CN102695903A - 用于获得螺纹连接件的套件、用于上紧和卸开所述连接件的方法、以及所述连接件在立管中的使用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于获得在油气井中使用的螺纹连接件的套件，其包括：第一管状部件，该第一管状部件设有两个导程相同的螺纹区；第二管状部件，该第二管状部件设有至少两个螺纹区；第三管状部件，该第三管状部件在其内周面上设有至少一个螺纹区并且在其外周面上设有至少一个螺纹区，该套件使得设置在第三部件的内周面上的螺纹区能够与第一部件的两个螺纹区中的一个通过上紧而协作；设置在第三部件的外周面上的螺纹区能够与第二部件的两个螺纹区中的一个通过上紧而协作，第二部件和第三部件还包括用于限定所述螺纹区的上紧结束的装置；设置在第一部件的端部上的另一螺纹区能够与设置在第二部件上的另一螺纹区通过上紧而协作。本发明还涉及用于获得连接件的上紧方法和用于卸开所述连接件的方法。

Description

用于获得螺纹连接件的套件、用于上紧和卸开所述连接件的方法、以及所述连接件在立管中的使用

技术领域

本发明涉及用于获得用于钻探或操作油气井的螺纹连接件的套件。该套件包括均在一个端部处设有阳型螺纹区的第一管状部件和第二管状部件，还包括优选比第一管状部件和第二管状部件短的第三管状部件，第三管状部件在其每个端部处设有能够通过上紧而与所述阳螺纹区协作的阴型螺纹区。本发明涉及用于上紧该套件的方法和从所述套件的上紧得到的螺纹连接件。本发明还涉及卸开方法。

背景技术

术语“用于钻探和操作油气井的部件”是指任何这样的元件，该元件具有大致管状形状以旨在连接到相同或不同类型的另一元件，从而在完成时构成用于钻探油气井的钻柱或用于维护的立管（如检查立管），或者在操作井时涉及的套管柱或油管柱。

术语“连接件”指的是管状部件之间的联接。举例来说，已知通过将一个大长度管的设有阳螺纹的端部上紧到另一大长度管的设有阴螺纹的端部中而将两个大长度管联接。还已知利用也称为联接件的短得多的管状部件，通过将联接件的每个阴端部与大长度管状部件的阳螺纹端部上紧来连接两个大长度管状部件。

按照已知的方式，用于钻探应用或操作油气井的部件利用高上紧扭矩彼此上紧。通常通过设置在每个部件上的抵接表面的紧固或者通过称为自锁螺纹的螺纹产生的协作而达到高上紧扭矩。然而，一些应用导致高应力，例如具有立管的应用。为此，为了避免部件的卸开而必须使用非常高的上紧扭矩。但是，上紧扭矩受塑化风险的限制。由此，必须固定联接件而防止不当卸开的风险。

可以利用阻止管状部件相对彼此旋转的零件来将上紧到一起的管状部件锁定而防止卸开。在文献EP-1664477中，第一管状部件与第二管状部件上紧，第一管状部件支承在具有较小外径的部分上。一旦它们已经上紧，两个环就分别锁定一个部件和另一部件。环还通过螺接到所述环的杆而固定到一起。在文献US-4406485中，第一管状部件与同样管状的第二部件上紧，然后利用零件锁定一个部件相对于另一个的相对旋转，该零件被壳体中的延伸到第一和第二部件的厚度中的螺杆阻挡。

然而，这些类型的解决方案都存在以下缺点：增加了连接件中存在的零件数量，依靠使用螺钉、螺栓等，由于设备设计必须尽可能简化以限制维护（取决于零件数量）和井的污染（例如丢失螺钉的风险），使用者并不赞赏。

发明内容

本发明涉及管状部件的套件，所述管状部件能够被容易地一个上紧到另一个内以获得连接件，当连接件在工作时所述套件不会不当地卸开。

更精确地说，用于获得在油气井中使用的螺纹连接件的套件包括：

第一管状部件，该第一管状部件的一端在其外周面上包括两个导程相同的螺纹区；

第二管状部件，该第二管状部件在其内周面上设有至少两个螺纹区；

第三管状部件，该第三管状部件的一端在其内周面上设有至少一个螺纹区并且在其外周面上设有至少一个螺纹区；

并且其中：

设置在第三部件的端部的内周面上的螺纹区能够与第一部件的端部的两个螺纹区中的一个通过上紧而协作；

设置在第三部件的端部的外周面上的螺纹区能够与第二部件的两个螺纹区中的一个通过上紧而协作，第二部件和第三部件还包括用于限定所述螺纹区的上紧结束的装置；

设置在第一部件的端部上的另一螺纹区能够与设置在第二部件上的另一螺纹区通过上紧而协作。

根据某些特性，设置在第三部件的端部的外周面上的螺纹区的导程比设置在第三部件的所述端部的内周面上的螺纹区的导程大至少10％，并且优选等于设置在第三部件的端部的内周面上的螺纹区的导程的两倍。

根据一个特性，设置在第三部件的端部的外周面上的螺纹区和设置在第三部件的端部的内周面上的螺纹区沿着相反的方向。

根据一个特性，用于限定设置在第三部件的端部的外周面上的螺纹区与第二部件的对应螺纹区之间的上紧结束的装置是分别设置在第三部件的端部的终端表面上和设置在由第二部件上的肩部形成的表面上的抵接表面。

根据一个特性，第一部件的端部在其终端表面上包括抵接表面，该抵接表面能够与设置在由第二部件上的肩部形成的表面上的对应抵接表面抵接协作。

根据一个特性，用于限定设置在第三部件的端部的外周面上的螺纹区与第二部件的对应螺纹区之间的上紧结束的装置包括：所述螺纹区是互相自锁的。

根据一个特性，第一部件的端部在其终端表面上包括密封表面，该密封表面能够与设置在由第二部件上的肩部形成的表面上的对应密封表面通过紧固而协作。

根据一个特性，管状部件的螺纹区位于锥形包线上，该锥形包线具有范围为0.5到4度的锥角。

根据一个特性，设置在第一部件的端部上的螺纹区位于相同的锥形包线上，从而形成单个连续螺纹。

用于获得在油气井中使用的螺纹连接件的方法包括以下步骤：

提供如上限定的用于获得螺纹连接件的套件；

将设置在第三部件的端部的外周面上的螺纹区上紧到设置在第二部件的端部上的对应的螺纹区中，直到实现上紧结束；

将设置在第一管状部件的端部的外周面上的两个螺纹区上紧到分别设置在第二和第三部件的内周面上的对应的螺纹区中；

在第二和第三管状部件之间施加卸开扭矩C0。

可以利用根据本发明的方法获得连接件，其中第一和第三管状部件是大长度管，而第二管状部件是联接件。

可以利用根据本发明的方法获得连接件，其中第一管状部件是大长度管，而第二和第三管状部件是联接件。

可以通过两个根据本发明的连接件构成双重连接件，其中第二和第三管状部件是联接件。第三管状部件形成一个相同的管状部件。

根据本发明的螺纹连接件可以用在立管中。

用于卸开螺纹连接件的方法包括以下步骤：

在第二和第三管状部件之间施加上紧扭矩C0；

将设置在管状部件的第一端部的外周面上的两个螺纹区从它们对应的螺纹区卸开；

将设置在第三端部的外周面上的螺纹区从螺纹区卸开。

附图说明

在下面参照附图的描述中，将更详细说明本发明的特征和优点。

图1和2均是通过利用联接件上紧来连接一组两个大长度管状部件而得到的连接件的纵向截面的示意图。

图3是通过利用由三个部分构成的联接件（通过上紧）连接一组两个大长度部件而得到的连接件的纵向截面的示意图。

具体实施方式

图1示出了具有回转轴线10的三个管状部件。第一管状部件的一端12在其外周面上设有两个螺纹区121、122。每个螺纹区的导程是相同的。第二管状部件22在其内周面上设有两个螺纹区221、222。第三部件在其一端20’处设有在其内周面上的螺纹区201’和在其外周面上的螺纹区202’。

设置在第三部件的端部20’的内周面上的螺纹区201’能够与设置在第一部件的端部12的外周面上的螺纹区121通过上紧而协作。第一和第三部件还包括用于限定所述螺纹区的上紧结束的装置，使得在预定的转数后停止上紧。这里，这些装置包括分别设置在第三管状部件的肩部203’上和第一管状部件的终端表面123上的抵接表面。还可以设想能够限定上紧结束的其它元件，例如用于螺纹区201’和121的自锁螺纹。这些螺纹的原理是使螺纹的宽度随着距部件的终端表面的距离增加而增加，同时使螺纹牙底的宽度减小，使得在上紧结束时当牙底的宽度不再允许螺纹前进时螺纹侧对侧锁定。

设置在第三部件的端部20’的外周面上的螺纹区202’能够与第二部件22的螺纹区221通过上紧而协作。第二部件22和第三部件的端部20’还包括用于限定所述螺纹区的上紧结束的装置，使得在预定的转数后停止上紧。这里，这些装置包括分别设置在第二管状部件的肩部203’上和第三管状部件的终端表面223上的抵接表面。还可以设想能够限定上紧结束的其它元件，例如用于螺纹区202’和221的自锁螺纹。

设置在第一端12上的另一螺纹区122能够与设置在第二部件22上的另一螺纹区222通过上紧而协作。

术语“螺纹区”意为属于管状部件的周面且包括螺纹的任何区域，螺纹可能是连续的、中断的、多头的、单头的、规则的、不规则的等等。

术语“终端表面”意为在管状部件的端部的自由边缘处在其厚度上延伸的表面，与沿着部件的纵向轴线延伸的周向表面相反。换言之，终端表面呈相对于管状部件的轴线10大致径向定向的环状表面的形式。

图2示出了与图1所示接近的实施例。同样存在具有回转轴线10的三个管状部件。第一管状部件的一端11在其外周面上设有两个螺纹区111、112。每个螺纹区的导程是相同的。第二管状部件21在其内周面上设有两个螺纹区211、212。第三部件在其一端20处设有在其内周面上的螺纹区201和在其外周面上的螺纹区202。

设置在第三部件的端部20的内周面上的螺纹区201能够与设置在第一部件的端部11的外周面上的螺纹区111通过上紧而协作。设置在第三部件的端部20的外周面上的螺纹区202能够与第二部件21的螺纹区211通过上紧而协作。第二部件21和第三部件的端部20还包括用于限定所述螺纹区的上紧结束的装置，使得在预定的转数后停止上紧。设置在第一端11上的螺纹区112能够与设置在第二部件21上的螺纹区212通过上紧而协作。

图1和2中所示的两个变型构成了在第一和第三管状部件的端部之间的加强上紧的模式。实际上，通过上紧而固定第一和第三部件的端部部分地涉及到设置在第一部件上的螺纹区与设置在第三部件上的螺纹区之间的直接协作。接着，其还涉及到在第一和第二部件之间以及第二和第三部件之间的螺纹区的协作。总之，看上去在由第二部件的长度表示的部分上，螺纹区是长的。这意味着在该部分管的每单位长度上螺纹之间的总紧密接触表面非常大。

可以通过实施与第三部件的螺纹区相关的某些特性而通过上紧进一步优化第一和第三管状部件的固定。

根据第一改进并且参照图1和2，设置在第三部件的端部20、20’的外周面上的螺纹区202、202’的导程比设置在所述端部20、20’的内周面上的螺纹区201、201’的导程大至少10％。术语“导程”指的是在进行一整转之后管状部件覆盖的距离。要回想的是，当螺纹管状部件上紧到包括互补螺纹的另一管状部件中时，所述螺纹部件通过沿其回转轴线执行平移而移位。

由此，当第一、第二和第三管状部件上紧到一起时，不可能从包括第一和第二端部的套件卸开第三部件。实际上，在包括第一和第二部件的套件中保持第三管状部件的螺纹区201、202、201’、202’之间的导程差导致锁定。如果试图卸开第三管状部件，第三部件的端部20、20’的位于外周面上的螺纹区202、202’与位于内周面上的螺纹区201、201’之间会存在扭曲；更精确地说，其涉及到将位于第三部件的内周面上的螺纹区的承载牙侧压靠位于第一部件的端部11、12的外周面上的螺纹区的承载牙侧。

根据第二改进并且仍然参照图1和2，设置在第三部件的端部20、20’的外周面上的螺纹区202、202’沿着与设置在所述端部20、20’的内周面上的螺纹区201、201’的方向相反的方向生成。因此，当第一、第二和第三管状部件上紧到一起时，不可能从包括第一和第二端部的套件卸开第三部件。实际上，使在包括第一和第二部件的套件中保持第三管状部件的螺纹区201、202、201’、202’的方向相反导致锁定。

通过形成在第一部件的端部11、12的外周面上的螺纹区111、121和112、122的差异获得的锁定意味着包括第一、第二和第三部件的套件能够利用包括以下步骤的方法锁定：

提供用于获得螺纹连接件的套件；

将设置在第三部件的端部20、20’的外周面上的螺纹区202、202’上紧到设置在第二部件的端部21、22上的对应的螺纹区211、221中，直到实现上紧结束；

将设置在第一管状部件的端部11、12的外周面上的两个螺纹区111、112、121、122上紧到分别设置在第二和第三部件的内周面212、201、222、201’上的对应的螺纹区中；

在第二和第三管状部件之间施加卸开扭矩C0。

关于扭矩C0的选取，其必须限定为根据管状部件的尺寸以及所选的应用（钻探、立管等）。

因而，螺纹区111、121的承载牙侧保持挤压抵靠对应的螺纹区201、201’的承载牙侧，同时螺纹区112、122的插入牙侧挤压抵靠对应的螺纹区212、222的插入牙侧。所述挤压阻止了第一管状部件的卸开。

因此，卸开方法包括以下步骤：

在第二和第三管状部件之间施加上紧扭矩，从而消除第一部件的螺纹区111、121和112、122之间的挤压；

将设置在管状部件的第一端部11、12的外周面上的两个螺纹区111、112、121、122从它们对应的螺纹区卸开；

将设置在第三端部20、20’的外周面上的螺纹区202、202’从螺纹区211、221卸开。

上述实施例特别应用于立管。使海平面与海底相连的这些立管由于引起高扭转应力的涌浪和海流而特别容易遇到卸开的问题。扭转应力主要影响两个连续的大长度管，而不是一个大长度管和与其相连的联接件。更精确地说，在第一和第三部件是大长度管的情况下，在第二部件是联接件时，所述扭转应力不能将第一和第三部件彼此卸开。如从图1和2所见，必须通过在标记Y1或Y2以及在标记X1或X2处握持而将第一部件从包括上紧到一起的第三部件和联接件的套件中卸开。

回想以下定义：短管称为“联接件”并且旨在连接大长度管。该连接件称为T&C连接件（螺纹联接）。作为示例，联接件型管长0.2米至0.7米，而大长度管长6米至15米。

图3示出了另一实施例，其组合了图1和2中所示的实施例。根据本发明的两个连接件均包括第一、第二和第三管状部件。对于一个连接件，第一和第三管状部件的螺纹端11、20一起上紧到联接件21中。对于另一连接件，第一和第三管状部件的螺纹端12、20’一起上紧到联接件22中。第一管状部件11、12是大长度管。端部20和20’是也作为联接件的同一管状部件的端部。管11和12通过包括三个联接件20、21、22的套件连接。不可能通过握持X1和X2而将第一管状部件11、12彼此卸开。必须通过在X1和Y1处握持一个并且在X2、Y2处握持另一个而将每个第一管状部件11、12从包括三个联接件20、21、22的套件中卸开。在这方面可设想多种可能性，因为第三管状部件的端部20、20’不必是对称的。

总之，上述连接件构成了真正的防卸开功能。

有利地，除了抵接表面以外，第一部件的端部11、12在其终端表面113、123上包括密封表面，该密封表面能够与设置在第二部件21、22的肩部203s、203s’上的对应密封表面通过紧固而协作。实际上，在必须密封连接件的情况下，必须使密封表面能够在第一和第三部件处以及在第二和第三部件处紧密接触。关于密封表面的类型，能够参考所考虑的技术领域中的传统密封表面。它们可以是在申请WO-03/048623或WO-04/109173中描述的锥形－锥形密封表面或环形-锥形表面或环形和锥形-锥形表面，这些文献通过参引的方式并入本文。

有利地，螺纹区可位于与连接件的回转轴线10形成锥角的锥形包线上。这意味着有利于将管状部件上紧在一起。锥形母线通常具有范围为0.5°至4°、优选地范围为l°至2°的半角。

有利地，设置在第一部件的端部11、12处的螺纹区111、112、121、122位于相同的锥形包线上并且形成单个连续螺纹，该包线相对于回转轴线10具有锥角α。这意味着使得对第一部件的机加工操作更容易。因此，必须注意互补的螺纹区201、212、201’、202以相容方式设置。作为示例，当联接件21与第三管状部件的端部20上紧时，螺纹区201和212能够在一次操作中机加工。

通过将位于第二部件21、22的内周面上的螺纹区211、212、221、222设置在相同的锥形或者甚至圆柱形包线上，其它实施例当然也是可能的。在这种情况下，设置在第一部件的端部11、12上的螺纹区111、112、121、122不位于相同的包线上。

Claims (16)

1.一种用于获得在油气井中使用的螺纹连接件的套件，包括：

第一管状部件，该第一管状部件的一端部（11；12）在其外周面上设有至少两个导程相同的螺纹区（111，112；121，122）；

第二管状部件（21；22），该第二管状部件在其内周面上设有至少两个螺纹区（211，212；221，222）；

第三管状部件，该第三管状部件的一端部（20；20’）在其内周面上设有至少一个螺纹区（201；201’）并且在其外周面上设有至少一个螺纹区（202；202’）；

并且其中：

设置在第三部件的端部（20；20’）的内周面上的螺纹区（201；201’）能够与第一部件的端部（11；12）的两个螺纹区（111；121）中的一个通过上紧而协作；

设置在第三部件的端部（20；20’）的外周面上的螺纹区（202；202’）能够与第二部件（21；22）的两个螺纹区（211；221）中的一个通过上紧而协作，第二部件和第三部件还包括用于限定所述螺纹区的上紧结束的装置；

设置在第一部件的端部（11；12）上的另一螺纹区（112；122）能够与设置在第二部件（21；22）上的另一螺纹区（212；222）通过上紧而协作。

2.根据权利要求1所述的用于获得螺纹连接件的套件，其中，设置在第三部件的端部（20；20’）的外周面上的螺纹区（202；202’）的导程比设置在第三部件的所述端部（20；20’）的内周面上的螺纹区（201；201’）的导程大至少10％，并且优选等于设置在第三部件的所述端部（20；20’）的内周面上的螺纹区（201；201’）的导程的两倍。

3.根据前述任一项权利要求所述的用于获得螺纹连接件的套件，其中，设置在第三部件的端部（20；20’）的外周面上的螺纹区（202；202’）和设置在第三部件的端部（20；20’）的内周面上的螺纹区（201；201’）沿着相反的方向。

4.根据前述任一项权利要求所述的用于获得螺纹连接件的套件，其中，用于限定设置在第三部件的端部（20；20’）的外周面上的螺纹区（202；202’）与第二部件（21；22）的对应螺纹区（211；221）之间的上紧结束的装置是分别设置在第三部件的端部（20；20’）的终端表面（203；203’）上和设置在由第二部件（21；22）上的肩部（213；223）形成的表面上的抵接表面。

5.根据前述任一项权利要求所述的用于获得螺纹连接件的套件，其中，第一部件的端部（11；12）在其终端表面（113；123）上包括抵接表面，该抵接表面能够与设置在由第二部件（21；22）上的肩部（203s；203’s）形成的表面上的对应抵接表面抵接协作。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的用于获得螺纹连接件的套件，其中，用于限定设置在第三部件的端部（20；20’）的外周面上的螺纹区（202；202’）与第二部件（21；22）的对应螺纹区（211；221）之间的上紧结束的装置包括互相自锁的所述螺纹区。

7.根据权利要求4或5所述的用于获得螺纹连接件的套件，其中，第一部件的端部（11；12）在其终端表面（113；123）上包括密封表面，该密封表面能够与设置在由第二部件（21；22）上的肩部（203s；203’s）形成的表面上的对应密封表面通过紧固而协作。

8.根据前述任一项权利要求所述的用于获得螺纹连接件的套件，其中，管状部件的螺纹区位于锥形包线上，该锥形包线具有范围为0.5到4度的锥角。

9.根据前述任一项权利要求所述的用于获得螺纹连接件的套件，其中，设置在第一部件的端部（11；12）上的螺纹区（111，112；121，122）位于相同的锥形包线上，从而形成单个连续螺纹。

10.一种用于获得在油气井中使用的螺纹连接件的方法，其特征在于包括以下步骤：

提供根据前述任一项权利要求所述的用于获得螺纹连接件的套件；

将设置在第三部件的端部（20；20’）的外周面上的螺纹区（202；202’）上紧到设置在第二部件的端部（21；22）上的对应螺纹区（211；221）中，直到实现上紧结束；

将设置在第一管状部件（11；12）的端部的外周面上的两个螺纹区（111，112；121，122）上紧到分别设置在第二和第三部件的内周面上的对应螺纹区（212，201；222，201’）中。

11.根据前一权利要求所述的用于获得螺纹连接件的方法，其特征在于，最后在第二和第三管状部件之间施加卸开扭矩C0。

12.利用根据权利要求11所述的方法获得的连接件，其中，第一和第三管状部件是大长度管，而第二管状部件是联接件。

13.利用根据权利要求11所述的方法获得的连接件，其中，第一管状部件是大长度管，而第二和第三管状部件是联接件。

14.通过两个根据权利要求13所述的连接件构成的双重连接件，其中，第三管状部件形成一个相同的管状部件。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的螺纹连接件在立管中的用途。

16.一种用于卸开根据权利要求11或12所述的螺纹连接件的方法，其特征在于包括以下步骤：

在第二和第三管状部件之间施加上紧扭矩C0；

将设置在管状部件（11；12）的第一端部的外周面上的两个螺纹区（111，112；121，122）从它们对应的螺纹区卸开；

将设置在第三端部（20；20’）的外周面上的螺纹区（202；202’）从螺纹区（211；221）卸开。

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