CN114945731A - 带有能抵抗升高扭矩的外肩部的部分自锁定接合的螺纹连接件 - Google Patents

Abstract

一种螺纹接头，包括第一管状构件和第二管状构件(C1，C2)，所述第一管状构件包括第一管体(10)和凸端部(1)，凸端部包括远侧表面(17)和在凸端部处的凸螺纹区(13)，第二管状构件包括第二管体(20)和凹端部(2)，凹端部包括远侧表面和凹螺纹区(23)，凸螺纹区和凹螺纹区(13，23)分别包括其中螺纹具有变化的宽度的变化区以及邻近于变化区的非变化区，在非变化区中螺纹具有恒定的宽度，凸螺纹区的变化区与凹螺纹区的变化区上扣在一起，并且凸螺纹区的非变化区与凹螺纹区的非变化区上扣在一起，凸螺纹区和凹螺纹区的螺纹轮廓为梯形的，并且凸端部的销端外部肩部(37)与凹端部远侧表面的对应的抵接表面(42)轴向抵接接触。

Description

带有能抵抗升高扭矩的外肩部的部分自锁定接合的螺纹连 接件

技术领域

本发明涉及一种带有能够抵抗升高的扭矩的外部肩部的部分自锁定接合的螺纹连接件。本发明的设计适合于开发或勘探井，所述井包含深水井。根据本发明所述的连接件能够承受针对特殊应用(比如跟管钻进、随钻下套管、在固井时旋转、或在大斜度井中)所需的升高的扭矩，以在需要时减轻或解决阻力。根据本发明，升高的扭矩能力指的是比带肩部的连接件更高的扭矩能力，例如对于127mm(5英寸)以上的管体而言，高于(30.000ft.lb)40.674N.M。应用将特别适合于需要在井中旋转而不损害密封性和结构抗力的连接件。

背景技术

套管接头、衬管、以及其它油田管状件经常被用来钻井、完井和采井。例如，套管接头可以被放置于井筒中以稳定和保护地层免受高井筒压力(例如，超过地层压力的井筒压力)的影响，否则所述高井筒压力可能损坏地层。套管接头为管(例如，钢或钛)段，所述管段可以通过螺纹连接件或本领域中已知的任何其它连接机构而以端对端的方式联接。因此，连接件通常被设计成使得在所联接的套管接头的内部与形成于所述套管接头的外壁与井筒(亦即，地层)的内壁之间的环空之间形成至少一个密封件。

通常，在凸-凹螺纹管状连接件中，连接件的凸构件被称为“销(pin)”构件，凹构件被称为“箱(box)”构件。当在本文中使用时，“上扣(make-up)”指的是将销构件接合至箱构件中并且通过扭矩和旋转将所述构件螺纹连接在一起。“上扣”指的是在将管柱下放到井中之前对待保持的接头进行组装的过程。通常，为给定的连接件设定标称上扣扭矩。标称上扣扭矩对应于这样的值：在该值下，销构件和箱构件(假设它们适当地接合)彼此被充分地插入并且彼此激发以下放于井中并且确保所需的性能。

关于螺纹的几何形状，术语“载荷齿侧面(load flank)”指的是螺纹的这样的侧壁表面，所述侧壁表面背离其上形成有所述螺纹的相应的销构件或箱构件的外端，并且支撑悬挂在井筒中的下部管状构件的重量(亦即，拉伸载荷)。类似地，术语“入扣齿侧面(stabflank)”指的是螺纹的这样的侧壁表面，所述侧壁表面面向相应的销构件或箱构件的外端，并且支撑在接头的初始上扣期间将接头朝向彼此压缩的力、或者支撑比如所施加的用来将下部管状构件推动抵靠钻孔的底部的力(亦即，压缩力)。术语“根部(root)”和“冠部(crest)”指的是被保持在同一螺纹的相邻的入扣齿侧面与载荷齿侧面之间的表面，其中根部与冠部相对，并且冠部限定相应的销端螺纹和箱端螺纹的最外部表面。

梯形螺纹包括载荷齿侧面、入扣齿侧面、根部和冠部，以使得在两个相邻的根部之间，载荷齿侧面、入扣齿侧面以及冠部限定明显的梯形形状，其中载荷齿侧面与根部和冠部中的任一者之间的过渡可以为弯曲的，并且入扣齿侧面与根部和冠部中的任一者之间的过渡也是如此。燕尾形螺纹指的是梯形螺纹轮廓，其中存在第一螺纹高度位置，其中螺纹的、沿着管道纵向轴线测量的轴向宽度在该第一位置处比所述螺纹的在第二螺纹高度位置处的轴向宽度更宽，所述第二螺纹高度位置比所述第一螺纹高度位置更靠近于所述螺纹的根部。燕尾形轮廓防止连接件发生凸构件和凹构件的径向分离，尤其是在具有内部压力载荷情况下的牵引压缩循环的影响下。

当在本文中使用时，“变化的螺纹区(varying threaded zone)”为与特定的螺纹形式无关的螺纹，所述螺纹在销构件和箱构件上在轴向宽度(亦即，载荷齿侧面与入扣齿侧面之间的沿着管道的纵向轴线测量的轴向距离)方面分别沿相反的方向增加，以使得在上扣所述连接件时，互补的宽度变化的销端螺纹和箱端螺纹运动至接合状态。在上扣结束时，宽度变化的螺纹通常处于自锁定布置中。自锁定布置意味着在上扣结束时，在销构件和箱构件的相应的载荷齿侧面之间以及在销构件和箱构件的相应的入扣齿侧面之间都不会留有螺纹轴向间隙。

螺纹在宽度方面沿着连接件改变的比率由被称为“变化的宽度比(varying widthratio)”的变量定义。当在本文中使用时，“变化的宽度比”，其尽管在技术上并非比率，而指的是入扣齿侧面导程与载荷齿侧面导程之间的差，并且描述了相对的表面如何随着螺纹的每次回转而汇合。此外，当在本文中使用时，螺纹“导程”指的是连续的螺纹上的螺纹的一个部分之间的差别距离。因此，“入扣导程(stab lead)”为连续的螺纹节距的入扣齿侧面之间的沿着所述连接件的轴向长度的距离。由于载荷齿侧面具有与入扣齿侧面不同的导程，所以宽度变化的螺纹的螺纹宽度发生变化。可以用毫米每转来量化螺纹导程。应当注意的是，螺纹导程是通常使用的术语“螺纹节距”的倒数，所述螺纹节距通常被量化为每毫米的螺纹数。

例如如在美国专利第5,360,239号或美国专利第6,682,101号中所公开的，宽度变化的螺纹通常不具有正止挡扭矩肩部，所以它们的上扣是“难以确认的”。因此，与具有正止挡扭矩肩部的连接件相比，对于待施加的给定的扭矩范围，销构件和箱构件的相对位置在选定的上扣期间可能具有更大的变化。因此，对于在选定的上扣过程中具有齿侧面干涉并且不具有正止挡扭矩肩部的宽度变化的螺纹而言，将标称上扣扭矩限定成使得在操作者于上扣图表上观察到由于干涉配合所引起的扭矩阻力之后获得选定的量的扭矩。

因此，通过将所述连接件设计成具有更大的齿侧面干涉和/或根部/冠部干涉，宽度变化的螺纹能够螺纹密封更高的气体和/或液体的压力。然而，在选定的上扣期间，增大的干涉可能使连接件上的应力增加，这可能导致连接件的过早失效。而且，那些具有最高干涉的宽度变化的螺纹甚至更加难以确认地配合上扣，在上扣结束时，销构件和箱构件的相对轴向位置将在连续的上扣和卸扣循环中变化。

如前所述，宽度变化的螺纹通常不包含正止挡扭矩肩部，因为正止挡扭矩肩部减少螺纹可用的管道厚度的量。相反，螺纹依赖于“楔形效应”，或者宽度变化的螺纹使入扣齿侧面和载荷齿侧面接合并容许变化的宽度比充当“扭矩肩部”。关于宽度变化的螺纹连接件，仍然存在难题。然而，由于在宽度变化的螺纹的已选定的上扣完成时，箱构件和销构件的相对的最终位置可能在各次上扣之间变化，这可能导致连接件的非螺纹特征部(亦即密封件)的接触应力的变化。密封件的失效可能导致螺纹连接件的过早失效。

因此，从US-2011/278838已知一种宽度变化的螺纹连接件，所述宽度变化的螺纹连接件具有邻近于内部密封件的内部正止挡扭矩肩部，以改善对应的密封性能。正止挡扭矩肩部容许密封表面的合适定位。加工这种螺纹连接件需要较小的加工公差，以便实现密封件和宽度变化的螺纹两者的合适平衡，从而同时充分地组合它们。

从US-9273521已知另一种类型的宽度变化的螺纹连接件，所述宽度变化的螺纹连接件具有邻近于外部密封件的外部正止挡扭矩肩部，但是根据该文献的教导，为了降低与螺纹位置无关的跳出的风险，在低的上扣扭矩下，在上扣之后在入扣齿侧面之间保持存在轴向间隙。所述连接件不处于自锁定布置中，并且容许更大的可接受的加工公差，因此螺纹不能提供任何密封特征，并且需要通过在螺纹部分的两个末端处添加密封件特征部来获得密封性。在扭矩过大的情况下，外部肩部和密封件都会屈服，并且性能将是不可接受的。US-9273521没有教导针对升高的扭矩能力的解决方案。

还从US-2018-340378已知另一种宽度变化的螺纹连接件，所述宽度变化的螺纹连接件具有正止挡扭矩肩部，所述正止挡扭矩肩部由销构件和箱构件两者的螺纹部分的端部处的螺纹止挡件的特定设计所提供。销端螺纹止挡件和箱端螺纹止挡件被构造成在宽度变化的销端螺纹和箱端螺纹完全接合时进行接触。根据该设计，销端螺纹止挡件和箱端螺纹止挡件的作用类似于传统的正止挡扭矩肩部，并且在上扣过程期间或者在其它井下操作期间，在螺纹连接件被施加过大的扭矩的情况下“保护”所述连接件。在这样的构造中，当所述连接件被施加过大的扭矩时，螺纹止挡件运动成接触螺纹管状件并可以防止螺纹管状件的额外的相对旋转运动(以及螺纹损坏)。US-2018-340378教导将螺纹止挡件之间的接触应力保持低于所述连接件的材料的屈服极限。

需要这样一种连接件，所述连接件在加工成本、在上扣结束时具有精确的相对密封位置的高密封性能以及提供可预测的上扣过程之间进行合适的平衡，以便在插入钻孔中和/或在钻孔中旋转时，容许在上扣之后承受更高的扭矩。

发明内容

本发明提出一种就低制造成本和上述问题进行改善的连接件。

本发明涉及一种螺纹接头，所述螺纹接头包括第一和第二管状构件，所述第一管状构件包括第一管体和凸端部，所述凸端部包括远侧表面和设置于所述凸端部的外周边表面上的螺纹区，所述第二管状构件包括第二管体和凹端部，所述凹端部包括远侧表面和设置于所述凹端部的内周边表面上的螺纹区，凸端部螺纹区和凹端部螺纹区都分别包括其中螺纹具有变化的宽度的变化区以及邻近于所述变化区的非变化区，在所述非变化区中，螺纹具有恒定的宽度，凸端部螺纹区的变化区与凹端部螺纹区的变化区上扣在一起，并且所述凸端部螺纹区的非变化区与所述凹端部螺纹区的非变化区上扣在一起，所述凸端部螺纹区和凹端部螺纹区的螺纹轮廓为梯形的并且包括载荷齿侧面、入扣齿侧面、根部和冠部，其中所述凸端部的销端外部肩部与凹端部远侧表面的对应的抵接表面处于轴向抵接接触，这样的销端外部肩部保持于第一管体与凸端部螺纹部分之间。

优选地，在上扣之后，所述非变化区中的凸端部入扣齿侧面与凹端部入扣齿侧面之间的螺纹轴向间隙可以在0.002mm至1mm之间、优选地在0.05mm至0.5mm之间、甚至更优选地等于0.036mm。

例如，在所述变化区以自锁定布置上扣处的所述变化区内的圈数可以包括于2至15之间、优选地包括于2至12之间，所述变化区以自锁定布置上扣使得凸端部入扣齿侧面接触凹端部入扣齿侧面并且凸端部载荷齿侧面接触凹端部载荷齿侧面。

在本发明的一个优选实施例中，凹端部变化区内的圈数的5-50％可以包括高度不完全的螺纹轮廓，其中变化区中的不完全的凹端部螺纹的冠部保持于圆柱形部分上。

类似地，在所述优选实施例中，或者在另一个实施例中，所述凹端部螺纹区的总圈数的10％至30％可以包括高度不完全的螺纹轮廓。

优选地，变化区和非变化区可以在同一螺旋线上相邻。甚至更优选地，凸端部螺纹区和凹端部螺纹区均由单个螺旋线形成。

在一个优选实施例中，凸端部非变化区内的圈数的0-50％可以包括高度不完全的螺纹轮廓，其中非变化区中的不完全的凸端部螺纹的冠部保持于圆柱形部分上。

所述凸端部螺纹区和凹端部螺纹区的梯形螺纹轮廓可以优选地为燕尾形，以便在高内部压力条件下避免跳出。为此，所述凸端部螺纹区和凹端部螺纹区的梯形螺纹轮廓可以包括这样的载荷齿侧面和/或入扣齿侧面，所述载荷齿侧面和/或入扣齿侧面在对应的齿侧面的径向尺寸的至少一部分上包含“负”角。所述凸端部螺纹区和凹端部螺纹区的载荷齿侧面和入扣齿侧面可以与垂直于第一构件的纵向轴线的平面限定负角，这样的负角在1°至15°的范围内、优选地在3°至7°的范围内、例如等于5°。

例如，在上扣之后，在凸端部螺纹的冠部与凹端部螺纹的根部之间可以存在径向间隙，例如径向间隙在0.05mm至0.5mm之间、优选地在0.05mm至0.15mm之间、例如等于0.1mm。

销端外部肩部也可以限定在1°至45°之间的、优选地在5°至20°之间的、例如等于15°的反向角。这样的构造更好地抵抗压缩。

在上扣之后，凸端部远侧表面可以与所述凹端部的任何对应的内表面保持非零距离。

优选地，所述螺纹连接件可以包括环面对锥面类型的金属对金属密封件，优选地，其中环面在所述凸端部上并且锥面在所述凹端部上，这样的金属对金属密封件与所述销端外部肩部相对，并且位于凸端部螺纹区与凸端部远侧表面之间。因此，所述金属对金属密封件远离可能屈服的肩部。为了进一步保护所述金属对金属密封件，可以在凸端部螺纹部分与所述金属对金属密封件的部分之间设置圆柱形凹槽。

根据本发明的一个优选实施例，螺纹区为锥形的，其中锥度在4％至15％的范围内、优选地为1/14。

本发明还旨在将根据本发明的螺纹接头用作为套管或衬管，其中将管体的外径选择成大于177.8mm(7英寸)、优选地大于244.5mm(9又5/8英寸)、甚至优选地大于406.4mm(16英寸)，这些套管和衬管的螺纹接头为“半平齐的”。

结合本发明的螺纹接头，本发明还旨在限定所述螺纹接头的上扣方法，其中在所述变化区中的凸端部入扣齿侧面与凹端部入扣齿侧面之间的螺纹轴向间隙等于零之前，使所述销端外部肩部与所述凹端部的对应的抵接表面抵接。可以将这样的方法限定成使得在上扣结束时，销端外部肩部抵接所述凹端部的对应的抵接表面，并且所述变化区中的入扣齿侧面之间的螺纹轴向间隙保持大于或等于0。替代地或另外地，在上扣结束时，所述变化区中的入扣齿侧面之间的螺纹轴向间隙可以保持小于所述非变化区中的入扣齿侧面之间的螺纹轴向间隙。

附图说明

根据下面的详细描述和附图，本发明的进一步的特征和优点将变得显而易见，其中：

图1以纵向剖视半视图示意性地示出根据本发明的连接件的螺纹区；

图2a和图2b为根据本发明的连接件的凹端部螺纹区和相应的凸端部螺纹区的梯形螺纹轮廓的详细的纵向剖视视图。

图3为曲线图，所述曲线图示出沿着根据图1的凸构件和凹构件的螺纹的载荷齿侧面与入扣齿侧面之间的导程随着距凸端部的远侧表面的距离的变化；

图4以纵向剖视半视图示意性地示出凸端部的在所述凸端部的螺纹区与远侧表面之间的细节；

图5a和图5b以纵向剖视半视图示出在根据本发明的连接件中在上扣结束时观察到的应变的变化的细节，所述应变的变化基于在外部肩部与凹端部螺纹区和凸端部螺纹区之间分别针对凹端部和凸端部的弹塑性有限元分析；以及

图6示出根据本发明的连接件的扭矩上扣曲线。

附图将不仅用来完善本发明，而且如果必要的话，有助于本发明的限定。与本申请的纵向剖视半视图中的所有图的情况一样，这些图示例说明半平面，因为两个半平面沿着纵向剖视视图相对于管和连接件的轴线大致对称。

具体实施方式

图1示出根据本发明的连接件，通过将具有凸端部1的第一管状构件C1与设置有凹端部2的第二管状构件C2上扣在一起而形成所述连接件。连接件包括内部密封件3。

管状构件C1和C2各自包括管体10和20。旨在形成根据本发明的连接件的凹端部和凸端部设置于这样的管的端部处。凸端部1设置于第一管体10的一个端部处。凹端部2设置于第二管体20的一个端部处。管体10和20可以为几米长，例如为10至15米长的范围3(Range3)类型。优选地，管体10和20具有相同的标称外径和相同的标称管宽度。长的管可以在一个端部处设置有凸端部并且在相对的端部处设置有凹端部螺纹元件。然而，本发明也可以被应用至采用包括短管的联接件的连接件，所述短管在它的两个端部处均设置有凹端部。

根据本发明的连接件可以用来构成用于烃井的套管柱或油管柱、用于烃井的修井立管或钻杆柱。

管优选地由钢形成。例如，钢材料的等级在80ksi(550MPa)与140ksi(965MPa)之间。例如，钢等级高于100ksi(690MPa)、例如为125ksi(860MPa)。事实上，它们可以由不同等级的非合金钢、低合金钢或高合金钢生产而成，或者甚至由铁合金或非铁合金生产而成，它们被热处理或加工硬化，这取决于服务条件(例如：机械载荷水平、管内或管外的流体的腐蚀性等等)。也可以使用覆盖有保护涂层(例如耐腐蚀合金涂层或合成材料涂层)的具有低耐腐蚀性的钢管。

在图1中，凸端部1包括设置于所述凸端部1的外周边表面上的凸端部螺纹区13，凹端部2包括在凹端部的内周边表面上的凹端部螺纹区23。根据该实施例，凸端部螺纹区13和凹端部螺纹区23都大致以相同的锥度为锥形的，例如其中锥度在4％至15％的范围内、优选地为大约1/14。

为了将这样的螺纹区13和23上扣在一起，优选地使用螺纹涂料或已经施加于至少一个螺纹区上的无涂料涂层。

内部凸唇11设置于凸端部1的凸端部螺纹区13与自由远侧端17之间。自由远侧表面17相对于构件C1的纵向轴线大致径向地延伸。在上扣结束时，凸端部远侧表面17与凹端部2没有任何接触。凹端部2包括面对凸内部唇11的凹端部内部凹部24。该凹端部内部凹部包括与凸端部远侧表面17相距非零距离的内部肩部28。

凹端部内部凹部还包括具有朝向内部抵接部28减小的直径的锥形凹端部内部密封表面26，其中圆锥半角在2°至15°的范围内。该密封表面26能够与设置于内部凸唇11上的对应的凸端部内部密封表面15干涉接触。凹端部内部密封表面26可以具有与凸端部内部密封表面15相同的锥度。凸端部内部密封表面15可以为圆环面的，其中凸半径在10mm至80mm的范围内。

此外，凸端部1在凸端部1的外周边上、沿管体10的方向超出凸端部螺纹区13包括凸端部外部凹部34。所述凸端部外部凹部包括紧邻凸端部螺纹区13的圆柱形表面34，这样的圆柱形表面34延伸直至外部抵接表面37(也被称为销端外部肩部37)。凹端部2在凹端部2的内周边上、沿它的自由远侧表面42的方向超出螺纹区23进一步包括外部凹唇21。所述外部凹唇21为圆柱形的并且以非零距离面对对应的凸端部外部凹部的圆柱形表面34。

在上扣结束时，凹端部远侧表面42形成抵接表面，所述抵接表面与对应的凸端部外部抵接表面37抵接，以便提供带有外部肩部的连接件。外部抵接表面37相对于连接件的纵向轴线的垂线具有正角α。所述正角在三角学意义上、亦即沿顺时针方向定向。外部抵接表面37和凹端部远侧表面42两者优选地呈现同一角度。替代地，凹端部远侧表面可以与正角α稍微不匹配。正角α在1°至45°的范围内、优选地在5°至20°之间、并且在所公开的实施例中等于15°。

螺纹区13和23包括带有螺纹齿轮廓的梯形螺纹，所述梯形螺纹包括载荷齿侧面LF、入扣齿侧面SF、根部R和冠部C。凸端部梯形螺纹齿包括载荷齿侧面LFp、入扣齿侧面SFp、根部Rp和冠部Cp。凹端部梯形螺纹齿包括载荷齿侧面LFb、入扣齿侧面SFb、根部Rb和冠部Cb。根据本发明的一个实施例，参考图2a和图2b，这些螺纹区包括带有燕尾形轮廓的齿，以使得根部Rp和Rb以及冠部Cp和Cb平行于管体10和20的纵向轴线X，并且载荷齿侧面LFp或LFb与对应的相邻的根部Rp和Rb之间的角β1以及相应地入扣齿侧面SFp与对应的相邻的根部Rp和Rb之间的角β2都小于90°、优选地小于或等于85°。优选地，角β1和β2为相等的。

梯形螺纹轮廓为燕尾形的，因此冠部宽度大于该齿的、在限定于冠部与相邻的根部之间的位置处的宽度。优选地，如所示出的，凸端部齿高度Hp径向地小于凹端部齿高度Hb，以使得在凸端部冠部Cp与凹端部根部Rb之间限定有径向间隙。由于螺纹区13和23为锥形的，所以凸端部载荷齿侧面LFp的径向高度Hsfp小于Hp，并且相应地，凹端部载荷齿侧面LFb的径向高度Hsfb小于Hb，同时Hsfp小于Hsfb。该径向间隙限定在上扣时用于涂料的螺旋线路径。冠部和根部平行于同一纵向轴线，径向间隙可以沿着整个所述路径具有恒定的径向高度，例如该高度为0.1mm。

每个螺纹区13和23包括变化区40、50或楔形区，以及非变化区41、51。图3为根据本发明的不同的实施例的曲线图，其中示出在上扣所述连接件时，分别针对根据图1的凸端部螺纹区和凹端部螺纹区的载荷齿侧面与入扣齿侧面之间的导程随着距凸端部1的远侧表面17的距离的变化。图3的曲线图沿y轴分别示出凸端部入扣齿侧面(SFP_p)、凸端部载荷齿侧面(LFP_p)、凹端部入扣齿侧面(SFP_b)、以及凹端部载荷齿侧面(LFP_b)的导程值，其中x轴表示当上扣所述连接件时螺纹的沿着管状构件的纵向轴线、在凹端部远侧抵接表面42与凸端部远侧表面17之间的位置。

更准确地，参考图3，凸端部螺纹区13包括第一部分40，其中凸端部入扣齿侧面之间的导程SFL_p是恒定的并且为值SFL_p1，凸端部载荷齿侧面之间的导程LFL_p也是恒定的，但是为不同的值LFL_p1。在图1的示例中，LFL_p1严格地高于SFL_p1。例如，在本发明的一个实施例中：

LFL_p1＝8.466mm，

SFL_p1＝8.066mm，

在凸端部螺纹区13的第二非变化部分41中，导程SFL_p是恒定的并且为所述值SFP_p1，导程LFL_p也是恒定的，现在等于SFL_p。

因此，第一部分50的变化的宽度比在这里等于0.4mm，所述变化的宽度比为载荷齿侧面导程与入扣齿侧面导程之间的差。

参考图3，凹端部螺纹区23包括第一部分50，其中凹端部入扣齿侧面之间的导程SFL_b是恒定的并且为值SFL_b1，凹端部载荷齿侧面之间的导程LFL_b也是恒定的，但是为不同的值LFL_b1。在图1的示例中，LFL_b1严格地高于SFL_b1。例如，在本发明的一个实施例中：

LFL_p1＝LFL_b1，以及

SFL_p1＝SFL_b1，

在凹端部螺纹区23的第二部分51中，导程SFL_b是恒定的并且为所述值SFL_b1，导程LFL_b也是恒定的，现在等于SFL_b。在本发明的范围内，其它入扣齿侧面导程值和载荷齿侧面导程值为可接受的。

因此，第一部分50和51的变化的宽度比是相同的。而且，凸端部螺纹区13和凹端部螺纹区23被构造成使得凸端部变化区40与凹端部变化区50重叠，并且凸端部非变化区41与凹端部非变化区51重叠。

根据本发明的连接件的上扣使得凸端部1进入凹端部2中的轴向运动在外部肩部抵接时停止。因此，变化区与非变化区之间的改变的相对位置是确定的。因此，针对凸端部螺纹区和凹端部螺纹区两者的入扣齿侧面导程的改变发生在同一圈内、优选地发生在同一半圈内。螺纹区13和23可以为单头的。每个螺纹区可以具有唯一的单螺纹螺旋线。唯一的螺纹螺旋线意味着没有中断的螺旋线。因此，变化区和非变化区在同一螺旋线上相邻。入扣齿侧面角β2和载荷齿侧面角β1在变化区40、50和非变化区41、51中保持相同。

当非变化区41和51的齿被上扣在一起时，因为带有恒定的宽度的那些螺纹没有以自锁定布置被上扣，所以在非变化区41和51的入扣齿侧面之间限定螺纹轴向间隙TAG。TAG例如大于0.3mm。当销端外部肩部37与对应的抵接表面42抵接时，变化区中的载荷齿侧面与入扣齿侧面之间的螺纹轴向间隙可能为正的或等于零。在上扣结束时，当为正的时，变化区40、50中的入扣齿侧面之间的该螺纹轴向间隙保持小于TAG。

因此，在上扣之后，当连接件被下放至钻孔中并且在钻孔中旋转时，可以施加额外的扭矩，并且肩部上的这样的额外的扭矩将至少使凸端部外部抵接表面37屈服，但是随后变化区40和50的锁定的螺纹将接触并且承受该水平的扭矩，而不会对密封性产生影响，这是因为密封设计容许密封表面的轻微的轴向运动。图5a和图5b示出当对已上扣的连接件施加根据图6的过大扭矩V时，外部肩部37与对应的抵接表面42内的屈服区域。在所述过大扭矩下，在图5a中穿过外部凹唇21示出完全屈服的虚线贯穿壁区25。外部凹唇21在这些过大扭矩条件下是不稳定的。在外部肩部37的整个高度上，在外部肩部37旁边限定成45°角的虚线区35。如果施加超过图6中所标识的V水平的额外的扭矩，则所述区35完全屈服并且外部抵接肩部的屈服状态将不会再有任何进展。如在图5a和图5b中所看到的，在所述V水平条件下，螺纹完全不发生屈服。

图6示出连接件的沿y轴的扭矩能力，所述扭矩能力取决于销构件的进入箱构件中的沿着x轴的相对圈数。如可以看到的，在上扣MU之前，销构件和箱构件以非常低的扭矩斜率相对于彼此旋转，这是因为扭矩阻力来自密封件和/或螺纹的径向干涉(如果有的话)。当外部肩部开始在点O处接触时，图表的斜率有很大的增加，但是变化区中的凸端部入扣齿侧面与凹端部入扣齿侧面之间的螺纹轴向间隙仍然大于零，这是因为变化区中的螺纹还没有处于自锁定布置中。

从点O到点P，斜率为线性的。在O与P之间，在内部凸唇11中达到最大为0.2％的塑性应变。

根据钻机需求MU或标称上扣扭矩MU，在O与P之间选择上扣的结束。从O到P，就圈数“n”而言，销构件和箱构件的相对运动非常低、例如低于0.4圈。由于外部肩部的刚性，销构件和箱构件几乎不再相对于彼此旋转。

根据本发明的一个实施例，将标称上扣MU选择成使得变化区中的入扣齿侧面之间的螺纹轴向间隙保持大于0。根据本发明的替代实施例，将标称上扣选择成使得变化区中的入扣齿侧面之间的螺纹轴向间隙不再存在，并且因此等于0，而非变化区中的入扣齿侧面之间的螺纹轴向间隙保持严格地大于0。

在点P之后，曲线随着肩部屈服而稍微地偏移。在MU之后，甚至在P点之后；变化区的螺纹开始吸收扭矩能力。变化区中的凸端部入扣齿侧面与凹端部入扣齿侧面之间的螺纹轴向间隙开始逐渐地闭合，和/或入扣齿侧面之间的接触压力开始增加。在MU之后，甚至在P点之后，扭矩能力的曲线中的偏移为根据本发明的连接件的特征。

密封件3为具有干涉密封长度的金属对金属密封件，其中在上扣之前，凸端部密封表面16的外径沿着给定的距离大于凹端部密封表面24的内径，所述给定的距离近似表示所述密封长度。

如图4中所示，凸端部密封表面16为具有大曲率半径的倒圆表面，所述倒圆表面定位于在一侧上的成圆角地连接至凸端部远侧表面17的锥形部分60与在另一侧上的圆柱形部分61之间。在凸端部内部唇11上限定凹槽62，以使得凹槽62位于凸端部螺纹变化区40与圆柱形部分61之间。

凹端部螺纹变化区50从邻近于面对所述凹槽62的凹端部内部凹部24的不完全的螺纹开始。不完全的螺纹之所以被称为不完全的螺纹，是因为螺纹高度小于Hb，这是因为在不完全的螺纹的该特定位置中的凹端部冠部Cb与同一圆柱形表面对准。不完全的凹端部螺纹占变化区50的螺纹圈的不到一半。不完全的凹端部螺纹占凹端部螺纹区23的总螺纹圈数的不到30％。不完全的凹端部螺纹仅仅存在于变化区中。

凸端部螺纹非变化区51从邻近于凸端部圆柱形表面34的不完全的螺纹开始。不完全的螺纹之所以被称为不完全的螺纹，是因为螺纹高度小于Hp，这是因为在不完全的螺纹的该特定位置中的凸端部冠部Cp与圆柱形表面34在同一表面中对准。不完全的凸螺纹占非变化区51的螺纹圈的不到一半。不完全的凸端部螺纹占凸端部螺纹区13的总螺纹圈数的不到30％。不完全的凸螺纹仅仅存在于非变化区51中。

变化区中的处于自锁定布置中的螺纹圈数被设定于2至12之间，最高圈数用于最大的管体外径尺寸。例如，对于558.8mm(22英寸)的外径，变化区的螺纹圈数大约为12，而对于431.8mm(17英寸)的外径，变化区的螺纹圈数大约为9。

Claims (21)

1.一种螺纹接头，所述螺纹接头包括第一管状构件(C1)和第二管状构件(C2)，所述第一管状构件包括第一管体(10)和凸端部(1)，所述凸端部包括远侧表面(17)和设置于所述凸端部的外周边表面上的螺纹区(13)，所述第二管状构件包括第二管体(20)和凹端部(2)，所述凹端部包括远侧表面和设置于所述凹端部的内周边表面上的螺纹区(23)，凸端部的螺纹区(13)和凹端部的螺纹区(23)分别包括其中螺纹具有变化宽度的变化区(40，50)以及邻近于所述变化区的非变化区(41，51)，在所述非变化区中，螺纹具有恒定的宽度，凸端部的螺纹区的变化区(40)与凹端部的螺纹区的变化区(50)上扣在一起，并且凸端部的螺纹区的非变化区(41)与凹端部的螺纹区的非变化区(51)上扣在一起，凸端部的螺纹区和凹端部的螺纹区的螺纹轮廓为梯形的并且包括载荷齿侧面、入扣齿侧面、根部以及冠部，

其特征在于，凸端部的销端外部肩部(37)与凹端部的远侧表面的对应的抵接表面(42)轴向抵接接触，该销端外部肩部被保持于第一管体与凸端部的螺纹部分之间。

2.根据权利要求1所述的螺纹接头，其特征在于，在上扣之后，所述非变化区中的凸端部的入扣齿侧面与凹端部的入扣齿侧面之间的螺纹轴向间隙在0.002mm至1mm之间、优选地在0.05mm至0.5mm之间、甚至更优选地等于0.036mm。

3.根据权利要求1或2所述的螺纹接头，其特征在于，在所述变化区以自锁定布置上扣处的所述变化区内的圈数包括于2至15之间、优选地包括于2至12之间，所述变化区以自锁定布置上扣使得凸端部的入扣齿侧面接触凹端部的入扣齿侧面，并且凸端部的载荷齿侧面接触凹端部的载荷齿侧面。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的螺纹接头，其特征在于，凹端部的变化区内的圈数的5％至50％包括高度不完全的螺纹轮廓，其中变化区中的不完全的凹端部螺纹的冠部被保持于圆柱形部分上。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的螺纹接头，其特征在于，凹端部的螺纹区的总圈数的10％至30％包括高度不完全的螺纹轮廓。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的螺纹接头，其特征在于，变化区和非变化区在同一螺旋线上相邻。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的螺纹接头，其特征在于，凸端部的螺纹区和凹端部的螺纹区均由单个螺旋线形成。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的螺纹接头，其特征在于，凸端部的非变化区内的圈数的0％至50％包括高度不完全的螺纹轮廓，其中非变化区中的不完全的凸端部螺纹的冠部被保持于圆柱形部分上。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的螺纹接头，其特征在于，凸端部的螺纹区和凹端部的螺纹区的梯形螺纹轮廓为燕尾形的。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的螺纹接头，其特征在于，凸端部的螺纹区和凹端部的螺纹区的梯形螺纹轮廓包括这样的载荷齿侧面和/或入扣齿侧面，所述载荷齿侧面和/或入扣齿侧面在对应的齿侧面的径向尺寸的至少一部分上包含“负”角。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的螺纹接头，其特征在于，凸端部的螺纹区和凹端部的螺纹区的载荷齿侧面和入扣齿侧面与垂直于第一管状构件的纵向轴线的平面限定负角，该负角在1°至15°的范围内、优选地在3°至7°的范围内、例如等于5°。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的螺纹接头，其特征在于，在上扣之后，在凸端部螺纹的冠部与凹端部螺纹的根部之间存在径向间隙，例如径向间隙在0.05mm至0.5mm之间、优选地在0.05mm至0.15mm之间、例如等于0.1mm。

13.根据前述权利要求中的任一项所述的螺纹接头，其特征在于，所述销端外部肩部限定反向角，所述反向角在1°至45°之间、优选地在5°至20°之间、例如等于15°。

14.根据前述权利要求中的任一项所述的螺纹接头，其特征在于，在上扣之后，凸端部的远侧表面与凹端部的任何对应的内表面保持非零距离。

15.根据前述权利要求中的任一项所述的螺纹接头，其特征在于，所述螺纹接头包括环面对锥面类型的金属对金属密封件(3)，优选地其中环面(15)在所述凸端部上并且锥面(26)在所述凹端部上，这样的金属对金属密封件与所述销端外部肩部相对，并且位于凸端部的螺纹区(13)与凸端部的远侧表面(17)之间。

16.根据前述权利要求所述的螺纹接头，其特征在于，所述凸端部包括位于凸端部螺纹部分与所述金属对金属密封件部分之间的圆柱形凹槽(62)。

17.根据前述权利要求中的任一项所述的螺纹接头，其特征在于，所述螺纹区为锥形的，其中锥度在4％至15％的范围内、优选地为1/14。

18.根据前述权利要求中的任一项所述的螺纹接头的用于套管或衬管的用途，其特征在于，管体的外径被选择成大于177.8mm(7英寸)、优选地大于244.5mm(9又5/8英寸)、甚至更优选地大于406.4mm(16英寸)，这些套管和衬管的螺纹接头为“半齐平的”。

19.一种对螺纹接头进行上扣的方法，所述螺纹接头为根据权利要求1至17中任一项所述的螺纹接头，其特征在于，在所述变化区中的凸端部的入扣齿侧面与凹端部的入扣齿侧面之间的螺纹轴向间隙等于零之前，使所述销端外部肩部与所述凹端部的对应的抵接表面抵接。

20.根据前述权利要求所述的对螺纹接头进行上扣的方法，其特征在于，在上扣结束时，所述销端外部肩部抵接所述凹端部的对应的抵接表面，并且所述变化区中的入扣齿侧面之间的螺纹轴向间隙保持大于或等于0。

21.根据前述权利要求所述的对螺纹接头进行上扣的方法，其特征在于，在上扣结束时，所述变化区中的入扣齿侧面之间的螺纹轴向间隙保持小于所述非变化区中的入扣齿侧面之间的螺纹轴向间隙。

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