CN102678068A - 一种牙型螺纹钻杆接头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种牙型螺纹钻杆接头，属于土层或岩石的钻进设备领域，该接头包括母接头和公接头，公接头和母接头均为中空结构，公接头的外侧壁上具有轴向延伸的外螺纹，母接头的内侧壁上具有轴向延伸的内螺纹，母接头和公接头通过螺纹旋合为一体，内螺纹和外螺纹均为牙型锥螺纹，牙型锥螺纹的锥度为1:8~1:16，牙型锥螺纹的齿顶和齿根为弧形结构，且齿顶和齿根的配合处设有间隙，齿侧配合处形成两个密封面；牙型锥螺纹的齿由第一牙侧角α和第二牙侧角β组成，其中20°≤α≤40°，40°≤β≤50°，本发明可大幅减少钻具螺纹失效事故，满足超深井、大位移水平井勘探开发的需求。

Description

一种牙型螺纹钻杆接头

技术领域

本发明涉及一种用于石油、煤炭、地矿、水电等行业勘探工程定向钻进的钻杆结构，属于土层或岩石的钻进设备领域。

背景技术

定向钻进技术已经在我国石油、煤炭、地矿、市政等行业得到广泛应用。近年来随着易采油藏资源的逐渐枯竭，世界范围都不得不将油气资源勘探和开发的目标投向了地理和地质条件更加复杂的地区，钻探深度增加、钻探难度加大，深井、超深井、高压油气井、大位移井、水平井、含腐蚀介质井已大量出现，钻杆作为油气田勘探和开发过程中不可缺少的关键性工具，这些油气井对其性能和质量均提出了更高的要求。钻杆结构中包括管体和管体两端带螺纹的接头。在油气田勘探开发过程中，几百根钻杆通过接头螺纹连接起来组成几千米长的钻柱，钻杆接头需要承受拉、压、弯曲、扭转和不均衡冲击等交变载荷，因此对钻杆及接头的管材性能（柔性和强度）、加工精度、表面处理等提出了更高的要求。大量钻井工具失效分析结果表明，钻杆螺纹失效的主要原因是螺纹弯扭疲劳断裂，目前常用API标准螺纹钻杆接头的抗扭、抗疲劳性能难以满足深井、超深井、大位移水平井在开采技术、安全等方面的要求。 

国外知名的钻具研究公司都致力于通过研究特殊结构、特殊螺纹牙型、高强韧性材料开发出新型钻具来满足勘探技术快速发展的需要。我国对油井管特殊螺纹的研究无论在品种数量方面或是性能质量方面，都远不能满足的油气田勘探开发快速发展的需求。因此有必要研发生产出连接强度高、抗疲劳性能好、使用寿命长的特殊接头螺纹，以满足国内油气田深井、超深井以及大位移水平井勘探开发的需求。

经检索北京中煤矿山工程公司申请的200910147891.2专利公开了一种锯齿形钻杆结构螺纹。其所述内外螺纹均为锯齿形状，牙顶和牙底都是平的偏梯形结构，螺纹螺距大于10mm,螺纹由2个不同角度牙侧角组成，分别为45度和15度。这种螺纹结构适用于浅层矿山开采，尤其适用于大直径反井作业，但其螺纹结构承载力小、抗弯性能一般，不适用于井身结构复杂的油气田勘探开发的要求。

目前，普通API钻杆螺纹特点为螺纹锥度均为1：6，螺距为4牙/英寸，螺纹不切顶牙高为5.4mm左右，API标准螺纹普遍存在的缺点为：

1）API公接头螺纹根部应力集中、缺口效应严重，是疲劳、脆性断裂的薄弱环节。

2）API螺纹疲劳敏感系数高，易产生疲劳或脆性断裂。

3）API螺纹的抗扭强度、弯曲疲劳寿命不足以满足超深井、大位移水平井勘探开发的需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种螺纹牙型钻杆接头，该接头的螺纹牙型相对API标准螺纹具有抗扭强度高、应力分布均匀、疲劳敏感系数低、对加工公差敏感降低，使用时变形相容性好，在弯曲时降低公扣末端完全扣处应力水平和应力集中，使疲劳寿命显著提高的特点。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种牙型螺纹钻杆接头，包括母接头和公接头，所述公接头和母接头均为中空结构，公接头的外侧壁上具有轴向延伸的外螺纹，母接头的内侧壁上具有轴向延伸的内螺纹，所述母接头和公接头通过螺纹旋合为一体，其特征在于所述内螺纹和外螺纹均为牙型锥螺纹，牙型锥螺纹的锥度为1:8~16，牙型锥螺纹的齿顶和齿根为弧形结构，且齿顶和齿根的配合处设有间隙，齿侧配合处形成两个密封面；所述牙型锥螺纹的齿由第一牙侧角α和第二牙侧角β组成，其中20°≤α≤40°，40°≤β≤50°。

对上述结构作进一步限制，所述内螺纹和外螺纹的两侧均设有一段平滑基体，所述平滑基体为锥形，其锥度与牙型锥螺纹的锥度一致。

对上述结构作进一步限制，所述第一牙侧角α为30°，第二牙侧角β为45°。

对上述结构作进一步限制，所述牙型锥螺纹的锥度为1:16。

对上述结构作进一步限制，所述牙型锥螺纹的螺距控制在1/3英寸。

对上述结构作进一步限制，所述平滑基体的外侧设有两个台阶，分别称为主台阶和副台阶，所述主台阶为公接头和母接头外侧径向接触部分，副台阶为公接头和母接头内侧径向接触部分。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明中的牙型锥螺纹与传统的三角形螺纹相比，通过减少牙高、增大螺纹牙根圆角半径以增大裂纹扩展功的途径，有效降低了螺纹牙根部的疲劳敏感性，从根本上解决了螺纹易发生疲劳或脆性断裂的问题；本发明通过在螺纹两侧留出平滑基体，设置台阶，可以大幅提高了钻杆接头旋转弯曲疲劳寿命，降低了钻杆接头螺纹根部失效率，弯曲疲劳寿命较API同规格产品比提高约九至十倍；本发明的特殊扣螺纹由螺纹连接部分、金属面密封部分、内螺纹、外螺纹组成，在螺纹连接部分，内螺纹与外螺纹相扣连接，锥度1:16，两侧牙型角为45°、30°，螺距1/3英寸，具有2个密封面，新型特殊扣螺纹结构大幅提高了钻杆接头的抗扭强度，紧扣扭矩较API同规格比可提高50%以上。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明中的结构示意图；

图2是本发明中母接头的结构示意图；

图3是本发明中公接头的结构示意图；

图4是牙型锥螺纹的截面示意图；

其中：1、公接头，2、主台阶，3、螺纹连接段，4、母接头，5、副台阶，6、延长段，7、齿根，8、齿顶，9、密封面，10、外螺纹，11、内螺纹。

具体实施方式

根据附图1可知，本发明具体涉及一种牙型螺纹钻杆接头，包括母接头4和公接头1，所述公接头1和母接头4均为中空结构，公接头1的外侧壁上具有轴向延伸的外螺纹10，母接头4的内侧壁上具有轴向延伸的内螺纹11，所述内螺纹11和外螺纹10的两侧均设有一段平滑基体，所述平滑基体的外侧设有台阶，所述母接头4和公接头1通过螺纹旋合为一体，所述内螺纹11和外螺纹10均为牙型锥螺纹，牙型锥螺纹的锥度为1:8~1:16，牙型锥螺纹的齿顶8和齿根7为弧形结构，且齿顶8和齿根7的配合处设有间隙，齿侧配合处形成两个密封面9；所述牙型锥螺纹的齿由第一牙侧角α和第二牙侧角β组成，其中20°≤α≤40°，40°≤β≤50°。

根据附图2和3中的公接头和母接头示意图可知，当牙型锥螺纹锥度设计为1：16，可使螺纹基面节径增大，螺纹的接头副台肩横截面积可有效增大，可提高接头螺纹区域的上扣扭矩，有效降低公接头螺纹区的载荷，同时该锥度的设计有效增大了钻杆接头的水眼尺寸。

另外，在公接头1和母接头4的螺纹末端设置延长段6，形成类似弹簧结构，对加工公差敏感降低，使用时变形相容性较好，在弯曲时公接头螺纹末端应力水平和应力集中得到有效降低。

根据附图4可知，在具体设计中，公接头1和母接头4的螺纹连接处为每英寸3个完整牙，螺距8.47mm，把牙型锥螺纹的齿顶8和齿根7设计为圆弧形，即把齿顶8和齿根7切成弧形，齿顶8的弧度需大于齿根的弧度，这样在齿顶8和齿根7配合处存有间隙，这种结构与普通螺纹牙型相比，减少牙高、增大牙根圆角半径的设计，可以增大裂纹扩展功，降低螺纹疲劳敏感系数，提高了钻杆机械性能。

螺纹牙两侧第一牙型角α和第二牙型角β分别设计为30°和45°，使具有2个不同角度的螺纹牙面。公接头的有效扣数为12扣，母接头上总共有16扣，目的是降低外螺纹扣大端刚度，改善应力分布，降低应力集中。母接头螺纹最末端到台阶的距离为40.875mm。

根据该设计方案，建立有限元力学模型，模型上的主台阶和副台阶处承受上扣后的接触压力，该压力可以通过法尔公式计算出。外螺纹和内螺纹之间为接触边界条件，由于螺纹接头为回转体，在轴向力作用下，可以简化为轴对称问题的力学模型，接头下部为轴向约束边界。通过分析可知，该结构模型接头内的最大应力主要发生在螺纹的两端部，螺纹中间的应力较小，该螺纹接头总共有11个承载的接触面。第1牙和第12牙分别为螺纹两端部的位置，这两个位置的平均接触压力最大，而中部第3牙～第10牙的接触应力最小，而且趋于相等。第2牙和第11牙为中等大小，因此螺纹的破坏或失效应该首先发生在螺纹的两端部。

相同的边界条件和相同的载荷作用下，API螺纹接头内应力分布及螺纹面上接触压力分布与上述模型的结构相比，API螺纹最大应力区分别发生在外螺纹根部及内螺纹大端第一扣根部，由此从理论上说明API螺纹结构不如本发明螺纹结构好。另外从螺纹面上的接触压力分析可知，API螺纹接触面上的最大接触压力为本发明螺纹1.525倍。由此可知，该设计方案通过增大牙根圆角半径，更好地改善接头内的应力分布，降低了螺纹的疲劳敏感系数，增加了钻杆接头旋转弯曲疲劳寿命，降低钻杆接头螺纹根部失效率，有利于提高螺纹接头的抗疲劳寿命。

牙型锥螺纹两端密封面设计为主副台阶2、5连接形式，这种结构有利于将交变应力分散传递，减缓了螺纹根部的应力集中，有效地防止接头胀扣事故，该结构一方面使接头获得更高的抗扭性能，同时获得较大的水眼尺寸，降低钻井时的水马力损失。

根据API RP7G标准中钻杆的抗扭强度计算公式可知，本发明的特殊螺纹较API标准螺纹上扣扭矩增大了54.1%，详细抗扭强度如表3所示。

基面中径	in	5.2
			屈服强度	psi	135000
接头外径	mm	172
			外螺纹接头最末完扣到外台肩台肩	mm	40.875
镗孔直径	mm	137.63
			螺距	mm	8.4667
内台肩头接头鼻端长度	mm	15.88
			承载面角	度	30
最先破坏接头	-	Pin
			按外螺纹扣算的总抗扭强度	lb.ft	95376
按内螺纹扣算的总抗扭强度	lb.ft	119541
			最终算的总抗扭强度	lb.ft	95376
普通NC50抗扭强度	lb.ft	61881
			总抗扭强度提高%	-	54.1%

本发明的效果在于：采用本发明特殊扣螺纹的钻杆，抗扭强度、弯曲疲劳寿命大幅提高，弯曲疲劳寿命较API同规格产品比提高约九至十倍，上扣扭矩较API同规格比可提高50%以上，解决了API标准螺纹疲劳敏感系数高，易产生疲劳或脆性断裂，螺纹根部应力集中、缺口效应严重的现状，满足了国内外油气田公司勘探开发超深井、大位移水平井过程中对特殊钻杆产品的需求。 

Claims (6)

1.一种牙型螺纹钻杆接头，包括母接头和公接头，所述公接头和母接头均为中空结构，公接头的外侧壁上具有轴向延伸的外螺纹，母接头的内侧壁上具有轴向延伸的内螺纹，所述母接头和公接头通过螺纹旋合为一体，其特征在于所述内螺纹和外螺纹均为牙型锥螺纹，牙型锥螺纹的锥度为1:8~16，牙型锥螺纹的齿顶和齿根为弧形结构，且齿顶和齿根的配合处设有间隙，齿侧配合处形成两个密封面；所述牙型锥螺纹的齿由第一牙侧角α和第二牙侧角β组成，其中20°≤α≤40°，40°≤β≤50°。

2.根据权利要求１所述的一种牙型螺纹钻杆接头，其特征在于所述内螺纹和外螺纹的两侧均设有一段平滑基体，所述平滑基体为锥形，其锥度与牙型锥螺纹的锥度一致。

3.根据权利要求１所述的一种牙型螺纹钻杆接头，其特征在于所述第一牙侧角α为30°，第二牙侧角β为45°。

4.根据权利要求１所述的一种牙型螺纹钻杆接头，其特征在于所述牙型锥螺纹的锥度为1:16。

5.根据权利要求１所述的一种牙型螺纹钻杆接头，其特征在于所述牙型锥螺纹的螺距控制在1/3英寸。

6.根据权利要求2所述的一种牙型螺纹钻杆接头，其特征在于所述平滑基体的外侧设有两个台阶，分别称为主台阶和副台阶，所述主台阶为公接头和母接头外侧径向接触部分，副台阶为公接头和母接头内侧径向接触部分。

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