CN109882088A - 一种油井管柱连接接头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种油井管柱连接接头，包括公接头螺纹段和母接头螺纹段；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、螺纹牙承载面、螺纹牙底和螺纹牙导向面；公、母接头螺纹牙顶、螺纹牙承载面、螺纹牙底和螺纹牙导向面依次连接均为相切或平滑过渡；公接头螺纹牙承载面和母接头螺纹牙承载面都是两个相切弧组成的S型曲面轮廓形状，所述公接头螺纹牙导向面和母接头螺纹牙导向面为圆弧型曲面轮廓形状。与现有技术相比，接头螺纹配合后，螺纹牙接触面积更大，接头的临界截面积更增大，抗扭性能和抗拉性能得到提高，还有效改善螺纹连接的应力极值和应力分布情况，可大幅提高钻井效率和安全性。
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、大位移井及海洋油气井等石油及天然气开采的油井管柱连接接头。
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、大位移延伸井及海洋油气井的钻井数量和深度记录不断被刷新。钻井极限的突破需要面对钻井工况环境恶劣、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。尤其对于钻井成本较高的超深井、大位移井及海洋油气井等石油及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，螺纹连接存在安全隐患。
所以，有必要对现有钻柱接头螺纹进行技术升级，以实现更好的机械性能，获得更好的使用效果和更佳的实用性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种油井管柱连接接头，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，接头螺纹配合后，螺纹牙接触面积更大，螺纹牙承载面受力方向发生改变，承载能力更高，同时，接头的临界截面积更增大，抗拉性能和抗扭性能大幅提高，还可有效改善螺纹连接的应力极值和应力分布情况，可大幅提高钻井效率和安全性，尤其适用于超深井、大位移井及海洋油气井等石油及天然气开采。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种油井管柱连接接头，所述连接接头包括公接头螺纹段和母接头螺纹段；所述公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、螺纹牙承载面、螺纹牙底和螺纹牙导向面；所述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、螺纹牙承载面、螺纹牙底和螺纹牙导向面；所述公接头螺纹牙顶、螺纹牙承载面、螺纹牙底和螺纹牙导向面依次连接均为相切或平滑过渡；所述母接头螺纹牙顶、螺纹牙承载面、螺纹牙底和螺纹牙导向面依次连接均为相切或平滑过渡；所述公接头螺纹牙承载面和母接头螺纹牙承载面都是两个相切弧组成的S型曲面轮廓形状，圆弧半径的第一圆角R1和第二圆角R2大于0.1mm，小于15.0mm，圆弧半径的第一圆角R1和第二圆角R2差值在0mm～1.25mm之间，圆弧半径的第三圆角R3和第四圆角R4大于0.05mm，小于10mm，圆弧半径的第三圆角R3和第四圆角R4差值在0mm～1.0mm之间；所述公接头螺纹牙导向面和母接头螺纹牙导向面皆为圆弧型曲面轮廓形状，圆弧半径的第五圆角R5和第六圆角R6大于1.2mm，小于25.0mm，圆弧半径的第五圆角R5和第六圆角R6差值在0mm～2.54mm之间。
优选的，上述公接头螺纹牙承载面和母接头螺纹牙承载面的S型曲面轮廓形状由两条相切圆弧面或相切的圆弧面和椭圆弧面或相切的椭圆弧面和椭圆弧面组成。
优选的，上述公接头螺纹牙导向面和母接头螺纹牙导向面的圆弧型曲面轮廓形状由单个圆弧面或多个相切圆弧面或椭圆弧面组成。
优选的，上述公接头螺纹牙顶和母接头螺纹牙底皆为圆弧曲面轮廓形状，圆弧半径的第七圆角R7和第八圆角R8大于0.05mm，小于10mm。
优选的，上述公接头螺纹牙底和母接头螺纹牙顶皆为圆弧曲面轮廓形状，圆弧半径的第九圆角R9和第十圆角R10大于0.1mm，小于15mm。
优选的，上述公接头螺纹牙底、螺纹牙顶、母接头螺纹牙底和螺纹牙顶皆为圆弧曲面时，公接头螺纹牙底圆弧半径的第九圆角R9小于等于母接头螺纹牙顶圆弧半径的第十圆角R10。
优选的，上述公接头螺纹牙底和螺纹牙顶、母接头螺纹牙底和螺纹牙顶皆为圆弧曲面时，母接头螺纹牙底圆弧半径的第八圆角R8小于等于公接头螺纹牙顶圆弧半径的第七圆角R7。
优选的，上述公接头螺纹牙顶11、公接头螺纹牙底13、母接头螺纹牙顶21和母接头螺纹牙底23皆为直线型轮廓形状。
优选的，上述公接头螺纹牙顶11、母接头螺纹牙顶21皆为直线型轮廓形状，该直线与螺纹母线3或螺纹母线4的夹角a在-25°到25°之间。
优选的，上述公接头螺纹锥度和母接头螺纹锥度范围为1:3～1:64。
优选的，上述公接头螺纹导程和母接头螺纹导程范围为2.0mm～25.4mm。
本发明具有如下优点：
1、本发明的公、母接头螺纹牙承载面为S型曲面轮廓形状，公、母接头螺纹牙导向面为圆弧型曲面轮廓，与现有技术相比，接头螺纹配合后，螺纹牙接触面积更大，接头的临界截面积更增大，抗扭性能和抗拉性能得到提高，还有效改善螺纹连接的应力极值和应力分布情况。
2、本发明的公、母接头螺纹牙承载面为两个相切圆弧组成的S型曲面轮廓形状，圆弧半径R1和R2差值为0mm～1.25mm，圆弧半径R3和R4差值为0mm～1.0mm；公、母接头螺纹牙导向面为圆弧曲面轮廓形状，圆弧半径R5和R6差值为0mm～2.54mm；采用上述优选的设计指标后，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为本发明一种油井管柱连接接头的装配结构示意图。
图2为本发明一种油井管柱连接接头的标记了轮廓的结构示意图。
图3为本发明一种油井管柱连接接头的螺纹牙承载面和导向面结构示意图。
图4为本发明一种油井管柱连接接头的螺纹牙顶和牙底结构示意图。
图5为本发明一种油井管柱连接接头的螺纹牙顶直线与螺纹母线角度示意图。
图6为本发明一种油井管柱连接接头的螺纹牙型轮廓与传统V型螺纹牙型轮廓对比图。
图7为本发明一种油井管柱连接接头的导程示意图。
图中:1、公接头螺纹段；2、母接头螺纹段；4、母接头螺纹母线；3、公接头螺纹母线；11、公接头螺纹牙顶；12、公接头螺纹牙承载面；13、公接头螺纹牙底；14、公接头螺纹牙导向面；21、母接头螺纹牙顶；22、母接头螺纹牙承载面；23、母接头螺纹牙底；24、母接头螺纹牙导向面。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例1
参见图1-图2，一种油井管柱连接接头，所述连接接头包括公接头螺纹段1和母接头螺纹段2；所述公接头螺纹段1具有沿螺纹母线3依次交替连续设置的螺纹牙顶11、螺纹牙承载面12、螺纹牙底13和螺纹牙导向面14；所述母接头螺纹段2具有沿螺纹母线4依次交替连续设置的螺纹牙顶21、螺纹牙承载面22、螺纹牙底23和螺纹牙导向面24；所述公接头螺纹牙顶11、螺纹牙承载面12、螺纹牙底13和螺纹牙导向面14依次连接均为相切或平滑过渡；所述母接头螺纹牙顶21、螺纹牙承载面22、螺纹牙底23和螺纹牙导向面24依次连接均为相切或平滑过渡；所述公接头螺纹牙承载面12和母接头螺纹牙承载面22都是两个相切弧组成的S型曲面轮廓形状，圆弧半径的第一圆角R1和第二圆角R2大于0.1mm，小于15.0mm，圆弧半径的第一圆角R1和第二圆角R2差值在0mm～1.25mm之间，圆弧半径的第三圆角R3和第四圆角R4大于0.05mm，小于10mm，圆弧半径的第三圆角R3和第四圆角R4差值在0mm～1.0mm之间；所述公接头螺纹牙导向面14和母接头螺纹牙导向面24皆为圆弧型曲面轮廓形状，圆弧半径的第五圆角R5和第六圆角R6大于1.2mm，小于25.0mm，圆弧半径的第五圆角R5和第六圆角R6差值在0mm～2.54mm之间。
参见图3，优选的，上述公接头螺纹牙承载面12和母接头螺纹牙承载面22的S型曲面轮廓形状由两条相切圆弧面或相切的圆弧面和椭圆弧面或相切的椭圆弧面和椭圆弧面组成。
优选的，上述公接头螺纹牙导向面14和母接头螺纹牙导向面24的圆弧型曲面轮廓形状由单个圆弧面或多个相切圆弧面或椭圆弧面组成。
优选的，上述公接头螺纹牙顶11和母接头螺纹牙底23皆为圆弧曲面轮廓形状，圆弧半径的第七圆角R7和第八圆角R8大于0.05mm，小于10mm。
优选的，上述公接头螺纹牙底13和母接头螺纹牙顶21皆为圆弧曲面轮廓形状，圆弧半径的第九圆角R9和第十圆角R10大于0.1mm，小于15mm。
优选的，上述公接头螺纹牙底13、螺纹牙顶11、母接头螺纹牙底23和螺纹牙顶21皆为圆弧曲面时，公接头螺纹牙底13圆弧半径的第九圆角R9小于等于母接头螺纹牙顶21圆弧半径的第十圆角R10。
优选的，上述公接头螺纹牙底13和螺纹牙顶11、母接头螺纹牙底23和螺纹牙顶21皆为圆弧曲面时，母接头螺纹牙底23圆弧半径的第八圆角R8小于等于公接头螺纹牙顶11圆弧半径的第七圆角R7。
参见图4，优选的，上述公接头螺纹牙顶11、公接头螺纹牙底13、母接头螺纹牙顶21和母接头螺纹牙底23皆为直线型轮廓形状。
参见图5，优选的，上述公接头螺纹牙顶11、母接头螺纹牙顶21皆为直线型轮廓形状，该直线与螺纹母线3或螺纹母线4的夹角a在-25°到25°之间。
参见图6，与传统的V型螺纹牙型相比较，在螺纹锥度、螺距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d2小于传统的V型螺纹牙型与中径线的距离d1，即螺纹连接临界截面积增大，提高了接头连接的抗拉抗扭性能；本发明的螺纹牙底圆弧半径显著大于API螺纹牙底圆弧半径，有效改善了螺纹连接的应力极值和应力分布情况，提高了接头连接的抗疲劳性能。
优选的，上述公接头螺纹锥度和母接头螺纹锥度范围为1:3～1:64。
参见图7，优选的，上述公接头螺纹导程和母接头螺纹导程范围为2.0mm～25.4mm。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (11)
1.一种油井管柱连接接头，其特征在于：所述连接接头包括公接头螺纹段(1)和母接头螺纹段(2)；所述公接头螺纹段(1)具有沿螺纹母线(3)依次交替连续设置的螺纹牙顶(11)、螺纹牙承载面(12)、螺纹牙底(13)和螺纹牙导向面(14)；所述母接头螺纹段(2)具有沿螺纹母线(4)依次交替连续设置的螺纹牙顶(21)、螺纹牙承载面(22)、螺纹牙底(23)和螺纹牙导向面(24)；所述公接头螺纹牙顶(11)、螺纹牙承载面(12)、螺纹牙底(13)和螺纹牙导向面(14)依次连接均为相切或平滑过渡；所述母接头螺纹牙顶(21)、螺纹牙承载面(22)、螺纹牙底(23)和螺纹牙导向面(24)依次连接均为相切或平滑过渡；所述公接头螺纹牙承载面(12)和母接头螺纹牙承载面(22)都是两个相切弧组成的S型曲面轮廓形状，圆弧半径的第一圆角(R1)和第二圆角(R2)大于0.1mm，小于15.0mm，圆弧半径的第一圆角(R1)和第二圆角(R2)差值在0mm～1.25mm之间，圆弧半径的第三圆角(R3)和第四圆角(R4)大于0.05mm，小于10mm，圆弧半径的第三圆角(R3)和第四圆角(R4)差值在0mm～1.0mm之间；所述公接头螺纹牙导向面(14)和母接头螺纹牙导向面(24)皆为圆弧型曲面轮廓形状，圆弧半径的第五圆角(R5)和第六圆角(R6)大于1.2mm，小于25.0mm，圆弧半径的第五圆角(R5)和第六圆角(R6)差值在0mm～2.54mm之间。
2.根据权利要求1所述的一种油井管柱连接接头，其特征在于：所述公接头螺纹牙承载面(12)和母接头螺纹牙承载面(22)的S型曲面轮廓形状由两条相切圆弧面或相切的圆弧面和椭圆弧面或相切的椭圆弧面和椭圆弧面组成。
3.根据权利要求1所述的一种油井管柱连接接头，其特征在于：所述公接头螺纹牙导向面(14)和母接头螺纹牙导向面(24)的圆弧型曲面轮廓形状由单个圆弧面或多个相切圆弧面或椭圆弧面组成。
4.根据权利要求1所述的一种油井管柱连接接头，其特征在于：所述公接头螺纹牙顶(11)和母接头螺纹牙底(23)皆为圆弧曲面轮廓形状，圆弧半径的第七圆角(R7)和第八圆角(R8)大于0.05mm，小于10mm。
5.根据权利要求1所述的一种油井管柱连接接头，其特征在于：所述公接头螺纹牙底(13)和母接头螺纹牙顶(21)皆为圆弧曲面轮廓形状，圆弧半径的第九圆角(R9)和第十圆角(R10)大于0.1mm，小于15mm。
6.根据权利要求1所述的一种油井管柱连接接头，其特征在于：所述公接头螺纹牙底(13)、螺纹牙顶(11)、母接头螺纹牙底(23)和螺纹牙顶(21)皆为圆弧曲面时，公接头螺纹牙底(13)圆弧半径的第九圆角(R9)小于等于母接头螺纹牙顶(21)圆弧半径的第十圆角(R10)。
7.根据权利要求1所述的一种油井管柱连接接头，其特征在于：所述公接头螺纹牙底(13)和螺纹牙顶(11)、母接头螺纹牙底(23)和螺纹牙顶(21)皆为圆弧曲面时，母接头螺纹牙底(23)圆弧半径的第八圆角(R8)小于等于公接头螺纹牙(11)顶圆弧半径的第七圆角(R7)。
8.根据权利要求1所述的一种油井管柱连接接头，其特征在于：所述公接头螺纹牙顶(11)、公接头螺纹牙底(13)、母接头螺纹牙顶(21)和母接头螺纹牙底(23)皆为直线型轮廓形状。
9.根据权利要求1所述的一种油井管柱连接接头，其特征在于：所述公接头螺纹牙顶(11)、母接头螺纹牙顶(21)皆为直线型轮廓形状，该直线与螺纹母线3或螺纹母线4的夹角a在-25°到25°之间。
10.根据权利要求1所述的一种油井管柱连接接头，其特征在于：所述公接头螺纹锥度和母接头螺纹锥度范围为1:3～1:64。
11.根据权利要求1所述的一种油井管柱连接接头，其特征在于：所述公接头螺纹导程和母接头螺纹导程范围为2.0mm～25.4mm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
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Effective date of registration: 20210910 Address after: 1825-1 Luodong Road, Baoshan District, Shanghai 201901 Applicant after: SHANGHAI HILONG DIRLL PIPES Co.,Ltd. Applicant after: SHANGHAI HILONG PETROLEUM TUBULAR GOODS Research Institute Address before: No. 1825 Luodong Road, Baoshan District, Shanghai, 2010 Applicant before: SHANGHAI HILONG PETROLEUM TUBULAR GOODS Research Institute |
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| GR01 | Patent grant | ||
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Denomination of invention: A type of oil well string connection joint Effective date of registration: 20231215 Granted publication date: 20220218 Pledgee: China Construction Bank Corporation Shanghai Baosteel Baoshan Branch Pledgor: SHANGHAI HILONG DIRLL PIPES Co.,Ltd. Registration number: Y2023310000863 |