CN108756771A - 一种管柱螺纹连接结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种管柱螺纹连接结构。它由公接头螺纹段和母接头螺纹段构成，所述公、母接头螺纹段具有沿螺纹母线依次交替连续设置的螺纹牙顶、螺纹牙导向面、螺纹牙底和螺纹牙承载面。其特征在于：所述公、母接头螺纹牙承载面和螺纹牙导向面为圆弧轮廓，圆弧半径大于1.2mm，小于25.0mm；所述公、母接头螺纹牙顶为直线轮廓，螺纹牙顶直线与螺纹母线夹角为‑15°到15°；所述公、母接头螺纹牙底圆弧半径大于0.15mm，小于3mm。与现有技术相比较，本发明接头螺纹配合后，螺纹牙接触面积更大，接头临界截面积也增大，螺纹连接的抗拉抗扭性能大幅提高，同时，有效改善螺纹连接的应力极值和应力分布情况，尤其适用于超深井、大位移延伸井石油天然气开采。
Description
技术领域
本发明涉及在石油天然气勘探开发过程中使用的油井管柱工具，尤其涉及一种适用于超深井、大位移延伸井石油天然气开采的管柱螺纹连接结构。
背景技术
本文所提到的油井管柱工具包括石油套管、油管及钻柱构件（方钻杆、钻杆、厚壁钻杆、钻铤、转换接头等钻具）。
石油和天然气钻采行业一直在突破现有的钻井极限，超深井、大位移延伸井及的钻井数量和深度记录不断被刷新。但是，同样也面临着钻井工况环境恶劣、服役钻柱受力复杂、钻井作业效率低下等问题，需要的钻柱接头螺纹连接传输更多的拉力和扭矩不断增加。
在钻柱接头螺纹技术发展中，为了提高螺纹抗扭强度，设计人员已经将API的单台肩结构改变为双台肩结构，通过增加了一个台肩接触面来提高抗扭性能，但由于台肩表面的厚度仅为接头壁厚度的一小部分，当施加过高的上扣扭矩时，台肩表面很快就会达到塑性临界值。另一种解决方案是将更多的扭矩传递到螺纹牙中，以减轻台肩表面的压力，而目前石油钻柱螺纹连接采用的螺纹牙型大多数与API标准螺纹设计相同，即螺纹牙承载面和螺纹牙导向面均为平面的V型螺纹牙。这种螺纹牙型结构在上扣连接后，螺纹牙侧接触面积较小，螺纹牙应力集中较严重，导致钻柱连接的抗拉抗扭性能受到一定的限制。
为了提高接头螺纹连接的扭矩能力，专利CN103282708A设计了具有凸起或凹陷形状的连续曲线的公、母接头螺纹牙型轮廓结构。但是，设计的螺纹牙承载面和导向面圆弧半径为25mm到127mm，螺纹牙底和牙顶圆弧半径3mm到13mm，这些参数对于每英寸2到13牙的石油管螺纹来说是非常大的，螺纹牙承载面、导向面几乎接近于直线型轮廓，螺纹牙有效高度非常小，并不能发挥弧形承载面增加螺纹接触面的作用，对于连接扭矩的贡献非常微小，尤其对于超深井、大位移延伸井的石油天然气开采难以提供有效扭矩要求，同时在拉伸载荷、弯曲载荷和较大扭矩载荷的共同作用下，螺纹连接存在脱扣的隐患。同时，该专利中所述公接头螺纹牙侧与母接头螺纹牙侧至少70%、优选90%上是互补的，这样，在螺纹完全配合后，螺纹牙顶、牙底间隙非常小，螺纹润滑脂流动储存空间非常小，螺纹牙发生弹性变形的空间也非常小，容易发生上卸扣旋合卡死，严重时螺纹牙发生磨损粘扣。
发明内容
本发明的目的在于提供一种管柱螺纹连接结构，主要解决上述现有技术所存在的缺陷，与现有的V型螺纹牙型相比较，本发明接头螺纹配合后，螺纹牙接触面积更大，接头临界截面积也增大，螺纹连接的抗拉抗扭性能大幅提高，同时，可有效改善螺纹连接的应力极值和应力分布情况，还有利于钻柱对扣和提高上扣速度，尤其适用于超深井、大位移延伸井石油天然气开采。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种管柱螺纹连接结构，它由匹配连接的公接头螺纹段和母接头螺纹段所构成，所述公、母接头螺纹段具有沿螺纹母线依次交替连续设置的螺纹牙顶、螺纹牙导向面、螺纹牙底和螺纹牙承载面。
所述公、母接头螺纹牙牙导向面和螺纹承载面为圆弧轮廓，圆弧半径大于1.2mm，小于25.0mm；
所述公、母接头螺纹牙顶为直线轮廓，螺纹牙顶直线与螺纹母线夹角为-15°到15°；
所述公、母接头螺纹牙底圆弧半径大于0.15mm，小于3mm；
所述公接头螺纹牙导向面与母接头螺纹牙导向面圆弧半径差值为0mm～2.54mm；
所述公接头螺纹牙承载面与母接头螺纹牙承载面圆弧半径半径差值为0mm～2.54mm；
所述公、母接头螺纹牙导向面圆弧半径可以不等于螺纹牙承载面圆弧半径；
通过上述技术方案，本发明的优点在于：
1、公、母接头螺纹牙牙导向面和螺纹承载面为圆弧轮廓，圆弧半径大于1.2mm，小于25.0mm，与现有技术相比较，螺纹配合后，螺纹牙接触面积增大20%以上，有利于螺纹牙传递更高的扭矩。
2、公、母接头螺纹牙顶直线与螺纹母线夹角为-15°到15°（逆时针为正），有利于确保螺纹牙顶与牙底有足够的间隙，在接头螺纹上卸扣旋合时，给螺纹牙变形以及螺纹脂流动储存留有空间，接头不会卡死；同时，当螺纹牙顶直线与螺纹母线夹角为-15°，对于主要承受拉力较大的管柱连接，可以减小螺纹牙导向面，有利于提高上扣速度，减少螺纹牙顶磨损；当螺纹牙顶直线与螺纹母线夹角为15°，对于主要承受压力较大的管柱连接，可以增大螺纹牙导向面，提高螺纹承载能力。
3、公接头螺纹牙导向面与母接头螺纹牙导向面圆弧半径差值为0mm～2.54mm，公接头螺纹牙导向面与母接头螺纹牙承载面圆弧半径半径差值为0mm～2.54mm，这样，在接头上扣配合后，有利于保证在螺纹牙发生弹塑性变形时仍然紧密接触。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2-3是本发明的特殊实施方式中的螺纹牙型详细视图。
图中: 1-公接头螺纹段；11-公接头螺纹牙顶；12-公接头螺纹牙导向面；13-公接头螺纹牙底；14-公接头螺纹牙承载面；2-母接头螺纹段；21-母接头螺纹牙顶；22-母接头螺纹牙导向面；23-母接头螺纹牙底；24-母接头螺纹牙承载面。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来详细说明本发明。
请参阅图1，本发明公开了一种管柱螺纹连接结构，它由匹配连接的公接头螺纹段1和母接头螺纹段2所构成，所述公、母接头螺纹段1、2具有沿螺纹母线3依次交替连续设置的螺纹牙顶11、12，螺纹牙导向面12、22，螺纹牙底13、23和螺纹牙承载面14、24；
本发明中，所述公、母接头螺纹牙牙导向面12、22和螺纹承载面14、24为圆弧轮廓，圆弧半径大于1.2mm，小于25.0mm；
本发明中，请参阅图2，所述公、母接头螺纹牙顶11、21为直线轮廓，螺纹牙顶直线与螺纹母线夹角为-15°到15°，有利于确保螺纹牙顶与牙底有足够的间隙，在接头螺纹上卸扣旋合时，给螺纹牙变形以及螺纹脂流动储存留有空间，接头不会卡死；
本发明中，请参阅图3，所述公、母接头螺纹牙底圆弧13、23半径大于0.15mm，小于3mm，与传统的V型螺纹牙型相比较，在螺纹锥度、螺距、螺纹牙底圆弧半径等参数相同的情况下，本发明的曲面螺纹牙型的牙底与中径线的距离L2小于传统的V型螺纹牙型与中径线的距离L1，即螺纹连接临界截面积增大，这有利于提高接头连接的抗拉抗扭性能；
本发明中，所述公接头螺纹牙导向面12与母接头螺纹牙导向面22圆弧半径差值为0mm～2.54mm，可以确保在接头上扣配合后，螺纹牙发生弹塑性变形时仍然紧密接触。
本发明中，所述公接头螺纹牙承载面14与母接头螺纹牙承载面24圆弧半径半径差值为0mm～2.54mm，可以确保在接头上扣配合后，螺纹牙发生弹塑性变形时仍然紧密接触。
本发明中，所述公、母接头螺纹牙导向面12、22圆弧半径可以不等于螺纹牙承载面14、24圆弧半径；
采用以上实施参数，结合某大位移超深井的钻柱设计，利用有限元数值模拟分析发现,本发明的接头螺纹在承受拉伸、弯曲和60%屈服扭矩载荷的作用下，接头螺纹牙上最大等效应力为804MPa，台肩上最大等效应力为658MPa，未达到材料临界屈服应力，且应力分布非常均匀；而在同样工况载荷下的双台肩接头螺纹，接头螺纹牙上最大等效应力为921MPa，台肩上最大等效应力为769MPa，螺纹牙上的应力已经超过了材料临界屈服应力。与现有技术相比较，本发明中不仅使螺纹连接的抗拉强度和抗扭强度大幅提高，还可有效改善螺纹连接的应力极值和应力分布情况。
Claims (3)
1.一种管柱螺纹连接结构，它由匹配连接的公接头螺纹段（1）和母接头螺纹段（2）所构成；所述公、母接头螺纹段具有沿螺纹母线依次交替连续设置的螺纹牙顶（11、21）、螺纹牙导向面（12、22）、螺纹牙底（13、23）和螺纹牙承载面（14、24）；其特征在于：所述公、母接头螺纹牙牙导向面（12、22）和螺纹承载面（14、24）为圆弧轮廓，圆弧半径大于1.2mm，小于25.0mm；所述公、母接头螺纹牙顶（11、21）为直线轮廓，螺纹牙顶直线与螺纹母线夹角为-15°到15°；所述公、母接头螺纹牙底圆弧（13、23）半径大于0.15mm，小于3mm。
2.根据权利要求1所述的一种管柱螺纹连接结构，其特征在于：所述公接头螺纹牙导向面（12）与母接头螺纹牙导向面（22）圆弧半径差值为0mm～2.54mm。
3.根据权利要求1所述的一种管柱螺纹连接结构，其特征在于：所述公接头螺纹牙承载面（14）与母接头螺纹牙承载面（24）圆弧半径半径差值为0mm～2.54mm。
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