CN102245955A - 在石油工业中使用的密封管状连接结构，和用于构造所述连接结构的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及螺纹连接结构(1)，其包括第一管状组件和第二管状组件，所述第一管状组件包括布置在其外周边表面上的一阳式端部(3)，该阳式端部(3)相继地具有一螺纹区域(5)、一密封面(13)、继而一终端表面(15)，该终端表面终止于一抵接面(7)，该抵接面相对于所述连接结构(1)的旋转轴线(20)径向地取向，所述第二管状组件包括布置在其内周边表面上的一阴式端部(2)，该阴式端部(2)相继地具有一螺纹区域(4)、一密封面(12)、继而一凹槽(10)，所述凹槽终止于一抵接面(8)，该抵接面相对于所述连接结构的旋转轴线(20)径向地取向，所述阳式端部(3)的螺纹区域(5)被装配进阴式端部(2)的螺纹区域(4)中，以使得密封面(12)和(13)处于过盈接触状态，如同抵接面(7)和(8)一样，在所述终端表面(15)和所述凹槽(10)之间的空间限定出一容积(17)，其特征在于，该容积(17)至少部分地被填充材料(M)填充。本发明还涉及用于构造该连接结构的方法。
Description
技术领域
本发明涉及用于特别地使用于钻井或操作碳烃井的管状组件的密封连接结构的领域。在这些应用中，由于连接结构经受大的压缩和拉伸负荷，在使用中连接结构需要具有突出的密封性。
背景技术
美国石油协会(API)，在技术规范5CT和5B中限定标准的连接结构，其特别地包括两连接组件的螺纹区域的联接；密封性产生于应用插入在阳式螺纹区域和阴式螺纹区域之间的润滑脂，并且因此，密封的性能局限于以相当低的压力移动的液体或气体。
为了加强密封性，现有技术描述的优质的连接结构，其特别地由申请人开发，所述连接结构超过API的标准，并且具有接近螺纹区域的“密封”表面，当组件被装配时，所述表面被进行过盈接触。
在阳式管状组件和阴式管状组件的每个的端部设置螺纹区域也是公知的。需要注意的是，阴式管状组件可是长管，或相反地，是联接件类型的短管。在高压下的流体密封性(对液体或气体)因此产生于在径向过盈发生后密封表面的相互接触。径向紧密的强度是阳式螺纹区域和阴式螺纹区域的相对轴向位置的函数，所述相对定位例如通过使在阳式端部和阴式端部中设置的抵接面相接触来确定，或通过使用自锁螺纹来确定。
在相对定位产生于使抵接面相接触的情形中，在现有技术中也公知：在连接结构的内侧设置抵接面。更为确切地说，阳式端部的外周边包括通过一密封面延长的螺纹区域，该密封面本身通过一终端部分延长，该终端部分在一抵接面中终止，该抵接面相对于连接结构的旋转轴线径向地取向。相似地，阴式端部的内周边包括一凹槽(也称作凹面)，凹槽一方面通过一环形面和一密封面限定，所述环形面相对于所述连接结构的轴线径向地取向。阴式密封面本身通过一螺纹区域延长。因此，当阳式端部的密封面挨着对应的阴式端部的密封面进行过盈安装时，如同与对应的抵接面一样，阳式端部的终端部分的外表面(称作终端表面)不与阴式端部的凹槽相接触。为了方便在两管状组件之间的连接，也被称之为装配，保证使得阳式端部的终端部分在装配时无摩擦地挨着阴式端部的凹槽抵接。因此，只是密封面进行过盈接触。因此，在阳式端部的终端部分的外周边表面和阴式端部的凹形部分的内周边表面之间限定一空间。
如上所述，优质的连接结构经受轴向拉伸或压缩负荷、内部或外部流体压力、和弯曲或扭转应力，这些可以相组合且可在强度上有变化。尽管存在应力和现场服务条件恶劣，密封性需要得到保证。螺纹连接结构必需能够多次进行装配和断开，而在性能上没有减效，特别地因刮擦而在性能上也没有减效。在断开后，管状组件可在其它服务条件下被重新使用。
为了模拟这些多种应力的场景，螺纹连接结构可经历根据ISO标准13679：2002的组合应力循环。该组合应力循环包含在一安全性能范围内，其被称作VME(等效应力椭圆)，通过材料的屈服强度和管状组件的几何结构来确定。该循环因此预备对螺纹连接结构的应用交替的应力，其组合内部压力和/或轴向张力或轴向压力或其组合外部分压力和/或轴向张力或轴向压力。螺纹连接结构的密封面需要在整个循环中保持密封性。
作为示例，文献WO-2004/109173描述一种螺纹连接结构，其包括一阳式端部，阳式端部配有一轴向抵接部分和用于与阴式端部的一轴向抵接部分相接触，以及一唇缘在螺纹区域和轴向抵接部分之间延长，所述唇缘包括接近螺纹区域的基本锥形的一密封面且因此离开轴向抵接部分一距离，在密封面和轴向抵接部分之间的唇缘的终端部分具有一外表面，外表面的直径略小于阴式端部的对应表面。该类型的螺纹连接结构在测试中和实际服务条件下表现良好。
然而，申请人发现直到现在都被忽视的一种物理现象；在文献WO-2004/109173中描述的类型的螺纹连接结构中，压力陷闭在阳式端部的终端部分和阴式端部的对应表面所限定的小容积中。在高轴向拉伸负荷施加在螺纹连接结构上的情形中，阳式和阴式轴向抵接部分会变得相互分离，密封面保持紧密(密封)接触。在螺纹连接结构中存在的流体继而会蔓延进小容积中。此后，当拉伸负荷停止和当负荷变成压缩负荷时，轴向抵接部分又相互接触，陷闭流体——流体的压力是当拉伸负荷停止时在连接结构中充盈的压力。在连接结构的内部压力继而降低的情形下，所述小容积保持填充有所述流体，该流体的压力大于在连接结构内部充盈的压力。
由于与阳式端部的唇缘相对的阴式端部的表面被构造，以便比阳式端部上的唇缘更加坚硬，阳式端部上的唇缘趋于在所述小容积中陷闭的所述高压的作用下向内弯曲，即便现在唇缘的内表面仅经受低的压力。阳式端部的唇缘的向内的径向变形因而产生泄漏，这使得流体在密封面之间经过并蔓延进螺纹区域中。除了在管体内部移动的流体的损失和油气井生产率的降低外，这会产生在管体外存在的流体被在管体内存在的流体污染。甚而，当螺纹区域又一次经受高的内部或外部流体压力时，唇缘的径向变形会产生泄漏。
此外，唇缘的径向变形会产生在压缩下结构整体性的损失，和会使得在管体内部移动的工具被钩挂住。
该陷闭内部压力的现象和泄漏的问题以及产生的其它问题在现有技术中是完全不为知晓的，这是因为阳式密封面通常布置在唇缘的端部并且在大部分优质的螺纹连接结构中与抵接部分相邻。
此外，申请人没有立即意识到文献WO-2004/109173的螺纹连接结构的问题，是因为测试标准ISO 13679：2002在其段落6-7要求待测试的螺纹连接结构被特别地修改来对密封面进行测试。在对螺纹连接结构——为测试进行修改的螺纹连接结构——进行的该测试中，可能与商业的即用型螺纹连接结构一同出现的问题总的来说可能不被注意到。申请人根据经验学习到标准化测试并不代表该连接结构的实际状况。
申请人需要在配备的一螺纹连接结构上执行测试，以测量在由阳式端部的终端表面和阴式端部的相对的表面之间所限定的小容积中的压力，来对陷闭现象进行评估。申请人继而寻求特别地通过提高连接结构的总体密封性，来修正该新的陷闭问题。
发明内容
为此，本发明的目的在于，通过对由阳式端部的终端表面和阴式端部相对的表面所限定的小容积进行填充，使得不再存在压力差，来防止阳式端部的终端部分发生变形。
更为特别地，本发明提供螺纹连接结构，其包括第一管状组件和第二管状组件，所述第一管状组件包括布置在其外周边表面上的一阳式端部，该阳式端部相继地具有一螺纹区域、一密封面、继而一终端表面，该终端表面终止于一抵接面，该抵接面相对于所述连接结构的旋转轴线径向地取向，所述第二管状组件包括布置在其内周边表面上的一阴式端部，该阴式端部相继地具有一螺纹区域、一密封面、继而一凹槽，所述凹槽终止于一抵接面，该抵接面相对于所述连接结构的旋转轴线径向地取向，所述阳式端部的螺纹区域被装配进阴式端部的螺纹区域中，以使得密封面和处于过盈接触状态，如同抵接面和一样，在所述终端表面和所述凹槽之间的空间限定出一容积，其特征在于，该容积至少部分地被填充材料填充。
根据某些特征，所述容积全部被填充材料填充。
根据其它特征，所述填充材料由至少一金属材料组成，所述金属材料由从软金属、铜合金、形状记忆合金、铅-锡合金、锌合金和铅合金所限定的列表中进行选择。
根据其它特征，所述填充材料是有机材料。
本发明还针对用于构造根据本发明的螺纹连接结构的一种方法，所述方法包括将所述阳式端部装配进所述阴式端部中的一步骤，其特征在于，所述方法包括至少以下的步骤：
用于构造根据权利要求1到4中任一项所述的螺纹连接结构的方法，所述方法包括将所述阳式端部装配进所述阴式端部中的一步骤，其特征在于，所述方法包括至少以下的步骤：
●在装配操作前，至少一第一主体围绕所述阳式端部的终端表面和/或在所述阴式端部的凹槽内部被布置；
●继而装配操作按这样的方式被执行：所述第一主体占据至少一部分在所述终端表面和所述凹槽之间所限定的空间。
根据某些特征，用于构造连接结构的方法包括一步骤，其在于，在执行装配操作前，第二主体围绕阳式端部的终端表面和/或在阴式端部的凹槽内部定位。
根据其它特征，所述主体在装配操作时经历一活化步骤，所述填充材料产生于所述主体的活化。
根据其它特征，所述主体在装配操作后经历一活化步骤，所述填充材料产生于所述主体的活化。
根据其它特征，所述活化步骤是这样的一活化步骤：其使用一能量源，该能量源从通过热、超声波、磁辐射、氧气、施加的压力和湿气所限定的列表中进行选择。
附图说明
本发明将在接下来的完全作为非限定性示例给出且参照附图的一些具体实施方式的详细描述中更好地得到理解，附图中：
-图1是根据本发明的一实施方式的螺纹连接结构的剖视图；
-图2是根据本发明的一实施方式的螺纹连接结构的细部图；
-图3是根据本发明的一实施方式的，没有装配的螺纹连接结构的剖视图。
具体实施方式
如在图1中可以看见，一带螺纹的管状连接结构1包括一阴式端部2和一阳式端部3。阴式端部2和/或阳式端部3可组成数米长的管体的一部分，例如大约10到15米长。一端部——一般性地阴式端部——可组成联接件的端部，换句话说组成一短管，其能够将每个配有两阳式端部的两长管连接在一起(称作T&C连接结构的带螺纹的和联接的连接结构)。一联接件可配有两阴式端部。在一变型中，一长管可配有一阳式端部和一阴式端部(整体式连接结构)。连接结构1是批量生产类型的连接结构。
连接结构1可被使用于组成用于碳烃井的套管柱或管状柱、用于这些相同油气井的提升管或钻探管柱。
管体可以多种类型的非合金、低合金或高合金钢，或铁或非铁合金制成，根据服务条件，例如：机械应力程度、在管体内部或外部的流体的腐蚀性等进行热处理或冷加工。
也可使用耐腐蚀性低的钢管，其涂覆有一保护涂层，保护涂层例如是耐腐蚀性合金或合成材料。
螺纹阴式端部2包括具有梯形螺纹的一阴式螺纹区域4，其例如是根据API技术规范5B(API＝美国石油协会)，或从该规范派生的技术规范，例如，称之为“钩状螺纹”的带钩状承载牙侧的螺纹，例如由申请人以商品名VAM
进行出售的螺纹连接结构的螺纹。阴式螺纹区域4呈锥形，例如具有在0.5°到3°之间的半角，优选地，半角在1°到2°范围内。阴式螺纹区域4布置在阴式元件2的内部。阳式端部3包括布置在所述阳式端部3的外表面上的一阳式螺纹区域5。阳式螺纹区域5与阴式螺纹4相嵌接。阴式端部2在螺纹区域4和5侧包括一远端表面6，螺纹区域4和5基本垂直于连接结构的轴线20。阳式螺纹区域5具有基本等于阴式螺纹区域4的锥形的一锥形。
阳式端部3的远端表面呈环形面的形状，其相对于连接结构的轴线20径向地取向。远端表面形成一轴向抵接面7，其能够限制在阴式端部2和阳式端部3之间的相对轴向运动。抵接面7挨着阴式端部2的肩部相接触，阴式端部的肩部也形成一抵接面8，抵接面8也相对于连接结构20的轴线径向地取向。在螺纹区域4和抵接面8之间，阴式端部包括一基本锥形的表面12和一凹槽10。凹槽10具有一基本圆柱形的表面14和在基本锥形的表面12和抵接面8之间布置的一回转面18。回转面18将基本圆柱形的表面14与抵接面8连接。抵接面8可具有如在文献EP-0 488 912中描述的锥形形状，或如在文献US-3 870 351或WO-2007/017082中描述的环形形状，如在文献US-4 611 838中的梯级形形状，或具有如在文献US-A-6 047797中的隆凸，或这些形状的组合。
阳式端部3包括一唇缘9，其轴向地超过阳式螺纹区域5延长到抵接面7。唇缘9包括基本锥形的一外表面13，其轴向长度略大于阴式端部2的基本锥形的表面12的轴向长度。基本锥形的表面13一部分与基本锥形的表面12的一部分在在视图中示出的连接结构1的装配位置中相互径向紧密接触。这些密封面12和13能够阻止流体在连接结构内部和外部之间的运动。密封面的锥度可在5°到25°的范围内，优选地在10°到20°的范围内，例如14°。密封面的锥度大于螺纹区域的锥度。
阳式端部3的唇缘9包括一终端表面15，其基本是圆柱形的并且在基本锥形的表面13和阳式端部3的抵接面7之间延长，取决于本身可在50mm到550mm之间变化的管体的直径，其可在4mm到20mm的范围之间。例如对于250mm的管体可选择长度在9mm到16mm范围内的一基本圆柱形的表面15。终端表面15的直径略小于阴式端部2的基本圆柱形的表面14的直径。基本圆柱形的表面15通过一倒圆角与抵接面7相连接，倒圆角的曲度半径小，例如在0.4mm到1.5mm的范围内，优选地在1mm到1.5mm的范围内。因此在唇缘9的外周边表面15和凹槽10之间限定一小容积17。小容积通常是大约数十个cm3的大小。在给出的示例中，其接近25cm3。
根据本发明，在唇缘9的终端表面15和凹槽10之间限定的小容积17被一填充材料M填充。在示例中，填充材料M有利地填充整个小容积17，这意味着没有来自连接结构内部的流体能够在小容积中被陷闭。相似地，没有来自连接结构1外部的、经过螺纹区域4和5的流体能够在小容积中积存。
在另一实施方式中，其没有在视图中显示，填充材料M可被布置以仅填充小容积17的一部分，以阻止在连接结构1的内部和小容积17的未填充部分之间的所有联通。
在本发明的第一变型中，填充材料M由至少一金属材料组成。有利地，使用如铟、铜或金的软金属是重要的。也可使用铜合金、铅-锡合金、锌合金或铅合金。本领域专业人员将能够选择与应用到连接结构1的热应力和机械应力相兼容的合金组成。
有利地也可使用如NiTi、CuZnAl、或CuAlNi的形状记忆合金。当连接结构被断开继而又进行装配时，其“超弹性”性能——这通过其记住最初形状并且在变形后恢复的能力显现——会是有利的。
根据本发明的第二变型，填充材料M是一种自然和/或合成原料的有机材料。使用于该应用的低聚物和聚合物优选地是热塑性的，如氟化高聚物(聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)和衍生物)、聚烯烃(聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和衍生物)、聚酰胺(聚酰胺6(PA6)、聚酰胺6，6(PA6，6)和衍生物)、聚甲醛(POM)、聚芳基甲酮(聚醚醚酮(PEEK)、聚芳醚酮(PAEK)和衍生物)、聚苯醚(PPE)、聚碳酸酯(PC)；或热硬化性的，如环氧化物、聚酰亚胺、聚酯纤维、氰丙烯酸酯，或自然和合成弹性体。这些材料可被填充、增强或补充，以提高其性能或提供特殊的性能。这些复合物可是有机的，如碳黑、石墨或聚合物；或矿物原料如滑石、云母、玻璃或碳酸钙。
对本发明的填充材料M的定位被这样执行：其紧密地与阳式端部3在阴式端部2中的装配操作相联合。
在本发明的连接结构的第一变型中，在装配操作前，第一主体C′围绕阳式端部3的终端表面15布置。继而，装配操作被这样执行：第一主体C′占据在阳式端部3的终端表面15和凹槽10之间所限定的空间的至少一部分。
有利地，主体C′占据在阳式端部3的终端表面15和凹槽10之间所限定的整个空间，因此组成填充材料M。作为示例，对于主体C′可使用一环，其通过一可锻合金形成，具有一内径使得其可安装在唇缘9上。使用一形状记忆合金具有这样的优点：当连接断开时，其被挤压，以便与小容积17的形状相配合的环恢复其最初形状，并且在第二次装配操作的时候能够又占据整个空间17。
根据所述方法的第二变型，第一主体C′布置在阴式端部4上的凹槽10内部，且继而装配操作被这样执行：第一主体C′占据在阳式端部3的终端表面15和凹槽10之间所限定的空间的至少一部分，因此组成填充材料M。作为示例，对于主体C可使用一环，其通过弹性体形成，具有一外径，使得其可挨靠着凹槽10安装。
根据所述方法的另一变型，第一主体C′布置在阴式端部的凹槽10内部，继而第二主体C″围绕阳式端部3的唇缘9的终端表面15布置。接下来，执行在阳式端部和阴式端部之间的装配操作。第一和第二主体C′和C″相互作用，并且因此获得一填充材料M，其占据在唇缘9的终端表面15和凹槽10之间所限定的整个空间。
作为示例，填充材料M可是一种环氧树脂，其产生于具有催化剂的流体形式的双环氧化物类型的双酚A二缩水甘油醚(DGEBA)或丁二醇二缩水甘油醚(DGEBD)的交联聚合，例如产生于也是流体形式的DA12或二氨二苯砜(DDS)类型的胺族。
在该精确的情形中，双环氧化物流体类型的双酚A二缩水甘油醚或丁二醇二缩水甘油醚层C′可沉积在终端表面15上，且胺族类型的DA12或二氨二苯砜(DDS)层C″沉积在凹槽10中。在装配时执行交联聚合以产生环氧树脂。本领域专业人员能够调整比例以使得环氧树脂有利地填充整个容积17。当然，C′和C″可被补充以叔胺或催化剂类型的三氟化硼。层C′和C″也可被填充例如滑石和/或二氧化硅，以减轻在交联聚合后的收缩并提高机械强度。
根据所述方法的其它可能的变型，主体C′和C″经历一活化步骤，其在装配操作中或甚至在装配后使用一能量源，以加速交联聚合的进程。因此，获得填充材料M，其占据在唇缘9的终端表面15和凹槽10之间所限定的整个或部分空间。活化步骤，例如可使用热量或超声波或磁辐射的能量源、氧气、施加的压力或湿气。
Claims (9)
1.螺纹连接结构(1)，其包括第一管状组件和第二管状组件，所述第一管状组件包括布置在其外周边表面上的一阳式端部(3)，该阳式端部(3)相继地具有一螺纹区域(5)、一密封面(13)、继而一终端表面(15)，该终端表面终止于一抵接面(7)，该抵接面相对于所述连接结构(1)的旋转轴线(20)径向地取向，所述第二管状组件包括布置在其内周边表面上的一阴式端部(2)，该阴式端部(2)相继地具有一螺纹区域(4)、一密封面(12)、继而一凹槽(10)，所述凹槽终止于一抵接面(8)，该抵接面相对于所述连接结构的旋转轴线(20)径向地取向，所述阳式端部(3)的螺纹区域(5)被装配进阴式端部(2)的螺纹区域(4)中，以使得密封面(12)和(13)处于过盈接触状态，如同抵接面(7)和(8)一样，在所述终端表面(15)和所述凹槽(10)之间的空间限定出一容积(17)，
其特征在于，该容积(17)至少部分地被填充材料(M)填充。
2.根据权利要求1所述的螺纹连接结构，其特征在于，所述容积(17)全部被填充材料(M)填充。
3.根据权利要求1或2所述的螺纹连接结构，其特征在于，所述填充材料(M)由至少一金属材料组成，所述金属材料由从软金属、铜合金、形状记忆合金、铅-锡合金、锌合金和铅合金所限定的列表中进行选择。
4.根据权利要求1或2所述的螺纹连接结构，其特征在于，所述填充材料(M)是有机材料。
5.用于构造根据权利要求1到4中任一项所述的螺纹连接结构(1)的方法，所述方法包括将所述阳式端部(3)装配进所述阴式端部(2)中的一步骤，其特征在于，所述方法包括至少以下的步骤：
●在装配操作前，至少一第一主体(C′)围绕所述阳式端部(3)的终端表面(15)和/或在所述阴式端部的凹槽(10)内部被布置；
●继而装配操作按这样的方式被执行：所述第一主体(C′)占据至少一部分在所述终端表面(15)和所述凹槽(10)之间所限定的空间。
6.根据权利要求5所述的用于构造连接结构的方法，其特征在于，所述方法包括至少以下的步骤：
●在装配操作前，至少一第一主体(C′)围绕所述阳式端部(3)的终端表面(15)和/或在所述阴式端部的凹槽(10)内部被布置；
●然后一第二主体(C″)围绕所述阳式端部(3)的终端表面(15)和/或在所述阴式端部的凹槽(10)内部被定位；
●继而装配操按这样的方式被执行：所述第一和第二主体(C′，C″)占据至少一部分在所述终端表面(15)和所述凹槽(10)之间所限定的空间。
7.根据权利要求5或6所述的用于构造连接结构的方法，其特征在于，所述主体(C′，C″)在装配操作时经历一活化步骤，所述填充材料(M)产生于所述主体(C′，C″)的活化。
8.根据权利要求5或6所述的用于构造连接结构的方法，其特征在于，所述主体(C′，C″)在装配操作后经历一活化步骤，所述填充材料(M)产生于所述主体(C′，C″)的活化。
9.根据权利要求7或8所述的用于构造连接结构的方法，其特征在于，所述活化步骤是这样的一活化步骤：其使用一能量源，该能量源从通过热、超声波、磁辐射、氧气、施加的压力和湿气所限定的列表中进行选择。
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