CN102365417B - 带螺纹的薄壁钻管接头 - Google Patents

带螺纹的薄壁钻管接头 Download PDF

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Abstract

一种用于薄壁钻管的接头的构件(1)，其具有中心轴线(A)并且包括用于形成螺纹接头的螺纹(4)。所述螺纹具有螺纹底部(6)、螺纹顶部(7)、压力侧面(8)和间隙侧面(9)。所述压力侧面(8)具有相对于与中心轴线(A)垂直的方向成小于7.5、但是至少为0的负角(21)的部分。

Description

带螺纹的薄壁钻管接头
技术领域
本发明涉及一种用于钻管的接头，并且更特别地涉及用于薄壁钻管的带螺纹的接头。
背景技术
用于钻管的接头将扭矩力从一个管部分传递到另一个管部分。由于较薄的壁厚，接头通常比管的其余部分更脆弱。在特定的钻凿深度下，钻管变得太长，以至于重量比所需的钻凿推进力还要大。为了在钻管的钻头端保持所需的钻凿推进力，在钻管的相对端需要增大的回拉张力负荷。因此，当钻凿深度变深时，接头需要高的张力负荷能力。
可以修改带螺纹的接头以使其更坚固。US 5,788,401中提出了这样一种技术方案，其中公开了一种具有负的螺纹压力侧面的薄壁钻管接头。利用相对于与中心轴线垂直的方向成7.5°-15°的负压力侧面以提供降低的应力状态，从而解决问题。进一步，接头的螺纹段沿着接头的轴向长度渐缩，且保持螺纹深度。这一技术方案的问题在于这样的钻管接头难以制造。
因此，需要一种改进的钻管接头。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改进的用于薄壁钻管的接头。一个特别的目的在于提供一种既坚固又容易制造的接头。所述接头包括阳型构件和阴型构件，它们通过螺纹连接而可以互相连接起来。
根据第一方面，提供了一种在薄壁钻管中的接头的构件，其具有中心轴线并且包括用于形成螺纹接头的螺纹，其中，所述螺纹具有螺纹底部、螺纹顶部、压力侧面和间隙侧面，其特征在于，所述压力侧面具有相对于与中心轴线垂直的方向成小于7.5°、但大于0°的负角的部分。
当讨论所述侧面和螺纹顶部的角度时，可以理解的是，所意图的是各个表面的主要角度，并且在各表面的边缘处的任何半径都应当被忽略。
所述接头的强度部分地取决于接头部件的壁厚。浅的螺纹深度能使接头构件的壁厚更大。利用这种技术方案，螺纹深度能够被减小并且壁厚增大，从而提供为更深的钻凿提供更坚固的接头。可以使张力从424000N增大至479000N，这能转换成增加大约300m的更深的钻凿。
负角被定义为产生底切侧面表面的角度。对于薄壁钻管，这意味着管具有的壁厚，不包括所述螺纹，大约是3mm-6.4mm、大约3mm-5.6mm或者大约3mm-4.2mm。
在进一步的实施例中，压力侧面部分相对于与中心轴线垂直的方向的负角可以是大约1°-6°、大约2°-5°、大约4°-5°或者大约5°。
为了能够减小螺纹深度以获得增大的壁厚，所述构件的材料必须足够坚固以应付由于减小深度而在螺纹上增大的张力负荷。一个实施例提供了一种由基本上完全硬化钢制成的接头构件。当钢是完全硬化的而不仅仅是表面硬化时，不会产生能导致螺纹顶部破裂的热影响区。
在进一步的实施例中，被定义为在螺纹底部和螺纹顶部之间的径向距离的螺纹深度可以是大约0.5mm-0.8mm、大约0.5mm-0.7mm或者大约0.5mm-0.6mm。
为了能够更有效地利用所述螺纹深度以用于更效的力传递以及更好的张力负荷能力，在一个实施例中，在螺纹底部和螺纹顶部中的至少一个的材料厚度可以朝向构件的端部渐缩。这意味着螺纹深度沿着构件的有螺纹在其上延伸的表面不是恒定的。该技术方案可以是，当阳型构件连接至阴型构件时，在阳型构件和阴型构件之间产生渐缩的间隙。具有这种效果的进一步优点是，可以在螺纹之间为灰尘和油脂提供更多的空间，否则灰尘和油脂可能引起干扰并且在连接中减少张力负荷能力。
在另一个实施例中，螺纹底部可以与中心轴线基本上平行，并且螺纹顶部的材料厚度朝向所述构件的端部渐缩。
在一个实施例中，螺纹的间隙侧面可以具有相对于与中心轴线垂直的方向成小于45°的角度的部分。
在另一个实施例中，螺纹的间隙侧面可以具有这样一部分，所述部分的角度在所述螺纹的不同段是不同。在靠近构件的端部定位的第一螺纹段上的相当大的角度可以促进阳型构件与阴型构件的装配。然后，在一个实施例中，间隙侧面可以具有相对于与中心轴线垂直的方向成大约10°到40°、大约20°到35°或者大约30°的角度的部分。
第一个螺纹段可以定位得比第二螺纹段更靠近构件的端部。第二段可以具有相对于与中心轴线垂直的方向成大约0°到15°、大约1°到10°或者大约5°的角度的间隙侧面部分。不同的螺纹段的间隙侧面角可以根据表1组合成不同的实施例。X指示第一和第二段的间隙侧面角组合的明确公开。
  0°到15°   1°到10°   5°
  10°到40°   ×   ×   ×
  20°到35°   ×   ×   ×
  30°   ×   ×   ×
表1
构件的螺距可以是大约0.8到1.6个螺纹每厘米、大约0.8到1.2个螺纹每厘米或者大约1个螺纹每厘米。
压力侧面和间隙侧面中的至少一个可以经由超过大约0.10mm或者超过大约0.15mm的半径而连接到螺纹底部。
压力侧面和间隙侧面中的至少一个可以经由超过大约0.10mm或者超过大约0.15mm或者超过大约0.20mm的半径而连接到螺纹顶部。
所述构件可以是阳型构件，其中螺纹沿着所述构件的外部延伸。在可替代实施例中，所述构件可以是阴型构件，其中螺纹沿着所述构件的内部延伸。
在不同的实施例中，阴型构件基本上具有与阳型构件相同的特征。所述两个构件可以有相同的压力侧面和间隙侧面角、螺纹深度和材料。
在一个实施例中，对于阳型构件来说，螺纹顶部可以以相对于中心轴线成大约0.2°-0.6°、大约0.3°-0.5°、大约0.3°-0.4°或者大约0.34°的角度渐缩。在另一个实施例中，对于阳型构件来说，螺纹的材料厚度可以以相对于中心轴线成大约1.7°-2.5°或者大约是2°-2.5°的角度渐缩。
在一个实施例中，对于阴型构件来说，螺纹的材料厚度可以以相对于中心轴线成大约0.2°-0.6°、大约0.2°-0.4°、大约0.2°-0.3°或者大约0.28°的角度渐缩。同时，所述螺纹底部可以与中心轴线基本平行。
第二方面提供了一种用于钻管的接头系统，包括根据任一前述的实施例所述的阳型构件和阴型构件。在一个实施例中，所述接头系统可以具有在所述构件中的一个的螺纹顶部和所述构件中的另一个的螺纹底部之间的渐缩的间隙。该特征具有这样的效果，即当两个构件的压力侧面处于连接时，利用了最大的螺纹深度部分。这还允许在螺纹连接内为灰尘和油脂提供更多的空间。实际上，螺纹深度可以变化，并且/或者在螺纹底部的材料厚度可以变化。
在本发明的另一个实施例中，所述渐缩间隙在于至少两个并置的螺纹之上。当尽可能在两个构件的压力侧面之间有尽可能多的连接表面时，螺纹深度可以更多地被减小，同时能增加壁厚，并保持接头的张力负荷能力。因此，如果全部的螺纹都在两个构件之间的连接处具有渐缩的间隙，这是有利的。
根据第三方面，提供一种薄壁的钻管系统，包括如上所述的接头系统，其中阳型构件布置在第一薄壁的钻管上并且阴型构件布置在第二薄壁的钻管上。
根据第四方面，提供一种用于钻管的接头的阳型构件或者阴型构件，其具有中心轴线并且包括用于形成螺纹接头的螺纹，其中所述螺纹具有螺纹底部、螺纹顶部、压力侧面和间隙侧面，其中在螺纹底部和螺纹顶部中的至少一个的材料厚度朝向所述构件的端部渐缩。
根据第五方面，提供一种用于钻管的接头的阳型构件或者阴型构件，其具有中心轴线并且包括用于形成螺纹接头的螺纹，其中所述螺纹具有螺纹底部、螺纹顶部、压力侧面和间隙侧面，压力侧面和间隙侧面中的至少一个经由大约0.15mm的半径而连接到螺纹底部。
根据第六方面，提供一种用于钻管的接头的阳型构件或者阴型构件，其具有中心轴线并且包括用于形成螺纹接头的螺纹，其中所述螺纹具有螺纹底部、螺纹顶部、压力侧面和间隙侧面，压力侧面和间隙侧面中的至少一个经由大约0.20mm的半径而连接到螺纹顶部。
可以理解的是第四到第六方面中的每个都可以与在第一或第二方面的任何实施例相结合地使用，或者其独立地使用。
附图说明
下面，将参考附图更详细地描述实施例。
图1a是阳型构件的截面透视图。
图1b是阳型构件的截面图。
图2是具有阳型构件和阴型构件的接头的一半的截面图。
图3是在阴阳型构件螺纹之间的连接的详细截面图。
具体实施方式
参考图1a和1b，示出了用于钻管的接头的阳型构件1。管状的管和接头的内径30及外径31可以根据工业标准指定。柱形构件的基部2具有与钻管相同的外径31，并且基部台肩3将基部2与设有螺纹4的所述构件的外部连接。所述螺纹沿着构件1的轴向长度延伸，并且终止于端部5。
螺纹4具有螺纹底部6、螺纹顶部7、压力侧面8和间隙侧面9。螺纹底部6定义为螺纹离中心轴线A具有最短径向距离的部分。具有离中心轴线更长的径向距离的部分是螺纹顶部7。在螺纹底部6和螺纹顶部7之间的最大径向距离限定了螺纹深度32。构件1的内柱面10与螺纹底部6一起限定了构件1的壁11。
基部台肩3是底切的并且以相对于与中心轴线A垂直的方向成大约15°的角度20朝向所述构件的带螺纹部分渐缩。压力侧面8是螺纹4的面向基部2的侧面。压力侧面8具有底切表面，其相对于与中心轴线A垂直的方向具有大约5°的负角21。间隙侧面9面向端部5。间隙侧面9可以在螺纹4的不同段具有不同的角度。螺纹的第一段15设置成最接近于构件的端部5。第一段15可以有入口间隙侧面12，其相对于与中心轴线A垂直的方向具有大约30°的正角22。在螺纹的第二段16中，间隙侧面9可以相对于与中心轴线A垂直的方向呈大约5°的正角23。在第一螺纹段15的更大的角度可以有利于使阳型构件1装配在接头内的阴型构件中，并且降低螺纹损坏的风险。
构件1和构件端部5终止于端部台肩13。端部台肩13相对于与中心轴线A垂直的方向以大约15°的负角24渐缩。端部台肩经由相对于中心轴线A具有大约15°的角度25的倒角14而连接到构件的内柱面10。
螺纹底部6可以与中心轴线A基本平行。螺纹顶部7以相对于中心轴线A大约0.34°的角度26朝向阳型构件1的端部5渐缩。这导致非恒定的螺纹厚度32。为了增加接头的强度，需要使壁11尽可能厚，并且因此需要使螺纹厚度32尽可能浅。在本发明的该实施例中，螺纹深度32可以是大约0.5mm到0.7mm。
压力侧面8具有角度21。压力侧面8经由半径40而连接至螺纹顶部7，所述半径可以是大约0.2mm。压力侧面还经由半径41而连接到螺纹底部6，所述半径可以是大约0.15mm。同样地，第二螺纹段16的间隙侧面9可以经由半径42而连接到螺纹顶部7，所述半径42可以是大约0.2mm，并且经由半径43而连接到螺纹底部6，所述半径43可以是大约0.15mm。入口间隙侧面12经由半径44而连接到端部5，所述半径44可以是大约0.4mm。在侧面处的不同的半径的作用在于在连接上的负荷被分配至更大的区域。半径的大小可以为了最佳效果而调整。所述半径也使得在侧面之间获得密封连接表面更为容易。
根据本发明的接头系统包括阳型构件1和阴型构件101，其中阳型构件包括沿着该构件的外部延伸的螺纹，并且阴型构件101包括沿着该构件的内部表面部分延伸的螺纹。
图2示出了与阴型构件101处于接头连接时的阳型构件1。阴型构件101具有与阳型构件1对应的部件，其包括基部102、端部103、基部台肩104、端部台肩105和螺纹部分，所述螺纹部分具有螺纹底部106、螺纹顶部107、压力侧面108、间隙侧面109和多个半径。基部台肩104以相对于与中心轴线A垂直的方向成大约15°的负角朝向阴型构件101的带螺纹部分渐缩。基部台肩104通过经由相对于所述中心轴线A成大约15°的倒角110而连接至底部102的夹套表面。端部103终止于在端部台肩105，端部台肩105相对于与中心轴线A垂直的方向以大约15°的负角渐缩，并且连接至阴型构件的外表面111。压力侧面108和间隙侧面109具有与阳型构件1的对应角度相同的正角和负角。
阴型构件101的螺纹底部106可以与中心轴线A基本平行，从而提供了阴型构件的壁112的恒定的壁厚。螺纹顶部107可以以相对于中心轴线A成大约0.28°的角120朝向阴型构件的端部103渐缩。因此，在轴向上更靠近每个构件的基部的螺纹部分处的螺纹深度可以不同于在轴向上更靠近每个构件的端部的螺纹部分处的螺纹深度。
阳型构件1和阴型构件101的螺距分别可以是大约2.5个螺纹每英寸。
在阳型构件1和阴型构件101之间的接头连接中，两个构件的压力侧面8、108连接并且提供接头的张力负荷能力。在两个螺纹顶部7和107以及两个螺纹底部6和106之间的角度26和120之间的不同产生了如图3所示的在阴螺纹底部106和阳螺纹顶部7之间的以及在阴螺纹顶部107和阳螺纹底部6之间的渐缩间隙201、202。螺纹底部6、106可以与中心轴线A基本平行。这个特征在压力侧面8和108之间提供了良好且有效的连接表面。此外，连接到压力侧面的半径40、41帮助提供一个更有效的连接表面。所述渐缩间隙201、202与间隙侧面9、109之间的间隙203一起在螺纹中产生了用于灰尘和油脂的空间。这样具有的积极效果是，减少了油脂和灰尘对压力侧面连接的妨碍。
为了完成本实施例中的解决方案，利用减小的螺纹深度和增加的壁11、112的厚度，壁11、112的材料、和螺纹可以由完全硬化钢制成。若材料不是完全硬化，例如表面硬化，则由于热影响区域，存在较脆弱的螺纹的风险。

Claims (39)

1.一种在薄壁钻管中的接头的构件（1，101），所述构件具有中心轴线（A）并且包括用于形成螺纹接头的螺纹（4），其中，所述螺纹具有： 
螺纹底部（6，106）， 
螺纹顶部（7，107）， 
压力侧面（8，108），以及 
间隙侧面（9，109）， 
其特征在于， 
所述压力侧面（8，108）具有相对于与所述中心轴线（A）垂直的方向成小于7.5°、但是大于0°的负角（21）的部分。 
2.如权利要求1所述的构件，其中，相对于与所述中心轴线（A）垂直的方向的所述负角（21）是1°至6°、2°至5°或者4°至5°。 
3.如权利要求1-2中任一项所述的构件，其中，所述构件由完全硬化钢制成。 
4.如权利要求1所述的构件，其中，在所述螺纹底部（6，106）和所述螺纹顶部（7，107）之间的径向距离（32）是0.5mm-0.8mm、0.5mm-0.7mm或者0.5mm-0.6mm。 
5.如权利要求2所述的构件，其中，在所述螺纹底部（6，106）和所述螺纹顶部（7，107）之间的径向距离（32）是0.5mm-0.8mm、0.5mm-0.7mm或者0.5mm-0.6mm。 
6.如权利要求3所述的构件，其中，在所述螺纹底部（6，106）和所述螺纹顶部（7，107）之间的径向距离（32）是0.5mm-0.8mm、0.5mm-0.7mm或者0.5mm-0.6mm。 
7.如权利要求1所述的构件，其中，至少在所述螺纹底部（6，106）和所述螺纹顶部（7，107）中的一个处的材料厚度朝向所述构件的端部（5，105）渐缩。 
8.如权利要求2所述的构件，其中，至少在所述螺纹底部（6，106）和所述螺纹顶部（7，107）中的一个处的材料厚度朝向所述构件的端部（5，105）渐缩。 
9.如权利要求3所述的构件，其中，至少在所述螺纹底部（6，106）和所述螺纹顶部（7，107）中的一个处的材料厚度朝向所述构件的端部（5，105）渐缩。 
10.如权利要求7-9中任一项所述的构件，其中，所述螺纹底部（6，106）与所述中心轴线基本平行，并且所述螺纹顶部（7，107）的材料厚度朝向所述构件的端部（5，105）渐缩。 
11.如权利要求1所述的构件，其中，所述螺纹的一段具有相对于与所述中心轴线垂直的方向成小于45°的角度（23）的间隙侧面（9，109）部分。 
12.如权利要求2所述的构件，其中，所述螺纹的一段具有相对于与所述中心轴线垂直的方向成小于45°的角度（23）的间隙侧面（9，109）部分。 
13.如权利要求3所述的构件，其中，所述螺纹的一段具有相对于与所述中心轴线垂直的方向成小于45°的角度（23）的间隙侧面（9，109）部分。 
14.如权利要求1所述的构件，其中，所述螺纹具有第一段和第 二段，所述第一段和第二段具有不同间隙侧面角。 
15.如权利要求2所述的构件，其中，所述螺纹具有第一段和第二段，所述第一段和第二段具有不同间隙侧面角。 
16.如权利要求3所述的构件，其中，所述螺纹具有第一段和第二段，所述第一段和第二段具有不同间隙侧面角。 
17.如权利要求14-16中任一项所述的构件，其中，所述第一段定位得比所述第二段更靠近所述构件的端部（5，105），并且所述第一段具有相对于与所述中心轴垂直的方向成如下角度（22）的间隙侧面部分（12）： 
10°至40°， 
20°至35°， 
或者30°， 
并且所述第二段具有相对于与所述中心轴线垂直的方向成如下角度（23）的间隙侧面部分（9，109）： 
0°至15°， 
1°至10°， 
或者5°。 
18.如权利要求1所述的构件，其中，螺距是每厘米0.8到1.6个螺纹、每厘米0.8到1.2个螺纹、或者每厘米1个螺纹。 
19.如权利要求2所述的构件，其中，螺距是每厘米0.8到1.6个螺纹、每厘米0.8到1.2个螺纹、或者每厘米1个螺纹。 
20.如权利要求3所述的构件，其中，螺距是每厘米0.8到1.6个螺纹、每厘米0.8到1.2个螺纹、或者每厘米1个螺纹。 
21.如权利要求1所述的构件，其中，所述压力侧面和所述间隙侧面中的至少一个经由超过0.10mm或者超过0.15mm的半径连接到所述螺纹底部。 
22.如权利要求2所述的构件，其中，所述压力侧面和所述间隙侧面中的至少一个经由超过0.10mm或者超过0.15mm的半径连接到所述螺纹底部。 
23.如权利要求3所述的构件，其中，所述压力侧面和所述间隙侧面中的至少一个经由超过0.10mm或者超过0.15mm的半径连接到所述螺纹底部。 
24.如权利要求1所述的构件，其中，所述压力侧面和所述间隙侧面中的至少一个经由超过0.10mm或者超过0.15mm或者超过0.20mm的半径连接到所述螺纹顶部。 
25.如权利要求2所述的构件，其中，所述压力侧面和所述间隙侧面中的至少一个经由超过0.10mm或者超过0.15mm或者超过0.20mm的半径连接到所述螺纹顶部。 
26.如权利要求3所述的构件，其中，所述压力侧面和所述间隙侧面中的至少一个经由超过0.10mm或者超过0.15mm或者超过0.20mm的半径连接到所述螺纹顶部。 
27.如权利要求1所述的构件，其中，所述构件是阳型构件，并且所述螺纹沿着所述构件的外部延伸。 
28.如权利要求2所述的构件，其中，所述构件是阳型构件，并且所述螺纹沿着所述构件的外部延伸。 
29.如权利要求3所述的构件，其中，所述构件是阳型构件，并且所述螺纹沿着所述构件的外部延伸。 
30.如权利要求27-29中任一项所述的构件，其中，所述螺纹顶部（7）的材料厚度以相对于所述中心轴线成1.7°至2.5°或者2°至2.5°的角度（26）渐缩。 
31.如权利要求27-29中任一项所述的构件，其中，所述螺纹顶部（7）的材料厚度以相对于所述中心轴线成0.2°至0.6°、0.3°至0.5°、0.3°至0.4°或者0.34°的角度（26）渐缩。 
32.如权利要求1所述的构件，其中，所述构件是阴型构件，并且所述螺纹沿着所述构件的内部延伸。 
33.如权利要求2所述的构件，其中，所述构件是阴型构件，并且所述螺纹沿着所述构件的内部延伸。 
34.如权利要求3所述的构件，其中，所述构件是阴型构件，并且所述螺纹沿着所述构件的内部延伸。 
35.如权利要求32-34中任一项所述的构件，其中，所述螺纹顶部（107）的材料厚度以相对于所述中心轴线成0.2°至0.6°、0.2°至0.4°、0.2°至0.3°或者0.28°的角度（120）渐缩。 
36.一种用于钻管的接头系统，包括如权利要求27-31中任一项所述的阳型构件和如权利要求32-35中任一项所述的阴型构件。 
37.如权利要求36所述的接头系统，其中，所述构件中的一个构件的螺纹顶部和所述构件中的另一个构件的螺纹底部之间具有渐缩的间隙（201，202）。
38.如权利要求37所述的接头系统，其中，所述间隙处于至少两个并置的螺纹之上。 
39.一种薄壁钻管系统，包括如权利要求36-38中任一项所述的接头系统，其中，所述阳型构件布置在第一薄壁钻管上，并且所述阴型构件布置在第二薄壁钻管上。 
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