CN103392052B - 抗卡住的钻柱部件 - Google Patents

Abstract

本发明的实现方式包括钻柱部件，其具有围绕本体延伸的螺纹。所述螺纹的前端可具有抗卡住和错扣的构型。具体地说，所述螺纹的所述前端可包括垂直于所述本体的平坦表面。所述螺纹的所述前端可提供到全螺纹深度的陡然转变，所述陡然转变有助于减少或消除错扣。所述螺纹的前端可被定向为相对于所述钻柱部件的轴线成角度。当配合的公螺纹和母螺纹被类似地构造时，所述配合螺纹沿螺纹头面处的界面一起滑动，并且被拧入完全螺纹联接的情况。所述螺纹头可具有全周长配合而无卡住位置。

Description

抗卡住的钻柱部件

发明背景

1.发明领域

本发明的实现方式总体上涉及用于钻井的部件和系统。具体地说，本发明的实现方式涉及在上紧期间抗卡住的钻井部件。

2.相关技术

螺纹连接早已被人所熟知，并且螺纹提供的显著优点是在于，螺纹的螺旋结构可以将旋转的运动和力转换为直线的运动和力。螺纹存在于许多类型的元件上，并且可用于无限的应用和行业之中。举例来说，螺纹对于螺钉、螺栓、以及其它类型的机械紧固件来说是必要的，所述螺纹可接合表面（例如，在螺钉的情况下）或用于与螺帽连接（例如，在螺栓的情况下），以便将多个元件保持在一起、向元件施加力、或用于其它适合的目的。拧螺纹在其中元件被机械地紧固到一起的几乎任何行业中也是常见的。举例来说，在管道应用中，管子被用来在压力下输送液体或气体。管子可具有与毗连的管子、插头、适配器、连接件、或其它结构的相应的螺纹配合的螺纹端。螺纹可用于形成液密的密封件以便防止在连接部位处的流体泄漏。

油田、勘探、以及其它钻井技术也广泛使用螺纹。举例来说，当挖井时，套管元件可被放置在井内。套管通常具有固定的长度，并且多个套管是彼此固定的，以便产生所需高度的套管。可将套管通过在其相反的两端使用螺纹而连接在一起。类似地，由于钻井元件被用来产生井或在井内部放置物体，因此可以使用钻杆或其它类似装置。在井的深度为足够大的地方，多个钻杆可被连接到一起，这可通过在钻杆相反的两端使用配合螺纹而变得容易。通常，钻杆和套管是非常大的，并且为了将杆或套管拧在一起，机器要施加较大的力。

已做出了重大努力来使螺纹标准化，并且已制定多种螺纹标准来允许不同的制造商生产可互换零件。举例来说，示例性标准化方案包括统一螺纹标准(UTS)、英国标准惠氏螺纹(BSW)、英国标准圆锥管螺纹(BSPT)、国家管螺纹锥形螺纹(NPT)、国际标准化组织(ISO)公制螺纹、美国石油协会(API)螺纹、以及为数众多的其它螺纹标准化方案。

在当不同制造商的部件被匹配到一起时标准化已允许更大的可预测性和互换性的同时，标准化还已减少了螺纹设计的革新量。反而，可使用现有的横截面形状（或螺纹牙型）以及螺纹导程、螺距和螺纹头数的不同组合来产生螺纹。具体地说，导程是指沿覆盖在一个完整旋转中的轴线的直线距离。螺距是指从一条螺纹的牙顶到相邻的螺纹的牙顶的距离，并且螺纹头是指缠绕在螺纹紧固件圆筒上的螺纹头数或脊。单头连接件是最常见的，并且其包括缠绕在紧固件本体上的单脊。双头连接件包括缠绕在紧固件本体上的两条脊。每英寸螺纹数也是螺纹规格要素，但与螺纹导程、螺距和螺纹头直接相关。

虽然现有的螺纹和螺纹牙型适合于许多应用，但需要在其它领域持续改进。举例来说，在高扭矩、大功率、和/或高速的应用中，现有的螺纹设计固有地易于发生卡住。卡住是螺纹头与配合螺纹之间的异常的相互作用，这使得在单圈的路线中，一条螺纹部分地行进低于另一条螺纹，从而成为与其楔入的。卡住可在螺纹连接件逐渐成锥形的位置上尤其常见。

在锥形螺纹中，公部件和母部件相反的两端可以为不同尺寸。举例来说，公螺纹部件可以逐渐成锥形并且随着与末端的距离的增加而逐渐增加尺寸。为了适应增加的尺寸，母螺纹在末端处可更大。锥形螺纹尺寸的不同还使得锥形螺纹尤其易于发生卡住，所述卡住也被称为错扣。锥形螺纹或其它螺纹中的错扣可导致螺纹和/或包括螺纹的部件的显著损坏。螺纹的损坏可要求螺纹部件的更换、导致减弱的连接、降低部件之间的密封件的液密特性、或具有其它效应或前述的任何组合。

例如，尾型螺纹头具有有接合锥度的牙顶。如果公部件和母部件一起移动而不旋转，那么尾部牙顶可楔到一起。如果旋转，那么当基于尾部的相对对准而进给时，尾部牙顶还是会楔入。具体地说，由于螺纹尾部通常约为圆周长度的一半，并且由于螺纹具有接合锥度，所以各自的公部件和母部件存在小于一半的圆周，从而提供用于拧入而无楔入的旋转定位。在其中较大的进给力和旋转力被用来配合相应的部件的应用中，这种定位要求可能特别难以获得。举例来说，在钻井行业中，在自动化制作取芯杆连接中，设备可用足够的力来操作，这使得卡住、楔入、或错扣时常发生。

此外，当将偏心对准的公螺纹和母螺纹部件接合时，尾型连接还可是易于发生错扣、卡住、以及楔入的。相应地，当公部件和母部件被进给而不旋转时，尾部可楔入到配合螺纹之中。在旋转下，尾部也可楔入到配合螺纹之中。楔入可被减少，但在拧入时机（例如，将尾部的尖配合到相邻的配合尾部的开口中）后，楔入仍可发生，这是由于错过了拧入时机和未对准。偏心的螺纹可被配置以使得公部件上的尾部中间的牙顶具有相对于母螺纹牙顶相等的或相应的几何形状。

如上所述，具有尾型螺纹头的螺纹连接件可尤其易于发生螺纹卡住、错扣、楔入、接头咬住等。此类困难在某些行业（如关于取芯钻杆设计）中可尤其普遍。螺纹头提供公螺纹或母螺纹的前端、或第一末端，并且与配合螺纹的前端、或第一末端配合以制作出杆或其它连接。如果尾型螺纹头卡住、楔入、错扣等，可能需要从钻场移除杆，并且要求校正，所述校正要求钻井生产的停顿。

另外，钻杆通常利用锥形螺纹，其也易于发生错扣困难。由于取芯杆可具有锥形螺纹，公螺纹头的尾部的直径可比母螺纹头的尾部的直径小。因此，在每个螺纹的头处可存在过渡的几何形状以从锪平面过渡到全螺纹轮廓。因为螺纹头和过渡的几何形状可具有与母螺纹不同的尺寸，所以过渡的几何形状和螺纹头可异常地配合并彼此楔入。

如果尾部上存在足够的锥度，公螺纹头可具有与母螺纹头的一些间隙，如尾部中间的几何形状相应于母螺纹的几何形状的间隙处。然而，螺纹头的传统几何形状可仍然与超出螺纹头的螺纹圈通常在配合螺纹牙顶的后续圈处异常地相互作用，从而也导致卡住、锁扣、楔入等。因此，尾部的存在通常充当配合尾部的楔子，从而增加了螺纹卡住的机会和可能性。

在某些应用（如关于钻机）中，可组成多个钻杆、套管等。随着加入更多的杆或套管，由于楔入或错扣所致的干扰可变得更大。事实上，用足够的力量（如当组成时使用钻机的水力），可损坏杆接头。在钻井应用中，取芯杆还经常具有有宽度的粗螺纹、平行于配合牙顶的平螺纹牙顶，这是因为由许多钻杆接头设计支配的配合的干涉配合或细长的间隙配合。螺纹尾部和在粗锥形螺纹牙顶上的平的、平行的螺纹牙顶的组合产生错扣相互作用的甚至更大的潜在性，否则，所述相互作用在其它应用中可不呈现。

尾型螺纹设计的局限通常导致现有的机械加工车床的局限。具体地说，螺纹通常被旋转的机械加工车床切削，所述车床通过零件的旋转仅可在螺纹高度或深度上逐渐施加改变。相应地，螺纹被逐渐形成来包括具有几何形状的尾部，并且所述尾部与螺纹头的其它部分相同或相似。举例来说，除了别的之外，传统车床不能施加从锪平面到全螺纹轮廓的陡然垂直或近乎垂直的转变来在机械加工过程中旋转零件。还要求这种逐渐变化来移除材料的尖锐的、部分的特征边缘，所属边缘在螺纹的细长的导程、或螺旋角与材料交叉的被切削的位置上产生。

因此，传统螺纹的缺点可经由钻井部件而被加重。具体地说，由于许多钻柱的长度和重量，钻井部件的接头可要求具有高张力负载能力的接头。此外，由于同一钻柱部件在钻钻孔过程中可从钻柱多次安装和移除，接头将经常需要承受为数众多的组成和断开。类似地，钻柱部件可在其使用寿命中重复使用多次。加重这些问题的事实是：许多钻井行业（如勘探钻井）要求使用薄壁的钻柱部件。此类钻柱部件的薄壁的构造可限制螺纹的几何形状。

相应地，需要存在减少卡住和错扣的改进的螺纹设计。

发明内容

本发明的一个或多个实现方式克服本领域中用于有效地和高效地制作螺纹接头的钻井部件、工具、以及系统的一个或多个前述的或其它问题。例如，本发明的一个或多个实现方式包括抗卡住和错扣的钻柱部件。这类钻柱部件可减少或消除由于卡住和错扣所致的螺纹的损坏。具体地说，一个或多个实现方式包括钻柱部件，其具有带有前端或螺纹头的螺纹，所述前端或螺纹头被定向为相对于钻柱部件的中心轴线成锐角。另外或可替代地，螺纹的前端可提供到全螺纹深度和/或宽度的陡然转变。

例如，抗卡住和错扣的钻柱部件的一个实现方式包括空心体，其具有第一末端、相反的第二末端、以及延伸穿过所述空心体的中心轴线。所述钻柱部件还包括被定位在所述空心体的第一末端的螺纹。所述螺纹包括沿着所述空心体的第一末端延伸的多个螺旋圈。所述螺纹具有螺纹深度和螺纹宽度。

所述螺纹包括紧邻所述空心体的第一末端的前端。所述螺纹的前端被定向为相对于所述空心体的中心轴线成锐角。所述螺纹的前端面向所述螺纹的相邻的圈。

另外，抗卡住和错扣的钻柱部件的另一个实现方式包括本体、套接端、相反的销接端、以及延伸穿过空心体的中心轴线。所述钻柱部件还包括被定位在本体的套接端上的母螺纹。所述母螺纹具有深度和宽度。另外，所述钻柱部件还包括被定位在本体的销接端上的公螺纹。所述公螺纹具有深度和宽度。所述母螺纹和公螺纹的每个均包括前端。所述母螺纹和公螺纹的每个的前端包括垂直于本体而延伸的平坦表面。所述母螺纹的前端的平坦表面沿着所述母螺纹的整个宽度和整个深度而延伸。类似地，所述公螺纹的前端的平坦表面沿着所述公螺纹的整个宽度和整个深度而延伸。

除前述内容之外，一种在钻柱部件中制作接头而无卡住或错扣的的方法的一个实现方式涉及将第一钻柱部件的销接端插入第二钻柱部件的套接端中。所述方法还涉及使第一钻柱部件相对于所述第二钻柱部件进行旋转；从而使在所述第一钻柱部件的销接端上的公螺纹的平坦前端毗连抵靠在所述第二钻柱部件的套接端上的母螺纹的平坦前端。所述公螺纹的平坦前端被定向为相对于所述第一钻柱部件的中心轴线成锐角。类似地，所述母螺纹的平坦前端被定向为相对于所述第二钻柱部件的中心轴线成锐角。此外，所述方法涉及使所述公螺纹的平坦前端抵靠并沿着所述母螺纹的平坦前端进行滑动，以便引导所述公螺纹进入到所述母螺纹的各圈之间的沟槽之中。

本发明的示例性实现方式的其它特征和优点将在以下描述中阐明，并且将部分地从描述中显而易见，或可以通过这类示例性实现方式的实践得以领会。可以借助于所附权利要求中具体指出的仪器和组合来实现和获得这类实现方式的特征和优点。这些以及其它特征将从以下描述和所附权利要求中变得更加完整清楚，或可以通过如在下文中阐明的这类示例性实现方式的实践得以领会。

附图说明

为了描述可以获得本发明的上述的和其它优点和特征的方式，以上简述的本发明的更具体的描述将通过参见在附图中示出的本发明的特定实施方案来给出。应注意，附图不是按比例绘制的，并且在整个附图中出于说明性目的，具有类似结构或功能的元件总体上由相同参考数字表示。应理解，这些附图仅描绘本发明的典型实施方案并且因此不应被理解为限制本发明的范围，本发明将通过使用附图以另外特征性和细节进行描述和解释，其中：

图1示出根据本发明的一个或多个实现方式的钻柱部件的公端的侧视图和另一个钻柱部件的母端的横截面图，所述钻柱部件各自具有带有前端的螺纹；

图2示出根据本发明的一个或多个实现方式的分解了的钻柱的侧视图，所述钻柱具有带有前端的钻柱部件；以及

图3示出根据本发明的一个或多个实现方式的包括带有前端的钻柱部件的钻井系统的示意图。

具体实施方式

本发明的实现方式针对用于有效地和高效地制作螺纹接头的钻井部件、工具、以及系统。例如，本发明的一个或多个实现方式包括抗卡住和错扣的钻柱部件。这类钻柱部件可减少或消除由于卡住和错扣所致的螺纹的损坏。具体地说，一个或多个实现方式包括钻柱部件，其具有带有前端或螺纹头的螺纹，所述前端或螺纹头被定向为相对于钻柱部件的中心轴线成锐角。另外或可替代地，螺纹的前端可提供到全螺纹深度和/或宽度的陡然转变。

现参照附图来描述本发明的一个或多个实现方式的不同方面。应理解，附图是一个或多个实现方式的概略和示意图示，并且不限制本公开。此外，虽然按比例提供了被认为是对一个或多个实现方式有作用的不同的附图，但是本发明的附图没有必要按比例描绘所有拟实现方式。因此，本发明的附图提供示例性的比例，但不应从本发明的附图得到关于任何要求的比例的推论。

在以下描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的透彻的了解。然而，对于本领域技术人员而言，将显而易见的是本公开可被实现而无需这些具体细节。在其它情况下，没有用具体细节描述螺纹规格、螺纹制造、用于连接带螺纹的部件的现场设备等众多周知的方面，以避免公开的实现方式的不必要的模糊方面。

现转向图1，其示出带螺纹的钻柱部件的一种实现方式。可在接合带螺纹的钻柱部件的同时避免或减小错扣或卡住的风险，这在下文中特别详细地进行描述。如图1所示，第一钻柱部件102可包括本体103和公连接件或销接端104。第二钻柱部件106可包括本体107和母连接件或套接端108。第一钻柱部件106的销接端104可被配置来连接至第二钻柱部件106的套接端108。

在一个或多个实现方式中，每个钻柱部件102、106可包括空心体，其具有如图1所示的延伸穿过所述空心体的中心轴线126。在替代性实现方式中，一个或多个钻柱部分102、106可包括实心体（如冲击钻杆或钻尖）或部分空心体。

销接端104可包括公螺纹110（即，从销接端104的外表面径向向外发射的螺纹）。另一方面，套接端108可包括母螺纹112（即，从套接端108的内表面径向向内发射的螺纹）。公螺纹110和母螺纹112可具有大体上相应的特征（例如，导程、螺距、每英寸螺纹数、螺纹头数、中径等）。在一个或多个实现方式中，公螺纹110和母螺纹112包括直螺纹，在替代性实现方式中，公螺纹110和母螺纹112是成锥形的。相应地，虽然公螺纹110和母螺纹112可具有相应的特征，但是螺纹110、112均匀沿着它们的整个长度是不必要的。事实上，公螺纹110可具有对应于母螺纹112的那些特征的特征，但这些特征沿着销接端104或套接端108的各自长度有变化。

在一个或多个实现方式中，公螺纹110和母螺纹112可包括与在美国专利号5,788,401中描述的相同或相似的特征，所述专利的全部内容以引用的方式并入本文。例如，在一个或多个实现方式中，公螺纹110和母螺纹112可包括单头、螺旋成锥形的螺纹。公螺纹110和母螺纹112可具有截头-圆锥牙顶和牙底，其中锥度为约0.75°至1.6°。公螺纹110和母螺纹112可具有2.5至4.5螺纹/inc的螺距。

公螺纹110和母螺纹112还可具有相对于垂直于钻柱的中心轴线的约7.5°至15°的负压牙侧角以及角度为至少45°的非承载牙侧，以帮助维持在联接情况中的接头，甚至在过载下，并且促进接头上紧。而且，套接端和销接端可具有成5°至10°锥形的肩状部。此外，销接牙顶可具有与套接牙底的干扰配合，而套接牙顶是从套接牙底径向间隔开的以提供刚性接头，同时留有碎屑和加压润滑剂的空间。根据本文的公开内容，应理解前面的描述仅是用于公螺纹110和母螺纹112的一种构型。在替代性实现方式中，公螺纹110和母螺纹112的构型可与前面的描述不同。

如图1所示，螺纹110、112被图示为具有大体上矩形的螺纹牙型。这种螺纹牙型仅是可使用的一种可能的螺纹牙型。然而，符合本文的公开内容的螺纹可具有其它螺纹牙型。举例来说，螺纹牙型可包括方形、三角形、梯形、或其它形状。

在一个或多个实现方式中，销接端104和/或套接端108可包括直的或锥形的螺纹。举例来说，套接端108包括锥形螺纹112。因为母螺纹112成锥形，所以处于或接近套接端108的尾缘120的螺纹112的尺寸可比公螺纹110的尺寸大，并且母螺纹112可成锥形至与公螺纹110的尺寸更相似的减小了的尺寸。

公螺纹110可紧邻销接端104的前缘114而开始。举例来说，图1示出公螺纹110可为从销接端104的前缘114偏置一个距离（已示出具有直线距离116）的。偏置距离116可按需进行变化，并且可基于钻柱部件102的尺寸、螺纹110的构型、或基于其它因素而具体地不同。在至少一个实现方式中，偏置距离116是在公螺纹110的宽度118的约一半与约两倍之间。可替代地，偏置距离116可以更大或更小。例如，在一个或多个实现方式中，偏置距离116是零，以使得公螺纹110在销接端104的前缘114处开始。

类似地，母螺纹112可紧邻套接端108的尾缘120而开始。例如，图1示出母螺纹112可为从销接端104的尾缘120偏置一个距离（已示出具有直线距离122）的。偏置距离122可按需进行变化，并且可基于钻柱部件106的尺寸、母螺纹112的构型、或基于其它因素而具体地不同。在至少一个实现方式中，偏置距离122是在母螺纹112的宽度124的约一半与约两倍之间。可替代地，偏置距离122可以更大或更小。例如，在一个或多个实现方式中，偏置距离122是零，以使得母螺纹112在销接端104的尾缘120处开始。

此外，如图1所示，偏置距离116可与偏置距离122相等。在替代性实现方式中，偏置距离122可比偏置距离116更大或更小。在任何情况中，随着将销接端104的前缘114插入套接端108并进行旋转，公螺纹110可接合母螺纹112，并且销接端104可沿着套接端108的中心轴线126而直线地前移。

更具体地说，公螺纹110和母螺纹112可相对于各自的销接端104和套接端108来螺旋地安置。换言之，公螺纹110和母螺纹112的每个均可包括沿着各自的钻柱部件102、106延伸的多个螺旋圈。随着公螺纹110和母螺纹112配合，螺纹可因此相对于彼此旋转，并且在相应的螺纹之间的沟槽内适合。在图1中，公螺纹110通常以角128缠绕销接端104，所述角还可相对于销接端114的前缘114进行测量。

如前面所提及的，公螺纹110可包括螺纹宽度118，并且母螺纹112可包括螺纹宽度124。如本文所用的术语“螺纹宽度”可包括在螺纹牙顶的两缘之间的直线距离，其是沿着垂直于螺纹牙顶的两缘的线所测量的。应理解，螺纹宽度118、124可根据螺纹110、112的构型而变化。在一个或多个实现方式中，公螺纹110的螺纹宽度118与母螺纹112的螺纹宽度124相等。在替代性实现方式中，公螺纹110的螺纹宽度118比母螺纹112的螺纹宽度124更大或更小。

公螺纹110可包括螺纹深度130，并且母螺纹112可包括螺纹深度132。如本文所用的术语“螺纹深度”可包括从螺纹从其延伸的表面（即，销接端104的外表面或套接端108的内表面）到螺纹牙顶上最径向的远端点的直线距离，其是沿着垂直于螺纹从其延伸的表面的线所测量的。应理解，螺纹深度130、132可根据螺纹110、112的构型和/或钻柱部件102、106的尺寸而变化。在一个或多个实现方式中，公螺纹110的螺纹深度130与母螺纹112的螺纹深度132相等。在替代性实现方式中，公螺纹110的螺纹深度130比母螺纹112的螺纹深度132更大或更小。

在一个或多个实现方式中，每个螺纹110、112的螺纹宽度118、124比每个螺纹110、112的螺纹深度130、132更大。例如，在一个或多个实现方式中，每个螺纹110、112的螺纹宽度118、124至少是每个螺纹110、112的螺纹深度130、132的两倍。在替代性实现方式中，每个螺纹110、112的螺纹宽度118、124约等于或小于每个螺纹110、112的螺纹深度130、132。

如以上所暗示的，公螺纹110和母螺纹112两者均可包括前端或螺纹头。例如，图1示出公螺纹110可包括螺纹头或前端134。类似地，母螺纹112可包括螺纹头或前端136。

在一个或多个实现方式中，公螺纹110的前端134可包括从销接端104的外表面延伸的平坦表面。例如，公螺纹110的前端134可包括从销接端104的外表面径向向外延伸的平坦表面，从而形成面的表面。在一个或多个实现方式中，前端134在垂直于销接端104的外表面的方向上延伸。在替代性实现方式中，前端134在大致上垂直于销接端104的外表面的方向上（即，在以与垂直于销接端104的外表面的方向成小于约15°的角度定向的方向上）延伸。在另一个进一步的实现方式中，前端134可包括沿着一个或多个其高度或宽度弯曲的表面。

此外，在一个或多个实现方式中，公螺纹110的前端134可延伸公螺纹110的全螺纹宽度118。换言之，公螺纹110的前端134可从公螺纹110的前缘140延伸至尾缘138。因此，形成前端134的平坦表面可跨越公螺纹110的整个螺纹宽度118。

此外，在一个或多个实现方式中，公螺纹110的前端134可延伸公螺纹110的全螺纹深度130。换言之，公螺纹110的前端134的高度可等于螺纹深度130。因此，形成前端134的平坦表面可跨越公螺纹110的整个螺纹深度130。同样，前端134或螺纹头可包括到公螺纹110的深度和/或宽度的陡然转变。换言之，在一个或多个实现方式中，公螺纹110不包括逐渐成锥形至公螺纹110的全深度的尾端。

沿着类似的线，母螺纹112的前端136可包括从套接端108的内表面延伸的平坦表面。例如，母螺纹112的前端136可包括从销接端108的外表面径向向外延伸的平坦表面，从而形成面对表面。在一个或多个实现方式中，前端136在垂直于销接端108的内和/或外表面的方向上延伸。在替代性实现方式中，前端136在大致上垂直于套接端108的内或外表面的方向上（即，在以与垂直于套接端108的内和/或外表面的方向成小于约15°的角度定向的方向上）延伸。在另一个进一步的实现方式中，前端136可包括沿着一个或多个其高度或宽度弯曲的表面。例如，前端134和前端136可包括协作的弯曲表面。

此外，在一个或多个实现方式中，母螺纹112的前端136可延伸母螺纹112的全螺纹宽度124。换言之，母螺纹112的前端136可从母螺纹112的前缘142延伸至尾缘144。因此，形成前端136的平坦表面可跨越母螺纹112的整个螺纹宽度124。

此外，在一个或多个实现方式中，母螺纹112的前端136可延伸母螺纹112的全螺纹深度132。换言之，母螺纹112的前端136的高度可等于螺纹深度132。因此，形成前端136的平坦表面可跨越母螺纹112的整个螺纹深度132。同样，前端136或螺纹头可包括到母螺纹112的全深度和/或宽度的陡然转变。换言之，在一个或多个实现方式中，母螺纹112不包括逐渐成锥形至母螺纹112的全深度的尾端。在所展示的实现方式中，母螺纹112的前端或螺纹头136被展示为由在用来形成螺纹的机械加工或另一种工艺后仍然保持的材料而形成。因此，前端或螺纹头136可相对于套接端108的内表面为凸出的而不是凹进的。

在一个或多个实现方式中，公螺纹110的前端134可具有与母螺纹112的前端136相等的尺寸和/或形状。在替代性实现方式中，公螺纹110的前端134的尺寸和/或形状可与母螺纹112的前端136的尺寸和/或形状不同。例如，在一个或多个实现方式中，公螺纹110的前端134可比母螺纹112的前端136更大。

在一个或多个实现方式中，公螺纹110的前端134和母螺纹112的前端136可各自具有离轴的定向。换言之，公螺纹110的前端134和母螺纹112的前端136的平坦表面可各自在偏移或不平行于钻柱部件102、106的中心轴线126的方向上延伸。例如，如图1所示，公螺纹110的前端134的平坦表面可面向公螺纹110的紧邻的圈。类似地，母螺纹112的前端136的平坦表面可面向母螺纹112的相邻的圈。

更具体地说，公螺纹110的前端134的平坦表面可以相对于销接端104的前缘114或中心轴线126的角度而延伸。举例来说，在图1中，公螺纹110的前端134的平坦表面被定向为相对于钻柱部件102的中心轴线126成角度146，然而这个角度还可相对于前缘114进行测量。当与传统螺纹相比时，前端134的平坦表面的所图示的定向和存在是尤其明显的，所述传统螺纹成锥形至一个点以使得事实上在螺纹的前缘与尾缘之间不存在距离，从而不提供表面。

与前端134类似，母螺纹112的前端136可在相对于销接端104的尾缘120或中心轴线126的角度上延伸。举例来说，在图1中，母螺纹112的前端136的平坦表面被定向为相对于钻柱部件106的中心轴线126成角度148，然而这个角度还可相对于尾缘120进行测量。

角度146、148可根据本公开而变化并且包括任何数量的不同角度。角度146、148可基于螺纹110、112的其它特征、或基于取决于螺纹特征的值而变化。在一个或多个实现方式中，角度146与角度148相等。在替代性实现方式中，角度146可与角度148不同。

在一个或多个实现方式中，角度146、148各自为锐角。例如，角度146、148的每个可包括在约10°与80°、约15°与约75°、约20°与约70°、约30°与约60°、约40°与约50°之间的角度。在进一步的实现方式中，角度146、148可包括约45°。根据本文的公开内容，应理解一旦两个配合前端134、136之间或螺纹头面之间以增大的角度146、148进行冲击，则存在减小的动量损失和减小的摩擦阻力以将螺纹110、112拉入完全配合的情况。在任何情况中，公螺纹110的前端134可与母螺纹112的前端136进行配合，以帮助形成第一钻柱部件102与第二钻柱部件106之间的接头。

通过消除螺纹头的长尾部并且用到螺纹110、112的全高度的更陡的转变来更换尾部，可因此提供前端134、136或螺纹头面。此外，虽然前端134、136可相对于轴线126成角度或以其它方式定向，但螺纹头面还可垂直于相对应的销接端104和套接端108的圆柱表面大和/或小直径。这种几何形状消除可充当楔子的尾型螺纹头，从而消除一旦销接端104和套接端108配合而导致楔入的几何形状。

此外，随着销接端104和套接端108被拧到一起，前端134、136或螺纹头可具有相应的表面，当这些表面配合到一起时产生在近似螺纹联接的情况下的滑动界面举例来说，在前端134、136各自被以锐角定向时，前端134、136或螺纹头面可彼此接合并协作将螺纹拧入完全螺纹联接的情况。举例来说，在钻杆组件上紧的过程中，随着销接端104被进给到套接端108中，前端134、136可接合并引导彼此进入螺纹之间的相应的凹陷中。这可能发生在钻柱部件102、106的一个或两个的旋转和进给期间。此外，由于消除了螺纹头尾部，在旋转位置上存在对于配合的很少（如果有的话）的限制。因此，销接端104和套接端108可具有可用于配合的全圆周，而没有易于发生卡住的位置。

在一个或多个实现方式中，螺纹110可使用常规的机械加工工艺被形成带有尾部。所述尾部可为最小部分移除的以形成前端134。在这类实现方式中，尾部可围绕给定的销接端104的圆周的约一半进行延伸。结果，如果螺纹110的整个尾部被移除，那么螺纹110可具有与轴线126对准的前端134。然而，如果更多螺纹110而不仅是所述尾部被移除，那么前端134可为相对于轴线126而偏置的。所述尾部可通过单独的机械加工工艺而被移除。虽然这个实施例展示了用于形成螺纹头的尾部的移除，在其它实施方案中，螺纹头面可在不存在尾型螺纹头的产生和/或顺序移除下而被形成。例如，代替使用常规的机械加工工艺，使用电火花加工来形成螺纹。电火花加工可允许前端134的形成，这是由于在加工期间可消耗金属。可替代地，电火花加工或其它消耗材料的工艺还可被用来形成螺纹110、112的前端134、136。

如前面提到的，在一个或多个实现方式中，钻柱部件102、106可包括空心体。更具体地说，在一个或多个实现方式中，钻柱部件可为薄壁的。具体地说，如图1所示，钻柱部件106可包括外径150、内径152、以及壁厚154。壁厚154可等于外径150的一半减去内径152。在一个或多个实现方式中，钻柱部件106具有外径150的约大概5%与15%之间的壁厚154。在进一步的实现方式中，钻柱部件106具有外径150的约大概6%与8%之间的壁厚154。应理解，这类薄壁的钻柱部件可限制螺纹112的几何形状。然而，尽管存在这些限制，薄壁的钻柱部件仍然可包括如本文上述的前端134、136。

现参照图2，钻柱部件102、106可包括任何数量的不同类型的工具。换言之，事实上在钻柱上使用的任何螺纹构件可包括具有如关于图1的描述的前端或螺纹头的一个或多个套接端108和销接端104。例如，图2示出钻柱部件可包括锁定联接件201、适配器联接件202、钻杆204、以及钻孔器206，所述这些部件各自可包括带有前端134、136的销接端104和套接端108两者，所述钻柱部件如关于图1的描述而抵抗或减少卡住和错扣。图2进一步示出钻柱部件可包括稳定件203、联顶环205、以及包括具有前端136的套接端108的钻尖207，所述钻柱部件如关于图1的描述而抵抗或减少卡住和错扣。在又进一步的实现方式中，钻柱部件102、106可包括套管、钻孔器、取芯器、或其它钻柱部件。

现参照图3，钻井系统300可被用来钻入地层304之中。钻井系统300可包括由多个钻杆204或其它钻柱部件201至207形成的钻柱302。钻杆204可是刚性的和/或金属的，或可替代地可由其它适合的材料来构造。钻柱302可包括一系列连接的钻杆，所述钻杆可以随钻柱302推进至地层304中而一段一段地组装。钻尖207（例如，开面式钻尖或其它类型的钻尖）可被固定至钻柱302的远端。如本文所用，术语“向下”、“下”、“前”和“远端”指的是钻柱302的末端，包括钻尖207。而术语“向上”、“上”、“尾”或“近端”指的是钻柱302的与钻尖207相反的末端。

钻井系统300可包括钻机301，所述钻机301可以将钻尖207、钻杆204和/或钻柱302的其它部分旋转和/或推入地层304之中。钻机301可包括驱动机构，例如，旋转式钻头306、滑撬组件308和井架310。钻头306可联接至钻柱302，并且可以旋转钻尖207、钻杆204和/或钻柱302的其它部分。如果需要，那么旋转式钻头306可以被配置来改变它旋转这些部件的速度和/或方向。滑撬组件308可相对于井架310移动。在滑撬组件308相对于井架310移动时，滑撬组件308可提供抵靠旋转式钻头306的力，所述力可以在例如钻尖207、钻杆204和/或钻柱302的其它部分被旋转的同时将它们进一步推至地层304中。

然而，应理解，钻机301不要求旋转式钻头、滑撬组件、滑动框架或驱动组件并且钻机301可包括其它适合的部件。还应理解，钻井系统300不需要钻机并且钻井系统300可包括可将钻尖207、钻杆204和/或钻柱302的其它部分旋转和/或推入地层304中的其它适合的部件。例如，可以使用声波马达、冲击马达或井下马达。

如由图3所示，钻井系统300可进一步包括钻杆夹紧装置312。进一步详细地说，驱动机构可以前移钻柱302并且具体地说是第一钻杆204直到第一钻杆204的尾部紧邻由钻柱302形成的钻孔的开口。一旦第一钻杆204在所需深度处，钻杆夹紧装置312可夹持第一钻杆204，这样可以帮助防止第一钻杆204和钻柱302在钻孔下的不慎丢失。利用夹持第一钻杆204的钻杆夹紧装置312，驱动机构可以与第一钻杆204断开。

然后可以使用钻柱装卸装置手动地或自动地将另一个或第二钻杆204连接至驱动机构，所述装置如描述在美国专利申请公开号2010/0021271中，通过引用将其全部内容并入本文。下一个驱动机构可自动地将第二钻杆204的销接端104前移到第一钻杆204的套接端108。可以通过将第二钻杆204拧入第一钻杆204中来制作出第一钻杆204与第二钻杆204之间的接头。应理解，根据本文的公开内容，钻杆204的公螺纹110的前端134和母螺纹112的前端136可防止或减少卡住和错扣，甚至当钻杆204之间的接头由钻机301自动地形成时。

在第二钻杆204连接至驱动机构和第一钻杆204之后，钻杆夹紧装置312可以松脱钻302。所述驱动机构可以将钻柱302进一步推进至地层中到达更大的所需深度。可以重复地进行夹持钻柱302、断开驱动机构、连接另一个钻杆204、松脱所述夹持、以及将钻柱302推进至更大深度的这个过程以便越来越深地钻入地层之中。

相应地，图1至图3、相应的内容提供了用于在钻柱部件之间制作接头而同时减少或消除卡住和错扣的许多不同的部件和机构。除上述之外，本发明的启示还可描述在用于完成特别结果的方法的术语、行动和步骤之中。例如，参照图1至图3的部件和图示，以下描述了在钻柱中制作接头而无卡住或错扣的方法。

所述方法可涉及将第一钻柱部件102的销接端104插入第二钻柱部件106的套接端108之中。所述方法还可涉及使第一钻柱部件102相对于所述第二钻柱部件108进行旋转。所述方法可进一步涉及将在第一钻柱部件102的销接端104上的公螺纹110的平坦前端134毗连抵靠着在第二钻柱部件106的套接端108上的母螺纹112的平坦前端136。

公螺纹110的平坦前端134被定向为相对于第一钻柱部件102的中心轴线26成锐角146。类似地，母螺纹112的平坦前端136被定向为相对于第一钻柱部件106的中心轴线26成锐角148。

所述方法可进一步涉及使所述公螺纹110的平坦前端134抵靠并沿着母螺纹112的平坦前端136进行滑动，以便引导公螺纹110进入到母螺纹112的各圈之间的沟槽之中。所述公螺纹110的平坦前端134抵靠并沿着母螺纹112的平坦前端136进行的滑动可致使第一钻柱部件102相对于第二钻柱部件106进行旋转，这归因于公螺纹110和母螺纹112的平坦前端134、136的锐角146、148。所述方法可涉及使用钻机301使第一钻柱部件102相对于第二钻柱部件106自动地旋转和前移而无需手动地处理钻柱部件106、108。

母螺纹112的平坦前端136可沿着母螺纹110的整个深度132延伸。公螺纹110的平坦前端134可沿着公螺纹110的整个深度130延伸。当将第一钻柱部件102相对于第二钻柱部件108进行旋转时，母螺纹112和公螺纹110的平坦前端134、136的深度可防止卡住或公螺纹110和母螺纹112的楔入。

因此，前述的实现方式提供了不同的所需的特征。举例来说，通过包括可选的前端或头面，螺纹的全深度、尾型螺纹头可被消除，从而允许：(a)用于拧入的大致上全圆周旋转定位，以及(b)用于将配合螺纹放置到拧入位置中的引导面。举例来说，成角度的头面可接合相应的螺纹或螺纹头面并引导相应的螺纹到螺旋的螺纹之间的拧入位置。此外，在相应的螺纹的任何位置上，尾部已被消除以实际上消除易于发生楔入的几何形状。

不管事实上拧入是同心的或是偏心的，都可获得类似的优势。举例来说，在偏心的安排中，螺纹牙顶和螺纹头面交叉的线可包括接合锥度。在进给时，螺纹头面可与配合螺纹牙顶以一种方式进行配合，以使得减少或消除作为交会的楔入以及随后的螺纹抗楔入、卡住、以及错扣。在这种实施方案中，接合锥度可足够来将公螺纹的较小的末端处的大直径减少为小于母螺纹的较大的末端处的小直径。因此，偏心的拧入可被用于锥形螺纹。

本公开的螺纹可以任何数量的适合方式而形成。举例来说，如前所述，车削装置（如车床）可能在产生如本文的公开内容的那些的陡的螺纹头面方面具有难处。相应地，在一些实施方案中，螺纹可被成形为包括尾部。然后，可采用后续的磨削、铣削、或其它工艺来除去尾部的一部分并生成螺纹头，如本文所描述的、或可从本文的公开内容的回顾中学到的那些。在其它实施方案中，可利用其它设备，包括车削和其它机械加工设备的组合。举例来说，车床可生产螺纹的一部分而其它机器可进一步加工公螺纹或母螺纹部件来增加螺纹头面。在另外其它的实施方案中，模制、铸造，单点切削，丝锥和板牙、板牙头、铣削、磨削、滚动、压叠、或其它工艺、或前述的任何组合可用来按照本文的公开内容产生螺纹。

本发明因此可以在不脱离其精神或本质特征的情况下以其它特定形式来体现。所描述的实施方案应被认为在所有方面仅是说明性的而不是限制性的。本发明的范围因此是由所附权利要求而不是由前述描述来指示。在所述权利要求的等效物的含义和范围内的所有变化都将包含在所述权利要求的范围内。

Claims (25)

1.一种抗卡住和错扣的带螺纹的钻柱部件，包括：

空心体，其具有第一末端、相反的第二末端、以及延伸穿过所述空心体的中心轴线；以及

螺纹，其被定位在所述空心体的所述第一末端上；

其中：

所述螺纹包括沿着所述空心体的所述第一末端延伸的多个螺旋圈，

所述螺纹具有螺纹深度和螺纹宽度，

所述螺纹包括紧邻所述空心体的所述第一末端的前端，

所述螺纹的所述前端被定向为相对于所述空心体的所述中心轴线成锐角，以及

所述螺纹的所述前端面向所述螺纹的一个相邻的螺旋圈。

2.如权利要求1所述的钻柱部件，其中所述螺纹的所述前端包括垂直于所述空心体延伸的平坦表面。

3.如权利要求2所述的钻柱部件，其中所述螺纹的所述前端的所述平坦表面延伸全螺纹宽度。

4.如权利要求1所述的钻柱部件，其中所述螺纹的所述前端具有与所述螺纹深度相等的高度。

5.如权利要求4所述的钻柱部件，其中所述螺纹宽度比所述螺纹深度大。

6.如权利要求5所述的钻柱部件，其中螺纹宽度是所述螺纹深度的至少两倍。

7.如权利要求1所述的钻柱部件，其中所述锐角是在15°与75°之间。

8.如权利要求7所述的钻柱部件，其中所述锐角是在30°与60°之间。

9.如权利要求8所述的钻柱部件，其中所述锐角是在40°与50°之间。

10.如权利要求1所述的钻柱部件，其中所述空心体是薄壁体，其具有在所述空心体的外直径的5％与15％之间的壁厚。

11.如权利要求1所述的钻柱部件，其中所述第一末端包括套接端，并且所述螺纹包括母螺纹。

12.如权利要求11所述的钻柱部件，进一步包括：

第二螺纹，其被定位在所述空心体的所述第二末端上；

其中：

所述第二螺纹包括沿着所述空心体的所述第二末端延伸的多个螺旋圈，

所述第二螺纹包括紧邻所述空心体的所述第二末端的前端，

所述第二螺纹的所述前端被定向为相对于所述空心体的所述中心轴线成锐角，并且

所述第二螺纹的所述前端面向所述第二螺纹的相邻的螺旋圈。

13.如权利要求12所述的钻柱部件，其中所述第二末端包括销接端，并且所述第二螺纹包括公螺纹。

14.如权利要求1所述的钻柱部件，其中所述钻柱部件包括钻杆、套管、适配器联接件、钻孔器、钻尖、取芯器、锁定联接件、联顶环或稳定器中的一个。

15.如权利要求1所述的钻柱部件，其中所述螺纹的所述前端相对于所述空心体的所述第一末端的偏置量等于或小于所述螺纹宽度的距离。

16.一种抗卡住和错扣的带螺纹的钻柱部件，包括：

本体、套接端、相反的销接端、以及延伸穿过所述本体的中心轴线；

母螺纹，其被定位在所述本体的所述套接端上，所述母螺纹具有深度和宽度；

公螺纹，其被定位在所述本体的所述销接端上，所述公螺纹具有深度和宽度；

其中：

所述母螺纹和所述公螺纹的每个均包括前端，

所述母螺纹和所述公螺纹的每个的所述前端均包括垂直于所述本体而延伸的平坦表面，

所述母螺纹的所述前端的所述平坦表面沿着所述母螺纹的整个宽度和整个深度延伸，并且

所述公螺纹的所述前端的所述平坦表面沿着所述公螺纹的整个宽度和整个深度延伸。

17.如权利要求16所述的钻柱部件，其中：

所述母螺纹和所述公螺纹的每个均包括多个螺旋圈；

所述母螺纹的所述前端面向所述母螺纹的相邻的螺旋圈；并且

所述公螺纹的所述前端面向所述公螺纹的相邻的螺旋圈。

18.如权利要求17所述的钻柱部件，其中所述母螺纹和所述公螺纹的平坦表面各自相对于所述本体的所述中心轴线成锐角延伸。

19.如权利要求18所述的钻柱部件，其中所述锐角是在15°与75°之间。

20.如权利要求19所述的钻柱部件，其中所述钻柱部件包括钻杆。

21.如权利要求20所述的钻柱部件，其中所述钻杆是空心的且薄壁的。

22.一种在钻柱中制作接头而无卡住或错扣的方法，包括：

将第一钻柱部件的销接端插入第二钻柱部件的套接端之中；

使所述第一钻柱部件相对于所述第二钻柱部件进行旋转，从而使在所述第一钻柱部件的所述销接端上的公螺纹的平坦前端毗连抵靠着在所述第二钻柱部件的所述套接端上的母螺纹的平坦前端；

其中所述公螺纹的所述平坦前端被定向为相对于所述第一钻柱部件的中心轴线成锐角；

其中所述母螺纹的所述平坦前端被定向为相对于所述第二钻柱部件的中心轴线成锐角；

所述公螺纹的所述平坦前端抵靠并沿着所述母螺纹的所述平坦前端进行的滑动引导所述公螺纹进入到所述母螺纹的各螺旋圈之间的沟槽之中。

23.如权利要求22所述的方法，其中所述公螺纹的所述平坦前端抵靠并沿着所述母螺纹的所述平坦前端进行的滑动致使所述第一钻柱部件相对于所述第二钻柱部件进行旋转，这归因于所述公螺纹与母螺纹的所述平坦前端的所述锐角。

24.如权利要求22所述的方法，进一步包括相对于所述第二钻柱部件自动地旋转和前移所述第一钻柱部件。

25.如权利要求22所述的方法，其中：

所述母螺纹的所述平坦前端沿着所述母螺纹的整个深度延伸；

所述公螺纹的所述平坦前端沿着所述公螺纹的整个深度延伸；

当所述第一钻柱部件相对于所述第二钻柱部件进行旋转时，所述公螺纹和所述母螺纹的所述平坦前端的深度防止所述公螺纹和所述母螺纹的卡住或楔入。