CN114729718B - 管用螺纹接头 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是，在包含中间台肩的二段螺纹构造的管用螺纹接头中，防止设于公扣顶端部附近的内压用密封面在对接时与母扣的中间台肩接触而受到损伤的情况。因此，构成为图2所示的L_P、L_B、h_P和h_B满足下述的式(1)和式(2)。此外，θ_seal是将内压用公扣密封面的轴向两端连结的直线的倾斜角。优选的是，还满足下述的式(3)。L_P＜L_B…(1)h_B＜h_P+(L_B－L_P)×tanθ_seal…(2)L_SP＜L_B－L_P…(3)。

Description

管用螺纹接头

技术领域

本公开涉及钢管等的连结所使用的管用螺纹接头。

背景技术

在油井、天然气井等(以下，也统称为“油井”。)中，为了开采地下资源，使用构筑多段井壁的套管、配置于该套管内而生产油、气的管道。上述套管、管道由多个钢管依次连结而成，该连结使用管用螺纹接头。油井所使用的钢管也被称为油井管。

管用螺纹接头的形式大致被分为整体型和组合型。整体型的管用螺纹接头例如公开于下述的专利文献1和2，组合型的管用螺纹接头例如公开于下述的专利文献3。

在整体型中，将油井管彼此直接连结。具体而言，在油井管的一端设有内螺纹部，在另一端设有外螺纹部，向一个油井管的内螺纹部拧入另一个油井管的外螺纹部，从而将油井管彼此连结。

在组合型中，借助管状的管接头将油井管彼此连结。具体而言，在管接头的两端设有内螺纹部，在油井管的两端设有外螺纹部。并且，向管接头的一个内螺纹部拧入一个油井管的一个外螺纹部，并且向管接头的另一个内螺纹部拧入另一个油井管的一个外螺纹部，从而借助管接头将油井管彼此连结。即，在组合型中，直接连结的一对管材中的一者是油井管，另一者是管接头。

通常，形成有外螺纹部的油井管的端部包含向形成于油井管或管接头的内螺纹部插入的元素，因此被称为公扣。形成有内螺纹部的油井管或管接头的端部包含承接形成于油井管的端部的外螺纹部的元素，因此被称为母扣。

近年，一直在进行更加高温高压深井的开发。在深井中，根据地层压力的深度分布的复杂程度，还需要增加套管的段数等，因此有时使用接头的最大外径即母扣的外径和油井管的管主体的外径大致相同程度的螺纹接头。母扣外径与油井管的管主体的外径大致相等的螺纹接头也被称为标准直连型(flush-type)螺纹接头。另外，母扣外径小于油井管的管主体的外径的大致108％的螺纹接头也被称为嵌入式直连型(semi-flush-type)螺纹接头。在上述标准直连型和嵌入式直连型的螺纹接头中，不仅要求较高的强度和密封性能，而且为了在有限的管壁厚内配置螺纹构造和密封构造，对各部位施加严格的尺寸制约。

在尺寸制约较大的标准直连型和嵌入式直连型的螺纹接头中，大多采用如下接头设计：在接头部的轴向中间设置中间台肩，利用在其前后分别配置螺纹部而成的二段螺纹构成外螺纹和内螺纹。在这样的二段螺纹构造的螺纹接头中，如专利文献1和2所公开的那样，为了在严格的尺寸制约下确保针对内压的密封性能和针对外压的密封性能，在公扣顶端部附近设置内压用密封部，并且在母扣开口端部附近设置外压用密封部。

此外，专利文献1和2均为由本申请的申请人提出的申请，上述申请所附的附图是用于容易理解地说明各个技术方案的特征的示意图，与特征无关的各部的尺寸并非准确的尺寸。因而，附加说明的是，不应根据上述申请的说明书未说明的部位的附图上的尺寸来提取说明书未明确公开的技术上的特征。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特表2018-536818号公报

专利文献2：国际公开第2018/211873号

专利文献3：日本特开2012-149760号公报

发明内容

发明要解决的问题

在二段螺纹构造的螺纹接头的情况下，在母扣的轴向中央附近存在母扣中间台肩，在将公扣向母扣内插入时、外螺纹相对于内螺纹的拧入即将开始之前(即，螺纹干涉开始之前)的对芯时等，存在设于公扣顶端部附近的公扣内密封面(内压用公扣密封面)与母扣中间台肩的角部碰撞而受损的可能性。

在实际的挖掘现场作业时，在将对接导向器(日文：スタビングガイド)安装于母扣的开口端部之后对接公扣，因此设于母扣开口端部附近的母扣外密封面(外压用母扣密封面)由对接导向器保护，由于公扣中间台肩碰撞而受到损伤的可能性较小。另一方面，即使使用对接导向器，也存在公扣内密封面与母扣中间台肩接触的风险。

通常，对于油井管使用环境而言，内压比外压高，因此在对外压利用外密封部进行密封而对内压利用内密封部进行密封的二段螺纹构造的螺纹接头中，重要的是避免内密封部的损伤。

本公开的目的是，在二段螺纹构造的管用螺纹接头中，避免在对接时母扣中间台肩与公扣内密封面碰撞的情况，公扣内密封部不易受损。

用于解决问题的方案

本公开的管用螺纹接头由管状的公扣和管状的母扣构成，通过将所述公扣向所述母扣拧入而将所述公扣和所述母扣紧固。

所述公扣包括：第1外螺纹；第2外螺纹，其设于比该第1外螺纹靠顶端侧的位置且直径比所述第1外螺纹的直径小；公扣中间台肩，其设于所述第1外螺纹与所述第2外螺纹之间；公扣内密封面，其设于比所述第2外螺纹靠顶端侧的位置；以及公扣外密封面，其设于比所述第1外螺纹靠基端侧的位置。

所述母扣包括：第1内螺纹，其在紧固状态下供所述第1外螺纹嵌合；第2内螺纹，其在紧固状态下供所述第2外螺纹嵌合；母扣中间台肩，其设于所述第1内螺纹与所述第2内螺纹之间且在紧固状态下与所述公扣中间台肩接触；母扣内密封面，其在紧固状态下与所述公扣内密封面接触；以及母扣外密封面，其在紧固状态下与所述公扣外密封面接触。

本公开的管用螺纹接头满足下述的式(1)和式(2)。

[数学式1]

L_P＜L_B…(1)

[数学式2]

h_B＜h_P+(L_B-L_P)×tanθ_seal…(2)

在此，L_P是所述公扣内密封面的所述公扣中间台肩侧的端部与所述公扣中间台肩的径向外端之间的轴向距离，L_B是所述母扣外密封面的所述母扣中间台肩侧的端部与所述母扣中间台肩的径向内端之间的轴向距离，h_P是所述公扣内密封面的所述公扣中间台肩侧的端部与所述公扣中间台肩的径向外端之间的径向距离，h_B是所述母扣外密封面的所述母扣中间台肩侧的端部与所述母扣中间台肩的径向内端之间的径向距离，θ_seal是将所述公扣内密封面的轴向两端连结的直线的倾斜角。

优选的是，将所述公扣内密封面的所述公扣中间台肩侧的端部和所述公扣中间台肩的径向外端连结的直线的倾斜角θ_P比将所述母扣外密封面的所述母扣中间台肩侧的端部和所述母扣中间台肩的径向内端连结的直线的倾斜角θ_B大。更优选的是，所述倾斜角θ_P小于6°。

另外，在L_P比L_B的94％大的情况下，本公开特别有用。

另外，根据本公开，即使在h_B比h_P大的情况下，也能够至少避免对公扣内密封面中的密封接触压力变得最大的密封点SP的损伤，产生设于h_B的径向范围内的第1内螺纹31、对应的第1外螺纹21的设计上的余量，因此能够将该余量分配给各种性能。

为了实现更可靠的对密封点SP的保护，优选的是，在紧固完成时刻，公扣内密封面中的由于与母扣内密封面的接触而密封接触力变得最高的密封点SP与公扣内密封面的公扣中间台肩侧的端部P₁之间的轴向距离L_SP比L_B与L_P之差小。

发明的效果

根据本公开，能够避免在对接时公扣内密封面与母扣中间台肩碰撞而受到损伤的情况，能够防止紧固后的内压密封性能降低的情况。

附图说明

图1是实施方式的管用螺纹接头的纵剖视图。

图2是公扣和母扣的特征部分的尺寸说明图。

图3是公扣顶端部附近的放大图。

图4是用于说明对接时的状态的剖视图。

具体实施方式

如图1～图4所例示的那样，本实施方式的管用螺纹接头1由管状的公扣2和管状的母扣3构成。公扣2和母扣3通过将公扣2向母扣3拧入而紧固。公扣2设于第1管P1的管端部，母扣3设于第2管P2的管端部。第1管P1可以是油井管等长管。第2管也可以是用于将长管彼此连接的管接头，但优选为油井管等长管。即，本实施方式的管用螺纹接头1优选为整体型的管用螺纹接头。油井管、管接头典型上为钢制，但可以是不锈钢、镍基合金等金属制。

公扣2可以形成于第1油井管P1的缩径加工后的一端部。母扣3可以形成于第2油井管P2的扩径加工后的一端部。优选的是，能够在各油井管P1、P2的一端部形成公扣2，在另一端部形成母扣3。更详细而言，第1油井管P1能够通过以下方式制造：在对由长管构成的管坯的一端部进行缩径加工之后，对缩径加工后的一端部的外周进行切削加工以形成公扣2的构成要素。另外，第2油井管P2能够通过以下方式制造：在对由长管构成的管坯的一端部进行扩径加工之后，对扩径加工后的一端部的内周进行切削加工以形成母扣3的构成要素。由此，在嵌入式直连型的整体型螺纹接头中，能够确保公扣2和母扣3的壁厚。

在本说明书中，将油井管P1、P2的除了公扣2和母扣3以外的部分且既未进行缩径加工也未进行扩径加工的部分称为“管主体”。公扣2的管端侧是指自公扣2的管主体朝向公扣2的管端的方向，有时也称为“顶端侧”。公扣2的管主体侧是指自公扣2的管端朝向公扣2的管主体的方向，有时也称为“基端侧”。母扣3的开口端侧是指自母扣3的管主体朝向母扣3的开口端的方向。

公扣2能够包括：第1外螺纹21；第2外螺纹22，其设于比第1外螺纹21靠公扣2的管端侧的位置且直径比第1外螺纹21的直径小；公扣中间台肩23，其设于第1外螺纹21与第2外螺纹22之间；公扣端部台肩24，其设于公扣2的管端部；公扣内密封面25，其设于第2外螺纹22与公扣端部台肩24之间；以及公扣外密封面26，其设于第1外螺纹21与公扣2的管主体之间。第1外螺纹21和第2外螺纹22在轴向上分开，可以在第1外螺纹21与第2外螺纹22之间设置公扣中间台肩23。

优选的是，第1外螺纹21和第2外螺纹22分别由锥螺纹构成。优选的是，第1外螺纹21和第2外螺纹22具有相同的螺纹锥角和相同的螺距。优选的是，构成第2外螺纹22的锥螺纹的锥母线位于比构成第1外螺纹21的锥螺纹的锥母线靠径向内侧的位置。公扣中间台肩23能够由在第1外螺纹21与第2外螺纹22之间形成于公扣的外周的台阶部的侧面构成。公扣中间台肩23具有朝向公扣2的管端侧的公扣中间台肩面。第1外螺纹21和第2外螺纹22可以分别是梯形螺纹、API圆形螺纹、API偏梯形螺纹或楔型螺纹等。

母扣3能够包括：第1内螺纹31，其在紧固完成时刻供第1外螺纹21嵌合；第2内螺纹32，其在紧固完成时刻供第2外螺纹22嵌合；母扣中间台肩33，其在紧固完成时刻与公扣中间台肩23接触；母扣端部台肩34，其与公扣端部台肩24对应地设置；母扣内密封面35，其设于第2内螺纹32与母扣端部台肩34之间且在紧固完成时刻与公扣内密封面25跨整周地接触；以及母扣外密封面36，其设于第1内螺纹31与母扣开口端之间且在紧固完成时刻与公扣外密封面26跨整周地接触。公扣内密封面25和母扣内密封面35能够作为用于发挥主要针对内压的密封性能的内压用密封部发挥功能。公扣外密封面26和母扣外密封面36能够作为用于发挥主要针对外压的密封性能的外压用密封部发挥功能。

第1内螺纹31和第2内螺纹32在轴向上分开，可以在第1内螺纹31与第2内螺纹32之间设置母扣中间台肩33。优选的是，第1内螺纹31和第2内螺纹32由分别适合于第1外螺纹21和第2外螺纹22的锥螺纹构成。母扣中间台肩33能够由在第1内螺纹31与第2内螺纹32之间形成于母扣3的内周的台阶部构成。母扣中间台肩33具有朝向母扣3的开口端侧的母扣中间台肩面，与公扣中间台肩23的公扣中间台肩面相对。母扣中间台肩33至少在紧固完成时刻与公扣中间台肩23接触，上述中间台肩23、33作为用于发挥扭矩性能的扭矩台肩发挥功能。第1内螺纹31和第2内螺纹32可以是分别适合于第1外螺纹21和第2外螺纹22的梯形螺纹、API圆形螺纹、API偏梯形螺纹或楔型螺纹等。

公扣端部台肩24在紧固完成时刻既可以如图1所示那样与母扣端部台肩34分开，也可以与母扣端部台肩34接触。当在紧固完成时刻上述端部台肩24、34分开的情况下，也能够构成为，在施加有比螺纹接头的屈服压缩载荷小的预定的轴向压缩载荷的情况下，通过公扣2和母扣3的弹性变形，端部台肩24、34彼此接触，承载轴向压缩载荷的一部分。

公扣2和母扣3的中间台肩23、33由与管轴线正交的平坦面构成，但也可以由径向外端比径向内端向公扣2的管端侧倾倒的锥面构成。

另外，各密封面25、35、26、36的纵截面形状可以是适当的形状，在图1～图4所示的螺纹接头1中，各密封面由在纵截面中呈直线状倾斜的锥面构成。取而代之，也能够由凸曲面构成相互接触的密封面中的一者，也能够由凸曲面构成密封面双方。另外，也能够由凸曲面和具有直线状的母线的锥面的组合构成各密封面。总之，以随着公扣2向母扣3的里侧压入而密封干涉量变大的方式构成各密封面。即，公扣内密封面25和母扣外密封面26均形成为随着到达公扣顶端侧而直径逐渐变小的锥状，母扣内密封面35形成为适合于公扣内密封面25的锥状，母扣外密封面36形成为适合于公扣外密封面26的锥状。

将各密封面的轴向两端部连结的直线的斜度优选为5％(作为锥度比为10％)以上，更优选为10％(作为锥度比为20％)。另外，将各密封面的轴向两端部连结的直线的斜度优选为25％(作为锥度比为50％)以下，更优选为17％(作为锥度比为34％)以下。将公扣内密封面25的轴向两端连结的直线的倾斜角θ_seal在5％斜度的情况下为约2.9°，在10％斜度的情况下为约5.7°，在17％斜度的情况下为约9.7°，在25％斜度的情况下为约14.0°。

公扣内密封面25的公扣中间台肩23侧的端部P₁与公扣中间台肩23的径向外端P₂之间的轴向距离L_P还取决于管径尺寸等，但例如可以是65～95mm。L_P与公扣中间台肩23的径向外端的直径之比可以是20～45％。

母扣外密封面36的母扣中间台肩33侧的端部P₂与母扣中间台肩33的径向内端P₄之间的轴向距离L_B还取决于管径尺寸等，但例如可以是70～100mm。L_B与母扣中间台肩33的径向内端的直径之比可以是20～45％。L_P与L_B之比可以是94％～98％。

公扣内密封面25的公扣中间台肩23侧的端部P₁与公扣中间台肩23的径向外端P₂之间的径向距离h_P还取决于管径尺寸等，但例如可以是5.0～8.5mm。

母扣外密封面36的母扣中间台肩33侧的端部P₃与母扣中间台肩33的径向内端P₄之间的径向距离h_B还取决于管径尺寸等，但例如可以是5.0～8.5mm。优选为h_P与h_B相等。

将公扣内密封面25的公扣中间台肩33侧的端部P₁和公扣中间台肩33的径向外端P₂连结的直线的倾斜角θ_P优选为小于6°，更优选为小于5.5°。将母扣外密封面36的母扣中间台肩33侧的端部P₃和母扣中间台肩33的径向内端P₄连结的直线的倾斜角θ_B优选为小于5.5°，更优选为小于5.3°。

在图3中示出在紧固状态下在公扣内密封面25产生的密封接触压力分布和成为密封接触压力的峰值的密封点SP。此外，对于公扣2而言，用假想线表示紧固前的形状，用实线表示通过密封面25、35的干涉而向径向内侧稍微缩径变形而成的紧固状态。

内压密封性能主要在密封点SP被发挥，因此特别是避免对密封点SP附近的公扣内密封面25表面的损伤对于内压密封性能的维持而言是重要的。另一方面，随着靠近远离密封点SP的位置，即，靠近公扣内密封面的公扣中间台肩23侧的端部P₁，密封接触压力也不怎么上升，因此能够允许一些表面的损伤。因而，可以认为通过设计为能够避免对位于比端部P₁靠径向内侧的位置的密封点SP的损伤，能够维持内压密封性能。

在将公扣2向母扣3内插入时，如图4所示，在公扣2的管轴线CL_PIN相对于母扣3的管轴线CL_BOX偏离，公扣中间台肩23的径向外端P₂与母扣外密封面36的端部P₃对齐的状态下，公扣内密封面25与母扣中间台肩33干涉的可能性变高。在该状态下，为了至少避免对公扣内密封面25的密封点SP的损伤，首先，需要使公扣内密封面25的端部P₁位于比母扣中间台肩33的径向内端靠母扣开口端侧的位置。由此，导出上述的式(1)。此外，在图4中省略对接导向器的图示，但能够根据需要使用对接导向器。

公扣内密封面25自其端部P₁朝向顶端侧而直径逐渐变小，因此在图4所示的状况下，若使用公扣内密封面25的端部P₁与母扣中间台肩33的径向内端P₄之间的轴向距离即(L_B－L_P)和公扣内密封面25的倾斜角θ_seal，则当满足上述的式(2)时，能够导出母扣中间台肩33不易与公扣内密封面25碰撞。

为了更可靠地避免对密封点SP的损伤，在图4所示的状况下，密封点SP位于比母扣中间台肩33靠母扣开口端侧的位置即可。由此，导出如下条件：在紧固完成时刻，公扣内密封面25中的由于与母扣内密封面35的接触而密封接触力变得最高的密封点SP与公扣内密封面25的端部P₁之间的轴向距离L_SP比L_B与L_P之差小。

当满足以上的条件时，即使在h_B比h_P大的情况下，也能够避免在对接时母扣中间台肩33与公扣内密封面25的密封点SP接触的情况。

另外，更优选的是，将公扣内密封面25的端部P₁和公扣中间台肩23的径向外端P₂连结的直线的倾斜角θ_P比将母扣外密封面36的端部P₃和母扣中间台肩33的径向内端P₄连结的直线的倾斜角θ_B大。由此，在图4所示的状况下，能够使公扣内密封面25的端部P₁位于比将母扣外密封面36的端部P₃和母扣中间台肩33的径向内端P₄连结的直线靠径向内侧的位置，能够进一步降低母扣中间台肩33与公扣内密封面25的接触可能性。

再者，优选的是，上述倾斜角θ_P小于6°。由此，能够限制设有第2外螺纹22和公扣中间台肩23的壁厚范围，并且能够避免对公扣内密封面25的损伤。

此外，L_P可以是L_B的90％以上，更优选为可以是92％以上，进一步优选为可以是94％以上。由此，使二段螺纹构造的各自的螺纹嵌合状态和强度均匀化，能够提供整体均衡良好的螺纹接头1。

本公开不仅可以应用于整体型的螺纹接头，也可以应用于组合型的螺纹接头。此外，本公开不限定于上述的实施方式，能够在发明专利权利要求书的范围内进行各种变更。

附图标记说明

1、管用螺纹接头；2、公扣；21、第1外螺纹；22、第2外螺纹；23、公扣中间台肩；25、公扣内密封面；26、公扣外密封面；3、母扣；31、第1内螺纹；32、第2内螺纹；33、母扣中间台肩；35、母扣内密封面；36、母扣外密封面。

Claims (6)

1.一种管用螺纹接头，其由管状的公扣和管状的母扣构成，通过将所述公扣向所述母扣拧入而将所述公扣和所述母扣紧固，其中，

所述公扣包括：第1外螺纹；第2外螺纹，其设于比该第1外螺纹靠顶端侧的位置且直径比所述第1外螺纹的直径小；公扣中间台肩，其设于所述第1外螺纹与所述第2外螺纹之间；公扣内密封面，其设于比所述第2外螺纹靠顶端侧的位置；以及公扣外密封面，其设于比所述第1外螺纹靠基端侧的位置，

所述母扣包括：第1内螺纹，其在紧固状态下供所述第1外螺纹嵌合；第2内螺纹，其在紧固状态下供所述第2外螺纹嵌合；母扣中间台肩，其设于所述第1内螺纹与所述第2内螺纹之间且在紧固状态下与所述公扣中间台肩接触；母扣内密封面，其在紧固状态下与所述公扣内密封面接触；以及母扣外密封面，其在紧固状态下与所述公扣外密封面接触，

该管用螺纹接头满足下述的式(1)和式(2)，

[数学式1]

L_P＜L_B …(1)

[数学式2]

h_B＜h_P+(L_B-L_P)×tanθ_seal …(2)

在此，L_P是所述公扣内密封面的所述公扣中间台肩侧的端部与所述公扣中间台肩的径向外端之间的轴向距离，L_B是所述母扣外密封面的所述母扣中间台肩侧的端部与所述母扣中间台肩的径向内端之间的轴向距离，h_P是所述公扣内密封面的所述公扣中间台肩侧的端部与所述公扣中间台肩的径向外端之间的径向距离，h_B是所述母扣外密封面的所述母扣中间台肩侧的端部与所述母扣中间台肩的径向内端之间的径向距离，θ_seal是将所述公扣内密封面的轴向两端连结的直线相对于轴向的倾斜角。

2.根据权利要求1所述的管用螺纹接头，其中，

将所述公扣内密封面的所述公扣中间台肩侧的端部和所述公扣中间台肩的径向外端连结的直线相对于轴向的倾斜角θ_P比将所述母扣外密封面的所述母扣中间台肩侧的端部和所述母扣中间台肩的径向内端连结的直线相对于轴向的倾斜角θ_B大。

3.根据权利要求2所述的管用螺纹接头，其中，

所述倾斜角θ_P小于6°。

4.根据权利要求1、2、3中任一项所述的管用螺纹接头，其中，

L_P比L_B的94％大。

5.根据权利要求1、2、3中任一项所述的管用螺纹接头，其中，

h_B比h_P大。

6.根据权利要求1、2、3中任一项所述的管用螺纹接头，其中，

在紧固完成时刻，所述公扣内密封面中的由于与所述母扣内密封面的接触而密封接触力变得最高的密封点与所述公扣内密封面的所述公扣中间台肩侧的端部之间的轴向距离L_SP比L_B与L_P之差小。