[发明专利]高抗扭全密封钻杆螺纹接头

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于石油天然气勘探与开采的石油钻杆的螺纹连接装置，尤其涉及具有相互螺纹连接的外螺纹接头和内螺纹接头的锥形螺纹的螺纹密封配合的连接装置，这种锥形螺纹连接装置用于传递钻杆扭矩，并且有严密的密封性能。

背景技术

     石油钻杆是石油天然气勘探和开采的主要设备。油气井作业是靠钻杆来传递井上和井下间的扭矩，并给井内输送钻井液和泥浆；石油钻杆在钻井时，主要承受扭转、拉压、弯曲、振动等复合载荷，而且钻杆在正常工作过程中内部充满了钻井液，钻井液的主要作用是把岩屑从井底携带至地面，这些液体均具有一定腐蚀性。钻杆在交变应力及钻井液的不断冲刷下，钻杆内壁容易形成蚀坑，并产生疲劳裂纹，直至发生刺穿和断裂。钻杆一旦发生失效断裂，不仅使钻杆报废，而且寻找和更换失效钻杆要花费大量时间，严重影响正常钻井作业，并给油气田生产造成重大经济损失。

钻杆接头由相互螺纹啮合连接的外螺纹接头和内螺纹接头组成，钻杆接头将一根根单独的钻杆段首尾相连成长达数百米、数千米，甚至万米的石油钻杆。钻杆工作时，不仅要承受巨大的扭矩和交变应力，而且还要耐受巨大的杆内钻井液压力。钻杆接头由于几何形状突变，结构复杂，且最容易形成配合面缝隙和蚀坑，是密封失效形成泄漏的部分，更是整个钻杆应力集中最严重也是最薄弱的部分。因此，钻杆接头在钻杆中工作条件最为恶劣，其疲劳断裂和泄漏是钻杆失效的主要原因，这也是引发人们对钻杆接头的重点关注和密切研究主要原因。

目前，国内外石油天然气钻采行业普遍采用的单台肩钻杆接头，如按美国石油学会API标准生产制造的单台肩钻杆接头，该类钻杆接头包括了能相互螺纹啮合连接的外螺纹接头和内螺纹接头。外螺纹接头是在其本体上设置有沿径向布置的直角外台肩面，在该接头本体上从外台肩面向其端部依次为锥管螺纹基部、锥管外螺纹和锥管螺纹前端部；与其螺纹啮合的内螺纹接头本体包括内螺纹接头主端面，在该接头本体上从内螺纹接头主端面沿轴向从外向内依次为内螺纹基孔部、锥管内螺纹和内螺纹端孔。用于相互啮合的锥管外螺纹和锥孔内螺纹具有相同的螺纹节距，以及相应的螺纹牙型及螺纹锥度。接头连接使用时，外螺纹接头的外台肩面与内螺纹接头的主端面相互过盈贴合，承担和传递钻杆扭矩并起密封作用，这种具有单台肩面的钻头接头，其最显著的特点是只有一个配合台肩面，该台肩面不仅与螺纹部分共同承担钻杆扭矩，而且起密封作用。其优点在于结构简单，装卸使用均较方便，非常适用于一般浅、中深度油气井的使用要求。但研究表明该类单台肩螺纹接头的螺纹部分将承担大部分的扭矩，应力及扭矩主要集中在螺纹部分的后3个螺纹牙上，这3牙螺纹承担的应力最高可达总应力的50%以上，且沿配合台肩至前端螺纹处逐渐降低，至前端螺纹牙几乎不承担应力，因此螺纹牙上的应力极不均匀，直接影响接头的抗疲劳强度及使用寿命，使接头机械强度不能充分利用。对于深井或复杂井中使用时，由于扭矩过大且过于集中，极容易造成外螺纹的螺纹断裂或内螺纹胀大等失效事故，而且台肩面的密封仅依靠单台肩面之间的接触应力来完成密封的，在弯曲拉伸截荷情况下，台肩处接触应力急剧下降，当应力降低到一定水平，就会发生泄漏，这将严重影响钻井作业的安全。

为了提高钻杆接头的抗扭矩能力，业内设计研发出双台肩螺纹接头，如中国专利公开的极高扭矩的双台肩钻具接头（专利号98806866.4），以及美国格兰特公司的XT、HT等系列双台肩接头产品。双台肩钻杆接头是在单台肩面螺纹接头的基础上又增加了一个接触台肩面，它是将单台肩螺纹接头的内螺纹端孔改成沿径向布置的直角型内台肩面；外螺纹接头的锥管螺纹前端部改成能与内台肩面贴合的外螺纹接头前端面，内、外螺纹接头接合时，外螺纹接头的外台肩面和内螺纹接头的主端面形成一主接合台肩，外螺纹接头的前端面与内螺纹接头的内台肩面构成一副接合台肩。工作时，主、副接合台肩及螺纹部分分担了钻杆扭矩，钻杆扭矩不再单由主单台肩面和螺纹部分承担，而副台肩面也承担钻杆扭矩；尤其是副台肩的加入，使螺纹部分所承受的应力和扭矩不再主要集中于后3牙螺纹上，由于副台肩面也对螺纹后段提供应力作用，从而使得扭矩和应力沿螺纹长方向分布更均匀，同时螺纹部分又更多地分担主副台肩所受扭矩和应力，使台肩处的扭矩和应力降低，改善了接头的整体受力情况。还由于当外螺纹接头的外台肩面和其螺纹前端面的距离不等于内螺纹接头主端面和其内孔端底面间的距离时，钻杆工作时，内、外螺纹接头上的螺纹段就会产生一个轴向的预加载应力，这个预加载应力能够在一定程度上挖掘接头的强度潜力，并进一步均匀螺纹段的受力情况。