CN106574489B - 具有复合曲线倒圆的抗疲劳螺纹轮廓 - Google Patents
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Abstract
包括具有外螺纹的外螺纹端和具有与外螺纹互补的内螺纹端的螺纹连接器具有螺纹轮廓，其限定内螺纹和外螺纹中的一者或两者的至少一部分。该螺纹轮廓可以包括将第一螺纹面连接至第二螺纹面的螺纹根部，且该螺纹根部可以至少部分由多个切向互连半径限定。该多个半径可以包括至少内侧半径、该内侧半径的一侧上的第一远端半径以及该内侧半径的另一侧上的第二远端半径。该内侧半径可以大于第一远端半径和第二远端半径。替代地，该螺纹轮廓包括将第一螺纹面连接至第二螺纹面的螺纹根部，该螺纹根部至少部分由多个半径限定，每个半径具有不同长度且各自限定圆弧。
Description
技术领域
本发明总体上涉及油田井下工具，且更具体地涉及用于向消耗装置传递旋转动力的方法和装置。
背景技术
螺纹连接件是接合诸如管段的两个或两个以上构件的普遍方法。在某些应用中，如在油气勘探和开采应用期间，由螺纹连接件接合的一串管段可以在井眼中旋转。例如，钻柱可以旋转以迫使井底组件进入地下地层中。井底组件(BHA)还可以包括与螺纹连接件配接或接合的部件。在某些实例中，钻井活动可以导致钻柱和BHA弯曲。如所知，螺纹连接件的弯曲在螺纹连接件的一侧上引发压缩并且在螺纹连接件的另一侧上引发拉伸。因为螺纹连接件正在旋转，所以拉伸和压缩是周期性的。当然，还已知由均匀中等负荷施加的周期性弯曲应力可以造成螺纹连接件疲劳(例如，高循环疲劳)。
井眼环境或斜井井眼的恶劣钻井条件可在这些螺纹连接件中产生此类周期性弯曲应力。不幸的是，常规的螺纹连接件(诸如由美国石油学会(API)指定的这些螺纹连接件)并非总是拥有足够的抗弯曲疲劳性来支持高级钻井程序或复杂的井眼轨道。例如，在某些实例中，钻井操作和油田开采可需要大斜度井眼，例如具有尖锐半径部分的井眼。形成斜井井眼段需要可承受相对较高的“造斜率”的BHA和钻柱。经受此类造斜率的常规螺纹连接件可遭遇缩短的使用寿命或需要附加维修或返工。另外，即使常见的钻井条件也会使常规螺纹连接件缓慢地恶化使得这些连接件必须更换或返工。此类活动中招致的成本不仅包括维修成本本身，而且包括例如钻井活动中的延迟。
本发明致力于解决常规螺纹连接件的这些和其它缺点。
发明内容
在多个方面中，本发明提供了一种螺纹连接器，其包括具有外螺纹的外螺纹端和具有与该外螺纹互补的内螺纹的内螺纹端。该连接器还包括螺纹轮廓，其限定内螺纹和外螺纹中的一者或两者的至少一部分。该螺纹轮廓可以包括将第一螺纹面连接至第二螺纹面的螺纹根部，且该螺纹根部可以至少部分由多个切向互连半径限定。该多个半径可以包括至少内侧半径、该内侧半径的一侧上的第一远端半径，以及该内侧半径的另一侧上的第二远端半径。该内侧半径可以大于第一远端半径和第二远端半径。
在相关方面中，本发明使用一种包括将第一螺纹面连接至第二螺纹面的螺纹根部的螺纹轮廓。该螺纹根部可以至少部分由多个半径限定，每个半径具有不同长度且各自限定圆弧。
在进一步方面中，本发明提供了一种用于形成螺纹连接件的方法。该方法可以包括形成具有外螺纹的外螺纹端，并且形成具有与外螺纹互补的内螺纹的内螺纹端。限定内螺纹和外螺纹中的一个或两个的至少一部分的螺纹轮廓可以包括将第一螺纹面连接至第二螺纹面的螺纹根部。该螺纹根部可以至少部分由多个切向互连半径限定。该多个半径可以包括至少内侧半径、该内侧半径的一侧上的第一远端半径，以及该内侧半径的另一侧上的第二远端半径。该内侧半径可以大于第一远端半径和第二远端半径。
因此已经相当广泛地总结了本发明的某些特征的说明性实例使得可以更好地理解本发明的以下详细描述且使得可以明白对本领域的贡献。当然，本发明的附加特征将在下文予以描述并且将形成本发明所附的权利要求书的主题。
附图说明
为了详细地理解本发明，应当参考结合附图取得的对优选实施例的以下详细描述，在附图中，相同元件已被赋予相同标号，且在附图中：
图1示出具有利用本发明的螺纹连接件的井底组件的井建***的示意图；
图2示出根据本发明的可以使用螺纹装置的示例性连接件的截面示意图；
图3描绘了根据本发明的一个实施例具有三个半径的示例性螺纹根部；
图4描绘了根据本发明的一个实施例具有两个半径的示例性螺纹根部；以及
图5A和5B描绘了根据本发明的实施例具有三个半径的示例性螺纹根部。
具体实施方式
本发明涉及一种用于增大特别在油井应用中遭遇周期性弯曲应力的外螺纹端和内螺纹端连接件或联接件的抗疲劳性的设备和方法。本发明的方面提供了一种螺纹轮廓倒圆，其可以减小螺纹的根部处的局部应力并且因此可以增大螺纹连接件的疲劳强度。螺纹根部处的倒圆的优化形状可以是具有不同大小的至少两个半径的组合。本发明可以有不同形式的实施例。在附图中示出并将在本文详细地描述本发明的具体实施例，并应理解：本发明应被认为是本发明的原理的示例，而并非意在将本发明限制于本文说明并描述的内容。
在图1中，示出利用经配置用于对井眼钻井的井底组件(BHA)60的钻井***10的实施例。虽然示出了陆地***，但是本发明的教导也可以在海上或海底应用中利用。在图1中，层积地层11被井眼12横断。BHA60是经由钻柱22输送至井眼12中。钻柱22可以是接合钻杆或连续油管，其可以包括用于功率和/或数据的嵌入式导体以提供地表与井下设备之间的信号和/或功率通信。BHA 60可以包括用于形成井眼12的钻头62。在某些实施例中，BHA 60可以包括诸如钻井马达120的一个或多个旋转式电源。
在常见的操作模式中，经由钻柱22将加压钻井流体从地表向下泵送至BHA 60。此流动钻井流体可以用于为钻井马达120供能，从而产生使钻头62旋转的旋转动力。流动钻井泥浆也可激励涡轮或从流动钻井流体中提取能量的其它类似装置。可以利用所提取的能量来产生电力和/或加压液压流体。应当理解的是，产生旋转动力(即，产生有用的转矩)和发电以及流体加压仅仅说明可以由旋转动力的消耗装置执行的各种功能。
参考图2，螺纹连接件可以包括外螺纹端150和内螺纹端152。以常规方式，外螺纹端150具有外螺纹154，且内螺纹端152具有内螺纹156。图2的连接件可以用于连接钻柱22(图1)的接合管、接头和BHA 60(图1)的其它部件等。图2的连接件还可以在包括(但不限于)管下扩眼器、扩眼器、切管工具等的任何其它钻井工具中使用。
参考图3，更详细地示出外螺纹154的螺纹轮廓的根部158。如本文所使用，术语“螺纹轮廓”是指轴向平面中的螺纹的螺纹形式或构造，并且通常被视为包括牙顶、根部和螺纹面。根部158处的应力集中度受限定螺纹(例如，螺纹154)的负荷螺纹面162与后螺纹面164之间的表面160的一个或多个圆弧的半径的长度影响。如本文所使用，圆的半径是从中心至其边缘上的任意点的直线的长度。通常，应力随着半径长度的增加而降低。如果螺纹轮廓的某些参数(例如，螺距或齿宽、螺纹侧面角、高度等)是固定的，那么增大半径的可能性是最小的。在本文，对根部的半径的指代与对由该半径限定的圆弧的指代相同；即，此类指代被视为可互换的。因此，当螺纹轮廓的根部被视为具有指定半径时，意指限定该根部的表面的至少一部分沿着由指定半径限定的圆弧。弧线的长度取决于半径和跨角这二者。
本发明的实施例使用半径(在下文，复合曲线倒圆(CCR))与增大的半径长度的组合，以由此增大沿着接合负荷螺纹面162与后螺纹面164的表面160的选定位置处的对应半径曲率。在图3的非限制性实施例中，接合负荷螺纹面162与后螺纹面164的表面160是由各自具有半径190、192、194的弧线180、182、184限定。CCR涉及将相对较小“尖锐”半径置于螺纹根部的较小临界位置处(例如，紧邻螺纹面)且增大更大临界位置处的半径——通常在根部158的内侧部分或中间。在非限制性设置中，半径190可以是0.70mm，半径192可以是1.8mm，且半径194可以是0.60mm。当与由1.15mm的单个半径限定的常规轮廓相比，螺纹根部158处的临界最大半径可以增大50％以上(从1.15mm增大至1.8mm)。另外，螺纹轮廓的深度略微缩小并且因此消耗外螺纹端和内螺纹端的更小半径空间。
参考图4，在实施例中，使用螺纹根部158处的CCR的螺纹轮廓可以包括2个不同半径(例如，R1和R2)。半径R1 200可以至少比半径R2 202大1.5倍。参考图5A，在另一个实施例中，螺纹轮廓可以使用三个半径(R1、R2和R3)。在此类实施例中，半径R1 206可以比半径R2208大两至四倍，且比R3 210大两至四倍。较小半径(R2 208和R3 210)可以在最大半径(R1206)的相对侧上。所有半径(R1 206、R2 208、R3 210)之间优选地切向连接。直立的负荷螺纹面162可以切向地连接至较小半径(R2)。较小半径R3可以直接切向连接至后螺纹面164。每个半径R1、R2、R3的弧线连接在端点处。切向连接意指端点处的每个半径的切线基本上对准；例如，小于10度角度偏差。在其中使用倾斜的负荷螺纹面(例如，25°至35°)的实施例中，与半径R2 208相关联的弧线可以覆盖约25°至45°，且与半径R1 206相关联的弧线可以覆盖约35°至65°。
替代地，如图5B中所示，角度ΘR3 220的径摆可以小于后螺纹面164的角度ΘSF222。负荷螺纹面162可以包括如先前所述的切向连接件。ΘR3220、ΘSF 222可以相对于平面224，其正交于连接件的纵向轴线226(图2)。
应当明白的是，这些值的提供具体仅仅是为了方便起见且本发明决不限于这些值。另外，应当理解的是，这些值经受可适用的加工容限。因此，这些值仅仅指示可以应用来最小化给定几何约束下的局部应力的一般优化技术。据信，螺纹轮廓的所述特征之间的一般关系将增强利用本发明的示例性螺纹轮廓的几乎任何直径大小的连接件的疲劳强度。
在本发明的替代性实施例中，螺纹可以经冷加工以提高抗疲劳性、经镀铜以提高抗磨损性和/或经喷丸处理以提高抗应力性/抗腐蚀性/抗裂性。螺纹还可以包括应力消除槽来提高抗疲劳性。
前面的描述针对的是为了说明和解释本发明的特定实施例。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不偏离本发明的范围的情况下可对上面提出的实施例进行许多修改和改变。下面的权利要求书意在包括所有这些修改和改变。
Claims (15)
1.一种螺纹连接器，其包括：
具有外螺纹的外螺纹端；
内螺纹端，其具有与所述外螺纹互补的内螺纹；以及
螺纹轮廓，其限定所述内螺纹和所述外螺纹中的一者的至少一部分，所述螺纹轮廓包括将第一螺纹面连接至第二螺纹面的螺纹根部，所述螺纹根部至少部分由多个切向互连半径限定，所述多个切向互连半径至少包括：
-内侧半径，
-所述内侧半径的一侧上的第一远端半径，以及
-所述内侧半径的另一侧上的第二远端半径，其中所述内侧半径大于所述第一远端半径和所述第二远端半径；
其中所述第一远端半径在第一切向连接部处切向连接至所述第一螺纹面且所述第二远端半径在第二切向连接部处切向连接至所述第二螺纹面，并且其中与所述第一切向连接部和所述第二切向连接部中的至少一者相关的切线与所述第一螺纹面和所述第二螺纹面中相应的一者相对齐。
2.根据权利要求1所述的连接器，其中所述内侧半径比所述第一远端半径和所述第二远端半径中的一个大至少1.5倍。
3.根据权利要求2所述的连接器，其中所述内侧半径比所述第一远端半径和所述第二远端半径中的一者大不超过4.5倍。
4.根据权利要求1所述的连接器，其中所述多个切向互连半径中的每一个限定圆弧。
5.根据权利要求1所述的连接器，其中每个半径具有相关弧线，其中所述弧线在端点处彼此连接，且其中两个半径的切线在端点处基本上对准。
6.根据权利要求1所述的螺纹连接器，其中所述外螺纹端和所述内螺纹端沿着钻柱和BHA中的一者设置。
7.根据权利要求1所述的螺纹连接器，其中所述第二远端半径以小于限定所述第二螺纹面的外表面的角度的角度连接至所述第二螺纹面。
8.一种螺纹连接器，其包括：
具有外螺纹的外螺纹端；
内螺纹端，其具有与所述外螺纹互补的内螺纹；
螺纹轮廓，其限定所述内螺纹和所述外螺纹中的一者的至少一部分，所述螺纹轮廓包括将第一螺纹面连接至第二螺纹面的螺纹根部，所述螺纹根部至少部分是由多个半径限定，每个半径具有不同长度且各自限定圆弧，
其中第一远端半径在第一切向连接部处切向连接至所述第一螺纹面且第二远端半径在第二切向连接部处切向连接至所述第二螺纹面，并且其中与所述第一切向连接部和所述第二切向连接部中的至少一者相关的切线与所述第一螺纹面和所述第二螺纹面中相应的一者相对齐。
9.根据权利要求8所述的连接器，其中所述第一螺纹面是倾斜的负荷螺纹面，且其中所述多个半径中的第一半径限定介于25°至45°之间的弧线，且所述多个半径中的第二半径限定介于35°至65°之间的弧线。
10.根据权利要求8所述的连接器，其中所述多个半径切向互连。
11.根据权利要求8所述的连接器，其中所述多个半径包括比相邻半径大至少1.5倍的内侧半径。
12.根据权利要求8所述的连接器，其中所述多个半径包括比相邻半径大不超过4.5倍的内侧半径。
13.一种用于形成螺纹连接件的方法，其包括：
形成具有外螺纹的外螺纹端；以及
形成具有与所述外螺纹互补的内螺纹的内螺纹端，其中限定所述内螺纹和所述外螺纹中的一者的至少一部分的螺纹轮廓包括将第一螺纹面连接至第二螺纹面的螺纹根部，且其中所述螺纹根部至少部分由多个切向互连半径限定，所述多个切向互连半径至少包括：
-内侧半径，
-所述内侧半径的一侧上的第一远端半径；以及
-所述内侧半径的另一侧上的第二远端半径，其中所述内侧半径大于所述第一远端半径和所述第二远端半径，
其中所述第一远端半径在第一切向连接部处切向连接至所述第一螺纹面且所述第二远端半径在第二切向连接部处切向连接至所述第二螺纹面，并且其中与所述第一切向连接部和所述第二切向连接部中的至少一者相关的切线与所述第一螺纹面和所述第二螺纹面中相应的一者相对齐。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述内侧半径比所述第一远端半径和所述第二远端半径中的一个大至少1.5倍。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述内侧半径比所述第一远端半径和所述第二远端半径中的一者大不超过4.5倍。
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