CN111058779A - 一种高抗扭耐高压密封钻杆接头 - Google Patents

Abstract

一种高抗扭耐高压密封钻杆接头，包括公接头和母接头，二者由螺纹段连接，接头设有主台肩密封面、副台肩密封面和圆柱密封面。本发明对传统接头结构进行改进，其主要特点如下：1、主台肩三角齿啮合面设计，提高了接头抗涨扣的能力和在弯曲情况下的耐密封能力；2、副台肩凹凸环形面设计可增加副台肩抗弯能力，减小应力集中，进一步提高密封效果；3、过盈配合的圆柱密封面，可保证连接的紧凑性，在接头受到弯矩工况下，增加了抵抗弯曲的能力，减小了对螺纹的影响；4针对接头螺纹段应力分布特点及钛合金弹性模量低的特点，采用三段式螺纹不等螺距的设计，有效改善螺纹受力分布，均衡螺纹应力平衡，提高螺纹的抗扭能力，延长了螺纹使用寿命。

Description

一种高抗扭耐高压密封钻杆接头

技术领域

本发明涉及一种钻井用装置，特别是一种高抗扭耐高压密封钻杆接头。

背景技术

在钻探施工过程中，钻杆作为联通地表到井底的介质，起到泥浆输送、扭矩传递、钻压施加的作用，钻杆受力复杂，尤其是钻杆接头。在上扣扭矩作用下或服役工作扭矩作用下，钻杆接头各圈螺纹受到的轴向拉伸力非常不均匀，根部受力较大，往往导致螺纹根部过早失效。对于弹性模量小的钛合金钻杆接头上述问题更为突出，钛合金钻杆接头在相同载荷下相对钢制钻杆接头弹性变形更大，面对特深钻井(一般井深＞9000米)恶劣工况时，更易发生脱扣、滑扣或涨扣，台肩更容易变形导致台肩密封失效。此外，对于小锥度螺纹钻杆接头，常规的旋入结构导致上卸扣旋转圈数多，降低了工作效率。有人提出一种变螺距的钻杆接头，这种接头的连接螺纹采用了两段式，各段的螺距不同，上述结构可以改变卸扣旋转圈数多及常规API单台肩接头螺纹的受力分布不均，但是对于双台肩钻杆接头，这种结构在降低主台肩处螺纹应力的同时导致副台肩处的螺纹应力升高，而无法解决双台肩接头连接部位螺纹应力两头大中间小的问题，此外两段螺纹连接间较长的过渡段未设置螺纹，这会给两侧螺纹部位增加更大的受力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种密封性能好、应力分布均衡的高抗扭耐高压密封钻杆接头。

本发明所述问题是以下述技术方案实现的：

一种高抗扭耐高压密封钻杆接头，包括公接头和母接头，公接头插入母接头内，二者由螺纹段连接，所述接头设有主台肩密封面、副台肩密封面和圆柱密封面，其中：

主台肩密封面由相互接合的公接头主台肩和母接头密封端面构成，公接头主台肩上分布数圈公接头啮合齿，母接头密封端面分布数圈母接头啮合齿，母接头啮合齿对应公接头啮合齿的齿沟，母接头啮合齿的牙宽大于公接头啮合齿的齿沟，公接头啮合齿与母接头啮合齿过盈配合连接；

所述副台肩密封面由相互接合的公接头密封端面和母接头副台肩构成，公接头密封端面上设有环形凹槽，母接头副台肩上对应环形凹槽设有环形凸起，环形凸起与环形凹槽过盈配合；

所述圆柱密封面由公接头小头设置的圆柱密封段和母接头小端设置圆柱密封孔构成，圆柱密封段与圆柱密封孔过盈配合。

上述高抗扭耐高压密封钻杆接头，所述螺纹段由三段不同螺距的螺纹构成，以螺纹段的大直径起计第一段螺纹的螺距为P1，中间段螺纹的螺距为P2，第三段螺纹(2-3)的螺距为P3，三者螺距值P2＞P3＞P1；三者螺距值的数值关系为：P1＝P2-Cone×P2/n/b、P3＝P2-0.5Cone×P2/n/b，式中n为接头旋紧圈数，n＝2h/Cone/P2，h为螺纹牙高，b为材料系数，即b＝E/103。

上述高抗扭耐高压密封钻杆接头，螺纹段的总长度为L，第一段螺纹的长度L/4，中间段螺纹的长度为L/2，第三段螺纹的长度分别为L/4，三段螺纹具有相同的锥度，且各段螺纹小端起始端具有相同的相位角。

上述高抗扭耐高压密封钻杆接头，圆柱密封面的轴向长度a不小于中间段螺纹的2倍螺距。

上述高抗扭耐高压密封钻杆接头，第一段螺纹小端大径为中间段螺纹大端大径与中间段螺纹2倍螺纹牙高之和；中间段螺纹小端大径值为第三段螺纹大端大径与第三段2倍螺纹牙高之和。

上述高抗扭耐高压密封钻杆接头，相邻螺纹段之间由一段圆锥过渡段连接，圆锥过渡段的轴向长度不大于中间段螺纹的螺距。

上述高抗扭耐高压密封钻杆接头，螺纹段的三段螺纹的牙形均为梯形，公接头啮合齿、母接头啮合齿的牙形为三角形。

上述高抗扭耐高压密封钻杆接头，环形凹槽设有环形凸起的截面形状为相互匹配的圆弧面。

本发明对传统接头结构进行改进，其主要特点如下：1、主台肩三角齿啮合面设计，将主台肩面受到的挤压力分摊到对应的三角齿面，使主台肩面能够承受更大的挤压力和扭矩，提高了接头抗涨扣的能力和在弯曲情况下的耐密封能力；2、副台肩凹凸环形面设计可增加副台肩抗弯能力，减小应力集中，进一步提高密封效果；3、设有过盈配合的圆柱密封面，可保证连接的紧凑性，在接头受到弯矩工况下，增加了抵抗弯曲的能力，减小了对螺纹的影响。4、针对接头螺纹段轴向应力两头大中间小的分布特点及钛合金钻杆接头弹性模量低的特点，采用三段式螺纹不等螺距的设计，并建立各螺距之间关于锥度、牙高的关系，更为合理的平衡不同锥度、牙高的螺纹的应力集中问题，有效调整螺纹受力分布，改善螺纹应力集中，提高螺纹的抗扭能力，延长了螺纹使用寿命。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明的结构示意图；

图2是公接头的结构示意图；

图3是母接头的结构示意图；

图4是图1中A处的局部放大视图；

图5是图1中B处的局部放大视图；

图6是图2中C处的局部放大视图。

图中各标号为：1、公接头；1-1、公接头主台肩，1-1-1、公接头啮合齿，1-2、公接头密封端面，1-2-1、环形凹槽，1-3、圆柱密封段，2、螺纹段，2-1、第一段螺纹，2-2、中间段螺纹，2-3、第三段螺纹，2-4、圆锥过渡段，3、母接头，3-1、母接头密封端面，3-1-1、母接头啮合齿,3-2、母接头副台肩，3-2-1、环形凸起,3-3、圆柱密封孔。

具体实施方式

参看图1，本发明是一种钻杆接头，包括公接头1和母接头3，公接头插入母接头内，二者由螺纹段2连接。本发明为解决接头在钻杆内外高压状态下工作的密封问题，设置了三处密封面，其中两处为端面密封即主台肩密封面和副台肩密封面，一处为圆柱面密封。

参看图1-图4，主台肩密封面由相互接合的公接头主台肩1-1和母接头密封端面3-1构成，公接头主台肩上分布数圈(圈数大于1)公接头啮合齿1-1-1，母接头密封端面分布数圈(圈数大于1)母接头啮合齿3-1-1，在径向上，母接头啮合齿对应公接头啮合齿的齿沟。公接头啮合齿、母接头啮合齿的牙形均采用为三角形。母接头啮合齿的牙宽大于公接头啮合齿的齿沟宽。上述结构，在公接头啮合齿与母接头啮合齿相互啮合时构成过盈配合连接，使公接头啮合齿与母接头啮合齿充分接触，将主台肩密封面受到的挤压力分摊到三角齿面，使主台肩密封面能够承受更大的挤压力和扭矩。通过三角齿啮合结构设置，限制母螺纹台肩面径向位移，在接头受到弯曲应力作用下，主台肩密封面一端挤压的更近、另一端具有分离趋势的情况下，可缓解压的更紧的台肩面处的受力集中，同时保证分离趋势的台肩面处相对于常规结构更紧密结合，提高了接头抗涨扣的能力和在弯曲情况下的耐密封能力。

参看图1-图3和图5，所述副台肩密封面由相互接合的公接头密封端面1-2和母接头副台肩3-2构成，公接头密封端面上设有环形凹槽1-2-1，母接头副台肩上对应环形凹槽设有环形凸起3-2-1，环形凸起嵌入环形凹槽、且过盈配合。通过在副台肩密封面设置凹凸弧形啮合面，增加副台肩抗弯能力。环形凹槽设有环形凸起保证压紧时的过盈配合，使副台肩面间产生更好的密封效果。环形凹槽设有环形凸起的截面形状为相互匹配的圆弧面且圆弧与平面过度处采用圆角过渡，减小应力集中。

参看图1、图5、图6，公接头小头设有圆柱密封段1-3，母接头小端设有与圆柱密封面过盈配合的圆柱密封孔3-3，圆柱密封面和圆柱密封孔构成圆柱面密封。圆柱密封面需具有a距离的轴向长度，a不小于2倍中间段螺纹2-2的螺距，以保证连接的紧凑性。圆柱密封段一方面提高接头的密封性能，另一方面在接头受到弯矩工况下，增加了抵抗弯曲的能力，减小了对螺纹的影响。

参看图1、图2、图6，本发明考虑到螺纹段受到轴向应力两头大中间小的分布特点及钛合金钻杆接头的低弹性模量，采用沿轴向不等螺距分段设计方法，改善螺纹段受力分布，提高螺纹段的抗扭能力。所述螺纹段2由三段不同螺距的螺纹构成，三段螺纹具有相同的锥度Cone，螺纹段的大直径起计第一段螺纹2-1的螺距为P1，中间段螺纹2-2的螺距为P2，第三段螺纹2-3的螺距为P3，三者螺距值P2＞P3＞P1；三者螺距值的数量关系为：P1＝P2-Cone×P2/n/b、P3＝P2-0.5×Cone×P2/n/b。式中b为材料系数，即b＝E/103(E为材料弹性模量单位为GPa的值，103为经验数值，0.5为经验系数)。n为接头旋紧圈数，n＝2h/Cone/P2，h为中间段螺纹的牙高，三段螺纹均有相同牙高。

由上述计算公式可得出：

即随着锥度的减小或牙高的增大，三者螺距值差距越来越小，以便更合理的平衡不同锥度、牙高的螺纹的应力集中问题。

螺纹段的总长度为L，第一段螺纹的长度为L/4，中间段螺纹的长度为L/2，第三段螺纹的长度为L/4。相邻螺纹段之间由一段圆锥过渡段2-4连接，圆锥过渡段的轴向长度不大于中间段螺纹的螺距。上述结构设计可以有效改善两端螺纹应力集中的问题，使螺纹应力分布更均匀，从而能承受更大的载荷。以公螺纹为受力描述对象，具体过程是：在公螺纹旋入母螺纹的过程中，由于第一段螺纹螺距P1小于中间段螺纹的螺距P2，对于一定的旋入角

中间段螺纹螺纹轴向移动距离大于第一段螺纹螺纹轴向移动距离，由于轴向移动距离不同，第一段螺纹与中间段螺纹产生相背(相对的向两者互相远离方向)的移动趋势，从而中间段螺纹受到背离主台肩方向的轴向力，第一段螺纹受到指向主台肩的轴向力；同理，由于第三段螺纹的螺距P3小于中间段螺纹的螺距P2，对于一定的旋入角度

中间段螺纹轴向移动距离大于第三段螺纹轴向移动距离，由于轴向移动距离不同，中间段螺纹与第三段螺纹产生相向(相对的向两者中间)的移动趋势，从而中间段螺纹受到指向副台肩方向的轴向力，第三段螺纹受到背离副台肩的轴向力。由于螺纹锥度的存在，第一段螺纹受力接触面积大于第三段螺纹受力接触面积，若在相同大小的轴向力的作用下，第三段螺纹将受到更大的应力，通过设置P3＞P1，保证在上扣旋入一定圈数的过程中，第三段螺纹相对于中间段螺纹轴向移动距离小于第一段螺纹相对于中间段螺纹轴向移动距离，从而作用在第一段螺纹上的预紧轴向力大于作用在第三段螺纹上的预紧轴向力，促使第一段、第三段螺纹受到的总轴向应力相当。

考虑到避免螺纹旋入时不等螺距公母螺纹之间产生干涉，对各不等螺距部分进行了外径不连续设计：第一段螺纹小端大径为中间段螺纹大端大径与中间段螺纹2倍螺纹牙高之和；中间段螺纹小端大径值为第三段螺纹大端大径与第三段2倍螺纹牙高之和，且各段螺纹小端起始端具有相同的相位角。

以下给出本发明一个具体的实施例：

1、钛合金钻杆接头(E＝108GPa)

设定螺纹参数：螺纹段总长度L＝96mm，各段螺纹锥度Cone＝1：6，牙高为h＝2mm，取中间段螺距P2＝8mm，材料系数b＝108/103，则根据上述计算方法可知，旋入圈数n＝2h/Cone/P2＝3，第一段螺纹的螺距P1＝P2-Cone×P2/n/b＝7.58mm,第三段螺纹的螺距P3＝P2-0.5×Cone×P2/n/b＝7.79mm，圆柱密封面轴向长度a＝18mm。

2、钢制钻杆接头(E＝206Gpa)

设定螺纹参数：螺纹段总长度L＝80mm，各段螺纹锥度Cone＝1：12，牙高为h＝1.5mm，中间段螺纹的螺距P2＝10mm，材料系数b＝206/103，则根据上述计算方法可知，旋入圈数n＝2h/Cone/P2＝3.6，第一段螺纹的螺距P1＝P2-Cone×P2/n/b＝9.88mm，第三段螺纹的螺距P3＝P2-0.5×Cone×P2/n/b＝9.94mm，圆柱密封面轴向长度a＝20mm。

Claims (8)

1.一种高抗扭耐高压密封钻杆接头，包括公接头(1)和母接头(3)，公接头插入母接头内，二者由螺纹段(2)连接，其特征在于：所述接头设有主台肩密封面(4)、副台肩密封面(6)和圆柱密封面(5)，其中：

主台肩密封面由相互接合的公接头主台肩(1-1)和母接头密封端面(3-1)构成，公接头主台肩上分布数圈公接头啮合齿(1-1-1)，母接头密封端面分布数圈母接头啮合齿(3-1-1)，母接头啮合齿对应公接头啮合齿的齿沟，母接头啮合齿的牙宽大于公接头啮合齿的齿沟，公接头啮合齿与母接头啮合齿过盈配合连接；

所述副台肩密封面由相互接合的公接头密封端面(1-2)和母接头副台肩(3-2)构成，公接头密封端面上设有环形凹槽(1-2-1)，母接头副台肩上对应环形凹槽设有环形凸起(3-2-1)，环形凸起与环形凹槽过盈配合；

所述圆柱密封面由公接头小头设置的圆柱密封段(1-3)和母接头小端设置圆柱密封孔(3-3)构成，圆柱密封段与圆柱密封孔过盈配合。

2.根据权利要求1所述的高抗扭耐高压密封钻杆接头，其特征在于：所述螺纹段由三段不同螺距的螺纹构成，以螺纹段的大直径起计第一段螺纹(2-1)的螺距为P1，中间段螺纹(2-2)的螺距为P2，第三段螺纹(2-3)的螺距为P3，三者螺距值P2＞P3＞P1；三者螺距值的数值关系为：P1＝P2-Cone×P2/n/b、P3＝P2-0.5Cone×P2/n/b，式中n为接头旋紧圈数，n＝2h/Cone/P2，h为螺纹牙高，b为材料系数，即b＝E/103。

3.根据权利要求2所述的高抗扭耐高压密封钻杆接头，其特征在于：螺纹段的总长度为L，第一段螺纹的长度L/4，中间段螺纹的长度为L/2，第三段螺纹的长度分别为L/4，三段螺纹具有相同的锥度，且各段螺纹小端起始端具有相同的相位角。

4.根据权利要求3所述的高抗扭耐高压密封钻杆接头，其特征在于：圆柱密封面的轴向长度a不小于中间段螺纹的2倍螺距。

5.根据权利要求4所述的高抗扭耐高压密封钻杆接头，其特征在于：第一段螺纹小端大径为中间段螺纹大端大径与中间段螺纹2倍螺纹牙高之和；中间段螺纹小端大径值为第三段螺纹大端大径与第三段2倍螺纹牙高之和。

6.根据权利要求5所述的高抗扭耐高压密封钻杆接头，其特征在于：相邻螺纹段之间由一段圆锥过渡段(2-4)连接，圆锥过渡段的轴向长度不大于中间段螺纹的螺距。

7.根据权利要求6所述的高抗扭耐高压密封钻杆接头，其特征在于：螺纹段的三段螺纹的牙形均为梯形，公接头啮合齿、母接头啮合齿的牙形为三角形。

8.根据权利要求7所述的高抗扭耐高压密封钻杆接头，其特征在于：环形凹槽设有环形凸起的截面形状为相互匹配的圆弧面。

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