CN102803807A - 胀式螺纹接头及实施方法 - Google Patents

Abstract

胀式螺纹接头，包括：第一管形构件，其具有阳式端部（1），阳式端部包括第一和第二螺纹区域（21，22）及嵌入区（25），嵌入区设有第一环形榫舌（41）和第一凹部（43），第一榫舌包括凸起止挡面（41a）；第二管形构件，其具有阴式端部（2），阴式端部包括第三和第四螺纹区域（23，24）及嵌入区（26），嵌入区设有第二环形榫舌（42）和第二凹部（44），第二榫舌包括凸起止挡面（42a）；第一和第二榫舌（41，42）在拧紧状态分别接合在第二和第一凹部（44，43）中，至少一榫舌的止挡面与至少一凹部接触，阳式端部（1）在第一螺纹区域和第一榫舌之间包括第一表面（47），阴式端部在第三螺纹区域和第二凹部之间包括第二表面（48），第一和第二表面（47，48）在拧紧状态限定环形空间，环形空间包括大径向尺寸的区域（49）和适于在膨胀后形成金属与金属接触（60）式密封的小径向尺寸的区域（50），第一榫舌（41）支承在第二榫舌（42）上。

Description

胀式螺纹接头及实施方法

技术领域

本发明涉及尤其用于油气井或类似井例如地热井的管形构件的密封接头的领域。在接头使用时，接头经受很大的压缩应力及拉应力和应避免脱离。接头还经受流体的内压或外压载荷、弯曲载荷或甚至扭转载荷，这些载荷必要时可能组合，其强度会波动和频率可能变化。不管载荷怎样，不管在施工现场上的使用条件如何严酷，都应确保密封性。

背景技术

多年以来，考虑在现场使管经受径向膨胀，产生永久性塑性变形。接头应在随同管所承受的径向膨胀的塑性变形之后保持是可使用的。期望的是，在塑性径向膨胀后，螺纹接头尤其保持牵引/压缩机械性能而无论有还是没有内部或外部超压、以及保持密封性，同时保留对其重要的大部分性能。

本申请人的专利FR 2 834 326提出一种接头，该接头按呈S形的型廓设有分别接合在凹部中的两个榫舌，在“S”的上部分和下部分处具有径向间隙。拧紧结束时的接触在榫舌的彼此相向的基本呈圆柱形的表面和基本呈径向的表面之间进行。在径向膨胀时，产生榫舌之一向另一榫舌的倾转，从而加强接头的密封性。

发明内容

本发明旨在改善这种情况，尤其是在膨胀操作是高膨胀率（尤其是大于15%）的操作、或者是在压缩下的膨胀操作的情况下对于密封性来说。

胀式螺纹接头可用于油气井或地热井的勘探或开采中。胀式螺纹接头包括第一管形构件，所述第一管形构件包括阳式端部，所述阳式端部包括布置在其外周表面上的第一螺纹区域和第二螺纹区域、以及设在所述第一螺纹区域和所述第二螺纹区域之间的嵌入区。所述嵌入区设有环形的第一榫舌、和第一凹部，所述第一榫舌包括凸起的止挡面，所述第一凹部邻近所述第一榫舌且相对所述第一榫舌凹缩。

胀式螺纹接头包括第二管形构件，所述第二管形构件包括阴式端部，所述阴式端部包括布置在其内周表面上的第三螺纹区域和第四螺纹区域、以及设在所述第三螺纹区域和所述第四螺纹区域之间的嵌入区。所述嵌入区设有环形的第二榫舌、和第二凹部，所述第二榫舌包括凸起的止挡面，所述第二凹部邻近所述第二榫舌且相对所述第二榫舌凹缩。所述阳式端部的所述第一螺纹区域和第二螺纹区域对应于所述阴式端部的所述第三螺纹区域和第四螺纹区域，以便被拧紧在一起。所述螺纹区域相应地包括阳螺纹和阴螺纹。在拧紧状态，所述第一榫舌和第二榫舌分别接合在所述第二凹部和第一凹部中，所述第一榫舌和第二榫舌中的至少一个榫舌的止挡面相应地与所述第二凹部或第一凹部相接触。所述阳式端部在所述第一螺纹区域和所述第一榫舌之间包括第一表面，所述阴式端部在所述第三螺纹区域和所述第二凹部之间包括第二表面。所述第一表面和所述第二表面在拧紧状态确定环形空间，所述环形空间在所述第一螺纹区域和第三螺纹区域侧上包括大径向尺寸的区域，和在所述第一榫舌和第二凹部侧上包括小径向尺寸的区域。所述小径向尺寸的区域适于在膨胀后形成金属与金属接触式的密封。第一榫舌支承在第二榫舌上。

在膨胀时所述大径向尺寸的区域有利于阳式端部的变形，和方便第一榫舌向第二榫舌的倾转，以便在这些榫舌之间产生金属与金属式密封。小径向尺寸的区域允许从径向膨胀一开始起就在第一和第二表面之间形成金属与金属式密封。

在一实施方式中，阳式端部的位于第一榫舌和第一凹部之间的表面与阴式端部的位于第二榫舌和第二凹部之间的表面，在拧紧状态下彼此接触。这些表面可具有的轴向长度相对所述第一和第二表面的轴向长度较小。

在一实施方式中，阳式端部的第一表面是鼓凸状的。在轴向截面上，阳式端部的第一表面可包括靠近第一螺纹区域的凹形部分以及靠近第一榫舌的凸形部分。

在一实施方式中，阳式端部的第一表面具有最大直径，最大直径位于从第一螺纹区域起的其长度的三分之一到三分之二之间，优选位于其长度的一半到三分之二之间。

在一实施方式中，阳式端部的第一表面在第一榫舌附近具有的直径大于其在第一螺纹区域附近的直径。

在一实施方式中，金属与金属接触式的密封通过在阳式端部的第一榫舌附近的鼓凸部分实现。截锥形部分可布置在阴式端部的第二凹部附近。

在一实施方式中，阳式端部的第一表面在第一榫舌附近呈截锥形的。阴式端部的第二表面可在第二凹部附近呈截锥形的。

在一实施方式中，在第一和第三螺纹区域侧上的大径向尺寸的区域被限定在截锥形内表面和圆弧形外表面之间。

在另一实施方式中，所述大径向尺寸的区域被限定在圆弧形内表面和截锥形外表面之间。在另一实施方式中，所述大径向尺寸的区域被限定在两个圆弧形表面之间。

在一实施方式中，在第一榫舌和第二凹部侧上的小径向尺寸的区域具有为零的径向尺寸。可选地，设置产生干涉作用。这样，在拧紧时，阳式端部和阴式端部之间产生接触。径向膨胀从一开始就在阳式端部的第一表面与阴式端部的第二表面之间产生金属与金属式密封。

在另一实施方式中，在第一榫舌和第二凹部侧上的小径向尺寸的区域包括非零的径向尺寸。这方便拧紧。

在一实施方式中，阳式端部的第一表面在第一螺纹区域附近具有环形的凹槽。阴式端部的第二表面在第一螺纹区域附近则可以或者具有环形的凹槽，或者具有经济的简单的机加工形状，例如在第三螺纹区域的延伸部分中。自阳式端部的第一表面起设置的环形的凹槽便于径向膨胀和第一榫舌的倾转。

在另一实施方式中，阴式端部的第二表面在第三螺纹区域附近具有环形的凹槽，阳式端部的第一表面例如在第一螺纹区域的延伸部分中，具有简单的形状。

凹槽具有的深度可为管形构件在通常区部上的厚度的6%至13%之间。所谓管形构件的通常区部，是指位于其两个端部之间的、例如在阳式端部和阴式端部之间的区域。

在一实施方式中，第一与第三螺纹区域和/或第二与第四螺纹区域包括在拧紧状态下同时在接合侧面上和在支承侧面上产生干涉的螺纹。但是，可能有利的是在接合侧面设置间隙，以便拧紧。

在一实施方式中，第一与第三螺纹区域和/或第二与第四螺纹区域包括径向上自紧合的螺纹。径向上自紧合的螺纹可包括呈负角的侧面和/或钩牙。径向上自紧合的螺纹可为燕尾形的。所述螺纹的形状选择成避免螺纹脱开或脱离。

在一实施方式中，阳式端部的第一表面的长度为管形构件在通常区部上的厚度的150%至175%之间。

在一实施方式中，阴式端部的第二表面的长度为管形构件在通常区部上的厚度的145%至170%之间。

在一实施方式中，第二凹部的长度为管形构件在通常区部上的厚度的16%至24%之间。

在一实施方式中，阳式端部的在环形空间的大径向尺寸的区域处的厚度，为管形构件在通常区部上的厚度的66%至76%之间。

在一实施方式中，阳式端部的在环形空间的小径向尺寸的区域处的厚度，为管形构件在通常区部上的厚度的50%至85%之间。

在一实施方式中，阴式端部的在环形空间的大径向尺寸的区域处的厚度，为管形构件在通常区部上的厚度的45%至55%之间。

在一实施方式中，阳式端部的在第一榫舌和第二螺纹区域之间的厚度，为管形构件在通常区部上的厚度的50%至55%之间。

在一实施方式中，阴式端部的在第二榫舌和第四螺纹区域之间的厚度，为管形构件在通常区部上的厚度的62%至66%之间。

在一实施方式中，第一榫舌和第一凹部的径向尺寸为管形构件在通常区部上的厚度的22%至27%之间。

在一实施方式中，第二榫舌的径向尺寸为管形构件在通常区部上的厚度的10%至15%之间。

在一实施方式中，第二凹部的径向尺寸为管形构件在通常区部上的厚度的10%至15%之间。

在一实施方式中，第一和第二榫舌具有总体矩形状的轴向截面。

在一实施方式中，环形空间的大径向尺寸的区域和小径向尺寸的区域是连续的。

本发明还涉及利用如上所述的螺纹接头实施密封螺纹接头的方法。利用直径大于管形构件内径的膨胀球体使所述螺纹接头在塑性变形的范围内经受径向膨胀。膨胀球体在接头中轴向移动。所述环形空间的尺寸确定成在径向膨胀时，第一表面向第二表面进行轴向移动，以使所述第一和第二表面在径向上产生干涉，而形成金属与金属式密封，同时允许环形空间的大径向尺寸的区域继续存在。所述环形空间的尺寸还确定成由于在阴式元件变形时发生弯曲同时阳式元件受到保持，因而第一表面进行径向移动。

在一实施方式中，第一表面朝第一榫舌的方向进行轴向移动。第一榫舌朝第二榫舌的方向进行倾转，以便第一榫舌的内表面与第二榫舌的外表面在径向上产生干涉，而形成金属与金属式密封。这样，获得在轴向上离开的两个金属与金属式密封。

在一实施方式中，膨胀率大于15%，优选地大于20%。

附图说明

参照后文详细说明和附图，本发明的其它的特征和优点将得到体现，附图中：

－图1和2以纵剖面图示意地示出分别处于拧紧状态和处于膨胀状态的第一螺纹接头；

－图3是第一螺纹接头的阴式端部的细部图，图4是第一螺纹接头的阳式端部的细部图；

－图5和6以纵剖面图示意地示出分别处于拧紧状态和处于膨胀状态的第二螺纹接头；

－图7和8以纵剖面图示意地示出分别处于拧紧状态和处于膨胀状态的第三螺纹接头；

－图9和10以局部的纵剖面图示意地示出分别处于拧紧状态和处于膨胀状态的第四螺纹接头；

－图11和12以局部的纵剖面图示意地示出分别处于拧紧状态和处于膨胀状态的第五螺纹接头；和

－图13是燕尾形螺纹的细部图。

具体实施方式

附图不仅可用于补充说明本发明，而且必要时还有助于其定义。本发明并不局限于作为非限制性示例描述的管接头实施例，而是包括本领域技术人员可考虑的任何变型。

这里再考虑用于油气或地热的井的钻探。传统上，首先利用例如约500毫米的大直径的钻具，在为数十米的较浅深度上钻出井的上部，然后利用包括具有所述直径的管柱进行套装。然后，钻孔直径逐步减小，直至井底，井底能以在同一实施例中约为150毫米的显著较小的直径钻出。这种井因而利用多个同心管柱进行套装，每个管柱在钻到相应直径结束时下放，所有管柱从地表悬置；直径较大的管从地表延伸直至数十米的深度，直径较小的管从地表延伸直至深度可达到数千米的井底。例如，套装管和土层之间的空间用水泥巩固。

在井完全地钻成并套装好管柱之后，生产套管可下放，以便尤其允许使烃上升直至地表，即井的有效开采。可理解的是，该生产套管具有的外径略小于套管柱的内径。因此，装备一井导致要使用大量的不同尺寸的管，这些管最经常地利用螺纹接头首尾相接地装配在一起，这是由于这种装配类型的优点。力求使这些管尽可能薄，以便在地表附近不需要太大直径的套装管。不过，遵守适用于螺纹接头的要求和规范，往往导致赋予螺纹接头以大于管通常区部的厚度的厚度；这要求在将同心管柱在井中向深处下放时，增大同心管柱之间的直径级数（progression diamétrale）。

管的彼此间的装配或者通过将管的螺纹端部彼此相互间拧紧（所谓整体接头）进行，或者利用覆盖其端部的螺纹接套进行。在管拧紧到前接套或前管的端部中之后，这些管相继地下放。

因此，美国石油学会（API）的规范API 5 CT限定了在两种大长度管（“整体接头油管”、“极线套管”）之间的管形螺纹接头、以及接套式连接螺纹件，所述接套式连接螺纹件包括允许利用接套装配两个大长度管的两个螺纹接头。这些API接头仅通过添加填充螺纹之间的空隙的载有金属颗粒的润滑剂才是密封的。

当然，在由于每个接头至少部分地支撑位于其下方的管而在很大的支承重量范围内，无论管在井中下放时所经受的载荷如何，管之间（或者管与接套之间）的连接应保持密封。螺纹接头的机械性能看来还与其几何特性密切相联系。

对于螺纹接头，要确定牵拉联接的“效力”，其由管的在螺纹处的横截面与管的在其长度上的横截面之间的比率确定。在单头螺纹接头的情况下，对于带有锥形螺纹和渐消螺纹的接套式接头，这种效力是100%。相反，接套具有的外径大于管的外径，因而接套体积尺寸较大。整体接头只有在通过锻造极大地使管端变厚的条件下，才能达到100%的效力。双级圆柱形螺纹在等同体积尺寸下获得较低的效力，比起渐消螺纹式锥形螺纹拧紧和定位时间更长。

相反，当施加在管上的内部或外部流体压力变得过大时，螺纹可能脱离啮合。这种脱离啮合现象部分地与所用螺纹的形状相关。所用螺纹一般为具有倾斜侧面和圆顶的三角螺纹，或者是具有非对称的倾斜侧面和平顶的梯形螺纹。在圆三角螺纹式的螺纹中，径向力很大，这使该螺纹类型螺纹易咬住和脱开啮合。

由此，不管所采用的螺纹类型如何，虽然使用载有颗粒的润滑剂，但是依然存在泄漏通道，由于在未接触的表面之间存在的间隙，因而高压流体可在所述泄漏通道中流通。对于给定的拉伸载荷，存在流体压力阈值，超过该阈值，结合的压力及拉伸力在API螺纹接头上引起接触的阳式部分和阴式部分的螺纹脱开啮合。

为避免这种情况，螺纹接头和螺纹件已得到改进：例如，专利FR1489013、EP 488912、US 4494777旨在实现所谓高级或“优质”的管形螺纹接头，其借助阳式元件和阴式元件之间的合理布置的止挡部和金属与金属密封支承面，是特别密封的。

这可通过两个干涉接触的锥形密封支承面进行，阳式密封支承面在外部布置在阳螺纹以外，阴式密封支承面以相应的方式布置在阴式元件上。结合使用横向止挡部，用以定位密封支承面和加强其作用。但是，在外压的作用下，始终存在支承面的锥部脱离开的危险，在管于井中下放期间或者在运行中所施加的压缩力和拉伸力的作用下，存在支承面损坏和分离的危险。

管柱在井中下放之后，考虑使管柱经受径向膨胀，永久性塑性变形。这例如利用在管柱内部强行通过的球体实现：参见WO 93/25799、WO98/00626、WO 99/06670、WO 99/35368、WO 00/61915、GB 2344606、GB 2348657。这提供非常有利的可能性：

－下放小体积尺寸的管柱，然后使管柱强制膨胀；

－以这种方式将套管柱安置到位；

－同样，现场堵塞由腐蚀或由钻杆摩擦穿孔的套装管或生产管的孔，或者在井中下放小体积尺寸的管，一旦所述管安置到位，就使这些管膨胀到期望的直径；

－最后，尤其是，允许以最少两个相继的套管柱钻出直径一致的井。通过全都具有相同直径的多个管柱实施管柱套装，管在非膨胀状态下插入，然后在现场膨胀到井径。

因而可大大减少用于装备井所需的管的数量，不使用较大直径和较大厚度的管。井的成本因而降低。甚至可考虑直接用套管柱钻井，所述套管柱起钻杆柱的作用。但是，实现在膨胀后仍保持其性能的螺纹接头难度极大，由于这在运行条件下应（所有接头需保持）稳定和可靠，因而难度更大。

通过US 5924745和WO 98/42947已知经受膨胀的螺纹接头。但是，这里涉及装配所谓EST（expandable slotted tubings：可膨胀割缝管）构件，其设有纵向的贯穿缝隙，和在油气井底部（通过胀开芯轴在管中通过）经受径向膨胀；缝隙经过扩宽，允许构件外部的流体（来自矿床的烃）进入构件中，以在其中上升到地表。在这种情况下，接头的密封性显然不重要，由于接头在井底，接头没有承受这样高的机械载荷。本发明涉及本身密封的管，而不涉及构造上可透的这种构件。

实际上，管柱的塑性膨胀的最初提出是基于焊接接头（预先通过焊接对接的管形成的管卷，这些管卷从地表展开），或者甚至基于摩擦式接头（“slips”）。但是，这种接头不具有螺纹接头的性能，尤其是涉及到机械强度、在多变的工作条件下的密封性、还有相继多次拆除/重装的可能性的组合方面。

如根据US 4494777的普通的管形螺纹接头不支持塑性径向膨胀。在这些接头上进行膨胀后会发现：

－缺乏密封性（其另外还阻止通过在管柱中液压地推动球体来进行膨胀）；

－阳式端部向接头的内部弯曲，这通过在可用内径所确定的空间中形成内部凸起，而使管柱的可用内径以不可接受的方式极大地缩小；

－由于完全沿阳式元件和阴式元件的厚度相对于管体厚度的变化，而超过特别地受应力的一些区域的变形能力，可能造成阳式端部的唇缘断裂。

已经寻求实现一种密封螺纹接头，以便装配本身具有密封结构和在膨胀后具有期望的可使用性能的构件。力求适当地防止密封螺纹接头螺纹脱离啮合的危险。

文献WO 2005/064219提出一种阳式端部，其配有会接纳在阴式端部的座槽中的唇缘，膨胀时，阳式端部部分地凸伸到阴式端部的凹槽中。阴式端部的唇缘应特别地牢固，以便耐受阳式端部的唇缘所施加的作用力，同时所述唇缘足够长，以避免由于径向膨胀所引起的轴向移位而使所述唇缘之间丧失接触。此外，螺纹脱出啮合的危险依然存在。另外，由于阴式元件的临界截面小，因而这种接头的张紧效力非常小，这限制了这种接头的机械性能。同时，对于高膨胀率，在内支承面处的阳式元件和阴式元件之间的相对移位，会引起唇缘与凹槽脱离接触和脱出啮合。

文献US 6 409 175提出在阳式端部的末端表面附近增加辅助密封元件。密封元件所需的座槽通过减小临界截面而削弱了阳式端部。螺纹脱出啮合、阳式端部和阴式端部相对于彼此径向移动的危险性仍然没有改变。

文献US 2006/162937描述了从外部在接合处添加的接套。接套占附加厚度，由此减小有效直径。膨胀在接套处变得更困难，这需要不希望的增大的膨胀压力。

文献US 2007/102927可与FR 2 834 326相近。阴式端部的临界截面较小。

文献WO 2006/47685描述了一种胀式螺纹接头，其螺纹的长度逐渐增大，使得在拧紧状态侧面之间达到为零的间隙。螺纹的根部和顶部之间存在径向间隙，由此密封性一般。此外，膨胀有在膨胀之前在预先接触的螺纹侧面之间再产生轴向间隙的危险性。因此，渗漏危险很大。

文献WO 2007/16074提出在两个螺纹部分之间进行金属与金属接触实现密封。螺纹具有渐增的轴向长度，在旋拧结束时侧面之间的间隙为零。这种接触几乎不能经受很大的径向膨胀。阳式端部和阴式端部趋向于分离，由于弹性恢复、差异塑性变形、尤其是残余应力而产生径向空间。另外，这种接头对径向膨胀实施的条件非常敏感。

在图1上，一接头包括阳螺纹端部1或阳螺纹元件，其布置在第一管11的端部。阳式端部1旋拧抵靠在布置在第二管12的端部的阴螺纹端部2或阴螺纹元件内。这里，阳螺纹端部的内径等于管11、12的内径。仅作为例子，阴螺纹端部2的外径等于管11、12的外径。图1上示出接头在任何径向膨胀操作之前处于简单地拧紧抵靠的状态。图2上，示出接头处于膨胀状态。如图所示的第二管12是大长度管。以未示出的方式，该第二管可以是这样的接套：其在一侧配有阴式端部2，在另一侧配有另一阴式端部，其相对于径向平面对称或不对称，旋拧到位于另一大长度管的端部的阳式元件上。

阳式端部1包括总体上呈圆柱形的孔1a，在唇缘/凹槽区域附近具有截锥形部分。阳式端部1包括末端表面1b，这里，末端表面1b基本为径向形状。阳式端部1的末端表面1b在轴向上与阴式端部2隔离开。阳式端部1包括第一螺纹区域21和第二螺纹区域22，第一螺纹区域21布置在外周表面上，第二螺纹区域22同样布置在其外周表面上和具有较小的直径。相应地，阴式端部2包括第三螺纹区域23和第四螺纹区域24，第三螺纹区域23对应于第一螺纹区域21，第四螺纹区域24对应于第二螺纹区域22。在拧紧状态，第一螺纹区域21和第三螺纹区域23相接合，第二螺纹区域22和第四螺纹区域24相接合。每个螺纹区域21、22、23、24配有螺纹。

在所示的实施方式中，螺纹在径向上以负角自紧合，以获得防脱螺纹效应，还可参见图13。换句话说，至少一部分螺纹具有在其顶部附近比在其根部附近更宽大的齿。

图13示出在拧紧状态的燕尾形螺纹，其接合侧面和支承侧面相对于对应顶部形成锐角。特别是，螺纹区域21的齿31具有基本呈圆柱形形状的顶部31a、支承侧面31b和接合侧面31c。齿31由根部33和35环绕。齿31在拧紧状态下接合到螺纹区域23中，更确切的说，凸伸到齿32和34之间的根部36中。齿31的顶部31a与根部36的底部接触。阴螺纹区域22的齿32、34每个都具有一顶部32a、34a，所述顶部32a、34a与阳螺纹区域21的相对应的根部33和35的底部相距一段短的径向距离。螺纹区域21和23呈截锥形。根部33的直径大于根部35的直径。齿34的直径大于齿32的直径。

齿31的支承侧面31b和齿34的支承侧面34b相互接触。齿31的接合侧面31c和齿32的接合侧面32c相隔较短的轴向距离。但是，在一变型中，螺纹可以是在接合侧面上干涉的类型。在这种情况下，接合侧面31c和32c在拧紧状态下彼此接触。

回到图1和2，在拧紧状态以及在膨胀状态，阳式端部1的第二螺纹区域22可延伸直至末端表面1b附近，或者可通过圆柱表面或略呈截锥形的表面与其分开。在螺纹区域21和22之间，阳式端部1包括阳式嵌入区25，阳式嵌入区与在阴式端部2上设于第三螺纹区域23和第四螺纹区域24之间的阴式嵌入区26进行接触。在第一螺纹区域21以外和朝第一管11的方向，阳式端部1包括凸肩27，凸肩27例如呈截锥形的，其后跟随着基本截锥形的密封部分28，密封部分28通过第二凸肩29连接于第一管11的外表面。阴式端部2包括回转外表面2a和末端表面2b，这里，末端表面2b呈圆形状，在拧紧状态下与凸肩29分离开。在末端表面2b和第三螺纹区域23之间，阴式端部2包括内表面2c，内表面2c在膨胀状态，和必要时在拧紧状态，与截锥形表面28相接触。与末端表面2b相邻的内表面2c可呈圆柱形，或者优选地，可呈鼓凸状，例如呈圆弧形。

内表面2c可直接地或者通过凹形区域2d连接于阴式端部2的第三螺纹区域23，凹形区域2d在拧紧状态和在膨胀状态基本面对着阳式端部1的凸肩27。凹部2d提供柔性，以在膨胀后保持内表面2c与截锥形表面28之间的接触和避免末端表面2c径向抬起。

阳式嵌入区25和阴式嵌入区26更详细地示于图3和4上。阳式嵌入区25包括第一榫舌41。阴式嵌入区26包括第二榫舌42。榫舌41和42呈环形。每个榫舌41、42具有形成凸起的止挡面41a、42a的一自由端。每个榫舌41、42包括呈圆柱形或略呈截锥形的小直径表面41b、42c以及呈圆柱形或略呈截锥形的大直径表面41c、42b。大直径表面41c相切于阳式嵌入区25的第一大直径表面47。

每个阳式嵌入区25、阴式嵌入区26分别包括一第一凹部43或凹口与第二凹部44或凹口，其邻近第一榫舌41和第二榫舌42。第一榫舌41的小直径表面41b限定第一凹部43，形成其外壁。这里，凹部43的小直径壁由基本呈圆柱形的表面45形成，表面45在所述第一凹部43中延伸直至第二螺纹区域22。凹部43的底部可为基本呈径向的形状。第二榫舌42的大直径表面42b在径向上朝内限定第二凹部44，形成其小直径壁。第二凹部44的大直径壁由阴式嵌入区26的第二表面48形成，第二表面48局部地略呈截锥形或圆形的形状。第二凹部44的底部具有基本呈径向的形状。阴式嵌入区26具有的表面46相切于第二榫舌42的小直径表面42c，延伸在所述第二榫舌42和阴式端部2的第四螺纹区域24之间。在拧紧状态，阳式嵌入区25的表面45和阴式嵌入区26的表面46轴向地位于相同高度，可彼此接触或由小径向间隙分开。

一般来说，第一榫舌41和第一凹部43具有S形型廓。第二榫舌42和第二凹部44具有对应尺寸的倒S形型廓，以致在拧紧状态，第一榫舌41凸伸到第二凹部44中，第二榫舌42凸伸到第一凹部43中。在拧紧状态，第一榫舌41的小直径表面41b与第二榫舌42的大直径表面42b接触。在膨胀状态，可产生略微轴向缩退，但仍保持第一榫舌41和第二榫舌42之间的所述接触。

第一表面47具有的直径大于表面45的直径。外表面47延伸在第一螺纹区域21和第一榫舌41之间。在图3和4的实施方式中，第一表面47包括：第一部分47a，其基本呈圆柱形，邻近第一螺纹区域21；第二部分47b，其基本呈截锥形，从第一部分47a起，直径逐渐增大；圆形顶部47c；以及第三部分47d，其基本呈截锥形，远离第一螺纹区域21，而直径逐渐减小。第三部分47d以相切的方式连接第一榫舌41的大直径表面41c。

第二表面48面对阳式嵌入区25的第一表面47，延伸在第三螺纹区域23和第二凹部44之间。第二表面48在膨胀之前包括第一部分48a和第二部分48b，第一部分48a邻近第三螺纹区域23，基本呈圆柱形，第二部分48b延长第一部分48a直至第二凹部44，具有圆弧形的形状。

如图1上所示，在拧紧状态，第一表面47和第二表面48在它们之间仍留有环形空间，该环形空间在第一螺纹区域21和第三螺纹区域23侧上包括大径向尺寸的区域49，和在第一榫舌41和第二凹部44侧上包括小径向尺寸或径向尺寸为零的区域50。出于比例原因，在图1上可看到区域50具有为零的径向尺寸。但是，区域50可在第一表面47的顶部47c附近具有为零的径向尺寸，而在顶部47c以外具有小的但非零的径向尺寸。可选地，小径向尺寸的区域50是连续的，包括在顶部47c附近。

第一表面47包括整体鼓凸的形状。第一表面47的顶部47c位于从第一螺纹区域21开始的所述第一表面47的长度的三分之一到三分之二之间，优选地，位于其长度的一半到三分之二之间。第三部分47d的直径大于第一部分47a的直径。

在图2上所示的膨胀状态，大径向尺寸的区域49在较小长度上仍存在，且径向尺寸也较小。金属与金属式接触60由第一表面47的顶部47c挤压在阴式嵌入区26的第二表面48的圆形部分48b上产生。

第一榫舌41和第二榫舌42分别从第二凹部44和第一凹部43略微退缩出。由此，在第二榫舌42的凸起面42a相对于第一凹部43的底部、和在第一榫舌41的凸起面41a和第二凹部44的底部之间产生轴向距离。第一榫舌41略微沿顺时针方向枢转。换句话说，第一榫舌41的直径趋向于减小，尤其是在其凸起面41a的附近。第二金属与金属式接触61形成于第一榫舌41的小直径表面41b和第二榫舌42的大直径表面42b之间的界接处。

接头的尺寸确定特别复杂。在该实施方式中，单独或非单独地采用的以下尺寸是非常适合的：

－阳式端部1的第一表面47的长度介于管形构件在通常区部（sectioncourante）上的厚度的150%至175%之间；

－阴式端部2的第二表面48的长度介于管形构件在通常区部上的厚度的145%至170%之间；

－第二凹部44的长度介于管形构件在通常区部上的厚度的16%至24%之间；

－阳式端部1的在环形空间的大径向尺寸的区域处的厚度，介于管形构件在通常区部上的厚度的66%至76%之间；

－阳式端部1的在环形空间的小径向尺寸的区域处的厚度，介于管形构件在通常区部上的厚度的75%至85%之间；

－阴式端部2的在环形空间的大径向尺寸的区域处的厚度，介于管形构件在通常区部上的厚度的45%至55%之间；

－阳式端部1的在第一榫舌和第二螺纹区域之间的厚度，介于管形构件在通常区部上的厚度的50%至55%之间；

－阴式端部2的在第二榫舌和第四螺纹区域之间的厚度，介于管形构件在通常区部上的厚度的62%至76%之间；

－第一榫舌41和第一凹部43的径向尺寸，介于管形构件在通常区部上的厚度的22%至27%之间；

－第二榫舌42的径向尺寸介于管形构件在通常区部上的厚度的10%至15%之间；

－第二凹部44的径向尺寸介于管形构件在通常区部上的厚度的10%至15%之间。

在图5和6上所示的实施方式中，与前述实施方式中类似的元件的标号予以保留。阴式端部2的阴式嵌入区26的第二表面48类似于前述实施方式。阳式端部1的阳式嵌入区25的第一表面47包括环形的凹槽47e，该凹槽在轴向截面上形成圆形根部47e。凹槽47e位于第一部分47a和顶部47c之间。换句话说，在该实施方式中，凹槽47e取代图4的第二截锥形部分47b。凹槽47e一方面允许增大环形空间在其大径向尺寸的区域49中的径向尺寸，另一方面允许方便通过减小阳式端部1的续存厚度的膨胀操作。膨胀所需的作用力因而得到减小。凹槽47e具有的深度介于管形构件在通常区部上、即在端部之间的厚度的6%至13%之间。

此外，凹槽47e通过增大构成阳式端部1的材料在接触阴式端部2的阴式嵌入区26的第二表面48之前径向地朝外的可能的径向移动，允许增大第一榫舌41径向地朝内的枢转现象。这种现象对应于榫舌41围绕大体位于顶部47c附近的几何轴线的枢转，或者在位于阳式嵌入区25的厚度中的、轴向地基本在顶部47c处的区域中的枢转。在图6上所示的膨胀状态，环形空间的大径向尺寸的区域49部分地仍存在。金属与金属式接触60基本在顶部47c处形成，尤其是在图6上所示的圆圈中。金属与金属式辅助接触61在榫舌41和42之间在图6的加圆框区域中形成。

在图7和8的实施方式中，阳式端部1类似于第一实施方式中的阳式端部。阴式端部2设有凹槽48c，凹槽48c在阴式嵌入区26中布置在基本呈圆柱形的第一部分48a和这里基本呈截锥形的第二区域48b之间。凹槽48c在轴向截面上呈环形和圆形的。相对于第一实施方式来说，凹槽48c可增加所述大径向尺寸的区域49的径向尺寸。由此方便了膨胀时所述阳式嵌入区25向外的径向移动，第一表面47与凹槽48c的接触相对于第一实施方式推迟。但是，第一榫舌41的倾转可略小于图5和6的实施方式中观察到的第一榫舌的倾转。凹槽48c具有的深度介于管形构件在通常区部上的厚度的6%至13%之间。

在图9和10的实施方式中，包括大径向尺寸的区域49和小径向尺寸的区域50的环形空间是连续的。换句话说，第一表面47和第二表面48在拧紧状态，在径向上隔开。第一表面47包括第一部分47a，第一部分47a位于螺纹区域21的延伸部分中，例如具有小的锥度，便于切割工具的移动。然后，第一表面47远离螺纹区域21地包括轻微的凸肩47f，其限定凹槽47e。在另一侧，凹槽47e由截锥形部分47g限定，截锥形部分47g连接于大直径部分47d，大直径部分47d相切于第一榫舌41的大直径表面41c。大直径部分47d可呈圆柱形。阴式端部2的嵌入区26的第二表面48包括基本呈圆柱形的第一部分48a、和向外非常轻微地鼓凸的、例如呈圆弧形的第二部分48b。

在图10上所示的膨胀状态，大径向尺寸的区域49以较小径向尺寸继续存在。凹槽47e趋向于通过阳式嵌入区25的材料径向地朝外移动而被填塞。第一表面47的大直径部分47d会向外呈圆弧形变形，与第二表面48的第二部分48b进行接触，形成金属与金属式接触60。金属与金属式辅助接触61通过榫舌41径向地朝内移动从而与第二榫舌42径向地产生干涉来形成。

在图11和12的实施方式中，第一表面47与前述实施方式的区别在于：大直径部分47d在轴向截面上呈圆弧形的鼓凸状，其将与阴式嵌入区26的第二表面48的第二部分48b拧紧接触。换句话说，小径向尺寸的区域50为零径向尺寸式的。第二表面48类似于前述实施方式中的第二表面。

一般来说，在径向膨胀时，金属与金属式接触60形成在大直径部分47d的区域中，与第一榫舌41间离开。实际上，第一榫舌41趋向于相对于第二榫舌42朝内径向地移动。应当理解的是，这种移动是相对的，因为在径向膨胀时，榫舌41和42两者全都径向地朝外移动，榫舌41趋向于比榫舌42移动得少，由此，相对的径向移动允许在第一榫舌41和第二榫舌42的面对着的表面之间形成金属与金属辅助接触61式的密封。这些移动非常适合于大于15%、优选地大于20%的高膨胀率。

Claims (17)

1.胀式螺纹接头，其在油气井勘探或开采中使用，所述胀式螺纹接头包括第一管形构件，所述第一管形构件具有阳式端部（1），所述阳式端部包括布置在其外周表面上的第一螺纹区域（21）和第二螺纹区域（22）、以及设在所述第一螺纹区域（21）和所述第二螺纹区域（22）之间的嵌入区（25），所述嵌入区设有环形的第一榫舌（41）、和第一凹部（43），所述第一榫舌包括凸起的止挡面（41a），所述第一凹部邻近所述第一榫舌且相对所述第一榫舌凹缩；所述胀式螺纹接头还包括第二管形构件，所述第二管形构件具有阴式端部（2），所述阴式端部包括布置在其内周表面上的第三螺纹区域（23）和第四螺纹区域（24）、以及设在所述第三螺纹区域（23）和所述第四螺纹区域（24）之间的嵌入区（26），所述嵌入区设有环形的第二榫舌（42）、和第二凹部（44），所述第二榫舌包括凸起的止挡面（42a），所述第二凹部邻近所述第二榫舌且相对所述第二榫舌凹缩，所述阳式端部的所述第一螺纹区域和第二螺纹区域对应于所述阴式端部的所述第三螺纹区域和第四螺纹区域以便被拧紧在一起，所述螺纹区域（21，22，23，24）相应地包括阳螺纹和阴螺纹；在拧紧状态，所述第一榫舌（41）和第二榫舌（42）分别接合在所述第二凹部（44）和第一凹部（43）中，所述第一榫舌和第二榫舌中的至少一个榫舌的止挡面相应地与所述第二凹部或第一凹部相接触，所述阳式端部（1）在所述第一螺纹区域和所述第一榫舌之间包括第一表面（47），所述阴式端部在所述第三螺纹区域和所述第二凹部之间包括第二表面（48），

其特征在于，所述第一表面（47）和所述第二表面（48）在拧紧状态确定环形空间，所述环形空间在所述第一螺纹区域和第三螺纹区域侧上包括大径向尺寸的区域（49），和在所述第一榫舌和第二凹部侧上包括小径向尺寸的区域（50），所述小径向尺寸的区域适于在膨胀后形成金属与金属接触（60）式密封，所述第一榫舌（41）此时支承在所述第二榫舌（42）上。

2.根据权利要求1所述的胀式螺纹接头，其特征在于，在拧紧状态，所述阳式端部的布置在所述第一榫舌（41）和所述第一凹部（43）之间的表面与所述阴式端部的布置在所述第二榫舌（42）和所述第二凹部（44）之间的表面相接触。

3.根据前述权利要求中任一项所述的胀式螺纹接头，其特征在于，所述阳式端部（1）的第一表面（47）具有最大直径，所述最大直径位于其长度的1/3至2/3之间。

4.根据前述权利要求中任一项所述的胀式螺纹接头，其特征在于，所述阳式端部（1）的第一表面（47）在所述第一榫舌（41）附近具有的直径大于在所述第一螺纹区域（21）附近的直径。

5.根据前述权利要求中任一项所述的胀式螺纹接头，其特征在于，所述金属与金属接触式密封通过在所述阳式端部的第一榫舌附近的鼓凸部分实现。

6.根据前述权利要求中任一项所述的胀式螺纹接头，其特征在于，在所述第一螺纹区域和第三螺纹区域侧上的所述大径向尺寸的区域（49）被限定在截锥形内表面和圆弧形外表面之间、圆弧形内表面和截锥形外表面之间、或者两个圆弧形表面之间。

7.根据前述权利要求中任一项所述的胀式螺纹接头，其特征在于，在所述第一榫舌和第二凹部侧上的所述小径向尺寸的区域（50）具有为零的径向尺寸。

8.根据前述权利要求中任一项所述的胀式螺纹接头，其特征在于，所述阳式端部（1）的第一表面（47）和/或所述阴式端部（2）的第二表面（48）在所述第一螺纹区域附近具有环形的凹槽（47e，48c）。

9.根据权利要求8所述的胀式螺纹接头，其特征在于，所述凹槽（47e，48c）具有的深度介于所述管形构件在通常区部上的厚度的6%至13%之间。

10.根据前述权利要求中任一项所述的胀式螺纹接头，其特征在于，所述第一螺纹区域（21）与第三螺纹区域（23）和/或所述第二螺纹区域（22）与第四螺纹区域（24）包括径向上自紧合的螺纹，优选地，呈燕尾形的径向上自紧合的螺纹。

11.根据前述权利要求中任一项所述的胀式螺纹接头，其特征在于，所述阳式端部（1）的第一表面（47）的长度介于所述管形构件在通常区部上的厚度的150%至175%之间，所述阴式端部（2）的第二表面（48）的长度介于所述管形构件在通常区部上的厚度的145%至170%之间，所述第二凹部（44）的长度介于所述管形构件在通常区部上的厚度的16%至24%之间。

12.根据前述权利要求中任一项所述的胀式螺纹接头，其特征在于，所述阳式端部（1）在所述环形空间的大径向尺寸的区域处的厚度介于所述管形构件在通常区部上的厚度的66%至76%之间，所述阳式端部（1）在所述环形空间的小径向尺寸的区域处的厚度介于所述管形构件在通常区部上的厚度的75%至85%之间，所述阴式端部（2）在所述环形空间的大径向尺寸的区域处的厚度介于所述管形构件在通常区部上的厚度的45%至55%之间。

13.根据前述权利要求中任一项所述的胀式螺纹接头，其特征在于，所述阳式端部（1）在所述第一榫舌和所述第二螺纹区域之间的厚度介于所述管形构件在通常区部上的厚度的50%至55%之间，所述阴式端部（2）在所述第二榫舌和所述第四螺纹区域之间的厚度介于所述管形构件在通常区部上的厚度的62%至76%之间。

14.根据前述权利要求中任一项所述的胀式螺纹接头，其特征在于，所述第一榫舌（41）和所述第一凹部（43）的径向尺寸介于所述管形构件在通常区部上的厚度的22%至27%之间，所述第二榫舌（42）的径向尺寸介于所述管形构件在通常区部上的厚度的10%至15%之间，所述第二凹部（44）的径向尺寸介于所述管形构件在通常区部上的厚度的10%至15%之间。

15.利用根据前述权利要求中任一项所述的螺纹接头实施密封螺纹接头的方法，其中，利用直径大于管形构件内径的膨胀球体使所述螺纹接头在塑性变形的范围内经受径向膨胀，所述膨胀球体在所述螺纹接头中轴向地移动，环形空间的尺寸确定成在径向膨胀时第一表面向第二表面进行径向移动，以便所述第一表面和所述第二表面在径向上产生干涉，而形成金属与金属式密封，同时允许所述环形空间的大径向尺寸的区域仍存在。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述第一表面朝所述第一榫舌的方向进行轴向移动，所述第一榫舌朝所述第二榫舌的方向倾转，以便所述第一榫舌的内表面与所述第二榫舌的外表面在径向上产生干涉，而形成金属与金属式密封。

17.根据权利要求15或16所述的方法，其特征在于，膨胀率大于15%，优选大于20%。

Images