CN109838213A - 用于形成螺纹连接的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于将凸形部件连接至凹形部件的系统，所述系统包括：凸形部件，所述凸形部件包含主体，所述主体包括第一受压面、第一受拉面和外表面，所述外表面包括多个第一纵向花键；中间元件，所述中间元件包括内表面、外表面和第二受拉面，所述第二受拉面构造成接合所述第一受拉面，所述内表面包括多个第二纵向花键，所述第二纵向花键对应于第一纵向花键并与所述第一纵向花键接合，以此形成花键联接结合面和包括螺纹联接部分的外表面；以及凹形部件，所述凹形部件限定盒体结构，所述盒体结构包括用于接合所述第一受压面的第二受压面和包括壁螺纹联接部分的内壁，所述壁螺纹联接部分对应于所述中间元件螺纹联接部分并与所述中间元件螺纹联接部分接合。所述中间元件可以包含多个方位角区段。

Description

用于形成螺纹连接的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请是要求于2017年11月29日提交的美国临时申请号62/592,069的优先权的非临时申请，其通过引用整体并入本文。

技术领域

本公开涉及一种用于支撑井下工具的连接。

背景技术

螺纹连接通常用于连接管状部件，所述管状部件用于碳氢化合物的生产。一种螺纹连接类型将带螺纹的凸形销结构连接到带螺纹的凹形盒体结构。在许多情况下，除牢固耐用优点之外，此类螺纹连接还需要能够承受轴向拉伸力和压缩力、扭矩以及向内和向外的压力差。

在使用旋转导向工具的情况下，所述工具可以包括围绕主轴的转向相关设备。主轴在工具内旋转，并将扭矩从工具上方的钻柱传递到工具下方的钻头。系统优化需要在轴的强度及其传递扭矩的能力之间进行平衡，以期最大化围绕轴的转向相关设备的可用体积。通常，螺纹连接的扭矩传递能力可能受到螺纹的材料和构造的限制，其能力可能，例如，因螺纹剥离而失效。花键是一种替代连接类型，可有效传递扭矩，但单独的花键不能传递轴向载荷。

概要

如一些实施例所述，本发明提供了一种用于将凸形部件连接至凹形部件的系统，所述系统可以包括：凸形部件，所述凸形部件包含主体，所述主体包含第一受压面、第一受拉面和外表面，所述外表面包括多个第一纵向花键；中间元件，所述中间元件包含内表面、外表面和第二受拉面，所述第二受拉面构造成接合所述第一受拉面，所述内表面包括多个第二纵向花键，所述第二纵向花键对应于第一纵向花键并与所述第一纵向花键接合，以此形成花键联接结合面和包括螺纹联接部分的外表面；以及凹形部件，所述凹形部件限定盒体结构，所述盒体结构具有第二受压面和包括壁螺纹联接部分的内壁，所述壁螺纹联接部分对应于中间元件螺纹联接部分并与所述中间元件螺纹联接部分接合。

如一些实施例所述，本发明提供了一种用于连接井下工具的系统，所述系统可以包括：凸形部件，所述凸形部件包含主体，所述主体具有贯穿其自身的中心孔并包括第一受压面、第一受拉面和外表面，所述外表面包括多个第一纵向花键；中间元件，所述中间元件包括贯穿其自身的中心孔并具有内表面、外表面和第二受拉面，所述第二受拉面构造成结合第一受拉面，所述内表面包括多个第二纵向花键，所述第二纵向花键对应于第一纵向花键并与所述第一纵向花键接合，以此形成花键联接结合面和包括螺纹联接部分的外表面；以及凹形部件，所述凹形部件包括贯穿其自身的中心孔并限定盒体结构，所述盒体结构具有第二受压面和包括壁螺纹联接部分的内壁，所述壁螺纹联接部分对应于中间元件螺纹联接部分并与所述中间元件螺纹联接部分接合。

如一些实施例所述，凸形部件具有第一直径，凹形部件具有大于第一直径的第二直径，凸形部件的任何零件的直径均不大于第一直径，并且中间元件的外表面的直径大于第一直径。

中间元件可以是实质上环形的并且可以包含多个方位角区段。第二受压面可以接合第一受压面。

中间元件可以包含端盖，该端盖包括第三受压面和第四受压面。第三受压面可以接合第一受压面，第四受压面可以接合第二受压面，第一受拉面和第二受拉面中的每个均可以带有螺纹，并且端盖可以螺纹联接到凸形部件的外表面上。

在一些实施例中，中间元件的外表面的直径可以大于凸形部件的主体的直径。中间元件还可以包括从其自身径向延伸的凸缘，凸缘的直径可以大于盒体结构的直径。

凸形部件、凹形部件和中间元件可以构造成将中间元件和凹形部件之间的螺纹接合紧固到预定扭矩，致使凸形部件固持在中间元件和凹形部件之间，以此使得第一受压面支承在第二受压面上，并且第一受拉面支承在第二受拉面上。凸形部件、凹形部件和中间元件可以各自具有贯穿其自身的中心孔。

凸形部件可以包括至少第一外部稳定表面，并且中间元件内表面可以进一步包括至少第一内部稳定表面，该第一内部稳定表面构造成支承在凸形部件的第一外部稳定表面上，从而形成第一稳定结合面。凸形部件可以更进一步包括第二外部稳定表面，并且中间元件内表面可以更进一步包括第二内部稳定表面，该第二内部稳定表面构造成支撑在凸形部件的第二外部稳定表面上，从而形成第二稳定结合面，并且花键联接结合面可以在第一稳定结合面和第二稳定结合面之间。更进一步地，凹形部件还可以包括至少第一向内稳定表面，并且中间元件外表面还可以包括至少第一向外稳定表面，该第一向外稳定表面构造成支承在凹形部件的第一向内稳定表面上，从而形成第三稳定结合面。凹形部件可以更进一步包括第二向内稳定表面，并且中间元件内表面可以更进一步包括第二向外稳定表面，该第二向外稳定表面构造成支承在凹形部件的第二向内稳定表面上，从而形成第四稳定结合面，并且中间元件螺纹联接部分可以位于第三稳定结合面和第四稳定结合面之间。

中间元件可以包含包括至少第二受拉面的第一部分以及包括第二纵向花键和中间元件螺纹联接部分的第二部分。第一部分可以设置为多个方位角区段，第二部分可以是实质上环形的。

中间元件可以包含包括至少第二受拉面的第一部分以及包括第二纵向花键和中间元件螺纹联接部分的第二部分。第一部分可以设置为多个方位角区段，第二部分可以是实质上环形的。

在其他实施例中，中间元件可包括端盖，所述端盖包括第三受压面和第四受压面。第三受压面可以接合第一受压面，第四受压面可以接合第二受压面，第一受拉面和第二受拉面中的每个均可以带有螺纹，并且端盖可以螺纹联接到凸形部件的外表面上。

为清楚起见，除非另有说明，否则如本文中所用，词语“扭矩”是指围绕系统的纵向轴线(也称为工具轴线)的旋转力。类似地，两个部件之间的机械接合可以根据其将扭矩或力从一个部件传递到另一个部件的能力来描述；应该理解的是，传递的方向不受部件叙述顺序的限制。

附图说明

结合附图阅读以下详细描述可以最好地理解本公开。需要强调的是，根据行业的标准实践，各种特征并不是按比例绘制的。事实上，为了论述清楚，各种特征的尺寸可以任意增加或减小。

图1是示出如一些实施例所述的装置的示意性横截面图；

图2是示出如其他实施例所述的装置的示意性横截面图；

图2A是图2的部分视图，示出了一个替代性实施例；

图3是示出如其他实施例所述的装置的示意性横截面图；以及

图4是示出如更进一步的实施例所述的装置的示意性横截面图。

具体实施方式

应理解，以下公开内容提供了用于实现各种实施例的不同特征的许多不同实施例或实例。部件和布置的具体实例在下方予以描述以简化本公开。当然，这些仅仅是实例，并非旨在进行任何限制。另外，本公开可以在各种实例中重复参考数字和/或字母。这种重复的目的在于简单和清楚，并且其本身并不表示所讨论的各种实施例和/或配置之间的关系。

首先参考图1，如一些实施例所述的系统10包括凸形部件12、凹形部件14和环形中间元件16。凸形部件12、凹形部件14和中间元件16中的每一个均可以包括贯穿其自身的中心孔，使得当系统组装时，这些孔形成贯穿组件的连续流体通道。如果本发明用于在钻井环境中连接井下工具，则流体通道可用于泥浆、淤泥、气体或与碳氢化合物生产有关的其他流体的通过。在其他实施例中，一个或多个系统部件可以没有中心孔。

凸形部件12可以包括主体13、受压肩部20、受拉肩部22、第一颈部24、花键部分26和第二颈部28。在一些实施例中，受压肩部20、花键部分26和受拉肩部22的直径各自与主体13的直径实质上相同或略小。颈部24、28中的每一个的直径可以小于花键部分26的直径。凹形部件14可以包括由其内端处的受压面30和侧壁34限定的盒体结构15。侧壁34可以包括第一稳定部分36、螺纹部分38和第二稳定部分40。

中间元件16可以包括第一稳定部分41、花键部分46和第二稳定部分48。第一稳定部分41的端部限定受拉面42，该受拉面42可以实质上垂直于中心孔。在第一稳定部分41处，中间元件16的内表面和外表面可分别限定第一内部稳定表面50和第一外部稳定表面52。同样，在第二稳定部分48处，中间元件16的内表面和外表面可分别限定第二内部稳定表面54和第二外部稳定表面56。中间元件16的花键部分46的外表面可以包括构造成接合凹形部件14的螺纹联接部分38的螺纹。在一些实施例中，第一稳定部分41和第二稳定部分48位于中间元件16的相对端，并且花键部分46位于它们之间。

凸形部件12的花键部分26的外表面和中间元件16的花键部分46的内表面可各自包括多个纵向延伸的花键(在37处以虚线示出)，所述多个纵向延伸的花键构造成使得凸形部件12上的花键与中间元件16上的花键接合。花键的接合防止凸形部件12相对于中间元件16发生旋转，并允许其两者间的扭矩传递。

中间元件16可以形成为两个或更多个部分，其可以实质上相同。更具体地，环形中间元件16可以纵向分成两个或更多个方位角区段。区段可以限定也可以不限定完整的圆。

当需要组装如一些实施例所述的装置时，中间元件16的两个或更多个区段围绕凸形部件12组装。中间元件16的区段可以相对于凸形部件12纵向定位，使得第一稳定部分41和第二稳定部分48分别与凸形部件12的第一颈部24和第二颈部28纵向对齐，并且可以相对于凸形部件12方位角地定位，以此使得凸形部件12和中间元件16上的花键交错。在一些实施例中，在该节点处不限制中间元件16相对于凸形部件12纵向移动。

包括凸形部件12和中间元件16的组件则可以与凹形部件14的盒体结构15对准。凹形部件相对于组件的旋转将导致中间元件16的外螺纹与盒体结构15的螺纹联接部分38的内螺纹接合。凸形部件12、凹形部件14和中间元件16可以构造成使得在将螺纹接合紧固到预定扭矩时，凸形部件12的端部固持在中间元件16和凹形部件14之间，使得受压肩部20支承在受压面30上并且受拉肩部22支承在受拉面42上，从而限制中间元件16可以前进到凹形部件14中的程度。在此节点处，防止中间元件16相对于凹形部件14的进一步运动，并且在相同方向上施加进一步的扭矩将在受压肩部20和受压面30之间的结合面处产生额外的载荷。

当所有零件均螺纹联接于一起时，中间元件16可以通过拧紧花键连接上的适配件的紧固螺纹操作进行压缩，从而去除花键中的一些或全部游隙。这减少或消除了花键部分中的任何颤动，从而减少了部件的磨损。

如上所述，在一些实施例中，中间元件16的每个端部均包括内部稳定表面和外部稳定表面，分别编号为50、54和52、56。当部件组装和紧固在一起时，稳定表面构造成紧密地配合贴紧凸形零件和凹形零件上的相应表面。在一些实施例中，内部稳定表面50、54可分别支承在颈部24、28上，并且外部稳定表面52、56可支承在侧壁34上。在其他实施例中，颈部24、28中的一个或两个可以构造成使得内部稳定表面50、54中的一个或两个可以分别不支承在颈部24、28上，如图2A所示。

在图1所示的实施例中，施加到系统10的扭矩通过花键连接在中间元件16和凸形部件12之间传递，施加到系统10的拉伸载荷经由受拉肩部22和受拉面42在中间元件16和凸形部件12之间传递，扭矩和拉伸载荷两者都借助于螺纹38在中间元件16和凹形部件14之间传递，弯矩实质上通过多重稳定表面传递，并且施加到系统10的压缩载荷借助于受压肩部20和受压面30在凸形部件12和凹形部件14之间传递。

在一些实施例中，一个或多个密封件60可以设置在中间元件16和盒体结构15的侧壁34之间，以便防止流体在各机构之间流通并将螺纹与环境隔离。在一些实施例中，可以在各个节点处加上额外的密封件。仅作为实例，可以在稳定表面56和侧壁34之间提供密封件，以进一步增强螺纹与环境之间的密封性。同样，可以分别在任一个或两个稳定表面50、54和任一个或两个颈部24、28之间提供密封件，以便将花键联接结合面与环境隔离。替代地或另外地，密封件可以放置在受压肩部20和受压面30之间。本领域技术人员将认识到密封件的放置是设计问题。

如上所述，中间元件16不必需为单一零件。简要地参考图2，在替代实施例中，中间元件16可以分别设置为第一元件16a和第二元件16b，每个元件本身可以包括一个或多个零件。在此实施例中，第一中间元件16a可以包括内花键和外螺纹，如在上面实施例中所述。第二中间元件可以包括至少一个受拉面45，其在凸形部件12上接纳相应的受拉肩部25。在此实施例中，第一中间元件16a可以设置为或可以不设置为滑动到凸形部件12上的单一零件，从而接合花键，而第二中间元件16b可以设置为包含两个更多区段的开口环。在图2所示的实施例中，参照图1实质上如上所述传递载荷。

现在参照图3，在其他实施例中，第二中间元件可以设置为盖16c，盖16c包括外端面49、内端表面27、拉伸载荷面58和带螺纹的内壁51。第一中间元件16a包括端面57。在此实施例中，凸形部件12包括端面47和外螺纹联接部分53。在此实施例中，施加到系统10的压缩载荷可以经由端面47和外端面49通过盖16c传递，端面47和外端面49分别支承在内端面27和受压面30上。如上所述，并非经由受拉肩部22和相应的受拉面42传递拉伸载荷，在此实施例中，拉伸载荷可以通过凸形部件12和在由螺纹51、53限定的受拉结合面处的盖16c传递，并经由拉伸载荷面58从盖16c传递至第一中间元件16a，所述第一中间元件16a支承在其端面57上。如上所述，施加到系统10的扭矩可以经由花键37在凸形部件12和第一中间元件16a之间传递，并且扭矩和拉伸载荷两者都经由螺纹38在第一中间元件16a和凹形部件14之间传递。

现在参照图4，在其他实施例中，第一中间元件16a可以延伸超过凹形部件14的盒体结构15的端部。在这些实施例中，凸缘70从第二稳定部分48径向向外延伸。凸缘70可以包括对应于第二颈部28的外表面并可以接合第二颈部28的外表面的倒角72，还包括接合凹形部件14的端面74的凸缘面73。凸缘70可以延伸或可以不延伸到凹形部件14的整个半径。为了避免应力集中，可以在第二稳定部分48和凸缘70之间的角部处设置应力消除槽或底切75。

依照上述实施例中所述，中间元件16构造成使得在组装工具部件12、14和16并且将中间元件16和凹形部件14之间的螺纹连接加以紧固时，凸缘受压面73和端面74之间的接合将限制中间元件16可以前进到凹形部件14中的程度。在此节点处，防止中间元件16相对于凹形部件14的进一步运动，并且施加进一步的扭矩将在凸缘结合面73、74处和螺纹38上产生额外的载荷。

在这些实施例中，压缩载荷可以经由端面47和外端面49通过盖16c传递，端面47和外端面49分别支承在内端面27和受压面30上。如上所述，拉伸载荷可以经由螺纹51、53在凸形部件12和盖16c之间传递，并且经由拉伸载荷面58从盖16c传递到第一中间元件16a，拉伸载荷面58支承在其端面57上。同样如上所述，扭矩可以经由花键37在凸形部件12到中间元件16之间传递，并且扭矩和拉伸载荷两者都经由螺纹38在第一中间元件16a和凹形部件14之间传递。在这些实施例中，当工具经受压缩载荷时，凸缘受压面73和端面74之间的结合面可以承担一些载荷，从而减小外端面49和受压面30之间的结合面上的载荷。

如图4左侧的虚线所示，在一些实施例中，一个或多个固定螺钉80可延伸穿过凸缘70并进入凹形部件14的端部中。如果上述情况存在，则固定螺钉80可以增加组件的破碎扭矩。

参考各种实施例，一旦部件已经组装，所得成品为能够传递扭矩、弯矩和轴向载荷的坚固连接。凹形部件14和中间元件16之间的螺纹连接的有效直径大于凸形零件的直径，并且因此可以容纳更大的螺纹，这又允许更高的额定力来传递扭矩和拉伸载荷。

实施例允许更强固的接头，所述更强固的接头使用相对较少的零件。因为在将组件加以紧固时，中间元件与凸形部件和凹形部件精确接合，所以可以消除设备中的游隙或间隙。通过设置相对较小的中间元件，并且必要时其可以由与其他部件不同的材料制成，可以用于构造一种工具，其中中间元件是可替换的并且可以牺牲，从而降低需要更换邻接部件的频率，进而降低了成本。

如果存在，稳定表面50、54和52用于加强连接并在凸形部件和凹形部件之间传递弯矩，而不会在花键和螺纹上产生过大的应力。

以上概述了若干实施例的特征，使得本领域普通技术人员可以更好地理解本公开的各方面。这些特征可以由许多等同替代方案中的任何一个替代，本文仅公开了其中一部分。本领域的普通技术人员应该理解，他们可以容易地使用本公开作为用于设计或修改基于执行相同目的和/或实现本文中介绍的实施例的相同优点的其他过程和结构的基础。本领域的普通技术人员还应该认识到，此类等同构造不偏离本公开的精神和范围，并且它们可以在不脱离本公开的精神和范围的情况下进行各种改变、替换和变更。

Claims (20)

1.一种用于将凸形部件连接到凹形部件的系统，包括：

凸形部件，所述凸形部件包含主体，所述主体包括第一受压面、第一受拉面和包括多个第一纵向花键的外表面；

中间元件，所述中间元件包括内表面、外表面和第二受拉面，所述第二受拉面构造成接合所述第一受拉面，其中所述内表面包括多个第二纵向花键，所述多个第二纵向花键对应于所述第一纵向花键并与所述第一纵向花键接合，以此形成花键联接结合面，并且其中所述外表面包括螺纹联接部分；以及

凹形部件，所述凹形部件限定盒体结构，所述盒体结构具有直径并包括第二受压面和内壁，其中所述内壁包括对应于所述中间元件螺纹联接部分并与所述中间元件螺纹联接部分接合的壁螺纹联接部分。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述凸形部件具有第一直径，其中所述凸形部件的任何零件的直径均不大于所述第一直径，并且其中所述中间元件的所述外表面的直径大于所述第一直径。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述中间元件实质上是环形的并且包含多个方位角区段。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二受压面接合所述第一受压面。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述中间元件包含端盖，所述端盖包括第三受压面和第四受压面，其中所述第三受压面接合所述第一受压面，其中所述第四受压面接合所述第二受压面，其中所述第一受拉面和所述第二受拉面中的每个均带有螺纹，并且其中所述端盖螺纹联接到所述凸形部件的所述外表面上。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述中间元件进一步包括从其自身径向延伸的凸缘，并且其中所述凸缘的直径大于所述盒体结构的所述直径。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述凸形部件、所述凹形部件和所述中间元件构造成将所述中间元件和所述凹形部件之间的所述螺纹接合紧固到预定扭矩，致使所述凸形部件固持在所述中间元件和所述凹形部件之间，以此使得所述第一受压面支承在所述第二受压面上，并且所述第一受拉面支承在所述第二受拉面上。

8.根据权利要求1所述的系统，其中所述凸形部件、所述凹形部件和所述中间元件各自具有贯穿其自身的中心孔。

9.根据权利要求1所述的系统，其中所述凸形部件进一步包括至少第一外部稳定表面，并且所述中间元件内表面进一步包括至少第一内部稳定表面，所述第一内部稳定表面构造成支承在所述凸形部件的所述第一外部稳定表面上，从而形成第一稳定结合面。

10.根据权利要求9所述的系统，其中所述凸形部件进一步包括第二外部稳定表面，并且所述中间元件内表面进一步包括第二内部稳定表面，所述第二内部稳定表面构造成支承在所述凸形部件的所述第二外部稳定表面上，从而形成第二稳定结合面，并且其中所述花键联接结合面位于所述第一稳定结合面和所述第二稳定结合面之间。

11.根据权利要求10所述的系统，其中所述凹形部件进一步包括至少第一向内稳定表面，并且所述中间元件外表面进一步包括至少第一向外稳定表面，所述第一向外稳定表面构造成支承在所述凹形部件的所述第一向内稳定表面上，从而形成第三稳定结合面。

12.根据权利要求11所述的系统，其中所述凹形部件进一步包括第二向内稳定表面，并且所述中间元件内表面进一步包括第二向外稳定表面，所述第二向外稳定表面构造成支承在所述凹形部件的所述第二向内稳定表面上，从而形成第四稳定结合面，并且其中所述中间元件螺纹联接部分位于所述第三稳定结合面和第四稳定结合面之间。

13.根据权利要求1所述的系统，其中所述中间元件包含至少包括所述第二受拉面的第一部分以及包括所述第二纵向花键和所述中间元件螺纹联接部分的第二部分。

14.根据权利要求13所述的系统，其中所述第一部分设置为多个方位角区段，并且所述第二部分设置为环形件。

15.一种用于连接井下工具的系统，包括：

凸形部件，所述凸形部件包含主体，所述主体具有贯穿其自身的中心孔并且包括第一受压面、第一受拉面和包括多个第一纵向花键的外表面；

中间元件，所述中间元件具有贯穿其自身的中心孔并且包括内表面、外表面和第二受拉面，所述第二受拉面构造成接合所述第一受拉面，所述内表面包括多个第二纵向花键，所述多个第二纵向花键对应于所述第一纵向花键并与所述第一纵向花键接合，以此形成花键联接结合面，并且所述外表面包括螺纹联接部分；以及

凹形部件，所述凹形部件具有贯穿其自身的中心孔并且限定盒体结构，所述盒体结构具有直径并包括第二受压面和内壁，其中所述内壁包括对应于所述中间元件螺纹联接部分并与所述中间元件螺纹联接部分接合的壁螺纹联接部分。

16.根据权利要求15所述的系统，其中所述凸形部件的任何零件的直径均不大于所述主体直径，并且其中所述中间元件的所述外表面的直径大于所述凸形部件的所述主体的直径。

17.根据权利要求15所述的系统，其中所述中间元件实质上是环形的并且设置为多个方位角区段。

18.根据权利要求15所述的系统，其中所述中间元件包含端盖，所述端盖包括第三受压面和第四受压面，其中所述第三受压面接合所述第一受压面，其中所述第四受压面接合所述第二受压面，其中所述第一受拉面和所述第二受拉面中的每个均带有螺纹，并且其中所述端盖螺纹联接到所述凸形部件的所述外表面上。

19.根据权利要求15所述的系统，其中所述中间元件进一步包括从其自身径向延伸的凸缘，并且其中所述凸缘的直径大于所述盒体结构的所述直径。

20.根据权利要求15所述的系统，其中所述凸形部件、所述凹形部件和所述中间元件构造成将所述中间元件和所述凹形部件之间的所述螺纹接合紧固到预定扭矩，致使所述凸形部件固持在所述中间元件和所述凹形部件之间，以此使得所述第一受压面支承在所述第二受压面上，并且所述第一受拉面支承在所述第二受拉面上。