CN101449023B - 油井管的螺纹连接件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及圆锥螺纹管连接件，其大体用在钻井工程中，并包括用于油井管的螺纹连接件的两个改型。在第一改型中，螺纹连接件包括螺纹元件(1)，所述螺纹元件设有外圆锥螺纹，和螺纹元件(2)，所述螺纹元件具有内螺纹和螺纹部分，其设有涂层(4)，涂层通过热扩散粉末镀锌方法被施加。圆锥螺纹设置为V形螺纹的形式，并且具有内螺纹的螺纹元件设有入口圆柱形凹部(3)，其长度增加紧密度增量值，所述值由涂层形成并根据公式：ΔA＝kδ_min至kδ_max被计算，其中k是等于70的经验系数，而δ_min和δ_max分别是最小和最大涂层厚度。本发明还提供一种螺纹连接件中的校正标紧密度，连接件的接头设有通过扩散粉末镀锌方法被施加的涂层。

Description

油井管的螺纹连接件

技术领域

本发明涉及主要用于钻井设备中的锥形螺纹连接件，并且更具体地讲涉及耗用的油或气井中的油井管或钻井管的螺纹连接组件。

背景技术

以下所用的术语和表达的解释如下。

“连接件或管连接件”是可拆卸的组件，包括外螺纹元件，例如标准材料的管或异径接头，有时称为“联管套管(union nipple)”；以及内螺纹元件，例如接头或异径接头，此后称为“接头”。

“轴向螺合紧密度”或“紧密度”是通过经过接管上的螺纹尾部端部的平面与接头面的平面之间的距离被测量的值(GOST633-80)。如果螺纹端部在接头之外，则紧密度是正的，如果螺纹端部与接头面重合，则紧密度是零，并且如果螺纹端部在接头之内，则紧密度是负的。根据同一GOST，为了检查螺纹可用性，紧密度值以连接件连接的手指紧密的方式被测量。

“螺纹收尾端部(thread runout end)”或“螺纹端部”(根据GOST633-80)是螺尾锥体(vanish cone generator)与筒形体(the generatorofthe cylinder)的交叉点，其直径等于套管(管)的外径。

在本说明书中所用的其它术语：螺距、螺纹等涉及油井管(此后称为OWT)的螺纹连接件。

油井管经常在冲击和交替变化负载的重载状态下操作，在高压下操作，经常在增加的温度并在侵蚀性介质中操作。这种管的螺纹连接件应该在直至几千大气压的条件下是可靠的和气密性的。与所使用的各种不同的密封件与螺合锁定部件无关，接近极限的高拉紧力的应用(由此出现螺纹滑扣)仍旧是确保连接件的可靠性和紧密度的基本方法。由于这，螺纹元件的使用期限并不超过几个螺紧/螺松循环周期。

已知的是，油井管的锥形螺纹连接件包括管连接件，其具有圆柱形孔以及匹配的套管、例如管或异径接头(GOST 633-80，Dwg 6)。根据上述GOST，接头螺纹应该具有锌或磷酸盐涂层。标准并不规定涂层施加的方法，但是在应用时，仅仅采用电解涂层，其具有10μs级别的厚度，所述涂层是相对较软的并且是非抗磨损的，并将用于在螺纹元件的储存与运输过程中的抵抗腐蚀的螺纹保护。通过将接头浸入液化的锌的热镀锌方法并不被应用，这是由于螺纹上的涂层厚度的不规则性以及螺纹上的锌凹陷部阻碍了用量规进行检查。电解锌涂层具有较低的机械强度，并且在油或气井中的腐蚀性环境的状态中易于氢脆。它比磷酸盐涂层更昂贵，并且目前仅仅用在铸管的螺纹上，其中仅仅一个或两个螺纹件与随后的套结合。目前，所有的俄罗斯的轧管机仅仅采用油井管的接头的磷酸盐涂层。借助于上述涂层的特性，螺纹接头紧密度所针对的标准要求是基于10μs级别的接头螺纹的最广泛的磷酸盐涂层。

已知接头的不足之处在于其较低的使用寿命。因而，在“OperatingInstructions for Oil-Well Tubing”RD 39-136-95，Para.7.15提到：“螺纹接头的螺紧/螺松循环周期应该在操作油井管的过程中被记录。根据已经完成的研究，螺纹接头的耐久性维持最大至6至8周期”。这是非常小的值，考虑到甚至在被操作的油井中，各管被抬起以便清洁或替换泵送设备。因此，开发者的主要任务是增加油井管连接件的耐久性。

在没有紧密度时，在外螺纹手动在接头中被螺合至最后的螺纹圈时，接头被抛弃。随着紧密度减小，连接件磨损经常在螺纹圈的减小的轮廓中并不显现，而是在超过上述值的增加的紧密度的形式中显现，这是由于接触表面上的划痕的出现。如果紧密度超过标准值，则连接件也被弃用。

已知的是，用于管螺纹连接件的螺纹元件具有较高的持久极限，其中至少一些螺纹包含达到冠部的螺旋凹槽(参看专利公开文献No.2261395根据分类F16L15/06)。由于螺纹的柔韧性，其中所述螺纹在冠部由于凹槽而被弱化，所以在螺纹件中出现更加均匀的负载分布，也就是，连接件的可靠性增加。已知的连接件的缺点包括很难制造其元件。另外，这种螺纹在突发处理的情况中容易受损。仅仅在专用修理中心的条件下可以储存磨损的螺纹元件，而所述专用修理中心由于设备的复杂性而不能是大量的。已知的螺纹元件的另一缺点是其不规则性。油井管以及用于它们的连接件的元件是钻井技术中重要的组件，并且在广大领域中广泛使用。因此，它们应该严格地被标准化，并且被统一以便确保可靠性和兼容性这两者。具有改进的性能特征的新类型的连接件的开发明显是必要的，但是它们的检测与引入需要许多年的工作。因此，提高标准化的螺纹连接件的使用期限而并不脱离标准要求的技术内容是更加相关和需要的。

已知的是，用于管的螺纹连接件包括螺纹区段以及紧密装配的非螺纹区段，后者在拧紧螺纹时确保了气密性(参看专利公开文献No.2258171根据分类F16L15/00)。确保气密性的区段与确保所需紧密力的区段的分离是在真空工程中广泛采用的高效的技术。然而，相对于钻井设备，在拧紧力仍保持较大时，该技术并未解决增加螺纹使用期限的问题，并且连接件在不维修的情况下并不经受几个周期。另外，气密性明显取决于匹配的表面的光洁度，而这在现场并不能总是被确保。现有技术的连接件的另一缺点是需要较高的制造精度，这反过来由确保气密性的一个无螺纹区段在内螺纹元件(连接件)内较深的定位被恶化。已知的连接件的一个缺点是，其外形与有效的标准并不符。

同样已知的是，用于钢管的螺纹连接件包括螺纹区段以及紧密装配的无螺纹区段，后者在拧紧螺纹件时确保气密性(参见专利公开文献No.2248495根据分类F16L15/04)。具有多孔锌或锌合金底层的固体膜润滑剂通过用包括铁心和锌壳的颗粒进行喷丸而施加在至少一个区段上。这种连接件确保了与之前情况相比连接件的更加可靠的气密性，但是这是通过制造的明显的复杂性而获得的，气密性越可靠从而确保气密性的一个无螺纹区段在内螺纹元件(接头)中就越深，这妨碍了其加工。已知的连接件的其它缺点与之前的情况类似。

同样已知的是，用于钢管的螺纹连接件，其中包括润滑粉末(例如，硫化钼)和粘合剂的固体膜润滑剂施加在至少一个区段的螺纹表面上，以便增加它们的可靠性(参见专利公开文献No.2258170和No.2258859和No.2262029根据分类F16L15/00)。已知的连接件的缺点包括制备的复杂性以及固体膜润滑剂的施加，这需要螺纹表面的特殊的制备处理，包括形成多孔的底层。与所有复杂性无关，这些连接件的使用期限并不超过10至20个螺紧/螺松循环周期。

已知的是，用于油井管的具有梯形螺纹的锥形轮廓的螺纹连接件的制造方法。该方法主要包括设定七个基本参数(管的外径和厚度、套管的尺寸等)并且然后根据所建议的公式确定七个从属参数(密封件的长度和锥度、肩角度、凸缘角度等)(参看发明专利申请No.2003130748根据分类F16L15/04)。公开的专利权利要求并不包括所建议的方法实际实施的结果，这将可以判断其有效性。另外，计算的参数总是在实际中根据测试结果被校正，因为最终物品的尺寸不可避免地已经与基于计算的这些预设情况有所偏差。因为根据已知的方法构造的连接件将不对应于有效的标准，所以其控制需要较长的时间。

已知的是，油管柱(tubing string)的管包括连接件接头以及异径接头，它们的螺纹表面覆盖有两层的保护涂层，所述涂层包括锌层，其10至14μm厚，通过热扩散镀锌方法被施加；以及磷酸盐涂层，其2至3μm厚，施加在前者上(参看实用新型专利公开文献No.38498根据分类F16L15/08)。所建议的涂层确保了在储存与运输过程中连接件元件的抗腐蚀保护，但是涂层厚度不足以用于连接件的可靠的气密封装并增加其使用期限。磷酸盐涂层是不耐久的并容易蚀刻。因为在螺合中，表面光洁度大体固定在Rz20，2至3μm的宣称厚度比不均匀度小几倍，并绝不可显著地增加螺纹使用期限。与上述表面光洁度对应的螺纹件表面的热扩散镀锌的技术并不确保小于15μm厚的涂层的保证的连续性。

具有连接件接头的油井管或油管柱的锥形螺纹连接件设有进入圆柱形沉孔以及匹配的外螺纹元件(螺纹接套)，例如管或异径接头，其中在接头的螺纹表面上实现热扩散镀锌，并且外螺纹元件技术本质和可获得的结果最接近所建议的情况(参看实用新型专利公开文献No.30913根据分类F16L15/08)。螺纹表面上的涂层厚度以实验的方式被选择，从而涂层是完整的并相当坚固的，并同时并不在螺合时脱落。涂层施加的目的是增加连接件的使用期限而不是腐蚀保护，并且涂层比传统应用的更厚。因此，涂层显著增加了连接件的紧密度。在涂层施加之前满足标准要求的、几乎一半的制造的接头在涂层施加之后具有超过允许极限的紧密度。这迫使使用者在涂层施加之前挑选出制造的接头，从而并不确保使用期限增加的仅薄磷酸盐涂层施加在接头上，这将不满足镀锌之后的标准要求。如果使用者订购具有增加的使用期限的仅仅镀锌的接头，则相对于紧密度值评价的最终物品的产出将几乎是针对制造可接受的产量的一半，尤其在制造具有特殊属性的昂贵金属的接头的情况中。

在服务的状态下，连接件的适合性相对于手动螺合的连接件中的紧密度值被评价。根据上述专利公开文献RD39-136-95，“…如果螺纹接套螺纹利用比最小力矩小的力矩在接头中被螺合至最后的螺纹圈或者如果在用最大力矩螺合之后两个空圈没有进入接头中，则两个管应该被弃用…”。紧密度通过工人进行处理由超过接头边缘的圈数以及液压扳手的螺合力矩被可视化地评价。在具有热扩散镀锌以及增加的紧密度的新接头被输送至油井时，由指示以及之前经验引导的工人将新的接头弃用或者试图通过超过标准螺合力矩而获得所需的紧密度，因而减小了连接件的可靠性。因此，正如已经通过测试证明的、相当有效的已知技术方案在较宽领域中在实践中证明是不适用的，由于必须改变指示、重新培训人员、制造新的校准工具、需要安装件，并且所有这些应该在遍及世界的成千个油井上完成。

已知的接头有一个缺点。根据有效的标准，在强制螺合之后，应该仍存在至多两个螺纹接套圈，而在已知的连接件中，在强制螺合的情况中在接头外侧仍存在不止两个螺纹圈。在针对由螺紧/螺松循环周期评价的使用期限的基准测试中，这并不重要，但是在服务状态下，由接头沉孔未保护的圈通过油井介质中的机械作用而被损害，并且可以甚至在从油井的第一评价之前被磨损或损害。只要它们磨损，则紧密度值就被减小，圈进入接头中就越深，并且连接件必须被弃用，这是在残缺的螺纹接套圈达到接头圈时，尽管该连接件并未超出由基准测试所确定的使用期限。对于经受6至8循环周期的普通连接件而言，伸出的圈的磨损或损害并不是可探测的并且是高的，不像经受超过50循环周期的连接件的涂层的情况那样。因此，已知的连接件的使用期限增加并不能被保证，即使上述组织化的限制可以被克服。

发明内容

本发明所要解决的技术问题包括增加螺纹连接件的操作可靠性，所述螺纹连接件的接头的螺纹部分上具有涂层，所述涂层通过热扩散镀锌方法被施加，从而具有合适的标准紧密度。

上述技术问题得以解决在于，油井管或钻井柱的已知的管连接件接头包括具有外锥形三角形螺纹的螺纹元件，例如管或异径管；以及具有内螺纹的螺纹元件，例如接头或异径接头，所述螺纹元件包含入口圆柱形沉孔以及螺纹部分，所述螺纹部分具有通过热扩散粉末镀锌方法被施加的涂层，所述接头的入口圆柱形沉孔的长度增加螺纹紧密度增量值ΔA，其中所述螺纹紧密度增量值由公式：ΔA＝kδ_min至kδ_max被计算，其中k是等于70的经验系数，而δ_min和δ_max分别是最小和最大涂层厚度。

上述技术问题得以解决还在于，油井管或钻井柱的已知的管连接件接头包括具有外锥形梯形螺纹的螺纹元件，例如管或异径管；以及具有内螺纹的螺纹元件，例如接头或异径接头，所述螺纹元件包含入口圆柱形沉孔以及螺纹部分，所述螺纹部分具有通过热扩散粉末镀锌方法被施加的涂层，所述接头的入口圆柱形沉孔的长度增加螺纹紧密度增量值ΔA，其中所述螺纹紧密度增量值由公式：ΔA＝kδ_min至kδ_max被计算，其中k是等于30的经验系数，而δ_min和δ_max分别是最小和最大涂层厚度。

通过由镀锌造成的紧密度增量值(这由所宣称的经验公式决定)导致的内螺纹接头的入口圆柱形沉孔的长度增加的技术结果包括在服务状态下增加连接件的可靠性，因为为了达到标称紧密度而使得连接件过紧的可能性以及从接头伸出的端螺纹圈的损害在操作的过程中被排除。该结果被获得而无需消耗用于重新培训人员时间以及资金、针对每个钻井场所的新标准化材料的公告和发送、新校准工具和修理安装件的制造。反过来，这使得可以立刻开始供应本发明的连接件并将油井管的标准螺纹连接件的使用期限从6至8增加到至少50个螺紧/螺松循环周期。

另外，在用标准力矩强制螺合的情况中，连接件可靠性也增加了，这是因为外螺纹元件的螺纹部分由于增加的沉孔长度而几乎完全地隐藏在沉孔中，并因而保护抵抗油井介质的机械作用。

附图说明

参照附图说明本发明：

图1是一个手动螺合的螺纹连接件的视图，其接头在螺纹部分上具有涂层；

图2是本发明的手动螺合的螺纹连接件的视图；

图3是用建立的操作力矩螺合的本发明的螺纹连接件的视图。

具体实施方式

本发明的螺纹连接件(图1)包括外螺纹元件1，例如油井管或异径接头，此后也称为螺纹接套；以及与外螺纹元件匹配的内螺纹元件2，例如接头或异径接头，此后也称为接头。接头2的进入区段具有圆柱形沉孔3。沉孔直径稍微大于螺纹接套1的无螺纹部分的直径。通过扩散粉末镀锌法(diffusion powder galvanizing method)施加的涂层4设置在接头的螺纹部分上。涂层4的厚度大体是在15至30μm的范围内，但是也可以甚至更厚——直至50μm。具有几微米厚度的抗腐蚀磷酸盐涂层施加在镀锌涂层上。螺纹接套1的螺纹表面未有涂层，或者厚度2至3μm的标准腐蚀性磷酸盐涂层施加在其上。

从接头2的面端5至螺纹开始处所测量的沉孔3的深度G等于针对不具有镀锌涂层的连接件的沉孔的标准深度g与螺纹紧密度增量ΔA的值之和，也就是G＝g+ΔA。在此，通过实验确定的ΔA的值并不取决于螺纹螺距或直径，并且由公式：ΔA＝kδ_min至kδ_max被计算，其中k是经验系数，对于15至50μm范围内的涂层厚度而言对于三角形螺纹等于70并且对于梯形螺纹而言等于30。在确定对于ΔA的公式时，考虑到油井现场人员根据伸出接头边缘的圈数通过观察确定紧密度。这种确定的精度等于圈的大约1/4至1/3，并因此，紧密度在标准误差区域内的本发明的接头被发现在服务状态下可用，无论是否沉孔深度增加kδ_min或kδ_max。

对于ΔA的表达式适用于任何标准锥形螺纹，而与螺纹直径或螺距无关。k的值在有涂层的接头的测试过程中通过实验被确定。优选的是通过平均涂层厚度δ_med设定ΔA的值，所述平均涂层厚度由于作为针对连接件使用期限和涂层强度的最佳的技术考虑而被确定。在这种情况中，ΔA的值将等于kδ_med。δ_med的值无需是δ_min与δ_max之间的算术平均值。因而，通过实验已经确定，连接件的增加的使用期限在涂层厚度处于15至30μm范围内的情况下被确定，但是如果涂层施加的工程加工的参数倾向于获得δ_med＝25μm则获得最佳的结果。然而，如果由于工程加工偏差，一批接头的平均涂层厚度出现小于δ_med，但是处于误差区域的内，则有利的是计算对应于该批的ΔA的新值并相应地减小沉孔长度。只要接头在两侧上具有螺纹和沉孔，则由于使用本发明的技术方案，接头长度增加2ΔA。对于仅仅在一侧具有内螺纹的异径接头而言，它们的长度增加ΔA。

针对三角形和梯形螺纹的系数k的不同的值解释为，在三角形螺纹中，沿螺纹中心线、也就是沿侧翼螺纹接套和接头的圈接触，而在具有梯形螺纹的连接件中，相对于内螺纹直径或内和外螺纹直径完成装配。

本发明的连接件的制造和使用如下所述。

接头坯件制造有增加ΔA值的沉孔深度。优选的是，对于异径接头而言外螺纹元件增加ΔA值，而接头增加2ΔA值。在接头螺纹切割机中，引入ΔA值的补偿，从而基本螺纹平面朝向螺纹锥形的较小直径移动同一距离。在接头中的螺纹切割之后，轴向紧密度借助于标准螺纹量具(图2)被检查。在此，具有等于紧密度A的紧密度的接头在针对螺纹连接件标准中预设少ΔA的值，也就是，具有紧密度(A-ΔA)的接头被考虑装配。因而，在标准中，预设的整个紧密度误差范围被实现。只要在中间制造阶段出现偏离标准检测方法，则无需协调或容许。

已经通过测试的接头经受扩散粉末镀锌。所施加的涂层的厚度可直至15至50μm。制造的接头经受借助于根据标准工艺的标准量规的出厂检测，也就是借助于塞规检查的接头紧密度应该达到标准值A，具有针对极限偏差的容差。在这种情况中，使用者的接头的入厂检测将表明标准值A，也就是操作指示中的任何改变将不需要。

在本发明的连接件的第一强制螺合中，紧密度值减小0.5至0.8mm。此外，镀锌接头的螺纹的紧密度以每螺紧/螺松循环周期0.05mm的平均速率被减小。

具有接头(其螺纹通过热扩散方法被镀锌并且沉孔深度根据本发明被增加)的油井管的基准和现场测试的经验表明，这些连接件用类似于传统油井管的力矩被组装。连接件的轴向与径向紧密度也对应于传统的油井管。在组装连接件时，利用通常在石油工人实践中所采用的油脂。本发明的连接件的组装无需任何专用工具。不会出现油井现场人员弃用装配连接件的情况。

Claims (2)

1.一种油井管的螺纹连接件，包括螺纹元件，所述螺纹元件包含外锥形三角形螺纹以及内螺纹元件，所述内螺纹元件具有入口圆柱形沉孔以及螺纹部分，所述螺纹部分至少具有通过热扩散粉末镀锌方法被施加的涂层，其特征在于，所述内螺纹元件的入口圆柱形沉孔的长度增加一紧密度增量值，其中所述紧密度增量值由所述涂层造成并且所述紧密度增量值(ΔA)是在kδ_min至kδ_max的范围内，其中k是等于70的经验系数，而δ_min和δ_max分别是最小和最大涂层厚度。

2.一种油井管的螺纹连接件，包括螺纹元件，所述螺纹元件包含外锥形梯形螺纹以及内螺纹元件，所述内螺纹元件具有入口圆柱形沉孔以及螺纹部分，所述螺纹部分至少具有通过热扩散粉末镀锌方法被施加的涂层，其特征在于，所述内螺纹元件的入口圆柱形沉孔的长度增加一紧密度增量值，其中所述紧密度增量值由所述涂层造成并且所述紧密度增量值(ΔA)是在kδ_min至kδ_max的范围内，其中k是等于30的经验系数，而δ_min和δ_max分别是最小和最大涂层厚度。

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