具有螺旋延伸的扭矩肩部的管狀連接件的制作方法
【專利說(shuō)明】具有螺旋延伸的扭矩肩部的管狀連接件
[0001]交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求于2012年11月28日申請(qǐng)的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)序列號(hào)61/730，720和于2013年3月13日申請(qǐng)的美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)13/798,330的優(yōu)先權(quán)，它們的全文通過(guò)引用并入于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本申請(qǐng)涉及管狀連接件，更具體地，涉及具有螺旋扭矩肩部裝置的管狀連接件。
【背景技術(shù)】
[0004]油氣上游開采工業(yè)鉆出具有不斷增加的深度和復(fù)雜性的油氣井以便發(fā)現(xiàn)和開采未加工的碳?xì)浠衔?。該工業(yè)通常使用鋼管(石油工業(yè)用管材)來(lái)保護(hù)井孔(套管)并控制其中(生產(chǎn)管)開采出的流體。套管和生產(chǎn)管以相對(duì)短的長(zhǎng)度段制造和運(yùn)輸并且每次在井孔中安裝一個(gè)長(zhǎng)度段，每個(gè)長(zhǎng)度段連接到下一個(gè)長(zhǎng)度段。當(dāng)對(duì)油氣的搜尋驅(qū)使公司鉆出更深更困難的油氣井時(shí)，在拉力和壓力方面對(duì)套管和生產(chǎn)管的需要成比例地增長(zhǎng)得更大。斜井和水平井的開發(fā)技術(shù)已經(jīng)加劇了這種趨勢(shì)，給對(duì)套管和生產(chǎn)管的需求增加了對(duì)于逐漸增加的扭轉(zhuǎn)載荷的進(jìn)一步的考慮。
[0005]該領(lǐng)域內(nèi)存在兩種基本類型的連接器。最常見的是螺紋耦合連接器，其中在管道兩個(gè)長(zhǎng)接頭端部上加工的兩個(gè)陽(yáng)螺紋或外螺紋由在相對(duì)短的構(gòu)件上加工的兩個(gè)陰螺紋或內(nèi)螺紋連接，該相對(duì)短的構(gòu)件是具有比所述管道更大外徑和大致相同內(nèi)徑的聯(lián)接件。另一種是整體連接器，其中陽(yáng)接頭構(gòu)件螺紋連接到管道的全長(zhǎng)度接頭的一端上，陰接頭構(gòu)件螺紋連接到第二全長(zhǎng)度接頭中。這兩個(gè)接頭然后可以直接連接而不需要中間聯(lián)接構(gòu)件。可以進(jìn)一步處理管道本體的端部以便于連接件的螺紋連接。
[0006]螺紋輪廓一般是由正如在圖1中總體示出的螺紋牙底、螺紋牙頂、入扣牙側(cè)和承載牙側(cè)限定的。在傳統(tǒng)的螺紋中，“夾角”，即承載牙側(cè)與入扣牙側(cè)之間的角度是正的，意思是螺紋牙頂?shù)膶挾刃∮谧铋_始與其接合的螺紋槽的寬度。因此，當(dāng)這些螺紋通過(guò)一個(gè)構(gòu)件轉(zhuǎn)動(dòng)到另一個(gè)構(gòu)件中而組裝時(shí)陽(yáng)接頭齒容易定位到陰接頭凹槽中。在最終的組裝位置中，牙頂和牙底中的一個(gè)或兩個(gè)可以接合，在承載牙側(cè)或入扣牙側(cè)之間可以存在間隙。這使得螺紋能夠容易被組裝。正如在圖2A(入扣位置)，2B (接合位置)和2C(完全上緊位置)中示出的示例性螺紋位置中反映的，該間隙避免了承載牙側(cè)和入扣牙側(cè)與其匹配的表面形成正干涉的情況，這種正干涉將導(dǎo)致螺紋“鎖止”并且不完全接合。
[0007]這些年的許多進(jìn)步成就了“優(yōu)質(zhì)”連接件。與由API (美國(guó)石油組織)和其他類似組織明確提出的連接件相比，人們可以總體上得出這些連接件的特征在于:1)更復(fù)雜的螺紋輪廓；2) —個(gè)或多個(gè)金屬對(duì)金屬密封表面；和3) —個(gè)或多個(gè)扭矩肩部。所述扭矩肩部是用于在幾何上定位金屬密封部并反作用于螺紋以抵制外部施加的扭矩的機(jī)構(gòu)，同時(shí)保持連接件螺紋部分內(nèi)具有相對(duì)低的圓周應(yīng)力。扭矩阻力是扭矩肩部面積的函數(shù)。
[0008]已經(jīng)用在本領(lǐng)域中的另一種螺紋系統(tǒng)稱作“楔形”螺紋，其由具有變化寬度或變化螺距的燕尾形螺紋系統(tǒng)形成。這種螺紋布置使螺紋能夠容易接合和組裝，但是在完全組裝好的位置中形成螺紋的相對(duì)牙側(cè)之間的正干涉。楔形螺紋一般具有比其他優(yōu)質(zhì)螺紋連接件更大的扭矩阻力。該“楔形螺紋”具有某些缺點(diǎn)，最重要的一個(gè)是其比僅具有單螺距的螺紋更難于制造和測(cè)量。在錐體上制造楔形螺紋進(jìn)一步增加了加工螺紋過(guò)程和測(cè)量過(guò)程的難度。
[0009]深的高壓力熱的和/或斜的油氣井的鉆機(jī)和生產(chǎn)者所需的是具有高扭矩特性的螺紋連接件，其加工相對(duì)容易并且生產(chǎn)成本相對(duì)較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]在一個(gè)方面中，一種連接石油工業(yè)用管狀套管或管件的管狀長(zhǎng)度段的方法包括以下步驟:使用具有相聯(lián)的陽(yáng)接頭構(gòu)件的第一管狀構(gòu)件，該陽(yáng)接頭構(gòu)件具有第一螺紋結(jié)構(gòu)和沿著所述陽(yáng)接頭構(gòu)件與所述第一螺紋結(jié)構(gòu)在軸向上隔開的第一螺旋扭矩肩部；使用具有相聯(lián)的陰接頭構(gòu)件的第二管狀構(gòu)件，該陰接頭構(gòu)件具有第二螺紋結(jié)構(gòu)和沿著所述陰接頭構(gòu)件與所述第二螺紋結(jié)構(gòu)在軸向上間隔開的第二螺旋扭矩肩部；使所述陽(yáng)接頭構(gòu)件與陰接頭構(gòu)件彼此接合進(jìn)入由第一螺紋結(jié)構(gòu)和第二螺紋結(jié)構(gòu)相互作用限定的入扣位置，在該入扣位置中，所述第一螺旋扭矩肩部不與所述第二螺旋扭矩肩部接觸或軸向重疊；轉(zhuǎn)動(dòng)所述第一管狀構(gòu)件或第二管狀構(gòu)件中的至少一個(gè)，使得所述第一螺紋結(jié)構(gòu)與第二螺紋結(jié)構(gòu)之間的相互作用引導(dǎo)所述第一螺旋扭矩肩部與所述第二螺旋扭矩肩部協(xié)作對(duì)準(zhǔn)；繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)所述第一管狀構(gòu)件或第二管狀構(gòu)件中的至少一個(gè)直到所述第一螺旋扭矩肩部與所述第二螺旋扭矩肩部完全接合。
[0011]在另一個(gè)方面中，一種管狀連接件包括陽(yáng)接頭構(gòu)件和陰接頭構(gòu)件。所述陽(yáng)接頭構(gòu)件具有第一螺紋結(jié)構(gòu)和沿著所述陽(yáng)接頭構(gòu)件與所述第一螺紋結(jié)構(gòu)軸向間隔開的螺旋扭矩肩部。所述陰接頭構(gòu)件具有第二螺紋結(jié)構(gòu)和沿著所述陰接頭構(gòu)件與所述第二螺紋結(jié)構(gòu)軸向間隔開的第二螺旋扭矩肩部。所述第一螺紋結(jié)構(gòu)和第二螺紋結(jié)構(gòu)的尺寸和位置設(shè)置成用于控制管狀連接件的入扣位置，在該入扣位置中，所述第一螺旋扭矩肩部不與所述第二螺旋扭矩肩部接合或軸向重疊。
[0012]在一個(gè)示例中，所述第一螺紋結(jié)構(gòu)和第二螺紋結(jié)構(gòu)可以分別是錐形恒定螺距螺紋，所述第一和第二螺旋扭矩肩部可以由各自的非錐形結(jié)構(gòu)形成。
[0013]在附圖和下面的描述中敘述了一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式的細(xì)節(jié)。從所述描述和附圖以及從權(quán)利要求中可以使其他特征、目的和優(yōu)點(diǎn)變得顯而易見。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是螺紋型式的示意圖；
[0015]圖2A、2B和2C分別示出了處于入扣、接合和上緊的狀態(tài)下的連接件的一部分；
[0016]圖3不出了具有圓柱形扭矩肩部表面的一個(gè)不例性優(yōu)質(zhì)連接件；
[0017]圖4示出了螺旋扭矩肩部延伸到圓柱形扭矩肩部中的連接件的一個(gè)實(shí)施方式；
[0018]圖5和6示出了螺旋扭矩肩部延伸到圓柱形扭矩肩部中的連接件的另一個(gè)實(shí)施方式；
[0019]圖7示出了其中螺旋扭矩肩部由燕尾楔形結(jié)構(gòu)形成的連接件實(shí)施方式。
【具體實(shí)施方式】
[0020]本管狀連接件提供了螺旋扭矩肩部裝置。
[0021]在該主要的實(shí)施方式中，傳統(tǒng)的圓周方向延伸的扭矩肩部(例如通常在螺紋耦合優(yōu)質(zhì)連接件的陰接頭基部與陽(yáng)接頭前端部的連接處的肩部，或者中心肩部)由螺旋延伸的扭矩肩部補(bǔ)充或替代。
[0022]正如前面提到的，最“優(yōu)質(zhì)”的連接件，圖3中示出了每個(gè)示意性的部分陽(yáng)接頭10和陰接頭12連接，該連接件包括螺紋14、金屬密封部16和正扭矩肩部18。當(dāng)將連接件的第一構(gòu)件組裝到第二、匹配構(gòu)件中時(shí)，這些螺紋在它們各自的“入扣”牙側(cè)上的某點(diǎn)處接觸。當(dāng)由該構(gòu)件外部的力矩驅(qū)動(dòng)使第一構(gòu)件10轉(zhuǎn)動(dòng)到第二構(gòu)件中時(shí)，螺紋接合并且螺紋連接件的第一構(gòu)件運(yùn)動(dòng)到由接合的螺紋的幾何形狀約束的第二構(gòu)件中。當(dāng)螺紋接合件接近完全組裝時(shí)，兩個(gè)相對(duì)的結(jié)構(gòu)，即“扭矩肩部”接觸。
[0023]通常在螺紋耦合優(yōu)質(zhì)連接件的陽(yáng)接頭前端部與陰接頭基部界面處的傳統(tǒng)的扭矩肩部是正如在圖3中示出的圓柱形肩部表面，大約是兩個(gè)構(gòu)件的完整圓周面。兩個(gè)肩部位于基本垂直于所述構(gòu)件/連接件的縱向軸線22 (例如僅在徑向延伸的肩部表面的情況下，如圖所示)的各自的平面(例如20)內(nèi)或者沿著各自的相對(duì)窄的軸向延伸部(例如在肩部與徑向方向以某一角度延伸的情況下的軸向延伸部24)定位。在兩種中的任一種情況下，在距離所述構(gòu)件/連接件的中心軸線任意給定的徑向距離處，可以沿著該徑向距離的表面定義沿圓周方向延伸的線，該線將位于與所述連接件的所述軸線基本垂直的平面內(nèi)。當(dāng)所述第一構(gòu)件的金屬密封表面16A接觸所述第二構(gòu)件的金屬密封表面16B時(shí)，這二者之間的反作用產(chǎn)生反力并立即阻止螺紋構(gòu)件持續(xù)的軸向相對(duì)運(yùn)動(dòng)。由外部力矩驅(qū)動(dòng)的第一構(gòu)件的螺紋繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而引起使得所述螺紋接觸從入扣牙側(cè)接合運(yùn)動(dòng)到承載牙側(cè)接合的轉(zhuǎn)換。
[0024]一旦螺紋的承載牙側(cè)接合，從外部施加的力矩的任何另外的增加引起螺紋的承載牙側(cè)之間的反作用以及金屬對(duì)金屬密封，迫使第一構(gòu)件沿著由螺紋幾何形狀限定的路徑進(jìn)入第二構(gòu)件，克服密封部的干涉配合的阻力使金屬密封部進(jìn)一步接合。一旦第一構(gòu)件的扭矩肩部表面18A接觸第二構(gòu)件的扭矩肩部表面18B，進(jìn)一步的轉(zhuǎn)動(dòng)是不可能的。每個(gè)構(gòu)件扭矩肩部之間的接觸進(jìn)一步阻止了圓周方向上的運(yùn)動(dòng)。
[0025]如果外部力矩足夠大并且螺紋的承載量和受剪承載力足夠大，扭矩肩部自身將屈月艮，每個(gè)構(gòu)件的肩部之間的相互作用力變得大于肩部的受剪承載力或承載量。
[0026]本發(fā)明涉及一種通過(guò)增加扭矩肩部的表面積來(lái)增加連接件的扭矩阻力的技術(shù)方案，因?yàn)榻佑|應(yīng)力與力成正比例，與面積成反比例。對(duì)于給定的管道壁厚，螺紋必須