CN108368731B - 包括中间突肩的螺纹接头 - Google Patents

Abstract

一种螺纹管接头(10)，其包括第一管状部件(12)和第二管状部件(14)。第一管状部件(12)包括在第一管状部件的内表面上限定的阴性部分(16)。阴性部分包括通过第一突肩(26)相对第一管状部件的纵向轴线径向错开的内螺纹部分和外螺纹部分。第二管状部件包括在第二管状部件(14)的外表面上限定的阳性部分(18)。阳性部分(18)用于插入阴性部分(16)中，阳性部分包括通过第二突肩(28)相对第二管状部件的纵向轴线径向错开的内螺纹部分和外螺纹部分，一旦阳性部分(18)与阴性部分(16)连接，则第二突肩(28)抵靠第一突肩(26)。

Description

包括中间突肩的螺纹接头

技术领域

本发明涉及一种用于连接管状部件的装置和方法，更具体的是通过在管状部件的纵向端部上形成的阳螺纹部分和阴螺纹部分连接的金属管状部件。

背景技术

某些类型的螺纹管接头主要用于连接管状部件，这些管状部件形成套管串、油管串，或者钻杆串，以用于作为油井等的一部分探测或输送油气。螺纹管接头用在套管串上用于提供钻井的稳定性，或者提供光滑的钻井，以便能够使更小的套管串、油管或工具通过。这种螺纹管接头承受各种强度波动的应力的结合。例如，应力可以是轴向张力或轴向压缩力或者内压、或者外部流体压力、弯曲力、扭力等，或它们的结合。尽管有应力结合和困难的操作条件，管接头设计用于防止断裂，并提供紧密的液体密封或气体密封。随着管子下到井中或者在作业过程中，应力的性质可能改变。例如拉伸应力可能临时变为压缩应力。

存在各种在机械特性和密封性方面具有满意结果的油气运载管。有些涉及使用管状元件，每个管状元件具有一个阳螺纹端部和一个阴螺纹端部，用于形成薄的组件。与使用管箍或套筒的组件或T&C接头相比，这些组件一般称为集成组件或接头。

这些集成组件一般由这样的管制成：管在对应阴螺纹的端部的直径膨胀并且管在对应阳螺纹的端部的直径缩小。这可以实施以便使管在厚度上具有足够的材料，以保证接合管的组件的几何形状和机械强度。

发明内容

一方面，螺纹管接头包括第一管状部件和第二管状部件。第一管状部件包括在第一管状部件的内表面上限定的阴性部分。阴性部分包括通过第一突肩相对第一管状部件的纵向轴线纵向错开的内螺纹部分和外螺纹部分。第二管状部件包括在第二管状部件的外表面上限定的阳性部分。阳性部分用于插入阴性部分中。阳性部分包括通过第二突肩相对第二管状部件的纵向轴线径向错开的内螺纹部分和外螺纹部分。一旦阳性部分与阴性部分连接，则第二突肩抵靠第一突肩。阴性部分的内螺纹部分和外螺纹部分以及阳性部分的内螺纹部分和外螺纹部件逐渐变细约6％或更小。阴性部分的内螺纹部分和外螺纹部分以及阳性部分的内螺纹部分和外螺纹部分包括带有顶面和根面的齿。顶面和根面都是平坦的并且与各自的管状部件的纵向轴线平行。

另一方面，螺纹管接头包括第一管状部件和第二管状部件。第一管状部件包括在第一管状部件的内表面上限定的阴性部分。阴性部分包括通过第一突肩相对第一管状部件的纵向轴线径向错开的内螺纹部分和外螺纹部分。第二管状部件包括在第二管状部件的外表面上限定的阳性部分。阳性部分用于插入阴性部分中。阳性部分包括通过第二突肩相对第二管状部件的纵向轴线径向错开的内螺纹部分和外螺纹部分。一旦阳性部分与阴性部分连接，则第二突肩抵靠第一突肩。当第二突肩抵靠第一突肩时，限定配合突肩接触面积，在第一突肩和第二突肩中，配合突肩接触面积相同。配合突肩接触面积与第一管状部件的公称横截面的面积之比大于15％且小于25％，配合突肩接触面积与第二管状部件的公称横截面的面积之比大于15％并小于25％。

附图说明

参照以下结合附图进行的详细描述，可以更好地了解本发明和其相关的许多优点，其中：

图1是处于分离状态的第一管状部件的第一端部的一半的实施例和第二管状部件的第二端部的一半的实施例的局部横截面图；

图2是处于连接状态的第一管状部件的第一端部的一半和第二管状部件的第二端部的一半的局部横截面图；

图3是处于连接状态的第一管状部件的第一突肩部分和第二管状部件的第二突肩部分的特写的局部横截面图；

图4是处于分离状态的第一管状部件的螺纹部分的一组齿和第二管状部件的螺纹部分的一组齿的实施例的特写的局部横截面图；

图5是给定螺纹部分内的纵向端部区域和中间区域的实施例的示意图；

图6是处于连接状态的阳性部分的尖端和阴性部分的末端突肩的实施例的特写的局部横截面图。

图7是包括第一端部和第二端部的管状部件的实施例的侧视图；以及

图8是沿管状部件的纵向轴线切割的图7的管状部件的侧视横截面图。

具体实施方式

现在参照附图，其中相似的附图标记表示贯穿几个图中相同或对应的部分。

本文中公开的螺纹接头涉及连接起来以形成能达到很大长度的管状结构件的管状部件。使用本文中公开的管状部件组装的管状结构件形成使得流体如油、气、水或类似物质能够移动穿过的内部通道。

参照图1，第一管状部件12与第二管状部件14之间的螺纹管接头10的实施例以分离状态示出。第一管状部件12和第二管状部件14可以形状相同，使得第一管状部件12和第二管状部件14中的每一个可以包括在第一端部10a的阴性部分16和在第二端部10b的阳性部分18。图7示出完整的管状部件的实施例。图7的管状部件可以是第一管状部件12或者第二管状部件14。从管状部件12、14组装后的方向看，第一端部10a和第二端部10b也可以看作上游端部和下游端部。第一管状部件12可以由第一壁22限定，而第二管状部件14可以由第二壁24限定。特别是，图1示出穿过第一管状部件12的第一端部10a的上半部分的横截面视图以及穿过第二管状部件14的第二端部10b的上半部分的横截面视图。为了清楚起见，没有示出第一管状部件12的第一端部10a和第二管状部件14的第二端部10b的完整的横截面。

图8示出沿管状部件的纵向轴线切割的管状部件的横截面视图。第一管状部件12的第一端部10a构型成带有螺纹管接头10的阴性部分16，该阴性部分也可以看作是一个箱体。阴性部分16在第一壁22的内部或内表面上形成，使得第一壁22的厚度在图1的向左方向上沿阴性部分16从公称壁厚逐渐减小。第一管状部件12的第一端部10a的外径可以沿阴性部分16相对第一管状部件12的其它纵向部分扩大。第二管状部件14的第二端部10b构型成带有螺纹管接头10的阳性部分18，该阳性部分也可看作是一个销。阳性部分18在第二壁24的外部或外表面上形成，使得第二壁24的厚度可以在图1的向右方向上沿阳性部分18从公称壁厚逐渐减小。第一壁22和第二壁24具有相同的公称壁厚和相同的外径。沿阳性部分18的内径可以与第二管状部件14的其它纵向部分相同。由于如图1和2中所示的端部尺寸加工方法，沿阳性部分18b的内径可以减小。如图2所示，阳性部分18构型成插入阴性部分16中并与阴性部分互相锁定。因此，阳性部分18的长度与阴性部分16的长度可以基本相似。

阴性部分16可以包括外端部部分16a、外螺纹部分16b、第一突肩部分16c、内螺纹部分16d和内端部部分16e。外端部部分16a可以包括基本为截锥形的开口，用于使阳性部分18进入。阴性部分16中的外螺纹部分16b和内螺纹部分16d构型成通过具有相应特征的螺纹接合在阳性部分18中互相锁定。外螺纹部分16b和内螺纹部分16d逐渐变细，使得第一壁22在图1的向右方向上沿阴性部分16逐渐变厚。下面将更详细地描述螺纹部分的齿。阴性部分16的外螺纹部分16b和内螺纹部分16d可以相对管状部件12的纵向轴线X径向错开，并通过可以包括第一横向表面26的第一突肩部分16c相对第一壁22横向错开。图1-2中的第一横向表面26示出关于管状部件12的纵向轴线X径向定向，但第一横向表面26可以朝向不同方向。

阳性部分18可以包括内端部部分18a、内螺纹部分18b、第二突肩部分18c、外螺纹部分18d、和外端部部分18e。内端部部分18a可以是截锥形的以大致匹配在阴性部分16的外端部部分16a的截锥形开口中。阳性部分18中的内螺纹部分18b和外螺纹部分18d构型成分别与阴性部分16的外螺纹部分16b和内螺纹部分16d通过螺纹接合适配和相互锁定。阳性部分18的内螺纹部分18b和外螺纹部分18d可以逐渐变细，使得第二壁24在图1的向右方向上沿阳性部分18逐渐变薄，如参考图4更详细描述的。阳性部分18的外螺纹部分18d和内螺纹部分18b可以通过第二突肩部分18c相对第二壁24横向错开并相对管状部件14的纵向轴线径向错开。第二突肩部分18c可以包括第二横向表面28，一旦阳性部分18与阴性部分16螺纹连接或配合，则该第二横向表面与第一横向表面26接触，如图2所示。只要第二横向表面28的方向与第一横向表面26的方向相似，则第二横向表面28的方向不需要与管状部件14的纵向轴线垂直。阴性部分16的内端部部分16e可以成形成与阳性部分18的外端部部分18e适配。特别是，如下面将更详细描述的，阴性部分16的内端部部分16e和外端部部分18e可以分别包括末端突肩30和尖端20。另外，除第一端部10a和第二端部10b外，每个管状部件12、14的外径可以恒定。每个管状部件12、14的外径可以沿第一端部10a最大，而沿第二端部10b最小。另外，如以图2的连接状态所示，除了沿第一端部10a和第二端部10b外，每个管状部件12、14的内径可以恒定。管状部件12、14的内径可以沿第一端部10a最大，而沿第二端部10b最小。

图2表示一旦阳性部分18插入并旋入阴性部分16中以达到连接状态，第一端部10a的阴性部分16和第二端部10b的阳性部分18如何互相锁定。阴性部分16的第一横向表面26和阳性部分18的第二横向表面28构型成在连接状态互相抵靠。这样，第一和第二横向表面26、28的几何形状影响螺纹接头的压缩负荷能力。横向表面26、28可以是环形形状。在一个实施例中，第一突肩部分16c的第一环形横向表面26的配合突肩接触面积与第一管状部件12的公称横截面的面积之比可以大于15％并小于25％，而第二突肩部分18c的第二环形横向表面28的配合突肩接触面积与第二管状部件14的公称横截面的面积之比可以大于15％并小于25％。管状部件的公称横截面可以定义为穿过管状部件的除第一端部10a或第二端部10b以外的横截面，管状部件在该公称横截面处具有公称外径和公称内径。在另一个实施例中，第一突肩部分16c的第一环形横向表面26的配合突肩接触面积与第一管状部件12的公称横截面的面积之比可以大于17％并小于23％，而第二突肩部分18c的第二环形横向表面28的配合突肩接触面积与第二管状部件14的公称横截面的面积之比可以大于17％并小于23％。第一突肩部分16c和第二突肩部分18c可以帮助提供抵抗在管状部件12、14的轴向方向上施加的压缩负荷的支撑。

另外，阴性部分16和阳性部分18的形状是这样的：在沿管状部件12、14的纵向轴线的确定区域在阴性部分16的内表面和阳性部分18的外表面之间形成间隙。间隙的功能是便于阴性部分16与阳性部分18之间的组装，以便容易装配。例如如图3所示，间隙29可以设置为与第一和第二突肩部分16c、18c相邻，以便于管状部件12、14的组装。

螺纹部分，无论其是内螺纹部分16d或18b，或者是外螺纹部分16b或者18d，或者无论其是阳性部分18或者是阴性部分16的一部分，可以包括具有各种形状的齿。如图1、2和5所示，给定的螺纹部分可以分为两个纵向端部区域36a、36b，以及位于这两个纵向端部区域36a、36b之间的中间区域38。在一给定的螺纹部分中，齿32可以具有相同长度，但高度可以变化，使得中间区域38完全由全成形的高齿32形成，而纵向端部区域36a、36b由较短的齿34形成。较短的齿34可以具有相同长度，但也可以在高度上彼此变化或在形状上变化。较短的齿34也可以是梯形的。较短的齿34和全成形的齿32两者都可以是梯形的，但较短的齿34可以是不同形状的梯形。另外，螺纹部分的每个纵向端部区域36a、36b可以包括多个较短的齿34。另外，较短的齿34可以在它们接近中间区域38时在高度上逐渐增加，并且可以在离开中间区域38时在高度上逐渐减小。

图4是齿32的特写图，它可以是阴性部分16的外螺纹部分16b和内螺纹部分16d或者阳性部分18的内螺纹部分18b和外螺纹部分18d的一部分。图4中，阴性部分16和阳性部分18的齿示出处于分离状态。

如图4所示，具有梯形构型的齿可以包括导向侧32a、负荷侧32b、顶面32c、和根面32d。在一个全成形梯形的齿32的实施例中，顶面32c和根面32d可以是柱形，使得顶面32c和根面32d是平坦的，并且沿在图4所示的纵向方向上的横截面互相平行。顶面32c和根面32d互相分开，以便提供润滑脂保持其中的囊袋31，该囊袋31产生用于润滑脂的螺旋通道(图3)。另外，顶面32c和根面32d可以与管状部件12、14的纵向轴线X平行。但是，中间区域38的全成形的齿32可以沿中间区域38成形成逐渐变细，使得如图4所示，倾斜轴线Y与管状部件的纵向轴线X形成一角度。

在阴性部分16的一实施例中，倾斜轴线Y可以是这样的：阴性部分16沿外螺纹部分16b和内螺纹部分16d的内径在图4的向右方向上近似减小一值，该值从对于每16英寸长度间距为1英寸变化到对于每19英寸长度间距为1英寸。类似地，在阳性部分18的一实施例中，倾斜轴线Y可以是这样的：阳性部分18沿内螺纹部分18b和外螺纹部分18d的外径在图4的向右方向上近似减小一值，该值从对每16英寸长度间距为1英寸变化到对每19英寸长度间距为1英寸。图4还示出了与倾斜轴线Y平行并且与顶面32c和根面32d相切的轴线Y’。

在图5示意示出的螺纹部分的实施例中，中间区域38的全成形的齿32以及纵向端部区域36a和36b的较短高度的齿34可以包括与纵向轴线X平行的顶面32c和根面32d。如图5所示，纵向端部区域36a、36b可以占据螺纹部分的长度不同的部分，使得一纵向端部区域包括大量长度短于其它纵向端部区域的齿。在连接状态，顶面32c与根面32d间隔开，以便允许成形为用于润滑剂的螺旋通道的囊袋31(图3)。

另外，在阳性部分18的齿32和阴性部分16的齿可以相应地成形为互相紧密匹配时，阳性部分18的齿形和阴性部分16的齿形可以形成一个或更多个囊袋。例如，在图4的实施例中，阳性部分18的负荷侧32b和顶面32c之间的角部可以包括倾斜区域42，该倾斜区域在此第一区域中在阳性部分18的齿32和阴性部分16的齿32之间提供一定空间。同样，在导向侧32a与根面32d之间的角部可以包括倾斜区域44，该倾斜区域在此第二区域中在阳性部分18的齿32和阴性部分16的齿32之间产生一囊袋，如图4所示。这种囊袋可以将施加到阴性部分16和阳性部分18的润滑剂收集到囊袋中，或者可以设置成便于管状部件12、14之间的螺纹连接。这种囊袋还改善了阳性部分18滑动到阴性部分16中和阳性部分18组装到阴性部分16中的性能。

另外，如上所述，阳性部分18可以在它外端部部分18e包括尖端20，阴性部分16的内端部部分16e可以包括成形成与阳性部分18的尖端20适配的末端突肩30，如图6所示。在内端部部分16e构型成与外端部部分18e适配时，内端部部分16e和外端部部分18e可以仅在有限区域互相接触。在一个实施例中，内端部部分16e的表面52可适于与外端部部分18e的表面50接触。表面50和表面52的其中一个可以形成具有较大曲率半径的穹顶构型，而表面50和表面52中的另一表面可以形成圆锥构型，使得可以沿这些表面50、52形成流体紧密密封。也可使具有穹顶构型的表面50或52具有多于一个的曲率半径。表面50、52可以包括锥形部分。末端突肩30的末端突肩表面48可以相对管状部件12、14的径向方向成一角度定向。但是，尖端20和末端突肩30可以构型成彼此间隔开的关系，使得外端部部分18e和内端部部分16e只在表面50、52处接触。尽管如此，末端突肩30的一部分可以从尖端20的形状转换成形状，使得可确定尺寸的囊袋40、46成形，如图6所示。囊袋46可用于收集润滑剂或提供便于组装的空间。

另外，阴性部分16的外端部部分16a和阳性部分18的内端部部分18a可以分别包括接触以形成流体紧密密封的表面56和54，如图1和2所示。表面56、54之一可以形成穹顶构型，而表面56、54的另一表面可以形成圆锥构型，以完成密封作用。

此外，阴性部分16的表面和阳性部分18的表面可以经过处理，以便提供在管状部件12、14之间的改进密封。例如，可以将金属涂层施加在构型成互相接触的阳性部分18的外端部部分18e和阴性部分的内端部部分16e上。一旦阳性部分18插入阴性部分16中，阳性部分18的外端部部分18e和阴性部分的内端部部分16e的涂层区域可以互相接触，以形成密封，并且使得防止穿过管状部件12、14的内部通道流动的流体穿过阴性部分16与阳性部分18之间的接合部泄漏。相同的涂层可以施加到整个接头。

本文中讨论的管接头的尺寸产生在轴向负荷强度方面的性能改进。特别是，螺纹部分的逐渐变细可以使突肩部分16c和18c占据管状部件12、14的壁22、24的厚度的更大部分。如果管状部件12、14的内径减小，对于所有钻杆、或其它套管、或油管或加工附件所规定的偏移直径将被破坏。同样，如果管状部件12、14的外径增加，则管状结构件可能不再适用于目的在于适配之前使用的管状结构件所钻的钻井或者可能与在钻井中的其它应用相互影响。但是，由于壁22、24的厚度没有增加，并且管状部件12、14的内径和外径没有受到明显的影响，因此对轴向压缩负荷的改进耐抗性是可行的，而不减小管状结构件的流体运载能力，同时保持与钻井以及在钻井中使用的其他应用的相容性。

本发明用于从7”(177.8mm)到16”(406.4mm)甚至高达20”(508mm)的多个尺寸的外径，在其它例子中，本发明用于从9 7/8”(250.8mm)到14”(355.6mm)的尺寸的外径。管子可以是钢制的，在一例子中，由马氏碳不锈钢制成，屈服强度从80ksi到140ksi。壁22、24的公称壁厚可以在0.453英寸(11.5mm)和0.820(20.82mm)之间。偏移直径可以在6英寸(152.4mm)和14.750英寸(374.65mm)之间，在另一例子中，偏移直径在8.5英寸(215.9mm)和12.250英寸(311.15)英寸之间。

显然，可以根据上面的启示对本发明做出许多改进和改变。因此，应理解的是，在所附权利要求的范围内，可以与本文中特别描述的不同方式实施本发明。

Claims (13)

1.一种螺纹管接头，其包括：

第一管状部件，其由第一壁限定并包括在第一管状部件的内表面上限定的阴性部分，阴性部分包括通过第一突肩相对第一管状部件的纵向轴线径向错开的内螺纹部分和外螺纹部分；以及

第二管状部件，其由第二壁限定并包括在第二管状部件的外表面上限定的阳性部分，阳性部分用于插入阴性部分中，阳性部分包括通过第二突肩相对第二管状部件的纵向轴线径向错开的内螺纹部分和外螺纹部分，一旦阳性部分与阴性部分连接，则第二突肩抵靠第一突肩，

其特征在于，阴性部分的内螺纹部分和外螺纹部分以及阳性部分的内螺纹部分和外螺纹部分沿倾斜轴线逐渐变细6％或更小；并且，第一突肩的配合突肩接触面积与第一管状部件的公称横截面的面积比大于15％并小于25％，第二突肩的配合突肩接触面积与第二管状部件的公称横截面的面积比大于15％并小于25％。

2.根据权利要求1所述的螺纹管接头，其特征在于，阴性部分的内螺纹部分和外螺纹部分以及阳性部分的内螺纹部分和外螺纹部分包括带有顶面和根面的齿，顶面和根面为柱形，使得顶面和根面是平坦的并且沿着沿纵向轴线形成的横截面与各自的管状部件的纵向轴线平行。

3.根据权利要求1所述的螺纹管接头，其特征在于，阴性部分的内螺纹部分和外螺纹部分以及阳性部分的内螺纹部分和外螺纹部分以从5.26％变化到6％的一值逐渐变细。

4.根据权利要求1所述的螺纹管接头，其特征在于，阴性部分的内螺纹部分和外螺纹部分以及阳性部分的内螺纹部分和外螺纹部分包括梯形的齿。

5.根据权利要求4所述的螺纹管接头，其特征在于，阴性部分的内螺纹部分和外螺纹部分以及阳性部分的内螺纹部分和外螺纹部分在每个纵向端部包括多个较短的齿。

6.根据权利要求5所述的螺纹管接头，其特征在于，齿包括顶面和根面，顶面和根面两者都与管状部件的纵向轴线平行。

7.根据权利要求6所述的螺纹管接头，其特征在于，每个梯形的齿包括一导向侧和一负荷侧。

8.根据权利要求7所述的螺纹管接头，其特征在于，阳性部分的至少一梯形的齿在负荷侧与顶面之间的角部是倾斜的，以便形成一囊袋。

9.根据权利要求1所述的螺纹管接头，其特征在于，一旦阳性部分与阴性部分连接，则阴性部分的内端部部分和阳性部分的外端部部分接触以形成流体紧密密封。

10.根据权利要求9所述的螺纹管接头，其特征在于，阴性部分的内端部部分和阳性部分的外端部部分之一包括穹顶形截面，阴性部分的内端部部分和阳性部分的外端部部分的另一个包括圆锥形截面。

11.根据权利要求9所述的螺纹管接头，其特征在于，阳性部分的外端部部分包括尖端，阴性部分的内端部部分包括与尖端适配的末端突肩，尖端和末端突肩在流体紧密密封的下游间隔开。

12.根据权利要求1所述的螺纹管接头，其特征在于，一旦阳性部分与阴性部分连接，则阳性部分和阴性部分成形成在阳性部分的尖端附近形成至少一囊袋。

13.根据权利要求1所述的螺纹管接头，其特征在于，一旦阳性部分与阴性部分连接，则阳性部分的外螺纹部分和阴性部分的内螺纹部分成形成形成成形为螺旋通道的一囊袋。

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