CN113216869A - 带螺纹且联接的管材连接 - Google Patents

带螺纹且联接的管材连接 Download PDF

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Abstract

一种用于可释放地联接管状构件的管材连接，其包括：联接件，所述联接件具有形成在联接件的纵向孔内的第一内部楔形燕尾螺纹和第二内部燕尾楔形螺纹；第一管状构件，其具有从第一公扣近端端面延伸的第一配合外部尽头燕尾楔形螺纹；以及第二管状构件，其与第一管状构件基本上相同；其中，当使用预定的推荐最优扭矩将第一管状构件和第二管状构件上扣到联接件中时，第一公扣端面和第二公扣端面之间的距离D在0到10毫米的范围内，并且当距离D等于0时，在第二管材的第一公扣端面和第二公扣端面之间存在接触，但没有轴向过盈。

Description

带螺纹且联接的管材连接
本申请是向中国知识产权局提交的申请日为2017年4月25日的标题为“带螺纹且联接的管材连接”的第201780026568.2号申请的分案申请。
优先权声明
本申请要求于2016年4月27日提交的美国专利申请62/328,432号和于2017年4月12日提交的美国专利申请15/486,048号的优先权，上述专利申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开涉及用于管材的带螺纹且联接的连接，更具体地涉及用于使用内螺纹联接件来联接第一管状构件和第二管状构件的上扣管材连接。
发明内容
在第一方面，公开了一种用于可释放地联接第一管状构件和第二管状构件的上扣管材连接。上扣管材连接包括联接件，该联接件具有：具有第一母扣端面的第一母扣端；以及具有第二母扣端面的第二母扣端；和纵向联接孔，其从第一母扣端延伸通过联接件到达第二母扣端。联接件还包括连续的第一内部楔形螺纹和连续的第二内部楔形螺纹，第一内部楔形螺纹形成在联接件的纵向联接孔内并且从第一母扣端面延伸到纵向联接孔的中点，而第二内部楔形螺纹形成在纵向联接孔内并且从第二母扣端面延伸到纵向孔的中点。
上扣管材联接件还包括：第一管状构件，其具有第一公扣远端和第一公扣近端；第一纵向构件孔，其从第一公扣近端延伸通过第一管状构件到达第一公扣远端，所述第一公扣近端终止于第一公扣近端端面内；以及连续的第一配合外部楔形螺纹，其形成在第一管状构件的第一外表面上，并从第一公扣近端端面延伸到第一管状构件上的预定第一点。
所述管材联接件还包括第二管状构件，所述第二管状构件具有：第二公扣远端和第二公扣近端；第二纵向构件孔，其从第二公扣近端延伸通过第二管状构件到达第二公扣远端，所述第二公扣近端终止于第二公扣近端端面内；以及连续的第二配合外部楔形螺纹，其形成在第二管状构件的第二外表面上，并从第二公扣近端端面延伸到第二管状构件上的预定第二点。
在管材连接中，当第一管状构件的第一公扣近端已经上扣在联接件的第一母扣端中并且第二管状构件的第二公扣近端已经上扣在联接件的第二母扣端中并且每个上扣连接已经用推荐的最优上扣扭矩完成时，第一公扣近端端面和第二公扣近端端面之间的构件距离D在0到10毫米的范围内，并且当距离D等于0毫米时，第一公扣近端端面和第二公扣近端端面之间存在接触，但没有轴向过盈。
在第二方面，根据第一方面的上扣管材连接中，连续的第一内部楔形螺纹、连续的第二内部楔形螺纹、连续的第一配合外部楔形螺纹，以及连续的第二配合外部楔形螺纹的楔形系数WC小于2.0，并且其中WC被定义为最宽的楔形螺纹的第一宽度(W1)除以最窄的楔形螺纹的第二宽度(W2)所得的比率。
在第三方面，根据第二方面的上扣管材连接中，楔形系数WC在1.3至1.9的范围内。
在根据第一至第三方面中任一方面的第四方面中，上扣管材连接配置成使得当在通过旋转包括多个相互连接的管材连接的管柱而在井眼中安装上扣管材期间，将过度扭矩施加到上扣管材连接，所述过度扭矩导致在上扣管材连接的第一公扣近端端面和第二公扣近端端面之间的过盈接触。
在根据第一至第四方面中任一方面的第五方面中，第一公扣近端端面和第二公扣近端端面之间的过盈接触将轴向载荷传递通过上扣管材连接。
在根据第一至第五方面中任一方面的第六方面中，上扣管材连接具有在最优上扣扭矩的150％至250％的范围内的过度扭矩容量。
在根据第一至第六方面中任一方面的第七方面中，设置在联接件中的连续的第一内部楔形螺纹和连续的第二内部楔形螺纹、设置在第一管状构件上的连续的第一配合外部楔形螺纹，以及设置在第二管状构件上的连续的第二配合外部楔形螺纹是燕尾楔形螺纹。
在根据第一至第七方面中任一方面的第八方面中，设置在第一管状构件上的连续的第一配合外部楔形螺纹和设置在第二管状构件上的连续的第二配合外部楔形螺纹是尽头楔形螺纹。
在根据第八方面的第九方面中，其中第一管状构件上的预定第一点由第一管状构件的第一外表面上的连续的第一配合外部楔形螺纹的第一尽头点限定，并且第二管状构件上的预定第二点由第二管状构件的第二外表面上的连续的第二配合外部楔形螺纹的第二尽头点限定。
在根据第九方面的第十方面中，其中连续的第一配合外部楔形螺纹的第一锥形节圆直径与第一管状构件在第一尽头点处的第一外径(OD)相交，并且连续的第二配合外部楔形螺纹的第二锥形节圆直径与第二管状构件在第二尽头点处的第二外径(OD)相交。
在根据第一至第十方面中任一方面的第十一方面中，第一管状构件的连续的第一配合外部楔形螺纹在联接件的连续的第一内部楔形螺纹中上扣，并且第二管状构件的连续的第二配合外部楔形螺纹在联接件的连续的第二内部楔形螺纹中上扣。
在根据第一至第十一方面中任一方面的第十二方面中，上扣管材连接中的推荐的最优上扣扭矩仅通过连续的第一配合外部楔形螺纹与连续的第一内部楔形螺纹过盈以及连续的第二配合外部楔形螺纹与连续的第二内部楔形螺纹过盈来产生。
在根据第一至第十二方面中任一方面的第十三方面中，管材连接没有任何扭矩台肩。
在根据第一至第十三方面中任一方面的第十四方面中，连续的第一配合外部楔形螺纹的预定第一点位于第一管状构件上在第一公扣远端和第一公扣近端端面之间，并且连续的第二配合外部楔形螺纹的预定第二点位于第二管状构件上在第二公扣远端和第二公扣近端(特别是第二公扣近端端面)之间。
在根据第一至第十四方面中任一方面的第十五方面中，当第一管状构件的第一公扣近端已经上扣在联接件的第一母扣端中以及第二管状构件的第二公扣近端已经上扣在联接件的第二母扣端中并且每个上扣连接已经用推荐的最优上扣扭矩完成时，第一公扣近端端面和第二公扣近端端面之间的构件距离D在1毫米到10毫米的范围内。
在第十六方面中，一种对偏斜井眼进行钻井的方法，该井眼具有上部垂直部分、弯曲过渡部分并终止于水平部分，所述方法包括：提供根据第一至第十五方面中任一方面的上扣联接件；在井眼中安装包括多个相互连接的管材连接的管柱；通过旋转管柱将过度扭矩施加到至少一个或多个上扣管材连接，以使至少一个或多个管材连接移动通过井眼，其中过度扭矩导致所述至少一个或多个管材连接件的第一公扣近端端面与第二公扣近端端面之间的过盈接触。
在根据第十六方面的第十七方面中，当所述至少一个或多个上扣管材连接在旋转的同时移动通过井眼的水平部分时施加过度扭矩。
在根据第十七方面的第十八方面中，第一公扣近端端面和第二公扣近端端面之间的过盈接触将轴向载荷传递通过至少一个或多个管材连接。
在一些方面，上扣管材连接适于初始通过第一管状构件的第一公扣近端上扣在联接件的第一母扣端中以及第二管状构件的第二公扣近端上扣在联接件的第二母扣端中而上扣，第一管状构件的第一公扣近端和第二管状构件的第二公扣近端中的每个使用预定的最优上扣扭矩来上扣，导致在第一公扣近端端面和第二公扣近端端面之间测量的在纵向联接孔内的距离D在0至10毫米的范围内，并且其中如果距离D＝0，则在第一公扣近端端面和第二公扣近端端面之间存在接触，但是没有轴向载荷由所述接触传递。
在一些方面，可释放地连接管材的方法包括将第一管状构件的第一公扣近端上扣在联接件的第一母扣端中，并且将第二管状构件的第二公扣近端上扣在联接件的第二母扣端中，上述上扣通过预定的最优扭矩进行，导致第一公扣近端端面和第二公扣近端端面之间的在纵向联接孔内的距离D在0到10毫米的范围内，并且其中如果在距离D＝0的情况下，第一公扣近端端面与第二公扣近端端面之间存在接触，但没有轴向载荷通过所述接触传递；在井眼中安装包括多个相互连接的管材连接的管柱；以及在井眼中旋转管柱，从而对管柱中的至少一个或多个上扣管材连接施加过度扭矩，所述过度扭矩在第一公扣近端端面和第二公扣近端端面之间产生过盈接触，其中D<0。
附图说明
在附图中示出了一个或多个实施例的细节。
图1是根据本发明的上扣管材连接的剖视图。
图1A是图1的管材连接的一部分的放大剖视图。
图1B是图1A的一部分的放大剖视图，示出图1的管材连接的燕尾楔形螺纹中的牙顶宽度WTC和燕尾楔形螺纹中的牙底宽度WTR。
图2A是示出在图1的管材连接上扣之后的公扣端之间的间隙D>0的示意图。
图2B是示出一旦在井眼中使用上扣管材连接在连接的后续附加旋拧在一起之后，图2A的上扣管材连接的公扣端的过盈接触D<0的示意图。
图3A是示出具有高楔形比WR和高楔形系数WC的螺纹的示意图。
图3B是示出具有低楔形比WR和低楔形系数WC的螺纹的示意图。
图4是示出具有井眼的垂直和水平部分的偏斜井眼的示意图，该井眼具有包括插入井眼中的图1所示的多个相互连接的上扣管材连接的管柱。
图5是现有技术连接和图1所示上扣管材连接的上扣扭矩相对于上扣圈数的图形表示。
图6是图1所示连接的最终上扣扭矩相对于最终上扣圈数的图形表示，其中有公扣端到公扣端的接触。
图7是图1所示连接的最终上扣扭矩相对于最终上扣圈数的图形表示，其中没有公扣端到公扣端的接触。
具体实施方式
本文使用它们在管材工业中按照通常含义理解的某些术语，特别是当螺纹管材沿其中心轴线28(参见图1A)在垂直位置连接时，诸如在对管材管柱上扣以便降入井眼中时。通常情况下，在阳-阴螺纹管材连接中，连接的阳部件被称为“公扣端”构件，而阴部件被称为“母扣”构件或“联接件”。
现在参考图1和图1A，本发明涉及一种上扣管材连接100，其中第一管状构件11具有第一公扣远端18和第一公扣近端12，以及第二管状构件15具有第二公扣远端19和第二公扣近端16，第一管状构件11和第二管状构件15通过管状母扣构件(“联接件”)20彼此连接，管状母扣构件具有第一母扣端22和第二母扣端24，第一母扣端22具有第一母扣端面23以及第二母扣端24具有第二母扣端面25。联接件20包括第一内部楔形螺纹33和第二内部楔形螺纹34。第一管状构件包括第一配合外部楔形螺纹31，以及第二管状构件包括第二配合外部楔形螺纹32。
如本文所用的那样，“上扣”或过去时“被上扣”是指下述过程，其中将第一管状构件11的第一公扣近端12和第二管状构件15的第二公扣近端16插入到联接件20中并与联接件20接合并通过度扭矩和旋转将构件旋拧在一起以获得“上扣连接”100。此外，术语“选定的上扣”是指将公扣构件和联接件通过所需量的扭矩或基于公扣构件相对于联接件的相对位置(轴向或周向)拧紧在一起以获得“上扣连接”100。
此外，术语“母扣端面”23、25被理解为母扣构件的从母扣螺纹面向外的端部，而术语“第一公扣近端端面”13被理解为公扣端构件12的面向外的终端，以及术语“第二公扣近端端面”17被理解为公扣端构件16的面向外的终端。这样，在连接上扣时，第一公扣近端端面13插入(“刺入”)经过第一母扣端面23，以及第二近端端面17插入(刺入)经过第二母扣端面25进入通过联接件20的纵向联接孔29。
参考如图1A中所示的螺纹的几何形状，术语“承载牙侧”36表示螺纹的侧壁表面，其背离相应的公扣或联接构件的外端，在其上形成螺纹并支撑悬吊在井眼中的下部管状构件的重量(即，拉伸载荷)。类似地，术语“刺入牙侧”38表示螺纹的侧壁表面，其面向相应的公扣或联接构件的外端，并且在接头初始上扣期间支撑将接头朝向彼此压缩的力，诸如上部管状构件的重量或诸如施加以用于将下部管状构件推靠在钻孔底部上的力(即，压缩力)。
通常使用的一种类型的螺纹连接是楔形螺纹。参照图1A、图1B、图3A和图3B，无论特定类型如何，“楔形螺纹”在公扣构件和母扣构件上沿相反方向增加宽度W1、W2。参照图1，螺纹沿连接的宽度W1、W2变化的速率由通常称为楔形比WR的变量限定。如本文所用的那样，楔形比WR虽然在技术上不是比率，而是指的是刺入牙侧导程和承载牙侧导程之间的差异，这导致螺纹沿着连接而改变宽度。参照图3A和图3B的楔形螺纹，不同的楔形比率WR将产生不同的楔形系数WC(WC被定义为比率W1/W2，其中最宽的螺纹宽度是W1，而最窄的螺纹宽度是W2)。图3A示出高楔形系数WC＝W1/W2。通常情况下，具有高Wc的螺纹具有高WR以及具有高WR的螺纹具有高WC。图3B示出低楔形系数WC＝W1/W2。通常情况下，具有低Wc的螺纹具有低WR以及具有低WR的螺纹具有低WC。楔形螺纹广泛地在下述美国专利中公开：授予Blose的号为RE30,647的美国专利；授予Reeves的号为RE 34,467的美国专利；授予Ortloff的号为4,703,954的美国专利；以及授予Mott的号为5,454,605的美国专利；上述每篇美国专利通过引用以其全文并入本文。
燕尾螺纹牙形：(参见图1B)楔形螺纹形状，其具有的齿顶宽度WTC宽于齿宽度WTR，因此也可以说牙侧、刺入和承载牙侧都是负的。
尽头螺纹：在螺纹连接中螺纹部分端部处的部分，其中螺纹没有被按完整深度切割，而是其在完整成形的螺纹和管体之间提供过渡。理论上，尽头点是螺纹的锥形节圆直径与外管直径(“OD”)相交的点。
另外，返回参照图1和图1A，如本文所用的那样，螺纹“导程”指的是连续螺纹上的螺纹组件之间的差分距离。这样，“刺入导程”30是沿着连接轴向长度的连续螺距的刺入牙侧之间的距离。“承载导程”35是沿着连接轴向长度的连续螺距的承载牙侧之间的距离。楔形比的详细论述在授予Mallis的号为6,206,436的美国专利中提供，并且该美国专利以其全文通过引用并入本文。
楔形螺纹通常不具有扭矩台肩，因此它们的上扣是“不确定的”，并且因此，在针对被施加的给定扭矩范围的上扣期间，公扣构件和母扣构件的相对位置会比适于具有正向扭矩台肩的连接发生更多的变化。
取决于楔形螺纹的类型(过盈类型或间隙类型)，牙侧之间的楔入将以不同的方式产生。过盈楔形螺纹上产生的楔入效应是由于配合的承载牙侧和刺入牙侧之间的特定轴向过盈配合。此外，例如通过螺纹窜动和/或径向过盈，也可以在没有这种特定设计过盈(例如间隙楔形)的情况下实现楔入效果。
无论楔形螺纹的类型如何，例如，间隙楔或过盈楔(下面解释说明)，相应的牙侧在上扣期间靠近彼此(即间隙减小或过盈增加)。不确定的上扣允许通过增加连接上的上扣扭矩来增加牙侧过盈。这种增加的上扣扭矩将产生一些缺点，因为所述增加的上扣扭矩将产生更高的一般应力状态，这是由于更高的牙侧到牙侧过盈将导致滑动元件之间的高接触压力(在上扣期间)，并且还将导致在装配元件之间的高接触压力(例如，在上扣结束时)。
取决于楔形螺纹的类型，牙侧之间的楔入将以不同的方式产生。在过盈楔形螺纹上产生的楔入效应是由于螺纹部分的至少一部分的配合的承载牙侧与刺入牙侧的至少一部分之间的特定过盈配合。此外，也可以通过“螺纹窜动”(见下文)在没有这种特定过盈(例如间隙楔)的情况下实现楔入效果。
如本专利申请中所使用的那样，D＝0意味着表示公扣端面13和17接触(物理接触)的概念，然而，不经由公扣端面13和17之间的接触而传递轴向过盈(轴向载荷)。
如本专利申请中所使用的那样，D<0意味着表示由过度扭矩产生的公扣端面13和17之间的过盈接触的概念，使得存在轴向过盈并且经由公扣端面13和17之间的接触传递轴向载荷。
螺纹窜动：通常情况下，使用基本恒定的螺纹导程(包括负载导程和刺入导程)在管状元件上切割螺纹；然而，在制造过程中会发生螺纹导程的一些变化，这通常包括用铣刀或车床来加工。在加工过程中，螺纹导程中的变化表现为螺纹导程的轻微周期性变化，高于和低于螺纹导程的预期值。这种现象有时被称为“螺纹窜动”。发生的螺纹窜动量很大程度上取决于所使用的机器。这可能是由切割螺纹的机床中的倾斜(游隙)或间隙所导致的。被加工的材料和被加工零件的尺寸也是影响螺纹窜动量的变量。由于电子器件控制“跟踪”机床的位置，也可能发生螺纹窜动。通常情况下，螺纹窜动与标称值相差0.00005英寸至0.0005英寸，并且对肉眼不可见。螺纹窜动的周期通常为每一螺纹圈至少一次。大于正常的螺纹窜动在螺纹表面上可见为“颤动”，并可能导致连接被废弃。通常情况下，制造商试图消除偏离标称设计的变化，诸如螺纹窜动所经历的变化，但是目前的技术变型不能完全消除偏离标称设计的变化。
参照图1、图1A、图2A、图2B、图3A和图3B，改进的管材连接100的设计包括以下特征：
1.联接件20没有无螺纹部分或具有最少的无螺纹部分(通常从每个母扣端22、24连续地到联接件的中点21的近端具有螺纹)并且包含内部楔形螺纹33和34。
2.管状构件11的第一公扣近端12具有连续的第一配合外部楔形螺纹31，其从第一公扣端面13延伸到第一管状构件11的第一外表面41上的尽头点37，并且管状构件15的第二公扣近端16具有连续的第二配合外部楔形螺纹32，其从第二公扣端面17延伸到第二管状构件15的第二外表面45上的尽头点39并且还基本上在相应公扣端12和16上没有无螺纹部分。
3.楔形系数WC小于2，其目标值在1.3至1.9的范围内。
4.如图2A和图2B中所示，在上扣结束时，公扣端面13和17之间的距离D将在0至10毫米之间，并且公扣端面13和17没有轴向过盈(即，当D<0时才发生轴向过盈)。
上述特征提供了优于现有技术的以下优点：
1.在可接受的设计水平内控制连接的公扣构件和母扣构件中的应力和应变的同时获得牢固的连接。
2.“最优上扣扭矩”也保持在操作者可接受的范围内，因为在石油和天然气工业中当前常用的大多数钳子能够达到本发明公开的上扣水平。最优上扣扭矩：是由制造商建议的扭矩值，其通过一定量的能量用于保持连接部件(公扣-母扣)的紧密关系，以防止脱离并产生所需的性能(公扣中的拉伸应力或母扣中的压缩应力，参见表1)。
3.这些上扣扭矩水平还减少了上扣过程中连接的磨损倾向。
4.该连接具有不寻常的过度扭矩容量，而基本上不会产生额外的应力，这些应力会在某些环境中对连接的能力产生不利影响，例如：腐蚀性环境+应力，这会导致应力腐蚀开裂(SCC)效应。其中，操作扭矩或过度扭矩容量是连接在其操作寿命期间可承受的最大扭矩(换言之，高于由制造商规定的最大最优扭矩的任何扭矩)，并且其中应力腐蚀开裂(SCC)是在腐蚀性环境中裂缝形成的增长。这可能导致经受拉伸应力的通常韧性的金属意外地突然失效。
5.增加的过度扭矩容量是操作者在某些非常规应用中所需的重要连接标准，某些非常规应用如在含油和气的页岩地层中对井眼进行钻井和固入套管(在下文中关于图4更详细地解释说明)。
表1–适于螺纹连接的最优预定上扣扭矩值和最优预定过度扭矩值
预定的最优过度扭矩容量 最优预定上扣扭矩的150％至250％
预定的最优上扣扭矩 5,000英尺-磅至35,000英尺-磅
示例性使用
现在参照图4，其中示出在偏斜井眼200中使用本发明的上扣管材连接100(即图1、图1A、图2A和图2B的连接100)的示例性示例。连接C1和C2可用于在含油和气的页岩地层中钻出的偏斜井眼200。在这种偏斜的井眼200中，井眼200的上部(垂直)部分210可以是基本垂直的，然后存在过渡部分220，其具有从垂直部分的终端延伸到大致水平部分230的曲率。通常，为了最大程度地暴露油气产生地层，井眼200的水平部分230比井眼200的垂直部分210长。
在这种偏斜井眼中通过连接运送管材期间，对于连接100而言在井中产生所需性能(例如参见C1)所需的上扣扭矩通过表1中限定的最优预定上扣扭矩而达到。通过下文描述的楔形螺纹效应(过盈楔形螺纹或间隙楔形螺纹)达到该上扣扭矩。
在图5中示出可被称为上扣过程的“扭矩-圈数”曲线的图形表示，其中公扣进入母扣的圈数在“x”轴上表示并且所获得的扭矩在“y”轴上表示。图5示出对于现有楔形螺纹获得的曲线(参见曲线IAB)和对于本发明的连接获得的不同曲线(曲线IA'B')。相应曲线的部分I至A和I至A'以图形方式表示作为转数的函数施加到连接的演变扭矩，直到达到预定的(例如推荐的)最优上扣扭矩。这些种类的曲线是在上扣操作期间获得的，并且通常在现场用于区分良好的上扣操作和需要重复的不良上扣操作。这种类型的曲线实时地提供由公扣进入母扣给定的圈数和施加到所述公扣上以便将其上扣到母扣中的扭矩。对于现有技术的连接，这是A点，而对于本发明的连接100是A'。应当理解的是，扭矩-圈数曲线的斜率和楔形比WR是相关的，但是斜率不是楔形比WR的精确值。具有高楔形比WR将导致更加锥形的扭矩-圈数曲线(楔入效果将比具有较低楔形比的连接更快地开始)，这就是为什么曲线部分IA'具有比曲线IA更低的斜率(表达该概念的另一种方式是对于较低的楔形比需要较多的圈数来达到相同扭矩值)的原因。
再次参照图4，其中示出管材管柱300(例如，固入套管的管柱300)通过螺纹管材连接C1、C2在含油和气的地层中钻出的井眼200中的安装(运送)。为了将管材管柱300定位在井眼200中，包含多个连接的管柱降低通过井眼200的垂直部分210和过渡部分220，然后被迫进入井眼200的水平部分230内。将管柱300运送到井眼200的水平部分230中时，需要旋转整个上扣管柱300以防止其在将上扣的管柱300移动到水平部分230中时被卡住。由于用于偏斜井眼的标准管材(例如套管)运送过程所施加的该旋转在管柱300的先前上扣管材连接100中的至少一个或多个上产生额外的扭矩，并导致进一步拧紧至少一个或多个上扣管材连接。在先前上扣管材连接中的这种进一步的额外旋转在上扣管材连接100(例如C2)中产生扭矩，该扭矩应该在上扣管材连接100的过度扭矩容量之下(参见表1)。换言之，上扣管材连接100必须能够承受额外的旋转(扭矩)而不会产生(由于高应力导致的不允许的塑性变形)，也不能显著增加联接件20的最外表面中的环向应力，该环向应力会加速SCC故障。
如图5中所示，标准楔形螺纹将具有比根据本发明的连接100低的过度扭矩容量(参见曲线IA'B')。不同之处在于，在本发明中，在将管材管柱300运送到井眼200的水平部分230中的同时在管材管柱300旋转期间施加到上扣管材连接100的进一步的附加扭矩由公扣端面13获取，并且到达公扣端面17，本发明的对接(该轴向对接，D<0)将承受高扭矩而不会变形，并且也不会显著增加接合的连接元件(公扣/母扣)上的环向应力，当D<0时，环向应力轴向对接将产生主要的轴向应力。
参照图2A和图2B，本发明的连接的过度扭矩容量将由在管材管柱(例如套管管柱)运送到井眼的水平部分中时由旋转管材管柱的操作引起的另外的额外扭矩“激活”，并将首先产生公扣到公扣的接触，然后两个公扣端12、16的所有容量将用于产生所需的额外扭矩容量。(参见图5的部分A'-操作扭矩曲线)。
如图2A中所示，在上扣之后，当管材管柱运送到偏斜井眼的垂直部分中时，上扣管材连接100具有公扣近端端面13和17之间的在10毫米和0(接触)之间的距离D的指定范围值。如图2B中所示，在管材管柱运送到偏斜井眼200的水平部分230中期间管材管柱在井眼中的随后旋转之后，施加在先前上扣管材连接100上的次级扭矩将上扣管材连接100进一步拧紧到一起，当D>0到D＝0时，减小公扣端之间的距离并且当D<0时激活公扣到公扣的对接以产生过盈接触。备选地，如果在初始上扣时距离D＝0(接触)，则进一步的拧紧导致过盈接触，其中D<0。
如果上扣结束时D的值小于0(这意味着公扣端12、16之间的过早过盈接触)，则过早接触将消耗由公扣到公扣的对接达到最优扭矩产生的过度扭矩容量的一部分，从而减小上扣管材连接的过度扭矩容量，从而导致执行连接的扭矩较小(参见图6的曲线ICD)。点C是两个公扣端12、16接触彼此并且D＝0时的点。另外，如果间隙D太大，则上扣管材连接100将不能确保公扣端面13与公扣端面17在操作期间接触，并且因此过度扭矩容量将减小，因为所有过度扭矩将仅由连接的楔入效应(如在现有技术中那样)引起，由于在进一步旋转超过最优扭矩情况下的轴向过盈和环向应力而导致在螺纹上产生更高的轴向应力。(参见图7的曲线ID)。
简而言之，本发明的上扣管材连接100的特定设计构造提供了一种连接，该连接能够在功能上使用楔形螺纹来产生最优的上扣扭矩，同时如果由于由公扣到公扣的对接的特定操作(例如，偏斜的井眼和/或页岩地层应用)需要而具有过度扭矩容量(在使用期间施加超过最优扭矩的过度扭矩)，该过度扭矩容量当管柱被迫进入井眼时由于施加到管柱的操作性过度扭矩而“激活”。当D<0时，在过度扭矩模式下的这种轴向对接将主要产生轴向应力，但是基本上不会增加环向应力。
当在偏斜井眼中使用时，具有较高楔形系数(2或4)的现有技术楔形螺纹(如Blose或Reeves专利中所教导的那些)产生扭矩值，其在某些情况下可在连接中产生一般应力状态，特别是在联接件20的外表面上产生高环向应力(接近或高于基础材料屈服强度)。为了减小这种效应，本发明的上扣管材连接100降低了楔形比WR，从而使得楔形系数WC<2，以便产生较低的应力。然后在本设计中通过公扣到公扣的邻接来补偿该效应(以便达到可接受的操作扭矩)，所述公扣到公扣的对接产生不影响最外面的联接件表面的轴向应力。另外，现有技术的楔形螺纹在高楔形系数的磨损方面具有一些缺点，因此降低本设计中的WC值将减少连接100中的磨损。
最后，降低了在上扣管材连接100的联接件20的最外侧部分中的环向应力(因为上扣管材连接的一般应力状态减小)，并且因此连接的应力腐蚀开裂(SCC)性能得到增强。

Claims (18)

1.一种用于可释放地联接第一管状构件和第二管状构件的上扣管材连接(100)，所述连接包括：
联接件(20)，所述联接件(20)通常连续地具有螺纹，其包括：
具有第一母扣端面(23)的第一母扣端(22)以及具有第二母扣端面(25)的第二母扣端(24)；
纵向联接孔(29)，其从第一母扣端(22)延伸通过联接件(20)到达第二母扣端(24)；
第一内部楔形螺纹(33)和第二内部楔形螺纹(34)，第一内部楔形螺纹(33)形成在联接件(20)的纵向联接孔(29)内并且从第一母扣端(22)延伸到邻近纵向联接孔(29)的中点，而第二内部楔形螺纹(34)形成在纵向联接孔(29)内并且从第二母扣端(24)延伸到邻近纵向孔(29)的中点(21)；
第一管状构件(11)，所述第一管状构件(11)包括：
第一公扣远端(18)和第一公扣近端(12)；
第一纵向构件孔，其从第一公扣近端(12)延伸通过第一管状构件(11)到达第一公扣远端(18)，所述第一公扣近端(12)终止于第一公扣近端端面(13)内；
第一配合外部楔形螺纹(31)，其形成在第一管状构件(11)的第一外表面(41)上，并从第一公扣近端端面(13)延伸到第一管状构件(11)上的第一点；
第二管状构件(15)，所述第二管状构件(15)包括：
第二公扣远端(19)和第二公扣近端(16)；
第二纵向构件孔，其从第二公扣近端(16)延伸通过第二管状构件(15)到达第二公扣远端(19)，所述第二公扣近端(16)终止于第二公扣近端端面(17)内；
第二配合外部楔形螺纹(32)，其形成在第二管状构件(15)的第二外表面(45)上，并从第二公扣近端端面(17)延伸到第二管状构件(15)上的第二点(39)；以及
其中当第一管状构件(11)的第一公扣近端(12)已经上扣在联接件的第一母扣端(22)中并且第二管状构件(15)的第二公扣近端(16)已经上扣在联接件(20)的第二母扣端(24)中，每个上扣连接已经用由楔形螺纹的过盈产生的上扣扭矩完成时，第一公扣近端端面和第二公扣近端端面之间的构件距离D在0到10毫米的范围内，并且其中当距离D等于0毫米时，第一公扣近端端面(13)和第二公扣近端端面(17)之间存在接触，但没有轴向过盈。
2.根据权利要求1所述的上扣管材连接，其特征在于，第一内部楔形螺纹、第二内部楔形螺纹、第一配合外部楔形螺纹，以及第二配合外部楔形螺纹的楔形系数WC小于2.0，并且其中WC被定义为最宽的楔形螺纹的第一宽度(W1)除以最窄的楔形螺纹的第二宽度(W2)所得的比率。
3.根据权利要求2所述的上扣管材连接，其特征在于，楔形系数WC在1.3至1.9的范围内。
4.根据权利要求1所述的上扣管材连接，其特征在于，上扣管材连接配置成使得当在通过旋转包括多个相互连接的管材连接的管柱而在井眼中安装上扣管材连接期间，将过度扭矩施加到上扣管材连接，所述过度扭矩导致在上扣管材连接的第一公扣近端端面和第二公扣近端端面之间的过盈接触。
5.根据权利要求4所述的上扣管材连接，其特征在于，第一公扣近端端面和第二公扣近端端面之间的过盈接触将轴向载荷传递通过上扣管材连接。
6.根据权利要求4所述的上扣管材连接，其特征在于，上扣管材连接具有在最优上扣扭矩的150％至250％的范围内的过度扭矩容量。
7.根据权利要求1所述的上扣管材连接，其特征在于，设置在联接件中的第一内部楔形螺纹和第二内部楔形螺纹、设置在第一管状构件上的第一配合外部楔形螺纹，以及设置在第二管状构件上的第二配合外部楔形螺纹是燕尾楔形螺纹。
8.根据权利要求1所述的上扣管材连接，其特征在于，设置在第一管状构件上的第一配合外部楔形螺纹和设置在第二管状构件上的第二配合外部楔形螺纹是尽头楔形螺纹。
9.根据权利要求8所述的上扣管材连接，其特征在于，第一管状构件上的第一点由第一管状构件的第一外表面上的第一配合外部楔形螺纹的第一尽头点限定，并且第二管状构件上的第二点由第二管状构件的第二外表面上的第二配合外部楔形螺纹的第二尽头点限定。
10.根据权利要求9所述的上扣管材连接，其特征在于，第一配合外部楔形螺纹的第一锥形节圆直径与第一管状构件在第一尽头点处的第一外径(OD)相交，并且第二配合外部楔形螺纹的第二锥形节圆直径与第二管状构件在第二尽头点处的第二外径(OD)相交。
11.根据权利要求1所述的上扣管材连接，其特征在于，第一管状构件的第一配合外部楔形螺纹上扣在联接件的第一内部楔形螺纹中，并且第二管状构件的第二配合外部楔形螺纹上扣在联接件的第二内部楔形螺纹中。
12.根据权利要求1所述的上扣管材连接，其特征在于，上扣管材连接中的推荐的最优上扣扭矩仅通过第一配合外部楔形螺纹与第一内部楔形螺纹过盈以及第二配合外部楔形螺纹与第二内部楔形螺纹过盈来产生。
13.根据权利要求1所述的上扣管材连接，其特征在于，管材连接没有任何扭矩台肩。
14.根据权利要求1所述的上扣管材连接，其特征在于，第一配合外部楔形螺纹的第一点位于第一管状构件上在第一公扣远端和第一公扣近端端面之间，并且第二配合外部楔形螺纹的第二点位于第二管状构件上在第二公扣远端和第二公扣近端端面之间。
15.根据权利要求1所述的上扣管材连接，其特征在于，当第一管状构件的第一公扣近端已经上扣在联接件的第一母扣端中以及第二管状构件的第二公扣近端已经上扣在联接件的第二母扣端中并且每个上扣连接已经用推荐的最优上扣扭矩完成时，第一公扣近端端面和第二公扣近端端面之间的构件距离D在1毫米到10毫米的范围内。
16.一种可释放地连接管材(100)的方法，所述方法包括：
提供联接件(20)，所述联接件(20)通常连续地具有螺纹且包括：
具有第一母扣端面(23)的第一母扣端(22)以及具有第二母扣端面(25)的第二母扣端(24)；
纵向联接孔(29)，其从第一母扣端(22)延伸通过联接件到达第二母扣端(24)；
第一内部楔形螺纹(33)和第二内部楔形螺纹(34)，第一内部楔形螺纹(33)形成在联接件(20)的纵向联接孔(29)内并且从邻近第一母扣端(22)的第一起始点延伸到邻近纵向联接孔(29)中点的第一终点，第二内部楔形螺纹(34)形成在纵向联接孔(29)内并从邻近第二母扣端(24)的第二起始点延伸到邻近纵向联接孔(29)中点的第二终点；
提供第一管状构件(11)，所述第一管状构件(11)包括：
第一公扣远端(18)和第一公扣近端(12)；
第一纵向联接，其从第一公扣近端(12)延伸通过第一管状构件(11)到达第一公扣远端(18)，所述第一公扣近端(12)终止于第一公扣近端端面(13)内；
第一配合外部楔形螺纹(31)，其形成在第一管状构件(11)的第一外表面(41)上，并从第一公扣近端端面(13)延伸到第一管状构件(11)上的第一点；
提供第二管状构件(15)，所述第二管状构件(15)包括：
第二公扣远端(19)和第二公扣近端(16)；
第二纵向联接，其从第二公扣近端(16)延伸通过第二管状构件(15)到达第二公扣远端(19)，所述第二公扣近端(16)终止于第二公扣近端端面(17)内；
第二配合外部楔形螺纹(32)，其形成在第二管状构件(15)的第二外表面(45)上，并从第二公扣近端端面(17)延伸到第二管状构件(15)上的第二点；以及
初始用由楔形螺纹的过盈产生的上扣扭矩将第一管状构件(11)的第一公扣近端(12)上扣在联接件的第一母扣端(22)中并且将第二管状构件(15)的第二公扣近端(16)上扣在联接件的第二母扣端(24)中，导致初始上扣管材连接(100)，其在第一公扣近端端面(13)和第二公扣近端端面(17)之间的在纵向联接孔(29)内的距离D在0到10毫米的范围内，其中如果距离D＝0，则第一公扣近端端面和第二公扣近端端面之间存在接触，但没有轴向载荷通过所述接触传递；
在井眼中安装包括多个相互连接的上扣管材连接的管柱，所述多个相互连接的上扣管材连接包括所述初始上扣管材连接(100)；以及
在井眼中旋转管柱并由此将过度扭矩施加到管柱中的所述初始上扣管材连接(100)上，所述过度扭矩在第一公扣近端端面(13)和第二公扣近端端面(17)之间产生过盈接触，其中D<0。
17.根据权利要求16所述的可释放地连接管材的方法，其特征在于，当所述管柱的至少一部分设置在所述井眼的水平部分中时，将所述过度扭矩施加到所述初始上扣管材连接(100)。
18.根据权利要求16所述的可释放地连接管材的方法，其特征在于，所述过盈接触将轴向载荷传递通过经受所述过度扭矩的上扣管材连接(100)。
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