用于连接井下管件且具有减小的应力的联接器

技术领域

本公开总体上涉及一种用于钻柱联接器的弧面螺纹，并且特别地是、但不排它地是，本公开涉及一种用于冲击式钻岩的钻柱。

背景技术

EP 1 511 911/US 8,066,307公开了一种用于冲击式钻岩的钻机或钻柱的螺纹接头，其包括处在待连接在一起以形成钻柱的元件上的阳型螺纹和阴型螺纹，其特征在于，阳型螺纹和阴型螺纹具有梯形形状；螺纹沿着螺纹的长度具有锥形倾斜度，其锥角小于7度，并且在螺纹的牙侧和与螺纹的顶点相切的线之间的牙侧角小于45度。

US4121862公开了一种在螺纹的入口和出口处具有渐缩中径(pitch diameters)的管件连接。US2006/118340公开了一种具有梯形形状和轻微锥形倾斜度的螺纹接头。

EP’911专利的锥形螺纹对于在其长度上均匀分布弯曲载荷而言不是最佳的，锥形螺纹也不会导致迅速的联接时间和脱离联接时间。EP’911专利的锥形螺纹的耐磨性留下了改进的空间。EP3536894公开了一种弧面螺纹，其中螺纹的牙顶和牙底各自沿着螺纹形式的整个长度绕着相应的第一和第二弧面半径拱起，并且每个弧面半径大于联接器的外径，这在承受弯曲载荷时提供了改进的联接特性和刚度。然而，需要的是提供一种具有降低的应力水平、降低的过早断裂风险以及增加的使用寿命的联接器。

发明内容

本公开总体上涉及一种用于钻柱联接件的弧面螺纹，并且特别地是、但不排它地是，涉及一种用于冲击式钻岩的钻柱的弧面螺纹。在一个实施例中，一种用于连接井下管件的联接器包括：管件主体；阴型联接器部件；阳型联接器部件；以及以下螺纹中的至少一个螺纹：形成在主体的外表面上的阳型螺纹和形成在主体的内表面上的阴型螺纹。所述至少一个螺纹具有包括牙顶、牙底和一对牙侧的螺纹形式。所述牙顶和所述牙底各自围绕相应的第一和第二弧面半径拱起。每个弧面半径大于联接器的外径，其特征在于，每个弧面半径(R

有利地是，这提供了一种螺纹联接器，其中作为沿着螺纹长度的平均值，应力被减小为尽可能得低。因此，由于弯曲时接触压力分布均匀，使得沿螺纹长度的磨损更均匀地发生，从而不太可能过早失效。如果半径太小，则应力集中变得太大，并且将导致过早失效/刀具寿命缩短，而如果弧面太小，则它将无法将螺纹联接得足够得紧密，使其在钻探时保持在一起。

优选地是，阳型螺纹具有弧面半径R

在该实施例的一个方面，每个牙侧都是直的，并且每个牙侧通过相应的弧连接到相邻的牙顶和/或牙底。

在该实施例的另一方面中，螺纹形式的与各弧面半径的弧垂直的中心线在所述至少一个螺纹的起点附近相对于联接器的纵向轴线以锐角的且几乎垂直的第一角度倾斜，并且在所述至少一个螺纹的终点附近相对于联接器的纵向轴线以第二角度倾斜，且第二角度小于第一角度。

在该实施例的另一方面，每个弧面半径是联接器的外径的至少5倍大。在该实施例的另一个方面，螺纹形式是不对称的。在该实施例的另一个方面，螺纹形式是梯形的。在该实施例的另一方面，该至少一个螺纹的扫角在1度和10度之间的范围内。在该实施例的另一个方面，牙底和牙顶是同心的。在该实施例的另一方面，牙底的弧长和牙顶的弧长相等。在该实施例的另一方面，牙底的弧长和牙顶的弧长不相等。

在该实施例的另一方面中，一种连接包括：具有所述阴型螺纹的阴型联接器部件；以及具有所述阳型螺纹并且被旋拧到阴型螺纹中的阳型联接器部件。当联接器处于压缩状态时，牙侧中的一个牙侧是接触牙侧，另一个牙侧是非接触牙侧。每个牙侧都是直的。每个螺纹形式具有与各相应的弧面半径的弧垂直的中心线。每个牙侧都具有相对于相应的中心线倾斜的牙侧角。每个接触牙侧角都大于相应的非接触牙侧角。

可选地是，每个非接触牙侧角小于45度。由于EP'911专利将牙侧角定义为从螺纹的顶点测量，因此EP'911的教导转化为大于45度的牙侧角。最小化非接触牙侧角有利于脱离联接，并且有利于脱离联接期间的冲击波传输。

在该实施例的另一个方面，每个联接器均由金属或合金制成。阳型联接器部件具有外径部分、具有阳型螺纹的直径减小部分、以及连接这两个部分的肩部。该肩部与阴型联接器部件的端部接合，以形成金属对金属密封。

在该实施例的另一方面，一种用于冲击钻探的钻杆包括：钻杆主体；阴型联接器部件，其具有所述阴型螺纹并且被焊接到钻杆主体的第一端；以及阳型联接器部件，其具有所述阳型螺纹并且被焊接到钻杆主体的第二端。可选地是，所述联接器的外径在5厘米至20厘米之间的范围内，并且每个弧面半径大于一米。

在该实施例的另一方面，钻柱包括钻杆。

附图说明

现在将仅通过示例并参考附图来描述本发明的具体实施方式，在附图中：

图1示出了具有根据本公开的一个实施例的阳型联接器和阴型联接器的钻杆，每个联接器包括弧面螺纹。

图2A示出了用于设计弧面螺纹的弧面螺旋。图2B示出了弧面螺纹的参数；

图3A-图3G示出了弧面螺旋的公式；

图4示出了阳型弧面螺纹的轮廓；

图5A和图5B是图4的部分的放大图。

图6示出了阴型弧面螺纹的轮廓；

图7A和图7B是图6的部分的放大图。

图8示出了被旋拧在一起的阳型联接器和阴型联接器。

图9a-c显示了使用Dang van准则(使用旋转弯曲作为载荷情况)采集的安全系数图像。图9a显示了当弧面半径在优选范围内时的Dang van准则，而图9b和图9c分别显示了当半径高于和低于优选范围时的Dang van准则。

具体实施方式

图1示出了根据本公开的一个实施例的具有阴型联接器2和阳型联接器4的钻杆1，每个联接器包括相应的弧面螺纹2t、4t。钻杆1可以由金属或合金制成，诸如钢。钻杆1还可以被表面硬化，诸如通过渗碳。每个联接器2、4可以附接(诸如焊接5)到中间钻杆主体3，以便形成钻杆1的纵向端部。每个焊接5可以是无缝的，诸如摩擦焊接。钻杆1可以具有贯穿钻杆形成的流动孔。钻杆1可以具有6米的长度。

钻柱(未示出)可以通过将多个钻杆1以及在一端处的钻头和在另一端处的钻柄适配器旋拧在一起(图8)来形成。钻头和钻柄适配器也可以具有弧面螺纹2t、4t中的任一个。钻柱可以用于利用顶锤(未示出)或井下锤(未示出)进行冲击式钻岩。如果使用井下锤，则该锤可以具有弧面螺纹2t、4t中的每个螺纹，以用于组装为钻柱的一部分。

替代性地是，钻杆1可以具有一对阳型联接器4，并且具有一对阴型联接器2的套筒(未示出)可以用于将一对钻杆连接在一起。替代性地是，弧面螺纹2t、4t可以用于连接其它类型的井下管件，诸如油田钻管、油田套管或衬管、油田生产油管或油田抽油杆。

阳型联接器部件4可以具有管件主体，该管件主体具有用于与钻杆主体3的下端连接的外径上侧部分、在其外表面中形成有外部阳型螺纹4t的直径减小下侧部分、以及连接该上侧部分和该下侧部分的肩部4s。阳型联接器部件的上侧部分可以具有形成在其外表面中的多个扳手平坦部。在上侧部分中的流动孔可以包括喷嘴以及喉部的一部分。喉部可以延伸穿过肩部4s和下侧部分。

阴型联接器部件2可以具有管件主体，该管件主体具有用于与钻杆主体3的上端连接的下侧部分。阴型联接器部件2可以具有在其邻近其流动孔的内表面中形成的内部阴型螺纹2t。该流动孔可设定尺寸，用以容纳另一钻杆的阳型联接器部件4的直径减小下侧部分(图8)。阳型联接器部件4可以被旋拧到阴型联接器部件2中，直至肩部4s抵接阴型联接器的顶部2p，从而形成用于隔离流动孔并将两个钻杆紧固在一起的金属对金属密封。阴型联接器部件2的流动孔可以包括邻近阴型螺纹2t的下端定位的扩散器。

替代性地是，阳型联接器部件4可以连接到钻杆主体3的上端，并且阴型联接器部件2可以连接到该钻杆主体的下端。在该替代方案中，阳型联接器部件4的喷嘴将是扩散器，而阴型联接器部件2的扩散器将是喷嘴。

图2A示出了用于设计弧面螺纹2t、4t的弧面螺旋6。图2B示出了弧面螺纹2t、4t的参数。图3A-图3H示出了弧面螺旋6的公式。为了设计弧面螺纹2t、4t，可以利用钻杆1的尺寸来规定一个或多个螺纹参数，诸如起始直径D

一旦计算出弧面半径R

阴型螺纹2t和阳型螺纹4t可以是互补的，使得一个钻杆1的阳型螺纹可以拧入另一钻杆的阴型螺纹中(图8)。为了便于螺纹2t、4t的拧紧和旋松，阳型螺纹4t和阴型螺纹2t可以是相似的，但不是彼此相同的镜像。上述设计过程可以对阴型螺纹2t执行一次，并且再次对阳型螺纹4t执行一次。阴型螺纹2t和阳型螺纹4t中的每一个都可以是双螺纹。

为了减小螺纹联接器中的应力，每个弧面半径R

优选地是，阳型螺纹上的弧面半径R

如果该比率≤1.0，则在第一阳型螺纹20的区域中将存在高应力集中。如果该比率高于1.1，则在最末端的阳型螺纹22的区域中将出现高应力集中。

替代性地是，弧面螺纹2t、4t可以是右旋螺纹。替代性地是，阴型螺纹2t和阳型螺纹4t中的每一个可以是单螺纹或三螺纹。

图4示出了阳型弧面螺纹4t的轮廓7m。图5A和图5B是图4的部分的放大图。一旦已经生成阳型螺纹4t的轮廓，就可以确定轮廓7m。轮廓7m可以在距肩部4s的间隔距离X

具体参考图5A，轮廓7m的螺纹形式可以包括第一牙顶A

非接触牙侧E

第五弧A

所述螺纹形式可以具有在轮廓7m的起点和第二牙顶A

替代性地是，牙顶和牙底可以具有不同的弧长。替代性地是，第二牙侧角可以小于45度。

具体参考图5B，由于轮廓7m围绕各弧面半径R

图6示出了阴型弧面螺纹2t的轮廓7f。图7A和图7B是图6的部分的放大图。一旦已经生成阴型螺纹2t的轮廓，就可以确定轮廓7f。轮廓7f可以在距顶部2p的间隔距离X

具体参考图7A，轮廓7f的螺纹形式可以包括第一牙底A

非接触牙侧E

第五弧A

螺纹形式可以具有在轮廓7m的起点和第二牙底A

替代性地是，牙底和牙顶可以具有相同的弧长。

具体参考图7B，由于轮廓7m围绕每个弧面半径R

对接触牙侧E

图8示出了被旋拧在一起的阳型联接器部件4和阴型联接器部件2。一旦已经生成螺纹形式7m、7f，则每个轮廓可以适合于创建相应的弧面螺纹4t、2t的几何形状，诸如通过对其进行截断来创建。每个螺纹2t、4t沿着纵向轴线G

图9a-9c显示了使用Dang van准则采集的安全系数图像，其中旋转弯曲作为具有不同弧面半径尺寸的联接器的负载情况，如下表1所示：

表1:Dang van准则

这些图像是使用Dang van准则采集的。使用LS-Dyna中的隐式分析，使用nCode软件提取Dang van准则。随着Dang van准则的值的降低，失效的风险会增加。因此，颜色越深，意味着失效的风险越高。对于在优选范围内的弧面半径，可以平衡Dang van准则，并在整个阴型螺纹中达到高值。对于在图9b中高于优选范围的半径以及在图9c中当半径低于优选范围时，都不可以平衡Dang van准则，并且达到较低的值，因此具有较高的失效风险。