CN102296935A - 取心外管高抗扭矩螺纹连接结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种取心外管的连接结构，具体为一种取心外管高抗扭矩螺纹连接结构。解决在特殊底层条件下，常规的钻杆螺纹连接部位容易损坏的技术问题，一种钻杆多点超压螺纹连接结构，所述螺纹为等腰梯形螺纹，螺纹的两侧台面均为15°角，螺纹的齿高2.2mm齿顶宽3.66mm，螺距3齿/英寸，锥度1:32。本发明命名该技术方案为30型特殊螺纹，其具有高抗扭力矩的功能，其特性是使螺纹的极限抗扭力矩达到45000N·m。

Description

取心外管高抗扭矩螺纹连接结构

技术领域

本发明涉及一种取心外管的连接结构，具体为一种取心外管高抗扭矩螺纹连接结构。 

背景技术

石油钻杆是钻探开采油井或天然气井的关键工具之一，在施工过程中，钻杆是通过不断连接加长而逐渐使钻头深入底层中。石油管材的服役条件非常复杂，钻杆的连接部分就成为钻探成败的关键因素，整个钻机的扭矩全部是靠连接部分传递，特别是底层中地质情况复杂， 大多数是在隐蔽的环境下工作，与其他机械有显著区别的是服役环境随时随地地发生着变化，即有极大的不确定性。（1）地质环境：影响钻井的地质条件，有盐层、欠压实泥岩层、高陡倾角地层裂缝溶洞发育带、断裂破碎带、异常高压带、剖面上不同压力***交替出现等地质现象。给钻井工程造成一系列的复杂环境。（2）腐蚀介质：对石油管材危害最大的环境作用是腐蚀，最常见的腐蚀是H₂S、CO₂和氧腐蚀，当这三种腐蚀介质复合作用时，腐蚀更为严重，Cl^—的存在会使腐蚀加剧。井内高的温度和压力及强酸的作用也是促进腐蚀的因素。（3）受力：钻柱的受力非常复杂多变，一般而言，井口和井底钻柱承受的各种载荷都很大，目前钻柱静力学较为成熟，而钻柱动力学仍需发展和完善，况且，石油勘探开发正向超深井、定向井、水平井、丛式井等发展，这些苛刻井的钻柱受力也是今后研究的重点。 

目前使用的连接结构全部为螺纹连接，钻柱工作载荷全部是靠螺纹逐跟钻杆往下传递，所以螺纹连接部位就成为一个应力集中区，良好的螺纹连接应该能够抵抗快速多变的回转弯曲力矩，而达到不疲劳，不变形，不脱落的目。由于钻探外管的结构性，管内要求放置取心配件，因为岩心外管连接是介于管件连接和传递钻进力矩螺纹，常规管接螺纹不适用。目前使用的螺纹连接形式有如图4所示意的HD型矩形螺纹牙型，抗扭力矩=5370N.m。有如图5所示意的STD型的锥形螺纹牙型，该种螺纹抗扭力矩=1300N.m。还有专利号为200910147891.2所述的锯齿形接头，专利申请号为200420078613.9记载的螺纹连接钻杆，提出了螺纹为偏梯形螺纹，梯形螺纹，三角螺纹。专利号为200820056719.7公布的斜梯形螺纹。 

以上各类产品在一些特殊的地质条件下，如永久冻土层、砂土层、中硬底层中，表现不是非常良好，往往达不到目标深度钻杆螺纹连接部位就损坏了。 

发明内容

本发明为了解决在特殊底层条件下，常规的钻杆螺纹连接部位容易损坏的技术问题，提供了一种钻杆多点超压螺纹连接结构。 

本发明的技术方案是，一种钻杆多点超压螺纹连接结构，所述螺纹为等腰梯形螺纹，螺纹的两侧台面均为15°角，螺纹的齿高2.2mm 齿顶宽3.66mm，螺距3齿/英寸，锥度1:32。 

本发明命名该技术方案为30型特殊螺纹，其具有高抗扭力矩的功能，其特性是使螺纹的极限抗扭力矩达到45000N.m。 

使用的钢材材料为AISI4145H。 

该种岩心外管产品主要是针对俄罗斯国客户，客户的反映良好：以往在索宾斯克和伊尔库次克州的维尔赫涅琼斯克、科维克金以及萨哈共和国的塔拉甘斯克、恰扬金斯克、中博图奥宾斯克、中维柳伊斯克、中琼格斯克等油气田钻探中所使用的钻管连接螺纹结构只能在扭力矩为12000N.m～22000N.m内使用，否则，就得更换新岩心外管。现在客户用了本发明技术生产制造的30型特殊螺纹外管，钻进时的扭力矩最高达到45000N.m时，无需更换新管。如：2010年10月22日在琼格斯克等油气田12号井的钻探，钻进到5043米时岩心外管的连接螺纹依然没有出现疲劳断裂。 

附图说明

  

图1为本发明所述取心外管结构示意图

图2为图1的局部放大图

图3为本发明所述结构配合连接机构图

图4为现有的螺纹连接结构之一

图5为现有的螺纹连接结构之二。

     

具体实施方式

如图1所示意，一种钻杆取心外管，两端分别为公接头、母接头；所述的公接头、母接头为螺纹连接，如图2所示意，连接结构为钻杆多点超压螺纹连接结构，所述公接头和母接头的螺纹为等腰梯形螺纹，螺纹的两侧台面均为15°角，螺纹的齿高2.2mm 齿顶宽3.66mm，螺距3齿/英寸，锥度1:32。 

如图3所示意，在预紧力9000N.m～12000N.m作用下螺纹副紧密旋接，此时外螺纹的大径与内螺纹大径的间隙只有0.032～0.068mm（标准是0.10～0.30mm） 

以图1所示结构为例，该螺纹连接抗扭矩最大极限计算分析：

在接头连接螺纹中,由于上扣扭矩的作用,使连接螺纹预紧,并产生预紧力F,同时,由于预紧力的存在,又使连接螺纹的螺旋副间产生螺纹力矩 

,端面之间产生摩擦力矩

。

扭矩： 

                ⑴

mm(螺纹中经)

2.97°  (螺纹升角)

°     (为螺纹轴向截面牙型角)

      (螺纹副之间摩擦因数)

     (接箍端面之间摩擦因数)

 mm    (为螺纹台肩端面有效接触面积的当量直径)

9.828 °    (当量摩擦角，计算得出)

 25.48 mm    (导程)

通常规定，拧紧后螺纹连接件的预紧应力不得超过其材料的屈服极限

的80%。金属材料AISI4145H屈服强度为：

取安全因数1.2 ，则需用应力

        

内螺纹危险截面的面积，

=154.5mm（简化管孔直径）

=172mm(管的直径)

由公式⑴ + ⑵得出：T=28.98275

   

预紧力管螺纹连接强度计算

危险截面拉伸应力为

 

危险截面扭转切应力为：

            

=8.75    (为内螺纹平均厚度)

r=77.25   (为内螺纹平均半径)

由于管的材料为塑性，故可根据第四强度理论，求出在预紧力下管螺纹的应力:

最大预紧力

=2814243.382N

可求得最大扭矩理论极限:

T=28.98275=81.5645KN.m。

Claims (1)

1.一种钻杆多点超压螺纹连接结构，所述螺纹为等腰梯形螺纹，螺纹的两侧台面均为15°角，螺纹的齿高2.2mm 齿顶宽3.66mm，螺距3齿/英寸，锥度1:32。

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