CN100554746C - 具有局部初始材料不足量的两管形螺纹密封接头的一组装件通过塑性扩张的实施 - Google Patents
具有局部初始材料不足量的两管形螺纹密封接头的一组装件通过塑性扩张的实施 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及具有两个对称布置的可扩张管形接头的组装件，每个所述管形接头包括：(i)一凸阳式管形件(EM1，EM2)，其布置在一管(T1，T2)的一端部，配有阳螺纹(FM)、一第一环形唇部(L1)和一第二止挡面(SB2)，所述第一环形唇部具有一第一轴向止挡面(SB1)、一第一内表面(SI1)和一第一外表面(SE1)，以及(ii)一凹阴式管形件(EF1，EF2)，其配有阴螺纹(FF)、一第二环形唇部(L2)以及第三内表面(SI3)和第四轴向止挡面(SB4)，所述第二环形唇部具有一第三止挡面(SB3)、一第二外表面(SE2)和一第二内表面(SI2)，第四轴向止挡面与第二外表面(SE2)一起限定一对应于相应的第一唇部(L1)的一环形腔室(LO)。两凹阴式管形件(EF1，EF2)构成一凹阴/凹阴式套管(M)的相对的两端部，由一中央部分(PCM)分开，所述中央部分起初配有一环形区域(G2)，其初始厚度不足量选定成，所述套管(M)在该区域(G2)处的厚度大于或等于所述管的在其端部形成所述凸阳式管形件的一通常部分的截面与接头的效率系数的乘积。凸阳式管形件和凹阴式管形件布置成，在拧紧之后，以及在借助于一轴向移动式扩管工具在塑性变形范围内进行直径扩张之前，每个第二止挡面(SB2)支承在相应的第三止挡面(SB3)上。
Description
技术领域
[01]本发明涉及管形接头领域，例如用于烃井或象地热井这样的类似的井的管形接头。
背景技术
[02]这些接头一般用于使长度大的管彼此连接，或者使长度大的管与套管连接(因此称为接头的组装件)。因此，它们可构成套装管(或“套筒”)管柱或生产管(或“管道”)管柱。
[03]此外，这些接头必须经得起巨大的弯曲应力、拉应力、压缩应力、有时是扭应力以及内部和外部之间巨大的压差。此外，这些接头有时必须也是气密的。因此，接头常常是螺纹式的，套管和管一般是钢制的或用具有高弹性极限的合金(也可热处理而成)制的。在螺纹接头的情况下，气密性往往由“金属对金属”类型的紧密接触的密封止挡面加以确保。
[04]为了减小管的初始体积，以及可选地为了钻凿直径均匀的井，有人已经提出，尤其是文献US 6,604,763和WO 03/071086提出，借助于一称为“球”的扩管工具，在现场用力使管在直径上扩张。扩张管的第一个应用是制造配置用于收集碳氢化合物的管形过滤器，过滤器接头在专利文献WO 98/42947中描述。密封螺纹接头，例如EP0488912中所述的密封螺纹接头，可经得起这种扩张，但在扩张时有损于其密封性能，具有一凸阳式密封面的凸阳式元件的端部接头在扩张时朝轴线倾斜(“香蕉”效应)，从而破坏密封性。
[05]为了解决这个问题，本申请人在文献WO 02/01102中提出一种管形螺纹接头，所述管形螺纹接头的凸阳式接头在端部配有***到一凹阴式凹槽中的一环形指杆，凹槽形成指杆的一支承件，扩张时阻止凸阳式指杆朝轴线倾斜。
[06]但是，这种螺纹接头在扩张率大于10％时，不具有足够高的密封性能。实际上，扩张球引发的变形移动甚至消除凸阳式指杆和凹槽之间的接触，从而移动、降低甚至消除密封面之间的紧密接触。
[07]所谓“紧密接触”，这里是指显示出两接触面之间的接触压力的接触。接触压力越高，接头可承受的流体压力可越高，而密封性不被破坏。除在螺纹接头内部或外部可能施加的流体压力之外，轴向拉伸或压缩负荷可改变接触压力，从而改变密封性能。换句话说，根据这些接头的实施方式，面对内压或外压，其密封性可能不相同，也不稳定，随负荷而变化。
[08]为了改变这种状况，本申请人在文献WO 03/060370中提出一种金属/金属管形密封接头，其配有一在文献WO 02/01102中所述的环形指杆(或唇部)，具有在扩张之后一个强力压紧在另一个上的倾斜的凸阳式和凹阴式肩部，凹阴式件上的肩部由一凹槽的边构成，凸阳式元件上的肩部可预先存在，或者在扩张时，在凹槽的底部向内压凸阳式元件而成。
[09]该接头设计成在通常大于10％的高扩张率下是密封的，但是，当在各种装载方式中所要求的密封性能很高时，其密封性能可能不足，在套管式连接接头的情况下尤其如此。实际上，后者及其构成材料必须经得住巨大的扩张作用力，而且止挡面和支承部分的变形难以控制，从而不能在扩张阶段之前始终确保足够的高压气体气密性。
发明内容
[10]因此，本发明旨在改变这种状况，尤其是在包括连接套管和长度大的管的接头的情况下施加扩张作用力时，而且尤其是在扩张率很高、通常大于10％的情况下。
[11]为此，本发明提出由两对称布置的可扩张螺纹管形接头构成的组装件，每个螺纹管形接头都包括：
[12]＊一方面，一第一管形件，其布置在一管的一端部，具有一配有阳螺纹的第一部分以及一延伸所述第一部分的第二部分，所述第二部分包括：(i)一第一外表面，(ii)一第一环形唇部，其具有一第一轴向止挡面和一第一内表面，在其一部分轴向长度上由所述第一外表面加以限定，(iii)一第二止挡面；
[13]＊另一方面，一第二管形件，其具有：(i)阴螺纹，其对应于所述阳螺纹，且拧在其上，(ii)一第二环形唇部，其具有一第三止挡面、一适于相对于所述第一内表面布置的第二外表面、和一第二内表面，以及(iii)一第三内表面和一第四轴向止挡面，其与第二外表面一起限定一与相应的第一唇部对应的且接纳它的环形腔室。
[14]该组装件的特征在于，所述两第二管形件构成一凹阴/凹阴式连接套管的相对的两端部，其由一中央部分分开，所述中央部分在一外表面上起初配有一具有选定的初始厚度不足量(sous-épaisseur)的环形区域，以致在该区域处的套管的截面大于或等于所述管的一通常部分的截面与接头的效率系数(l′efficacitédu joint)的乘积(produit)；每个第二止挡面支承在相应的第三止挡面上和/或每个第一止挡面支承在相应的第四止挡面上；所述组装件适于在塑性变形范围内实施直径扩张之后，进行紧密密封接触，使组装件密封。
[15]所谓“一管的通常部分”，是指远离其两端部的、直径基本上恒定的中央部分。
[16]因此，减小套管在其中央部分处的厚度，就明显地减小接头经受的扩张压力和作用力，可控制止挡面和支承部分处的变形。
[17]本发明的组装件可具有其他单独的或结合的性能，尤其是：
[18]-盆形厚度不足量区域可配有一具有最大厚度不足量的中央部分以及倾斜角度小于约30°优选等于约15°的倾斜侧壁，
[19]-盆可基本上延伸在两第二管形件的第三止挡面之间，甚至延伸在两阴螺纹的最后的螺纹之间，
[20]-所述第二管形件在其第三内表面的一选定部位具有一内环形凹槽，其基本上布置在所述第一外表面处，
[21]-所述凹槽起初具有至少两个曲线部分，
[22]-所述曲线部分起初具有基本上相同的曲率半径，
[23]-所述曲率半径起初为约2mm至约20mm，
[24]-两曲线部分由一基本上呈柱形的中央部分分开，
[25]-所述凹槽起初具有的径向深度的最大值选定成，凹槽的底部的材料截面大于所述管的一通常部分的最小截面与接头的拉伸效率系数的乘积，
[26]-所述第一外表面和第三内表面成形为，在扩张之后，紧密密封接触确定在它们当中每一个的一部分之间，
[27]-所述第一和第二管形件成形为，在所述扩张之后，紧密密封接触确定在所述第一唇部的一部分内端部和所述第二外表面之间。
[28]本发明还涉及从上述类型的初始组装对两可扩张管形接头进行组装的组装方法。
[29]尽管是非限制性地，这种方法特别适于接头按照至少等于10％的扩张率进行径向扩张。
附图说明
[30]参照附图和下面的详细说明，本发明的其他特征和优越性将得到更好的理解，附图如下：
[31]图1是本发明的对称布置的两可扩张螺纹接头的一组装件的一实施例的一部分的纵向剖面图示意；
[32]图2是锥形阴螺纹和对应的锥形阳螺纹的一部分在拧紧和扩张之前的纵向剖面示意图；
[33]图3是图1所示可扩张螺纹接头之一的一管的凸阳式端部的一部分的纵向剖面示意图；
[34]图4是图1所示套管的两凹阴式端部之一的一部分的纵向剖面示意图；
[35]图5是在第一拧紧阶段在图3和4所示的管和套管的凸阳式和凹阴式端部上产生的作用力的纵向剖面示意图；
[36]图6是在第二拧紧阶段在图3和4所示的管和套管的凸阳式和凹阴式端部上产生的作用力的纵向剖面示意图；
[37]图7是在塑性变形扩张阶段在图3和4所示的管和套管的凸阳式和凹阴式端部上产生的作用力的纵向剖面图；
[38]图8是图3和4所示的管和套管的凸阳式和凹阴式端部在扩张阶段之后所经受的变形的纵向剖面示意图；
[39]图9是本发明的可扩张螺纹接头的一第一管的凸阳式端部的另一实施例的一部分的纵向剖面示意图；
[40]图10是本发明的可扩张螺纹接头的一第二管的凹阴式端部的另一实施例的一部分的纵向剖面示意图；以及
[41]图11是图9和10所示的管的凸阳式和凹阴式端部在拧紧阶段之后的相对位置的纵向剖面示意图。
具体实施方式
[42]附图不仅可用于补充本发明，而且必要时有助于指出其特征。
[43]本发明涉及尤其可用于烃井或类似的井例如地热井的对称布置的两管形螺纹密封接头的组装件以及相关的实施方法。
[44]如前序部分所述，两螺纹接头的组装可通过用金属套管组装长度大的金属管，构成套装管管柱或生产管管柱。
[45]首先，参照图1至8，描述本发明的两螺纹接头的组装件的一实施例。在该实施例中，如图1局部所示，两接头(称为“套管式连接接头”)可通过一连接套管M，连接具有回转轴线XX的、长度大的、即数米长的两管T1和T2。确切地说，每个管T1、T2具有一凸阳式端部EM(或凸阳式管形件)，用于连接于套管M的两凹阴式式端部EF(或凹阴式管形件)之一。因此，一接头这里由一凸阳式管形件EM构成，其属于长度大的一管T1、T2，组装于属于一套管M的一凹阴式管形件EF，因此，一组装件由两接头构成，其由一套管M的中央部分PCM分开。在所示的实施方式中，管T1和T2例如具有一通常部分，其初始外径等于约193.68mm(或7″5/8)。一管的通常部分是远离其两端部的、直径基本上恒定的中央部分。
[46]如图1所示，一管T1、T2的凸阳式端部EM具有两部分P1和P2。第一部分P1延伸管T1、T2的中央部分，配有外阳螺纹FM，优选的是锥形的，但也可以是柱形的。
[47]例如，如图2所示，配设锥形螺纹，其圆锥度ΔD/D为10％，其中，D是直径。此外，螺纹之间的轴向间隙(或纵向间隙)起初大得足以在进行直径扩张时提供一定的移动自由度，下面将予以描述。例如，阳螺纹FM和阴螺纹FF的螺纹啮合边(或“刺穿(stabbing)边”)FS之间的轴向间隙为约0.05mm至约0.3mm。
[48]另外，为确保良好的拉伸性能尤其是压缩性能，从而在扩张之前、在扩张期间和在扩张之后减小阳螺纹和阴螺纹脱开或磨碎的危险，螺纹的承载边(或“加载(loading)边”)FL例如相对于径向方向倾斜一约-3°至约-15°的、优选地等于约-10°的负角α1，而螺纹的啮合边FS例如相对于径向方向倾斜一约+10°至约+30°的、优选地等于约+15°的正角α2。
[49]负角α1可避免啮合的螺纹脱开或磨碎，拉伸下尤其如此。此外，正角α2越大，螺纹的啮合越容易，但是，耐压缩性越降低。
[50]重要的是要注意到，阳螺纹FM和阴螺纹FF都可在至少一部分管形件EM、EF上形成。换句话说，它们可实施成一个或多个部分。当它们由两部分构成时，它们可选地可在径向上不同的两表面上形成，或者在同一表面上形成。
[51]第二部分P2在管T1、T2的端部延伸第一部分P1。首先，如图3所示，它具有一第一环形唇部(或环形指杆)L1，其包括：一第一轴向止挡面SB1，起初基本上是平的，且垂直于管T1、T2的纵向方向A(平行于XX)；一第一内表面SI1，起初沿第一部分P1的方向基本上垂直地延伸第一轴向止挡面SB1，且朝管T1、T2内定向(即在阳螺纹FM的相对一侧)；以及一第一外表面SE1的一部分，也沿第一部分P1的方向延伸第一轴向止挡面SB1，且朝管T1外定向。凸阳式元件EM的第二部分P2的第一外表面SE1从第一止挡面SB1延伸至阳螺纹FM处。第二部分P2还具有一第二止挡面SB2，其延伸第一内表面SI1，且由一(第四)内表面SI4加以延伸，后者至少局部地呈柱形，用于与在管T1、T2中循环的流体(或气体)进行接触。第一轴向止挡面SB1、第一内表面SI1和第二止挡面SB2限定现有技术技术人员所称的一“凸阳式角槽”。
[52]如图3所示，鉴于下述一原因，第一内表面SI1可相对于管T1、T2的纵向方向A倾斜一选定的角度α3。因此，它起初形成一锥面。倾角优选的是约0.1°至约15°，优选地等于约2.5°。此外，如图所示，第一外表面SE1可略微突起，确切地说，呈环形，其大半径例如为20mm至100mm，以便在一凹槽G1向内压，见下文。
[53]如图1所示，套管M这里相对于与管T1和T2的纵向方向A相垂直的一对称平面PSM呈对称形状。此外，它是凹阴/凹阴式的。
[54]该套管M具有一中央部分PCM，其在两侧由两凹阴式端部EF1、EF2(或第二凹阴式管形件)加以延伸。每个凹阴式端部EF1、EF2具有一第一部分P3-1、P3-2和两第二部分P4-1、P4-2。每个第一部分P3-1、P3-2布置在套管M的两端部之一，配有与一凸阳式端部EM1、EM2的阳螺纹FM相对应的内阴螺纹FF。
[55]如图4所示，每个第二部分P4-1、P4-2朝中央部分PCM延伸一第一部分P3-1、P3-2。首先，它具有一第二环形唇部(或环形指杆)L2，其包括：一第三止挡面SB3；一第二外表面SE2，朝套管M外定向，沿着与第一部分P3相对的方向延伸第三止挡面SB3，且用于相对于第一内表面SI1进行布置；以及一第二内表面SI2，至少局部地呈柱形，朝套管内定向，且也沿着与第一部分P3相对的方向延伸第三止挡面SB3。
[56]每个第二部分P4还具有一第四轴向止挡面SB4和一第三内表面SI3，所述第四轴向止挡面SB4起初基本上是平的，且垂直于纵向方向A，所述第三内表面SI3局部地呈柱形，朝套管M内定向，且沿第一部分P3的方向延伸第四轴向止挡面SB4。第三内表面SI3的一部分连同第二外表面SE2和第四止挡面SB4，限定第一唇部L1之一的一对应的环形腔室(或凹槽)LO，以便在管T1和T2的拧紧阶段接纳所述第一唇部L1，下面将予以描述。
[57]每个腔室LO在与相应的第二唇部L2的轴向长度相等的一选定轴向长度PR上、沿一选定的径向深度H(垂直于纵向方向A)进行延伸。优选地是，比率PR/H为约1至约3，优选地为约1.2至约1.6。优选地是，其等于约1.5。例如，PR等于4mm和H等于2.7mm，这样，比率PR/H基本上等于1.5。如下文所述，这两尺寸PR和H选择成使第一唇部L1进行选定的变形。
[58]第三止挡面SB3、第二外表面SE2和第四轴向止挡面SB4限定现有技术技术人员所称的一“凹阴式槽”。
[59]此外，一环形凹槽G1限定在每个第三内表面SI3的至少一部分上。优选的是，它起初具有基本上呈柱形的、在两侧由两曲线部分PC1和PC2延伸的一中央部分PC。优选的是，这些曲线部分C1和C2起初的曲率半径基本上相同，优选的是约2mm至约20mm。但是，该凹槽G1可仅具有两曲线部分。
[60]例如，每个凹槽G1具有一中央部分PC以及曲线部分C1和C2，所述中央部分PC在等于约2mm的轴向长度PR′、等于约1mm的径向深度H′上延伸，所述曲线部分C1和C2的曲率半径等于约5mm。凹槽G1的径向深度H′一般由套管M在所述凹槽的对称平面PSG处的厚度加以限定，其不应小于用于计算螺纹接头临界截面的最小厚度。确切地说，径向深度H′的最大值选定成，凹槽G1的底部的材料正截面大于管T1或T2在其通常部分的截面(或者如果它们是不同的，则为这两截面中最小的)与接头的拉伸效率系数的乘积。螺纹件的临界截面与管(T1、T2)的截面之间的比率构成连接件(或接头)的效率的特征，其与管的截面一起是设计一管形管柱的一输入数据。
[61]在该配置中，每个凹槽G1的对称平面PSG与限定相应的腔室(或凹槽)LO的底部的第四轴向止挡面SB4相距一选定的轴向距离D。例如，采用前述数值，距离D等于约5.61mm。此外，在拧紧之后，凹槽G1的中央部分PC基本上垂直于厚度余量SA1。
[62]如下文所述，曲率半径(尤其是螺纹一侧)、径向深度H′、轴向长度PR和径向深度H，选择成使第一唇部L1和在其根部的第二部分P2区域进行选定的变形。
[63]每个第二部分P4-1、P4-2也具有另一(第五)柱形内表面SI5，其沿着与第一部分P3相对的方向(即沿套管M的中央部分PCM的方向)延伸第二止挡面SB2，且用于与在套管M中循环的流体(或气体)进行接触。
[64]根据本发明，如图1所示，套管M的中央部分PCM具有一环形凹槽G2(也称为“新月形部分”)，其在一外表面上局部地限定一定中心于对称平面PSM上的厚度不足量区域。
[65]该新月形部分G2可在其最厚的部分减小套管M的厚度，从而减小压力和扩张作用力。此外，它可较好地控制止挡面(SB1至SB4)和支承部分的不同部位的变形，使接头组装件在扩张之后具有基本上笔直的外观(在外回转面)。因此，套管M在其对称平面PSM处的初始厚度应选择成大于或等于第一管形件EM形成于其端部的管T1和T2的一通常部分的截面与接头的效率系数的乘积。
[66]优选的是，新月形部分基本上延伸在相对的两个第二唇部L1和L2的两个第三轴向止挡面SB3之间。但是，它可在较大的距离上尤其是延伸在两个凹阴式螺纹FF的最后的螺纹之间。最后的螺纹这里是位于第三止挡面SB3一侧的螺纹。
[67]此外，该新月形部分G2可呈盆形，配有一具有最大厚度不足量(在对称平面PSM处)的中央部分以及倾斜角度优选小于约30°优选的是等于约15°的倾斜侧壁。
[68]重要的是要注意到，新月形部分(因而凹槽G2)不是相对于平面PSG强制性地对称。实际上，它可在平面PSG的两侧具有两不对称的部分。
[69]本发明的接头使用具有以下一些阶段的方法进行组装。
[70]在图5示出的第一阶段，将套管M的凹阴式端部EF1拧紧在管T1的凸阳式端部EM1上，直至第一唇部L1的第一轴向止挡面SB1支承在腔室(或凹槽)LO的第四轴向止挡面SB4上。
[71]为了便于进行这种拧紧，如图4所示，每个第二唇部L2的第二外表面SE2可在其与第三止挡面SB3的连接处，相对于纵向方向A，在一短距离上具有选定角度为α5的倾斜度。因此，它起初形成一锥面斜面。优选的是，该倾斜度起初为约+8°的角度至约+12°的角度。优选的是，它等于约10°。尤其是在意外干扰的情况下，这种倾斜度便于第一唇部L1进入腔室(或凹槽)LO，从而减小第一唇部L1尤其是其第一内表面SI1的端部棱卡住或损坏的可能的危险。实际上，在第二止挡面SB2支承在第三止挡面SB3在之前，这种干扰可发生在第一内表面SI1和第二外表面SE2之间。
[72]然后，在第二阶段，继续进行拧紧，直至第二止挡面SB2支承在第三止挡面SB3上。在第一止挡面SB1支承在第四止挡面SB4上之后，继续拧紧可在使第一唇部L1进行轴向压缩时，将弹性势能储存在所述第一唇部L1中。
[73]然后，可选地可配设一第三阶段(如图6所示)，继续拧紧，以沿接头的轴线方向使管T1的第一唇部L1在径向上预加应力。该径向预应力可得益于第二止挡面SB2和第三止挡面SB3相对于一垂直于纵向方向A的平面的、基本上相同的、选定角度为α4的倾斜度。
[74]优选的是，如图3和4所示，第二止挡面SB2和第三止挡面SB3起初具有分别为突起的与凹入的锥面以及基本上相等的倾斜度。所谓“基本上相等的倾斜度”，这里是指彼此相等的约为±5°的倾斜度。优选的是，该公共倾斜度为约+5°的角度α4至约+30°的角度α4。优选的是，它等于约10°。该倾斜度可在扩张阶段之前，固定在第一内表面SI1和第二外表面SE2之间。这种固定可在扩张阶段之前，确保密封性，尤其是气密性。
[75]因此，在扩张之前，在存在牵引力或轴向压缩力的内压下，获得极佳的气密性，在存在轴向压缩力的外压下，获得良好的气密性。
[76]产生的预应力在图6上用箭头F1和F2标示。
[77]然后，再开始上述三个阶段，将第二管T2的凸阳式端部EM2拧紧在套管M的凹阴式端部EF2上。
[78]然后，在第四阶段，在管T2中轴向***一直径扩管工具，例如一具有锥形头部的球，其最大直径大于管T1和T2与套管M的初始内径DI(等于图1所示的内半径RI的2倍)，且基本上等于其最终的内径。***方向的选择不具有实际重要性，因为球从一端部EM(例如EM1)轴向移动至相应的端部EF(在这种情况下是EF1)，然后轴向移动至另一端部EF，最后轴向移动至另一端部EM，而不管球的移动方向如何。
[79]球的移动以现有技术人员公知的方式进行(尤其参见文献US6,604,763和WO 03/071086)，例如借助于钻杆或者施加液压进行牵引。球例如呈一锥柱形形状，具有一负责进行扩张和由一中央柱形部分延伸的圆锥形进入部分。但是，其形状也可以是球面的或双圆锥形的(圆锥形进入部分由一柱形部分延伸，所述柱形部分本身由一圆锥形出口部分延伸)。球的这三部分的连接半径根据需要加以选择。
[80]其他扩张工具可用于代替球，例如具有三个进行机械扩张的滚筒的回转式扩管工具。这种扩张工具(包括球)及其使用方式尤其如文献WO 02/081863、US 6,457,532和US 2002/0139540所述。
[81]直径扩张在塑料变形范围内进行。由于产生的塑性变形增大管形件的弹性极限，因此，必须使用支持这种变形的金属。例如，起初具有310MPa(45KSI)弹性极限的一管在扩张之后可使该极限达到380MPa(55KSI)。
[82]当球到达凸阳式端部EM的第二部分P2的第四内表面SI4和凹阴式端部EF的第二部分P4的第五内表面SI5处时，扩张的材料强制第一唇部L1在相应的凹槽G1中变形。接头在扩张期间经受的变形在图7上用箭头F3至F6标示。
[83]确切地说，第一唇部L1被强制弯曲(箭头F4)，且至少局部地具有凹槽G1的形状。因此，如图8所示，变形在凸阳式端部EM的第一外表面SE1处，在第一唇部L1之前，产生一肩部或环形突起EP，其可通过“金属对金属”式的紧密接触，形成一密封区域。
[84]由于在第四内表面SI4处，在第二止挡面SB2附近，朝管T1、T2的内部的方向配设一局部环形厚度余量SA1，因此，肩部EP和气密性可得到加强。优选的是，如图3和5至7所示，该厚度余量SA1在凹槽G1的中央部分PC的延伸区域基本上是恒定的，然后减小。这种减小优选朝第一部分P1的方向基本上是连续的。例如，它可相对于纵向方向A形成一角度α9，其为约5°至约30°，优选约10°至约20°，优选地等于约12°。
[85]恒定厚度区域处的最大厚度余量限定凸阳式元件EM的最小内径。该内径必须大于一缓冲器(现有技术人员称为“打孔器(drift)”)的直径。缓冲器(或打孔器(drift))是在管下到井中之前***到所述管内的一工具，以确保所述管具有最小自由内径，保证工具进入管柱而无钩住危险。因此，当它小于上述值时，厚度余量的最佳值由扩张时使第一唇部L1最大限度地安装在凹槽G1的底部所需要的材料量加以固定，以使之根据需要进行变形。例如，该厚度余量等于约0.8mm。
[86]该厚度余量SA1提供剩余材料，可填补凹槽G1的空着的空间，因此可使第一唇部L1和位于其之前的区域具有至少一部分所述凹槽G1的构形，因而基本上具有所述的变形。
[87]如上所述，变形在凸阳式端部EM的第一外表面SE1处，在第一唇部L1之前，产生一环形肩部或突起EP，其可通过下述方式的紧密接触，形成一密封区域。
[88]用球进行扩张，由于凹阴式件EF的直径大于凸阳式元件EM的直径，因此，凸阳式元件EM的扩张率大于凹阴式件EF的扩张率。
[89]因此，由于材料的保持，凸阳式元件EM的收缩量大于凹阴式件EF的收缩量，这表现为这两构件沿着图7中的箭头F5和F6所示的脱离方向进行轴向相对移动。这种移动使倾斜肩部EP一个强力压紧在另一个上，形成所要求的密封性。可注意到，当接头施以轴向牵引力时，接触压力或压紧力也得到加强。
[90]由于扩张时的轴向脱离，第一唇部L1和第二唇部L2的轴向长度必须精确选择。实际上，如果第一唇部L1太短，就有从其腔室LO脱出、朝接头的轴线倾斜的危险，从而在扩张之后失去密封性。如果第二唇部L2太长，则腔室LO难以加工。
[91]扩张时得益于凹槽G1的形状和厚度余量SA1的第一唇部L1的曲率，表现为第一唇部L1的端部的内部部分和第二外表面SE2之间的第二紧密接触。
[92]因此，第一唇部L1强力支承和固定于在凹槽G1的壁上构成的肩部和第二外表面SE2之间。对于可能的不同装载方式、包括与牵引力或轴向压缩力相结合或不相结合的内压和外压来说，这种双重接触可确保稳定的极佳密封性。
[93]为了便于第一唇部L1弯曲和加强肩部或突起EP和凹槽G1之间的接触，如图3和5至7所示，可在第一外表面SE1处，在第一部分P1之前配设一朝向管T1、T2内部的凹处DC1。该凹处DC1优选基本上是连续的。因此，它起初构成一锥形斜面。例如，它相对于纵向方向A成一角度α6，约8°至约12°，优选地等于约10°。例如，该凹处DC1开始于与第一轴向止挡面SB1(沿纵向方向A)相距等于约7.8mm的距离处。
[94]此外，为了布置所需的材料，管T1和T2可在其第一部分P1和第二部分P2处，在凸阳式元件EM1、EM2加工之前，进行半顶角为α7的锥形缩径，当指向凸阳式元件EM1、EM2的自由端时，锥体的直径连续减小。
[95]这种缩径可在第二部分P2处增大材料厚度，容纳厚度余量SA1。在凸阳式元件EM1、EM2加工、尤其是厚度余量SA1加工之后，缩径轨迹表现为当指向凸阳式元件EM1、EM2的自由端时朝向管内部的一局部环形凹处DC2。
[96]为了不影响球在管T1和T2中的推进，缩径优选基本上是连续的，角度α7为约2°至约20°，优选等于约5°。
[97]当第一唇部L1的第一内表面SI1具有一倾斜度(例如约为2.5°)时，这可使第二唇部L2更靠近套管M的外部布置。因此，当球到达第二唇部L2处时，其可靠近套管M的外部。此外，这样可限制“香蕉”效应，其趋向于使第二唇部L2朝套管M的空腔的内部极度倾斜。
[98]由于在每个第二唇部L2的第二内表面SI2处，在第三止挡面SB3附近，朝套管M的内部方向，配设一局部环形厚度余量SA2，因此，所述靠近可更为有力。优选的是，如图4至7所示，该厚度余量SA2在第二唇部L2的延伸区域基本上是恒定的，然后减小。这种减小优选基本上是连续的。因此，它起初构成一锥形斜面。例如，它可相对于纵向方向A形成一角度α8，其为约8°至约12°，优选地等于约10°。
[99]该厚度余量SA2优选取决于厚度余量SA1，优选的是小于所述厚度余量SA1。不管怎么样，它小于由缓冲器(或“打孔器”(drift))的直径限定的一最大值。例如，该厚度余量SA2为约0.3mm至0.8mm，优选的是等于约0.5mm。不同的厚度余量SA1和SA2提供的初始偏差便于尤其是第一唇部L1的最终变形。但是，这种偏差不应太大，因为它可能消除第一唇部L1的第一内表面SI1的倾斜度(当它存在时)提供的前述作用。
[100]一旦球对管T2和套管M的一端部之间连接部位的接头进行扩张，就继续轴向移动，以扩张套管M和管T1之间连接部位的组装件的另一接头(从而再进行第四阶段)。
[101]如上所述，球的通过而产生的扩张结果如图8所示。重要的是要注意到，在套管式连接接头中，由于扩张产生轴向脱离，因此，第一唇部L1和第二唇部L2的变形在套管的相对的两端部可不完全相同。但是，这种区别(或非对称现象)比FR 02/03842中所述的套管式连接接头中更小。
[102]重要的是也要注意到，组装件的每个螺纹接头的构件在球通过之后的弹性恢复，在发生塑性变形之前可忽略不计。
[103]首先，参照图9至11，描述本发明的可扩张接头的另一实施例。
[104]该实施例与参照图1至8所述的实施例具有许多相似性。因此，其共同的构件具有相同的标号。此外，形状基本上相同的、确保基本上相同作用的构件不再描述。
[105]另外，该实施例如同前述实施例那样，不仅涉及使长度大的、具有回转轴线XX的一第一管T1的凸阳式端部EM(或凸阳式管形件)与一也是长度大的、具有回转轴线XX的第二管T2的凹阴式端部EF(或凹阴式管形件)进行连接的接头，而且还涉及对称布置的、如以上图9所示的、可连接两个长度大的管T1和T2的两个接头通过一连接套管M式管形件的组装。
[106]这与前述实施例的主要区别在于第二止挡面SB2和第三止挡面SB3的实施细节，以及可选地在于第一管形件EM和第二管形件EF的第一外表面SE1和第三内表面SI3的实施细节，在扩张之前，其可进行第一和第三密封(或紧密接触)。
[107]第二止挡面SB2和第三止挡面SB3起初始终具有锥面，其相对于一垂直于纵向方向A的平面具有基本上相同的选定角度为α4的倾斜度。但是，在该第二实施例中，第二止挡面SB2和第三止挡面SB3的锥面分别为凹入的和突起的。
[108]角度为α4的倾斜度选择成第二止挡面SB2支承在第三止挡面SB3上，使第一外表面SE1(第一唇部L1的)在第三内表面SI3上进行第一径向紧密密封接触。
[109]优选的是，如图9至11所示，第二止挡面SB2和第三止挡面SB3基本上具有相同的初始倾斜度。优选的是，该公共倾斜度为约+5°的角度α4至约+30°的角度α4。优选的是，它等于约10°。
[110]当拧紧阶段第二止挡面SB2支承在第三止挡面SB3上时，第一唇部L1强制地指向连接件的外部。这样可在径向上使第一唇部L1预加应力，从而加强其在腔室LO处与第二管形件EF的接触。
[111]另外，较好的是，第二管形件EF的第三内表面SI3包括一部分DC3，其布置在其与第四止挡面SB4的连接处和凹槽G1的第二曲线部分C2之间，其中起初确定一第一密封面，其总体上相对于与纵向方向A呈横向的平面具有一选定角度为α10的倾斜度。
[112]该第一密封面DC3可选地由一朝向第三内表面SI3的内部的第三局部环形凹处加以限定。它可呈一锥面或一凸面的形状，可选地具有一环形部分。
[113]第一密封面(可选地，第三局部环形凹处)DC3的倾角α10起初优选为约+1°至约+30°，优选的是等于约10°。
[114]此外，第一管形件EM的第一外表面SE1具有一末端区域，其位于其与第一止挡面SB1连接的部位(因此位于第一唇部L1的部位)，其中，起初限定一第二密封面，其总体上相对于与纵向方向A呈横向的平面具有一选定角度为α11的倾斜度。
[115]该第二密封面可选地由一朝向第一内表面SE1的内部的第四局部环形凹处加以限定。它可呈一锥面或一凸面的形状，可选地具有一环形部分。
[116]该第二密封面DC4用于在拧紧阶段在径向上紧固在第二管形件EF的第一密封面DC3上。
[117]第二密封面(可选地，第四局部环形凹处)DC4的倾角α11起初优选为约+1°至约+30°，优选的是等于约10°。
[118]倾角α10和α11优选相同。但是，这不是必须的。实际上，例如，可配设成，第一密封面DC3和第二密封面DC4之一呈锥形或突起，具有一非零倾斜度，而另一密封面例如呈柱形，具有零倾斜度。
[119]第一密封面DC3和第二密封面DC4可选地由第三和第四局部环形凹处加以限定，分别布置成在拧紧阶段可在径向上一个压紧在另一个上，形成第三紧密密封接触。
[120]此外，第一密封面DC3和第二密封面DC4可布置成，第一紧密密封接触在第三紧密密封接触之后形成。实际上，这可加强第一紧密密封接触。
[121]换句话说，在拧紧阶段，优选是第一唇部L1首先通过第一密封面DC3与第二密封面DC4接触，然后，第二止挡面SB2支承在第三止挡面SB3上。
[122]在该实施例中，环形凹槽G1的中央部分PC例如在等于约2.2mm的轴向长度PR′、等于约1mm的径向深度H′上延伸，所述曲线部分C1和C2的曲率半径例如等于约5.3mm。此外，凹槽G1的对称平面PSG与限定腔室(或凹槽)LO的底部的第四轴向止挡面SB4相距的轴向距离D例如等于约5.7mm。
[123]腔室LO在与第二唇部L2的轴向长度相等的一选定轴向长度PR上、沿一选定的径向深度H(垂直于纵向方向A)进行延伸。比率PR/H优选始终为约1至约3，但是，今后优选地为约1.4和1.9，优选地等于约1.7。例如，PR等于4.2mm和H等于2.4mm，这样，比率PR/H等于1.7。
[124]此外，如同前述实施例那样，第二唇部L2的第二外表面SE2可在其与第三止挡面SB3的连接处，相对于纵向方向A，在一短距离上具有选定角度为α5的倾斜度。因此，所述倾斜度起初形成一锥面斜面，其倾斜度起初为约+8°的角度至约+12°的角度，优选地等于约10°。如前所述，这便于第一唇部L1进入腔室(或凹槽)LO中，在发生意外干扰的情况下尤其如此。
[125]此外，如同前述实施例那样，第一唇部L1的第一内表面SI1优选相对于管T1的纵向方向A倾斜一选定的角度α3。因此，它起初形成一锥面。倾角优选始终为约0.1°至约15°，优选地等于约2.5°。如前所述，该倾斜度可在球通过时使第二唇部L2靠近管T2的外部，从而限制香蕉效应。
[126]另外，如同前述实施例那样，为了便于第一唇部L1弯曲和加强肩部或突起EP和凹槽G1之间的接触，第一外表面SE1可在第一部分P1之前具有一朝向管T1内部的、优选基本上是连续的第一凹处DC1。该第一凹处DC1起初相对于纵向方向A构成一角度为α6的锥形斜面，所述角度约8°至12°，优选地等于约10°。例如，该凹处DC1开始于与第一轴向止挡面SB1(沿纵向方向A)相距等于约8.1mm的距离处。
[127]如同前述实施例那样，第四内表面SI4可在第二止挡面SB2附近沿管T1的内部的方向具有一局部环形厚度余量SA1。优选的是，如图9和11所示，该厚度余量SA1在凹槽G1的中央部分PC的延伸区域基本上是恒定的，然后朝第一部分P1的方向优选的是基本上连续地减小。例如，它可相对于纵向方向A形成一角度α9，其为约5°至约30°，优选约10°至约20°，优选地等于约12°。
[128]同样，如同前述实施例那样，第二唇部L2的第五内表面SI5可在第三止挡面SB3附近沿管T2的内部的方向具有一局部环形厚度余量SA2。优选的是，如图10和11所示，该厚度余量SA2在第二唇部L2的延伸区域基本上是恒定的，然后优选的是基本上连续地减小。因此，它起初构成一锥形斜面。例如，它可相对于纵向方向A形成一角度α8，其为约8°至约12°，优选地等于约10°。该厚度余量SA2优选取决于厚度余量SA1，优选的是小于所述厚度余量SA1。例如，该厚度余量SA2为约0.3mm至0.8mm，优选的是等于约0.5mm。
[129]从以上参照图9至11所述类型的可扩张接头进行扩张的接头的构成基本上与参照图5至8所述的接头相同。
[130]在第一阶段，将管之一例如管T1的端部例如凸阳式端部EM拧紧在例如另一管例如管T2的端部例如凹阴式端部EF上，直至第二密封面DC4与第一密封面DC3接触，形成第三紧密密封接触。
[131]在第二阶段，继续拧紧，直至第一唇部L1的第二止挡面SB2支承在第二唇部L2的第三止挡面SB3上，形成第一外表面SE1在第三内表面SI3上的第一径向紧密密封接触。
[132]在第三阶段，继续拧紧，以便借助于第二止挡面SB2和第三止挡面SB3的倾斜度(或坡度)，且借助于所述腔室LO的和所述第一唇部L1的第一密封面DC3和第二密封面DC4的倾斜度(或坡度)，使第一唇部L1在径向上预加应力，直至特定的力矩。
[133]唇部L1和腔室LO的内外表面之间的接触与前述实施例中一样得到加强，从而在直径扩张阶段之前确保接头的较大的密封性。
[134]因此，在扩张之前，在存在牵引力或轴向压缩力的内压下，获得极佳的防流体密封性。
[135]第四阶段与前述阶段相同，在第四阶段，用一直径扩张工具例如一具有锥形头部的球轴向***到管T1和T2之一中，在塑性变形范围内使接头进行直径扩张。
[136]在扩张的最后阶段，第四紧密密封接触确定在第一唇部L1的一自由端(在其第一内表面SI1的部位)和第二唇部L2的第二外表面SE2之间。因此，第一唇部L1由于第四紧密接触而由其自由端进行固定，且由于第二紧密接触而由在第一外表面SE1处延伸它的“突起”进行固定。
[137]当第一管形件EM具有一第一密封面DC3时，可选地当第二管形件EF具有一第二密封面DC4时，一旦第四阶段终止，一接头组装件的上游一侧和下游一侧之间的密封性能偏差基本上减小。这是上游一侧接触压力增大的结果，而不损害下游一侧的接触压力。
[138]借助于本发明，扩张时，使套管式组装的两接头“不对称”，从而可在高扩张率的、甚至通常为10％至35％的很高扩张率的扩张阶段之前和之后，获得良好的甚至极佳的内部和外部高压气体的气密性。显然，本发明也适用于低于10％的扩张率。
[139]此外，本发明可使用大范围的钢和合金，只要材料具有足以进行扩张的展性。如果是钢，则材料可以是非合金钢，或锰钢，或铬-钼合金钢，或微合金钢，或硼钢，或前述成分的化合物(铬-钼-铌-硼合金钢)，或含13％的马氏体铬的钢，或含22％或25％的铬的双奥氏体铁氧体钢，或奥氏体不锈钢。例如，碳-锰合金钢可用于非腐蚀性井，或者含0.2％的碳和13％的铬的钢(X20铬13-根据欧洲标准命名，AISI(美国钢铁学会)420-根据美国命名)可用于含二氧化碳的腐蚀性井。
[140]此外，材料可选地进行热处理，以便具有大于一选择值或在选择的数值范围的弹性极限。最小弹性极限例如可在300MPa至1000MPa甚至更大的范围进行选择。
[141]本发明不局限于上述的仅仅作为例子的管形螺纹密封接头的组装件的实施方法和实施方式，而包括现有技术人员在下面权利要求书的范围内所实施的所有其他实施例。
Claims (19)
1.对称布置的两可扩张螺纹管形接头的组装件，每个所述管形接头一方面包括一第一管形件(EM1，EM2)，其布置在一管(T1，T2)的一端部，并具有一配有阳螺纹(FM)的第一部分(P1)和一延伸所述第一部分的第二部分(P2)，所述第二部分(P2)包括：
(i)一第一外表面(SE1)，
(ii)一第一环形唇部(L1)，其具有一第一轴向止挡面(SB1)和一第一内表面(SI1)，且在其一部分轴向长度上由所述第一外表面(SE1)加以限定，以及
(iii)一第二止挡面(SB2)，
每个所述管形接头另一方面包括一第二管形件(EF1，EF2)，其具有：
(i)阴螺纹(FF)，其对应于所述阳螺纹(FM)，且拧紧在其上，
(ii)一第二环形唇部(L2)，其具有一第三止挡面(SB3)、一第二内表面(SI2)和一适于相对于所述第一内表面(SI1)布置的第二外表面(SE2)，以及
(iii)一第三内表面(SI3)和一第四轴向止挡面(SB4)，其两者与第二外表面(SE2)一起形成一环形腔室(LO)，该环形腔室(LO)偶配相应的第一环形唇部(L1)，且接纳所述第一环形唇部(L1)，
其特征在于，所述两个第二管形件(EF1，EF2)构成一“凹阴/凹阴”式连接套管(M)的正对的两端部，该两端部由一中央部分(PCM)分开，所述中央部分(PCM)在一外表面上起初配有一具有选定的初始厚度不足量的环形区域(G2)，以致所述连接套管(M)在该环形区域(G2)处的厚度大于或等于所述管(T1，T2)的一通常部分的截面与所述管形接头的效率系数的乘积；
每个第二止挡面(SB2)支承在相应的第三止挡面(SB3)上，和/或每个第一轴向止挡面(SB1)支承在相应的第四轴向止挡面(SB4)上；
并且，所述组装件适于在塑性变形范围内实施直径扩张之后，进行紧密密封接触，使所述组装件密封。
2.根据权利要求1所述的组装件，其特征在于，所述厚度不足量的环形区域(G2)呈盆形，其配有一具有最大厚度不足量的中央部分以及倾斜角度小于30°的倾斜侧壁。
3.根据权利要求2所述的组装件，其特征在于，所述角度等于15°。
4.根据权利要求2中所述的组装件，其特征在于，所述盆形的厚度不足量的环形区域(G2)基本上延伸在两阴螺纹(FF)的最后的螺纹之间的一区域中。
5.根据权利要求4所述的组装件，其特征在于，所述盆形的厚度不足量的环形区域(G2)基本上延伸在两个第二管形件(EF1，EF2)的所述第三止挡面(SB3)之间。
6.根据权利要求1所述的组装件，其特征在于，所述第二管形件(EF1，EF2)在其第三内表面(SI3)的一选定部位具有一内环形的凹槽(G1)，其基本上布置在所述第一外表面(SE1)处。
7.根据权利要求6所述的组装件，其特征在于，所述凹槽(G1)起初具有至少两个曲线部分(C1，C2)。
8.根据权利要求7所述的组装件，其特征在于，所述曲线部分(C1，C2)起初具有基本上相同的曲率半径。
9.根据权利要求8所述的组装件，其特征在于，所述曲率半径起初为2mm至20mm。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的组装件，其特征在于，两曲线部分(C1，C2)由一基本上呈柱形的中央部分(PC)分开。
11.根据权利要求7至9中任一项所述的组装件，其特征在于，所述凹槽(G1)起初具有的径向深度(H′)的最大值选定成：所述凹槽(G1)的底部的材料截面大于所述管(T1，T2)的一通常部分的最小截面与所述管形接头的拉伸效率系数的乘积。
12.根据权利要求1至9中任一项所述的组装件，其特征在于，所述阳螺纹(FM)和阴螺纹(FF)起初具有配有一承载边的螺纹，该承载边具有一负角，-3°至-15°。
13.根据权利要求1至9中任一项所述的组装件，其特征在于，所述阳螺纹(FM)和阴螺纹(FF)起初具有配有一啮合边的螺纹，该啮合边具有一正角，+10°至+30°。
14.根据权利要求13所述的组装件，其特征在于，所述阳螺纹(FM)和阴螺纹(FF)布置成：在拧紧之后和在扩张之前，在其啮合边之间具有0.05mm至0.3mm的一轴向间隙。
15.根据权利要求1至9中任一项所述的组装件，其特征在于，所述阳螺纹(FM)和阴螺纹(FF)在包括锥形式螺纹和柱形式螺纹的组类中加以选择，所述阳螺纹(FM)和阴螺纹(FF)每个相应形成于所述第一管形件(EM1，EM2)或第二管形件(EF1，EF2)的至少一部分上。
16.根据权利要求1至9中任一项所述的组装件，其特征在于，所述第一外表面(SE1)和第三内表面(SI3)成形为：在扩张之后，紧密密封接触形成在它们当中每一个的一部分之间。
17.根据权利要求1至9中任一项所述的组装件，其特征在于，所述可扩张的第一管形件(EM1，EM2)和第二管形件(EF1，EF2)成形为：在所述扩张之后，紧密密封接触形成在所述第一环形唇部(L1)的一部分内端部和所述第二外表面(SE2)之间。
18.两个扩张的管形接头的组装件的组装方法，其特征在于，基于根据前述权利要求中任一项所述的初始组装件，
-拧紧所述可扩张的第一管形件(EM1，EM2)和第二管形件(EF1，EF2)，直至每个第二止挡面(SB2)支承在相应的第三止挡面(SB3)上，和/或每个第一轴向止挡面(SB1)支承在相应的第四轴向止挡面(SB4)上，以及
-使所述可扩张管形接头组装件在塑性变形范围内进行直径扩张，以便在每个第二部分(P2)的一表面和每个第二管形件(EF1，EF2)的一相应表面之间形成至少一紧密密封接触。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述管形接头的径向扩张根据至少等于10％的扩张率进行。
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