CN114222880A - 具有通过增材制造产生的肩部的螺纹接头 - Google Patents
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Abstract
公开了一种用于钻孔、对烃井进行开采、或者输送石油和天然气的管状螺纹接头(1)，该管状螺纹接头包括阳螺纹管状元件(2)和阴螺纹管状元件(3)，阴螺纹管状元件(3)包括阴内螺纹部分(5)和阴非螺纹部分(6)，阳螺纹管状元件包括阳外螺纹部分(7)和阳非螺纹部分(8)，其特征在于，阳管状元件(2)或阴管状元件(3)包括主体(4)和通过增材制造添加的部分(9)，该部分包括至少一个第一邻接表面。
Description
本发明涉及一种用于钻孔、对烃井(hydrocarbon well)进行开采、或者用于输送石油和天然气的钢管状螺纹部件，并且更具体地为一种包括通过增材制造产生的肩部的管状接头。
在此，“部件”是指用于对井进行钻孔或开采的任何元件或配件，并且该元件或配件包括至少一个连接(connection)或连接器(connector)、或者甚至螺纹端部，并且旨在通过螺纹与另一部件进行组装以便与所述另一部件构成管状螺纹接头。部件可以是例如长度相对较长(特别是长度约为十米左右)的管状元件(例如，管)，或者是长度为几十厘米长的管状套管，或者还是所述管状元件的配件(悬挂件、转换件、安全阀、工具接头、接头及类似物)。
管状接头设置有螺纹端部。所述螺纹端部是互补的，能够使两个阳管状元件(“销(Pin)”)和阴管状元件(“盒(Box)”)相互连接。因此，存在一个阳螺纹元件和一个阴螺纹元件。被称为优质或半优质的螺纹端部通常包括至少一个邻接表面。第一邻接部可以由两个螺纹端部的两个表面形成，这两个表面基本上径向地定向、被配置成使得在螺纹端部的相互旋拧结束时或在压缩应力期间彼此接触。邻接部通常相对于连接的主轴线呈负角。在包括至少两个螺纹级的接头上还已知中间邻接部。
在管状螺纹接头的连接期间，润滑脂(grease)、流体、气体或任何其他类似产品经常嵌入到阳螺纹和阴螺纹连接后仍然是空闲的空间(或间隔)中。所述空间可以例如通过在一侧上接触的金属-金属密封表面、以及在另一侧上接触的阳邻接表面和阴邻接表面来限制或封闭。所述空间也可以通过在一侧上的阳螺纹和阴螺纹的连接、以及在另一侧上与阴邻接表面接触的阳邻接表面的连接来限制，如在不包括金属-金属密封表面的半优质连接的情况下一样。所述润滑脂通过在所述管的连接处产生不希望的压力而在管上产生主要应力的问题。所述压力尤其可能引起变形、松脱(unscrewing)、膨胀等问题，以及可能使管的连接变脆的其他不希望的影响，这可能在开采井、钻孔、或甚至在输送(例如：管道输送)期间管的安装或使用过程中导致重大事故。
实际上，在被称为内部的密封的情况下，在该内部中通过将阴部分构造成具有比阳部分的唇缘(lip)的刚度更大的刚度来将阴部分与阳部分的唇缘相对。阳部分的唇缘然后趋于向内变形。阳部分的唇缘向内的径向变形降低了密封表面处的接触压力，然后使得流体可能朝向螺纹和连接的外部泄漏。除了在管内部循环的流体损失和井的生产率降低之外，结果可能是管外存在的流体被管内存在的流体污染，而且还会导致阳部分的唇缘的永久变形。此外，当螺纹接头再次受到高的内部或外部流体压力时，唇缘的径向变形可能导致泄漏。
此外，唇缘的径向变形可能导致在压缩期间结构完整性的损失、以及俘获在管中内部移动的工具。
从现有技术已知的是，专利US 2010/0301603 A1提出的解决方案涉及用于连接钢管、比如钻杆管(比如内部或外部)的优质管状螺纹连接领域中的发明。特别公开了高压流体(液体或气体)密封由密封表面的相互的径向干涉产生。径向干涉的强度取决于阳螺纹元件和阴螺纹元件的相对轴向定位，并且因此通过旋拧邻接部由所述元件的邻接部限定。所述文件的目的在于改善螺纹管状接头的密封，并且尤其是一种在其即用型(ready-to-use)结构中的管状螺纹接头的密封。所述文件提出了解决方案，即在其阳螺纹部分或阴螺纹部分之一中布置泄漏凹部，以便将在唇缘的远侧部分与另一螺纹部分的相应表面之间形成的腔室设置成与接头的内部连通。
然而，在所述文件的范围内，泄漏凹部的布置借助于管的直接钻孔(例如，通过车削)来完成。
在已经预先设想或产生的管状元件或所述管状元件的部分中的“直接”钻孔类型介入的解决方案具有一定数量的缺点。钻孔尺寸不可避免地很重要，它们可能会损害唇缘的完整性并增加分层的风险。此外，直接邻接表面机加工类型介入的解决方案在泄漏凹部的表面处产生切削元件。此外，在邻接表面上产生凹部降低了由所述邻接表面允许的机械扭矩、并增加了卡住的风险。最后，产生泄漏凹部会在所述泄漏凹部周围产生附加的和不希望的应力集中。除了直接布置泄漏凹部的结果所特有的这些缺点之外，机加工困难被增加到所有所述缺点中，即通过钻孔产生泄漏凹部的事实证明是耗时的，特别是通过增加生产周期时间和它涉及一种难以控制的方法来证明高生产成本是合理的。
从现有技术专利WO2013108931已知的是，该专利公开了一种用于互相连接管状元件的连接器组件。所述文件公开了布置在邻接表面中的多个通路。
因此，直接钻孔具有多个缺点，即由于材料的大量损失而将允许扭矩降低例如-10％的数量级。由于通过钻孔产生的通道的直径很大，因此连接材料中存在附加应力的问题。此外，沿着所述类型的通道的复杂邻接表面进行机加工使得必须采用切削工具轨迹，该切削工具轨迹损坏切削工具并增加产生与材料切削相关的毛刺的风险，从而增加卡住的风险。
本发明的目的是通过增材制造产生附加部分来解决所引用的现有技术的问题。
因此，本发明包括一种用于钻孔、对烃井进行开采、或者输送石油和天然气的管状螺纹接头(1)，该管状螺纹接头包括阳管状元件(2)和阴管状元件(3)，该阴管状元件(3)包括阴内螺纹部分(5)和阴非螺纹部分(6)，该阳管状元件包括阳外螺纹部分(7)和阳非螺纹部分(8)，其特征在于，该阳管状元件(2)或阴管状元件(3)包括主体(4)和通过增材制造的附加部分(9)，该附加部分包括至少一个第一邻接表面。
根据一个实施方式，在管状螺纹接头(1)中，所述第一邻接表面是内阳邻接表面(10a)或外阳邻接表面(10b)，或者是内阴邻接表面(11a)或外阴邻接表面(11b)，所述内阳邻接表面或所述外阳邻接表面能够与对应的阴邻接表面接触，其特征在于，所述阳非螺纹部分(8)或阴非螺纹部分(6)包括通过增材制造添加的至少一个内唇缘(12a)或外唇缘(12b)。
根据一个实施方式，管状螺纹接头的特征在于，附加部分(9)通过以下由增材制造产生：耐磨堆焊(hardfacing)、电子束熔化、金属激光粉末床熔融或选择性激光熔化、选择性激光烧结、直接金属沉积或“直接能量沉积(Direct Energy Deposition)”、粘合剂喷射沉积(Binder Jetting Deposition)或激光投影沉积(Laser Projection Deposition)、线弧增材制造沉积(wire arc additive manufacturing deposition)。
根据一个实施方式，管状螺纹接头(1)的特征在于，附加部分在至少1mm的深度上具有的硬度大于所述主体(4)的硬度。
根据一个实施方式，管状螺纹接头(1)的特征在于，附加部分具有的摩擦系数大于主体(4)的摩擦系数。
根据一个实施方式，管状螺纹接头(1)的特征在于，附加部分(9)包括选自合金钢、高合金钢、铜镍合金的金属。
根据一个实施方式，管状螺纹接头(1)的特征在于，阳螺纹元件(2)和阴螺纹元件(3)中的每一个具有在一侧上的截头圆锥形的或复曲面的金属-金属密封表面(15)、以及在另一侧上阳邻接表面(10a)与阴邻接表面(11a)之间的接触，从而限定了封闭空间(13)。
根据一个实施方式，管状螺纹接头(1)的特征在于，附加部分(9)包括至少一个通道(17)。
根据一个实施方式，管状螺纹接头(1)的特征在于，通道(17)从界定阳封闭空间(14a)的表面或界定阴封闭空间(14b)的表面延伸，直至阳内侧表面(18a)或阴内侧表面(18b)、或者直至阳外侧表面(19a)或阴外侧表面(19b)。
根据一个实施方式，管状螺纹接头(1)的特征在于，通道(17)在接头的组装状态下与接触的邻接表面相距至少2mm的预定距离。
根据一个实施方式，管状螺纹接头(1)的特征在于，通道(17)在接头的组装状态下相对于接触的邻接表面处于通道的截面的外接圆的直径的至少2.5倍的预定距离处。
根据一个实施方式，管状螺纹接头(1)的特征在于，通道(17)在阳邻接表面或阴邻接表面上延伸。
根据一个实施方式，管状螺纹接头(1)的特征在于，通道(17)以这样的方式位于附加部分中：该通道一方面通至靠近邻接表面的封闭空间(13)中并且另一方面通向侧表面。
根据一个实施方式，管状螺纹接头(1)的特征在于，通道(17)线性地、轴向地、径向地、或以它们的组合延伸。
根据一个实施方式，管状螺纹接头(1)的特征在于，包括通道(17)的附加部分的深度对应于通道的截面的外接直径的至少4倍。
本发明还包括根据以下描述的用于通过增材制造产生附加部分的方法：
一种用于获得管状螺纹接头的方法，其中，附加部分(9)通过选自以下项的方法来产生：耐磨堆焊法、电子束熔化法、金属激光粉末床熔融法或选择性激光熔化法、选择性激光烧结法、直接金属沉积或“直接能量沉积”法、粘合剂喷射沉积或激光投影沉积法、线弧增材制造沉积法。
例如，已经利用Fero 55型材料和钨铬钴合金(司太立特，stellite)通过直接金属沉积法进行了测试。
可替代地，附加部分(9)可以由铜镍合金或微合金化钢类材料、通过使用例如“线弧”增材技术来产生。
通过以下详细描述和附图的查阅，本发明的其他特征和优点将变得显而易见。
[图1]以纵向截面视图示意性地描述了根据第一实施方式的管状螺纹接头，其中通过增材制造来产生阳管状元件的附加部分。
[图2]以纵向截面视图示意性地描述了根据第一实施方式的一个变体的管状螺纹接头，其中阳螺纹管状元件的附加部分包括在深度中的通道。
[图3]以纵向截面视图示意性地描述了根据第二实施方式的管状螺纹接头，其中阴邻接部通过增材制造来产生并且包括位于附加部分中的通道。
[图4a]以立体图示意性地示出了根据本发明的管状螺纹接头。
[图4b]以根据平面(yOz)的视图示意性地描述了在阳管状元件的附加部分中的通道的布置。
[图4c]以根据平面(xOz)的视图示意性地描述了在根据本发明的阳元件的唇缘处的通道的布置。
[图4d]以根据平面(xOz)的视图示意性地描述了在根据本发明的阴元件的唇缘处的通道的布置。
[图5]以纵向截面视图示意性地描述了根据本发明的管状螺纹接头，其中外阴邻接表面包括通过增材制造产生的附加部分。
[图6]以纵向截面视图示意性地描述了根据本发明的管状螺纹接头，其中外阳邻接表面包括通过增材制造产生的附加部分。
[图7]以纵向截面视图示意性地描述了根据图5中的一个变体的管状螺纹接头，其中通过增材制造产生的附加部分包括通道。
[图8]以纵向截面视图示意性地描述了根据图6中的一个变体的管状螺纹接头，其中通过增材制造产生的附加部分包括通道。
如果适用，附图不仅可以用以完成本发明，而且还有助于定义本发明。它们对本发明的范围没有限制。
图1描述了一种管状螺纹接头(1)，该管状螺纹接头在阳管状元件(2)上具有附加部分(9)。所述附加部分(9)通过增材制造来产生并且具有大致轴向深度“P”。管状螺纹接头(1)包括在接头的组装状态中处于干涉接触的阳内邻接表面(10a)和阴内邻接表面(11a)。所述邻接表面使得有可能产生大量的旋拧扭矩，以便防止不希望的松脱并且使得有可能将接头的其他功能表面置于应力之下。所述接触的邻接表面可以对液体或气体建立一定的密封，尤其是当接头受到压缩应力时。所述密封不是设计者希望的，而是要忍受的。管状螺纹接头(1)还包括建立金属-金属密封件(15)的阳金属-金属密封表面和阴金属-金属密封表面。所述金属-金属密封件(15)在接头的组装状态下、且在接头使用期间施加在接头上的宽范围应力下提供密封，该施加在接头上的宽范围应力例如为内部压力、外部压力、压缩载荷、拉力。
从图1中可以看出，润滑脂、流体、气体或任何其他类似产品嵌入到封闭空间(13)中，该封闭空间由在一侧上的金属-金属密封件(15)和在另一侧上的阳邻接表面(10a)和阴邻接表面(11a)限定。
根据本发明的一种变型，不存在金属-金属密封表面(15)，并且通过处于旋拧状态的阴螺纹(5)和阳螺纹(7)产生密封。因此，封闭空间(13)一方面由邻接表面(10a、10b、11a、11b)以及阴螺纹(5)和阳螺纹(7)界定。
根据本发明的一种变型，附加部分(9)通过增材制造、以硬度大于或等于非附加部分(即，阳主体或阴主体(4))的硬度的方式产生。
根据本发明的另一变体，附加部分(9)通过增材制造、以摩擦系数大于阳主体或阴主体(4)的摩擦系数的方式产生。
本发明还使得有可能通过将阳管状元件的主体和阴管状元件的主体的摩擦系数相互比较，显著增加通过增材制造的附加部分与相应管状元件的主体材料之间的摩擦系数。
摩擦系数的增加伴随着在两个螺纹管状元件的连接期间适用的旋拧扭矩值的增加。
硬度特别取决于所使用的材料的类型，但是材料可以被选择成使得相对于阳主体或阴主体(4)，附加部分(9)的硬度更大。
根据本发明的一方面，附加部分(9)包括选自合金钢、高合金钢、铜镍合金的金属。
有利地，增材制造使得不仅可以非常容易地布置内部腔室、通道或任何其他通道，而且还可以在布置所述通道的情况下显著减少与例如钻孔的直接干预有关的材料损失、以及产生废料。因此，与现有技术(特别是，通过钻孔)中可能实现的通路相反，它提供了产生短而窄的通路的可能性。
有利地，本发明使得有可能减少昂贵的机加工操作。
有利地，本发明使得有可能增加和改进通过构造模式逐层获得的元件的几何复杂性。
有利地，例如具有尺寸、复杂性、一种或多种不同材料的多个不同部分可以一起并且同时构造，或者然后在构造期间添加。
有利地，可以添加关于高度个性化的多个功能。
图2以与图1类似的方式描述了阳管状元件，其中此情况下通过增材制造产生的附加部分(9)包括通道或任何其他通路，根据既可控又或多或少地减小的直径来防止由于材料的过度去除、通道太宽或太长而导致附加部分(9)变脆。
因此，管状螺纹接头是可渗透的，以便降低在螺纹接头的封闭空间中存在或出现过压的风险，该封闭空间由产生密封的表面限制。
“可渗透的”是指有可能生成在阳管状部件或阴管状部件的端部中产生的通路的任何手段，以便使连接处的封闭空间和连接处的外部空间连通，这可能产生一个或多个具有预定尺寸的通道。
根据一个实施方式，通道具有0.2mm的宽度或最小直径。
所述通道的形状可以根据平面(yOz)、(xOz)或(xOy)在空间中变化。
在附加部分的增材制造期间，在设计附加部分时提供通道。这使得有可能免除布置或直接钻孔以及相关联的缺点。
根据本发明，管状螺纹接头的特征在于，沉积物的厚度必须对应于通道截面的外接直径的直径的至少4倍。必须谨慎对待所述条件以防止由于通道而生成过高的脆化应力。
有利地，这种关于所述参数的沉积物使得有可能特别地防止通过增材制造来布置的通道在所述通道周围产生过高的应力集中，并因此限制材料层压到靠近通道的区域的风险。
有利地，通过增材制造来布置的通道使得封闭空间(13)与侧表面之间的扩散成为可能。
在本发明范围内可接受的是，所述侧表面是阳内侧表面，或阴内侧表面，或阳外侧表面或阴外表面。
图3以与图2类似的方式描述了根据第二实施方式的阴管状元件，其中通过增材制造产生的附加部分(9)包括通道。
在设计附加部分(9)期间以将封闭空间(13)连接至阴内侧表面(18b)的方式提供通道。
有利地，当阴邻接表面包括通道时，本发明满足使嵌入产品的润滑脂、流体、气体或任何其他类似能够逸出并释放封闭空间(13)的目的。鉴于此情况下阳唇缘没有通道，对于阳元件不再出现应力问题。当涉及到阴邻接表面时，它不会出现或出现得更少，因为通道被布置为位于无应力部分(即，没有由邻接部之间的接触产生的强应力的区域)上。
管状螺纹接头的特征在于，沉积物的厚度必须对应于通道的截面外接直径的直径的至少4倍。
有利地，关于所述参数的这种沉积物使得有可能特别地防止通过增材制造布置的通道在所述通道周围产生过高的应力集中，并因此限制材料层压到靠近通道的区域的风险。
图4b和图4c展示了针对阳管状元件(2)的通道(17)的各种可能布置。特别是在图4b中、在根据平面(yOz)的视图中发现深度为至少0.2mm宽的通道(17)，所述通道周围的厚度“d”必须大于同一通道的直径的2倍。
在图4c中，通道(17)此时位于阳管状元件(2)的内阳邻接表面(10a)或外阳邻接表面(10b)处。
图4d以与图4c类似的方式描述了在阴管状元件(3)的内阴邻接表面(11a)或外阴邻接表面(11b)处的通道(17)。
图5和图6根据与图1、图2和图3镜像的配置描述了本发明的变体，其中通过增材制造产生的附加部分(9)位于管状螺纹接头(1)的外侧部分处、或位于图5的外阴邻接表面(11b)处或图6的外阳邻接表面(10b)处。
图7描述了图5的变体，其中通过增材制造产生的附加部分(9)包括通道(17)或任何其他扩散装置。
图8描述了图6的变体，其中通过增材制造产生的附加部分(9)包括通道(17)或任何其他扩散装置。
Claims (16)
1.一种用于钻孔、对烃井进行开采、或输送石油和天然气的管状螺纹接头(1)，所述管状螺纹接头包括阳管状元件(2)和阴管状元件(3)，所述阴管状元件(3)包括阴内螺纹部分(5)和阴非螺纹部分(6)，所述阳管状元件包括阳外螺纹部分(7)和阳非螺纹部分(8)，其特征在于，所述阳管状元件(2)或所述阴管状元件(3)包括主体(4)和通过增材制造的附加部分(9)，所述附加部分包括至少一个第一邻接表面。
2.根据权利要求1所述的管状螺纹接头(1)，其中，所述第一邻接表面是内阳邻接表面(10a)或外阳邻接表面(10b)，或者是内阴邻接表面(11a)或外阴邻接表面(11b)，所述内阳邻接表面或外阳邻接表面能够与对应的阴邻接表面接触，其特征在于，所述阳非螺纹部分(8)或所述阴非螺纹部分(6)包括通过增材制造添加的至少一个内唇缘(12a)或外唇缘(12b)。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的管状螺纹接头(1)，其特征在于，所述附加部分(9)通过以下由增材制造而产生：耐磨堆焊、电子束熔化、金属激光粉末床熔融或选择性激光熔化、选择性激光烧结、直接金属沉积或“直接能量沉积”、粘合剂喷射沉积或激光投影沉积、线弧增材制造沉积。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的管状螺纹接头(1)，其特征在于，所述附加部分在至少1mm的深度上具有的硬度大于所述主体(4)的硬度。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的管状螺纹接头(1)，其特征在于，所述附加部分具有的摩擦系数大于所述主体(4)的摩擦系数。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的管状螺纹接头(1)，其特征在于，所述附加部分(9)包括选自合金钢、高合金钢、铜镍合金的金属。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的管状螺纹接头(1)，其特征在于，所述阳螺纹元件(2)和所述阴螺纹元件(3)中的每一个具有在一侧上的截头圆锥形或复曲面金属-金属密封表面(15)、以及在另一侧上所述阳邻接表面(10a)与所述阴邻接表面(11a)之间的接触，从而界定封闭空间(13)。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的管状螺纹接头(1)，其特征在于，所述附加部分(9)包括至少一个通道(17)。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的管状螺纹接头(1)，其特征在于，所述通道(17)从界定阳封闭空间(14a)的表面或界定阴封闭空间(14b)的表面延伸直至阳内侧表面(18a)或阴内侧表面(18b)、或直至阳外侧表面(19a)或阴外侧表面(19b)。
10.根据权利要求8至9中任一项所述的管状螺纹接头(1)，其特征在于，所述通道(17)在所述接头的组装状态下与接触的邻接表面相距至少2mm的预定距离。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的管状螺纹接头(1)，其特征在于，所述通道(17)在所述接头的组装状态下相对于接触的邻接表面、处于所述通道的截面的外接圆的直径的至少2.5倍的预定距离处。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的管状螺纹接头(1)，其特征在于，所述通道(17)在阳邻接表面或阴邻接表面上延伸。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的管状螺纹接头(1)，其特征在于，所述通道(17)以这样的方式位于所述附加部分中：该通道一方面通至靠近所述邻接表面的封闭空间(13)中并且另一方面通向侧表面。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的管状螺纹接头(1)，其特征在于，所述通道(17)线性地、轴向地、径向地、或者以它们的组合延伸。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的管状螺纹接头(1)，其特征在于，包括所述通道(17)的所述附加部分的深度对应于所述通道的截面的外接直径的至少4倍。
16.一种用于获得管状螺纹接头的方法，其中附加部分(9)通过选自以下项的方法而产生：耐磨堆焊法、电子束熔化法、金属激光粉末床熔融或选择性激光熔化法、选择性激光烧结法、直接金属沉积或“直接能量沉积”法、粘合剂喷射沉积或激光投影沉积法、线弧增材制造沉积法。
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