CN101040141A - 用于管连接的螺旋槽 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种管连接和一种制造阴螺纹部件的方法。所述管连接包含包括内螺纹的阴螺纹部件和包括外螺纹的阳螺纹部件。外螺纹适于螺纹接合到内螺纹上。大体呈螺旋形的沟槽形成于阴螺纹部件的外表面上。所述制造阴螺纹部件的方法包括为阴螺纹部件选择外径，从而使工具接头的弯曲强度比大于所选定的弯曲强度比。螺旋槽形成于阴螺纹部件的外径上，使得螺旋槽会使弯曲强度比减小到约为所选定的弯曲强度比。内螺纹形成于阴螺纹部件的内表面上。另一种制造阴螺纹部件的方法包括在圆柱体的内表面上形成内螺纹、以及在圆柱体的外表面上形成大体呈螺旋形的沟槽。大体呈螺旋形的沟槽定位成大体与内螺纹位于同一导程内。

Description

用于管连接的螺旋槽

技术领域

本发明通常涉及管件上的螺纹连接。更具体地，本发明涉及适于径向上塑性扩张的管件上的螺纹连接。

背景技术

套管接头、衬管和其它油田管通常用于钻孔、完成及制造井。例如，套管接头可以安置在井眼内以使形成物稳定，以保护形成物不受到提高的井眼压力(例如，超过成形压力的井眼压力)等。套管接头可以通过本领域技术中公知的螺纹连接、焊接连接和其它连接以端部至端部的方式相连。连接可以被设计成在相连的套管接头的内部与形成于套管接头的外壁与井眼壁部之间的环形空间之间形成密封。例如，所述密封可以为合成橡胶密封件(例如，O形环密封件)、邻近连接处形成的金属至金属密封或本领域技术中已知的类似密封。

在某些井结构操作中，有利的是钻孔(“开口”)中或下套管的井眼内的螺纹管或套管接头在径向上塑性扩张。在下套管的井眼中，可径向扩张的套管(casing)可以用于增强已磨损或损坏的套管，例如，以便增加旧套管的猝发传输率(burst rating)，从而防止孔过早废弃。在井眼的开孔区段中，可径向扩张的套管的使用对于所需的最终下套管孔的直径可以减小钻孔的所需直径，并且还可以减小将套管固定到井眼内所需的水泥的所需体积。

在径向塑性扩张之后在可径向扩张套管的端部上邻近螺纹管连接处出现的变形(例如，油田套管和管道上所发现的变形)可能出现问题。在至少三个区域中遇到问题。首先，如果阳螺纹连接(pin connection)上所形成的阳螺纹前端(pin nose)在远离阴螺纹连接(box connection)上所形成的密封表面的方向上变形，则依靠径向接触应力来形成密封的内部金属至金属密封可能会被卸除(即，失去密封接合)。第二，邻近螺纹连接区域的管端的总变形可以造成某些螺纹径向移动，结果，使所述连接卸除。这会不利地影响螺纹连接的负载承载能力。第三，邻近各个别的螺纹的区域中的局部变形可能会使个别螺纹“扭曲”，从而不利地影响个别螺纹之间的负载分配。

当采用冷成形扩张过程时(例如，当冷成形扩张工具或“清管器(pig)”移动通过套管柱以使套管柱在径向上塑性扩张时)，套管柱通常会进入孔的“下向阴螺纹(box-down)”(例如，“阴”或内螺纹连接进入面向下向井眼的孔，使得当扩张工具被迫使向上通过套管柱时，扩张工具(“清管器”)不会使各连接的阴螺纹前端变形)。要提及的是管柱(例如，钻杆、套管或类似管状部件)通常进入井的“下向阳螺纹”中，这是因为这在管柱(tubular string)中更容易构成螺纹连接。

可扩张管连接的现有技术分析已集中在对连接中的扩张后的应力的分析，其中隐含的假定是即使在塑性变形范围内应力与应变之间的关系也相对为线性。然而，油田管工具中典型使用的薄壁碳钢在塑性变形期间在应力与应变之间表现出显著的非线性关系，特别是在紧随其中由吕德斯带(Luders bands)的形成为特征的塑性屈服的屈服点的接近塑性的区域中。因此，理想的是可扩张螺纹管连接被设计用以控制并集中扩张所造成的塑性应变而非设计用以在连接中获得所需应力场，使得在螺纹连接(和其上形成螺纹连接的有关管状部件)的径向塑性扩张之后可以保持螺纹连接和密封完整性。

在转让给本发明受让人并在此整体并入本文供参考的美国专利第6,607,220 B2号中显示设计用以控制和集中扩张所造成的塑性应力的管连接的一个实例。在‘220专利中，圆周槽被设置在阴螺纹部件(box member)外表面上的一个或多个位置处，以在径向塑性扩张期间控制螺纹连接的变形。‘220专利还披露了在阳螺纹部件的内表面或外表面上将螺旋槽设置在大体与外螺纹的根部相同的轴向位置处。

发明内容

在一个方面中，本发明涉及一种包含包括内螺纹的阴螺纹部件(boxmember)和包括外螺纹的阳螺纹部件(pin member)的管连接。所述外螺纹适于螺纹接合到所述内螺纹上。大体呈螺旋形的沟槽形成于所述阴螺纹部件的外表面上。

在另一个方面中，本发明涉及一种包括阴螺纹部件和阳螺纹部件的管连接，其中所述阴螺纹部件包括内螺纹、第一密封表面和第二密封表面，所述阳螺纹部件包括外螺纹、第三密封表面和第四密封表面。所述外螺纹适于螺纹接合到所述内螺纹上，所述第一和第三密封表面适于形成抵抗外部压力的密封，所述第二和第四密封表面适于根据其接合形成抵抗内部压力的密封(或者密封件)。大体呈螺旋形的沟槽形成于所述阴螺纹部件的外表面上。所述大体螺旋形的沟槽定位成大体与所述内螺纹位于同一导程内。

在又一个方面中，本发明涉及一种制造工具接头的阴螺纹部件的方法。所述方法包括为阴螺纹部件选择外径，从而使所述工具接头的弯曲强度比大于所选定的弯曲强度比。螺旋槽形成于所述阴螺纹部件的外径上，使得所述螺旋槽会使所述弯曲强度比减小到约为所选定的弯曲强度比。内螺纹形成于所述阴螺纹部件的内表面上。

在另一个方面中，本发明涉及一种修改包括内螺纹的阴螺纹部件的方法。所述方法包括在所述阴螺纹部件的外表面上形成大体呈螺旋形的沟槽。所述大体螺旋形的沟槽定位成大体与所述内螺纹位于同一导程内。

在又一个方面中，本发明涉及一种制造阴螺纹部件的方法。所述方法包括在圆柱体的内表面上形成内螺纹、以及在所述圆柱体的外表面上形成大体呈螺旋形的沟槽。所述大体螺旋形的沟槽定位成大体与所述内螺纹位于同一导程内。

本发明的其它方面和优点从以下说明和随附的权利要求将清楚呈现。

附图说明

图1是典型的径向扩张工具；

图2A是平端管的未扩张接头；

图2B是扩张后的图2A中所示的平端管接头；

图3A是在邻近第一扩张端部处沿着图2B中所示的径向扩张管的长度的应变的曲线图；

图3B是图2B中所示的径向扩张管的横截面图；

图4A是在邻近第二扩张端部处沿着图2B中所示的径向扩张管的长度的应变的曲线图；

图4B是图2B中所示的径向扩张管的横截面图；

图5是根据本发明的一个实施例的处于未扩张状态的管连接的横截面图；

图6A是根据本发明的一个实施例的阴螺纹部件的横截面图；

图6B是根据本发明的一个实施例的适于连接到图6A中所示的阴螺纹部件上的阳螺纹部件的横截面图；

图7A是现有技术的工具接头的横截面图；以及

图7B是根据本发明的一个实施例的工具接头的横截面图。

具体实施方式

在一个方面中，本发明涉及管连接(或管连接件)。更具体地，本发明涉及管理管连接中的应力。

扩张工具典型地用于使设置在井眼内的套管柱或管道在径向上从初始状态(例如，从初始直径)塑性扩张到扩张状态(例如，具有较大直径)。图1中所示的一个普通的现有技术的扩张过程使用用于使井眼中的套管(casing)扩张的圆锥形逐渐变细的冷成形扩张工具101(一般称作“清管器(pig)”)。扩张工具101通常被密封在清管器发送筒(pig launcher)(图中未示)内，其中所述清管器发送筒为连接到进入井眼的套管柱的下端的钟形区段。因为清管器发送筒必须通过已安装在井眼内的母体套管(parentcasing)，所以清管发送筒具有小于母体套管的“通径(drift diameter)”的外径。如在此所使用，“通径”为可以通过井眼的最大外径。通常，通径由于井眼不是完全直而稍微小于井眼的内径。由于这个原因，正好具有井眼内径的工具将不能自由地移动通过井眼。

典型地，当套管柱进入井眼内之后，套管柱利用滑动件(图中未示)悬挂在井眼内。接着，钻杆(drill pipe)(图中未示)进入井眼并被锁定到扩张工具101上。在连接钻杆之后，套管柱的重量由扩张工具101支承。钻杆接着用于使套管柱进一步下降到井眼内的选定位置处。扩张工具101包括具有通常在5度与45度之间的锥角98B的锥形区段98A。扩张工具101通常关于其纵轴97对称。扩张工具101还包括圆柱形区段96，所述圆柱形区段的直径对应于紧跟着锥形区段95的套管柱(图中未示)的所需扩张内径。

此特定扩张过程中的下一个步骤是通过钻杆抽吸水泥并将水泥排到清管器上的水泥端口外。水泥在要扩张的套管柱外部与井眼内部之间流动。在已经抽吸选定量的水泥之后，水泥端口典型地由设计成安置在水泥端口内的活门(dart)封堵。所述活门通常通过钻杆抽吸有钻井液。持续抽吸钻井液会对清管器发送筒加压，从而驱动扩张工具101向前(即，朝着表面向上)并驱动套管进一步进入井眼内。当扩张工具101向前移动时，套管柱扩张。扩张持续直到整个套管柱均扩张为止。在许多实例中，套管柱将包括在扩张之后保持在母体套管内的一段套管。另外段套管可以设计成用作用于套管柱的衬管悬挂器并密封在母体套管与扩张套管柱之间。

在此扩张过程中，例如，径向扩张速率由使套管柱扩张所需的总塑性应变、锥角98A和扩张工具101通过套管柱的轴向移动速率决定。扩张过程的一致性由沿着扩张工具101的转变以及形成套管柱的多段套管、连接成段套管的螺纹连接等(举例而言)的横截面面积控制。

上述的扩张过程仅为本领域技术中公知的扩张过程的一个实例。扩张工具101根据工具设计和应用可以在套管柱的底部或顶部处开始操作。例如，可以以每分钟25至60英尺的速率进行径向扩张。本领域技术中还已知其它的扩张过程，例如，局部静水压或“液压成形”下的扩张，但是通常不如冷成形扩张过程用的那么多。还存在用于冷形成套管的其它扩张工具。本领域普通技术人员将会理解，本发明的某些实施例中所采用的扩张过程在不偏离本发明范围的前提下可以变化。

尽管已证明锥形扩张工具的方法很好地用于套管柱的管体上，然而构成的螺纹连接的扩张在已扩张的螺纹连接中已暴露出结构密封问题。经历径向塑性扩张的螺纹连接具有的趋势为表现出不均匀的轴向伸长，并且对扩张后剩余的残余周向应力作出不同反应。具体地，外(阳(pin))螺纹部件和内(阴(box))螺纹部件在径向扩张期间发生不同的变形。阴螺纹部件在径向扩张期间通常远离阳螺纹部件移动。这种差异位移现象在轴向接合的密封中造成预加负载损失，从而使传统的金属至至金属密封(包括，例如，台肩密封)的使用对于在径向上塑性扩张的套管和管道通常是无效的。

平端管的径向塑性扩张

当套管或管道的接头在径向上塑性扩张时，套管接头的壁厚和套管接头的总轴向长度通过一般称为“泊松(Poissoning)”的过程而减小，并且套管接头中保留有残余应力。在邻近套管接头的中间处，因为各不连续区域受到来自邻接的不连续区域的支承，所以套管接头将保持大体一致的直径和壁厚。然而，邻近套管接头的端部的变形视扩张工具行进的方向而定。

图2A显示具有约20的标称直径与壁厚比(d/t)的未扩张管100的接头。例如，未扩张管100由80,000psi屈服值的碳钢形成。图2A中的未扩张管100上未形成连接。未扩张管100具有内径(ID)100A、外径(OD)100B和壁厚100C。未扩张管100被设计成通过扩张工具101扩张，其中所述扩张工具通常在从未扩张第一端部102朝向未扩张第二端部103的方向上移动通过未扩张管100。

图2B显示管子104在其扩张之后的接头。扩张管104具有ID 104A、OD104B和壁厚104C。扩张管104短于未扩张的平端管(图2A中的100)(要提及的是缩短程度在图2B中为了清楚被夸大)，并且扩张管104的壁厚104C通常小于未扩张管的壁厚(图2A中的100C)。已扩张的平端管104的端部105、106显示出已通过圆锥形逐渐变细的冷成形“清管器”(例如，图2A中所示的扩张工具101)扩张的套管和管道的变形特征。已扩张的第一端部105在管子的端部处显示出径向“向外成钟形”而在邻近端部附近的管段处显示出轴向“起皱”或“起波纹”。已扩张的第二端部106在邻近端部处显示出径向“向内成钟形”。要提及的是管壁的径向位移为了清楚被夸大。

图3A显示已扩张的平端管(图2B中的104)在邻近第一扩张端部(图2B中的105)处沿着管子(图2B中的104)长度的应变的图表。第一扩张端部(图2B中的105)处的应变以图端108A示出，而邻近管体的应变朝着图端108B示出。要提及的是图3B显示可以作为对图3A中所示的图表的物理推论所观察到的管子的横截面图。

在图3A中，扩张ID(图3B中的104A)处的应变作为ID周向应变曲线107A、ID轴向应变曲线107C和ID径向应变曲线107E示出。扩张外径(图3B中的104B)处的应变作为OD周向应变曲线107B、OD轴向应变曲线107D和OD径向应变曲线107F示出。要提及的是轴向应变(107C和107D)和径向应变(107E和107F)在管体中大体恒定且为负数，如靠近图端108B处所示，从而如所预期的在管子被扩张工具(图2A中的101)扩张时确定管子(图3B中的104)变得较短且具有减小的壁厚。

OD轴向应变107D和ID轴向应变107C在邻近拐点109处岔开，其中OD轴向应变107D增加(即，变为较小的负数)，ID轴向应变107C减小(即，变为增大的负数)，从而表示管子(图3B中的104)开始在径向向外的方向上“凸出”。当在拐点110A处从左至右观察时，OD轴向应变107D开始减小，而ID轴向应变107C开始增加，从而表示管子(图3B中的104)在径向向内的方向上收缩。轴向应变曲线107C、107D在拐点110B处相交。管子(图3B中的104)在拐点111处开始向外径向扩张，在拐点112处，ID轴向应变107C开始减小而OD轴向应变107D持续增加(例如，径向扩张速率在邻近管子(图3B中的104)的端部(图3B中的105)处减小)。

参照图3B，扩张管104的标称扩张外径104D作为管子104在拐点109、110A、110B、111、112处的径向位移的参考示出。要提及的是管壁的径向位移为了清楚被略微夸大。要提及的是最大位移出现在拐点111处，壁厚104C在邻近管子104的端部105处略微减小。

例如，邻近管子端部的“起皱”或“起波纹”类似于强阻尼正弦函数。根据对扩张过程的有限元分析(FEA)和物理实验，本发明人已经假设“波纹”的振幅、周期和阻尼依赖于管子中所需的总塑性扩张、直径与壁厚比(d/t)、扩张工具的设计(特别是锥角)、以及扩张工具与未扩张管之间的摩擦系数。

图4A显示管子104在邻近第二扩张端部106处沿着管子长度的应变的图表。第二扩张端部106处的应变以图端114A示出，而朝向管体的应变朝向图端114B示出。要提及的是图4B显示可以作为对图4A中所示的图表的物理推论所观察到的管子的横截面图。

扩张内径(ID)104A处的应变作为ID周向应变曲线113A、ID轴向应变曲线113C和ID径向应变曲线113E示出。扩张外径(OD)104B处的应变作为OD周向应变曲线113B、OD轴向应变曲线113D和OD径向应变曲线113F示出。要提及的是轴向应变(113C和113D)和径向应变(113E和113F)在管体中大体恒定且为负数，如靠近图端114B处所示，从而如所预期的确定在管子被扩张工具(图2A中的101)扩张时管子(图3B中的104)变得较短且具有减小的壁厚。还要提及的是图4A中所示的管子(图4B中的104)的本体中的应变水平(例如，图端114B处的应变值)对应于图3A中所示的管子本体中的应变水平(例如，图端108B处的应变水平)。

参照图4A，从拐点115A处从右向左观察，OD轴向应变曲线113D增加(即，变为较小的负数)，而ID轴向应变曲线113C减小(即，变为增大的负数)，表示管子(图3B中的104)开始径向向外凸出。在拐点115B处，OD轴向应变曲线113D减小，而ID轴向应变曲线113C增加，表示管子(图3B中的104)径向向内成钟形。要提及的是“向内成钟形”的趋势自始至终持续至图端114A处所表示的第二扩张端部(图4B中的106)。

图4B显示作为管子104在拐点115A、115B处的径向位移的参考的扩张管体的标称外径104D。要提及的是管壁的径向位移为了清楚被略微夸大且壁厚104C保持大体恒定。预测管子在拐点115A处向外成钟形。如关于上述图4A所讨论，管子104在拐点115B处开始在径向上向内呈钟形，并且在径向上从拐点115B至第二扩张端部106持续呈钟形。

螺纹油管接头的径向塑性扩张

当对可径向扩张的油管或套管接头设计螺纹连接时，本发明人已发现用于补偿在邻近螺纹连接处出现在油管接头中的前述轴向及径向位移的方法。因此，本发明的实施例用以补偿在径向塑性扩张之后在邻近螺纹管接头、套管接头和油管接头(tubing joint)的端部处的轴向及径向位移。在某些实施例中，选择性设置的沟槽用于保持螺纹连接在径向塑性扩张之后的完整性。

从实验中已确定，当包括构成V字形类型或方形台肩螺纹连接(例如，API“圆螺纹”或“锯齿形螺纹”)的一段管子在径向上塑性扩张时，因为螺纹不会对阳螺纹和阴螺纹的相对径向变形提供显著的阻力，所以构成的连接的塑性变形会造成类似于平端管的径向塑性扩张期间所经历的前述轴向及径向位移的轴向及径向位移。例如，当径向扩张工具在轴向向上的方向上移动通过典型的套管柱(通常会以指向下(“向下刺穿”)的阳螺纹连接端进入井眼)时，包括API锯齿形螺纹的构成连接(made-up connection)的阳螺纹端(box end)将会以类似于图2B中所示的已扩张的第一端部(图2B中的105)的方式变形，而阴螺纹端(pin end)将会以类似于图2B中所示的已扩张的第二端部(图2B中的106)的方式变形。因为阳螺纹及阴螺纹端(在包括API锯齿形螺纹的这个实例中)在径向上彼此互不限制，所以阴螺纹端通常在径向上“向外呈钟形”而阳螺纹端通常在径向上“向内呈钟形”，如以上详细所述。

然而，通过实验和有限元分析(FEA)已确定，如果如在通常将燕尾形螺纹(dovetail-shaped thread)用于形成螺纹连接的情况下使螺纹连接可抵抗径向变形，则阳螺纹及阴螺纹两个连接的无支承端部(例如，延伸过最后接合的螺纹的螺纹连接部分)通常将在径向上以与图2B中所示的已扩张第二端部(图2B中的106)相似的方式向内呈钟形。因此，外部金属至金属密封(例如，阳螺纹连接(pin connection)和阴螺纹连接(box connection)之间在邻近阴螺纹连接的端部所形成的外部台肩处所形成的密封)可以形成有大致呈燕尾形的螺纹形式，这是因为当阴螺纹端部在径向塑性扩张之后在径向上向内呈钟形时，阴螺纹端部与阳螺纹台肩之间在邻近阴螺纹端部处产生增加的接触应力。然而，即使具有大体呈燕尾形的螺纹也难于保持内部的金属至金属密封(例如，邻近阳螺纹上的阳螺纹前端处所形成的密封)，这是因为阳螺纹前端在径向塑性扩张之后趋向于向内呈钟形(远离阴螺纹连接)。其它用于管连接的密封机构(例如，合成橡胶密封)也遇到相似的困难。

授予Blose等人并转让给本发明的受让人且在此整体并入本文供参考的美国专利第5,423,579号披露一种用于螺纹管连接的金属至金属的密封设计。为了形成可靠的金属至金属密封，阳螺纹和阴螺纹连接通常彼此接触以形成薄圆柱形接触区域(例如，可以通过利用对应的阳螺纹及阴螺纹元件上的失配角度获得所述薄圆柱形接触区域)，并且所述连接通常必须被拧紧以在密封接触区域处形成所选定的最小接触应力(例如，以便抵抗内部和/或外部压力进行密封)。因此，为了在邻近设置在径向上塑性扩张的套管柱上的螺纹连接处形成可靠的金属至金属密封，所述连接应该被设计成减轻扩张应力以防止损坏所述连接并保持密封接触面积。

在在此所述的本发明的特定实施例中，用于形成螺纹连接的螺纹为包括具有收敛螺纹宽度的大致呈燕尾形的螺纹的“楔形”螺纹。楔形螺纹在现有技术中是公知的，并且例如，披露于授予Blose的美国专利第RE30,647号、授予Reeves的美国专利第RE34,467号、授予Ortloff等人的美国专利第4,703,954号、和授予Mott的美国专利第5,454,605号，所有所述专利均转让与本发明的受让人。这些专利中的每一个专利均在此并入本文供参考。本发明的这些具体实施例中所使用的楔形螺纹通常包括燕尾形螺纹，其中，例如，螺纹牙顶宽于螺纹根部，并且其中两个螺纹牙侧包括不同但固定的导程。楔形螺纹形式的宽度通常沿着螺纹长度(例如，沿着螺旋形螺纹形式)变化，使得当“构成”(拧在一起)所述连接时，连接阳螺纹及阴螺纹部件上所形成的螺纹牙侧更靠近在一起。另外，本发明的某些实施例可以包括楔形螺纹形式，其中两个牙侧具有对应的负角(相对于形成其的管状部件的轴线)，其中一个牙侧具有负角而一个牙侧具有正角等，只要螺纹形式的牙顶大致宽于螺纹形式的根部。进一步而言，楔形螺纹也可以形成为非燕尾形的螺纹形式。

楔形螺纹优选用于本发明的某些实施例中，这是因为所述楔形螺纹不需要单独的扭转台肩。所述楔形螺纹不需要单独的扭转台肩是因为会聚负载和设置在楔形螺纹上的带尖牙侧(stab flank)在组成时互相抵抗。另外，大致呈燕尾形的螺纹形式在连接的径向塑性扩张期间对阳螺纹及阴螺纹的径向分离提供阻力。

要提及的是楔形螺纹通过在径向上可塑性扩张的套管柱等还可以提供一些优点，这是因为传统的“有肩”螺纹连接可能会遭受严重磨损和/或台肩的碎裂，并且因为套管柱在径向塑性扩张期间的轴向收缩(例如，由于“泊松”)可能会使台肩处的接触应力增加到超出由其形成套管柱的材料的极限抗压强度。然而，对于适当的径向塑性扩张(例如，对于大体小于10％的扩张)，大致包括燕尾形螺纹的有肩连接可以对所述连接在扩张期间的径向分离提供足够的阻力以及在台肩处提供充分的接触应力。本领域普通技术人员将会理解，“半燕尾形”螺纹形式(即，其中一个螺纹牙侧相对于管子轴线成大约90度角度的螺纹形式)也可以对所述连接在扩张期间的径向分离提供阻力。在其它实施例中，可以根本不存在燕尾形。因此，本发明不意指受限于包括“燕尾形”螺纹形式的在此所说明的实施例。

图5显示大体在未扩张状态下的本发明的实施例。所述连接包括具有外螺纹153的阳螺纹部件130和具有内螺纹132的阴螺纹部件131。此外，阳螺纹部件130和阴螺纹部件131可以包括分别适于在构成连接时形成金属至金属密封134的对应的相邻密封表面134A、134B。在某些实施例中，螺纹153和132可以为如图5中所示的楔形螺纹。在这个实施例中，螺纹153和132大致为燕尾形，从而可帮助防止阳螺纹部件130和阴螺纹部件131在径向塑性扩张期间相对于彼此径向变形。由于上述讨论，用于使所述连接在径向上塑性扩张的扩张工具(图中未示)的行进方向133决定了阳螺纹连接130的行为类似于相邻密封表面134A、134B之间的接触所限定的密封134区域中的平端管(图3A中的106)的第二扩张端部(即，阳螺纹130的远端135将趋向于在径向塑性扩张之后向内成钟形)。

在图5中所示的实施例中，具有矩形横截面的螺旋槽150形成于阴螺纹部件131的外部上。本领域普通技术人员将会理解，螺旋槽150的横截面在不偏离本发明范围的前提下可以在尺寸和形状上发生变化。例如，在其它实施例中，螺旋槽150可以具有V形、抛物线形、U形或半圆形横截面。螺旋槽150位于与内螺纹132的牙顶152大体相同的轴向位置处。螺旋槽150的该定位可以被称作在内螺纹132上的“位于导程内位于同一导程内(inlead)”。因为扩张工具不会接触阴螺纹部件，所以仅有阳螺纹部件(图5中的实施例中的130)直接受到扩张工具所强加的轴向力。这会造成阳螺纹部件130伸长，从而由于两个部件之间的连接迫使阴螺纹部件131伸长较小量。阴螺纹部件上的楔形螺纹132由于牙顶152的厚度而抵抗所述伸长。通过在内螺纹132的牙顶152上方定位在同一导程的螺旋槽150，阴螺纹部件的壁厚在其通常具有增加的厚度的情况下会减小。由螺旋槽150造成的壁厚的减小会减轻内螺纹132所受到的轴向应力。同时，因为阴螺纹部件的最小壁厚(出现在内螺纹132的根部155处)未减小，所以所述连接的轴向及周向总强度不会显著减小。

转向图6A和图6B，显示根据本发明的一个实施例的阴螺纹部件215和阳螺纹部件216。阴螺纹部件215和阳螺纹部件216分别具有内螺纹211和外螺纹212，并且适于互相螺纹接合以连接两个管状部件。具有梯形横截面的螺旋槽207形成于阴螺纹部件215的外表面上。螺旋槽207的位于同一导程的位置(in-lead position)由从螺旋槽207画到内螺纹211的虚线说明。螺旋槽207的布置和螺旋特性不会显著减小阴螺纹部件215的临界区段210，从而决定连接阴螺纹部件215将承受的最大张力和压力。“临界区段”位于阴螺纹部件215必须承受全部轴向负载的最小横截面处。临界区段210的面积横交于管轴线(图中未示)进行测量。在这个特定实施例中，临界区段210的位置与圆周槽相一致。在不具有圆周槽205的实施例中，临界区段210可以安置在螺纹减荷沟槽处(未示出)。临界区段210一般为阴螺纹部件在压缩和拉伸加载期间的失效点。因为螺旋槽207仅是从阴螺纹部件上的任意轴向位置处移除一小部分材料，所以对临界区段210起到较小效果。

在图6A和图6B中所示的实施例中有四个单独密封。阴螺纹部件215具有两个密封区域201A和203A，所述两个密封区域分别与位于阳螺纹部件216上的密封区域201B和203B形成密封。阴螺纹部件215和阳螺纹部件216分别具有形成于其上的沟槽205和206，所述沟槽适于容纳单独的密封环(图中未示)，例如，弹性材料O形环。密封区域201A和201B以及位于沟槽206中的密封环抵抗外部压力进行密封。密封区域203A和203B以及位于沟槽205中的密封环抵抗内部压力进行密封。本发明的实施例的特性是帮助在连接的径向塑性扩张期间保持这些密封。

尽管上述实施例说明了具有恒定横截面的螺旋槽，然而本发明的范围不限于恒定的横截面。在某些实施例中，螺旋槽的宽度可以以与阴螺纹部件上的楔形螺纹的牙顶的宽度变化相等的速率进行变化。在某些实施例中，螺旋槽的深度可以沿着阴螺纹部件的轴向长度变化。例如，在横截面最薄处可能需要阴螺纹部件的远端上具有较浅的螺旋槽。本领域普通技术人员将会理解，螺旋槽的横截面的形状和尺寸在不偏离本发明范围的前提下可以进行变化。此外，螺旋槽的长度可以小于内螺纹的长度。本领域普通技术人员将会理解在不偏离本发明范围的前提下，螺旋槽可以仅出现在阴螺纹部件的一部分或整段上。

尽管上述实施例中所讨论的螺旋槽用于保持要在径向上塑性扩张的管状部件上的连接的强度和密封完整性，然而螺旋槽还可帮助抵抗阴螺纹部件的外表面上的损坏效果。严重刮擦和划痕在表面处理(例如，构成连接)期间以及使管状部件进入井中时出现在阴螺纹部件的外表面上。另外的刮擦和划痕可能出现在管状部件通过位于井中的套管窗口时。这些刮擦和划痕用作在扩张过程期间可以造成阴螺纹部件分裂的应力集中凹槽。当严重受压时，这些刮擦和划痕可以形成将会传播的裂缝。由轴向刮擦和划痕造成的裂缝(例如，出现在管状部件在井中滑动期间)典型地在暴露给严重的周向应力时沿着阴螺纹部件的轴线传播。由圆周刮擦和划痕造成的裂缝(例如，出现在构成连接期间)典型地在暴露给严重的轴向应力时在圆周方向上传播。螺旋槽可以帮助减小所述裂缝在轴向和圆周方向上的传播。形成于阴螺纹部件的外表面上的螺旋槽的这个优点还可以用于非扩张的连接件。

本发明人已发现在阴螺纹部件的OD上形成螺旋槽以特别用于管道(例如，钻杆和钻铤(drill collars))的连接。钻铤典型地由具有大体恒定的OD的一个管件制成。用于钻铤的连接通常具有与钻铤的本体相同的OD。钻杆典型地通过将工具接头焊接到管件的一区段的各端部上制成。工具接头典型地具有大于钻杆的OD。工具接头包括具有内螺纹(阴螺纹)或外螺纹(阳螺纹)的连接。钻杆的标准区段将具有位于一个端部上的阳螺纹部件以及位于相对端部上的阴螺纹部件。

图7A显示现有技术的工具接头的横截面。工具接头具有适于彼此连接的阳螺纹部件701和阴螺纹部件702。阳螺纹部件701连接到钻杆706A的一区段上。阴螺纹部件702连接到钻杆706B的一区段上。工具接头的OD703大于钻杆706A和706B的OD。工具接头的ID 705典型地小于钻杆706A和706B的ID。

继续参照图7，工具接头的OD 703在使用期间受到磨损。大多数磨损是由钻杆在井眼中旋转造成。磨损速率通过应用根据具体井眼的条件而变化。当OD 703磨损时，大多数连接由于减小的横截面面积会受到减小的抗扭强度和抗拉强度。对于强度不依赖于台肩区域708的图7中的楔形螺纹707保持大体充分的强度直到斜面79的直径。需要构成台肩的其它连接在OD 703的磨损期间逐渐受到减小的强度。当磨损使OD 703减小通过斜面709之后，更换钻杆。

为了减小磨损，工具接头可以具有施加到工具接头的多个部分上的环形加硬层(hardbanding)704。可以使用金属焊接基体中的碳化物颗粒增加环形加硬层704。除了工具接头的OD 703上的磨损之外，在特定的金属套管中，环形加硬层704还可帮助减小井眼的磨损。尽管采用环形加硬层，但某些情况会造成以特别高的速率发生的磨损。这种情况中的一种为在特定区域中钻井时可能会遇到的玄武质岩石。地热井为可能存在玄武质岩石的常见位置。玄武质岩石具有快速腐蚀钻杆的OD 703以及重量大的钻杆和钻挺的高磨蚀性。已经知道在玄武质岩石结构中钻井会使钻杆的使用寿命减小到三个井，所述使用寿命为典型预期的使用寿命的一小部分。

图7B显示根据本发明的一个实施例的工具接头的横截面。图7B中的工具接头具有与图7A中的工具接头大体相等的OD 703，从而使得所述工具接头与图7A适用于相同尺寸的井眼。螺旋槽715已形成于工具接头的OD703上。螺旋槽715不需要与螺纹707位于同一导程内，而获得本发明的一个或多个优点，然而，如果螺旋槽715与螺纹707位于同一导程内，则阴螺纹部件702更坚固。

图7A至图7B的以下比较意指作为具体实例且不应该被认为限制本发明的范围。作为一个具体实例，图7A中的工具接头为由Hydril Company LP出售的WT 50工具接头。WT 50工具接头一般具有6-3/4英寸的OD 703，并且ID 705适于连接到具有5英寸OD和4-1/4英寸ID的19.50磅/英尺(lb/foot)的钻杆上。斜面709的直径可以为6-11/32英寸。图7B中的工具接头类似于Hydril Company LP出售的WT 46，因此，所述工具接头典型地将具有与图7A中的WT 50工具接头相比较小的OD，并且如果ID 705保持与WT 50工具接头的ID相等时将具有与WT 50工具接头相比较小的强度。如果不允许减小强度，则可以减小ID 705。然而，减小的ID在通过钻杆抽吸钻井液时会造成增加的压力下降。然而，在图7B中所示的实施例中，工具接头的OD已增加到等于WT 50工具接头的OD，而ID 705保持与WT 50工具接头的ID相等。结果，工具接头上的阳螺纹部件701与WT 50工具接头相比具有减小的强度。

因为图7B中所示的工具接头的OD大于常态，所以阴螺纹部件702的强度相对于阳螺纹部件701增加。阴螺纹部件的强度与阳螺纹部件的强度的比率一般被被称为弯曲强度比(BSR)。为1(即，1∶1)的BSR意味着阴螺纹部件和阳螺纹部件具有相等的强度。大于1的BSR意味着阴螺纹部件比阳螺纹部件更坚固。如果阴螺纹部件在弯折上相对于阳螺纹部件过于坚固(硬)，则阳螺纹部件在工具接头经历弯折时可能会损坏。预期的BSR对于不同的螺纹会变化。例如，楔形螺纹工具接头(如在WT 46和WT 50中)通常具有介于1.0与1.5之间的预期的BSR。对于大多数美国石油协会(API)工具接头，BSR应该为约2.5。对于大多数API连接，阳螺纹部件的相对柔性会造成阴螺纹部件在构成连接期间拉伸，从而对所述连接预加负载。本领域普通技术人员将会理解所需BSR可以根据特定的管连接变化。因此，本发明的实施例不限于特定值的BSR。

使WT 46工具接头的OD 703和ID 705保持与WT 50工具接头相等将造成高于所需的BSR。这是因为阴螺纹部件701相对于阳螺纹部件702已被加强。为了减小BSR，螺旋槽715可以形成于OD 703中。螺旋槽715从阴螺纹部件702移除材料，从而造成所述阴螺纹部件更柔。螺旋槽175的深度、宽度和间距可以根据BSR的所需减小量而变化。移除更多材料会减小BSR，但也会造成较小的材料耐磨性。在一个实施例中，螺旋槽715在阴螺纹部件702上与螺纹707位于同一导程内且具有与斜面709相等的深度。本领域普通技术人员将会理解在不偏离本发明范围的前提下可以使BSR和耐磨性的平衡进行变化。阴螺纹部件702上的余料在使用期间提供可磨损的更多材料。因此，所述阴螺纹部件对于相同速率的磨损会提供较长的使用寿命。另外，螺旋槽715提供容易发现的磨损指示器。如果螺旋槽715的深度接近工具接头的最小可用OD，则技术人员将知道在不再看到螺旋槽715时更换钻杆。

尽管图7A和图7B提供具体实例，然而本领域普通技术人员将理解相同的原理可以应用于其它连接中以获得本发明的一个或多个优点。总之，可以选择比正常小的工具接头，同时保持较大工具接头的OD。螺旋槽的增加会从阳螺纹部件移除材料，从而造成更柔软的阴螺纹部件以获得所需BSR。螺旋槽还可以以相似方式形成于钻挺的阴螺纹部件上，以提供可用的磨损指示器并增加阴螺纹部件的柔性。进一步而言，螺旋槽在任何应用中均可以形成于连接上，其中关注OD磨损以获得本发明的一个或多个优点。

尽管已结合具有此披露内容的利益的有限数量的实施例说明本发明，然而本领域普通技术人员将会理解在不偏离如在此所披露的本发明的范围的前提下可以提出其它实施例。因此，本发明的范围应该仅收到随附权利要求的限制。

Claims (22)

1.一种管连接，包括：

包括内螺纹的阴螺纹部件；

包括外螺纹的阳螺纹部件，所述外螺纹适于螺纹接合所述内螺纹；以及

形成于所述阴螺纹部件的外表面上的大体呈螺旋形的沟槽。

2.根据权利要求1所述的管连接，其中所述大体螺旋形的沟槽定位成大体与所述内螺纹位于同一导程内。

3.根据权利要求1所述的管连接，其中所述阴螺纹部件进一步包括第一密封表面，所述阳螺纹部件进一步包括第二密封表面，其中所述第一和第二密封表面适于在所述管连接径向塑性扩张之后形成密封。

4.根据权利要求1所述的管连接，其中所述内螺纹和所述外螺纹包括大体呈燕尾形的螺纹。

5.根据权利要求1所述的管连接，其中所述至少一个大体螺旋形的沟槽具有选自由矩形横截面、梯形横截面、V形横截面、抛物线横截面、U形横截面或半圆形横截面所构成的组的横截面。

6.根据权利要求1所述的管连接，其中所述至少一个大体螺旋形的沟槽具有沿着所述阴螺纹部件的轴向长度变化的横截面。

7.根据权利要求1所述的管连接，其中所述内螺纹和所述外螺纹包括楔形螺纹。

8.根据权利要求7所述的管连接，其中所述至少一个大体螺旋形的沟槽的宽度以与所述内螺纹的牙顶的宽度变化大体相等的速率变化。

9.根据权利要求7所述的管连接，其中所述内螺纹和所述外螺纹为大体呈燕尾形的螺纹。

10.一种管连接，包括：

阴螺纹部件，所述阴螺纹部件包括内螺纹、第一密封表面和第二密封表面；

阳螺纹部件，所述阳螺纹部件包括外螺纹、第三密封表面和第四密封表面，所述外螺纹适于螺纹接合到所述内螺纹上，所述第一和第三密封表面适于形成抵抗外部压力的密封，所述第二和第四密封表面适于抵抗接合时的内部压力的密封；以及

形成于所述阴螺纹部件的外表面上的大体螺旋形的沟槽，

其中所述大体呈螺旋形的沟槽定位成大体与所述内螺纹位于同一导程内。

11.根据权利要求10所述的管连接，进一步包括：

邻近所述第二密封表面、形成于所述阴螺纹部件的内表面上的沟槽，其中所述沟槽适于容纳密封环。

12.根据权利要求10所述的管连接，进一步包括：

邻近所述第三密封表面、形成于所述阳螺纹部件的外表面上的沟槽，其中所述沟槽适于容纳密封环。

13.根据权利要求10所述的管连接，其中所述内螺纹和所述外螺纹包括大体呈燕尾形的螺纹。

14.根据权利要求10所述的管连接，其中所述至少一个大体螺旋形的沟槽具有选自由矩形横截面、梯形横截面、V形横截面、抛物线横截面、U形横截面或半圆形横截面所构成的组的横截面。

15.根据权利要求13所述的管连接，其中所述至少一个大体螺旋形的沟槽具有沿着所述阴螺纹部件的轴向长度变化的横截面。

16.根据权利要求10所述的管连接，其中所述内螺纹和所述外螺纹包括楔形螺纹。

17.根据权利要求16所述的管连接，其中所述至少一个大体螺旋形的沟槽的宽度以与所述内螺纹的牙顶的宽度变化大体相等的速率变化。

18.根据权利要求16所述的管连接，其中所述内螺纹和所述外螺纹为大体呈燕尾形的螺纹。

19.一种制造工具接头的阴螺纹部件的方法，所述方法包括：

为阴螺纹部件选择外径，其中所述外径使所述工具接头的弯曲强度比大于所选定的弯曲强度比；

在所述阴螺纹部件的外径上形成螺旋槽，其中所述螺旋槽使所述弯曲强度比减小到约为所选定的弯曲强度比；以及

在所述阴螺纹部件的内表面上形成内螺纹。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述螺旋槽定位成大体与所述内螺纹位于同一导程内。

21.一种修改包括内螺纹的阴螺纹部件的方法，所述方法包括：

在所述阴螺纹部件的外表面上形成大体螺旋形的沟槽，

其中所述大体呈螺旋形的沟槽定位成大体与所述内螺纹位于同一导程内。

22.一种制造阴螺纹部件的方法，所述方法包括：

在圆柱体的内表面上形成内螺纹；以及

在所述圆柱体的外表面上形成大体螺旋形的沟槽，

其中所述大体呈螺旋形的沟槽定位成大体与所述内螺纹位于同一导程内。

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