CN102787809A - 钻工具接头特殊螺纹 - Google Patents

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Abstract

钻工具接头特殊螺纹，应用于油气井工程中深井和超深井钻具接头。特征：外螺纹大端根部和内螺纹小端根部均匀开有减应力圆弧槽；导向面牙侧角为45°，承载面牙侧角为30°，即两个角度之和为75°。齿根为非等半径且相切的双圆半角，导向面扣根圆角的半径大于其相切的承载面扣根圆角的半径，承载面扣根圆角半径为1.625mm，导向面扣根圆角半径为2.184mm；牙顶大圆角的半径大于牙顶小圆角的半径，牙顶大圆角的半径1.474mm，牙顶小圆角的半径为0.758mm。效果是：该特征在于能消除扣根的应力集中，能提高钻工具螺纹接头的抗疲劳寿命5～10倍。

Description

钻工具接头特殊螺纹
技术领域
本发明涉及油气井工程技术领域，特别涉及一种钻具的螺纹，是一种中深井和超深井钻具接头用的特殊结构螺纹。
背景技术
目前，钻具螺纹技术的发展过程：API数字型扣在常规和普遍使用上，易修扣，牙尖角60°，牙根圆角半径0.038″（0。9652mm）。对于小井眼，国际标准还认可SLH90扣型，牙尖角90°，牙底边有两个圆角半径0.032″+0.028″，牙高浅，锥度1:9.6，比同尺寸扣型抗扭强度高。GPDS螺纹接头在API数字型接头的基础上改为双台肩，GPDS/DSTJ/VAM/API可以互换，公扣两端台阶处无延伸段，无弹性变形段，致使对加工公差敏感和使用中变形相容性差。HT公母扣与GPDS/DSTJ/API不可互换，现场应用效果好。XT螺纹接头锥度1:16，使基面节径增大，由此提高紧扣扭矩，由于基面节径增大，接头内径也可以相应增大，有利于降低压耗，其牙根圆角0.042″（1.0668mm），牙高浅。XT-M螺纹接头是在XT基础上增加公接头大端长度，公母扣均有延长段，类似弹簧，对加工公差敏感降低，使用中变形相容性较好，在弯曲时，降低公扣最末完全扣处应力水平和应力集中。TT-M螺纹接头与XT-M类似，双头螺纹，双头螺纹升角大，上扣快。
针对钻具螺纹失效主要是螺纹弯扭疲劳断裂。国外GRANT和VAM公司在深井小钻工具方面致力于双台阶接头、特殊螺纹牙型和高强韧性材料的研究和应用。新型双台阶结构紧扣扭矩可提高50%以上。目前，API接头存在的问题是其公扣最末完全扣处应力集中、缺口效应严重，API减应力槽不能从根本上解决疲劳或脆性断裂问题。采用双台阶后，抗扭强度和井下动态再紧扣已不是问题。但是弯曲疲劳仍是主要的失效机理，即仅用双台阶不能降低弯曲疲劳失效，而下部钻具的主要矛盾是受压屈曲加旋转。
基于以上问题，以及专利技术和商业保密，引进专利技术方面，其成本较高，而且还受到种种限制，因此迫切需要我们开发国内具有自主知识产权的钻具接头新型螺纹，本专利就是在此背景技术下的非API标准的钻具特殊螺纹接头，以满足目前深井、超深井以及非常规井的需要，并提高钻具的疲劳强度和疲劳寿命。
发明内容
本发明的目的是：提供一种钻工具接头特殊螺纹，提高深井、超深井钻工具的疲劳强度及疲劳寿命。基于高度非线性弹塑性螺纹接触问题的有限元仿真模拟技术、螺纹结构优化，为油气钻井和非开挖井提供了一种具有非API标准的高疲劳强度及疲劳寿命钻工具接头特殊螺纹。
本发明采用的技术方案是：钻工具接头特殊螺纹，主要由内螺纹和外螺纹组成，每英寸3牙，锥度为1：16，其特征在于：内螺纹与外螺纹连接的轴向截面上有承载面、导向面、牙顶大圆角、牙顶平段、牙顶小圆角、导向面扣根圆角以及承载面扣根圆角，外螺纹大端根部和内螺纹小端根部均匀开有减应力圆弧槽；导向面牙侧角为45°，承载面牙侧角为30°，即两个角度之和为75°。齿根为非等半径且相切的双圆半角，导向面扣根圆角的半径大于其相切的承载面扣根圆角的半径，承载面扣根圆角半径为1.625mm，导向面扣根圆角半径为2.184mm；牙顶大圆角的半径大于牙顶小圆角的半径，牙顶大圆角的半径1.474mm，牙顶小圆角的半径为0.758mm。即本专利把该结构的螺纹命名为“TAXT特殊螺纹”。
本发明的有益效果：本发明钻工具接头特殊螺纹，创新点主要体现在导向面和承载面为非等角度，齿根为非等半径且相切的双圆半角。螺纹几何结构是通过弹塑性接触问题的非线性有限元仿真模拟的优化设计结构，与现有技术相比，该结构保证了接头最大应力不发生在螺纹根部，而且承载面具有较均匀的接触压力，消除了螺纹根部内的应力集中，该结构比API结构的疲劳寿命能提高5～10倍。该接头具有很好的变形相容协调性，同时具有很简便的加工性，加工成本低。
附图说明
图1是本发明钻工具接头的外螺纹接头与内螺纹接头连接半剖示意图。
图2是特殊螺纹结构局部放大图。
图中，1-外螺纹接头，2-内螺纹接头，3-导向面，4-牙顶大圆角，5-牙顶平段，6-牙顶小圆角，7-承载面，8-导向面扣根圆角，9-承载面扣根圆角。
具体实施方式
实施例1：以一个钻工具接头特殊螺纹为例，对本发明作进一步详细说明。
参阅图1。钻工具特殊螺纹接头，主要由外螺纹接头1、内螺纹接头2组成。外螺纹接头1与内螺纹接头2连接在一起。外螺纹接头1和内螺纹接头2的特殊螺纹结构与现有的螺纹结构不同。
参见图2。经过高度非线性弹塑性螺纹接触问题的有限元仿真模拟研究，优化并设计了钻工具接头特殊螺纹。
参见图2，主要由内螺纹和外螺纹组成，每英寸3牙，锥度为1：16。内螺纹与外螺纹连接的轴向截面上有承载面7、导向面3、牙顶大圆角4、牙顶平段5、牙顶小圆角6、导向面扣根圆角8以及承载面扣根圆角9，外螺纹大端根部和内螺纹小端根部均匀开有减应力圆弧槽；导向面3牙侧角(导向面3与AB直线的夹角)为45°，承载面7牙侧角(承载面7与AB直线的夹角)为30°，导向面3牙侧角与承载面7牙侧角两个角度之和为75°。齿根为非等半径且相切的双圆半角，导向面扣根圆角8的半径大于其相切的承载面扣根圆角9的半径，承载面扣根圆角9半径为1.625mm，导向面扣根圆角8半径为2.184mm；牙顶大圆角4的半径大于牙顶小圆角6的半径，牙顶大圆角4的半径1.474mm，牙顶小圆角6的半径为0.758mm。AB直线是外螺纹接头1和内螺纹接头2中心线的垂线。
从而导向面扣根圆角8以及承载面扣根圆角9的应力会自动转于到强度较高的螺纹接头本体部位，从而该结构能消除扣根的应力集中。

Claims (1)

1.一种钻工具接头特殊螺纹，主要由内螺纹和外螺纹组成，每英寸3牙，锥度为1：16，其特征在于：内螺纹与外螺纹连接的轴向截面上有承载面(7)、导向面(3)、牙顶大圆角(4)、牙顶平段(5)、牙顶小圆角(6)、导向面扣根圆角(8)以及承载面扣根圆角(9)，外螺纹大端根部和内螺纹小端根部均匀开有减应力圆弧槽；导向面(3)牙侧角为45°，承载面(7)牙侧角为30°，两个角度之和为75°；齿根为非等半径且相切的双圆半角，导向面扣根圆角(8)的半径大于其相切的承载面扣根圆角(9)的半径，承载面扣根圆角(9)半径为1.625mm，导向面扣根圆角(8)半径为2.184mm；牙顶大圆角(4)的半径大于牙顶小圆角(6)的半径，牙顶大圆角(4)的半径1.474mm，牙顶小圆角(6)的半径为0.758mm。
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