CN103216197A - 快旋式石油钻杆接头螺纹强化结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快旋式石油钻杆接头螺纹强化结构，它设在钻杆接头两端的锥度内螺纹和锥度外螺纹中。同旋向的三头螺纹实现快旋连接，规格相同的螺纹牙型一致，梯形牙型左侧斜面为承载侧，右侧曲面为导入侧，两侧采用较大半径值的圆弧过渡形成牙底。圆弧连接结构减少应力集中，对螺纹有显著强化作用。牙型的导入侧采用曲面结构，该曲面结构是本发明的重要结构特征，曲面是一种台肩式强化结构，提高螺纹抗扭能力。本发明针对石油钻杆接头高抗扭要求，优化了螺纹的几何形状和尺寸，一方面使螺纹得到进一步强化，另一方面将承载的载荷均匀分到各牙上，避免锥度内螺纹胀扣及锥度外螺纹发生疲劳裂纹的问题，其结果直接提高钻井效率和安全性。

Description

快旋式石油钻杆接头螺纹强化结构

技术领域

本发明涉及一种螺纹连接强化结构，具体地讲，本发明涉及一种快旋式石油钻杆接头螺纹强化结构。

背景技术

长期以来，国际上通用的石油钻杆接头主要按API7-2标准制造。上世纪20年代，API组织规定钻杆接头的螺纹牙型为V-0.65，此种V型螺纹的牙顶和牙底都是平的，牙顶和牙衣宽都是1.651mm，平牙底和牙承载面的过渡角半径r=0.381mm。此种呈尖角过渡结构存在较大应力集中，钻杆接头在钻井过程中承受扭矩时，尖角处极易出现疲劳裂纹，甚至发生断裂事故。针对上述现实问题，API组织在上世纪60年代又作了一次钻杆接头螺纹牙型改进设计，将牙底和牙承载面的过渡角改为半径r=0.965mm的圆角，此项改进主要消除尖角，降低应力集中，使得钻杆接头使用寿命成倍增长。这种改进后的钻杆接头螺纹被行业誉为数字型螺纹，因数字型螺纹仍保持原有牙型，可以与同规格的V-0.065螺纹配合。随着钻探技术的进步，石油钻井深度已达数千米，对石油钻杆接头连接效率、承载能力和抗扭能力都提出更高要求。但是，现有技术的数字型螺纹承载能力不均，大部分载荷由外螺纹接头最后啮合区螺纹牙承载，其中第一牙承载大约占总载荷的30%右右，石油钻杆接头的疲劳裂纹多数产生在螺纹最后啮合区的螺纹牙根部。按API标准制造的石油钻杆接头内螺纹的后端是内斜面，配套的外螺纹前端是一个外斜面，螺纹上只有一个抗扭台肩。而内螺纹接头的前端面和外螺纹接头的后端面抗扭强度低。按照API标准设计的钻杆接头抗扭强度一般为管体的80%，因此，上述石油钻杆接头在钻井过程中，在大扭矩工况时会发生内螺纹胀扣及外螺纹断裂等失效事故。另外，当今石油钻井深度已达3000～6000米，甚至更深。一根钻杆长8～10米，仅石油钻杆接头螺纹连接就需要300～750次，用工约2～3天。若每个石油钻杆接头组装时额外增加1分钟，则又多用工5～12小时，总的来说，现有技术的石油钻杆接头用于石油钻井作业耗用人工多，设备占用时间长，导致石油钻井成本增加。

发明内容

本发明主要针对现有技术的石油钻杆接头螺纹结构不合理问题，提出一种螺纹结构合理、简单，连接可靠，旋紧效率高，抗扭能力强的快旋式石油钻杆接头螺纹强化结构。

本发明通过下述技术方案实现技术目标。

快旋式石油钻杆接头螺纹强化结构，它设在钻杆接头两端的锥度内螺纹和锥度外螺纹中。其改进之处在于：所述锥度内螺纹和锥度外螺纹规格相同，均是三头同旋向的螺纹，在同一横截面上每头螺纹之间相距120⁰。锥度内螺纹和锥度外螺纹的牙型相同，轴向截面形状为梯形，左侧斜面为承载侧，右侧曲面为导入侧，牙底呈圆弧形，牙顶两端分别以半径r圆弧过渡到承载侧和导入侧，承载侧和导入侧相对垂直线的夹角相等。

上述结构中，锥度内螺纹的牙底左端以半径R₁圆弧连接承载侧，右端以半径R₂圆弧连接导入侧；锥度外螺纹的牙底左端以半径R₂圆弧连接导入侧，右端以半径R₁圆弧连接承载侧。锥度内螺纹和锥度外螺纹右侧曲面的拐点至牙顶垂直距离bs=2.039mm，拐点与牙底的连接面为斜面，斜面与垂直线相差角度as=5⁰～10⁰。锥度内螺纹和锥度外螺纹的锥度为5：48～1：16，承载侧和导入侧相对垂直线的夹角α=30⁰±0.5⁰。牙底的圆弧R₁=1.02～1.52，R₂=0.714～1.01，牙顶两端的圆弧半径r=0.381～0.635。

本发明与现有技术相比，具有以下积极效果：

1、在相同规格前提下，三头螺纹比单头螺纹的导程大，旋转超半圈就实现旋紧，此种快旋结构减少辅助工时，提高了钻井施工效率；

2、牙底采用圆弧结构，大大减少应力集中，此强化结构大大提高螺纹抗扭能力；

3、通过改变螺纹的几何形状和尺寸，使锥度内螺纹和锥度外螺纹得到强化，再加上承载的载荷均匀分在各牙上，减少螺纹疲劳裂纹发生机率，提高石油钻杆接头的使用寿命。

附图说明

图1是本发明中锥度内螺纹和锥度外螺纹的牙型结构放大示意图。

图2是本发明结构示意图。

图3是图1设有锥度内螺纹一端局部示意图。

图4是图1设有锥度外螺纹一端局部示意图。

具体实施方式

下面根据附图并结合实施例，对本发明作进一步说明。

    实施例1

快旋式石油钻杆接头螺纹强化结构如图1、如图2所示，它设在石油钻杆接头两端的锥度内螺纹1和锥度外螺纹2中。所述锥度内螺纹1和锥度外螺纹2规格相同，本实施例为JST55石油钻杆接头，锥度为1：16，两端分别设有三头同旋向的螺纹，在同一横截面上每头螺纹之间相距120⁰。在相同规格前提下，三头螺纹比单头或双头螺纹的导程大，本实施例只要旋0.58转就能实现相连接钻杆的旋紧，此种快旋结构简单，制作容易，连接快捷、可靠，显著提高了钻井效率。锥度内螺纹1和锥度外螺纹2的牙型相同，轴向截面形状为梯形，左侧斜面为承载侧，右侧曲面为导入侧，牙底采用圆弧形设计，通过圆弧过渡减少应力集中，有利于提高螺纹抗扭能力。本实施例中锥度内螺纹1的牙底左端以半径R₁=1.27mm圆弧过渡连接承载侧，右端以半径R₂=0.8636mm圆弧连接导入侧。锥度外螺纹2的牙底左端以半径R₂=0.8636mm圆弧过渡连接导入侧，右端以半径R₁=1.27mm圆弧连接承载侧。锥度内螺纹1和锥度外螺纹2的牙顶为平面，牙顶两端分别以半径r=0.381mm圆弧过渡到承载侧和导入侧。牙顶、承载侧、导入侧和牙底组成一个完整的梯形牙型，承载侧和导入侧相对垂直线的夹角α相等，本实施例中α=30⁰。锥度内螺纹1和锥度外螺纹2的导入侧采用曲面设计，它是本发明中的重要结构特征。导入侧曲面结构是一种台肩式强化结构，提高螺纹抗扭能力，不会发生塑性变形，载荷在各圈螺纹齿面上的接近等载荷分布，螺纹连接的峰值应力大大减小，提高了连接强度及密封性能，本实施例中曲面的拐点至牙顶垂直距离bs=2.039mm，拐点与牙底的连接面为斜面，斜面与垂直线相差角度as=5⁰。本发明针对石油钻杆接头高抗扭要求，通过上述技术改进，优化了螺纹的几何形状和尺寸，使锥度内螺纹1和锥度外螺纹2得到强化，再加上承载的载荷均匀分到各牙上，避免部分螺纹牙超负荷承载，应用中不会发生锥度内螺纹1胀扣，以及锥度外螺纹2发生疲劳裂纹的问题，其结果直接提高钻井效率和安全性。

实施例2

本实施例规格为JST39石油钻杆接头，尽管规格小于实施例1，但两者结构完全相同，其中仅结构参数有所调整，具体参数见实施例主要结构参数表。本实施例应用技术效果同实施例1相似，为了节省篇幅，故不复述。

实施例主要结构参数表：

Claims (7)

1.一种快旋式石油钻杆接头螺纹强化结构，它设在钻杆接头两端的锥度内螺纹（1）和锥度外螺纹（2）中；其特征在于：所述锥度内螺纹（1）和锥度外螺纹（2）规格相同，均是三头同旋向的螺纹，在同一横截面上每头螺纹之间相距120⁰；锥度内螺纹（1）和锥度外螺纹（2）的牙型相同，轴向截面形状为梯形，左侧斜面为承载侧，右侧曲面为导入侧，牙底呈圆弧形，牙顶两端分别以半径r圆弧过渡到承载侧和导入侧，承载侧和导入侧相对垂直线的夹角相等。

2.根据权利要求1所述的快旋式石油钻杆接头螺纹强化结构，其特征在于：所述锥度内螺纹（1）的牙底左端以半径R₁圆弧连接承载侧，右端以半径R₂圆弧连接导入侧；锥度外螺纹（2）的牙底左端以半径R₂圆弧连接导入侧，右端以半径R₁圆弧连接承载侧。

3.根据权利要求1所述的快旋式石油钻杆接头螺纹强化结构，其特征在于：所述锥度内螺纹（1）和锥度外螺纹（2）右侧曲面的拐点至牙顶垂直距离bs=2.039mm，拐点与牙底的连接面为斜面，斜面与垂直线相差角度as=5⁰～10⁰。

4.根据权利要求1所述的快旋式石油钻杆接头螺纹强化结构，其特征在于：所述锥度内螺纹（1）和锥度外螺纹（2）的锥度为5：48～1：16。

5.根据权利要求1所述的快旋式石油钻杆接头螺纹强化结构，其特征在于：所述锥度内螺纹（1）和锥度外螺纹（2）的承载侧和导入侧相对垂直线的夹角α=30⁰±0.5⁰。

6.根据权利要求1所述的快旋式石油钻杆接头螺纹强化结构，其特征在于：所述圆弧R₁=1.02～1.52，R₂=0.714～1.01。

7.根据权利要求1所述的快旋式石油钻杆接头螺纹强化结构，其特征在于：所述圆弧r=0.381～0.635mm。

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