定的装配处提供密封。

6.根据权利要求1所述的可扩张的管连接，其中所述阳螺纹和所述阴螺纹具有锥形螺纹形式。

7.根据权利要求1所述的可扩张的管连接，其中所述第一密封表面和所述第二密封表面中的一个为截头圆锥形，而另一个弯曲。

8.根据权利要求1所述的可扩张的管连接，其中所述第一密封表面和所述第二密封表面中的一个包括相交以形成密封线的两个表面。

9.根据权利要求1所述的可扩张的管连接，还包括：

所述阳螺纹构件与所述阴螺纹构件选择装配时在阳螺纹牙顶和阴螺纹牙底之间的间隙；以及

其中所述阳螺纹牙顶和所述阴螺纹牙底之间的所述间隙被构成为使得在所述可扩张的管连接塑性径向扩张选定量时，在所述阳螺纹牙顶和所述阴螺纹牙底之间形成所需的干涉。

10.根据权利要求1所述的可扩张的管连接，其中所述第一密封表面和所述第二密封表面中的一个为圆柱形。

11.根据权利要求1所述的可扩张的管连接，其中所述第一密封表面和所述第二密封表面为截头圆锥形，并且相对于所述管连接的中心轴具有不同的角度。

12.根据权利要求1所述的可扩张的管连接，还包括：

应变集中沟槽，所述应变集中沟槽在与所述第二密封表面重叠的轴向位置处形成于所述阴螺纹构件的外径上。

13.一种设计可扩张的管连接的方法，所述方法包括步骤：

选择阳螺纹构件和阴螺纹构件，每个所述螺纹构件都具有带有形成于其上的楔形螺纹的小阶梯状部分和大阶梯状部分；

选择第一密封表面形成于所述阳螺纹构件的小阶梯状部分和大阶梯状部分之间；

选择第二密封表面形成于所述阴螺纹构件的小阶梯状部分和大阶梯状部分之间，其中所述第一密封表面和所述第二密封表面被构成为以选定的接触压力形成密封；

选择用于所述可扩张的管连接的径向扩张量；以及

至少部分地根据选定的所述径向扩张量来选择在选定装配处在所述第一密封表面与所述第二密封表面之间的间隙，

其中所述间隙被选择为使得在所述可扩张的管连接的径向扩张后，至少所述选定的接触压力存在于所述第一密封表面和所述第二密封表面之间。

14.根据权利要求13所述的方法，还包括步骤：

通过确定径向扩张的百分比来确定用于径向扩张所述可扩张的管连接的径向扩张方法，其中所述间隙的选择至少部分地根据所述径向扩张方法。

15.一种利用权利要求13所述的方法设计的可扩张的管连接。

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