CN1211600C - 管子整体螺纹接头 - Google Patents

Abstract

一种管子整体螺纹接头，由分别设置在两个截圆锥形螺纹部分(6，7，8，9)的外表面和内表面上的阳构件(1)和阴构件(2)构成，所述螺纹部分具有相同的圆锥度值，并在径向上相隔开来，两者分别由环形肩部(5，5′)分开，所述环形肩部是平行的，且垂直于管子轴线，它们设有两个密封表面(12，12′，13，13′)，其一是圆锥形的，另一个是球形的。在两个构件(1，2)螺纹连接后，所述环形肩部(5，5′)接触。每个阳构件(1)和阴构件(2)分别沿其外、内表面包括设置在螺纹一部分和环形肩部(5，5′)之间的圆周空腔(14，15)，以便允许润滑油脂的膨胀。

Description

管子整体螺纹接头

技术领域

本发明涉及具有减小直径尺寸的管子整体螺纹接头，特别用于气或油田开采业使用的管子。所述管子可用作泵送气或油的管道及井的外壳。

背景技术

天然气或石油开采业采用具有固定长度的管子，这些管子的端部必须彼此连接，以便达到烃矿一般所在的巨大深度。

在常用的钻孔技术中，井从地表面或海面开始被钻孔，以便达到油或气田，所述井可以具有数千米的深度。在钻孔过程中，所述井的全长用金属管子包覆。具有大约10米长度的管段借助螺纹接头彼此连接。因此，这些管子构成管线，管线除接头外整个长度具有相同的直径，接头的外径一般比管线的外径至少大1英寸(25.4mm)。

为了形成整个井深的包覆，采用若干管线，由于机械阻力及现场的地质特性，管线具有的直径越小，管线的深度越大，以便形成“套筒”结构。因此，由于井底直径是根据抽取的流体的压力和流量改变的，因而井越深，在地表面其直径越大。由于上述的不利后果，钻孔成本很高，而且这些井套需要大量材料，因此花费很大。较小的井直径也意味着较短的钻孔和包覆时间。因此，对于相同量的抽取流体来说，尽量减小井的直径和套管直径是至关重要的。

一旦结束钻孔，在加套的井内插入另一根管线，该管线将油或气从地下田中泵出。该管线根据井的整个深度，可达数千米长，因而也借助上述接头通过连接具有大约10米长度的管子构成。通常第二种管线除接头外全长也具有相同的直径，而接头的外径一般也象前述情形那样较大。

在这两种前述情形中，管子是借助螺纹接头连接的，螺纹接头可以是整体的，在这种情形中，管子的一端具有阳螺纹，而另一端具有阴螺纹，或者可以是一种管接(coupling)形式的，在这种情形中，管子的两端都具有阳螺纹，在两侧借助阴螺纹的管接连接。通常，设置接头就会在接头处增大管线的外径；与管子相比，接头外径越大，管线或孔径的基本尺寸越大。

在石油公司要求尽量降低油、气矿成本之后，人们曾致力于减小井的直径，从而减小管子的直径。

为了减小管线的外径，从而减少钻孔成本和需要的材料量，采用了具有减小的直径尺寸的螺纹接头，这些螺纹接头按照所需性能和允许的最大尺寸可被分成不同的三种。第一种往往被称为“半埋入式(Semi-flush)”，是一种外径不超过管子外径6％的管接头。第二种通常称为“近埋入式(near-flush)”，是一种外径大于管子外径2-3％的整体接头。最后一种称为“埋入式(flush)”，是一种外径相应于管子外径的整体接头。

选择不同类型的接头取决于管线的负载、内和/或外部作用的压力、管线长度及与井的直径相关的允许的最大直径尺寸。

如果减小接头直径，那么就必须找出能够补偿低结构阻力的新的技术方案。实际上，在靠近接头的部分中，功效必然小于管线中，这是由于在管壁的厚度中设置有结构件如螺纹、密封件及肩部，这会使阳或阴构件的关键部分中出现减小的部分。

减小管子破裂的原因是关键的，这是由于在管子铺设在地下后破裂，几乎就不能更换破裂的接头，这可能引起极为严重的经济后果，并可能引起环境问题，特别是如果油或气田含有侵害性成分的话。

因此，过去为了改善接头，达到最佳功效水平，曾做了大量工作，这要平衡不同的需要，这些需要有时是相互抵触的，如最小的尺寸、最大的结构阻力及流体输出和/或输入的最大密封性。实际上，管子要经受若干力，即，压缩、拉伸、挠曲和由外部流体和/或管内循环流体产生的压力。

接头也必须具有对螺纹连接和卡住的最佳阻力。

结构和密封问题往往被流体温度，流体腐蚀性或采掘区域环境状态所恶化。

过去，为了满足上述条件曾提出若干方案。

国际专利申请WO-A-93/18329涉及一种具有中央肩部的直径尺寸减小的接头。所述肩部在阳件及阴件上都设有一个凸起和一个空腔，它们平行于管子轴线，为了封锁两种接头构件，具有对应的表面。在肩部凸起上设有两个密封表面。肩部划分两个径向偏置的螺纹部分，它们是圆锥形的，或者是圆锥和圆筒形的。

这种接头很有效，但是结构特别复杂，使生产成本很高。

欧洲专利申请EP-A-767335涉及一种接头，该接头具有减小的直径尺寸，设有一个中央肩部，以及两个设置在阳、阴件端部上的金属密封件。该肩部划分两个径向偏置的、圆锥形和圆筒形的螺纹部分。

这种接头的结构比前述一种简单，但是，由于圆锥形、圆筒形螺纹，因而还是相对较为复杂。另外，在接头端部的两个密封件密封其内部，因而使螺纹连接的润滑脂加压，这可能对接头的密封性产生副作用。

发明内容

本发明的第一个目的是借助一种新颖的“近埋入式”接头克服上述现有技术的接头的缺陷，该接头虽然具有与现有技术的接头相同的尺寸，但是却没有上述问题。

本发明的一个具体的目的是提供一种整体接头，该接头具有减小的直径尺寸及降低的生产成本，却可保证高的阻力和工作密封性。

本发明的另一个目的是提供上述接头的可简化其安装的实施例。

按照本发明，提供一种管子整体螺纹接头，它包括一个阳构件和一个阴构件，所述阳构件在其外表面上设有两个径向间隔开来的、截圆锥形的带有梯形剖面的齿的螺纹部分，所述两个螺纹部分被一个位于垂直于管子轴线的平面上的第一环形肩部分开，所述阴构件在其内表面上设有两个径向间隔开来的、截圆锥形的螺纹部分，所述两个螺纹部分被一个位于垂直于管子轴线的平面上的第二环形肩部分开，所述两个螺纹部分具有相同的圆锥度值，适于一个在另一个内可逆地相互螺纹连接，以便在组装位置上使所述两个环形肩部之间产生接触，所述阳构件和阴构件中的每一个设有两个密封表面，第一环形肩部和第二环形肩部呈环形，整体位于一个平面内，不存在从该平面上的任何上升，所述密封表面分别设置在每个阳构件和阴构件的螺纹部分的每个轴向端上，其特征在于：所述两个密封表面中的第一个呈圆锥形，第二个呈球形，所述第二环形肩部的表面等于或大于管壁剖面面积的25％，所述阳构件和阴构件中的至少一个在所述两个螺纹部分之一和相应的环形肩部之间包括沿其整个表面的一个圆周空腔，至少一个空腔适于接纳接头润滑油脂的膨胀。

由于这种实施例，这种接头可使管线安装变得简易，降低了接头损环的危险，却可保证管线在接头处的最佳阻力。

附图说明

对照以下附图，阅读对整体接头非限定性推荐实施例的详细说明，可进一步理解本发明的特征和优点。

图1是沿着按照本发明接头的轴面的剖视图，图中两构件处于拆开位置；

图2表示图1的接头，其两个构件处于组装位置；

图3表示图1接头螺纹连接细节的放大图；

图4表示沿着按照本发明接头的另一实施例的轴面的剖视图，图中两构件处于拆开位置；

图5表示图4的接头，其两个构件处于组装位置。

具体实施方式

现在参阅上述附图，按照本发明的接头包括两个构件或管子，即，阳构件1和阴构件2。该接头是由一个内部20和一个外部30构成的，在所述内部中流体如天然气或石油或其它类似流体或液体在压力下流动，所述外部可注有不同的流体或液体，通常也是加压的。在接头区域中具有尺寸为D′的最大直径的管子2的外径3稍大于管子2远离接头的中央区域中尺寸为D″的外径4。具有不同外径3和4的上述两个管子区域以一种分级的方式(gradual way)被连接起来。尺寸D′大于尺寸D″一个值，该值等于或小于3％。

接头的阴构件2具有内部螺纹，该内部螺纹被分为两个部分，即台阶8和9，带有与管子轴线成一个角度的圆锥母线。所述两个部分8和9径向偏置，螺纹可以在全长上是完备的，或者也可有一个不完备的部分。所述实施例表示在图1和2中。

在图4和5中所示的本发明的另一个实施例中，螺纹部分7和8可分别具有带有不完备螺纹的端部。

所述两个部分8和9具有相同的圆锥度，其值在6.25％和12.5％之间。该范围被证实为最佳的，这一方面是由于较低的值会使螺纹过长，难于连接，另一方面是由于较高的值会减少齿数，因而使螺纹的承载能力不足。

在螺纹部分和管子内表面之间的连接区域中，远离接头，阴构件设有一个相对于管子轴线具有圆锥形表面的区域12″。该表面的圆锥度在12.5％和25％之间，以便保证与阳构件相应的接触面的良好密封性，从而在螺纹连接步骤中缩短滑动时间。

该范围相对于螺纹圆锥度来说被证明是最佳的，能够减少牵引负载的负面影响。在两个螺纹部分8、9之间的连接区域中，阴构件设有一个基本位于相对于接头轴线的垂直平面上的肩部5″，其面积不小于管子截面面积的25％。

在肩部5″和螺纹部分8开始处之间设有一个空腔15，该空腔沿着阴构件2的整个内圆周延伸。该空腔可用作润滑接头的油脂的膨胀腔，所述油脂存在于两个螺纹部分8，9中，在螺纹连接过程中被构件1和2的滑动产生的推动作用所携带。所述方案限制了由于在接头两端设置双金属密封件引起的过大油脂压力，从而减小了接头的应力。

在阴构件2的端部设有一个环形表面13″，该球形表面在与阳构件螺纹连接后与它所面对的圆锥形区域13′接触，保证了接头对外部压力的密封性。

螺纹的齿形是“钩”型的，带有一个负载齿腹10和一个进入齿腹11，所述负载齿腹具有负α角，其值在0°和-10°之间，所述进入齿腹具有正β角，其值在10°和30°之间。这些值的范围具有显著的优点，仍可保证接头可容易地安装。带有负角的负载齿腹可使接头的两构件有效地连接，减少由于牵引负载太高而可能引起的接头脱出。带有正的不太大的角的进入齿腹可使螺纹连接与压缩负载的耐受能力有效地共同配合工作。

在靠近阴构件的螺纹部分的外表面区域中，阳构件1设有以完好的往复方式放置的螺纹，该螺纹具有相对于阴构件的上述螺纹部分严格类似的方式成形的部分。

构件1设有由肩部5′和圆周空腔14分开的两个螺纹部分6，7，所述圆周空腔在肩部5′和螺纹部分7的开始处之间。两个油脂膨胀空腔14和15的设置使得在接头的螺纹连接之后可限制油脂压力的增加，从而避免接头过高的压力，并改善接头的功能。

在构件1的外表面和螺纹部分7之间的连接区域具有一个圆锥形表面13′，其圆锥度在12.5％和25％之间。在接头螺纹连接后，该表面在表面13″上施加压力，尺寸和公差选择得使金属间的接触可保证密封性以避免在接头外面的压力作用下液体或流体的进入。

类似地，在阳构件1的端部具有一个球形表面12′，在与阴构件螺纹连接后，该球形表面在所述阴构件的圆锥形表面12′上施加压力。另外，在该第二区域中，两构件之间金属与金属的接触产生一个压力，可保证对抗管子内流体压力的必要的密封性。按照本发明，选择在接头端部两个区域中设置分别具有球形和圆锥形表面的金属密封件，这样使接头对压力负载有较小的敏感，证实对于细管子是最佳的。事实上，考虑到设有密封表面12′和13′的端部的细度，作用在上述端部上的管子内、外压力容易引起端部的弯曲。因此，球形密封表面能够保持最佳的接触，这与截圆锥形密封件的情形不同，在这种情形中由于端部弯曲引起的转动，不能保持在整个密封部分上的接触。

阳构件1的螺纹形状与前述阴构件2的螺纹形状相同。螺纹最好具有完备的形状。

在图4和5所示本发明的另一个实施例中，阳构件的两个螺纹部分6、7中的一个或两个的端部，例如靠近肩部5’的区域6’，可以具有带有完备形状的螺纹。在肩部5″面对区域6″的那侧上的阴构件相应部分8具有完备的螺纹。螺纹部分8与区域6’轴向相对的端部上的区域8’，即，靠近密封表面12″的区域，也具有带有不完备形状的螺纹。但是，这个区域也可设置完备的螺纹。

对螺纹部分7和9也可进行相同种类的加工，其中部分7在肩部5’那侧设置完备的螺纹，部分9在肩部5″那侧设置不完备螺纹。作为这个实施例的补充或替代，部分7也可以设有区域7’，该区域7’在密封表面13’那侧具有不完备的螺纹，部分9在密封表面13″那侧可设置完备的螺纹。

从前面的描述可以看出，按照本发明的接头的优点，其直径尺寸小于现有技术的“半埋入式”接头的直径尺寸，只是稍大于“埋入式”接头的直径尺寸，而且可保证最佳的性能和工作效率。

Claims (10)

1.一种管子整体螺纹接头，它包括一个阳构件(1)和一个阴构件(2)，所述阳构件在其外表面上设有两个径向间隔开来的、截圆锥形的带有梯形剖面的齿的螺纹部分(6，7)，所述两个螺纹部分(6，7)被一个位于垂直于管子轴线的平面上的第一环形肩部(5′)分开，所述阴构件在其内表面上设有两个径向间隔开来的、截圆锥形的螺纹部分(8，9)，所述两个螺纹部分被一个位于垂直于管子轴线的平面上的第二环形肩部(5″)分开，所述两个螺纹部分(6，7，8，9)具有相同的圆锥度值，适于一个在另一个内可逆地相互螺纹连接，以便在组装位置上使所述两个环形肩部(5′，5″)之间产生接触，所述阳构件(1)和阴构件(2)中的每一个设有两个密封表面(12′，13′，12″，13″)，第一环形肩部(5′)和第二环形肩部(5″)呈环形，整体位于一个平面内，不存在从该平面上的任何上升，所述密封表面(12′，13′，12″，13″)分别设置在每个阳构件(1)和阴构件(2)的螺纹部分(6，7，8，9)的每个轴向端上，其特征在于：所述两个密封表面(12′，13′，12″，13″)中的第一个呈圆锥形，第二个呈球形，所述第二环形肩部(5″)的表面等于或大于管壁剖面面积的25％，所述阳构件(1)和阴构件(2)中的至少一个在所述两个螺纹部分之一和相应的环形肩部(5′，5″)之间包括沿其整个表面的一个圆周空腔(14，15)，至少一个空腔(14，15)适于接纳接头润滑油脂的膨胀。

2.如权利要求1所述的接头，其特征在于：所述阳构件(1)和阴构件(2)都包括设置在所述两个螺纹部分之一和相应环形肩部(5′，5″)之间的、沿其整个表面的圆周空腔(14，15)。

3.如权利要求2所述的接头，其特征在于：所述阴构件(2)在接头处的外径(3)的尺寸(D′)大于同一阴构件(2)外径(4)的尺寸(D″)一个等于或小于3％的值。

4.如权利要求3所述的接头，其特征在于：所述阳构件(1)和阴构件(2)的两个螺纹部分(6，7，8，9)各具有相同的在6.25％和12.5％之间的圆锥度值。

5.如权利要求4所述的接头，其特征在于：所述阳构件(1)和阴构件(2)的所述相应的密封表面(13′，12″)具有一个在12.5％和25％之间的圆锥度值。

6.如权利要求5所述的接头，其特征在于：螺纹齿的形状具有一个带有负(α)角的负载齿腹和一个带有正(β)角的进入齿腹。

7.如权利要求6所述的接头，其特征在于：所述负(α)角具有0和10°之间的值，所述正(β)角具有10和30°之间的值。

8.如权利要求7所述的接头，其特征在于：所述阳构件(1)和阴构件(2)中的每一个的所述相应的两个螺纹部分(6，7，8，9)为其全长设置完备的螺纹。

9.如权利要求7所述的接头，其特征在于：所述阳构件(1)和阴构件(2)中的至少一个的所述两个螺纹部分(6，7，8，9)中的至少一个设置带有不完备螺纹的第一端(6′，7′)。

10.如权利要求9所述的接头，其特征在于：所述阳构件(1)和阴构件(2)中的所述至少一个的另一个相应螺纹部分也设有一个设置在与所述第一端轴向相反端的、第二区域(8′，9′)，该区域具有不完备螺纹。

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