CN107883082A - 油井钢管用螺纹接头 - Google Patents

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Abstract

提供一种密封性及耐压缩性优异的油井钢管用螺纹接头。具有：设有阳螺纹(4)的销(2)；及设有与阳螺纹(4)螺合的阴螺纹(5)的箱(3)，在外周面侧密封部(9)中，规定的位置的密封点(sp1)处的销的截面积S1(mm2)和销未加工部(6)即原管部的截面积S0(mm2)满足式：(S1/S0)×100≥15(％)，在内周面侧密封部(10)中，规定的位置的密封点(sp2)处的箱的截面积S2(mm2)和箱未加工部(7)即原管部的截面积S0’(mm2)满足式：(S2/S0’)×100≥20(％)，螺纹列(A、B)间的中间肩(C)的接触部(8)的截面积S3(mm2)、截面积S0(mm2)满足式：(S3/S0)×100≥10(％)。

Description

油井钢管用螺纹接头
技术领域
本发明涉及油井管所使用的管螺纹接头，所述油井管是通常在油井或气井的探查或生产中使用的包括管材及壳体的油井管。即，本发明涉及在OCTG(oil country tubulargoods：石油工业用管材)、立管、以及管线管等钢管的连接中使用的管螺纹接头。本发明的管螺纹接头在密封性及耐压缩性上优异。
背景技术
管螺纹接头广泛地使用于在油井管等产油产业设备中使用的钢管的连接。油或气的探索或生产中使用的钢管的连接中，以往典型地使用遵照API(美国石油协会)规格所规定的标准的管螺纹接头。
近年来，原油或天然气的井不断深井化，从垂直井也增加出水平井、倾斜井等，因此挖掘/生产环境变得更加严苛。而且，由于海洋或极地等恶劣的环境下的井的开发不断增加的情况等，耐压缩性能、耐弯曲性能、外压密封性能等，对管螺纹接头的要求性能多样化。为了这样的要求性能，被称为优质接头的高性能的特殊的管螺纹接头的使用近年来增加。
而且，为了降低井开发时的挖掘量，需要使井成为细长。相对于此，在上述的优质接头之中，对于不经由连接构件而将管彼此直接连接的整体形式的管螺纹接头的要求也升高。
上述的优质接头通常在各管的管端侧具备锥螺纹、金属接触密封部、扭矩肩部。它们是分别构成在管的一端侧设置的作为阳形部的销和在管的一端侧设置的与上述的阳形部螺合或嵌合的作为阴形部的箱的要素。这些要素以在接头(管螺纹接头的意思，以下相同)的紧固时使阴阳的同名要素彼此面对的方式设计。
为了将接头紧固地固定而需要上述的锥螺纹。而且，上述的金属接触密封部在该金属接触密封部的区域通过箱与销的金属接触来确保密封性。而且，上述的扭矩肩部成为在接头的紧固中担任限动件的作用的肩面。
并且，在整体形式的管螺纹接头(以下，也称为整体接头)中，上述的金属接触密封部设置于轴向(管轴方向的意思。以下相同)的一个或两个以上的部位。其中至少1个部位的金属接触密封部设置在上述销的与锥螺纹的销前端侧螺纹端连接的无螺纹部(以下，称为鼻)的外周面及上述箱的与锥螺纹的箱后端侧螺纹端连接的无螺纹部(以下，称为鼻孔)的内周面。该金属接触密封部在接头的紧固时，上述鼻与上述鼻孔的金属接触密封部彼此沿半径方向接触，形成防止管内侧的流体进入锥螺纹的区域的密封面(为了简便起见，称为内侧径向密封面)。
另外，整体接头中存在分别在上述销和上述箱中将上述锥螺纹的区域沿轴向分割成两部分的结构。将上述分割成两部分中的销前端侧的螺纹列和与之螺合的箱后端侧的螺纹列称为第一螺纹列。另一方面，将销后端侧的螺纹列和与之螺合的箱前端侧的螺纹列称为第二螺纹列。上述的第一螺纹列、第二螺纹列在径向(管径方向的意思。以下相同)上来说，第一螺纹列成为内径侧，第二螺纹列成为外径侧。在上述第一螺纹列与上述第二螺纹列的交界设有上述扭矩肩部，将其称为中间肩。
在具有上述中间肩的整体接头中，在将上述金属接触密封部设置于轴向的两个部位时，两个部位中的一个形成上述的内侧径向密封面。另一个金属接触密封部设于上述销的与第二螺纹列后端连接的无螺纹部的外周面(为了简便起见，称为销后端侧非螺纹面)及上述箱的与第二螺纹列前端连接的无螺纹部的内周面(为了简便起见，称为箱前端侧非螺纹面)。该金属接触密封部在接头的紧固时，上述销后端侧非螺纹面与上述箱前端侧非螺纹面的金属接触密封部彼此沿半径方向接触，形成防止管外侧的流体进入锥螺纹的区域的密封面(为了简便起见，称为外侧径向密封面)。
作为具有上述中间肩的整体接头的现有技术的一例，图3示出专利文献1记载的附带有管用螺纹的接头(管螺纹接头)。专利文献1记载的发明的课题在于，生产维持适当的刚性并设有改良了的密封件的附带有管用螺纹的接头、及改善对于高载荷尤其是对于压缩载荷的接头的构造的抵抗(特性)、避免上述特性对密封功能造成影响。并且，在专利文献1记载的发明中，设有从上述箱前端侧非螺纹面的金属接触密封部突出至箱最前端的加强部分，规定该加强部分的长度或者进而规定壁厚(壁厚度)，并且避免上述箱的加强部分全长与相对的销后端侧的管(原管部)发生接触。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第5232475号公报
发明要解决的课题
然而，在上述的专利文献1记载的技术中，关于拉伸、压缩、进而内压及外压的复合载荷而作用高载荷时，无法说是能够确保充分的密封性，希望密封性的提高。此外，也要求与提高密封性一起提高耐压缩性。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种密封性及耐压缩性优异的油井钢管用螺纹接头。
需要说明的是，在本发明中，密封性优异是指ISO13679：2002的系列A测试中规定的螺纹接头的复合载荷条件下的密封性评价试验合格的情况。
而且，在本发明中，耐压缩性优异是指在上述的ISO试验的载荷条件下即使关于任意的压缩条件而作用高压缩负荷，密封性评价试验也合格的情况。拉伸载荷将管或接头的拉伸强度的95％规定为最大值，耐压缩性表现为对于拉伸载荷的比率。在T&C(Threadedand Coupled：螺纹连接)类型的接头中，通常，通过管的拉伸强度来决定连接部的强度，将管的拉伸强度的80％压缩率以上的性能称为压缩性高，在能够达成100％压缩率的情况下可以说具有非常高的耐压缩性。在半溢料类型的接头中，通过接头设计来决定拉伸强度，管的拉伸强度的70％以上可以说是充分的拉伸强度的设计。在半溢料类型的接头中，将接头的拉伸强度的70％压缩率以上的性能称为压缩性高，在能够达成与拉伸强度同等的100％压缩率的情况下称为具有非常高的耐压缩性。
用于解决课题的方案
本发明者们为了解决上述的课题而进行仔细研究，得到了以下的见解。首先，在现有技术中，作为无法确保所希望的密封性的理由，着眼于未充分地考虑密封部的管端侧的刚性的情况。并且，本发明者们得到了如下见解：通过对规定的密封点处的截面积进行规定来确保刚性，由此，即使作用高载荷也能得到充分的面压，能够确保充分的密封性。而且，当作用拉伸力时，在箱的管端侧形成的通过箱内周面与销外周面的接触而形成的密封部处，与拉伸变形同时地也产生销的缩径变形。因此，密封干涉量降低且箱的管端侧密封部的密封面压降低。即，箱的管端侧密封部的接触面压更容易降低，因此也得到为了确保密封性而优选将箱的管端侧密封部的密封截面积的规定值设定得比销的管端侧密封部侧的截面积高的见解。此外，也得到了通过对中间肩的截面积比进行规定而能够确保耐压缩性的见解。
基于以上的见解而完成的本发明的主旨如下。
[1]一种油井钢管用螺纹接头，具有：
销，在钢管的一端设置有阳形的锥螺纹即阳螺纹；及
箱，在钢管的一端设置有与所述阳螺纹螺合的阴形的锥螺纹即阴螺纹，
使所述销与所述箱进行金属接触而将流体密封的径向密封构造设置于所述销的管端侧的外周面侧密封部及所述箱的管端侧的内周面侧密封部这两个部位，
所述油井钢管用螺纹接头具有在所述阴阳的锥螺纹的螺纹列的中途形成的中间肩，
在所述销的管端侧形成的所述外周面侧密封部中，与箱侧的密封面最初接触的销侧的鼻部外周面上的部位即密封点处的销的截面积S1(mm2)和销未加工部即原管部的截面积S0(mm2)满足以下的式(1)，
在所述箱的管端侧形成的所述内周面侧密封部中，与销侧的密封面最初接触的箱侧的管端部内周面上的部位即密封点处的箱的截面积S2(mm2)和箱未加工部即原管部的截面积S0’(mm2)满足以下的式(2)，
所述中间肩的接触部的面积S3(mm2)和销未加工部即原管部的截面积S0(mm2)满足以下的式(3)。
(S1/S0)×100≥15(％)…(1)
(S2/S0’)×100≥20(％)…(2)
(S3/S0)×100≥10(％)…(3)
[2]根据所述[1]记载的油井钢管用螺纹接头，其中，
所述S1、所述S0、所述S2及所述S0’满足以下的式(4)。
(S1/S0)≤(S2/S0’)…(4)
发明效果
根据本发明，能够得到密封性及耐压缩性优异的油井用钢管螺纹接头。
附图说明
图1是说明本发明的实施方式的一例的油井钢管用螺纹接头的剖视图，也是式(1)及式(3)的说明图。
图2是说明本发明的实施方式的一例的油井钢管用螺纹接头的剖视图，也是式(2)的说明图。
图3是表示以往的油井钢管用螺纹接头的一例的剖视图，(a)是管轴方向剖视图，(b)是表示金属接触密封部的放大剖视图。
标号说明
1 油性钢管用螺纹接头
2 销
3 箱
4 阳螺纹
5 阴螺纹
6 销未加工部
7 箱未加工部
8 接触部
9 外周面侧密封部
10 内周面侧密封部
11、12 肩部
A 第一螺纹列
B 第二螺纹列
C 中间肩
sp1 密封点
sp2 密封点
α 螺纹接头轴
具体实施方式
以下，关于本发明，参照附图进行说明。图1是说明本发明的实施方式的一例的油井钢管用螺纹接头的剖视图，也是以下说明的式(1)及式(3)的说明图。而且，图2也是说明本发明的实施方式的一例的油井钢管用螺纹接头的剖视图，也是以下说明的式(2)的说明图。需要说明的是，图3是表示以往的油井钢管用螺纹接头的一例的剖视图，(a)是管轴方向剖视图，(b)是表示金属接触密封部的放大剖视图。
在本发明的油井钢管用螺纹接头1中，通过销2和箱3将钢管连接。如图1、图2所示，本发明的油井钢管用螺纹接头1是将销2与箱3通过螺纹结合而结合形成的螺纹接头(优质接头)。而且，本发明的油井钢管用螺纹接头1是通过销2和箱3将钢管彼此直接连接的整体式螺纹接头。
在销2的钢管的一端设有阳形的锥螺纹即阳螺纹4。而且，在箱3的钢管的一端设有与阳螺纹4螺合的阴形的锥螺纹即阴螺纹5。
在本发明的油井钢管用螺纹接头1中，销2与箱3进行金属接触而将流体密封的径向密封构造设置在阳螺纹4的管端侧(图1、2中，与螺纹接头轴α平行的X轴的负方向侧)的外周面侧密封部9和阴螺纹5的管端侧(图1、2中，X轴正方向侧)的内周面侧密封部10这两个部位。外周面侧密封部9及内周面侧密封部10分别可以作为参照图3说明的金属接触密封部。
外周面侧密封部9在接头的紧固时，鼻(销2的与锥螺纹的销前端侧螺纹端连接的无螺纹部)与鼻孔(箱3的与锥螺纹的箱后端侧螺纹端连接的无螺纹部)的金属接触密封部彼此接触，能够形成防止管内侧的流体进入锥螺纹的区域的密封面。
内周面侧密封部10设置在销2的与第二螺纹列B后端连接的无螺纹部的外周面(为了简便起见，称为销后端侧非螺纹面)及上述箱3的与第二螺纹列B前端连接的无螺纹部的内周面(为了简便起见，称为箱前端侧非螺纹面)。内周面侧密封部10在接头的紧固时，上述销后端侧非螺纹面与上述箱前端侧非螺纹面的密封部彼此接触，形成防止管外侧的流体进入锥螺纹的区域的密封面。
另外，本发明的油井钢管用螺纹接头1具有在阴阳的锥螺纹的2个螺纹列(第一螺纹列A、第二螺纹列B)的中途形成的中间肩C。中间肩C作为在接头的紧固中成为担任限动件的作用的肩面的扭矩肩部发挥作用。
此外，本发明的油井钢管用螺纹接头1可以在销2的前端具有肩部11，也可以在箱3设置与该肩部11抵接的肩12。
并且，本发明的油井钢管用螺纹接头1的特征之一是在外周面侧密封部9中，与箱3侧的密封面最初接触的销2侧的鼻部外周面上的部位即密封点sp1(参照图1)处的销的截面积S1(mm2)和作为销未加工部6的原管部的截面积S0(mm2)满足以下的式(1)。需要说明的是，原管部(销未加工部6)是指设于销2前端的阳螺纹以外的区域，具有圆筒形状。
(S1/S0)×100≥15(％)…(1)
“(S1/S0)×100”小于15％时，产生由拉伸及内压引起的泄漏，无法确保充分的密封性。因此，在本发明中，将“(S1/S0)×100”设为15％以上，优选设为20％以上。更优选为25％以上。另一方面，在本发明中，如果将“(S1/S0)×100”设为超过50％，则无法确保中间肩C及外周面侧密封部9的截面积，有时得不到充分的性能。因此，在本发明中，“(S1/S0)×100”优选设为50％以下。更优选为40％以下。
需要说明的是，上述的截面积S1、S0的截面是指与螺纹接头轴α(X轴正负方向)垂直的面的截面，以下说明的截面积S2、S3的截面也是指与螺纹接头轴α(X轴正负方向)垂直的面的截面。
另外，上述的“与箱3侧的密封面最初接触的销2侧”是指与箱3侧的密封面接触的销2的最前端位置(X轴负方向侧最前端位置)。
另外，本发明的油井钢管用螺纹接头1的特征也在于，在外面侧密封部10中，与销2侧的密封面最初接触的箱3侧的管端部内周面上的部位即密封点sp2(参照图2)处的箱3的截面积S2(mm2)和箱未加工部7即原管部的截面积S0’(mm2)满足以下的式(2)。需要说明的是，原管部(箱未加工部7)是指设于箱3前端的阴螺纹以外的区域，具有圆筒形状。
(S2/S0’)×100≥20(％)…(2)
如果“(S2/S0’)×100”小于20％，则产生由拉伸及外压引起的泄漏，无法确保充分的密封性。因此，在本发明中，使“(S2/S0’)×100”为20％以上，优选为25％以上。更优选为30％以上。另一方面，在本发明中，如果使“(S2/S0’)×100”超过50％，则难以确保内周面侧密封部10及中间肩C的截面积，有时得不到充分的性能。通过增大内周面侧密封部的外径来实现高的截面积的情况虽然并非不可能，但是增大外径的情况与作为整体式螺纹接头的特征的细长的接头的实现相违背，因此过大的外径下的设计并不现实。因此，在本发明中，“(S2/S0’)×100”优选为50％以下。更优选为45％以下。
另外，上述的“与销2侧的密封面最初接触的箱3侧”是指与销2侧的密封面接触的箱3的最前端位置(X轴正方向侧最前端位置)。
此外，本发明的油井钢管用螺纹接头1的特征也在于，中间肩C的接触部8(参照图1)的面积S3(mm2)和销未加工部6即原管部的截面积S0(mm2)满足以下的式(3)。
(S3/S0)×100≥10(％)…(3)
如果“(S3/S0)×100”小于10％，则在压缩时，过度的负荷作用于密封部，会引起与塑性变形相伴的密封性下降，产生由拉伸及内压引起的泄漏，无法确保充分的密封性。而且，在紧固时，在肩部发生塑性变形，也存在无法紧固的情况。因此，在本发明中，使“(S3/S0)×100”为10％以上，优选为15％以上。更优选为20％以上。另一方面，在本发明中，如果使“(S3/S0)×100”超过50％，则无法确保外周面侧密封部9及内周面侧密封部10的截面积，有时得不到充分的性能。因此，在本发明中，“(S3/S0)×100”优选为50％以下。更优选为40％以下。
在本发明中，正因为满足上述式(1)～(3)的全部，才能够得到所希望的密封性及耐压缩性。
另外，本发明的油井钢管用螺纹接头1优选上述的S1、S0、S2及S0’满足以下的式(4)。
(S1/S0)≤(S2/S0’)…(4)
当拉伸力作用于接头时，与拉伸侧的变形同时地也产生缩径侧的变形。因此，密封干涉量降低，在箱的管端侧形成的内周面侧密封部10的密封面压降低。即，内周面侧密封部10的接触面压更容易降低，因此为了确保密封性，优选将内周面侧密封部10的密封截面积的规定值设定得比外周面侧密封部9高。因此，在本发明中，通过使(S2/S0’)为(S1/S0)以上，即，通过将内周面侧密封部10的密封截面积比设定得高于外周面侧密封部9的密封截面积比，能够确保更充分的密封性。因此，在本发明中，优选设为“(S1/S0)≤(S2/S0’)”，(S2/S0’)更优选为(S1/S0)的1.1倍以上。进一步优选为1.2倍以上。
在本发明中，虽然没有特别限定，但是销未加工部6和箱未加工部7的外径优选为5～16英寸，更优选为5.5～14英寸。
另外，在本发明中，销未加工部6和箱未加工部7的壁厚优选为12mm以上，更优选为15mm以上。
另外，在本发明的螺纹接头中，承载牙侧面的角度优选为5～30度，更优选为10～25度。
另外，插入牙侧面角度优选为-10～0度，更优选为-7～-3度。
如以上说明所述，根据本发明，能够得到密封性及耐压缩性优异的油井用钢管螺纹接头。
实施例
以下，基于实施例来说明本发明。
关于由对API 5CT的钢种Q125的外径9-5/8英寸×壁厚0.545英寸(外径244.48mm×壁厚13.84mm)的钢管端部进行加工而形成的销和与之对应的箱构成的螺纹接头，制造了样品，实施了ISO 13679：2002的系列A测试。在该实施中，以表1所示的各水准的实验条件进行了实验。而且，作为表1未示出的实验条件，在全部的水准中共通地，作为螺纹牙接触面而将承载牙侧面的角度设为-5度，将插入牙侧面角度设为15度。
表1中，外周面侧密封部相对于母管未加工部的面积比(％)是指“与箱侧的密封面最初接触的销侧的鼻部外周面上的部位即密封点处的销的截面积S1(mm2)相对于销未加工部即原管部的截面积S0(mm2)之比((S1/S0)×100[％])”。
另外，内周面侧密封部相对于母管未加工部的面积比(％)是指“与销侧的密封面最初接触的箱侧的管端部内周面上的部位即密封点处的箱的截面积S2(mm2)相对于箱未加工部即原管部的截面积S0’(mm2)之比((S2/S0’)×100[％])”。
另外，中间肩相对于母管未加工部的面积比(％)是指“中间肩的接触部的面积S3(mm2)相对于销未加工部即原管部的截面积S0(mm2)之比((S3/S0)×100[％])”。
本实施例的测试是系列A测试中的负荷有拉伸力/压缩力和内压/外压的复合载荷而评价密封性的测试，负载调度通过VME95％和API Collapse压来定义。在本测试中，使试验的最大拉伸率为70％。
在最大压缩率49％(以与拉伸率之比计为70％)的负荷条件下密封试验合格时，密封性及耐压缩性都优异，性能评价为合格。在最大压缩率70％(以与拉伸率之比计为100％)的负荷条件下密封试验合格时是耐压缩性更优异的设计。
结果如表1所示。
[表1]
如表1所示，在比较例1中，中间肩的面积比小于10％，非常小，因此紧固时在肩部发生塑性变形，在紧固时点成为不合格。
在比较例2中，中间肩的面积比小于10％，因此在压缩时，过度的负荷作用于密封部，会引起与塑性变形相伴的密封性下降，由于产生由拉伸及内压(以下，也记为拉伸+内压)引起的泄漏，因此成为不合格。
在比较例3中，外周面侧密封部的面积比小于15％，因此在拉伸+内压下产生泄漏，因此成为不合格。
在比较例4中，内周面侧密封部的面积比小于20％，因此产生由拉伸及外压(拉伸+外压)引起的泄漏，因此成为不合格。
另一方面，本发明例1～5都合格，可知本发明例具有优异的密封性及耐压缩性。

Claims (2)

1.一种油井钢管用螺纹接头，具有：
销，在钢管的一端设置有阳形的锥螺纹即阳螺纹；及
箱，在钢管的一端设置有与所述阳螺纹螺合的阴形的锥螺纹即阴螺纹，
使所述销与所述箱进行金属接触而将流体密封的径向密封构造设置于所述销的管端侧的外周面侧密封部及所述箱的管端侧的内周面侧密封部这两个部位，
所述油井钢管用螺纹接头具有在所述阴阳的锥螺纹的螺纹列的中途形成的中间肩，
在所述销的管端侧形成的所述外周面侧密封部中，与箱侧的密封面最初接触的销侧的鼻部外周面上的部位即密封点处的销的截面积S1(mm2)和销未加工部即原管部的截面积S0(mm2)满足以下的式(1)，
在所述箱的管端侧形成的所述内周面侧密封部中，与销侧的密封面最初接触的箱侧的管端部内周面上的部位即密封点处的箱的截面积S2(mm2)和箱未加工部即原管部的截面积S0’(mm2)满足以下的式(2)，
所述中间肩的接触部的面积S3(mm2)和销未加工部即原管部的截面积S0(mm2)满足以下的式(3)，
(S1/S0)×100≥15(％)…(1)
(S2/S0’)×100≥20(％)…(2)
(S3/S0)×100≥10(％)…(3)。
2.根据权利要求1所述的油井钢管用螺纹接头，其中，
所述S1、所述S0、所述S2及所述S0’满足以下的式(4)，
(S1/S0)≤(S2/S0’)…(4)。
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