[发明专利]高压缩率的螺纹连接

说明书

相关申请的交叉引用

本申请涉及并申明1999年4月30日申报的序号为No.60/131894的U.S.临时申请的权益。

发明背景

发明领域

本发明涉及用于将各管状体的各端固定在一起的螺纹连接。更确切地说，本发明涉及用于连接在矿井建造中所用的各管状管道的螺纹连接。

现有技术描述

在钻凿和完成油井、气井以及其他用于从地下开采矿物的矿井中所用的管道一般是通过在各管段的端部设置的螺纹连接固定在一起的一长串管道段的形式。该连接起双重作用，即将连接的管段固定在一起并在连接处形成压力密封。螺纹连接中受各应力作用，该应力是由在它最初组装成串时施加于连接的力、与将该管道串置入矿井内相关的力和由穿过啮合连接的压力差引起的力产生的。当作用在连接上的应力过大或不足时，连接可能失效而导致该管道串分离或破坏连接内的压力密封。

在用于矿井的常用的一套管或管道串的组成和其后的操作和利用的过程中，作用在连接上的力会在高拉伸力与高压缩力之间交变。例如，当该连接是在井表面悬垂的多个管道串的部分时，其施加拉伸力。在组成连接时和在将连接置入井内的过程中产生压缩力，其中该井的井眼偏斜以致管道串必须在井筒内绕一曲线弯曲。在后一情况下，在曲线内侧的连接部分相对于在曲线外侧的连接部分受压缩应力。在连接内部过压缩力的集中可能造成连接的永久性变形或在压缩力超过连接的设计极限时导致破坏。

现行的钻井和实施设备要求提高用于较深的和较偏斜的井的管道串的压缩率。这些临界条件下用的井管道串设计常常要求采用具有与管道的同样的或只稍大于管道体的外径向尺寸的接头。在为减小管直径的尝试中减少形成接头所用的材料体积，就提高了需要由接头的其余材料承受的应力。一般来说，这些减小直径的接头与具有较大外径的接头相比具有较低的弹性压缩率。小直径接头用于易出问题的井中使连接将遭受超过连接部件的弹性极限应力的概率增大。超过连接部件的弹性极限时改变连接的特性，其增加了连接失效的可能性。

传统的螺纹连接一般属于过盈或非过盈，或该两者的组合的种类。没有过盈的螺纹有时又称之为“空转”。具有过盈螺纹连接的尺寸是使一个部件的螺纹与连接部件的螺纹相干涉以使啮合螺纹材料机械变形。在空转的非过盈式连接中的螺纹可以啮合而不在组成的连接中产生任何的机械变形。

一些螺纹连接可以包括过盈和非过盈组合的或空转的螺纹。空转螺纹连接组成的一个重要部分是一机械式限定，例如一扭转台肩，它可以使连接拧紧。在许多情况下，扭转台肩还在接合的各管件截面之间提供密封表面。在一些采用空转螺纹的现有技术设计中，通过使向扭转台肩延伸的各内表面成锥形并迫使该锥形表面在组成时配合在一起来提供台肩附近的径向密封。在过盈配合螺纹之间的密封通常由螺纹的机械啮合辅助以螺纹填隙剂来获得。

图1示出总体用10表示的传统的现有技术的连接，其采用由中心的扭转台肩13分开的两级空转螺纹11和12。扭转台肩由在每个连接件上的圆周的台肩接合形成。

图2示出图1的连接的扭转台肩的细节。具有空转螺纹的螺纹连接的典型的台肩区域在连接的内螺纹件或套16的表面与连接的外螺纹件或轴17的表面之间具有径向间隙14和15。间隙14和15是由允许的大的加工公差产生的，为的是使接头的制造更容易和更便宜。间隙14和15的存在也便于接头的组装。

扭转台肩13在用18表示的啮合接触区域形成，接触区域18的径向尺寸比在轴部件和套部件上形成的扭转台肩的各个元件的径向尺寸小，相当于小一个间隙14或15的径向尺寸。在一些传统的连接中，由支承表面18代表的接触区域可以小到扭转台肩可利用的总表面区域的70％。

在如图2中所示的连接中，在组成时施加到扭转台肩上的压缩力或连接的其他的压缩载荷可能使具有最小截面尺寸的扭转台肩的区域产生如图4中所示的塑性变形。该塑性变形被容纳邻接于扭转台肩13的间隙15和14中。轴台肩的变形用19表示，而套台肩的变形用20表示。图4说明，在压缩载荷的作用下，扭转台肩13的各角将折曲和弯入开口径向间隙时，这使得小于扭转台肩13的接触区域完全接合时在理论上可耐受的载荷下就产生屈服。如可以理解的那样，如图1～4中所示的连接，在其对导致扭转台肩的最弱点屈服的压缩力的压缩方面是有限的，该屈服发生在扭转台肩的外侧端角的过渡的最小截面上。