CN103154420B - 进阶楔形螺纹连接及相关方法 - Google Patents

Abstract

一种螺纹连接，其包括带有第一销钉进阶和第二销钉进阶的销钉元件，销钉楔形螺纹配置在每个第一和第二销钉进阶上，并包括带有第一套管进阶和第二套管进阶的套管元件，套管楔形螺纹配置在每个第一和第二套管进阶上，其中第一和第二销钉进阶的轴向间距不同于第一和第二套管进阶的轴向间距。

Description

进阶楔形螺纹连接及相关方法

技术领域

本文中公开的实施方式通常涉及螺纹连接。更特别地，本文中公开的实施方式涉及两级进阶楔形螺纹连接及相关构成方法。

背景技术

套管接头、衬管、钻管和钻铤（统称为“管材”）常常应用于井的钻挖、加工和生产。例如套管接头，其可以安置在井筒上以稳定一种构造，以保护一种构造抵抗升高的井筒压力（例如超过构造压力的井筒压力）等。套管接头可以通过螺纹连接、焊接连接和其他的在现有技术中已知的连接以首尾相连的方式连接。连接可以这样设计，因此在连接的套管接头的内部之间形成密封，并且在套管接头的外壁和井筒的壁之间形成环形空间。该密封可能是，例如弹性体密封（例如O型环密封），靠近该连接形成的金属对金属的密封或者在现有技术中已知的类似的密封。在一些连接中，密封形成在内部和外部螺纹之间。具有该特征的连接据称带有“螺纹密封”。在本文中使用的“螺纹密封”指的是形成在套管元件的内螺纹和销钉元件的外螺纹的至少一部分之间的密封。

应当理解的是，本文中使用的一些术语是利用它们按照惯例的理解，例如当装配从高处放入到井孔（wellbore）的管道支线时，其中管接头沿着管形构件的中心轴在竖直位置连接。这样，术语“载荷齿面（loadflank）”表示一种螺纹侧壁表面，所述表面远离形成有螺纹的分别的销钉或套管元件的外部端，并且所述表面支撑悬垂在井孔中的下部管形构件的重量（即拉力载荷）。术语“入扣齿面”表示一种螺纹侧壁表面，所述表面朝向分别的销钉或套管元件的外部端，并且该表面支撑挤压以使得接头彼此相对的力，例如在接头最初组装的过程中上部管形构件的重量，或者例如施加来推动下部管形构件抵靠钻孔的底部的力（即挤压力）。术语套管的“面部”是从套管的螺纹朝向外的套管元件的端部，术语销钉的“鼻部”是从连接的螺纹朝向外的销钉元件的端部。在连接的组装上，销钉的鼻部扣入并经过套管的面部。

一般用于形成螺纹密封的一种螺纹是楔形纤维。在图1A和图1B中，显示了带有楔形螺纹的连接100。“楔形螺纹”的特点在于在销钉元件101和套管元件102上的相反的方向，螺纹的宽度（即在载荷齿面125及126和入扣齿面132及131之间的轴向间距）增加。楔形螺纹已经被广泛地公开了，例如颁发给Blose的美国专利编号RE30,647，颁发给Reeves的美国专利编号RE34,467，颁发给Ortloff的美国专利编号4,703,954和颁发给Mott的美国专利编号5,454,605，这些已经转让给本发明的受让人并通过引用并入本文中。

在销钉元件101上，朝向销钉元件101的远末端，销钉螺纹顶部122变窄，而套管螺纹顶部191变宽。沿着轴线105（从右到左）移动，销钉螺纹顶部122变宽，而套管螺纹顶部191变窄。螺纹沿着该连接在宽度上的变化率由通常所说的可变的“楔形率”限定。在本文中所使用的术语“楔形率”，不过在技术上不是比例，指的是入扣齿面导程（lead）和载荷齿面导程之间的差值，其促使螺纹的宽度沿着连接变化。此外，在本文中使用的螺纹“导程”指的是在连续的螺纹上的螺纹组件之间的差别距离。同样地，“扣入导程”是沿着连接的轴向长度在连续的螺距的入扣齿面之间的距离。在图1A和图1B中，螺纹表面是锥形的，意味着销钉螺纹106从头至尾直径增大，而套管螺纹107以互补的方式直径减小。带有的锥形螺纹改进了这样的能力，即将销钉元件101扣入到套管元件102中，并且在连接中分配了压力。

对于楔形螺纹，螺纹密封伴随有接触压力，该接触压力是由于在销钉载荷齿面126和套管载荷齿面125之间以及销钉入扣齿面132和套管入扣齿面131之间的至少一部分连接的过盈导致的，过盈在连接装配时产生。当螺纹密封出现在齿面过盈出现位置的至少一部分之上时，在根部192及121和顶部122及191之间的封闭邻近（closeproximity）或过盈完成螺纹密封。在销钉元件101和套管元件102上的根部和顶部之间增加的过盈（“根部/顶部过盈”）以及通过增加的齿面过盈可能包含有高压。该特别的连接也包括金属之间的密封，即通过分别位于销钉元件101和套管元件102的相应的密封面103和104之间的接触实现。

楔形螺纹通常在连接上不带有限位挡块力矩台肩，其性质为构成的“不确定性”，并且由此，对于施加的给定的力矩范围，与带有限位挡块力矩台肩的连接相比，连接销钉元件和套管元件的相对位置变化更大。作为本文中的应用，“组装”指的是销钉元件和套管元件螺纹连接在一起。最终的构造指的是销钉元件和套管元件螺纹连接在一起直到达到期望的力矩值，或者基于销钉元件和套管元件的（轴向的或周向的）相对位置。

对于这样的楔形螺纹，其设计的是在选择的构造中具有齿面过盈和根部/顶部过盈两者，齿面过盈和根部/顶部过盈两者在连接得到构造时增加（即力矩中的增大增加的齿面过盈和根部/顶部过盈）。对于设计为具有根部/顶部间隙的楔形螺纹，当连接得到构造时，间隙减小。不管楔形螺纹如何设计，相应的齿面和相应的根部和顶部在构造过程中彼此更靠近一些（即间隙减小或过盈减小）。

不确定的构造允许在连接上通过增加力矩来增大齿面过盈和根部/顶部过盈。这样，楔形螺纹或许能通过设计使得连接具有更多的齿面过盈和/或根部/顶部过盈或者通过增大在连接上的力矩来螺纹密封更高压的气体和/或液体；然而，这在构造过程中也增加了在连接上的应力，可能在使用时导致故障。

在构造之前，一般在螺纹连接的表面施加通常称为“管具涂料”的流体接缝化合物，以改进螺纹密封和在连接的构造过程中提供润滑。例如，管具涂料的基底（例如油脂）可以帮助楔形螺纹连接以获得其载荷齿面和入扣齿面之间的螺纹密封，例如在颁发给Reeves的美国专利编号RE34,467中所公开的。此外，管具涂料可以包含金属粒子添加剂，例如铜，以保护销钉和套管元件的螺纹，避免在构造和脱离过程中摩擦磨蚀。

当楔形螺纹连接构造时，过量的管具涂料可能被截留（而不是挤出）在啮合的销钉和套管螺纹之间，这可能导致错误的升高的力矩读数（导致不能完全构造或“变位（stand-off）”），或者在一些情况下，损害连接。由于管具涂料没有充分排空而导致的管变位对于楔形螺纹连接的结构完整性是有害的。因为在使用时，建立的压力可能被释放，连接存在使用过程中意外地回退的风险。因此，在楔形螺纹连接中的变位是特别关注的，因为它可能导致密封完整性的损失甚或两个连接元件机械分离。

图2显示了现有技术的两进阶连接150。形成连接螺纹分成两个不同的“进阶（step）”，通过括弧31表示的大进阶和通过括弧32表示的小进阶。在大进阶31和小进阶32之间的部分通常称为中进阶901。在一些连接中，中进阶901可以使用金属对金属的密封。销钉元件101的小进阶32上的销钉螺纹顶部222，在其完全的设计高度，在销钉元件101扣入套管元件102时，不会与在套管元件102的大进阶31上的套管螺纹顶部221过盈。销钉元件101的小进阶32的直径小于套管元件102的大进阶31上的最小的顶对顶螺纹直径。在小进阶32上的销钉螺纹106可以扣过在大进阶31上的套管螺纹107。在小进阶32和大进阶31二者上的螺纹，其大体上具有相同的标称导程，它们在每个螺旋啮合以构造连接。这样，对于相同数量的啮合的螺纹，螺纹彼此在其中滑动或摩擦的螺旋的数量减少了。两进阶连接允许每一进阶具有不同性质的螺纹，只要其中几乎没有或没有在两进阶上的螺纹的标称导程的变化。

两进阶楔形螺纹连接公开在颁发给Mallis的美国专利编号6,206,436中，并且转让给了本发明的受让人。该专利通过引用并入本文。Mallis公开的两进阶楔形螺纹连接带有不同的楔形率，其中一个认为是“进取的（aggressive）”楔形率，另一个认为是“保守的（conservative）”楔形率。“进取的”指的是较大的楔形率，“保守的”指的是较小的楔形率。其它都一样，楔形率越大构造越确定。过大的楔形率可能带有不充分的楔入效应，这可能导致连接在使用时回退。楔形率越小越能够更好地防止连接的回退。过小的楔形率可能具有这样不确定的构造，在延长的构造距离可能产生磨损。Mallis公开了两进阶中的一进阶可以具有为了更确定的构造优化的楔形率（进取型），而另一进阶可以具有为了防止连接的回退最优化的楔形率（保守型）。

图3A和图3B显示了在最终构造之前的现有的两进阶楔形螺纹连接200的横截面图。连接200包括在其上带有销钉楔形螺纹106的销钉元件201和在其上相应地带有套管楔形螺纹107的套管元件202。进一步地，连接200具有第一进阶31和第二进阶32，期间带有中部进阶区域901。如图所示，由距离‘B’指示的销钉元件201的两个楔形螺纹进阶31、32轴向间距大体上等于由距离‘A’指示的套管元件202的两个楔形螺纹进阶31、32的轴向间距。这样，在销钉元件201的第一进阶31上的销钉楔形螺纹106可以表征为与在套管元件202的第一进阶上的套管楔形螺纹107“同相（in-phase）”。同样地，在销钉元件201的第二进阶32上的销钉楔形螺纹106可以表征为与在套管元件202的第二进阶32上的套管楔形螺纹107“同相”。

在两进阶31、32上的相应的销钉和套管的螺纹是同相的，因此在构造过程中，在第一进阶31上位于邻近载荷齿面125、126之间的间隙137等于位于邻近入扣齿面131、132之间的间隙138。同样地，在第二进阶32上位于邻近载荷齿面127、128之间的间隙137等于位于邻近入扣齿面133、134之间的间隙138。这样，在第一进阶上的相应的载荷齿面125、126和入扣齿面131、132以及在第二进阶32上的相应的载荷齿面127、128和入扣齿面133、134将大体上同时接触（即在最终构造时）。图3C和图3D显示了在最终构造时的传统的两进阶楔形螺纹连接300。因为在第一进阶31上，相应的载荷齿面125、126和入扣齿面131、132与相应的载荷齿面127、128和入扣齿面133、134大体上同时接触，在所述面之间产生的过盈大体上是相同的。

本领域技术人员期望一种具有改进的构造和改进的脱离力矩特征的螺纹连接。

发明内容

一方面，本文公开的实施方式涉及一种螺纹连接，其包括带有第一销钉进阶和第二销钉进阶的销钉元件，销钉楔形螺纹配置在第一和第二销钉进阶的每一个上，并包括带有第一套管进阶和第二套管进阶的套管元件，套管楔形螺纹配置在第一和第二套管进阶的每一个上，其中第一和第二销钉进阶的轴向间距不同于第一和第二套管进阶的轴向间距。

另一方面，本文公开的实施方式涉及一种螺纹连接，其包括带有第一销钉进阶和第二销钉进阶的销钉元件，销钉楔形螺纹配置在第一和第二销钉进阶的每一个上，并包括带有第一套管进阶和第二套管进阶的套管元件，套管楔形螺纹配置在第一和第二套管进阶的每一个上，其中在第一和第二销钉进阶的至少一个上的销钉楔形螺纹与在第一和第二套管进阶的至少一个上的相应的套管楔形螺纹是轴向错位的。

在另一方面，本文公开的实施方式涉及一种组装螺纹连接的方法，该方法包括可旋转地啮合带有销钉楔形螺纹的销钉元件与带有相应的套管楔形螺纹的套管元件，其中销钉和套管楔形螺纹在销钉和套管元件的相应的第一和第二销钉和套管进阶上形成，并且在螺纹连接的组装过程中，在不同的时间啮合对立的销钉和套管扣入和载荷齿面。

附图说明

从下面的描述和附带的权利要求中，本发明的其他方面和优点将变得显而易见。

图1A和图1B显示了现有技术的带有楔形螺纹的连接的横截面图。

图2显示了现有技术的两进阶螺纹连接的横截面图。

图3A和图3B分别显示了现有技术的两进阶楔形螺纹连接在构造过程中的横截面图和上视图。

图3C和图3D分别显示了在图3A和图3B中的现有技术的两进阶楔形螺纹连接在最终构造时的横截面图和上视图。

图4A和图4B分别显示了根据本申请公开的一种或多种实施方式的在构造过程中的简化的阶对阶套管楔形螺纹连接的横截面图和上视图。

图4C和图4D分别显示了图4A和图4B的根据本申请公开的一种或多种实施方式的简化的进阶对进阶套管楔形螺纹连接在最终构造时的横截面图和上视图。

图5A和图5B分别显示了根据本申请公开的一种或多种实施方式的在构造过程中的简化的进阶对进阶销钉楔形螺纹连接的横截面图和上视图。

图5C和图5D分别显示了图5A和图5B的根据本申请公开的一种或多种实施方式的简化的进阶对进阶销钉楔形螺纹连接在最终构造时的横截面图和上视图。

图6显示了根据本申请公开的一种或多种实施方式的带有渐消的套管螺纹的两进阶楔形螺纹的横截面图。

具体实施方式

在一方面，本文中公开的实施方式涉及用于管形连接的螺纹。更特别地，本文中公开的实施方式涉及带有进阶（steptostep）楔形的两进阶连接，由此增加了在连接的最终构造时在对立的螺纹齿面之间产生的过盈。

图4A显示了根据本申请公开的一种或多种实施方式的阶对阶楔形的两进阶楔形螺纹连接300的横截面。连接300包括带有销钉楔形螺纹306的销钉元件301和相应地带有套管楔形螺纹307的套管元件302。销钉和套管楔形螺纹306、307可以构造为具有燕尾形轮廓。进一步地，每个销钉和套管元件301、302具有在其上形成的相应的第一进阶31和第二进阶32，且在相应的进阶31、32之间安置中部进阶区域901。

连接300这样构造，从而通过距离‘B’指示的销钉元件301的两个楔形螺纹进阶31、32的轴向间距与通过距离‘A’指示的套管元件302的两个楔形螺纹进阶31、32的轴向间距不同。另外说明的是，安置在销钉元件301的进阶31、32之间的中部进阶区域901的轴向长度可以与安置在套管元件302的进阶31、32之间的中部进阶区域901的轴向长度不同。这样，在销钉元件301的第一进阶31上的销钉楔形螺纹306可以表征为与在套管元件302的第一进阶31上相应的套管楔形螺纹307“不同相（out-of-phase）”。同样地，在销钉元件301的第二进阶31上的销钉楔形螺纹306可以表征为与在套管元件302的第二进阶32上相应的套管楔形螺纹307“不同相”。

如在本文中使用的，连接在进阶之间具有不同的轴向长度差，这可以称为阶对阶楔形。距离A和B可以从在销钉和套管元件的从第一进阶31到第二进阶32上任意固定的共轴的定位件测量。如在此显示的，在销钉和套管元件上的共轴的定位件是相应的销钉和套管螺纹齿面，但是本领域技术人员可以理解从其他定位件也可以测量距离。

在一些实施方式中，距离A（即套管元件302的两个楔形螺纹进阶31、32的轴向间距）可能稍微小于距离B（即销钉元件301的两个楔形螺纹段31、32的轴向间距）。在这种情况下，两进阶楔形螺纹连接300可以用术语“简化的套管阶对阶楔形螺纹连接”表示，因为距离A，即套管元件302的进阶31、32之间的轴向间距是减少的。如图所示，套管元件302的距离A从销钉元件301的适量的距离B（即x.xxx英寸）通过规定的量（即x.xxx英寸-.xxx英寸）减少。在一些实施方式中，在轴向间距中的差值（即.xxx英寸）可以大于零或者在大约0.0005英寸到大约0.015英寸的范围内。在另一些实施方式中，在轴向间距中的差值可能是大约0.003英寸。

现在参考图4B，其显示了根据本申请公开的一种或多种实施方式的在构造过程中在连接300的进阶31、32上啮合的楔形螺纹的上视图。因为套管元件302的进阶31、32之间的轴向间距减少了，在构造过程中，在两个进阶31、32上的相应的齿面可以在不同的时间啮合。在这个例子中，在进阶31上，相应的载荷齿面125、126可以在相应的入扣齿面131、132之前啮合，而在进阶32上，相应的入扣齿面133、134可以在相应的载荷齿面127、128之前啮合。

图4C和图4D分别显示了图4A和图4B的根据本申请公开的一种或多种实施方式的简化的阶对阶套管楔形螺纹连接300的最终的构造。在最终构造时，在第一进阶31上的载荷齿面125、126和入扣齿面131、132和在第二进阶32上的载荷齿面127、128和入扣齿面133、134啮合。然而，在啮合的扣入和载荷齿面之间的过盈量不同。这样，由于在销钉元件301和套管元件302的进阶31、32之间的轴向间距中的差异，在第一进阶31上，在载荷齿面125、126之间产生的过盈135（如图所示的交叠部分）比入扣齿面131、132之间产生的过盈更高，在第二进阶32上，在入扣齿面133、134之间产生的过盈137（如图所示的交叠部分）比载荷齿面127、128之间产生的过盈更高。在一些实施方式中，在进阶31上，载荷齿面125、126可以啮合，而入扣齿面131、132可能不会完全啮合或根本不啮合，而在进阶32上，入扣齿面133、134可以啮合，而载荷齿面127、128可能不会完全啮合或根本不啮合。

在一些带有简化的套管阶对阶连接的实施方式中，在中部进阶区域901可能形成中部密封，因为在位于进阶31、32之间的中部进阶区域901中的相应的销钉和套管元件的金属表面可以啮合以形成金属对金属中部密封。如图4C和图4D所示，由于在朝向外齿面（或另外说明的是，朝向远离中部进阶区域901的齿面）、即在进阶31上的载荷齿面125、126和在进阶32上的入扣齿面133、134，的过盈增加，力施加到中部进阶区域901，进一步促使中部密封的金属面由于在中部密封区域中的泊松效果（Poissoneffect）保持接触。本质上，由于简化的套管阶对阶楔形，在套管元件中产生的张力促使中间部分（中部进阶区域901）“颈向”向内（即径向向内移动）。同时，由于简化的销钉阶对阶楔形，在销钉元件中产生的压力促使中间部分（中部进阶区域）901“弯曲”向外（即径向向外移动）。这样，相应的套管元件的颈向向内的中间部分和销钉元件的弯曲向外的中间部分促使在销钉和套管元件的中部进阶区域901中的金属面之间的过盈增加（由于泊松效果）。

在简化的套管阶对阶楔形螺纹连接中的在第一进阶31上的载荷齿面125、126和在第二进阶32上的入扣齿面133、134中产生的轴向增加的过盈可能促使套管元件302的中部进阶区域901在最终构造时伸展，有效地在套管元件302预加张力。另外，销钉元件301的中部进阶区域901可能预压缩。通过带有预加载元件，即在构造之后预加张力的套管元件302和预压缩的销钉元件301，螺纹连接300可以能延缓中部密封增加的过盈的缩减，这是由于作用在螺纹支线（string）上的外部压缩或张力可能导致中部密封增加过盈。例如，在销钉元件的中部密封密封面中，作用在连接上的外部张力可以产生过盈接触应力的缩减。然而，销钉中部进阶区域的预压缩延缓所述外部张力的效果，因为预压缩需要首先在中部进阶区域反应之前由外部张力克服。同样地，在套管元件的中部密封密封面中，作用在连接上的外部压缩可以产生过盈接触应力的缩减。然而，套管中部进阶区域的预加张力延缓这样外部压缩的效果，因为预加张力需要首先在中部进阶区域反应之前由外部压缩克服。

楔形螺纹与燕尾型螺纹形状一起可以提供径向联锁效应，其在径向将销钉元件和套管元件锁定，并且通过内部或外部压力提供抵抗分离的抗力。另外，阶对阶楔形带来了备用的联锁机构。如果标准的楔形不能提供这样的联锁，则阶对阶楔形可以为内部或外部压力提供附加的阻力并防止销钉和套管元件在径向分离。总而言之，本文中公开的实施方式提供了一种连接，其从阶对阶楔形，为在中心部分901中的金属对金属密封实现了俘获效应，并且在单独的进阶中结合了燕尾型螺纹形状的联锁效应。此外，即使所述单独进阶的楔形螺纹碰巧失效了，（例如由于脱离产生的、或者涂料截留产生的，或者不充分的构造力矩产生的），可以仍然通过阶对阶楔形提供俘获或者联锁效应。在一些实施方式中，在连接中的内部压力支撑可以近似地在中部密封分布2/3到套管元件厚度，并且近似地分布1/3到阶对阶楔形的联锁效应。

现在参考图6，其中显示了根据本申请公开的一种或多种实施方式的带有阶对阶楔形以及中部密封的两进阶楔形螺纹连接600的横截面图。销钉元件601和套管元件602带有啮合的相应的进阶31、32，因此（销钉元件601的）密封面603和（套管元件602的）604啮合。密封面603、604通过金属对金属过盈在装配中建立。在连接600的完全构造上，阶对阶楔形的啮合可以在接触密封面603、604中引起附加的径向位置过盈（即“增加过盈”的效果）。除此之外，由于阶对阶楔形可以延缓泊松效果，（即颈向向内和弯曲向外的机构）有压缩或者张力载荷作用于连接（即通过管道支线传输的力），这可以产生销钉和套管元件的预加载。螺纹连接600的密封压力保留特性涉及密封面603、604的能力，即在连接的径向偏差出现时从内部压力或外部压力保持彼此接触。从阶对阶楔形的联锁效果使得该实施方式的密封保持带有锁定或俘获在中部密封的效果，从而防止面603和604之间的表面接触脱离。该锁定效果促使两个面603和604一起偏移。

构造简化的套管阶对阶连接的方法包括将销钉元件301的销钉楔形螺纹306与套管元件302的相应的套管楔形螺纹307啮合。在构造过程中，在进阶31上，相应的载荷齿面125、126可以在相应的入扣齿面131、132之前啮合，而在进阶32上，相应的入扣齿面133、134可以在相应的载荷齿面127、128之前啮合。在连接构造的延续过程中，在第一进阶31上的载荷齿面125、126和入扣齿面133、134之间的过盈增加直到最终构造。在最终构造时，在第一进阶31上的入扣齿面131、132和在第二进阶32上的载荷齿面127、128也啮合。这样，在最终构造时，在载荷齿面125、126之间产生的过盈135比入扣齿面131、132之间产生的过盈更高，而在第二进阶32上，在入扣齿面133、134之间产生的过盈137比载荷齿面127、128之间产生的过盈更高。

现在参考图5A，其中显示了根据本申请公开的一种或多种实施方式的带有阶对阶楔形的两进阶楔形螺纹连接400的横截面。连接400包括在其上带有销钉楔形螺纹406的销钉元件401和在其上相应地带有套管楔形螺纹407的套管元件402。此外，每个销钉元件401和套管元件402在其上形成有相应的第一进阶31和第二进阶32。中部进阶区域901坐落在相应的进阶31、32之间。

连接400这样构造，因此距离B（即销钉元件401的两个楔形螺纹进阶31、32的轴向间距）可能稍微小于距离A（即套管元件402的两个楔形螺纹段31、32的轴向间距）。在这种情况下，两进阶楔形螺纹连接可以用术语“简化的销钉阶对阶楔形螺纹连接”表示，因为距离B，即销钉元件401的进阶31、32之间的轴向间距是减少的。如图所示，销钉元件401的距离B从套管元件402的规定量的距离A（即x.xxx英寸）通过规定的量（即x.xxx英寸-.xxx英寸）减少。在一些实施方式中，在轴向间距中的差值（即.xxx英寸）可以在大约0.0005英寸到大约0.015英寸的范围内。在另一些实施方式中，在轴向间距中的差值可能是大约0.003英寸。

现在参考图5B，其显示了根据本申请公开的一种或多种实施方式的在构造过程中在连接400的进阶31、32上啮合的楔形螺纹的上视图。因为销钉元件401的进阶31、32之间的轴向间距减少了，在构造过程中，在两个进阶31、32上的相应的齿面可以在不同的时间啮合。在这个例子中，在进阶31上，相应的入扣齿面131、132可以在相应的载荷齿面125、126之前啮合，而在进阶32上，相应的载荷齿面127、128可以在相应的入扣齿面133、134之前啮合。

图5C和图5D显示了根据本申请公开的一种或多种实施方式的简化的销钉阶对阶楔形螺纹连接400的最终的构造。在最终构造时，在第一进阶31上的载荷齿面125、126和入扣齿面131、132与在第二进阶32上的载荷齿面127、128和入扣齿面133、134啮合。然而，在啮合的扣入和载荷齿面之间的过盈量不同。由于在销钉元件401和套管元件402的进阶31、32之间的轴向间距中的差异，在第一进阶31上，在入扣齿面131、132之间产生的过盈135（如图所示的交叠部分）比载荷齿面125、126之间产生的过盈更高，而在第二进阶32上，在载荷齿面127、128之间产生的过盈137（如图所示的交叠部分）比入扣齿面133、134之间产生的过盈更高。在一些实施方式中，在进阶31上，入扣齿面131、132可以啮合，而载荷齿面125、126可能不会完全啮合或根本不啮合，而在进阶32上，载荷齿面127、128可以啮合，而入扣齿面133、134可能不会完全啮合或根本不啮合。

构造简化的销钉阶对阶连接的方法包括将销钉元件401的销钉楔形螺纹406与套管元件402的相应的套管楔形螺纹407啮合。在构造过程中，在进阶31上，相应的入扣齿面131、132可以在相应的载荷齿面125、126之前啮合，而在进阶32上，相应的载荷齿面127、128可以在相应的入扣齿面133、134之前啮合。在连接构造的延续过程中，在第一进阶31上的入扣齿面131、132和在第二进阶32上的载荷齿面127、128之间的过盈增加直到最终构造。在最终构造时，在第一进阶31上的载荷齿面125、126和在第二进阶32上的入扣齿面133、134也啮合。这样，在最终构造时，在第一进阶31上，入扣齿面131、132之间产生的过盈135比载荷齿面125、126之间产生的过盈更高，而在第二进阶32上，在载荷齿面127、128之间产生的过盈137比在入扣齿面133、134之间产生的过盈更高。

在本文公开的一个或多个实施方式中，螺纹连接可以是两进阶楔形螺纹连接，其在两进阶上都带有标准的楔形，即在两进阶31、32上都设有的螺纹具有大体上相同的楔形率。在其他的实施方式中，螺纹连接可以包括在第一进阶31上设置的带有第一楔形率的螺纹导程和在第二进阶32上设置的带有第二楔形率的螺纹导程（即各个进阶上的楔形率不同）。如前所示，其中一个楔形率可以认为是“进取的”楔形率，另一个认为是“保守的”楔形率（“进取的”楔形率指的是较大的楔形率，“保守的”楔形率指的是较小的楔形率）。在本文公开的一个或多个实施方式中，在一进阶上的螺纹导程可以具有的进取的楔形率在每螺旋大约0.035至0.045英寸之间，而在另一进阶上的螺纹导程可以具有的保持的楔形率在每螺旋大约0.003至0.010英寸之间。在本文公开的一个或多个实施方式中，在一进阶上的螺纹导程可以具有的进取的楔形率为每螺旋大约0.019英寸之间，而在另一进阶上的螺纹导程可以具有的保持的楔形率在每螺旋大约0.011英寸之间。

另外，在螺纹连接的进阶31、32上的楔形螺纹可以具有结合在相应的根部和顶部之间的多种不同的间隙/过盈。例如，在一些实施方式中，在一个或两个进阶31、32上的螺纹可以在最终构造时带有根部/顶部间隙。在另一些实施方式中，在一个或两个进阶31、32上的螺纹可以在最终构造时带有根部/顶部过盈。再进一步地，在一些实施方式中，在第一进阶31上的螺纹可以带有根部/顶部间隙，而在第二进阶32上的螺纹带有根部/顶部过盈，或者反过来也如此。更进一步，在一些实施方式中，在第一进阶31和第二进阶32上的螺纹可以是在临近的螺纹中带有交替地根部/顶部间隙和过盈。

在一些实施方式中，螺纹连接可以包括如图6所示的渐消的螺纹形式。图6显示了带有阶对阶楔形的两进阶楔形螺纹连接700的横截面图。如图所示，销钉元件701和套管元件702具有相应的进阶31和32，其上带有销钉和套管螺纹706、707，在进阶之间有中部进阶区域901。进一步地，套管螺纹707具有螺纹高度，其沿着从套管元件702的末端离开的螺纹的轴向长度减少。由于逐渐缩小的螺纹高度，套管螺纹707可以称为渐消螺纹形式。

如在本文中所使用的，“渐消”螺纹可以限定为套管螺纹而不是“理想的”完整形成螺纹，其在螺纹锥形贯穿管体表面时逐渐消失。因此，“渐消”螺纹的顶部缩短，这样在相互配合元件的螺纹顶部和螺纹根部之间留下径向间隙。“渐消”螺纹构思可以在施加到完全的管体壁厚的零件时提高整体连接的张力和压缩性能。其关注的不是完全的管体壁厚度区段存在于平头管子区域或者在陷型的管体区域，而是只要区域外径（OD）由（未加工的）管体表面组成和区域内径（ID）由（未加工的）管体表面组成。

在螺纹连接中，在螺纹根部消除螺纹载荷侧面的张力临界区。在“理想的”完整形成螺纹贯穿管体表面时，临界区是管体内部和外部表面减去“理想的”完整形成螺纹的深度的函数。当螺纹实现“消失”在管体表面中时，带有小于全螺纹高度的螺纹贯穿到管体表面。小于与配合元件完全啮合的载荷齿面可以传递施加到连接的完整的张力负荷。在一些实施方式中，大约30%-70%的螺纹载荷齿面啮合可以传递完整的张力负荷。因此，连接临界区区域可以利用“渐消”螺纹显著地增加。对于楔形螺纹，在螺纹顶部的螺纹入扣齿面消除压缩能力。因此，如果螺纹形式在完全的管体壁厚度的区域贯穿管体表面，不管是“理想的”螺纹形式高度或仅仅部分地为“渐消”螺纹，连接的压缩能力与管体的相等。

本文中公开的关于阶对阶楔形螺纹连接的实施方式带有多个优点。首先，本文公开的实施方式阐述了涂料化合物滞留在楔形螺纹内，这在较大直径楔形产品中是固有问题，随之而来的是由于螺纹润滑剂压力随时间、载荷或温度减小而经受的低脱离力矩。即使个别楔形滞留涂料化合物，在连接的两进阶之间产生的实质上的楔入效应仍然足够提供所需的脱离力矩阻力。这样，滞留的涂料通过阶对阶楔形容纳，因此对于螺纹连接的结构完整性不再产生伤害。

其次，本文公开的实施方式阐述了制造限制规定与螺纹加工的联系。通常，切入管形的螺纹利用大体上恒定的螺纹导程（包括载荷导程和扣入导程），然而，在制造工艺过程中，在螺纹导程中出现了一些变化，所述工艺通常包括利用碾磨机或车床加工。在加工过程中，在螺纹导程中的变化表示在螺纹导程中产生了稍微的周期性变化，高于和低于螺纹导程的预定值。该现象通常称为“螺纹导程周期（threaddrunkenness）”。螺纹导程周期的敏感性可以确定为在螺纹齿面和楔形螺纹本身的宽度中的变化或“起伏”的幅度率。以前，楔形螺纹的宽度正好是对立的螺纹齿面本身之间的距离（即对立的扣入和载荷齿面之间的距离）。替代地，本文中公开的实施方式用跨越对立的扣入和载荷齿面的进阶的距离重建楔形的宽度，从而增加了楔形的宽度。这有效地减小了螺纹导程周期的敏感性，从而减少或除去了之前的由螺纹加工操作导致的制造限制规定。

更进一步地，本文中公开的实施方式允许螺纹连接经历多次构造和脱离而不会损失保留在楔形螺纹中的能量。由于在横贯两个进阶时产生了楔入效应，可以在大范围内产生较高的弹簧效果。这允许连接更好地保存能量并允许在多个应用里在楔形中增加保留的能量。弹簧效果也在连接的构造过程中减少了磨损螺纹表面的机会。

已经根据有限数量的实施方式描述了本申请公开的内容，受益于该公开的内容的本领域技术人员将领会到，在不脱离本文描述的本申请公开的范围的情况下也可以做出其他的实施方式。因此，公开的范围应当仅仅由附带的权利要求所限定。

Claims (23)

1.一种螺纹连接结构，该螺纹连接结构包括：

销钉元件，该销钉元件包括第一销钉进阶和第二销钉进阶，和配置在每个第一和第二销钉进阶上的销钉楔形螺纹；和

套管元件，该套管元件包括第一套管进阶和第二套管进阶，和配置在每个第一和第二套管进阶上的套管楔形螺纹；

其中第一和第二销钉进阶的轴向间距不同于第一和第二套管进阶的轴向间距。

2.根据权利要求1所述的螺纹连接结构，其中第一和第二套管进阶的轴向间距小于第一和第二销钉进阶的轴向间距。

3.根据权利要求2所述的螺纹连接结构，还包括：

在相应第一销钉和套管进阶上的相应入扣齿面和载荷齿面，其中相应的载荷齿面构造为在相应第一销钉和套管进阶上的相应入扣齿面啮合之前啮合；和

在相应第二销钉和套管进阶上的相应入扣齿面和载荷齿面，其中相应的入扣齿面构造为在相应第二销钉和套管进阶上的相应载荷齿面啮合之前啮合。

4.根据权利要求1所述的螺纹连接结构，其中第一和第二销钉进阶的轴向间距小于第一和第二套管进阶的轴向间距。

5.根据权利要求4所述的螺纹连接结构，还包括：

在相应第一销钉和套管进阶上的相应入扣齿面和载荷齿面，其中相应的入扣齿面构造为在相应第一销钉和套管进阶上的相应载荷齿面啮合之前啮合；和

在相应第二销钉和套管进阶上的相应入扣齿面和载荷齿面，其中相应的载荷齿面构造为在相应第二销钉和套管进阶上的相应入扣齿面啮合之前啮合。

6.根据权利要求1所述的螺纹连接结构，还包括配置在第一和第二销钉和套管进阶之间的无螺纹中部进阶区域。

7.根据权利要求6所述的螺纹连接结构，还包括配置在第一和第二销钉和套管进阶之间的金属对金属中部密封。

8.根据权利要求1所述的螺纹连接结构，其中在第一进阶上的相应销钉和套管楔形螺纹具有第一楔形率，以及在第二进阶上的相应销钉和套管楔形螺纹具有第二楔形率。

9.根据权利要求8所述的螺纹连接结构，其中在第一进阶上的相应销钉和套管楔形螺纹在第二进阶上的相应销钉和套管楔形螺纹啮合之前啮合。

10.根据权利要求8所述的螺纹连接结构，其中在第一进阶上的相应销钉和套管楔形螺纹在第二进阶上的相应销钉和套管楔形螺纹啮合之后啮合。

11.根据权利要求8所述的螺纹连接结构，其中在第一进阶上的相应销钉和套管楔形螺纹与在第二进阶上的相应销钉和套管楔形螺纹同时啮合。

12.根据权利要求1所述的螺纹连接结构，其中第一和第二销钉进阶的轴向间距与第一和第二套管进阶的轴向间距相差大约0.0005英寸至大约0.015英寸。

13.根据权利要求1所述的螺纹连接结构，其中第一和第二销钉进阶的轴向间距与第一和第二套管进阶的轴向间距相差大约0.002至大约0.005英寸。

14.根据权利要求1所述的螺纹连接结构，其中第一和第二销钉进阶的轴向间距与第一和第二套管进阶的轴向间距相差大约0.003英寸。

15.根据权利要求1所述的螺纹连接结构，其中第一和第二销钉进阶的轴向间距与第一和第二套管进阶的轴向间距相差大约为管外径的0.0005倍。

16.根据权利要求1所述的螺纹连接结构，其中销钉和套管楔形螺纹包括一般的燕尾形横截面。

17.根据权利要求1所述的螺纹连接结构，其中在最终组装时，在相应第一和第二销钉和套管进阶两者上的销钉和套管楔形螺纹的根部和顶部之间存在有间隙。

18.根据权利要求1所述的螺纹连接结构，其中在最终组装时，在相应第一和第二销钉和套管进阶两者上的销钉和套管楔形螺纹的根部和顶部之间存在有过盈。

19.根据权利要求1所述的螺纹连接结构，其中在最终组装时，在相应第一销钉和套管进阶上的销钉和套管楔形螺纹的根部和顶部之间存在有间隙，并且在相应第二销钉和套管进阶上的销钉和套管楔形螺纹的根部和顶部之间存在有过盈。

20.根据权利要求1所述的螺纹连接结构，其中在最终组装时，在相应第一销钉和套管进阶上的销钉和套管楔形螺纹的根部和顶部之间存在有过盈，并且在相应第二销钉和套管进阶上的销钉和套管楔形螺纹的根部和顶部之间存在有间隙。

21.根据权利要求1所述的螺纹连接结构，其中销钉楔形螺纹和套管楔形螺纹在销钉楔形螺纹和套管楔形螺纹的全部或部分的螺纹根部和顶部过盈。

22.根据权利要求1所述的螺纹连接结构，其中销钉楔形螺纹和套管楔形螺纹在第一相应套管和销钉进阶上的螺纹根部和在第二相应套管和销钉进阶上的螺纹顶部过盈，其中在第二相应套管和销钉进阶上的螺纹根部和在第一相应套管和销钉进阶的螺纹顶部之间存在有径向间隙。

23.根据权利要求1所述的螺纹连接结构，还包括在套管元件上渐消的套管螺纹，其中套管螺纹的螺纹高度沿着套管螺纹的轴向长度减少。