專利名稱：管狀接頭的螺紋構(gòu)件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種固接管狀流動導(dǎo)管以形成所需連續(xù)流動通路用的那類螺紋連接的螺紋構(gòu)件(thread form)。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)中，已知許多首尾相接而形成流體輸送連續(xù)流動通路的供連接管狀流動導(dǎo)管用的螺紋連接。這種流動導(dǎo)管的典型實例包括用于油、氣體、水和廢物處理井的套管、可膨脹套管、管系、鉆桿和提升器，并用于水平且無管溝鉆井應(yīng)用場合。在油田套管和管系情況下，慣例使用一定長度的金屬管，管段連接成串。管串有效地形成一個較長的管道，意欲提供能及達產(chǎn)油層或產(chǎn)氣層所處深度的工具，以便將之抽出地表面。
管段由外螺紋接頭或"陽螺紋接頭"在端口處固接起來，也就是說以螺紋方式接納于內(nèi)螺紋接頭或"陰螺紋接頭"內(nèi)。 一般說來，各管段在一個管端上有陽螺紋接頭，而在相對的管端上有陰螺紋接頭。某些管子有固接到雙陽螺紋接頭管段一端的內(nèi)螺紋接頭，以形成陰螺紋接頭。單獨的管段常常被稱為"管節(jié)"。管系與套管的管節(jié)通常為30英尺長，但可從20英尺長度變到40英尺或更長。 建井中所用的各種管串通常在鉆機或修井作業(yè)機的底盤上組裝。當(dāng)后續(xù)管節(jié)添加到管串時，管串得以加長，并降到井中。在這個組裝程序過程中，使添加到管串上的管節(jié)下降，陽螺紋接頭向下或陽螺紋接頭向上，進入朝上或朝下對著伸出鉆機底盤的陰螺紋接頭。這個程序一般被稱為"插入(stabbing)"陽螺紋接頭進入陰螺紋接頭。在插入后，使所添加的管節(jié)旋轉(zhuǎn)，以使陽螺紋接頭和陰螺紋接頭嚙合，將接頭固接到管串上。在"去插入"或拆卸管串時，或者為了"去插入"或拆卸管串，過程基本顛倒過來。 一旦沒有陰螺紋接頭，除下的接頭便移到貯存處所。 近年來，在所論及類型的螺紋技術(shù)方面已有很大進展。例如，1981年為Blose出版的Re. Pat. No. 30， 647公開了一種管狀接頭，該接頭的螺紋構(gòu)件提供了非常強固的接頭，同時控制接頭所連接陽螺紋和陰螺紋接頭元件中的應(yīng)力和應(yīng)變。該螺紋構(gòu)件以配套螺旋紋為特征，在相對向螺紋寬度上楔削，以保證相對齒側(cè)楔狀嚙合，制約接頭旋轉(zhuǎn)裝配。這種楔式螺紋，如果設(shè)計得當(dāng)，會產(chǎn)生高扭轉(zhuǎn)抗力，而不會在裝配接頭時誘導(dǎo)軸向或徑向應(yīng)力進入管狀接頭，使接頭更易于卸開，如果必需這樣做的話。通過降低螺紋連接中的軸向或徑向應(yīng)力，就可在理論上提供堅固的接頭，這種接頭能承受更大程度的工作應(yīng)力和應(yīng)變。
1986年7月15日出版、授予Blose的美國專利No. 4， 600， 224，涉及對基礎(chǔ)楔式螺紋構(gòu)思的精細(xì)設(shè)計和更進一步改進。'224專利所公開的發(fā)明中，展示了一種負(fù)載側(cè)面為"人字形"的接頭。螺紋連接的徑向裝配受特定螺紋結(jié)構(gòu)控制，其中螺紋徑向移動到配接螺紋槽內(nèi)是受螺紋連接的兩個承載螺紋表面之間人字型嚙合限制的，而不是僅取決于螺紋寬度。 1992年12月7日為Reeves出版的Re. Pat. No. 34， 467聲稱是對基礎(chǔ)Blose楔式螺紋設(shè)計的改進。正如專利權(quán)人所解釋的那樣，當(dāng)旋轉(zhuǎn)地裝配Blose接頭以使正背兩個螺紋負(fù)載側(cè)面都嚙合時，不可壓縮螺紋潤滑劑或其他的液體可截留在嚙合負(fù)載側(cè)面之 間。這種截留的螺紋潤滑劑可抗拒裝配扭矩，并發(fā)出錯誤的扭矩指示，該錯誤指示導(dǎo)致應(yīng)力 和應(yīng)變比Blose接頭引起的預(yù)期應(yīng)力和應(yīng)變低，從而降低設(shè)計強度和承載能力。Re. Pat. No. 34， 467中所述發(fā)明的目的在于，通過從螺紋負(fù)載側(cè)面之間排除裝配時帶進嚙合部的螺 紋潤滑劑來排除扭矩錯誤指示的可能性。 在Re. Pat. No. 30， 647和Re. Pat. No. 34， 467中，優(yōu)選的螺紋的橫截面為"雞尾形"， 螺紋頂處較螺紋根部處寬。美國專利No. 4， 600， 224是一種偏離Blose的設(shè)計，其中公開了 半鳩尾螺紋或部分鳩尾螺紋。然而，按照術(shù)語"鳩尾"的傳統(tǒng)定義，螺紋頂部寬度仍然大于 螺紋根部寬度。 授予Kris L. Church的美國專利No. 6， 254， 146和6， 722， 706，是要進一步完善所 論述類型的螺紋構(gòu)件。Church的這些早期專利中所展現(xiàn)的螺紋構(gòu)件包括特定螺紋結(jié)構(gòu)，其 中一個螺紋徑向移動到匹配螺紋槽中是受螺紋連接的兩個匹配螺紋表面之間的復(fù)雜輪廓 嚙合控制的。該復(fù)雜的輪廓可存在于插入側(cè)面上，可存在于負(fù)載側(cè)面上，或可存在于兩個齒 側(cè)面的結(jié)合部上。在相嚙合螺紋的匹配頂部之間提供受控的公隙來預(yù)防螺紋頂部和根部間 殘存潤滑劑所引起液壓增大。插入側(cè)面和負(fù)載側(cè)面復(fù)雜的輪廓優(yōu)選為多刻面齒側(cè)面，這些 多刻面齒側(cè)面各至少具有三個刻面和四種半徑。陽螺紋接頭元件頂部具有頂部寬度，而陽 螺紋接頭元件根部具有根部寬度。頂部的寬度小于螺紋根部的寬度，這全然與一般的鳩尾 設(shè)計相反。 盡管對上面所討論的螺紋構(gòu)件設(shè)計作了改進，但仍舊存在著對能夠快速并高效耦
接管狀管段的需要，這種螺紋構(gòu)件能形成牢固的接合，而且能以低成本生產(chǎn)。 也存在著對這樣一種螺紋構(gòu)件的需要，該螺紋構(gòu)件提供比現(xiàn)有結(jié)構(gòu)更通用的結(jié)
構(gòu)；該螺紋構(gòu)件因最終用途不同而達到不同的目的，例如提供更易于且更快機加工而不會
損失預(yù)期性能指標(biāo)的內(nèi)螺紋管接頭，例如可用于可膨脹套管連接器的內(nèi)螺紋管接頭。 也存在著對聯(lián)接管狀管段的改良螺紋構(gòu)件的需要，該螺紋構(gòu)件允許制造過程中機
加工更多的每英寸螺紋數(shù)，從而使某些類型接頭的總長度比先前可能的更短一些。 也存在著對設(shè)有刻面幾何形狀的改良螺紋構(gòu)件的需要，該改良螺紋構(gòu)件可按照螺
紋在高度上塑性坍陷的方式來成型，產(chǎn)生一種例如用于可膨脹的管加工的改良互鎖結(jié)構(gòu)。 也存在著對這樣一種改良螺紋構(gòu)件的需要，該螺紋構(gòu)件的螺紋高度可另外設(shè)計成
很耐螺紋高度塑性坍陷，例如可用于鉆桿工具接頭或加厚修理接頭。 也存在著對這樣一種螺紋構(gòu)件的需要，該螺紋構(gòu)件可設(shè)計成螺紋高度相對小，例 如，以供在軸向張力和壓縮能力高的不加厚螺紋管材上使用。 也存在著對這樣一種改良螺紋構(gòu)件的需要，該改良螺紋構(gòu)件為要求接頭在整個接 頭長度上具有低或受控的應(yīng)力的維修提供半徑和直徑上的應(yīng)力控制。
發(fā)明內(nèi)容
該本發(fā)明的目的是對上面所討論基礎(chǔ)螺紋構(gòu)件提供更進一步的改進，這種改進提 供優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)計特征和性能，而且這種改進滿足上面所討論現(xiàn)有技術(shù)所列舉的種種 需求。 本發(fā)明螺紋構(gòu)件可用來構(gòu)成螺 管接頭，該螺紋管接頭能旋接在一起并隨后旋卸。該螺紋構(gòu)件用在一種接頭上，該接頭包括陽螺紋接頭元件，該陽螺紋接頭元件具有外螺 紋，其中包括插入側(cè)面與負(fù)載側(cè)面以及平螺紋頂部和根部，用來與陰螺紋接頭元件的匹配 內(nèi)螺紋配接，構(gòu)成管接頭。在本發(fā)明的一種優(yōu)選形式中，陽螺紋接頭元件為一般圓筒形的、 具外螺紋的元件，其中外螺紋在負(fù)載側(cè)面上各由兩個刻面和三種半徑構(gòu)成。另一方面，陽螺 紋接頭元件的插入側(cè)面上的外螺紋具有不規(guī)則的側(cè)面特征，對于每個插入側(cè)面而言，該不 規(guī)則的特征包括三個刻面和4種半徑。 本發(fā)明螺紋構(gòu)件的特征還在于，設(shè)有一定的總螺紋高度，該總螺紋高度在螺紋頂 部和根部之間測得。以不同的名稱描述的螺紋刻面各有一個徑向高度，該徑向高度沿總螺 紋高度的相同方向測得。在本發(fā)明的一種形式中，插入側(cè)面上刻面之一的徑向高度小于其 余兩個刻面的徑向高度。在本發(fā)明的一種形式中，螺紋還具有給定的總螺紋高度，該總螺紋 高度在螺紋頂部和根部之間測得，其中各螺紋刻面各有徑向高度，該徑向高度在與螺紋高 度的相同方向上測得；而且其中各負(fù)載側(cè)面刻面的徑向高度近似相等。 陽螺紋接頭元件具有中心縱軸，而且螺紋根部及頂部優(yōu)選平行于該中心縱軸。然
而，不同的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)可規(guī)定，根部和頂部平行于特定的斜度。本發(fā)明螺紋構(gòu)件的優(yōu)選結(jié)構(gòu)為
徑向錐形楔螺紋。然而，也可設(shè)計成圓筒形接頭。該楔式螺紋結(jié)構(gòu)可具兩個螺紋切削斜度，
或者如若需要也可更多。本發(fā)明螺紋構(gòu)件可用來形成管材螺紋連接，該管材例如包括油、氣
體、流態(tài)建筑材料、水和廢物處理井的套管和管系。 另外的目的、特征和優(yōu)點將在隨后的書面說明中清晰可見。
圖1是使用本發(fā)明螺紋構(gòu)件的管段陽螺紋接口端的側(cè)向剖視圖。 圖2A和圖2B分別為本發(fā)明螺紋構(gòu)件中一種型式陰螺紋接頭元件和陽螺紋接頭元
件的四分之一部分剖視圖，所述元件間隔開，以便說明和示出接頭的配合的螺紋表面。 圖3是本發(fā)明螺紋構(gòu)件中一種陽螺紋的單獨四分之一剖面圖，示明該螺紋幾何形
狀的各種特征。 圖4 圖10為類似于圖3的視圖，但是示明本發(fā)明陽螺紋構(gòu)件的等效替代型式， 其中所選擇插入側(cè)面和負(fù)載側(cè)面中的一者有兩個刻面和三種半徑，而插入側(cè)面和負(fù)載側(cè)面 中的另 一者有三個刻面和四種半徑。
具體實施例方式
為簡單起見，本發(fā)明將通過一段油田套管來敘述。見附圖中的圖l，圖中示明管狀 管段的陽螺紋接口端橫剖面視圖，該管狀管段例如為使用本發(fā)明螺紋構(gòu)件的油田套管段， 這種管段一般設(shè)計成11。雖然僅示明接頭的陽螺紋接口端，但是很清楚，陽螺紋接口端是要 同匹配的陰螺紋接頭端裝配在一起而形成管接頭的。正如已討論過的那樣，本發(fā)明螺紋構(gòu) 件也可用于各式各樣的管類材料。典型的應(yīng)用場合可包括但不局限于油和氣的近海和陸上 的子表面套管、中間套管、生產(chǎn)套管、可膨脹套管、翻新管系、產(chǎn)油管、橫梁、提升器、打樁套 管、干線用管、鉆探管、TNT管、齊平接頭、HDD管、水井管、流態(tài)建筑材料襯管、采集管，以及 廢物處理井。同樣，本領(lǐng)域技術(shù)人員會理解本發(fā)明螺紋構(gòu)件可用于許多已知類型的管接頭， 其中包括陷型的、擴張的、膨徑或非膨徑的接頭，并可為錐形或"圓筒形"、非錐形的接頭。本發(fā)明螺紋構(gòu)件也可用于螺旋形結(jié)構(gòu)的接頭，就像楔狀螺紋，例如Blose的專利No. 30， 647和 Reeves的專利No. 34， 467中所述者。 圖2A和圖2B更詳細(xì)地示明本發(fā)明的一種螺紋構(gòu)件。如圖2B所示，管形構(gòu)件的陽 螺紋接口端11設(shè)有陽螺紋接頭元件，其中包括螺紋頂部13和螺紋根部15。陽螺紋接頭元 件11的頂部13和根部15適于同匹配的、螺紋結(jié)構(gòu)相補的陰螺紋接頭元件12 (圖2A)裝配 在一起。陰螺紋接頭端12實質(zhì)上為陽螺紋接口端的鏡像。陽螺紋接頭元件頂部13成形于 陽螺紋接頭元件的插入側(cè)面17和負(fù)載側(cè)面19之間。螺紋頂部13大致平行于螺紋根部15 和通常圓筒形或者徑向錐形的管狀陽螺紋接頭元件11的水平軸16。 本文中所用的術(shù)語"負(fù)載側(cè)面"須理解成意指背對相應(yīng)的、其上加工成螺紋的陽零 件或陰零件的外端的螺紋側(cè)壁，而術(shù)語〃 插入側(cè)面〃 則須理解成涉及面朝相應(yīng)陽零件或陰 零件外端的側(cè)壁表面。至于圖2B中所示的螺紋，陽螺紋接口或外端將朝右設(shè)置，如圖2所 見。 圖3為陽螺紋接頭元件11上單個螺紋的孤立四分之一剖面圖。如圖3所示，本發(fā) 明螺紋構(gòu)件的插入側(cè)面17和負(fù)載側(cè)面19各設(shè)計成能在螺紋連接的陽螺紋接口端和陰螺紋 接頭端上兩個匹配螺紋表面之間匹配嚙合。在圖3示出的本發(fā)明中，負(fù)載側(cè)面19包括兩 個刻面18、20和三種半徑22、24、26。"刻面"表示螺紋頂部13和螺紋根部15之間各個螺 紋側(cè)面的裸露、平坦、二維的表面之一。換言之，術(shù)語"刻面"旨在表示類似于構(gòu)成鉆石的拋 光面的斜切面的表面。"半徑"表示與刻面及/或螺紋根部和頂部相切的圓角或轉(zhuǎn)角半徑 (fillet or corner radius)，如圖3中示出的22、24和26。 根據(jù)圖3將觀察到，刻面20相對于管16的水平軸和螺紋根部28形成一個負(fù)角 a ，有時稱為"鉤"。"負(fù)"角意指刻面20和相鄰螺紋根部表面28之間的角度為銳角，藉此 銳角，刻面20向外張開或者向內(nèi)朝螺紋根部28傾斜。在相似的構(gòu)造中，刻面18相對于表 面28形成正角或鈍角13 。 再參照圖3，會看到該插入側(cè)面17由三種刻面30、32、34和四種半徑36、38、40、42 構(gòu)成。同樣也會注意到，刻面30通常平行于負(fù)載側(cè)面上的刻面18，即它在相同的相對方向 上傾斜。因此，當(dāng)在斷面上觀看時，刻面18和30都在相同相對方向上相對于水平軸16傾 斜。在相似的構(gòu)造中，插入側(cè)面17上的刻面32通常平行于負(fù)載側(cè)面上的刻面20。然而，請 注意插入側(cè)面17包括另外的刻面34(圖3)，該刻面相對于相鄰的螺紋根部15傾斜而形成 負(fù)角或銳角。 參照圖4，圖中示出體現(xiàn)本發(fā)明思想的螺紋構(gòu)件。圖4中所示的螺紋構(gòu)件同樣在 負(fù)載側(cè)面上設(shè)有刻面44、46，這些刻面與先前圖3中所述螺紋構(gòu)件的負(fù)載側(cè)面上的刻面18 和20等同。然而，在圖4中螺紋構(gòu)件的情況下，插入側(cè)面上的三個刻面48、50、52全都反向 定向，也即相對于圖3中螺紋構(gòu)件的插入側(cè)面上的刻面30、32、34形成鏡像。請注意，螺紋 全都具有一定的總螺紋高度(圖4中為"h")，該螺紋高度在螺紋頂部和根部54、56之間測 得，而且其中各種螺紋刻面各具有徑向高度(如圖4中的"rhl"、"rh2"以及"rh3"所示)， 該徑向高度在與螺紋高度相同的方向上測得。在圖4所示的本發(fā)明中實施例中，可以看到 插入側(cè)面上的底部刻面52設(shè)有徑向高度"rhl"，該徑向高度小于其余兩個刻面rh2和rh3
的徑向高度。在圖4示出的本發(fā)明中，也可看到負(fù)載側(cè)面上刻面44、46的徑向高度近似相等。
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圖5示出了本發(fā)明改進螺紋構(gòu)件的另一種型式。圖5中示出的螺紋構(gòu)件設(shè)有插入 側(cè)面58，該插入側(cè)面與圖4中示出的前述螺紋構(gòu)件的插入側(cè)面等同。然而，圖5中螺紋構(gòu) 件的負(fù)載側(cè)面60則完全相反，或者為圖4中示出的負(fù)載側(cè)面44、46的鏡像。圖5中示出的 螺紋構(gòu)件也展示了各種螺紋寬度"wl "、"w2"和"w3"，并展示了圖5中示出的螺紋構(gòu)件的各 寬度如何相等。然而，對圖4的螺紋構(gòu)件進行類似比較表明，螺紋寬度"w4"、"w5"和"w6" 因沿螺紋高度上所取測量點的變化而變。換言之，寬度"w5"既大于螺紋寬度"w4"又大于 "w6"。本發(fā)明螺紋構(gòu)件的螺紋寬度具有獨特的特征，該特征賦予本發(fā)明螺紋構(gòu)件比現(xiàn)有技 術(shù)結(jié)構(gòu)更大的通風(fēng)性。 在圖6中示出的現(xiàn)有螺紋構(gòu)件結(jié)構(gòu)的另一種型式中，負(fù)載側(cè)面64與圖5中的負(fù)載 側(cè)面60等同。然而，該插入側(cè)面62卻相反，也即，為圖5中螺紋構(gòu)件插入側(cè)面58的鏡像。 也請注意各刻面66、68、70的相對高度，其中底部刻面66的相對高度較矮。
在圖7中示出的現(xiàn)有螺紋構(gòu)件結(jié)構(gòu)的另一種型式中，負(fù)載側(cè)面74與圖6中的負(fù)載 側(cè)面64等同。然而，插入側(cè)面72為"倒轉(zhuǎn)的"，其中比照圖7中的刻面高度76、68和80，頂 部刻面80的相對高度比其余刻面76和78矮些。 圖8 圖10示出了本發(fā)明螺紋構(gòu)件的再另一種型式。例如，在圖8中，插入側(cè)面 82與圖7中的插入側(cè)面72等同。然而，負(fù)載側(cè)面84是顛倒的，或者為圖7示出的螺紋構(gòu)件 中負(fù)載側(cè)面74的鏡像。圖9和圖10示出分別在各種螺紋構(gòu)件的插入側(cè)面和負(fù)載側(cè)面86、 88和90、92上的另外一些差異。 在某些情況下，本發(fā)明螺紋構(gòu)件可為螺旋形結(jié)構(gòu)例如楔形。換言之，將陽螺紋接頭 元件和陰螺紋接頭螺紋都加工成螺旋狀楔形螺紋，因此沿其螺旋狀的長度具有漸變的軸向 寬度。換言之，比照圖1，陽螺紋接頭元件11上的螺紋可加工得使各相繼螺紋的螺紋寬度 從陽螺紋接頭元件的內(nèi)部區(qū)域39沿其螺旋狀長度直到鄰近陽螺紋接頭元件口端的外部區(qū) 域37逐漸減小。陰螺紋接頭元件的軸向螺紋寬度會在相反方向上逐漸減小。陽螺紋接頭 元件和陰螺紋接頭螺紋的漸變軸向?qū)挾缺ＷC了楔劈嚙合，以限制管狀接頭的軸向裝配。"楔 形"螺紋構(gòu)件的更多細(xì)節(jié)可從先前引用的專利No. 30， 647(1981年授予Blose)以及螺紋構(gòu) 件設(shè)計領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉的類似參考文獻中獲悉。 根據(jù)圖1 圖IO可以看到，已介紹了本發(fā)明螺紋構(gòu)件的總計八種不同結(jié)構(gòu)。同樣， 就任何特定結(jié)構(gòu)而言，插入側(cè)面和負(fù)載側(cè)面的具體布列均可顛倒。換言之，對最優(yōu)選的結(jié)構(gòu) 來說，插入側(cè)面可有三個刻面和四種半徑，而負(fù)載側(cè)面可有兩個刻面和三種半徑。然而，結(jié) 構(gòu)可顛倒，致使負(fù)載側(cè)面有三個刻面和四種半徑，而插入側(cè)面有兩個刻面和三種半徑。
在本發(fā)明的最優(yōu)選形式中，三個刻面中的一者在高度上可比具有三個刻面和四種 半徑的側(cè)面上的另外兩個刻面更矮些。然而，可以理解，在某些結(jié)構(gòu)中，就應(yīng)力分布而言，所 有三個刻面均可為設(shè)計成具有不同的高度。負(fù)載側(cè)面各刻面優(yōu)選具有相同高度，但是須領(lǐng) 會的是，這些可視所需連接性能的設(shè)計準(zhǔn)則而定，設(shè)計成不同的刻面。優(yōu)選的接頭結(jié)構(gòu)為徑 向錐形楔螺紋。然而，也可想到設(shè)計成圓筒形接頭。在優(yōu)選的螺紋構(gòu)件中，螺紋根部和頂部 平行于管軸線。然而，不同的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)可要求，根部和頂部平行于特定的斜度(particular t即er)。在楔形螺紋結(jié)構(gòu)情況下，楔形螺紋可具兩個或更多個螺紋切削斜度。
本發(fā)明的改進螺紋構(gòu)件的特定用途是在所謂的"膨脹套管"中應(yīng)用，近年來這些應(yīng) 用已相當(dāng)廣泛地推廣使用。膨脹套管用于某些井身結(jié)構(gòu)作業(yè)，在這些作業(yè)中發(fā)現(xiàn)膨脹套管有利于已鉆裸井段中或套管井眼內(nèi)部的徑向塑性膨脹螺紋管接頭或者套管接頭。在套管井 眼中，徑向可膨脹套管可用來修補磨損或損壞的套管，以便例如增高舊套管的等級，從而防 止井眼過早廢棄。在井眼中的裸眼井段中，利用徑向可膨脹套管可減少預(yù)期最終套管井直 徑所需的鉆孔直徑，并且也可減少固定井眼中套管所需的水泥需要量。 在常規(guī)的油田、水和廢物處理鉆井中，套管柱間距安設(shè)，藉此將用于下一個間距的 套管貫穿用于先前間距的套管進行安裝。因此，套管柱的外徑受先前所裝套管柱的內(nèi)徑制 約。因此，常規(guī)的井眼中的套管柱彼此相套疊，在往下的方向上套管直徑漸減。通常在各套 管柱和井眼之間形成環(huán)隙，致使水泥可注入該環(huán)隙或環(huán)形空間，將套管和井眼之間封閉起 來。 由于常規(guī)井眼中套管柱套疊式布列，而且套管柱周圍的環(huán)隙需要水泥環(huán)繞，所以 井眼上部的井徑需相對大些。這種大的起始井徑可能導(dǎo)致費用提高，這應(yīng)歸于大直徑套管 的費用、鉆掘大直徑井眼的費用，以及對大的套管柱進行水泥灌漿的費用。另外，常規(guī)井眼 中套管柱的套疊式布列會嚴(yán)格限制井眼底部上最終套管柱的內(nèi)徑，這限制了并的潛在生產(chǎn)率。 因此，在套管柱已貫穿先前的套管柱進入井眼之后，使套管柱"現(xiàn)場"徑向膨脹，以 便將井眼底部處最終套管柱的內(nèi)徑縮減降到最少，也許是令人向往的。徑向膨脹井眼中的 套管柱，有著降低已鉆井眼和套管柱之間環(huán)隙的附加好處，它降低了完成套管和井眼之間 封閉所需的水泥用量。 徑向膨脹可通過冷變形膨脹過程來完成，在該膨脹過程中，膨脹工具或者"鉛罐 (Pig)"貫穿套管柱移動，以使套管柱徑向塑性膨脹。通常的現(xiàn)有技術(shù)膨脹方法使用圓錐形 漸縮冷變形膨脹工具來使井眼中的套管膨脹。該膨脹工具通常附著于進入井眼的套管柱的 下端。該膨脹工具也包括圓柱形截面，該圓柱形截面的直徑通常相當(dāng)于套管柱預(yù)期膨脹后 的內(nèi)徑。該圓柱形截面后為錐形截面。套管柱在井眼中就位之后，軸向向上的舉力施加在 工作管柱上，迫使膨脹工具向上貫穿套管柱，以使套管柱徑向向外位移到預(yù)期膨脹的直徑。
由上面所述會理解的是，用于膨脹套管作業(yè)的螺紋構(gòu)件須能可靠地結(jié)合套管柱， 并保持管串的整體性，以便膨脹作業(yè)不顯著減弱螺紋連接的承載能力。膨脹過程中，標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn) 有技術(shù)接頭中的軸向應(yīng)變會使接頭失效。另外，套管膨脹后，接頭的效率(一般定義為管體 的機械性能如軸向拉力負(fù)載量對橫切接頭的同種機械性能之比)可能嚴(yán)重下降。膨脹過程 中，管體壁厚通常也減小，因此管體本身的機械性能隨之降低。本發(fā)明的這種改進螺紋輪廓 理想地適用于所述類型的膨脹套管作業(yè)。 典型接頭的裝配將參照附圖中的圖1 圖3予以簡要討論。正如已解釋過的那樣， 管串的裝配通常包括陽螺紋接口端朝下，將管段下降到突出于鉆機底盤、面朝上的陰螺紋 接頭中，將管節(jié)加接到現(xiàn)有管串上。在插入就位后，使所添加的管節(jié)旋轉(zhuǎn)，以使陽螺紋接頭 和陰螺紋接頭嚙合，從而將接頭固接到管串上。本發(fā)明的這種接頭通常以相應(yīng)的螺紋根部 和頂部也即圖3中的13、28首先接觸而不加荷的運轉(zhuǎn)(free-rimning)。裝配次序中的下一 步，刻面表面30和20與其在陰螺紋接頭端中的相應(yīng)配對刻面接觸。最后，刻面表面32 、34 和18與其在接頭陰螺紋接頭端中的相應(yīng)配對表面接觸。 裝配順序的另一個例子如下首先，根部和頂部13、28嚙合起來僅僅幫助制成橢 圓形的陽螺紋及/或陰螺紋變圓。其次，刻面18、32嚙合，并與相應(yīng)的配合件抵觸，引起會
9在根部和頂部公隙中發(fā)展的應(yīng)力方向徑向離散。第三，刻面20、30和34嚙合，以將螺紋構(gòu) 件徑向固定就位，從而將螺環(huán)(hoop)和徑向應(yīng)力控制到優(yōu)選的或者可接受的程度。
裝配順序隨所用優(yōu)選結(jié)構(gòu)的獨特輪廓而異。因此，某些應(yīng)用場合要求陽刻面與陰 刻面嚙合。例如，當(dāng)陽螺紋接頭和陰螺紋接頭之間需要更高壓縮徑向應(yīng)力時，陽刻面和根部 與頂部不應(yīng)該以同等程度嚙合，或者完全不嚙合。 如果螺紋在裝配之后要發(fā)生塑性變形，則側(cè)面或刻面嚙合順序適合(ans)應(yīng)力控
制就能阻止螺紋構(gòu)件變形，以便在預(yù)定結(jié)構(gòu)中流變(flow)，有助于提高工作特性，例如內(nèi)外
流體或氣體密封度、軸向張力及/或壓緊整體性、折線形彎曲、折斷扭矩和疲勞。 發(fā)明已擁有若干優(yōu)點?？赏ㄟ^恰當(dāng)設(shè)計螺紋本身的輪廓嚙合表面，就可控制本發(fā)
明螺紋連接的軸向裝配。特殊的螺紋結(jié)構(gòu)可控制徑向裝配，這種特殊螺紋結(jié)構(gòu)中，螺紋裝配
到匹配螺紋槽之中的徑向移動將既受插入側(cè)面所用特定輪廓的限制，又受負(fù)載側(cè)面上所用
特定輪廓的限制。通過控制匹配螺紋間的徑向嚙合，就可控制潤滑劑夾裹。恰當(dāng)設(shè)計負(fù)載
側(cè)面和插入側(cè)面的螺紋輪廓，能在螺紋裝配的時候促成應(yīng)力平衡。本發(fā)明螺紋構(gòu)件保證了
在結(jié)構(gòu)方面比現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)更大的通用性。 刻面的幾何形狀能提供一種具有更容易和更快的機加工能力的陰(陰螺紋)接 頭，而不會損失預(yù)期性能標(biāo)準(zhǔn)，例如可膨脹套管接頭中可能需要的預(yù)期性能標(biāo)準(zhǔn)?？堂鎺缀?形狀可用一種使螺紋在高度上塑性塌陷的方式來成型，這樣就產(chǎn)生改進的徑向聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)。 舉例來說，這可通過使齒側(cè)面塑性傾斜或彎曲來進行，以導(dǎo)致預(yù)期螺紋聯(lián)鎖及/或壓力保 持及/或彎曲性能及/或徑向力聯(lián)鎖的改進及/或拉力/壓力的改進。舉例來說，通過上 述可膨脹管處理，也可實現(xiàn)螺紋的塑性變形。 另外，為使螺紋高度很耐螺紋高度塑性坍陷，也可設(shè)計本發(fā)明的螺紋幾何形狀。這 樣一種不彎曲螺紋構(gòu)件結(jié)構(gòu)的潛在待用場合為鉆探管工具接頭或者膨徑修井接頭。同樣這 種刻面可為排列得在任何插入作業(yè)過程中能將管節(jié)裝配時可能引起的螺紋損害減到最少， 使本發(fā)明的接頭特別省錢地用于鉆機。 已述及的半數(shù)螺紋構(gòu)件幾何結(jié)構(gòu)保證小螺紋高度獲得可用于那些高軸向張力和 壓縮能力的非膨徑螺紋管材的能力。 半數(shù)這種結(jié)構(gòu)具有劈開的雞尾，該雞尾具有三個能對另外兩個顛倒的雞尾產(chǎn)生插 入作用的點接觸。這對那些要求接頭在整個接頭長度上具有低應(yīng)力或受控應(yīng)力的維修提供 了徑向應(yīng)力控制和直徑上的應(yīng)力控制。 盡管已用一些發(fā)明形式介紹了本發(fā)明，但不因此限定本發(fā)明；相反，本發(fā)明卻可不 背離其實質(zhì)而易于進行各種改變。
權(quán)利要求
一種螺紋構(gòu)件，用于構(gòu)成能旋接在一起且之后能旋卸的螺紋管接頭，該螺紋構(gòu)件包括陽螺紋接頭元件，具有帶插入側(cè)面和負(fù)載側(cè)面以及平頂部和根部的外螺紋，該外螺紋用來與陰螺紋接頭的匹配內(nèi)螺紋配接，以構(gòu)成管接頭，其中外螺紋的負(fù)載側(cè)面各由兩個刻面和三種半徑組成，而且其中外螺紋的插入側(cè)面各有不規(guī)則的側(cè)面特征，該不規(guī)則的側(cè)面特征是每個插入側(cè)面包括三個刻面和4種半徑。
2. 權(quán)利要求l的螺紋構(gòu)件，其中螺紋具有給定的在螺紋頂部和根部之間測得的螺紋高 度；其中各螺紋刻面各有徑向高度，該徑向高度在與螺紋高度相同的方向上測得；其中插 入側(cè)面上的刻面之一具有徑向高度，該徑向高度小于其余兩個刻面的徑向高度。
3. 權(quán)利要求1的螺紋構(gòu)件，其中螺紋具有給定的在螺紋頂部和根部之間測得的螺紋高 度；其中各螺紋刻面各具有在與螺紋高度相同的方向上測得的徑向高度；其中負(fù)載側(cè)面的 刻面的徑向高度近似相等。
4. 權(quán)利要求1的螺紋構(gòu)件，其中陽螺紋接頭元件具有中心縱軸；其中螺紋根部及頂部 平行于該中心縱軸。
5. 權(quán)利要求1的螺紋構(gòu)件，其中螺紋為柱形螺紋。
6. 權(quán)利要求1的螺紋構(gòu)件，其中螺紋為徑向錐形的楔螺紋。
7. 權(quán)利要求1的螺紋構(gòu)件，其中接頭與選自油、氣體、建筑、水和廢物處理井套管和管 系中的管一起使用。
8. —種螺紋構(gòu)件，用于構(gòu)成能旋接在一起且之后能旋卸的螺紋連接，該螺紋構(gòu)件包括陽螺紋接頭元件，該元件具有帶插入側(cè)面和負(fù)載側(cè)面以及平螺紋頂部和根部的外螺 紋，該外螺紋用來與匹配的陰螺紋接頭的內(nèi)螺紋配接，以構(gòu)成管接頭，其中外螺紋的插入側(cè) 面各由兩個刻面和三種半徑組成，而且其中外螺紋的負(fù)載側(cè)面各具有不規(guī)則的側(cè)面特征， 該不規(guī)則的側(cè)面特征是每個插入側(cè)面包括三個刻面和4種半徑。
9. 權(quán)利要求8的螺紋構(gòu)件，其中負(fù)載側(cè)面上的刻面包括至少兩個刻面，所述刻面平行 于陽螺紋接頭元件的插入側(cè)面上的刻面。
10. 權(quán)利要求8的螺紋構(gòu)件，其中負(fù)載側(cè)面上的刻面包括至少兩個刻面，所述刻面不平 行于陽螺紋接頭元件的插入側(cè)面上的刻面。
11. 權(quán)利要求8的螺紋構(gòu)件，其中螺紋具有給定的在螺紋頂部和根部之間測得的螺紋 高度；其中各螺紋刻面各具有在與螺紋高度相同的方向上測得的徑向高度；其中負(fù)載側(cè)面 上的刻面之一具有小于其余兩個刻面的徑向高度的徑向高度。
12. 權(quán)利要求8的螺紋構(gòu)件，其中螺紋具有給定的在螺紋頂部和根部之間測得的螺紋 高度；其中各螺紋刻面各具有在與螺紋高度相同的方向上測得的徑向高度；其中各插入側(cè) 面的刻面的徑向高度近似相等。
13. 權(quán)利要求8的螺紋構(gòu)件，其中陽螺紋接頭元件具有中心縱軸，其中螺紋根部及頂部 平行于該中心縱軸。
14. 權(quán)利要求8的螺紋構(gòu)件，其中螺紋為柱形螺紋。
15. 權(quán)利要求8的螺紋構(gòu)件，其中螺紋為徑向錐形的楔螺紋。
16. 權(quán)利要求8的螺紋構(gòu)件，其中該接頭與選自油、氣體、建筑、水和廢物處理井套管和管系中的管一起使用。
17. —種能旋接在一起且之后能旋卸的接卸式螺紋管接頭，螺紋管接頭包括 陰螺紋接頭元件，該元件具有帶插入側(cè)面與負(fù)載側(cè)面以及平螺紋頂部和根部的內(nèi)螺紋，以及陽螺紋接頭元件，該陽螺紋接頭元件具有帶插入側(cè)面與負(fù)載側(cè)面及平螺紋頂部和根部 的外螺紋，所述陽螺紋接頭元件與所述陰螺紋接頭元件通過螺紋嚙合，從而形成管接頭；其中陽螺紋接頭元件的負(fù)載側(cè)面各由兩個刻面和三種半徑組成；其中陽螺紋接頭元件 的插入側(cè)面各具有不規(guī)則的側(cè)面特征，該不規(guī)則的特征是每個插入側(cè)面包括三個刻面和4種半徑。
18. 權(quán)利要求17所述的接卸式螺紋管接頭，其中該接頭與選自用于油、氣體、水和廢物 處理井套管和管系中的管一起使用。
全文摘要
本發(fā)明涉及螺紋構(gòu)件，該螺紋構(gòu)件用來構(gòu)成一種能旋接在一起和隨后旋卸的螺紋管接頭。陽螺紋接頭元件具有外螺紋，該外螺紋帶有插入側(cè)面和負(fù)載側(cè)面以及平螺紋頂部和根部，用來與陰螺紋接頭元件的匹配內(nèi)螺紋配接，以構(gòu)成管接頭。插入側(cè)面或負(fù)載側(cè)面中的一者由兩個刻面和三種半徑構(gòu)成。另一個選擇的側(cè)面由三個刻面和四種半徑構(gòu)成，賦予其不規(guī)則特征，形成復(fù)雜幾何學(xué)輪廓。該螺紋構(gòu)件可用來形成高效螺紋接頭，和諸如油、氣體、水和廢物處理井的套管和管系之類的管一起使用。
文檔編號F16L25/00GK101779072SQ200880023576
公開日2010年7月14日 申請日期2008年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月9日
發(fā)明者克里斯·L·丘奇 申請人:甘迪技術(shù)公司