CN112204223B - 用于连接潜孔管的联接器 - Google Patents

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Abstract

一种用于连接潜孔管的联接器包括：管状本体；以及以下中的至少一者：形成在所述本体的外表面上的阳螺纹以及形成在所述本体的内表面中的阴螺纹。所述至少一个螺纹具有包括牙顶、牙底和一对牙侧的螺纹形式。所述牙顶和牙底各自绕相应的第一弧形半径和第二弧形半径成弧形。每个弧形半径均大于所述联接器的外径。

Description

用于连接潜孔管的联接器
技术领域
本公开总的来说涉及一种用于钻柱联接器(并且特别是但并不排它地是用于冲击式岩石钻孔的钻柱)的弧形螺纹。
背景技术
EP 1 511 911/US 8,066,307公开了用于冲击式岩石钻孔的直冲钻或钻柱的螺纹接头，包括位于将接合在一起以形成钻柱的上述元件上的阳螺纹和阴螺纹，其特征在于，阳螺纹和阴螺纹具有梯形形状；螺纹沿着螺纹的长度具有圆锥形倾斜度，其中圆锥角小于7度，并且螺纹的牙侧和与螺纹的顶点相切的线之间的牙侧角小于45度。
EP'911专利的圆锥形螺纹对于跨越其长度均匀分配弯曲载荷来说不是最佳的，并且圆锥形螺纹也不会导致有利的联接和分离时间。EP'911的圆锥形螺纹的耐磨性存在改进空间。
因此，希望的是提供一种用于冲击式岩石钻孔的改进的钻柱螺纹，该钻柱螺纹不会遭受圆锥形螺纹的缺点。
发明内容
本公开总的来说涉及一种用于钻柱联接器(并特别地但不排它地是用于冲击式岩石钻孔的钻柱)的弧形螺纹。在一个实施例中，一种用于连接潜孔管的联接器包括：管状本体；阴型联接部；阳型联接部；以及以下中的至少一者：形成在本体的外表面上的阳螺纹以及形成在本体的内表面中的阴螺纹。所述至少一个螺纹具有包括牙顶、牙底和一对牙侧的螺纹形式。牙顶和牙底各自绕相应的第一弧形半径和第二弧形半径成弧形。每个弧形半径均大于联接器的外径。
有利的是，相对于EP'911专利的圆锥形螺纹，当受到弯曲载荷时，弧形螺纹展现出提高的联接特性和提高的刚度。弧形螺纹减少了联接和分离时间。弧形螺纹由于其曲率与弯曲的曲率较好地对齐而跨越长度更加均匀地分配弯曲载荷。由于接触力的方向较垂直，故而弧形螺纹还展现出优异的耐磨性，从而减小滑动力。
在实施例的一个方面中，每个牙侧均是直的，并且每个牙侧均由相应的圆弧连接到相邻的牙顶和/或牙底。
在实施例的另一方面中，垂直于每个弧形半径的圆弧的螺纹形式的中心线邻近于所述至少一个螺纹的起点相对于联接器的纵向轴线以锐角且几乎垂直的第一角度倾斜，并且邻近于所述至少一个螺纹的终点以第二角度倾斜，并且第二角度小于第一角度。
在实施例的另一方面中，每个弧形半径是联接器的外径的至少5倍大。在实施例的另一方面中，螺纹形式是非对称的。在实施例的另一方面中，螺纹形式是梯形的。在实施例的另一方面中，所述至少一个螺纹的扫掠角的范围介于1度与10度之间。在实施例的另一方面中，牙底和牙顶同心。在实施例的另一方面中，牙底的弧长和牙顶的弧长相等。在实施例的另一方面中，牙底的弧长和牙顶的弧长不相等。
在实施例的另一方面中，一种连接件包括：阴型联接部，该阴型联接部具有所述阴螺纹；以及阳型联接部，该阳型联接部具有所述阳螺纹，并且被拧紧到阴螺纹中。当联接器处于挤压中时，牙侧中的一个牙侧是接触牙侧，并且另一牙侧是非接触牙侧。每个牙侧均是直的。每个螺纹形式均具有垂直于每个相应的弧形半径的圆弧的中心线。每个牙侧均具有相对于相应的中心线倾斜的牙侧角。每个接触牙侧的角均大于相应的非接触牙侧的角。
可选地是，每个非接触牙侧的角均小于45度。因为EP'911专利将牙侧角定义为从螺纹顶点开始测量，所以EP'911的教导转化为大于45度的牙侧角。将非接触牙侧的角减到最小有助于分离，并有助于分离期间的冲击波的传递。
在实施例的另一方面中，每个联接器均由金属或合金制成。阳型联接部具有外径部分、具有所述阳螺纹的直径减小部分以及将该两个部分连接起来的肩部。肩部与阴型联接部的端部接合起来，以形成金属对金属的密封。
在实施例的另一方面中，一种用于冲击钻孔的钻杆包括：杆本体；阴型联接部，该阴型联接部具有所述阴螺纹，并且被焊接到杆本体的第一端；以及阳型联接部，该阳型联接部具有所述阳螺纹，并且被焊接到杆本体的第二端。可选地是，联接器的外径的范围介于5厘米与20厘米之间，并且每个弧形半径均大于1米。
在实施例的另一方面中，一种钻柱包括钻杆。
附图说明
现将仅通过实例并参照附图来描述本发明的具体实施方案，在附图中：
图1图示根据本公开的一个实施例的具有阳型联接器和阴型联接器的钻杆，每个联接器均包括弧形螺纹；
图2A图示用于设计弧形螺纹的弧形螺旋。图2B图示弧形螺纹的参数；
图3A到图3G图示弧形螺旋的公式；
图4图示阳弧形螺纹的轮廓；
图5A和图5B是图4的部分的放大图；
图6图示阴弧形螺纹的轮廓；
图7A和图7B是图6的部分的放大图；
图8图示拧紧在一起的阳型联接器和阴型联接器。
具体实施方式
图1图示了根据本公开的一个实施例的具有阴型联接器2和阳型联接器4的钻杆1，每个联接器均包括相应的弧形螺纹2t、4t。钻杆1可由金属或合金(诸如，钢)制成。钻杆1也可以是表面硬化的(诸如，通过渗碳)。每个联接器2、4均可以附接(诸如，焊接5)到中间杆本体3，以便形成钻杆1的纵向端部。每个焊接5均可以是无缝的，例如，摩擦焊接。钻杆1可具有穿过该钻杆1形成的流动孔。钻杆1可具有6米的长度。
钻柱(未示出)可通过将多个钻杆1连同位于一端处的钻头和位于另一端处的柄适配器拧紧在一起而形成(图8)。钻头和柄适配器也可具有弧形螺纹2t、4t中的任一种。钻柱可用于用顶锤(未示出)或潜孔锤(未示出)进行冲击式岩石钻孔。如果使用潜孔锤，那么锤可具有弧形螺纹2t、4t中的每一种，以用于作为钻柱的一部分进行组装。
可替代地是，钻杆1可具有一对阳型联接器4，并且具有一对阴型联接器2的套筒(未示出)可用于将一对钻杆连接在一起。可替代地是，弧形螺纹2t、4t可用于连接其它类型的潜孔管，诸如，油田钻管、油田套管或衬管、油田生产油管或油田抽油杆。
阳型联接部4可具有管状本体，该管状本体具有用于连接到杆本体3的下端的外径上部、具有形成在其外表面中的外部阳螺纹4t的直径减小下部以及将上部和下部连接起来的肩部4s。阳型联接部的上部可具有形成在其外表面中的多个扳手扳平部。上部中的流动孔可包括喷嘴和喉部的一部分。喉部可延伸穿过肩部4s和下部。
阴型联接部2可具有管状本体，该管状本体具有用于连接到杆本体3的上端的下部。阴型联接部2可具有邻近于其流动孔形成在其内表面中的内部阴螺纹2t。流动孔可被设定尺寸，以接纳另一钻杆的阳型联接部4的直径减小下部(图8)。阳型联接部4可拧紧到阴型联接部2中，直到肩部4s邻接阴型联接器的顶部2p为止，由此形成金属对金属的密封，以用于隔离流动孔并将两个钻杆紧固在一起。
阴型联接部2的流动孔可包括邻近于阴螺纹2t的下端定位的扩散器。
可替代地是，阳型联接部4可连接到杆本体3的上端，并且阴型联接部2可连接到杆本体的下端。在此替代方案中，阳型联接部4的喷嘴将是扩散器，并且阴型联接部2的扩散器将是喷嘴。
图2A图示用于设计弧形螺纹2t、4t的弧形螺旋6。图2B图示弧形螺纹2t、4t的参数。图3A到图3G图示弧形螺旋6的公式。为了设计弧形螺纹2t、4t，可利用钻杆1的尺寸来规定一个或更多个螺纹参数，诸如，起点直径D0、终点直径D1和(线性)长度L。一旦已规定螺纹参数，便可利用图3A的公式来计算弧形半径Rb。弧形半径Rb可从中心点CP延伸，并且可限定阳螺纹4t的牙顶和阴螺纹2t的牙底。螺纹参数可被规定成使得弧形半径Rb大于(诸如，5或10倍于)联接部2、4的外径。联接部2、4的外径的范围可介于5厘米与20厘米之间，并且弧形半径Rb可大于1米，诸如，范围介于1.05米与1.7米之间。
一旦已计算出弧形半径Rb，便可利用图3B的公式来计算扫掠角γ。扫掠角γ的范围可介于1度与10度之间。一旦已计算出扫掠角γ，便可使用图3C到图3G的参数公式而生成弧形螺旋6。弧形螺旋6可用于限定弧形螺纹2t、4t的轮廓线。在参数公式中，R(t)可以是弧形螺旋绕钻杆1的纵向轴线GL的径向坐标。图3E到图3G的公式的约定对于左旋螺纹可以是负的(如图所示)并且对于右旋螺纹可以是正的。
阴螺纹2t和阳螺纹4t可互补，以使得一个钻杆1的阳螺纹可拧紧到另一钻杆的阴螺纹中(图8)。为了有助于螺纹2t、4t的拧紧和拧松，阳螺纹4t和阴螺纹2t可以是相似的，但不是彼此的相同镜像。上文所论述的设计工艺可对阴螺纹2t执行一次并且再次对阳螺纹4t执行。阴螺纹2t和阳螺纹4t中的每一个均可以是双线螺纹。
可替代地是，弧形螺纹2t、4t可以是右旋螺纹。可替代地是，阴螺纹2t和阳螺纹4t中的每一个均可以是单螺纹或三线螺纹。
图4图示阳弧形螺纹4t的轮廓7m。图5A和图5B是图4的部分的放大图。一旦已生成阳螺纹4t的轮廓线，便可确定轮廓7m。轮廓7m可在距肩部4s间隔距离X0的位置处开始。轮廓7m可在轮廓的牙顶与平行于纵向轴线GL并且偏移到终点直径D1的轴线G1相交的地方处结束。扫掠角γ可限定轮廓7m从起点到终点的圆弧范围，并且范围可介于1度与10度之间。
具体参照图5A，轮廓7m的螺纹形式可包括第一牙顶A1。螺纹形式可具有梯形形状。第一牙顶A1可以是具有弧形半径(外弧形半径)Rb的圆弧，并且可延伸到第二圆弧A2。中心线CL可相对于偏移轴线G1以锐角且几乎垂直的第一角度δ0倾斜。第二圆弧A2可具有小于外弧形半径Rb的百分之一的半径。第二圆弧A2可从第一牙顶A1延伸到非接触牙侧E1。第二圆弧A2可与第一牙顶A1和非接触牙侧E1相切。
非接触牙侧E1可以是相对于中心线CL以第一牙侧角α倾斜的直线。第一牙侧角α的范围可介于35度与55度之间，或者第一牙侧角可小于45度。非接触牙侧E1可从第二圆弧A2延伸到第三圆弧A3。第三圆弧A3可具有小于外弧形半径Rb的百分之一的半径。第三圆弧A3可从非接触牙侧E1延伸到第一牙底A4。第三圆弧A3可与非接触牙侧E1和第一牙底A4相切。螺纹形式可在第一牙底A4与第二牙顶A7之间具有高度T。第一牙底A4可以是具有内弧形半径Rb-T的圆弧，并且可从第三圆弧A3延伸到第五圆弧A5。高度T可小于外弧形半径Rb的百分之一，以使得内弧形半径Rb-T也大于阳型联接部4的外径，如上文针对弧形半径所论述的一样。第一牙底A4可与第一牙顶A1同心。中心线CL可垂直于每个弧形半径Rb、Rb-T的圆弧。
第五圆弧A5可具有小于弧形半径Rb的百分之一的半径。第五圆弧A5可从第一牙底A4延伸到接触牙侧E2。第五圆弧A5可与第一牙底A4和接触牙侧E2相切。接触牙侧E2可以是相对于中心线CL以第二牙侧角β倾斜的直线。第二牙侧角β的范围可介于40度与45度之间。第一牙侧角α可小于第二牙侧角β，从而导致不对称的螺纹形式。接触牙侧E2可从第五圆弧A5延伸到第六圆弧A6。第六圆弧A6可从接触牙侧E2延伸到第二牙顶A7。第六圆弧A6可与接触牙侧E2和第二牙顶A7相切。第二牙顶A7可以是具有外弧形半径Rb的圆弧。
螺纹形式可在轮廓7m的起点与第二牙顶A7的中心之间具有(弧长)螺距P。第一牙顶A1可具有还可以等于第二牙顶A7的弧长的一半的弧长X1。第一牙底A4也可具有等于弧长X1的弧长两倍的弧长。
可替代地是，牙顶和牙底可具有不同弧长。可替代地是，第二牙侧角可小于45度。
具体参照图5B，由于轮廓7m绕每个弧形半径Rb、Rb-T的弧形，邻近于轮廓7m的终点的螺纹形式的中心线CL可相对于偏移轴线G1以小于第一角度δ0的第二锐角δ1倾斜。
图6图示阴弧形螺纹2t的轮廓7f。图7A和图7B是图6的部分的放大图。一旦已生成阴螺纹2t的轮廓线，便可确定轮廓7f。轮廓7f可在距顶部2p间隔距离X0的位置处开始。轮廓7f可在轮廓的牙底与平行于纵向轴线GL并且偏移到终点直径D1的轴线G1相交的地方处结束。阴轮廓7f的间隔距离X0可稍不同于阳螺纹7m的间隔距离。扫掠角γ可定义轮廓7f从起点到终点的圆弧范围，并且范围可介于1度与10度之间。
具体参照图7A，轮廓7f的螺纹形式可包括第一牙底A1’。螺纹形式可具有梯形形状。第一牙底A1’可以是具有外弧形半径Rb的圆弧，并且可延伸到第二圆弧A2。阴型轮廓7f的外弧形半径Rb可稍不同于阳型轮廓7m的外弧形半径。中心线CL可相对于偏移轴线G1以锐角且几乎垂直的第一角度δ0倾斜。第二圆弧A2可具有小于外弧形半径Rb的百分之一的半径。第二圆弧A2可从第一牙底A1’延伸到非接触牙侧E1。第二圆弧A2可与第一牙底A1’和非接触牙侧E1相切。非接触牙侧E1可以是相对于中心线CL以第一牙侧角α倾斜的直线。第一牙侧角α的范围可介于35度与55度之间。
非接触牙侧E1可从第二圆弧A2延伸到第三圆弧A3。第三圆弧A3可具有小于外弧形半径Rb的百分之一的半径。第三圆弧A3可从非接触牙侧E1延伸到第一牙顶A4’。第三圆弧A3可与非接触牙侧E1和第一牙顶A4’相切。螺纹形式可在第一牙顶A4’与第二牙底A7’之间具有高度T。第一牙顶A4’可以是具有内弧形半径Rb-T的圆弧，并且可从第三圆弧A3延伸到第五圆弧A5。阴型轮廓7f的内弧形半径Rb-T可稍不同于阳型轮廓7m的内弧形半径。如从第一牙顶A4’的端点延伸的一对虚线所示，中心线CL可延伸穿过第一牙顶A4’的中点。中心线CL可垂直于每个弧形半径Rb、Rb-T的圆弧。高度T可小于外弧形半径Rb的百分之一，以使得内弧形半径Rb-T也大于阴型联接器2的外径，如上文针对弧形半径所论述的那样。
第五圆弧A5可具有小于外弧形半径Rb的百分之一的半径。第五圆弧A5可从第一牙顶A4’延伸到接触牙侧E2。第五圆弧A5可与第一牙顶A4’和接触牙侧E2相切。接触牙侧E2可以是相对于中心线CL以第二牙侧角β倾斜的直线。第二牙侧角β的范围可介于40度与45度之间。第一牙侧角α可小于第二牙侧角β，从而导致不对称的螺纹形式。不对称的螺纹形式进一步由牙侧E1、E2在偏离中心线CL的点处相交的投影来图示。阴型轮廓7f的第二牙侧角β可稍不同于阳型轮廓7m的第二牙侧角。接触牙侧E2可从第五圆弧A5延伸到第六圆弧A6。第六圆弧A6可从接触牙侧E2延伸到第二牙底A7’。第六圆弧A6可与接触牙侧E2和第二牙底A7’相切。第二牙底A7’可以是具有外弧形半径Rb的圆弧。
螺纹形式可在轮廓7m的起点与第二牙底A7’的中心之间具有(弧长)螺距P。第一牙底A1’可具有还可以等于第二牙底A7’的弧长的一半的弧长X1。阴型轮廓7f的弧长X1可不同于阳型轮廓7m的弧长。第一牙顶A4’也可具有小于弧长X1的弧长两倍的弧长。
可替代地是，牙底和牙顶可具有相同弧长。
具体参照图7B，由于轮廓7m绕每个弧形半径Rb、Rb-T的弧形，邻近于轮廓7m的终点的螺纹形式的中心线CL可相对于偏移轴线G1以小于第一角度δ0的第二锐角δ1倾斜。
针对在钻柱处于挤压中时进行钻孔的情况，参考接触牙侧E2和非接触牙侧E1。当从所钻的孔起钻出钻柱并拧松钻杆时，钻柱处于张紧状态中，并且接触牙侧E2变成非接触牙侧，并且非接触牙侧E1变成接触牙侧，如图8中所示。
图8图示拧紧在一起的阳型联接部4和阴型联接部2。一旦已生成螺纹轮廓7m、7f，则每个轮廓便可适合用于产生相应的弧形螺纹4t、2t的几何形状(诸如，通过将其截断)。每个螺纹2t、4t沿着纵向轴线GL的弧形曲率可导致截头尖顶形状。

Claims (17)

1.一种用于连接潜孔管的联接器，包括：
管状本体；
阴型联接部(2)；
阳型联接部(4)；以及
以下中的至少一者：
形成在所述本体的外表面上的阳螺纹(4t)，以及
形成在所述本体的内表面中的阴螺纹(2t)，
其中：
所述至少一个螺纹具有包括牙顶(A1、A4’、A7)、牙底(A1’、A4、A7’)和一对牙侧(E1、E2)的螺纹形式，
沿所述至少一个螺纹的整个轮廓，所述牙顶(A1、A4’、A7)和所述牙底(A1’、A4、A7’)各自绕相应的第一弧形半径和第二弧形半径(Rb、Rb-T)成弧形，并且
每个弧形半径(Rb、Rb-T)均大于所述联接器的外径。
2.根据权利要求1所述的联接器，其中：
每个牙侧(E1、E2)均是直的，并且
每个牙侧(E1、E2)均由相应的圆弧(A2、A3、A5、A6)连接到相邻的牙顶(A1、A4’、A7)和/或牙底(A1’、A4、A7’)。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的联接器，其中：
垂直于每个弧形半径(Rb、Rb-T)的圆弧的所述螺纹形式的中心线(CL)邻近于所述至少一个螺纹的起点相对于所述联接器的纵向轴线(GL)以锐角且几乎垂直的第一角度(δ0)倾斜，并且邻近于所述至少一个螺纹的终点以第二角度(δ1)倾斜，并且
所述第二角度(δ1)小于所述第一角度(δ0)。
4.根据权利要求1所述的联接器，其中每个弧形半径(Rb、Rb-T)是所述联接器的外径的至少5倍大。
5.根据权利要求1所述的联接器，其中所述螺纹形式是非对称的。
6.根据权利要求1所述的联接器，其中所述螺纹形式是梯形的。
7.根据权利要求1所述的联接器，其中所述至少一个螺纹的扫掠角(γ)的范围介于1度与10度之间。
8.根据权利要求1所述的联接器，其中所述牙底(A1’、A4、A7’)和所述牙顶(A1、A4’、A7)同心。
9.根据权利要求1所述的联接器，其中所述牙底(A1’、A4、A7’)的弧长和所述牙顶(A1、A4’、A7)的弧长相等。
10.根据权利要求1所述的联接器，其中所述牙底(A1’、A4、A7’)的弧长和所述牙顶(A1、A4’、A7)的弧长不相等。
11.一种连接件，包括：
根据前述权利要求中的任一项的联接器，所述阴型联接部(2)具有所述阴螺纹(2t)；并且
所述阳型联接部(4)具有所述阳螺纹(4t)，并且被拧紧到所述阴螺纹(2t)中，
其中：
当所述阴型联接部(2)和所述阳型联接部(4)处于挤压中时，所述牙侧(E1、E2)中的一个牙侧是接触牙侧(E2)，并且另一牙侧是非接触牙侧(E1)，
每个牙侧均是直的，
每个螺纹形式均具有垂直于每个相应的弧形半径(Rb、Rb-T)的圆弧的中心线(CL)，
每个牙侧均具有相对于相应的所述中心线倾斜的牙侧角(α、β)，并且
每个接触牙侧的角(β)均大于相应的所述非接触牙侧的角(α)。
12.根据权利要求11所述的连接件，其中每个非接触牙侧的角均小于45度。
13.根据权利要求12所述的连接件，其中：
每个联接器均由金属制成，
所述阳型联接部(4)具有外径部分、直径减小部分以及肩部(4s)，其中，所述直径减小部分具有所述阳螺纹，所述肩部(4s)将所述外径部分和所述直径减小部分连接起来，并且
所述肩部(4s)与所述阴型联接部(2)的端部(2p)接合起来，以形成金属对金属的密封。
14.根据权利要求13所述的连接件，其中每个联接器均由合金制成。
15.一种用于冲击钻孔的钻杆(1)，包括：
杆本体(3)；
根据权利要求1到10中的任一项所述的联接器，所述阴型联接部(2)具有所述阴螺纹(2t)，并且所述阴型联接部被焊接到所述杆本体(3)的第一端；并且
所述阳型联接部(4)具有所述阳螺纹(4t)，并且所述阳型联接部被焊接到所述杆本体(3)的第二端。
16.根据权利要求15所述的钻杆，
其中所述阴型联接部(2)和所述阳型联接部(4)的外径的范围介于5厘米与20厘米之间，并且
其中每个弧形半径(Rb、Rb-T)均大于1米。
17.一种钻柱，包括根据权利要求15或权利要求16所述的钻杆(1)。
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