CN104373056B - 钻柱连接件 - Google Patents
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Abstract
一种高扭矩应用的双台肩钻柱连接件包括在约1.0到1.2英寸每英尺之间的螺纹锥度。螺纹牙形具有插入角和负载角以及短的螺纹高度，所述插入角在35度到42度之间的范围内，所述负载角在约25度到34度之间的范围内，所述螺纹高度具有椭圆形的螺根并具有相对于接头中线以同螺纹锥度倾斜方向相反的方向倾斜的牙顶的角。钻柱包括钻具接头，所述钻具接头具有适用于较大轴向长度的不同内径，从而在接头的有螺纹部分提供增强了的强度。
Description
发明背景
1.技术领域
本发明一般涉及一种螺纹式钻柱连接件。尤其是，本发明涉及一种钻具接头和由所述钻具接头将钻杆段和钻柱的其它元件从地面到钻头连接起来而形成的钻柱。特别是，本发明涉及一种用于高扭矩旋转钻井的具有内外装配台肩的钻具接头。
2.背景技术
深井(例如用于开发油气的深井)由钻柱旋转驱动的旋转钻头所钻成，所述钻柱包括底部钻具组合、一串钻杆、方钻杆或顶驱装置、以及与钻头相关的旋转钻柱上的相关设备。所述钻柱由单根钻杆部件构成，每一单根钻杆的长度约为30英尺。所述钻杆部件通过螺纹连接件(称作钻具接头，通常为1－1/2英尺长)被紧固在一起。所述钻具接头必须承受钻井期间遇到的正常扭矩，并且还提供防止沿钻杆向下泵送的钻井液泄漏出所述接头的密封件。由于钻井液的研磨，钻具接头的泄漏会产生磨损，这将导致提前失效。
常规的钻具接头(有时被称为API[美国石油学会]钻具接头)由阳端部件和阴端部件构成。所述阳端部件具有外螺纹和外部环形装配台肩。所述阴端部件具有内螺纹和配合靠在装配台肩上的缘或面。在常规的钻具接头中，阴端部件内没有用于与阳端部件的端部的鼻部或面接触的内台肩。当在地面装配所述工具接头部件时，它们通常会产生扭矩，该扭矩在有螺纹的截面内产生纵向应力，该应力约为阳端或阴端较弱部分的屈服强度的二分之一。
在钻水平井或大位移井时，或钻柱在井眼中卡钻时，钻井扭矩超过地面装配扭矩是可能的。当钻井扭矩超过地面装配扭矩时会产生另外的连接装配扭矩。所述另外的装配扭矩在所述连接件中产生较高的应力，该应力会超过阳端或阴端的屈服强度，从而引起井下失效。为了避免失效的可能，地面装配扭矩应当大于钻井扭矩。因此，钻杆钻具接头工业已经研制出了称作“双台肩钻具接头”的钻具接头，这种钻具接头具有比API钻具接头高的扭矩强度特征，其允许较高的地面装配扭矩。双台肩钻具接头不仅仅具有外装配台肩，还具有内装配台肩和使两个台肩在高扭矩条件下进行装配的尺寸。
如US2,532,632专利所述，双台肩钻具接头不仅仅具有外装配台肩，还具有内装配台肩和使两个台肩在高扭矩条件下进行装配的尺寸。一种双台肩钻具接头具有大大增加了的抗扭强度极限(与API钻具接头相比)，而阳端或阴端的厚度不必增加，而且不必增加钢材的屈服强度。
现有技术已经通过调整具有这种接头的元件的尺寸来力求获得双台肩钻具接头的越来越好的作业特征。这些元件具有阴端镗孔部、阳端基部、阳端鼻部和螺纹的相对长度；阴端镗孔部和阳端鼻部的相对截面厚度；钻具接头内外直径的相对尺寸。
US4,558,431专利中也公开了一种双台肩连接件。阴端具有位于其螺纹下部的内台肩。阳端具有位于其鼻部端部的面，该面与阴端内的内台肩配合。挑选阳端和阴端的尺寸，以便在手工拧紧时，阴端的面接触阳端的外台肩。在阳端鼻部面与阴端的内台肩之间存在间隙。当所述钻具接头被完全装配到其正常的装配扭矩时，阴端的面以正常的接触压力结合外装配台肩。选择手工拧紧间隙，以便在正常装配扭矩下,阳端的面向内台肩施加较小的压力或不施加压力。
上述US4,548,431专利规定了阳端基部和阴端镗孔部的长度至少为结合螺纹长度的三分之一，并且阳端鼻部的长度至少为结合螺纹长度的六分之一。对于US4,548,431专利中描述的5"外径和2-11/16"内径的双台肩钻具接头来说，与同样外径和内径的API钻具接头具有18,100英尺磅的扭矩相比,双台肩接头的阳端基部和阴端镗孔部屈服的扭矩为25,583英尺磅。长的镗孔部降低了抗弯曲的能力，从而允许合理的用于手工拧紧间隙的生产公差。
所述工业中的其它方面选择手工拧紧间隙，以便内台肩基本以设计的地面装配扭矩进行加载。以这种方式进行的设计，内台肩允许较大的地面装配扭矩，因而能够被安全地用在需要较大钻井扭矩的井中。当所述钻具接头在超出初始手工拧紧条件而被拧紧时，阴端镗孔部和阳端的基部弯曲。这一弯曲使得阳端的面关闭手工拧紧间隙并靠在内台肩上从而形成结合。阳端的面与内台肩的加载出现在阴端镗孔部和阳端的基部内出现任何永久变形之前。
扩展具有加载地面装配扭矩的内台肩的概念，US6,513,804公开了另外一种双台肩钻具接头设计，在该设计中，由于从阳端外台肩到阳端鼻部的长度大于从阴端的面到阴端内台肩的长度，因此需要首先装配所述内台肩。所述阳端鼻部的长度是阴端镗孔部的两倍。在外台肩产生外台肩不能充分加载以致影响密封件的风险之前使内台肩接触。通过降低鼻部抗弯性能来试图使特别长的阳端的鼻部克服这一风险。
US5,492,375专利披露了另一种双台肩钻具接头的设计，在该设计中强调了优化双台肩连接件的抗扭强度。所述优化是通过确保在高扭矩条件下螺纹非常接近失效但在阳端鼻部和阴端镗孔部或阳端基部屈服之前不会在剪切力下非常失效而实现的。US5,492,375中规定，阳端的结合螺纹段的长度(其决定了螺纹的剪切区域)应当为：At等于或稍大于1.73(AL+AN)，其中AL为较小的阳端基部或阴端镗孔部的横截面积，AN为阳端鼻部的横截面积。利用这种技术的优化使连接件的抗扭强度增加很小。
US5,908,212专利公开了另一种双台肩钻具接头设计，其需要(1)阴端镗孔部的横截面积加上阴端鼻部的横截面积之和至少为阴端横截面积的70％，(2)螺纹的锥度小于一英寸每英尺，以及(3)镗孔部的轴向长度至少为1.5英寸。
一种浅螺纹锥度大大增加了内台肩的强度，从而增加了连接件的抗扭强度。然而，与常规的API钻具接头相比，具有浅螺纹锥度的钻杆接头在装配期间需要阴端和阳端旋转更多圈。装配这些连接件所需的额外钻井时间是非常珍贵和不理想的。浅螺纹还使连接插入和卸扣更加困难，这是因为所述连接件必须小心对准以避免螺纹过盈和粘扣。此外，当所述连接件在磨损或损坏之后再加工时，浅螺纹锥度需要大大损失受限钻具接头长度。
现有技术的接头还提供了常规的螺纹牙形设计，这种设计抑制了通常用于管道接头、特别是用于双台肩钻杆接头的最优屈服扭矩特征。
现有技术的钻具接头还以具有牙顶锥度的螺纹牙形为特征，所述牙顶锥度与螺纹的锥度匹配。附图5示出了现有技术的螺纹牙形，其中牙顶41的锥度与螺纹的整体锥度(overall taper)Tth相同。螺纹牙形总体上以螺根39、负载侧面(load flank)35、牙顶41、牙顶负载半径(crest-load radius)43、牙顶插入半径(crest-stab radius)45和插入侧面33为特征。当插入钻杆接头的元件(也即将阳端插入阴端)时，一个元件的牙顶不可避免地会偶尔靠在其它元件的螺纹牙顶上。图6A,6B,6C示出了插接在一起的现有技术的阳端5和阴端5＇，并且图6B和6C示出了阳端5和阴端5＇的横截面。图6B示出了靠在阴端5＇的螺纹牙顶41＇上阳端5上的牙顶41。如图6C所示，在旋转至约二分之一周时需要相对于阴端5＇轴向移动阳端5以使经过的牙顶41-41＇接触并使插入侧面33-插入侧面33＇接触。如果牙顶与牙顶接触时出现撞击，负载侧面36,36'、插入侧面33,33'、或者二者都能够在牙顶41,41'附近出现永久性损坏，尤其是因为小的牙顶到负载侧面的半径和小的牙顶到插入侧面的半径常常会出现在常规的钻具接头中。在插入时即使没有出现损坏，阳端钻具接头的牙顶41也能楔入阴端钻具接头5'。这种楔入作用会被所述撞击加重。当螺纹锥度降低时，所述楔入作用变得更糟。摩擦因子为0.08、螺纹锥度小于2"/英尺的螺纹牙顶41,41＇是自动夹紧的。自动夹紧意味着钻具接头必须被迫分离。使螺纹经过螺纹牙顶的楔入最终会导致粘扣和其它损坏。
3.发明目的
本发明的主要目的在于提供一种钻柱连接件，尤其是适用于具有增强屈服扭矩特征的钻杆钻具接头的连接件。
本发明的另一目的在于提供一种增加了屈服扭矩特征的钻杆钻具接头，该钻具接头同时具有常规API钻具接头的装配圈数特征。
本发明的特定目的在于提供一种钻杆钻具接头，该钻杆钻具接头具有为类似尺寸的常规连接件的抗扭强度的至少50％或更高的抗扭强度和与常规连接件相同的装配圈数。
本发明的另一目的在于提供一种双台肩钻杆钻具接头，该钻具接头具有改进的螺纹牙形和优化的螺纹锥度，以便增强扭矩特征结果。
本发明的另一目的在于提供一种钻具接头，该钻具接头具有在装配期间当将阳端插入到阴端时提供增强的插入特征的螺纹设计。
本发明的另一目的在于提供一种钻具接头设计，在所述设计中，阴端镗孔部长度小于或等于阳端鼻部长度以避免阴端弯曲。
本发明的另一目的在于提供一种钻具接头设计，该设计以主台肩和次台肩应力在彼此的70％范围内为特征，以将负载能力优化在生产公差范围之内。
本发明的另一目的在于提供一种用于钻具接头的螺纹牙形，其中，在插入被基本防止时螺纹从牙顶到牙顶(crest-to-crest)楔入。
本发明的另一目的在于提供一种用于钻具接头的螺纹牙形，在提供具有更加狭窄的牙顶的更加粗糙的形状时，所述螺纹牙形允许阳端螺纹更加容易地在阴端螺纹内对中，而不会降低负载侧面的接触面积。
本发明的另一目的在于提供一种螺纹牙形，(1)当负载侧面的接触面积最大而螺纹高度最小时其使螺根内的应力集中降低，(2)其允许双台肩钻具接头的主台肩和次台肩处具有更大的临界面积，从而提供增大了的接头抗扭能力，(3)其降低了卡住连接件的可能性。
本发明的另一特定目的在于提供一种双台肩钻杆钻具接头，该钻具接头的特征在于具有阳端鼻部和镗孔部长度，以便当施加到连接件上的连接件扭矩增加时，主台肩和次台肩处的应力以相似的速率增加。
本发明的另一目的在于提供一种钻具接头，该钻具接头具有与所述螺纹相对的增强了的壁厚，以便提供更大的连接件强度。
发明概述
本发明上述的目的及本发明的其它特征和优点包括在双台肩连接件接头上，所述接头具有阳端鼻部横截面积和螺纹，所述鼻部横截面积至少为阴端镗孔部或阳端基部中较小横截面积的50％，所述螺纹的锥度在约1.0到1.2英寸每英尺之间的范围内，优选约1.125英寸每英尺。一种优选的锥度是与下限值为1.0英寸每英尺的折中，低于该下限值，从插入到紧密接合所需的圈数通常会超过API钻具接头所需的圈数。上限值1.2英寸每英尺为一种限制值，超过该值，钻具接头的屈服扭矩就会显著降低到约低于类似尺寸的常规API连接件的抗扭屈服强度的150％。优选的锥度约为1-1/8英寸每英尺。阳端鼻部的横截面尺寸为如上所述尺寸，阳端鼻部的长度约为1.0到1.5倍的镗孔部长度，以便当施加到连接件的扭矩增加时，主台肩和次台肩上的应力以相似的速率增加。
双台肩钻杆接头的内外螺纹的牙形的特征在于在长轴半径和短轴半径之间所测的螺纹高度h约为螺纹的基本三角形高度(H)的二分之一。
所述内螺纹和外螺纹的特征还在于插入侧面角在约35度到约42度之间并且负载侧面角在约25度到约34度之间。优选的插入侧面角约为40度，并且优选的负载侧面角约为30度。40度的插入侧面角可使连接件在插入之后更为容易地自身对中(与常规的30度的插入侧面角度相比)，并提供更粗糙的形状和更狭窄的牙顶，而不会降低插入侧面的接触面积。优选的钻杆装置的牙顶-插入半径大于常规的螺纹牙形的所述半径。
所述螺纹的特征还在于螺根成形为部分椭圆的形状。此外，所述牙顶具有牙顶锥度，该牙顶锥度以与螺纹牙顶锥度的倾斜方向相反的方向倾斜。当将阳端螺纹和阴端螺纹插在一起时，所述以与螺纹牙顶锥度的倾斜方向相反的方向倾斜的角牙顶锥度使牙顶到牙顶(crest-to-crest)的楔入不同。
所述螺纹牙形的结构产生了上述目的的优点，因为：(1)在保持最大的负载侧面接触面积和最小的螺纹高度时降低了螺根的应力集中，(2)使得双台肩钻具接头的主、次台肩处的临界面积更大，从而使接头的抗扭能力增加，以及(3)降低了卡住连接件的可能性。
所述螺纹牙形的特征在于螺距约为0.25英寸或更大。优选的螺距约为0.286英寸。优选的钻杆接头的特征还在于阳端鼻部的长度约为1.25英寸，镗孔部的长度约为1英寸。选择阴端镗孔部的横截面积、阳端鼻部的横截面积、与阴端镗孔部相对的阳螺纹段端段的长度和连接螺纹的长度以便在施加扭矩时连接螺纹的强度远远大于阳端鼻部或阴端镗孔部或与阴端镗孔部相对的阳端横截面的强度。
本发明的钻具接头的特征还在于具有为钻具接头长度的函数的内径，以便所述钻具接头的壁在对着螺纹的地方厚于其端部，从而提供相螺纹处的连接件提供更到的强度。
附图说明
这里的附图阐述本发明的优选实施例，其中：
图1为利用本发明的钻具接头而使两根钻杆端部连接横截面视图；
图2为钻具接头的放大横截面视图，其中示出了本发明装配好的阳端和阴端部件，还示出了本发明锥形的螺纹和牙形；
图3为阳端螺纹和阴端螺纹的牙形的放大横截面视图，其中示出了本发明的插入侧面和负载侧面、螺根和牙顶牙形和锥度；
图4示出了所述牙形的牙顶部分的放大横截面视图，其中示出了以与螺纹锥度倾斜方向相反的方向倾斜的有螺纹的牙顶。
图5示出了具有常规牙顶布置的现有技术螺纹，其与所述螺纹的锥度以相同的方向倾斜；
图6A,6B,6C示出了现有技术的插入钻具接头可能的牙顶楔入，其中常规的牙顶锥角与所述螺纹的牙顶锥度相同；
图7A,7B,7C示出了正在插入的钻具接头阳端和阴端螺纹，所述螺纹的牙形具有图6所示的螺纹牙顶，其倾斜方向与所述螺纹锥度倾斜方向相反；
图8A和8B示出了图5所示的螺纹牙形的增加了的插入侧面角和大的牙顶-插入半径，其允许比常规的螺纹牙形更容易地将阳端螺纹居中地插入阴端螺纹；
图9为显示了本发明的双台肩钻具接头优选实施例的可接受的锥度范围，其中示出了太大的锥度降低了连接件的屈服扭矩，但是太小的锥度需要过多的连接件从插入到紧密接合所需的圈数。
本发明较佳实施例的描述
下面结合附图对所述优选实施例进行描述，所述附图包括钻柱和本发明的钻具接头的部件的附图标记。附图标记和部件的对应如下：
附图标记 说明
POD 钻杆外径
PID 钻杆内径
C/L 连接的钻杆和钻具接头的中线
PUID 钻杆加厚内径
TJID1 接头焊接端的钻具接头内径
TJID2 接头中部的钻具接头内径
TJOD 钻具接头外径
LTJ 钻具接头长度
2 下部钻杆
2' 上部钻杆
3 下部钻杆的加厚部分
3' 上部钻杆的加厚部分
4 钻具接头
6 下部焊接处
6' 上部焊接处
10 阳端
12 阴端
14 阴端镗孔部
16 阳端基部
18 外锥形阳端螺纹
20 内锥形阴端螺纹
22 阳端鼻部
24 阴端内台肩
26 阳端的面或环形边缘
28 阴端外台肩或阴端的面或环形边缘
30 阳端外台肩
32 螺纹的螺距线
34 螺纹的插入侧面
36 螺纹的承压或负载侧面
ΘS 插入角
ΘP 承压或负载角
LPN 阳端鼻部长度
LBC 阴端镗孔部长度
LTH 接合的螺纹长度
PS 主台肩和密封件
SS 次台肩
CSBC 阴端镗孔部的横截面
CBPB 阳端基部横截面
CSPN 阳端鼻部横截面
40 螺根
42 螺纹牙顶
44 从负载侧面到牙顶的过渡形状
46 从牙顶到插入侧面的过渡形状
48 螺纹形状的基本三角形
H 基本三角形的高度
h 螺纹高度
长轴半径(1/2)
螺距半径(1/2)
短轴半径(1/2)
E 螺根形的椭圆
EMI 椭圆短轴直径
EMJ 椭圆长轴直径
Tth 螺纹锥度
TC 牙顶锥度
具有钻具接头的钻杆的描述
图1示出了通过本发明的钻具接头4而连接在一起的上部和下部钻杆2,2'。钻杆2,2'具有加粗部分3,3'，该部分在钻杆端部的焊接部6，6'到钻具接头4的端部处具有较厚的壁厚。加厚部分3,3'的外径由POD表示，而对于其30'的几乎全部长度上的管内径由PID表示。加粗部分的管3,3'的端部内径由PUID表示，该内径大体与钻具接头焊接端的内径TJID相匹配。而钻具接头的外径TJOD在钻具接头的长度LTJ上基本上是恒定的，钻具接头的内径从接头焊接端的TJID1缩小到与阳端10和阴端12的螺纹相邻的部分的TJID2。根据本发明，TJID2可为1/8英寸(或更小)，该尺寸小于内径TJID1，从而为钻具接头4的螺纹段提供更厚的壁厚。已经发现，虽然太小的钻具接头内径可在钻井操作期间降低允许的流体流量，但是当向使所述接头的抗扭强度大大增强时，较短长度上的1/8英寸或1/4英寸内径的小的降低是能够接受的。优选地是，内径为TJID2的钻具接头的长度不大于整个钻具接头长度的2/3。
图2示出了完全装配好的双台肩钻具接头。根据本发明的一个优选实施例，阳端鼻部横截面积CSPN至少为50％的较小的阴端镗孔部的横截面积CSBC或阳端基部的横截面积CSPB。与类似尺寸的常规API连接件相比，阳端鼻部、阳端基部和镗孔部横截面积的这一关系使连接件4的抗扭强度至少增加了50％。此外，如下所述，阴端的螺纹20和阳端的螺纹18的螺纹锥度应当在约1英寸/英尺到1.2英寸/英尺之间的范围内，更优选地是约1-1/8英寸/英尺。另外，由于阳端基部横截面积CSPN比阴端镗孔部横截面积CSBC小50％，阳端鼻部长度LPN应当为镗孔部的长度LBC的一倍或一又二分之一倍，以便当扭矩施加到连接件上时，主台肩PS和次SS台肩上的应力以相同的速率增加。
当将过度的扭矩施加到钻具接头上时，螺纹18和20不会在阴端镗孔部14或阳端鼻部22屈服或弯曲之前或与阴端镗孔部相对的阳端基部16的横截面屈服之前不会剪切失效是必要的。因此，阳端鼻部横截面积CSPN和连接到外螺纹18上的内螺纹20的长度LTH和阴端镗孔部横截面积CSBC以及镗孔部长度LPN按照上述的方式进行设计和安置，以便连接螺纹的强度大于阳端鼻部22或阴端镗孔部14的抗扭强度。由于螺纹失效比阳端或阴端屈服更糟糕，所以本发明的优选实施例即使不会产生精确最优的连接件抗扭强度，也提供了螺纹强度的安全因子。优选的螺纹强度的安全因子具有阳端鼻部横截面积CSPN，该横截面积至少为阴端镗孔部横截面积CSBC的50％。
图9示出了对本发明优选实施例的参数研究(即CSPN≥.5CSBC，CSPN≥.5CSPB，和LPN≌(1.0到1.5)LBC)，其中，螺距为0.286英寸(3.5个螺纹/英寸)、螺纹高度约为0.1英寸、螺纹中径约为3.8英寸，该附图显示了表现本发明的钻具接头特征的作为螺纹锥度(英寸/英尺)的函数的两个参数。左侧坐标或Y轴坐标表示图2和图3中的连接件的屈服扭矩对API连接件(如NC38)的屈服扭矩的比值。曲线名称为“·本发明的屈服扭矩/API的屈服扭矩(％)”表示出，与API连接件相比，图2和图3中的连接件产生了增大了的屈服扭矩，并且螺纹锥度从2英寸/英尺降低为1/2英寸/英尺。屈服扭矩的比值在螺纹锥度为1-1/8英寸/英尺时约为150％。
右侧坐标表示了在初始插入之后为了达到紧密接合的情况所需圈数的参数。名称为“每圈插入到紧密接合(stabbed to snugged per turn)”的曲线表示出，对于锥度为1/2英寸/英尺的连接件来说，一圈仅仅会产生从螺纹到达到紧密接合所必须的轴向位移的7％。另一方面，对于锥度为2英寸/英尺的连接件来说，一圈产生约从螺纹到达到紧密接合所必须的轴向位移的35％。插入到紧密接合曲线显示，对于1-1/8英寸/英尺的锥度来说，每圈插入到紧密接合约为17％。换句话说，对于锥度为1-1/8英寸/英尺的连接件来说，为了实现从初始插入到紧密接合需要约6圈。
对于上述的钻具接头优选实施例的来说，已经发现一锥度范围，在此锥度范围内，当保持增加了常规API连接件的抗扭强度的150％倍的同时，装配所述连接件产生的速度可接受。如图9所示，约为1英寸/英尺锥度的下限值和约1.20英寸/英尺锥度的上限值产生约6-1/2圈或5-1/2圈的从插入到紧密接合的可接受的圈数限值。当不会牺牲从最大屈服扭矩为150％倍的API连接件的屈服扭矩时，这一范围是可接受的。优选约1-1/8的螺纹锥度来保持连接件的高屈服扭矩(如150％的API连接件的屈服扭矩)，同时保持圈数(约6圈)以尽可能快地获得从初始插入到紧密接合。
如上所述，对于螺距为0.286英寸(3.5个螺纹/英寸)的具体优选实施例来说，1英寸/英尺到1-1/5英寸/英尺的锥度范围产生了从6-1/2圈到5-1/2圈之间的范围。如果螺纹牙形的参数是松散，例如如果螺距为0.25英寸(4个螺纹/英寸)，那么1英寸/英尺的锥度就会从插入到紧密接合需要约8圈，这一数值与常规的API连接件基本相同。
在1到1-1/5(1.2)英寸/英尺之间的锥度范围内，影响屈服扭矩和插入的圈数的其他螺纹牙形变量(螺距、螺纹中径、大直径核小直径)可根据上述的实施例进行调整。例如，如果螺距从0.286英寸(3-1/2个螺纹/英寸)减小到0.25英寸(4个螺纹/英寸)而其他变量不变，对于1英寸/英尺的锥度来说从插入到紧密接合所需的圈数将低于8圈。
图2示出了完全装配好的本发明双台肩钻具接头的优选实施例。根据该实施例，阴端螺纹20和阳端螺纹18的螺纹锥度应当在约1英寸/英尺到1.2英寸/英尺之间的范围内，优选约1-1/8"每英尺。
钻杆钻具接头的优选螺纹牙形的描述
图2和图3示出了图1中连接件的阴端螺纹20和阳端螺纹18的螺纹牙形。优选地是，所述螺纹牙形具有小于或等于4个螺纹/英寸的螺距，该螺距为API螺纹的常规值。此外，尤其如图3所示，螺纹应当具有在长轴半径和短轴半径之间所测的螺纹高度h，所述螺纹高度约为二分之一的限定螺纹的基本三角形48的高度。这种设置允许主台肩和次台肩具有更大的临界面积并最终使接头抗扭能力进一步增加。此外，内螺纹20和外螺纹18应当具有插入侧面34，该侧面与基本三角形48成从约35度到约42度的角ΘS并具有在约25度到约34度之间的负载侧面角ΘP。可优选地是，插入侧面角ΘS约为40度，负载侧面角约为30度。
图3中的螺纹牙形还具有牙顶42和负载侧面36与牙顶42之间的过渡形状44。过渡形状44具有小于或等于0.012英寸的半径，从而提供大的负载侧面36。插入侧面34与牙顶42之间的过渡形状46具有等于或大于约.073英寸的半径，从而降低了螺纹牙顶宽度并在插入和装配期间能够使螺纹逐渐进入配合状态。根据本发明，螺纹牙形的螺根40形成为椭圆形E，该椭圆具有长轴EMJ和短轴EMI。选择螺根形状40以便提供具有插入侧面34和压力侧面36的平滑过渡。椭圆形状E产生了应力集中因子，该应力集中因子小于0.038英寸螺根半径的应力集中因子。
如图4中放大了的螺纹牙顶42所示，牙顶42的顶部以与牙顶锥度TC成某一角度从螺纹锥度Tth的顶部与其相对的倾斜。可优选地是，牙顶锥度约为1度，参看图5和6A,6B和6C，上述的现有技术的螺纹牙形示出了基本上与螺纹锥度Tth相同角度倾斜的牙顶41的牙顶锥度可使螺纹楔入。螺纹牙形的常规部分为：螺根39、插入侧面33、负载侧面35、从负载侧面到牙顶的过渡区域、从牙顶到插入侧面45的过渡区域。以牙顶锥度TC成某一角度从螺纹锥度Tth的顶部与其相对的倾斜的螺纹牙形可使阳螺纹端较容易地插入到阴端。图7A,7B和7C示出了优点，其中图7A为正在被插入到钻具接头的阴端12的阳端10的侧视图，图7B和7C示出了螺纹牙顶的方向角度TC的效果。如放大视图7C所示，牙顶42,42'的牙顶到牙顶楔入在插入期间是不同的，这是因为牙顶斜面与螺纹锥度在相反的方向上。图7A至7C示出了相对于图6A至图6C所示的插入关系的常规现有技术的螺纹牙形的优点。
如上所示，插入侧面角ΘS从常规的30°增加到优选的40°。同样如上所述，根据本发明，牙顶到插入侧面的过渡形状42增加到.073英寸或更大的半径。更大的ΘS和大的牙顶到插入侧面的过渡形状使所述连接件能够在插入之后更加容易地自身对中。图8A和8B示出了所述效果。图8A中阳端正在与阴端12的中线成某一角度的被插入到阴端12。由于增加了的插入角ΘS和更大的牙顶到插入侧面的过渡形状，阳端10移动并更加容易地与阴端12的中线对齐。此外，由于具有较少的材料妨碍，连接件夹紧的可能性降低。
Claims (36)
1.一种用于供钻探油气井用的钻柱的双台肩连接件接头(4)，包括：
阳端(10)，其具有形成于阳端外台肩(30)和阳端的面(26)之间的外螺纹(18)；
阴端(12)，其具有形成于阴端外台肩(28)与阴端内台肩(24)之间的内螺纹(20)；
所述阴端(12)具有位于内螺纹(20)与阴端外台肩(28)之间的镗孔部(14)；
所述阳端具有位于阳端外台肩(30)与外螺纹(18)之间的基部(16)和位于阳端的面(26)和外螺纹(18)之间的鼻部(22)；
所述内螺纹(20)和所述外螺纹(18)被设置和设计为用于彼此连接，以便于使具有公用中线C/L的所述阴端(12)和所述阳端(10)，与主台肩和密封件PS、次台肩SS连接，所述密封件由压靠在所述阴端外台肩(28)上的阳端外台肩(30)构成，所述次台肩由压靠在所述阴端内台肩(24)上的所述阳端的面(26)构成，并且
其中，所述连接件接头的特征在于：
所述内螺纹(20)和所述外螺纹(18)具有螺纹锥度Tth，所述螺纹锥度大于1.0英寸每英尺并小于1.2英寸每英尺。
2.如权利要求1所述的双台肩连接件接头(4)，其特征在于：螺距、螺纹长轴直径和螺距直径的螺纹牙形特征被设置和设计以便低于从插入到紧密接合所需的8圈。
3.如权利要求2所述的双台肩连接件接头(4)，其特征在于：对于为1.125英寸每英尺的螺纹锥度来说从插入到紧密接合所需的圈数为6圈。
4.如权利要求1所述的双台肩连接件接头(4)，其特征在于：所述外螺纹和内螺纹的特征在于在长轴半径和短轴半径之间测的螺纹高度h为螺纹三角形高度H的二分之一或更小。
5.如权利要求1所述的双台肩连接件接头(4)，其特征在于：所述内螺纹(20)和所述外螺纹(18)的特征在于具有插入侧面角ΘS和负载侧面角ΘP，插入侧面角在35度到42度之间，负载侧面角在25度和34度之间。
6.如权利要求5所述的双台肩连接件接头(4)，其特征在于：所述的插入侧面角ΘS为40度，所述负载侧面角ΘP为30度。
7.如权利要求1所述的双台肩连接件接头(4)，其特征在于：所述内螺纹(20)和所述外螺纹(18)的螺根成形为部分椭圆E的形状。
8.如权利要求1所述的双台肩连接件接头(4)，其特征在于：所述内螺纹(20)和所述外螺纹(18)的特征在于具有牙顶，所述牙顶具有在与所述螺纹锥度Tth的倾斜方向相反的方向上倾斜的牙顶锥度TC。
9.如权利要求5所述的双台肩连接件接头(4)，其特征在于：
所述内螺纹(20)和所述外螺纹(18)的特征在于具有牙顶，并且
负载侧面(36)和牙顶(42)之间的过渡形状(44)包括曲率等于或小于0.012英寸的半径，
从而提供大的负载侧面。
10.如权利要求5所述的双台肩连接件接头(4)，其特征在于：
所述内螺纹(20)和所述外螺纹(18)的特征在于具有通过切断螺纹整体高度H而形成的螺纹牙顶宽度，并且
插入侧面(34)与牙顶(42)之间的过渡形状(46)包括曲率大于80％的所述螺纹牙顶宽度的半径，从而在插入和装配期间使螺纹逐渐进入配合状态。
11.如权利要求7所述的双台肩连接件接头(4)，其特征在于：所述内螺纹(20)和所述外螺纹(18)的特征在于螺根为椭圆形，该椭圆形产生了低于0.038"螺根的应力集中因子的应力集中因子。
12.如权利要求1所述的双台肩连接件接头(4)，其特征在于：所述内螺纹(20)和所述外螺纹(18)的特征在于具有螺纹牙形，该螺纹牙形具有0.25英寸或更大的螺距。
13.如权利要求1所述的双台肩连接件接头(4)，其特征在于：所述阳端(10)的所述鼻部(22)具有等于或大于所述镗孔部(14)的长度LBC的长度LPN。
14.如权利要求13所述的双台肩连接件接头(4)，其特征在于：所述鼻部(22)的长度LPN为1.25英寸，所述镗孔部(14)的长度LBC为1英寸。
15.如权利要求1所述的双台肩连接件接头(4)，其特征在于，还具有鼻部横截面积、镗孔部横截面积和所述内螺纹(20)的长度LTH，所述内螺纹与所述外螺纹(18)连接，对所述外螺纹进行设计和布置以便施加到组装的连接件上扭矩导致实质的屈服首先出现在阳端基部或阴端镗孔部或阳端鼻部的较为薄弱区域。
16.如权利要求13所述的双台肩连接件接头(4)，其特征在于：
当将所述阳端(10)和所述阴端(12)连接在一起时，所述阴端外台肩(28)和所述阳端外台肩(30)限定了所述主台肩和密封件PS，并且所述阳端的面(26)和所述阴端内台肩(24)限定了所述次台肩SS，并且
选择所述阳端鼻部的长度LPN、所述镗孔部的长度LBC、与所述外螺纹(18)连接的内螺纹(20)的长度LTH、阳端鼻部横截面积CSPN、阴端镗孔部横截面积CSBC、阳端基部横截面积和钻具接头的外径TJOD和内径TJID2，从而取决于所述长度、横截面积和外径、内径的生产公差，在地面装配上的次台肩SS应力和主台肩和密封件PS应力在彼此的70％范围内。
17.如权利要求2所述的双台肩连接件接头(4)，其特征在于：所述螺纹锥度Tth为1.125英寸每英尺，所述外螺纹和内螺纹的特征在于具有在长轴半径和短轴半径之间测的螺纹高度h，所述螺纹高度h为螺纹三角形高度H的二分之一，所述内螺纹(20)和所述外螺纹(18)的特征在于具有插入侧面角ΘS和负载侧面角ΘP，插入侧面角在35度到42度之间，负载侧面角在25度和34度之间。
18.如权利要求17所述的双台肩连接件接头(4)，其特征在于：所述螺纹锥度Tth为1.125英寸每英尺，所述的插入侧面角ΘS为40度，所述负载侧面角ΘP为30度，所述内螺纹(20)和所述外螺纹(18)的螺根成形为部分椭圆E的形状，所述内螺纹(20)和所述外螺纹(18)的特征在于具有牙顶，所述牙顶具有在与所述螺纹锥度Tth的倾斜方向相反的方向上倾斜的牙顶锥度TC。
19.如权利要求18所述的双台肩连接件接头(4)，其特征在于：
所述内螺纹(20)和所述外螺纹(18)的特征在于具有螺纹牙形，该螺纹牙形具有0.25英寸或更大的螺距，
所述鼻部(22)的长度LPN为1.25英寸，所述镗孔部(14)的长度LBC为1英寸，并且
设计和布置鼻部横截面积和与所述外螺纹(18)连接的所述内螺纹(20)的长度LTH，以便连接的并所施加扭矩的螺纹的强度大于所述鼻部(22)或所述镗孔部(14)或所述阳端基部的强度。
20.如权利要求19所述的双台肩连接件接头(4)，其特征在于：
当将所述阳端(10)和所述阴端(12)连接在一起时，所述阴端外台肩(28)和所述阳端外台肩(30)限定了所述主台肩和密封件PS，并且所述阳端的面(26)和所述阴端内台肩(24)限定了所述次台肩SS，并且
选择所述鼻部的长度LPN、所述镗孔部的长度LBC、与所述外螺纹(18)连接的内螺纹(20)的长度LTH、阳端鼻部横截面积CSPN、阴端镗孔部横截面积CSBC和钻具接头的外径TJOD和内径TJID2，从而取决于所述长度、横截面积和外径、内径的生产公差，在地面装配扭矩上的次台肩SS纵向应力和主台肩和密封件PS纵向应力在彼此的70％范围内。
21.一种用于钻柱的双台肩连接件接头(4)，包括：
阳端(10)，其具有形成于阳端外台肩(30)与阳端的面(26)之间的外螺纹(18)；
阴端(12)，其具有形成于阴端外台肩(28)与阴端内台肩(24)之间的内螺纹(20)；
所述阴端(12)具有位于内螺纹(20)与阴端外台肩(28)之间的镗孔部(14)；
所述阳端具有位于阳端外台肩(30)与外螺纹(18)之间的基部(16)和位于阳端的面(26)和外螺纹(18)之间的鼻部(22)；
所述内螺纹(20)和所述外螺纹(18)被设置和设计为用于彼此连接以便所述阴端(12)和所述阳端(10)与密封件PS与次台肩SS连接，所述密封件由压靠在所述阴端外台肩(28)上的阳端外台肩(30)构成，所述次台肩由压靠在所述阴端内台肩(24)上的所述阳端的面(26)构成，并且
其中，所述连接件接头的特征在于：
所述内螺纹(20)和所述外螺纹(18)具有插入侧面角ΘS和负载侧面角ΘP，插入侧面角在35度到42度之间，负载侧面角在25度和34度之间。
22.如权利要求21所述的双台肩连接件接头(4)，其特征在于：所述外螺纹和内螺纹具有在长轴半径和短轴半径之间测的螺纹高度h，所述螺纹高度h为螺纹三角形高度H的二分之一。
23.如权利要求21所述的双台肩连接件接头(4)，其特征在于：所述的插入侧面角ΘS为40度，所述负载侧面角ΘP为30度。
24.如权利要求21所述的双台肩连接件接头(4)，其特征在于：所述内螺纹(20)和所述外螺纹(18)的螺根成形为部分椭圆E的形状。
25.如权利要求21所述的双台肩连接件接头(4)，其特征在于：所述内螺纹(20)和所述外螺纹(18)的特征在于具有牙顶，所述牙顶具有在与螺纹锥度Tth的倾斜方向相反的方向上倾斜的牙顶锥度TC。
26.如权利要求21所述的双台肩连接件接头(4)，其特征在于：
所述内螺纹(20)和所述外螺纹(18)的特征在于具有牙顶，并且
负载侧面(36)和所述牙顶(42)之间的过渡形状(44)包括曲率等于或小于0.012英寸的半径，
从而提供大的负载侧面。
27.如权利要求21所述的双台肩连接件接头(4)，其特征在于：
所述内螺纹(20)和所述外螺纹(18)的特征在于具有通过切断螺纹整体高度H而形成的螺纹牙顶宽度，并且
所述牙顶(42)的插入侧面(34)之间的过渡形状(46)包括曲率大于80％的所述螺纹牙顶宽度的半径，从而在插入和装配期间使螺纹逐渐进入配合状态。
28.如权利要求21所述的双台肩连接件接头(4)，其特征在于：所述内螺纹(20)和所述外螺纹(18)的螺根的特征在于为椭圆形，该椭圆形产生了低于0.038英寸螺根的应力集中因子的应力集中因子。
29.如权利要求22所述的双台肩连接件接头(4)，其特征在于：所述内螺纹(20)和所述外螺纹(18)具有螺纹锥度Tth，所述螺纹锥度Tth为1.125英寸每英尺。
30.一种用于钻柱的双台肩连接件接头(4)，包括：
阳端(10)，其具有形成于阳端外台肩(30)与阳端的面(26)之间的外螺纹(18)；
阴端(12)，其具有形成于阴端外台肩(28)与阴端内台肩(24)之间的内螺纹(20)；
所述阴端(12)具有位于内螺纹(20)与阴端外台肩(28)之间的镗孔部(14)；
所述阳端具有位于阳端外台肩(30)与外螺纹(18)之间的基部(16)和位于阳端的面(26)和外螺纹(18)之间的鼻部(22)；
所述内螺纹(20)和所述外螺纹(18)被设置和设计为用于彼此连接以便所述阴端(12)和所述阳端(10)与密封件PS与次台肩SS连接，所述密封件由压靠在所述阴端外台肩(28)上的阳端外台肩(30)构成，所述次台肩由压靠在所述阴端内台肩(24)上的所述阳端的面(26)构成，并且
其中，所述连接件接头的特征在于：
所述内螺纹(20)和所述外螺纹(18)具有牙顶(42)，并且
所述内螺纹(20)和所述外螺纹具有在相对于所述连接件的中线的方向上倾斜的螺纹锥度Tth，并具有在相对于所述连接件的中线的相反方向上倾斜的牙顶锥度TC，从而当所述阳端和阴端的螺纹插入在一起时减小从牙顶到牙顶的楔入。
31.如权利要求30所述的双台肩连接件接头(4)，其特征在于：所述内螺纹(20)和所述外螺纹具有插入侧面角ΘS和负载侧面角ΘP，插入侧面角在35度到42度之间，负载侧面角在25度和33度之间。
32.如权利要求31所述的双台肩连接件接头(4)，其特征在于：所述的插入侧面角ΘS为40度，所述负载侧面角ΘP为30度。
33.如权利要求32所述的双台肩连接件接头(4)，其特征在于：
所述内螺纹(20)和所述外螺纹(18)的特征在于具有通过切断螺纹整体高度H而形成的螺纹牙顶宽度，并且
所述牙顶(42)的插入侧面(34)之间的过渡形状(46)包括曲率大于80％的所述螺纹牙顶宽度的半径，从而在插入和装配期间使螺纹逐渐进入配合状态。
34.一种用于钻柱的双台肩连接件接头(4)，包括：
阳端(10)，其具有形成于阳端外台肩(30)与阳端的面(26)之间的外螺纹(18)；
阴端(12)，其具有形成于阴端外台肩(28)与阴端内台肩(24)之间的内螺纹(20)；
所述阴端(12)具有位于内螺纹(20)与阴端外台肩(28)之间的镗孔部(14)；
所述阳端具有位于阳端外台肩(30)与外螺纹(18)之间的基部(16)和位于阳端的面(26)和外螺纹(18)之间的鼻部(22)；
所述内螺纹(20)和所述外螺纹(18)被设置和设计为用于彼此连接以便所述阴端(12)和所述阳端(10)与密封件PS与次台肩SS连接，所述密封件由压靠在所述阴端外台肩(28)上的阳端外台肩(30)构成，所述次台肩由压靠在所述阴端内台肩(24)上的所述阳端的面(26)构成，并且
其中，钻杆接头的特征在于：
阳端鼻部横截面积CSPN至少为阴端镗孔部横截面积CSBC或阳端基部横截面积CSPB中较小面积的50％，并且
阳端鼻部长度LPN为镗孔部长度LBC的1到1.5倍。
35.如权利要求34所述的双台肩连接件接头(4)，其特征在于：所述镗孔部的特征在于其长度LBC为1英寸。
36.如权利要求35所述的双台肩连接件接头(4)，其特征在于：布置和设计螺距、螺纹长轴直径和螺距直径这些螺纹特征，以便从插入到紧密接合所需圈数小于8圈。
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