CN107101054B

CN107101054B - 油井管用螺纹接头

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Publication number: CN107101054B
Application number: CN201710086060.3A
Authority: CN
Inventors: 川井孝将; 金山太郎; 吉川正树; 关春彦; 植田正辉; 高野顺; 米山毅
Original assignee: NKK Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2016-02-19
Filing date: 2017-02-17
Publication date: 2019-06-28
Anticipated expiration: 2037-02-17
Also published as: JP6187724B1; BR112018016593A2; BR112018016593B1; RU2692177C1; CN207131996U; AU2016393093A1; EP3418617B1; MX2018009994A; US20190056049A1; EP3418617A1; JPWO2017141538A1; WO2017141538A1; CA3013300A1; MY189310A; CN107101054A; AU2016393093B2; AR107648A1; SA518392131B1; EP3418617A4; CA3013300C

Abstract

提供一种即便是壁厚较薄的管形材料用螺纹接头，在基于ISO13679：2002的气密性试验中在紧固时也不会发生粘扣，且通过抑制鼻部的塑性变形而在外压负荷时具有充分的气密性(充分的耐外压密封性)的油井管用螺纹接头。密封点和肩部的位置的包含螺纹接头尺寸的下述参数满足以下的式1、式2，且Ls/Ln：0.2～0.6。(Ds1²‑Ds0²)/(D1²‑D0²)≥0.30‥‥(式1)tanθ>(ΔD+δ)/{2(Lt‑Ls)}‥‥(式2)。

Description

油井管用螺纹接头

技术领域

本发明涉及通常在油井或气井的探测或生产使用的油井管用螺纹接头，尤其是涉及适合于管形材料的用途的油井管用螺纹接头。

背景技术

螺纹接头广泛地使用于油井管等产油产业设备所使用的钢管的连接。近年来，原油或天然气的井的高深度化进展，从垂直井增加了水平井、倾斜井等，因此挖掘/生产环境严苛化。而且，由于海洋、极地等恶劣的环境下的井的开发增加等，耐压缩性能、耐弯曲性能、外压密封性能(耐外压性能)等，对螺纹接头的要求性能多样化。以往，在油或气体的探索或生产所使用的钢管的连接中，典型地使用API(美国石油协会)规格所规定的标准的螺纹接头。然而，由于要求性能的多样化，使用被称为优质接头的高性能的特殊螺纹接头的情况增加，对其性能的要求也不断增加。

优质接头通常是分别具备锥形螺纹、密封部(详细而言金属接触密封部)、肩部(详细而言扭矩肩部)的接头，是将形成于管端部的外螺纹构件(以下，称为销)和与1个销连接并将2个销连结的内螺纹构件(以下，称为箱)结合而成的联轴器形式的接头。锥形螺纹为了将接头牢固地固定而至关重要，密封部通过箱与销进行金属接触而形成，起到确保气密性的作用，肩部成为在接头的紧固中起到限动件的作用的肩面。

另外，伴随着前述的井的高深度化，需要能够应对高温高压环境的油井管的情况增加。在井设计中汲取生产流体(原油或天然气等)的管形材料的外径小，而且，为了提高生产性并增大流体通过的内径的截面积而处于薄壁化的倾向。

在上述趋势下，存在用于满足对于维持螺纹接头自身的气密性能同时即使在大的压缩载荷下也具有高阻力和密封性能的螺纹接头的要求的现有技术。例如，已知有使箱侧的肩部接触面的截面积(将所述接触面向管轴正交面进行正投影而形成的区域的面积)相对于销原管截面积(对钢管端部进行了销加工后的钢管的销未加工部的截面积)之比为规定值(0.5)以上的方案(参照专利文献1)。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第4257707号公报

发明要解决的课题

在评价以ISO13679：2002要求的螺纹接头的气密性的试验中，外压使用基于API5C3规定的数学式而算出的值。在该试验中，例如，在由外径为114.3mm(4.5英寸，4.5”)以下的销构成的管形材料中，由于壁厚(WT)与外径(OD)之比即WT/OD相对变大，因此要求比外径超过114.3mm的情况高的外压下的气密性。

另一方面，在管形材料中，通常壁厚较薄，因此存在鼻部的壁厚变薄且肩部的截面积(将所述接触面向管轴正交面进行正投影而形成的区域的面积)也变小的倾向，螺纹接头紧固时的鼻部的塑性变形容易成为问题。这样的问题通过专利文献1的技术难以解决。而且，在现有技术中，在被称为粘扣的与紧固或松缓相伴的烧结的发生的改善这样的方面上，可以说还不充分。

发明内容

本发明鉴于上述的情况而做出，其目的在于提供一种即便是壁厚较薄的管形材料用螺纹接头，在基于ISO13679：2002的螺纹接头试验中在紧固时也不会产生粘扣，且在气密性试验中会抑制鼻部的塑性变形，在外压负荷时具有充分的气密性(充分的耐外压密封性)的油井管用螺纹接头。

用于解决课题的方案

本发明者为了解决上述课题而反复研究，做出了成为以下的主旨结构的本发明。

[1]一种油井管用螺纹接头，具备：

销，在外螺纹部的前端具有鼻部；及

箱，具有与该销的外螺纹部嵌合的内螺纹部及与所述鼻部相对的部位，其中，

所述销的位于鼻部前端的肩部与相对的所述箱的肩部沿轴向抵接，

所述销的鼻部外表面由凸曲面构成，相对的所述箱的内表面由相对于轴向的倾斜角为θ的锥形面构成，

所述销的鼻部外表面和所述箱的内表面这双方具有在接头紧固时沿半径方向进行金属接触而将流体密封的构造，

密封点定义为如下位置：将所述销及所述箱这双方的轴向的剖视图以使所述肩部彼此对合的方式重合时密封部彼此的半径方向的重叠量成为最大的轴向位置，

所述密封点和所述肩部的位置的包含螺纹接头尺寸的下述参数满足以下的式1、式2，且Ls/Ln：0.2～0.6。

(Ds1²-Ds0²)/(D1²-D0²)≥0.30‥‥(式1)

tanθ>(ΔD+δ)/{2(Lt-Ls)}‥‥(式2)

Ds1：表示肩接触面的上端位置的直径(英寸)

Ds0：表示肩接触面的下端位置的直径(英寸)

D1：销未加工部的外径(英寸)

D0：销未加工部的内径(英寸)

θ：箱的密封部的锥形角(°)

ΔD：鼻部与螺纹部的连接部位处的外径Dn(英寸)和密封点位置处的外径Dsp(英寸)之差(ΔD＝Dn-Dsp)(英寸)

δ：密封干涉量(密封点位置的直径范围内的密封部重叠量)(英寸)

Lt：箱的密封锥形部的结束位置指标(由距销前端的轴向长度来表示)(英寸)

Ls：密封点位置指标(由距销前端的轴向长度来表示)(英寸)

Ln：鼻部长度(英寸)

[2]根据所述[1]记载的油井管用螺纹接头，其中，所述销为外径114.3mm以下，所述Ln为5.08mm以上。

发明效果

根据本发明，即便是壁厚较薄的管形材料用螺纹接头，在基于ISO13679：2002的螺纹接头试验中在紧固时也不会发生粘扣，且在气密性试验中抑制鼻部的塑性变形，在外压负荷时能够实现充分的气密性(充分的耐外压密封性)。

附图说明

图1是表示本发明的油井管用螺纹接头的关联技术的油井管用优质接头的示意性的说明图，是图3中作为鼻部的A部分的概略图。

图2是表示本发明的油井管用螺纹接头的关联技术的油井管用优质接头的示意性的说明图，是图3中作为螺纹部的B部分的概略图。

图3是表示本发明的油井管用螺纹接头的关联技术的油井管用优质接头的示意性的说明图，是接头部整体的概略图。

图4是在径向密封型螺纹接头的示意图中记入了本发明使用的参数的一部分的图。

标号说明

1 接头部

2 箱

3 销

4 油井管用钢管

5 内螺纹部(箱侧)

7 外螺纹部(销侧)

8 鼻部(销鼻)

9 螺纹部的承载牙侧面

10 螺纹部的导向面

11、13 密封部(金属接触密封部)

12 肩部(销侧)

14 肩部(箱侧)

15 螺纹间隙

20 密封部(密封部11及密封部13重叠而形成的区域)

100 螺纹接头

具体实施方式

以下，关于本发明，首先参照图1～3进行说明。接下来，关于成为本发明的特征的点，参照图4更详细地进行说明。

图1～3是表示本发明的油井管用螺纹接头的关联技术的油井管用优质接头的示意性的说明图，它们是圆管的螺纹接头的纵向剖视图(管轴在截面内延伸的剖视图)。螺纹接头100具备销3和与之对应的箱2。销3在其外表面具有外螺纹部7和与外螺纹部7相邻地设置在销3的前端侧的没有螺纹的长度部分即鼻部(也称为销鼻)8。鼻部8在其外周面具有密封部(详细而言，金属接触密封部)11，在其端面具有肩部12。箱2是在其内表面具有能够与销3的外螺纹部7、密封部11及肩部12分别螺合或者接触的部分的内螺纹部5、密封部13及肩部14。

在关联技术中，在销3前端部具有密封部11，通过施加适当的紧固扭矩而能够实现所希望的密封性能。紧固扭矩受到润滑条件、表面性状等的影响，因此作为不会较大地依赖于它们的设计，存在使密封接触压力的半径方向成分相对变强的半径方向密封方式(以后，称为径向密封型)。所述径向密封型也是在与肩部不同的部位具有密封部这样的点上，与销前端部具有密封部的方式的螺纹接头相同，但是具有在轴向的拉伸载荷作用的情况下密封接触压力难以降低这样的优点。

需要说明的是，α是承载牙侧角，通过螺纹部的承载牙侧面9与管轴正交面所成的角度来定义。承载牙侧角α如图2那样承载牙侧面9的销内径侧的端部位于比销外径侧的端部靠销前端侧的情况下，由负的角度(例如，α＝-5°等)表示，在相反的情况下，由正的角度(例如，α＝5°)表示，在不是上述任一者的情况下，表示为α＝0°。螺纹间隙15由销与箱的承载牙侧面彼此相互接触时的螺纹部的导向面10的销侧与箱侧的面间隔(螺纹牙高度方向的中央位置处的面间隔)来定义。

图4是在径向密封型螺纹接头的示意图中记入了本发明使用的参数的一部分的图。在图4中，对于与图1～3相同或相当部分标注相同标号，并省略说明。该径向密封型螺纹接头具备：在阳螺纹部的前端连结鼻部的外径(后述的D1)114.3mm以下的销3；具有与该销3的外螺纹部嵌合的内螺纹部及与所述鼻部8相对的部位的箱2。位于所述销3的鼻部8前端的肩部12与相对的所述箱2的肩部14沿轴向抵接。所述销3的鼻部8外表面由凸曲面构成，相对的所述箱2的内表面由相对于轴向的倾斜角(锥形角)为θ的锥形面构成。所述销3的鼻部8外表面和所述箱2的内表面这双方具有在接头紧固时沿半径方向进行金属接触而成为将流体密封的构造的、销侧的密封部11及箱侧的密封部13。

本发明能够适用于销外径为114.3mm以下的接头。虽然也能够适用于API 5CT记载的壳体尺寸即销外径超过114.3mm的接头，但是如果销外径超过114.3mm，则即便不是以满足后述的式1、式2并使Ls/Ln收纳于本发明的范围的方式进行设计，也能够实现耐外压密封性及耐粘扣性这两者。另一方面，即便销外径为114.3mm以下，通过以满足后述的式1、式2并使Ls/Ln收纳于本发明的范围的方式进行设计，也能够实现耐外压密封性及耐粘扣性这两者。

在图4中，Ds1是表示肩接触面的上端(外径侧的端部)位置的直径(英寸)，Ds0是表示肩接触面的下端(内径侧的端部)位置的直径(英寸)。销3的未加工部的外径D1(英寸)及内径D0(英寸)在图4中未图示。需要说明的是，肩接触面是指肩部12与肩14抵接的面。销3的未加工部是指销3中的以肩部12为前端侧时的后端侧的外螺纹部7不存在的区域，即沿着管轴方向而外径及内径一定的原管区域。

另外，θ是箱2的密封部13的锥形角(°)。Dn是销3的鼻部外径(英寸)。即，Dn(英寸)是鼻部8与外螺纹部7的连接部位处的销3的直径。Dsp是销3的密封点位置处的外径(英寸)。ΔD是鼻部外径Dn与密封点位置处的外径Dsp之差(ΔD＝Dn-Dsp)(英寸)。

δ是密封干涉量(英寸)。该密封干涉量δ是销侧的密封部11与箱侧的密封部13重合而形成的区域即密封部20的密封点位置处的直径范围内的密封部重叠量。

Lt是箱2的密封锥形部的结束位置指标(由距销前端的轴向长度表示)(英寸)。Ls是密封点位置指标(由距销前端的轴向长度表示)(英寸)。Ln是鼻部长度(英寸)。

密封点是将销3及箱2这双方的轴向的剖视图以使肩部彼此(肩部12与肩部14)对合的方式重合时密封部彼此(密封部11与密封部13)的半径方向的重叠量成为最大的轴向位置。

为了确保气密性(尤其是耐外压密封性)而需要将密封点放置在从管端(销前端)分离的位置。具体而言，以使密封点位置指标Ls除以鼻部长度Ln而得到的Ls/Ln成为Ls/Ln＝0.2～0.6的方式进行设计。优选Ls/Ln为0.3以上。优选Ls/Ln为0.5以下。而且，鼻部长度Ln优选为0.2”(0.2英寸，5.08mm)以上。

需要说明的是，如果鼻部长度Ln过长，则后述的式1的成立变得困难，在与鼻部的塑性变形相伴的密封性下降的点上不利，因此优选为1”(25.4mm)以下。

为了抑制鼻部的塑性变形，增大肩部的截面积比的情况有效，密封部的锥形角θ必然减小。在此，“肩部的截面积比”是指肩部的接触面的向轴正交面的正投影像的面积相对于销未加工部的轴正交截面积之比，通过以下的式1的左边的数学式来计算。

(Ds1²-Ds0²)/(D1²-D0²)≥0.30‥‥(式1)

式1中，

Ds1：表示肩接触面的上端位置的直径(英寸)，

Ds0：表示肩接触面的下端位置的直径(英寸)，

D1：销未加工部的外径(英寸)，

D0：销未加工部的内径(英寸)。

如图4所示，通常成为具有将密封部与螺纹部连接的部分即“密封部与螺纹部的连接部C”的设计。在进行极端的设计而密封部与螺纹部的连接部C的高低差增大的情况下，紧固过程初期发生密封部与螺纹部的连接部C处的接触，产生较大的面压而成为粘扣的原因。

作为这样的问题的解决对策，本发明者们发现了：通过以使上述参数满足所述式1及以下的式2的方式进行设计，能够抑制鼻部的塑性变形，并能够防止向密封部与螺纹部的连接部C的紧固时的接触引起的粘扣。

tanθ>(ΔD+δ)/{2(Lt-Ls)}‥‥(式2)

式2中，

θ：箱的密封部的锥形角(°)，

ΔD：销的鼻部外径Dn(英寸)与密封点位置处的外径Dsp(英寸)之差(ΔD＝Dn-Dsp)(英寸)

δ：密封干涉量(密封点位置的直径范围内的密封部重叠量)(英寸)，

Lt：箱的密封锥形部的结束位置指标(由距销前端的轴向长度表示)(英寸)，

Ls：密封点位置指标(由距销前端的轴向长度表示)(英寸)。

式1的左边的数学式是指“肩部的截面积比”。通过使该值为0.30以上，能够有效地抑制鼻部的塑性变形。需要说明的是，如果式1的左边值过大，则式2不再成立，因此现实的式1的左边值的最大值成为0.5。

另一方面，式2的数学式是以在箱的密封锥形部的结束位置(位置指标为Lt的位置)处避免销与箱干涉的方式表示θ应满足的条件的式子。

箱的密封部的锥形角θ的正切即tanθ高于式2的右边值，由此向密封部与螺纹部的连接部C的紧固时的接触引起的粘扣不再发生。需要说明的是，如果θ变得过大，则式1不再成立，因此现实的θ的最大值成为15°(tanθ为0.268以下)。

另外，在导出式1、式2的过程中使用的参数的数值范围如以下所述。

Ds1：0.9”～4.3”，Ds0：0.7”～4.0”，D1：1.0”～4.5”，D0：0.7”～4.0”，

θ：3°～15°，Dn：1.0”～4.4”，Dsp：1.0”～4.4”，δ：0.004”～0.040”

Lt：0.1”～0.9”，Ls：0.04”～0.6”，Ln：0.2”～1.0”。

另外，在导出式1、式2的过程中使用的螺纹部中，轴长度1”范围内的螺纹数为4牙～8牙，承载牙侧角α及螺纹间隙15(参照图2)的数值范围为α：-10°～5°，螺纹间隙：0.025mm～0.200mm，销未加工部壁厚(销原管壁厚)为0.1”～1.0”。

由此，通过至少将上述式1、式2的导出过程中使用的数值范围内的螺纹接头设为本发明的适用对象，能得到本发明的效果。而且，作为适用本发明的螺纹接头的油井管的钢种，可列举API 5CT记载的各种钢种。

实施例

在实施例中，准备了多个具有对API规格的L80相当的碳钢(屈服强度90ksi＝620MPa)的外径3-1/2”×壁厚0.254”的油井管用钢管的管端部进行螺纹切削加工而形成的销和与之对应的箱的油井管用螺纹接头。各油井管用螺纹接头以低(Low)扭矩(3500ft·lb)进行紧固(Make-up)时，成为表1及表2所示的各种因素水准。各油井管用螺纹接头向基于ISO13679：2002的气密性试验提供。需要说明的是，销螺纹牙轴长度1”范围内为5牙，承载牙侧角α为-5°，螺纹间隙15为0.10mm。

试验结果如表3所示。如表3所示可知，本发明例的任意的水准在基于ISO13679：2002的气密性试验中都合格，不粘扣而能够紧固，且抑制塑性变形，具有充分的气密性。

[表1]

[表2]

[表3]

Claims

1.一种油井管用螺纹接头，具备：

销，在外螺纹部的前端具有鼻部；及

箱，具有与该销的外螺纹部嵌合的内螺纹部及与所述鼻部相对的部位，

其中，

密封点定义为如下位置：在将所述销与所述箱嵌合之前，将所述油井管用螺纹接头的设计阶段的所述销及所述箱这双方的轴向的剖视图以使所述肩部彼此对合的方式重合时密封部彼此的半径方向的重叠量成为最大的轴向位置，

在所述密封点和所述肩部的位置的包含螺纹接头尺寸在内的下述参数满足以下的式1、式2，且Ls/Ln：0.2～0.6，

(Ds1²-Ds0²)/(D1²-D0²)≥0.30‥‥(式1)

tanθ>(ΔD+δ)/{2(Lt-Ls)}‥‥(式2)

Ds1：表示肩接触面的上端位置的直径(英寸)

Ds0：表示肩接触面的下端位置的直径(英寸)

D1：销未加工部的外径(英寸)

D0：销未加工部的内径(英寸)

θ：箱的密封部的锥形角(°)

ΔD：鼻部与螺纹部的连接部位处的外径Dn(英寸)和密封点位置处的外径Dsp(英寸)之差，即ΔD＝Dn-Dsp(英寸)

δ：密封干涉量，即密封点位置的直径范围内的密封部重叠量(英寸)

Lt：箱的密封锥形部的结束位置指标，由距销前端的轴向长度来表示(英寸)

Ls：密封点位置指标，由距销前端的轴向长度来表示(英寸)

Ln：鼻部长度(英寸)。