CN105829636A - 用于产生钻探和操作油气井的螺纹连接部的组件及所产生的螺纹连接部 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于产生螺纹连接部的组件，该组件包括具有旋转轴(10)的第一管状部件和第二管状部件，每个部件在它们的端部(20，30)中的一个分别设置有至少第一连续螺纹区(21，31)和第二连续螺纹区(22，32)，第一连续螺纹区(21，31)和第二连续螺纹区(22，32)根据螺纹端部在类型上是凸形的还是凹形的，分别产生在所述部件的外周表面或内周表面上，处于其中每个设置有第一锥形母线(41)和第二锥形母线(42)的第一螺旋线和第二螺旋线的形式，第一螺纹区根据第一螺旋线产生且能够在组装时一起协作，以及第二螺纹区根据第二螺旋线产生且能够在组装时一起协作，螺纹区中的每个限定螺纹牙形，在穿过旋转轴的纵剖面中观察，所述螺纹牙形设置有承载牙侧(21a，22a，31a，32a)、入扣牙侧(21b，22b，31b，32b)、螺纹牙顶(21c，22c，31c，32c)以及螺纹牙底(21d，22d，31d，32d)，其特征在于：第一螺纹区的螺纹的高度(TH1)和第二螺纹区的螺纹的高度(TH2)中的每个在1mm至2.5mm的范围内，以及第一螺纹区和第二螺纹区的承载牙侧与旋转轴的垂线的角度(LFA1，LFA2)在1度至20度的范围内，以及第一螺纹区和第二螺纹区的入扣牙侧与旋转轴的垂线的角度(SFA1，SFA2)在3度至25度的范围内。
Description
技术领域
本发明涉及用于钻探和/或操作油气井的螺纹连接部，更确切地说，涉及当连接工作在拉伸-压缩情况时在效率和密封方面优化连接的整体性能。
背景技术
术语“螺纹连接部”意思是由为金属且能够通过组装结合在一起的基本上管状的元件构成的任何组件，尤其是其目的在于构成用于钻探油气井的杆，或者用于操作这样的井的修井立管或柱例如立管，或者用于操作井的套管或管柱。
每个管状部件包括设置有公螺纹区或母螺纹区的端部以用于与类似元件的对应端部组装。当结合时，元件组装所谓的连接。
连接的这些螺纹管状部件在预定载荷作用下结合，以满足由服务条件施加的夹紧和密封要求。进一步地，应该理解的是，螺纹管状部件可能不得不经历数次组装-打断循环，尤其是在服务中时。
用于这样的螺纹管状部件的使用的条件导致在宽范围内作用在这些部件的敏感部分例如螺纹区、邻接区或密封表面上的宽范围的机械载荷。
由于这个原因，连接设计是需要同时考虑数个参数的复杂规范。因此，建议：当连接操作在拉伸和压缩情况时，保持连接的效率以及支撑密封表面的、管状部件的区域的厚度，而且尽可能最小化密封接触点的移动的风险。
US7416374描述了在两个螺旋线中使用两个螺纹的连接，并且其中螺纹牙顶是圆形的。
然而，那种方案仅改善了疲劳性能。在双头配置中具有两个螺纹区的原理仅以加速组装和打断为目的来使用。
文献US7475917提供了其中入扣牙侧和承载牙侧的角度沿着螺纹的整个长度改变的连接。
然而，其目的在于向螺纹中的承载牙侧或入扣牙侧的角度引入点变化的那种方案可能仅用于优化载荷集中的分布。那种方案不能用于改善拉伸/压缩性能，控制组装油脂的压力或者减小在交变载荷作用下出现的轴向位移。
文献US6767035意在使用吻合的第一螺纹和正角第二螺纹来生成高的组装扭矩。图9中描述的可选例建议两种螺纹的使用，其中入扣牙侧与连接轴的垂线形成的角度相等且高度地倾斜。
然而，这些方案不能用于同时提供良好的拉伸强度和良好的压缩强度。
发明内容
由于这个原因，本发明的目的在于提供具有至少两个螺旋线或者甚至具有多个螺旋线的螺纹，这些螺纹不同以增加例如拉伸强度、压缩强度或疲劳强度中的每个的质量。
更确切地说，本发明关注用于产生螺纹连接部的组件，该组件包括具有旋转轴的第一管状部件和第二管状部件，每个部件在它们的端部中的一个分别设置有至少第一连续螺纹区和第二连续螺纹区，第一连续螺纹区和第二连续螺纹区根据螺纹端部在类型上是凸形的(male)还是凹形的(female)，分别产生在所述部件的外周表面或内周表面上，处于各自设置有第一锥形母线和第二锥形母线的第一螺旋线和第二螺旋线的形式，根据第一螺旋线产生的第一螺纹区能够在组装时一起协作，以及根据第二螺旋线产生的第二螺纹区能够在组装时一起协作，每个螺纹区限定螺纹牙形，在穿过旋转轴的纵剖面中观察，该螺纹牙形设置有承载牙侧、入扣牙侧、螺纹牙顶以及螺纹牙底，其特征在于，第一螺纹区的螺纹的高度和第二螺纹区的螺纹的高度中的每个在1mm至2.5mm的范围内，以及第一螺纹区和第二螺纹区的承载牙侧与旋转轴的垂线的角度在1度至20度的范围内，以及第一螺纹区和第二螺纹区的入扣牙侧与旋转轴的垂线的角度在3度至25度的范围内。
下面给出可以是补充的或替代的、本发明的可选特征。
第一螺纹区的螺纹高度和第二螺纹区的螺纹高度之间的差就绝对值而言可以大于或等于0.05mm。
第一螺纹区和第二螺纹区的螺纹牙顶和牙底中的每个可与旋转轴形成在0度至10度的范围内的角度。
第一螺纹区和第二螺纹区的螺纹牙顶和牙底可与旋转轴形成相同的角度。
第一螺纹区的螺纹高度和第二螺纹区的螺纹高度可限于由值1.3mm和2mm限定的范围，第一螺纹区和第二螺纹区的加载牙侧与旋转轴的垂线的角度可限于由值3度和15度限定的范围，以及第一螺纹区和第二螺纹区的入扣牙侧与旋转轴的垂线的角度可限于由值10度和25度限定的范围。
第一螺纹区或第二螺纹区的螺纹牙顶和牙底可平行于旋转轴，而第二螺纹区或第一螺纹区的螺纹牙顶和牙底可平行于所述螺纹区的锥形母线。
第一螺纹区的入扣牙侧的角度与第二螺纹区的入扣牙侧的角度就绝对值而言可以相差至少0.5度。
第一螺纹区的入扣牙侧的角度与第二螺纹区的入扣牙侧的角度就绝对值而言可以相差至少5度。
第一螺纹区的锥形母线可不同于第二螺纹区的锥形母线。
第一螺纹区的锥形母线可等同于第二螺纹区的锥形母线。
在第一螺纹区和第二螺纹区的入扣牙侧之间可存在间隙。
第一螺纹区的入扣牙侧之间的间隙的值与第二螺纹区的入扣牙侧之间的间隙的值之间的差可在0.05mm至0.5mm的范围内。
第一管状部件和第二管状部件的端部中的每个可包括至少一个密封表面，所述至少一个密封表面可在连接处于组装状态时以密封的过盈配合协作。
第一管状部件和第二管状部件的端部中的每个可包括至少一个邻接表面，所述至少一个邻接表面能够在连接处于组装状态时邻接地协作。
本发明还关注从组装组件产生的螺纹连接部。
附图说明
现在，将在下面参照附图作出的描述中更详细地公开本发明的特点和优点。
图1是从通过组装结合两个管状部件产生的连接的纵剖面的图解视图，且与本发明的一个实施例一致。
图2是通过组装两个管状部件结合的螺纹的纵剖面的详细图解视图，且与本发明的实施例一致。
图3是待装配的两个部件的分解透视图。
具体实施方式
图1示出了用于产生螺纹连接部的组件，其包括第一管状金属部件和第二管状金属部件，第一管状金属部件和第二管状金属部件通常由钢形成，具有旋转轴10，且每个部件设置有端部20和30。
已知是凸形的端部20包括在一个管状部件的端部的外周表面上产生的第一连续螺纹区21和第二连续螺纹区22。第一螺纹区21和第二螺纹区22中的每个分别根据第一螺旋线和第二螺旋线产生，第一螺旋线和第二螺旋线中的每个设置有第一锥形母线41和第二锥形母线42。第一连续螺纹区21和第二连续螺纹区22交替，即，第一螺纹区21或第二螺纹区22中的一个的两个连续节距被来自另一个交替的第一螺纹区21或第二螺纹区22的螺纹节距分开。螺纹区是交错的。
已知是凹形的端部30包括在另一个管状部件的端部的内周表面上产生的第一连续螺纹区31和第二连续螺纹区32。第一螺纹区31和第二螺纹区32中的每个分别根据第一螺旋线和第二螺旋线产生，第一螺旋线和第二螺旋线中的每个设置有第一锥形母线41和第二锥形母线42。第一连续螺纹区31和第二连续螺纹区32交替，即，第一螺纹区31或第二螺纹区32中的一个的两个连续节距被来自另一个交替的第一螺纹区31或第二螺纹区32的螺纹节距分开。螺纹区是交错的。
明显地，螺纹区可以是连续的，或者甚至它们可以是中断的。
第一端部20的第一螺纹区21和第二端部30的第一螺纹区31具有相同的锥形母线41，且能够在组装时一起协作。类似地，第一端部20的第二螺纹区22和第二端部30的第二螺纹区32具有相同的锥形母线42，且能够在组装时一起协作。
螺纹区21，22，31，32中的每个限定螺纹牙形，在穿过旋转轴10的纵剖面中观察，其分别设置有加载牙侧21a，22a，31a，32a、入扣牙侧21b，22b，31b，32b、螺纹牙顶21c，22c，31c，32c以及螺纹牙底21d，22d，31d，32d。
为了能够将第一部件拧入第二部件中，第一螺纹区21和31的节距与第二螺纹区22和32的节距相同。
根据本发明，第一螺纹区21，31的螺纹的高度TH1和第二螺纹区22，32的螺纹的高度TH2中的每个在1mm至2.5mm的范围内。
根据本发明，第一螺纹区和第二螺纹区的加载牙侧与旋转轴10的垂线的角度LFA1，LFA2在1度至20度的范围内。
根据本发明，第一螺纹区和第二螺纹区的入扣牙侧与旋转轴10的垂线的角度SFA1，SFA2在3度至25度的范围内。
明显地，角度的值和符号是针对于连接的轴10的垂线限定的且是逆时针的。
优选地，第一螺纹区21，31的螺纹的高度TH1和第二螺纹区22，32的螺纹的高度TH2之间的差就绝对值而言大于或等于0.05mm。由于这个原因，不存在凸形的和凹形的部件的螺纹的齿之间钩住的风险。实际上，如可从图3的小圆圈看见的，在组装期间，这意味着公端部的螺纹区的螺纹牙顶避免钩住母端部的螺纹区的螺纹牙顶。类似地，齿的高度的这种差异用作一种傻瓜式防护装置，以允许第一螺纹区21，31正确地组装成整体以及第二螺纹区22，32正确地组装成整体。
在一个实施例中，第一螺纹区21，31和第二螺纹区22，32的螺纹牙顶和牙底中的每个与旋转轴10形成在0度至10度的范围内的角度。因此，入扣牙侧的表面不会过度减小，其意味着保持在压缩时良好的性能，同时在组装时保持凹形的和凸形的端部之间的正确的入扣特性。
在特定情况下，对于第一螺纹区21，31和第二螺纹区22，32来说，第一螺纹区21，31和第二螺纹区22，32的螺纹牙顶和牙底与旋转轴10形成的角度是相同的。因此，更容易通过相同的工具控制每个螺纹区的螺纹直径。
在优选实施例中，第一螺纹区21，31的螺纹的高度TH1和第二螺纹区22，32的螺纹的高度TH2中的每个在1.3mm至2mm的范围内。同时，第一螺纹区和第二螺纹区的加载牙侧与旋转轴10的垂线的角度在3度至15度的范围内，以及第一螺纹区和第二螺纹区的入扣牙侧与旋转轴10的垂线的角度在10度至25度的范围内。
再次，同时地以及在上述的优选实施例的上下文中，第一螺纹区21，31的螺纹牙顶和牙底平行于旋转轴10，而第二螺纹区22，32的螺纹牙顶和牙底平行于螺纹区22，32的锥形母线42。因此，可更加容易地执行组装，避免了在凸形的和凹形的端部之间的入扣操作期间使螺纹区交叉的风险，提供了一种傻瓜式防护装置。这意味着在组装期间，螺纹区21正确地拧入螺纹区31而非螺纹区32中，以及螺纹区22正确地拧入螺纹区32而非螺纹区31中。
在上述的优选实施例的变型中，第二螺纹区22，32的螺纹牙顶和牙底平行于旋转轴10，而第一螺纹区21，31的螺纹牙顶和牙底平行于螺纹区21，31的锥形母线41。因此，可更加容易地执行组装，避免了在凹形的和凸形的端部之间的入扣操作期间使螺纹区交叉的风险，提供了一种傻瓜式防护装置。
有利地，第一螺纹区的入扣牙侧的角度SFAl与第二螺纹区的入扣牙侧的角度SFA2就绝对值而言相差至少0.5度。因此，这意味着一个螺纹区设置有更高的压缩强度。通过使第一螺纹区的入扣牙侧的角度与第二螺纹区的入扣牙侧的角度之间的差等于5度，还可突出该特征。
在一个实施例中，第一螺纹区21，31的锥形母线41不同于第二螺纹区22，32的锥形母线42。该配置可用于获得补充的傻瓜式防护装置。从此以后，具有锥形母线41的第一螺纹区的两个连续的牙顶21或31至少被具有不同的锥形母线42的第二螺纹区的一个牙顶22或32分开。
可选地，第一螺纹区21，31的锥形母线41等同于第二螺纹区22，32的锥形母线42。该配置可便于加工。
有利地且如可在图2中看见的，可能期望的是，当组装连接时，在第一螺纹区21，31的入扣牙侧21b，31b之间提供间隙以及在第二螺纹区22，32的入扣牙侧22b，32b之间提供间隙。实际上，这些间隙构成收集组装油脂的自由体积，从而防止在组装期间导致螺纹脱离接合的超压问题。因此，以下是有意义的：使一个螺纹区设置有较小的间隙，使得该螺纹区具有良好的压缩强度，以及使另一个螺纹区设置有高的间隙，使得该另一个螺纹区收集组装油脂。优选地，第一螺纹区21，31的入扣牙侧之间的间隙的值与第二螺纹区22，32的入扣牙侧之间的间隙的值之间的差在0.05mm至0.5mm的范围内。
可选地，第一管状部件和第二管状部件的端部20，30中的每个包括至少一个密封表面23，33，当组装连接时，所述至少一个密封表面23，33可协作作为过盈配合。
需要保证对应于两个部件之间的连接处的高压力的密封具有增强的水平。为此，关于其他类型的连接例如在申请人的第940号目录中描述的TOP连接，已知的是，在连接的凸形的端部上在螺纹区之外设置密封表面，该密封表面意在与在连接的凹形的端部上设置的密封表面协作作为过盈配合。
应该注意的是，凸形的和凹形的端部的密封表面23和33可设置为靠近凸形的端部的端子表面，或者甚至靠近凹形的端部的端子表面。
在考虑之中，一个密封表面可具有径向向外弯曲的穹顶状表面，其具有朝着端子表面减小的直径。该穹顶状表面的半径优选地在30mm至100mm的范围内。该穹顶状表面的过大半径(>150mm)导致与圆锥在圆锥上接触的问题相同的问题。该穹顶状表面的过小半径(<30mm)导致不充足的接触宽度。
面对该穹顶状表面，凹形的端部具有径向向内弯曲的锥形表面，其具有也沿着凸形的端部的端子表面的方向减小的直径。对于锥形表面的半峰角度的正切在0.025至0.075的范围内，即锥度在5％至15％的范围内。对于锥形表面来说，锥度过小(<5％)导致组装物上损伤的风险，以及锥度过大(>15％)需要非常严的加工公差。
实际上，已经示出了：与在接触区的端部具有两个窄的有效接触区的两个锥形表面之间的接触区相比，锥形表面和穹顶状表面之间的这样的接触区可用于获得高的有效轴向接触宽度以及接触压力沿着有效接触区的基本上半椭圆形分布。
可选地，第一管状部件和第二管状部件的端部20，30中的每个包括至少一个邻接表面24，34，当连接处于组装状态时，所述至少一个邻接表面24，34能够邻接地协作。如可在图1中看见的，这些邻接表面可形成内部邻接，即邻接表面24设置在凸形的部件的自由端，该自由端沿着相对于连接的轴10大致上放射状的表面延伸。邻接表面34设置为面对邻接表面24，且设置在凹形的部件的肩部。
邻接表面可具有如文献EP0488912中的锥形形状，如文献US3870351或WO2007/017082中的环形形状，如文献US4611838中的阶梯形状，如文献US6047797中的突起形状，或者这些形状的组合。
有利地，具有在-20度至-5度的范围内的角度的锥形形式是优选的，该角度是由邻接表面与连接的轴10的垂线形成的角度。
本发明还关注通过组装组件产生的螺纹连接部。
本发明可应用于任何类型的连接，无论是结合式、嵌入式或半嵌入式均可。
Claims (15)
1.一种用于产生螺纹连接部的组件，包括具有旋转轴(10)的第一管状部件和第二管状部件，每个部件在它们的端部(20，30)中的一个处分别设置有至少第一连续螺纹区(21，31)和第二连续螺纹区(22，32)，第一连续螺纹区(21，31)和第二连续螺纹区(22，32)根据螺纹端部在类型上是凸形的还是凹形的而分别产生在所述部件的外周表面或内周表面上，处于各自设置有第一锥形母线(41)和第二锥形母线(42)的第一螺旋线和第二螺旋线的形式，根据第一螺旋线产生的第一螺纹区(21，31)能够在组装时一起协作，以及根据第二螺旋线产生的第二螺纹区(22，32)能够在组装时一起协作，螺纹区(21，22，31，32)中的每个限定螺纹牙形，在穿过旋转轴(10)的纵剖面中观察，所述螺纹牙形设置有承载牙侧(21a，22a，31a，32a)、入扣牙侧(21b，22b，31b，32b)、螺纹牙顶(21c，22c，31c，32c)以及螺纹牙底(21d，22d，31d，32d)，其特征在于：
·第一螺纹区(21，31)的螺纹的高度(TH1)和第二螺纹区(22，32)的螺纹的高度(TH2)中的每个在1mm至2.5mm的范围内，以及
·第一螺纹区和第二螺纹区的承载牙侧与旋转轴(10)的垂线的角度(LFA1，LFA2)在1度至20度的范围内，以及
·第一螺纹区和第二螺纹区的入扣牙侧与旋转轴(10)的垂线的角度(SFA1，SFA2)在3度至25度的范围内。
2.根据权利要求1所述的用于产生螺纹连接部的组件，其特征在于，第一螺纹区(21，31)的螺纹高度(TH1)和第二螺纹区(22，32)的螺纹高度(TH2)之间的差就绝对值而言大于或等于0.05mm。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的用于产生螺纹连接部的组件，其特征在于，第一螺纹区(21，31)和/或第二螺纹区(22，32)的螺纹牙顶和牙底中的每个与旋转轴(10)形成在0度至10度的范围内的角度。
4.根据权利要求3所述的用于产生螺纹连接部的组件，其特征在于，第一螺纹区(21，31)和第二螺纹区(22，32)的螺纹牙顶和牙底不与旋转轴(10)形成相同的角度。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的用于产生螺纹连接部的组件，其特征在于：
·第一螺纹区(21，31)的螺纹高度(TH1)和第二螺纹区(22，32)的螺纹高度(TH2)中的每个在1.3mm至2mm的范围内，以及
·第一螺纹区和第二螺纹区的加载牙侧与旋转轴(10)的垂线的角度在3度至15度的范围内，以及
·第一螺纹区和第二螺纹区的入扣牙侧与旋转轴(10)的垂线的角度在10度至25度的范围内。
6.根据权利要求5所述的用于产生螺纹连接部的组件，其特征在于，第一螺纹区(21，31)或第二螺纹区(22，32)的螺纹牙顶和牙底平行于旋转轴(10)，而第二螺纹区或第一螺纹区的螺纹牙顶和牙底平行于所述螺纹区的锥形母线。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的用于产生螺纹连接部的组件，其特征在于，第一螺纹区(21，31)的锥形母线(41)不同于第二螺纹区(22，32)的锥形母线(42)。
8.根据前述权利要求1至6中的任一项所述的用于产生螺纹连接部的组件，其特征在于，第一螺纹区(21，31)的锥形母线(41)等同于第二螺纹区(22，32)的锥形母线(42)。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的用于产生螺纹连接部的组件，其特征在于，第一螺纹区的入扣牙侧的角度与第二螺纹区的入扣牙侧的角度就绝对值而言相差至少0.5度。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的用于产生螺纹连接部的组件，其特征在于，第一螺纹区的入扣牙侧的角度与第二螺纹区的入扣牙侧的角度就绝对值而言相差至少5度。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的用于产生螺纹连接部的组件，其特征在于，当组装所述连接部时，在第一螺纹区(21，31)和第二螺纹区(22，32)的入扣牙侧(21b，22b，31b，32b)之间设置间隙。
12.根据权利要求11所述的用于产生螺纹连接部的组件，其特征在于，第一螺纹区(21，31)的入扣牙侧之间的间隙的值与第二螺纹区(22，32)的入扣牙侧之间的间隙的值之间的差在0.05mm至0.5mm的范围内。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的用于产生螺纹连接部的组件，其特征在于，第一管状部件和第二管状部件的端部(20，30)中的每个包括至少一个密封表面(23，33)，所述至少一个密封表面(23，33)可在所述连接部处于组装状态时以密封的过盈配合协作。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的用于产生螺纹连接部的组件，其特征在于，第一管状部件和第二管状部件的端部(20，30)中的每个包括至少一个邻接表面(24，34)，所述至少一个邻接表面(24，34)能够在所述连接处于组装状态时邻接地协作。
15.一种螺纹连接部，通过组装根据前述权利要求中的任一项所述的组件产生。
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