CN111868429B - 油井管用螺纹接头 - Google Patents

Abstract

提供能实现接头部的螺纹长度的高效化并减少加工时间及施工时间的油井管用螺纹接头。本发明为整体式油井管用螺纹接头，并且具有：公扣，其在钢管的一端设有作为外锥形螺纹的外螺纹部；和母扣，其在钢管的一端设有与外螺纹部嵌合的作为内锥形螺纹的内螺纹部，在公扣的管端侧的外周面侧密封部及母扣的管端侧的内周面侧密封部的至少1个部位具备公扣与母扣进行金属接触以密封流体的结构，外锥形螺纹及内锥形螺纹的螺纹列中的螺纹长度L(mm)的最小值L_min(mm)由(1)式定义，螺纹列中的螺纹长度L(mm)满足(2)式。

L_min×1.0≤L≤L_min×2.5 (2)。

Description

油井管用螺纹接头

技术领域

本发明涉及对在油井、气井的勘探、生产中使用的包含管及壳体的油井管进行连接的油井管用螺纹接头，特别涉及减少加工时间及施工时间的油井管用螺纹接头。

背景技术

管用螺纹接头被广泛用于在油井管等产油产业设备中使用的钢管的连接。在油、气的勘探、生产中使用的钢管的连接中，以往典型地使用API(美国石油协会)标准中规定的标准的管用螺纹接头。

近年来，原油、天然气的井不断变深，相对于垂直井，水平井、倾斜井等开始增加，因此挖掘及生产环境变得更加苛刻。另外，由于海洋、极地等恶劣环境下的井的开发增加等情况，耐压缩性能、耐弯曲性能及外压密封性能等对管用螺纹接头要求的性能不断多样化。为了满足这样的性能要求，使用被称为高级接头(premium joint)的高性能的特殊管用螺纹接头的情况增加。

另外，为了减少井开发时的挖掘量，需要将井收窄。因此，在高级接头中，对于不借助联轴构件而将管(也被称为“pipe”)彼此直接连接的整体式管用螺纹接头的需求也升高。

高级接头通常在各管的管端侧具备锥形螺纹和金属接触密封部。这些部件是构成公扣和母扣的各要素，所述公扣为设置在管的一端侧的外螺纹部，所述母扣为设置在管的一端侧的与上述外螺纹部螺合或嵌合的内螺纹部。这些要素设计为，在接头(指管用螺纹接头，下同)紧固时，外锥形螺纹与内锥形螺纹、外金属接触密封部与内金属接触密封部分别相对。需要说明的是，锥形螺纹对于使接头紧密固定是必不可少的。金属接触密封部在该金属接触密封部的区域中，通过母扣与公扣的金属接触来确保密封性。

在整体式管用螺纹接头(以下也称为整体接头)中，上述金属接触密封部设置在轴向(指管轴向，下同)上的一个或两个以上的部位。至少1个部位的金属接触密封部设置在公扣的与锥形螺纹的公扣前端侧螺纹端连接的无螺纹部(以下称为管口(nose))的外周面及母扣的与锥形螺纹的母扣后端侧螺纹端连接的无螺纹部(以下称为管口孔(nose hole))的内周面。

作为整体接头的现有技术，在图2中示出专利文献1记载的管用带螺纹接头1(管螺纹接头)。专利文献1记载的发明的课题为生产维持适当的刚性并设有改良后的密封部的管用带螺纹接头、改善接头的针对高负荷、特别是针对压缩负荷的构造上的抵抗(特性)及避免上述特性影响密封功能。并且，在专利文献1记载的发明中，设置从上述母扣3的前端侧非螺纹面的金属接触密封部突出到母扣最前端的加强部，规定该加强部的长度或进一步规定壁厚(thickness)，且避免上述母扣的加强部全长与其所相对的公扣2的后端侧的管(裸管部)发生接触。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第5232475号公报

发明内容

发明要解决的课题

但是，在上述专利文献1记载的技术中，并未提及接头的螺纹长度的优化。关于同时实现生产率和接头的剪切破坏强度这样的、螺纹长度的优化存在改善的余地。

通常，油井管将多个具有接头部(上述外螺纹部和上述内螺纹部的总称)的管使用接头部串联连接并安装到井中。在该状态下，越是靠近地面的管，则在接头部作用相对而言越大的拉伸负荷。因此，对于油井管用螺纹接头，作为重要的接头性能之一，要求具有能够避免疲劳破坏、拉伸断裂等剪切破坏的强度。作为确保接头部的强度的方法，要求将接头部的螺纹长度设置为具有一定长度。通常，为了使接头部具备能够避免剪切破坏的强度，需要使得螺纹部的剪切破坏强度超过接头部的拉伸断裂强度，需要设计为使得螺纹部剪切应力为接头部的拉伸应力的

倍以下。需要说明的是，接头部的螺纹长度是指接头部中的外螺纹部与内螺纹部处于嵌合状态的部位的全长。

但是，为了确保剪切破坏强度而使接头部的螺纹长度极端变长时，在对钢管(裸管)实施螺纹切削加工或滚轧加工时，存在加工时间与螺纹长度成比例增加的问题。另外，在进行螺纹紧固时，还存在紧固螺纹的施工时间增加的问题。由此导致生产率降低、制造成本上升。

本发明鉴于以上问题，目的在于提供能够实现接头部的螺纹长度的优化并减少加工时间及施工时间的油井管用螺纹接头。

用于解决课题的手段

本申请的发明人为了解决上述课题而进行了深入研究。

如上所述，油井管将多个管彼此使用接头部串联连接并安装到井中，因此越是靠近地面的管，在接头部作用越大的拉伸负荷。在接头部中，存在发生公扣断裂、母扣断裂等情况。因此，作为重要的接头性能之一，要求接头部具有能够避免剪切破坏的强度。针对该要求，通常通过将接头部的螺纹长度设计得较长以确保上述强度来应对。因此，通常成为为了(考虑)安全而使螺纹长度过长的设计。因而，本申请的发明人着眼于接头部的螺纹部(指内外锥形螺纹部分)具有不发生剪切破坏的最低必要限度的螺纹长度的设计，对于能够同时实现生产率和接头的剪切破坏强度的油井管用螺纹接头进行了深入研究。

其结果发现，通过以下述方式规定最低必要限度的螺纹长度L_min(mm)，从而能够防止螺纹部中的剪切破坏，所述方式为：在拉伸应力作用于接头时，使得作用于内外锥形螺纹上的剪切应力与作用于接头的危险断面上的拉伸应力之比成为规定值以下。

本发明是基于上述见解做出的，其要旨如下。

[1]油井管用螺纹接头，其为整体式油井管用螺纹接头并且具有：

公扣，其在钢管的一端设有作为外锥形螺纹的外螺纹部；和

母扣，其在钢管的一端设有与所述外螺纹部嵌合的作为内锥形螺纹的内螺纹部，

在所述公扣的管端侧的外周面侧密封部及所述母扣的管端侧的内周面侧密封部中的至少1个部位具备所述公扣与所述母扣进行金属接触以密封流体的结构，

所述外锥形螺纹及所述内锥形螺纹的螺纹列中的螺纹长度L(mm)的最小值L_min(mm)由式(1)定义，

所述螺纹列中的螺纹长度L(mm)满足式(2)。

L_min×1.0≤L≤L_min×2.5 (2)

其中，t：母扣及公扣的未加工部即裸管部的管厚(mm)、

D：母扣及公扣的未加工部即裸管部的管直径(mm)、

α_t：螺纹有效长度相对螺纹长度L之比，螺纹有效长度选择母扣或公扣中的较短侧的螺纹有效长度、

D_t：母扣或公扣中螺纹有效长度较短侧的锥形螺纹中的螺纹牙底的平均螺纹直径(mm)、

接头效率：接头部的拉伸强度/裸管部的拉伸强度。

需要说明的是，在本发明中，最低必要限度的螺纹长度(L_min(mm))是指为了使螺纹部具备能够避免剪切破坏的强度而在设计上必需的接头部的螺纹长度的最小值(下限值)。

另外，接头部的螺纹长度(L(mm))是指在使接头部螺合紧固时，接头部中的外螺纹部与内螺纹部啮合的部分(螺纹嵌合部)的长度(即，外锥形螺纹及内锥形螺纹的螺纹列中的螺纹长度)。

另外，螺纹有效长度是指在上述螺纹嵌合部中，将外螺纹部及内螺纹部各自的螺纹牙的底面合计后的部分的轴向长度的总和，针对外螺纹部及内螺纹部分别计算。

另外，螺纹有效长度比(α_t)是指螺纹有效长度相对螺纹长度L之比，且螺纹有效长度选择母扣或公扣中的较短侧的螺纹有效长度。

发明效果

根据本发明，能够得到能实现接头部的螺纹长度的优化并减少加工时间及施工时间的油井管用螺纹接头。

附图说明

图1是说明本发明的实施方式的一例的油井管用螺纹接头的管轴向的剖视图，是示出公扣与母扣紧固了的部分的剖视图。

图2是示出以往的油井管用螺纹接头的一例的管轴向的剖视图。

具体实施方式

以下，参照图1，说明本发明的油井管用螺纹接头1。需要说明的是，本发明不限定于以下的实施方式。图1是说明本发明的一实施方式的油井管用螺纹接头1的管轴向的剖视图，是示出公扣2与母扣3紧固(嵌合)的部分及其周边的剖视图。需要说明的是，图1也是后述的式(1)及式(2)的说明图。

本发明的油井管用螺纹接头1具有：公扣2，其在钢管的一端设有作为外锥形螺纹的外螺纹部4；和母扣3，其在钢管的一端设有与外螺纹部4嵌合的作为内锥形螺纹的内螺纹部5。另外，油井管用螺纹接头1在公扣2的管端侧的外周面侧密封部9及母扣3的管端侧的内周面侧密封部10中的至少1个部位具备公扣2与母扣3进行金属接触以密封流体的结构。内外锥形螺纹的螺纹列中的螺纹长度L(mm)的最小值L_min(mm)由后述的式(1)定义，且螺纹列中的螺纹长度L(mm)满足后述的式(2)。

首先，说明本发明的油井管用螺纹接头1的构成。

如图1所示，本发明的油井管用螺纹接头1通过公扣2和母扣3来连接钢管。油井管用螺纹接头1为公扣2与母扣3通过螺纹结合而形成的螺纹接头(高级接头)。另外，油井管用螺纹接头1为通过公扣2和母扣3使钢管彼此直接连接的整体式螺纹接头。

在公扣2中，在钢管的一端设有作为外锥形螺纹的外螺纹部4。在母扣3中，在钢管的一端设有与外螺纹部4嵌合或螺合的作为内锥形螺纹的内螺纹部5。需要说明的是，在本发明中，如图1所示，将包含外螺纹部4及后述的公侧的管口15的周边在内的区域称为公扣2。将包含内螺纹部5及后述的母侧的管口孔16的周边在内的区域称为母扣3。

油井管用螺纹接头1具有公扣2与母扣3进行金属接触以密封流体的结构。在图1所示的油井管用螺纹接头1的情况下，在外螺纹部4的管端侧(在图1中为与螺纹接头轴α平行的X轴的正方向侧)的外周面侧密封部9和内螺纹部5的管端侧(在图1中为X轴的负方向侧)的内周面侧密封部10这两个部位具有密封构造。

例如，对于外周面侧密封部9而言，在接头紧固时，管口15(公扣2的与前端侧的螺纹端连接的无螺纹部)与管口孔16(母扣3的与里端侧的螺纹端连接的无螺纹部)的金属接触密封部彼此接触，形成防止管内侧的流体进入锥形螺纹的区域的密封面。

内周面侧密封部10设置在公扣2的与里端侧的螺纹端连接的无螺纹部的外周面(方便起见，称为公扣里端侧非螺纹面)及母扣3的与前端侧的螺纹端连接的无螺纹部的内周面(方便起见，称为母扣前端侧非螺纹面)上。对于内周面侧密封部10而言，在螺纹接头紧固时，公扣里端侧非螺纹面与母扣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形螺纹的区域的密封面。

另外，油井管用螺纹接头1也可以在公扣2的前端具有台肩部11。在该情况下，如图1所示，在母扣3上也设置与公扣2侧的台肩部11抵接的台肩部12。

需要说明的是，裸管部是指母扣3中的除内螺纹部5以外的管主体的区域(母扣的未加工部7)及公扣2中的除外螺纹部4以外的管主体的区域(公扣的未加工部6)。公扣2及母扣3的未加工部6、7均为圆筒形状。

接下来，参照图1说明本发明的油井管用螺纹接头1的螺纹列17中的螺纹长度L(mm)与螺纹长度的最小值L_min(mm)的关系。

对于本发明的油井管用螺纹接头1而言，重要的是，设计为具有接头部的螺纹部(指内外锥形螺纹部分)不发生剪切破坏的接头强度，以及还具有满足其拉伸强度的最低必要限度的螺纹长度。因此，在本发明中，从强度及尺寸制约的观点出发，如下确定螺纹长度的容许范围。

内外锥形螺纹的螺纹列17中的螺纹长度L(mm)的下限值、即最小值L_min(mm)由以下的式(1)定义。此外，螺纹列17中的螺纹长度L(mm)需要满足以下的式(2)。

L_min×1.0≤L≤L_min×2.5 (2)

其中，t：母扣及公扣的未加工部即裸管部的管厚(mm)、

D：母扣及公扣的未加工部即裸管部的管直径(mm)、

α_t：螺纹有效长度相对螺纹长度L之比，且螺纹有效长度选择母扣或公扣中的较短侧的螺纹有效长度

D_t：母扣或公扣中螺纹有效长度较短侧的锥形螺纹中的螺纹牙底的平均螺纹直径(mm)、

接头效率：接头部的拉伸强度/裸管部的拉伸强度。

α_t由螺纹形状的设计决定。在采用在公扣和母扣中螺纹底部的宽度不同的设计的情况下，在螺纹底部的宽度较窄的形状中有效长度变短。将螺纹牙的顶部的宽度与底部的宽度相比较，在底部的宽度较大的设计例如梯形螺纹中，α_t具有增大的趋势。反之，将螺纹牙的顶部的宽度与底部的宽度比较，在底部的宽度较小的设计例如楔形螺纹中，α_t具有减小的趋势。

在螺纹长度L(mm)不满足上述式(2)(L_min×1.0≤L)的情况下，存在螺纹部在接头拉伸强度以下的管轴向拉伸负荷的作用下发生剪切破坏的可能性。优选设为L_min×1.25≤L。另一方面，在螺纹长度L(mm)不满足上述式(2)(L≤L_min×2.5)的情况下，不能说是螺纹长度足够短的设计，而且也不是本发明的效果即加工性及生产率优异的螺纹接头。优选设为L≤L_min×2.0。

需要说明的是，在例如图1所示的油井管用螺纹接头1的情况下，螺纹列17是指在公扣2和母扣3的各自上设有的上述锥形螺纹的区域。

另外，所谓螺纹长度L(mm)，如后所述，是指从公扣2的危险断面14的位置到母扣3的危险断面13的位置的长度。

另外，螺纹长度L的最小值L_min(mm)是指由上述式(1)定义的螺纹长度L的最低必要限度的长度。

另外，所谓裸管部的管厚t(mm)，如图1所示，是指公扣未加工部6及母扣未加工部7(裸管部)的管厚。裸管部的管直径D(mm)是指公扣未加工部6及母扣未加工部7(裸管部)的管直径。D_t(mm)是指母扣或公扣中螺纹有效长度较短侧的锥形螺纹中的螺纹牙底的平均螺纹直径。

在此，说明用于求算最低必要限度的螺纹长度(即，螺纹长度的最小值L_min)的式(1)。

接头强度(螺纹接头1的拉伸强度)由公扣2及母扣3的各危险断面13、14(参见图1)中的截面积较小的部位决定。其中，危险断面是指在接头部的拉伸负荷状态下最容易发生断裂的管轴正交截面。

例如，在图1所示的油井管用螺纹接头1的情况下，作为母扣3的危险断面13，采用内螺纹部5侧的螺纹列17的区域中的位于第一螺纹牙的承载牙侧表面的位置的截面。另外，作为公扣2的危险断面14，采用外螺纹部4侧的螺纹列17的区域中的位于第二螺纹牙的承载牙侧表面的位置的截面。需要说明的是，承载牙侧表面是指被施加负荷以抵抗管轴向的拉伸力的一侧的齿面。因此，在图1所示的接头部的情况下，由于公扣2的危险断面14的截面积小于母扣3的危险断面13的截面积，因此接头强度基于公扣2的危险断面14来确定。

通常，在将裸管强度(公扣2、母扣3的各裸管部的拉伸强度)设为100％的情况下，整体接头中，危险断面的截面积必定小于裸管截面积，因此整体接头的接头强度相对于裸管强度低于100％。

从根据危险断面计算出的接头效率的观点出发，接头部的最大拉伸强度(最大拉伸应力)能够使用以下的式(3)计算。

接头部的最大拉伸应力(MPa)＝裸管的拉伸应力(MPa)×接头效率(3)

并且，在以裸管的拉伸应力为基准的情况下，容许的螺纹部的剪切应力需要满足以下的式(4)。

通过使得上述剪切应力比为以(

/接头效率)表示的值以下，从而能够防止剪切破坏。从确保安全的观点出发，优选针对上述式(4)应用安全系数0.8(即，在上述式(4)的右边乘以安全系数0.8)，将上述剪切应力比设为(0.46/接头效率)以下。需要说明的是，在本发明中，通过式(2)将螺纹长度的上限设为L_min×2.5，因此上述剪切应力比的下限与应用安全系数0.4的情况相同，以(0.23/接头效率)来计算。

按照以上方式得到的螺纹部的剪切应力与接头部的最大拉伸应力的关系使用以下的式(5)表示。

另外，式(5)的左边能够使用上述式(3)如下转换。

左边＝(螺纹部的剪切应力)/(裸管部的拉伸应力/接头效率)

＝(拉伸力/螺纹部有效截面积)/(拉伸力/裸管截面积)×(接头效率)

＝(裸管截面积/螺纹部有效截面积)×(接头效率)

＝(裸管截面积/(圆周率×螺纹有效长度×平均螺纹直径))×(接头效率)

＝((π·t·(D-t))/(π·α_t×L×D_t))×接头效率

因此，式(5)成为

并且，满足式(6)的等号的条件为L的最小长度L_min，关于L_min，通过求解算式而得到上述式(1)。

需要说明的是，如上所述，在整体接头中，存在在公扣和母扣中分别将内外锥形螺纹的区域在管轴向上分为两部分的情况。本发明也能够应用于这种设计的整体接头。

如上所述，根据本发明，能够实现确保螺纹部不发生剪切破坏的最低必要限度的螺纹长度(L_min)的油井管用螺纹接头的设计。由此，对钢管(裸管)实施螺纹切削加工或滚轧加工的加工时间减少(缩短)，此外，公母锥形螺纹的紧固所需的施工时间也减少(缩短)。其结果，成为能够提高生产率、降低制造成本的优异设计，并且能够同时实现生产率和接头的剪切破坏强度。

并且，能够算出在具备通常要求的螺纹特性的同时、具有适当的容许宽度的螺纹长度(L(mm))。因此，能够对应于上述螺纹长度(L(mm))相比于以往的通常的螺纹长度变短的量来减小螺纹部所占的厚度方向的区域，因此能够确保管口15的壁厚，能够增加密封部的设计的自由度。

实施例

以下，基于实施例说明本发明。需要说明的是，本发明不限定于以下的实施例。

作为由公扣(其是对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得到的)和与之对应的母扣形成的油井管用螺纹接头，制作了下述公扣、母扣，其中，公扣是通过对3～5％管端进行缩径加工后对外径侧进行切削而制成的，母扣是通过对5～8％管端进行扩管加工后对内径侧进行切削而制成的。样品数为6对。螺纹接头的概略图为图1所示的半嵌入式螺纹接头。

使用所得到的油井管用螺纹接头(试验接头No.1～6)，分别对于(1)是否剪切破坏、(2)加工性及施工性进行评价。

(1)关于剪切破坏的评价

对于接头部的螺纹部是否剪切破坏的评价而言，在对其施加基于根据危险断面计算出的接头效率的拉伸负荷的情况下，判断螺纹部是否剪切破坏来进行。其中，作为螺纹牙接触面，将承载牙侧表面的角度设为-5度，将啮合侧面角(stabbing flank)设为15度。

(2)关于加工性及施工性的评价

在各试验接头中，分别计测公扣及母扣的制备所需的加工时间(秒)和公扣及母扣的紧固时间(秒)。加工时间设为公扣和母扣各自需要时间的合计。加工性及施工性的评价以表1中示出的试验接头No.6的油井管用螺纹接头中的加工时间及紧固时间为基准，求出相对于该基准值的比率来进行评价。在所求出的比率小于1.0的情况下，评价为加工性、施工性优异，在所求出的比率为1.0以上的情况下，评价为加工性、施工性差。需要说明的是，试验接头No.6未使用本发明中规定的螺纹长度L(mm)，而是设计为以往的通常的螺纹长度。

将按照以上方式得到的结果示于表1。

[表1]

如表1所示，可知在本发明例(试验接头No.1～3)中，螺纹列中的螺纹长度L(mm)均满足上述式(2)，因此加工性及施工性优异。另外，也未发生剪切破坏。

另一方面，可知在螺纹长度L超过上述式(2)的上限值的比较例(试验接头No.4)中，加工时间及紧固时间长，生产率降低。还可知，对于螺纹长度L小于上述式(2)的下限值的最小值的比较例(试验接头No.5)而言，发生了剪切破坏、强度不足。

即，根据本发明，通过在不发生剪切破坏的范围内设计具有适当螺纹长度L的油井管用螺纹接头，从而能够获得不存在螺纹剪切破坏的问题、且加工性及施工时间减少的(即，生产率优异的)油井管用螺纹接头。

附图标记说明

1 油井管用螺纹接头

2 公扣

3 母扣

4 外螺纹部

5 内螺纹部

6 公扣未加工部

7 母扣未加工部

9 外周面侧密封部

10 内周面侧密封部

11、12 台肩部

13、14 危险断面

15 管口

16 管口孔

17 螺纹列

α 螺纹接头轴

Claims (1)

1.油井管用螺纹接头，其为整体式油井管用螺纹接头并且具有：

公扣，其在钢管的一端设有作为外锥形螺纹的外螺纹部；和

母扣，其在钢管的一端设有与所述外螺纹部嵌合的作为内锥形螺纹的内螺纹部，

在所述公扣的管端侧的外周面侧密封部及所述母扣的管端侧的内周面侧密封部中的至少1个部位具备所述公扣与所述母扣进行金属接触以密封流体的结构，

所述外锥形螺纹及所述内锥形螺纹的螺纹列中的螺纹长度L(mm)的最小值L_min(mm)由式(1)定义，所述螺纹列中的螺纹长度L(mm)满足式(2)，

L_min＝((t×(D-t))/(α_t×D_t/√3))×接头效率 (1)

L_min×1.0≤L≤L_min×2.5 (2)

其中，t：母扣及公扣的未加工部即裸管部的管厚(mm)、

D：母扣及公扣的未加工部即裸管部的管直径(mm)、

α_t：螺纹有效长度相对螺纹长度L之比，且螺纹有效长度选择母扣或公扣中的较短侧的螺纹有效长度、

D_t：母扣或公扣中螺纹有效长度较短侧的锥形螺纹中的螺纹牙底的平均螺纹直径(mm)、

接头效率：接头部的拉伸强度/裸管部的拉伸强度。

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