[发明专利]用于钻探和操作油气井的管状部件以及生成的螺纹连接部

说明书

技术领域

本发明涉及用于钻探和操作油气井的管状部件，更确切地说，涉及这种部件的端部，所述端部是阳型或阴型的，并且能够连接到同样用于钻探和操作油气井的另一部件的对应端部。因此，本发明还涉及通过装配连接两个管状部件而生成的螺纹连接部。

背景技术

术语“用于钻探和操作油气井的部件”是指任何这样的元件，该元件具有大致管状形状以旨在连接到相同或不同类型的另一元件，从而在完成时构成用于钻探油气井的钻柱或用于维护的立管(如检查立管(work over riser))或用于操作的立管(如采油立管)，或者在操作井时涉及的套管柱或油管柱。本发明尤其适用于在钻柱中使用的部件，如钻杆、重钻杆、钻铤、以及连接钻杆和重钻杆的称为钻具接头的部件。

按照已知的方式，在钻柱中使用的各个部件通常包括设有阳螺纹区的端部和/或设有阴螺纹区的端部，每个端部旨在通过装配而与另一部件的对应端部相连接，装配件限定了连接部。这样构成的钻柱在钻探时从井的表面被驱动而旋转；因此，这些部件必须以高扭矩装配到一起，以便能够传送足以允许无中断或者甚至无越扭矩地执行钻井的旋转扭矩。

在常规的产品中，装配扭矩通常是因通过紧固在用于装配的各个部件上设置的抵接表面而产生的配合来实现的。然而，由于抵接表面的范围是管的厚度的一部分，所以当施加了过高的装配扭矩时，迅速到达抵接表面的临界塑化阈值。

因此，研发了能够减轻抵接表面不能承受的载荷的至少一部分、或者甚至全部的螺纹。该目的是通过使用自锁螺纹(如在现有技术文献US Re 30647和US Re 34467中描述的自锁螺纹)来实现的。在这种类型的自锁螺纹中，阳端部螺纹(也称为牙)的牙侧和阴端部螺纹(也称为牙)的牙侧具有恒定的螺距，但是螺纹宽度可变。

更确切地说，分别对于阳端部的螺纹、阴端部的螺纹，随着分别离开阳端部、离开阴端部的距离增大，螺纹牙顶(或牙)的宽度递进地增大。因此，在装配期间，阳螺纹和阴螺纹(或牙)在对应于锁紧点的位置处完成互锁。

更确切地说，对于自锁螺纹，当阳螺纹(或牙)的牙侧锁到对应的阴螺纹(或牙)的牙侧上时，发生了锁紧。当到达锁紧位置时，彼此装配到一起的阳螺纹区和阴螺纹区具有对称面，沿着该对称面，位于阳螺纹区端部的阳牙和阴牙的公共中高度(common mid-height)处的宽度对应于位于阴螺纹区端部的阳牙和阴牙的公共中高度处的宽度。

因此，装配扭矩由牙侧之间的所有接触表面(即，比现有技术的抵接表面构成的总表面区域大很多的总表面区域)承受。

为了加强阳螺纹与阴螺纹的互锁，阳螺纹和阴螺纹(或牙)具有榫形轮廓，使得在装配后它们中的一个稳固地配合在另一个内。该榫形结构意味着避免了与当连接部经受大的弯曲或拉伸载荷时阳螺纹与阴螺纹脱开相对应的跳出风险。更确切地说，相比于在API5B中限定的“梯形”螺纹(其中，轴向宽度从螺纹的基部起向螺纹牙顶减小)，并且相比于如在API7中限定的“三角”螺纹，榫形螺纹的几何形状增大了连接部的径向刚度。

然而，榫形结构存在几个缺点。首先，螺纹牙侧与通过螺纹牙底的轴线形成负角(即，与在梯形螺纹结构的情况下使用的角度相反的角度)的事实增大了在装配或断开连接部期间阳螺纹与阴螺纹咬磨的风险。

其次，螺纹牙顶的宽度比螺纹基部的宽度大的事实意味着关于疲劳强度的某种敏感度。因此，已经表明，当连接部在交变弯曲下操作时，阳螺纹区端部的螺纹(或牙)的牙侧经受了高程度的剪切应力，这可能引起阳牙撕裂。类似地，当连接部在交变弯曲下操作时，阴螺纹区端部的螺纹(或牙)的牙侧也经受了高程度的剪切应力，这可能引起阴牙撕裂。随着插入牙侧和承载牙侧到螺纹牙顶和牙底的倒角半径越小，这种疲劳敏感性增加越多。事实上，这种小的倒角半径成为了应力集中系数。

为了克服该问题，文献US-6254146提出了一种三面牙侧结构。因此，两个面分别与螺纹牙顶和牙底形成“正”的角，限定了在与螺纹牙顶和牙底形成“负”角的方向上延伸的中面。因此，螺纹具有总体上呈榫形的轮廓，并且牙侧通过小得多的半径连接到螺纹牙顶和螺纹牙底。然而，该结构在中面与其邻近面所形成的钝角处存在很大的缺点。更确切地说，将中面连接到邻近面的小半径也是应力集中的部位，从而存在在装配和断开操作期间磨损的风险。

发明内容