CN104074472B - 超抗扭多台肩的全密封锥管螺纹连接装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超抗扭多台肩的全密封锥管螺纹连接装置，包括外螺纹接头和与之进行螺纹连接的内螺纹接头；所述内螺纹接头上的内螺纹接头主端面为具有倾角的圆环面，所述内螺纹端孔部为圆锥孔；所述外螺纹接头上的外台肩面为具有倾角的圆环面，外螺纹接头的锥管螺纹基部为椭圆弧面，该椭圆弧面的椭圆截面长半轴长度为b，椭圆弧面的椭圆截面短轴长度为2a，该短轴长度2a与长半轴长度b之比2a/b等于内螺纹端孔部的圆锥孔锥度；内、外螺纹接头上还分别设置有外螺纹中台肩面和内螺纹中台肩面。它不仅扭矩承载能力强、螺纹应力分布更加合理，而且密封面配合可靠，密封接触弹性形变稳定，十分适用于油气深井、超深井及复杂井的勘探与开采中。

Description

超抗扭多台肩的全密封锥管螺纹连接装置

技术领域

本发明涉及一种用于石油天然气勘探与开采的石油钻杆的螺纹连接装置，尤其涉及具有相互螺纹连接的外螺纹接头和内螺纹接头的锥形螺纹的螺纹密封配合的连接装置，这种锥形螺纹连接装置用于传递钻杆扭矩，并且有严密的密封性能。

背景技术

     石油钻杆是石油天然气勘探和开采的主要设备。油气井作业是靠钻杆来传递井上和井下间的扭矩，并给井内输送钻井液和泥浆；石油钻杆在钻井时，主要承受扭转、拉压、弯曲、振动等复合载荷，而且钻杆在正常工作过程中内部充满了钻井液，钻井液的主要作用是把岩屑从井底携带至地面，这些液体均具有一定腐蚀性。钻杆在交变应力及钻井液的不断冲刷下，钻杆内壁容易形成蚀坑，并产生疲劳裂纹，直至发生刺穿和断裂。钻杆一旦发生失效断裂，不仅使钻杆报废，而且寻找和更换失效钻杆要花费大量时间，严重影响正常钻井作业，并给油气田生产造成重大经济损失。

钻杆接头由相互螺纹啮合连接的外螺纹接头和内螺纹接头组成，钻杆接头将一根根单独的钻杆段首尾相连成长达数百米、数千米，甚至万米的石油钻杆。钻杆工作时，不仅要承受巨大的扭矩和交变应力，而且还要耐受巨大的杆内钻井液压力。钻杆接头由于几何形状突变，结构复杂，且最容易形成配合面缝隙和蚀坑，是密封失效形成泄漏的部分，更是整个钻杆应力集中最严重也是最薄弱的部分。因此，钻杆接头在钻杆中工作条件最为恶劣，其疲劳断裂和泄漏是钻杆失效的主要原因，这也是引发人们对钻杆接头的重点关注和密切研究主要原因。

目前，国内外石油天然气钻采行业普遍采用的单台肩钻杆接头，如按美国石油学会API标准生产制造的单台肩钻杆接头，该类钻杆接头包括了能相互螺纹啮合连接的外螺纹接头和内螺纹接头。外螺纹接头是在其本体上设置有沿径向布置的直角外台肩面，在该接头本体上从外台肩面向其端部依次为锥管螺纹基部、锥管外螺纹和锥管螺纹前端部；与其螺纹啮合的内螺纹接头本体包括内螺纹接头主端面，在该接头本体上从内螺纹接头主端面沿轴向从外向内依次为内螺纹基孔部、锥管内螺纹和内螺纹端孔。用于相互啮合的锥管外螺纹和锥孔内螺纹具有相同的螺纹节距，以及相应的螺纹牙型及螺纹锥度。接头连接使用时，外螺纹接头的外台肩面与内螺纹接头的主端面相互过盈贴合，承担和传递钻杆扭矩并起密封作用，这种具有单台肩面的钻头接头，其最显著的特点是只有一个配合台肩面，该台肩面不仅与螺纹部分共同承担钻杆扭矩，而且起密封作用。其优点在于结构简单，装卸使用均较方便，非常适用于一般浅、中深度油气井的使用要求。但研究表明该类单台肩螺纹接头的螺纹部分将承担大部分的扭矩，应力及扭矩主要集中在螺纹部分的后3个螺纹牙上，这3牙螺纹承担的应力最高可达总应力的50%以上，且沿配合台肩至前端螺纹处逐渐降低，至前端螺纹牙几乎不承担应力，因此螺纹牙上的应力极不均匀，直接影响接头的抗疲劳强度及使用寿命，使接头机械强度不能充分利用。对于深井或复杂井中使用时，由于扭矩过大且过于集中，极容易造成外螺纹的螺纹断裂或内螺纹胀大等失效事故，而且台肩面的密封仅依靠单台肩面之间的接触应力来完成密封的，在弯曲拉伸截荷情况下，台肩处接触应力急剧下降，当应力降低到一定水平，就会发生泄漏，这将严重影响钻井作业的安全。

为了提高钻杆接头的抗扭矩能力，业内设计研发出双台肩螺纹接头，如中国专利公开的极高扭矩的双台肩钻具接头（专利号98806866.4），以及美国格兰特公司的XT、HT等系列双台肩接头产品。双台肩钻杆接头是在单台肩面螺纹接头的基础上又增加了一个接触台肩面，它是将单台肩螺纹接头的内螺纹端孔改成沿径向布置的直角型内台肩面；外螺纹接头的锥管螺纹前端部改成能与内台肩面贴合的外螺纹接头前端面，内、外螺纹接头接合时，外螺纹接头的外台肩面和内螺纹接头的主端面形成一主接合台肩，外螺纹接头的前端面与内螺纹接头的内台肩面构成一副接合台肩。工作时，主、副接合台肩及螺纹部分分担了钻杆扭矩，钻杆扭矩不再单由主单台肩面和螺纹部分承担，而副台肩面也承担钻杆扭矩；尤其是副台肩的加入，使螺纹部分所承受的应力和扭矩不再主要集中于后3牙螺纹上，由于副台肩面也对螺纹后段提供应力作用，从而使得扭矩和应力沿螺纹长方向分布更均匀，同时螺纹部分又更多地分担主副台肩所受扭矩和应力，使台肩处的扭矩和应力降低，改善了接头的整体受力情况。还由于当外螺纹接头的外台肩面和其螺纹前端面的距离不等于内螺纹接头主端面和其内孔端底面间的距离时，钻杆工作时，内、外螺纹接头上的螺纹段就会产生一个轴向的预加载应力，这个预加载应力能够在一定程度上挖掘接头的强度潜力，并进一步均匀螺纹段的受力情况。

虽然上述的双台肩钻杆接头，改善了螺纹接头的受力状况，有利于在深井中的应用，但其密封性能仍取决于垂直轴心线的台肩平面上的接触应力，其密封性能受钻杆载荷状况尤其是轴向载荷状况的影响甚大，在深井作业中，钻杆内的液体压力巨大，其钻杆接头的密封性能极不可靠，很难避免钻杆液的泄漏。为此，业内又出现了一系列旨在改善双台肩螺纹接头密封性能的专利技术，如中国专利“金属球形密封双台肩石油钻杆接头”（专利号：201020178278.5），它是在外螺纹接头端增加了环状球面密封面，在内螺纹接头内孔增加了锥面密封，以球面密封面与锥面密封的相互接触来实现密封，但这种密封面的接触应力仍依赖于内、外接头的相互位置和载荷状况，尤其是密封面变成锥面与环状球面的“线接触面”，密封接触面小，密封效果仍然极为有限。中国专利“曲面双台肩钻具接头”（专利号：201220608835.1），则是将双台肩接头的主、副台肩接触面由平面改为曲面，从而增加接触面积，对密封性能虽有一定的改善，但其密封性能仍取决于轴向载荷和轴向接触应力。其它密封改进结构还有增加卡槽结构采用不同锥度的锥面结构等等。这些密封结构均存在接触面小，受钻杆载荷状况影响大，密封配合面接触弹性变形和接触应力小等不足，从而不能保证可靠的密封性能，尤其是深井或超深井作业中密封性能更加不理想。

发明内容

针对上述现有技术所存在的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种扭矩承载能力强、螺纹应力分布更加合理的超抗扭多台肩的全密封锥管螺纹连接装置，使得螺纹长度方向的应力分布更趋一致，从而最大限度地发挥螺纹段和台肩面的承载能力。

本发明的超抗扭多台肩的全密封锥管螺纹连接装置，包括外螺纹接头和与之进行螺纹连接的内螺纹接头；该外螺纹接头上设置有外台肩面和外螺纹前端面，在外台肩面至外螺纹前端面之间沿轴向依次设置有锥管螺纹基部、锥管外螺纹和外螺纹前端部；所述内螺纹接头上设置有内螺纹接头主端面和内台肩面，在该内螺纹接头主端面和内台肩面之间沿轴向依次设置有内螺纹端孔部、锥孔内螺纹和内螺纹基孔部；所述内螺纹接头上的内螺纹接头主端面为具有倾角的圆环面，所述内螺纹端孔部为圆锥孔；所述外螺纹接头上的外台肩面为具有倾角的圆环面，外螺纹接头的锥管螺纹基部为椭圆弧面，该椭圆弧面的椭圆截面长半轴长度为b，椭圆弧面的椭圆截面短轴长度为2a，该短轴长度2a与长半轴长度b之比2a/b等于内螺纹端孔部的圆锥孔锥度；所述外螺纹接头上还设置有外螺纹中台肩面，该外螺纹中台肩面将锥管外螺纹分隔成后段外螺纹和前段外螺纹，后段外螺纹的小端直径大于前段外螺纹的大端直径；所述内螺纹接头上也设置有内螺纹中台肩面，该内螺纹中台肩面将锥孔内螺纹分隔成后段内螺纹和前段螺纹，后段内螺纹的小端直径大于前段螺纹的大端直径。

采用本发明的技术方案后，由于外螺纹接头本体上的锥管螺纹基部为椭圆弧面，且其截面椭圆短轴长与长半轴长之比等于与之相配合的内螺纹端孔部锥孔的锥度，内、外螺纹接头的拧紧过程中，椭圆突起弧面与圆锥孔的锥孔面形成平缓狭长且与锥孔的锥度相适应的密封区域A，该密封区域密封接触面积大、密封接触弹性形变稳定，这种由过盈弹性变形形成的密封区域具有强大和稳定的密封接触应力。而且该密封区域A的接触应力仅取决于内、外螺纹接头间相互作用的径向力，并不依赖于钻杆的轴向紧定力和载荷状况，形成了严密、稳定可靠的全密封结构。还由于外螺纹接头本体上的外台肩面和内螺纹接头本体上的内螺纹接头主端面均为具有倾角的圆环面，该上台肩面和主端面的相互以倾斜面的接触贴合，又为椭圆弧密封面提供了强有力的径向接触应力，既确保了密封效果的可靠，又保证了接头结构安全稳定性。更由于本发明还采用了分段连接螺纹和三台肩结构，在前、后段连接螺纹之间，增设了螺纹中台肩，首先螺纹中台肩的设置，又进一步均匀了螺纹段各螺纹牙的受力，研究表明两台肩结构较单台肩其受力得到显著优化，使传统结构中的根部少数几牙螺纹集中受力，向其前端螺纹牙转移，但其连接螺纹的中部螺纹牙仍受力的“凹区”，这种现象在超深井和复杂井中显得尤为突出，而中台肩的设置能使连接螺纹的两端受力向中部进行转移，两端受力峰值会得到进一步“削平”，不仅连接螺纹沿轴向受力更加均匀，而且整体承载能力大大提升。也由于在本发明中增加了中台肩，更容易调整预应力的分布，从而消除锥管直径变化而带来的应力不均，使接头的承载能力更强，受力更加合理。

本发明的一种优选实施方式，所述椭圆弧面的一截面长轴顶点与锥管外螺纹的最后一螺纹牙相邻，该椭圆弧面的一截面短轴顶点位于外台肩面上。该结构较好地实现了螺纹部和螺纹基孔部的过渡，有利于密封面的平滑和顺利配合，减少拧接结合阻力，而且结构合理，便于制作加工。

优选地，所述外台肩面的倾角α=10°～20°；所述内螺纹接头主端面的倾角β=10°～20°。该外台肩面倾角和内螺纹接头主端面倾角大小既能增加接头间的密封效果，更能给弧形密封面提供稳定可靠的径向接触力，从而确保严密的密封效果。

优选地，所述外台肩面的倾角α大于或者等于内螺纹接头主端面的倾角β。该结构密封配合效果更加稳定，密封性能更优。

本发明的又一种优选实施方式，所述后段外螺纹和后段内螺纹的螺距为T1,前段外螺纹和前段内螺纹的螺距为T2；后段外螺纹与后段内螺纹的位置相对应，前段外螺纹与前段内螺纹的位置相对应;所述螺距T2大于或等于螺距T1。在该结构中，靠近小端一侧的前段螺纹螺距T2大于大端一侧的后段螺纹螺距T1，这样当内、外螺纹接头拧紧一定圈数后，前段结合的螺纹较后段螺纹产生不同的弹性变形量，前段弹性变形量大于后段的弹性变形量，迫使后段螺纹的受力向前段螺纹转移，从而有效地解决了接头连接螺纹沿长度方向严重不均的问题，避免传统接头结构螺纹受力大部集中于根部3牙的现象，使各螺纹牙上的受力和应力变得均匀，极大地提高了接头的抗扭矩和应力承载能力。

优选地，所述前段外螺纹和前段内螺纹的螺距T₂，后段外螺纹和后段内螺纹的螺距T₁ ，T2=（1.00～1.10）T₁。这种螺距差既保证了内、外螺纹间在配合状态下的合理的弹性变形量，从而有效均匀螺纹牙上的受力和应力；这种螺距差也保证了合理的预载荷，以达到足够的弹性强度。

进一步地，所述前段外螺纹和前段前段螺纹的螺纹长度为L₂，后段外螺纹和后段内螺纹的螺纹长度为L₁，L₂=（1.00～1.10）L₁。该结构能较好地适应本发明螺距差的变化需要。

本发明的另一种优选实施方式，所述外螺纹中台肩面为垂直于外螺纹接头轴心线的圆环面，所述内螺纹中台肩面为垂直于内螺纹接头轴心线的圆环面。该结构使得内、外螺纹接头连接配合时，在主台肩面和副台肩面之间又形成了中间台肩面，这样形成的多个台肩面更有效地改善了接头的整体受力状况，促进扭矩和应力沿螺纹长度方向更加均匀地分布，极大地提高了整体接头的抗扭矩和承载能力；多台肩面的多段长度差而形成的先后结合，还在外螺纹接头和内螺纹接头的啮合螺纹段及其相邻区域产生了分段轴向预加载应力，使钻杆接头本体材料的抗拉压、抗弯曲及抗扭转强度得到充分利用，并充分发挥接头本体材料的弹性强度潜力，极大地增强了钻杆接头的抗扭矩和承载能力。

本发明的再一种优选实施方式，所述外螺纹中台肩面为沿外螺纹接头径向设置的环形折面，该折面的折面夹角γ₁；所述内螺纹中台肩面为沿内螺纹接头径向设置的折面；该折面的折面夹角γ₂；外螺纹中台肩面的折面夹角γ₁大于或等于内螺纹中台肩面的折面夹角γ₂。该结构除了能有效地改善接头的整体受力状况，促进扭矩和应力沿螺纹长度方向更加均匀地分布，极大地提高了整体接头的抗扭矩和承载能力；还具有极好的内、外螺纹接合定心效果，以提高整个接头装置的整体刚度和强度。该结构也提高了整个接头装置的密封性能。

优选地，所述外螺纹中台肩面的折面夹角γ₁ =150°～160°；所述内螺纹中台肩面的折面夹角γ₂ =150°～160°。该折面夹角便于加工和装配。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

图1是传统双台肩钻杆接头中外螺纹接头的结构示意图；

图2是传统双台肩钻杆接头中内螺纹接头的结构示意图；

图3是本发明一种具体实施方式的外螺纹接头和内螺纹接头连接结构的局部示意图；

图4是图3所示结构中I处的局部放大图；

图5是图3所示结构中Ⅱ处的局部放大图；

图6是图3所示结构中内、外螺纹接头的螺纹连接关系结构分析图；

图7是图3所示实施方式的另一种具体结构示意图；

图8是图8所示结构中Ⅲ处的局部放大图；

图9是图8所示结构中Ⅳ的局部放大图。

图中，1—外螺纹接头、2—外螺纹接头本体、3—外螺纹接头管腔、4—外台肩面、5—锥管螺纹基部、6—锥管外螺纹、61—后段外螺纹、62—外螺纹过渡部、63—前段外螺纹、7—外螺纹前端部、8—外螺纹前端面、9—内螺纹接头主端面、10—内螺纹端孔部、11—锥孔内螺纹、111—后段内螺纹、112—内螺纹过渡部、113—前段内螺纹、12—内螺纹基孔部、13—内台肩面、14—内螺纹接头、15—内螺纹接头本体、16—内螺纹接头管腔、17—外螺纹中台肩面、18—内螺纹中台肩面。

具体实施方式

双台肩钻杆接头均是由相互螺纹啮合连接的外螺纹接头1和内螺纹接头14组成。其外螺纹接头1的一端与一根钻杆一端固定连接，外螺纹接头1的另一端则通过连接螺纹与内螺纹接头14相连接，内螺纹接头14的另一端则与另一根钻杆固定连接，以此来完成各节钻杆的接长连接。

如图1所示，传统双台肩钻杆接头的的外螺纹接头1包括由锻件制成的外螺纹接头本体2，该外螺纹接头本体2大体呈短圆管结构，其轴心位置设置有外螺纹接头管腔3，以此与钻杆管孔相连通。外螺纹接头本体2的一端与钻杆固定连接端，另一端则为螺纹连接端。在外螺纹接头本体2上的螺纹连接端部分设置有外台肩面4和外螺纹前端面8；外台肩面4为垂直于本体轴线的圆环面，外螺纹前端面8则位于本体的鼻端处且也与本体轴线相垂直。在外台肩面4至外螺纹前端面8的外螺纹接头本体2上沿轴向依次设置锥管螺纹基部5、锥管外螺纹6和外螺纹前端部7。锥管螺纹基部5为一圆柱面，该圆柱面一端与外台肩面4相连，另一端与锥管外螺纹6的大端根部最后一螺纹来相连。外螺纹前端部7也为一圆柱面，它位于锥管外螺纹6小端最前一螺纹牙和外螺纹前端面8之间。锥管螺纹基部5的中心线、锥管外螺纹6所在圆台的中心线以及外螺纹前端部7的中心线均与外螺纹接头本体2的轴心线共线。锥管外螺纹6既可为公制锥管螺纹，也可为英制锥管螺纹，或美制锥管螺纹等常用锥管螺纹结构。

如图2所示，传统的内螺纹接头14也包括有由锻件制成的内螺纹接头本体15，内螺纹接头本体15也大体呈短圆管结构，其轴心位置设有内螺纹接头管腔16。内螺纹接头本体15的一端与钻杆固定连接，另一端为螺纹连接端。在该螺纹连接端部分设置有内螺纹接头主端面9，该内螺纹接头主端面9为垂直于本体中心线的圆环面，内螺纹接头本体15的该端为设有镗孔，镗口位置为内螺纹接头主端面9，镗孔的孔底为内台肩面13，该内台肩面13也为与本体轴线垂直的圆环面。在内螺纹接头主端面9至内台肩面13的内螺纹接头本体15上沿轴向依次设置有内螺纹端孔部10、锥孔内螺纹11和内螺纹基孔部12。内螺纹端孔部10为一段圆柱孔，该圆柱孔一端与内螺纹接头主端面9相连，另一端与锥孔内螺纹11大端部最后一螺纹牙相连。内螺纹基孔部12也为一与本体轴线垂直的圆柱孔，它位于锥孔内螺纹11小端最前一螺纹牙与内台肩面13之间。内螺纹端孔部10、锥孔内螺纹11所在圆台，以及内螺纹基孔部12的中心线均与内螺纹接头本体15的中心线共线。同样与锥管外螺纹6相啮合的锥孔内螺纹11为公制、英制或美制锥管螺纹。

如图3、图4所示外螺纹接头本体2的轴心位置设有外螺纹接头管腔3，在外螺纹接头1的外螺纹接头本体2上设有外台肩面4和外螺纹前端面8，在外台肩面4至外螺纹前端面8的外螺纹接头本体2上沿轴向依次为锥管螺纹基部5、后段外螺纹61、外螺纹中台肩面17、前段外螺纹63和外螺纹前端部7。外螺纹接头1的锥管外螺纹6包括了后段外螺纹61和前段外螺纹63两段结构，外螺纹中台肩面17将锥管外螺纹6截分成后段外螺纹61和前段外螺纹63，后段外螺纹61的螺纹段终止于外螺纹中台肩面17，前段外螺纹63的螺纹段开始于外螺纹中台肩面17，后段外螺纹61的小端直径大于前段外螺纹63的大端直径。外螺纹中台肩面17为垂直于外螺纹接头1的外螺纹接头本体2轴心线的圆环面；外螺纹前端部7为一圆柱面，外螺纹前端面8为垂直于本体轴线的圆柱面，它位于外螺纹前端部7的鼻端；锥管外螺纹6采用锥管螺纹结构，其锥度为1﹕6或1﹕16，锥管外螺纹6既可是公制锥管螺纹或英制锥管螺纹或美制锥管螺纹；该锥管螺纹及其锥度有利于实现标准化制作和批量化生产，也有利于配件在实际使用中的互换。外台肩面4为具有前倾角度的圆柱面，该外台肩面4与外螺纹接头本体2直径方向的倾角α应选择在10°—20°之间，优先选择α=15°，该外台肩面倾角和内螺纹接头主端面呈倾角结构既能增加接头间的密封效果，更能给弧形密封面提供稳定可靠的径向接触力，从而确保严密的密封效果。锥管螺纹基部5为非圆柱面而采用椭圆弧面，在通过外螺纹接头本体2轴线的截面上，该椭圆弧面的截面椭圆长半轴长度为b，椭圆弧面的截面短轴长度为2a，该截面上椭圆的一个长轴顶点位于锥管外螺纹6的最后一螺纹牙尾端所在的横截面上，该横截面通过所述最后一螺纹牙尾端且垂直于外螺纹接头本体2的轴心线，当然该长轴顶点也可以是在锥管外螺纹6最后一螺纹牙不超一螺距的相邻区域内；该椭圆弧面的截面椭圆的一个短轴顶点则位于倾斜的外台肩面4的根部。故而椭圆弧面在横截面上实际为四分之一椭圆。截面椭圆短轴长度为2a，截面椭圆长半轴长度为b，该短轴长度2a与长半轴长度b之比2a﹕b等于内螺纹端孔部10的圆锥孔锥度。

如图3、图5所示，内螺纹接头14的内螺纹接头本体15轴心位置设有内螺纹接头管腔16。在内螺纹接头14的内螺纹接头本体15上设置有内螺纹接头主端面9和内台肩面13，在该内螺纹接头主端面9和内台肩面13之间沿轴向依次设置有内螺纹端孔部10、后段内螺纹111、内螺纹中台肩面18、前段内螺纹113和内螺纹基孔部12。内螺纹接头14的锥孔内螺纹11包括有后段内螺纹111和前段内螺纹113的两段结构，内螺纹中台肩面18将锥孔内螺纹11截分成后段内螺纹111和前段内螺纹113，后段内螺纹111终止于内螺纹中台肩面18，前段内螺纹113开始于内螺纹中台肩面18，后段内螺纹111的小端直径大于前段内螺纹113的大端直径，内螺纹中台肩面18为垂直于内螺纹接头14轴心线的圆环面。内螺纹接头主端面9为具有倾角的圆柱面，该内螺纹接头主端面9与内螺纹接头本体15的直径方向的倾角β=10°~20°之间，优先选择β=15°。内螺纹端孔部10为圆锥孔，该圆锥孔锥度与外螺纹接头1的锥管螺纹基部5的截面椭圆结构参数相关联，即椭圆2a﹕b等于内螺纹端孔部10的圆锥孔锥度。优选地内螺纹端孔部10的圆锥孔锥度等于锥孔内螺纹11的锥度，当然两者也可以采用不同的锥度。为了增强内、外螺纹接头的接合效果，可以使外台肩面4的倾角α大于内螺纹接头主端面9的倾角β，如采用α=16°，β=15°等等。

如图6所示，内、外螺纹接头相互连接时，后段外螺纹61与后段内螺纹111相旋接，前段外螺纹63与前段内螺纹113相旋接，相互啮合的前段外螺纹63和前段内螺纹113的螺距T₂大于相互啮合的后段外螺纹61和后段内螺纹111的螺距T₁，T₂/T₁应在1.0—1.1之间选择，如优先选择T₂=1.05T₁，这种螺距差既保证了内、外螺纹间在配合状态下的合理的弹性变形量，从而有效均匀螺纹牙上的受力和应力；这种螺距差也保证了合理的预载荷，以达到足够的弹性强度。前段外螺纹63和前段内螺纹113的螺纹长度L₂大于或等于后段外螺纹61和后段内螺纹111的螺纹长度L₁，L₂/L₁应在1.0—1.1之间选择，优选L₂= L₁或L₂=1.05 L₁，该螺纹长度结构能较好地适应本发明螺距差的变化需要。采用上述不等螺距的结构，当内、外螺纹接头相互旋入一定圈数（或角度）时，前、后两螺纹段会产生不同的位移，前段螺纹稍快于后段螺纹。这样一方面会将后段螺纹的扭距和应力向前段螺纹转移，改变螺纹连接时扭距应力集中于螺纹后部几螺纹牙的受力状况，连接螺纹的受力更合理，使整个螺纹的承载能力大为提高。另一方面这种结构又增强了接头的轴向预加载应力，不仅接头承载能力增强，而且有效地降低螺纹牙上的内力峰值。

在上述结构中，本发明不仅具有椭圆弧面和圆锥面接触的全密封结构，而且具有不等螺距的两段螺纹结构，更具有三台肩结构。故具有该结构的钻杆接头相互旋接时，外台肩面4和内螺纹接头主端面9首先相互接触，再外螺纹中台肩面17和内螺纹中台肩面18相接触，最后外螺纹前端面8和内台肩面13又相互接触。该结构不仅形成了多台肩分担钻杆扭矩和应力结构，而且不等距螺纹和多台肩的共同使用，使整个接头的受力更加合理，螺纹段扭矩和应力更均匀，因此具有极高的抗扭转和承载能力，而且其密封十分严密可靠。

在图7所示的结构中，除外螺纹中台肩面17和内螺纹中台肩面18的结构不同外，其余与图3结构相同。如图7和图8所示，外螺纹接头1上的外螺纹中台肩面17为沿径向布置的截面呈折面的圆环面，该折面的夹角为γ1，可根据钻杆受力和结构尺寸在150°—160°中进行选择。如图7和图9所示，内螺纹接头14的内螺纹中台肩面18也为沿径向布置的截面呈折面的圆环面，该折面夹角γ2同样应根据钻杆受力和结构尺寸在150°—160°之间进行选择。在实际结构中，为了进一步合理受力，提高整个接头的连接刚度和稳定性，外螺纹中台肩面17的折面夹角γ1优先选择稍大于内螺纹中台肩面18的折面夹角γ2，但至少折面夹角γ1等于折面夹角γ2。这种以折面进行的配合连接，不仅极大地增强了螺纹接头的抗扭转和承载能力，而且内外螺纹接头的连接定心性能好，连接刚度增强。

上述仅举出了本发明一些优选的实施方式，显然本发明并不局限于此，本领域的技术人员在不违背本发明基本原理的情况下，还可以作出很多的改进和变形，这些改进和变形均应视为落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种超抗扭多台肩的全密封锥管螺纹连接装置，包括外螺纹接头（1）和与之进行螺纹连接的内螺纹接头（14）；该外螺纹接头（1）上设置有外台肩面（4）和外螺纹前端面（8），在外台肩面（4）至外螺纹前端面（8）之间沿轴向依次设置有锥管螺纹基部（5）、锥管外螺纹（6）和外螺纹前端部（7）；所述内螺纹接头（14）上设置有内螺纹接头主端面（9）和内台肩面（13），在该内螺纹接头主端面（9）和内台肩面（13）之间沿轴向依次设置有内螺纹端孔部（10）、锥孔内螺纹（11）和内螺纹基孔部（12）；其特征在于：所述内螺纹接头（14）上的内螺纹接头主端面（9）为具有倾角的圆环面，所述内螺纹端孔部（10）为圆锥孔；所述外螺纹接头（1）上的外台肩面（4）为具有倾角的圆环面，外螺纹接头（1）的锥管螺纹基部（5）为椭圆弧面，该椭圆弧面的椭圆截面长半轴长度为b，椭圆弧面的椭圆截面短轴长度为2a，该短轴长度2a与长半轴长度b之比2a/b等于内螺纹端孔部（10）的圆锥孔锥度；所述外螺纹接头（1）上还设置有外螺纹中台肩面（17），该外螺纹中台肩面（17）将锥管外螺纹（6）分隔成后段外螺纹（61）和前段外螺纹（63），后段外螺纹（61）的小端直径大于前段外螺纹（63）的大端直径；所述内螺纹接头（14）上也设置有内螺纹中台肩面（18），该内螺纹中台肩面（18）将锥孔内螺纹（11）分隔成后段内螺纹（111）和前段内螺纹（113），后段内螺纹（111）的小端直径大于前段内螺纹（113）的大端直径；所述外螺纹中台肩面（17）为沿外螺纹接头（1）径向设置的环形折面，该折面的折面夹角γ₁=150°～160°；所述内螺纹中台肩面（18）为沿内螺纹接头（14）径向设置的折面；该折面的折面夹角γ₂ =150°～160°。

2.根据权利要求1所述的超抗扭多台肩的全密封锥管螺纹连接装置，其特征在于：所述椭圆弧面的一截面长轴顶点与锥管外螺纹（6）的最后一螺纹牙相邻，该椭圆弧面的一截面短轴顶点位于外台肩面（4）上。

3.根据权利要求1所述的超抗扭多台肩的全密封锥管螺纹连接装置，其特征在于：所述外台肩面（4）的倾角α=10°～20°；所述内螺纹接头主端面（9）的倾角β=10°～20°。

4.根据权利要求1或3所述的超抗扭多台肩的全密封锥管螺纹连接装置，其特征在于：所述外台肩面（4）的倾角α大于或者等于内螺纹接头主端面（9）的倾角β。

5.根据权利要求1所述的超抗扭多台肩的全密封锥管螺纹连接装置，其特征在于：所述后段外螺纹（61）和后段内螺纹（111）的螺距为T₁,前段外螺纹（63）和前段内螺纹（113）的螺距为T₂；后段外螺纹（61）与后段内螺纹（111）的位置相对应，前段外螺纹（63）与前段内螺纹（113）的位置相对应;所述螺距T₂大于或等于螺距T₁。

6.根据权利要求1或5所述的超抗扭多台肩的全密封锥管螺纹连接装置，其特征在于：所述前段外螺纹（63）和前段内螺纹（113）的螺距T₂，后段外螺纹（61）和后段内螺纹（111）的螺距T₁ ，T₂=（1.00～1.10）T₁。

7.根据权利要求1所述的超抗扭多台肩的全密封锥管螺纹连接装置，其特征在于：所述前段外螺纹（63）和前段内螺纹（113）的螺纹长度为L₂，后段外螺纹（61）和后段内螺纹（111）的螺纹长度为L₁，L₂=（1.00～1.10）L₁。

8.根据权利要求1所述的超抗扭多台肩的全密封锥管螺纹连接装置，其特征在于：所述外螺纹中台肩面（17）的折面夹角γ₁大于或等于内螺纹中台肩面（18）的折面夹角γ₂。