[发明专利]用于管状连接件的浮动楔形螺纹

说明书

技术领域

本发明主要涉及在油气井钻井和生产中采用的螺纹管状接头，例如管道、套管、管线以及钻管，即通常大家总称的油田管材。具体地，本发明涉及通过相对旋转并施加转矩来连接销钉元件和套管元件以实现组装的管状接头。更具体地，本发明涉及具有负载螺纹面、插入螺纹面和正止动转矩肩部的两级楔形螺纹，该螺纹在管状接头的阳螺纹与套管元件之间提供可靠的加压密封连接，而无需为了组装施加过多转矩和工作能量。

背景技术

为了以首尾相连关系连接流动管道以形成运输加压流体用的连续流动路径，众所周知的是采用螺纹管连接。油田管件的一种特定用途是通过将多段管件连接在一起在所需深度钻孔。所述接头被用于支承压缩和拉伸载荷，从一个元件向下一元件传递旋转力或转矩并对通过管状元件内部传送的加压流体通道进行密封。油田管材通常采用带螺纹的端部连接件或接头连接相邻区段的管道、管路或管状元件。设计用在油田管材的这样的带螺纹的端部连接的实例在美国专利No.2,239,942、2,992,019、3,359,013、RE30,647和RE34,467中被公开了，这些专利都被转让给本发明的受让人。

在授予Blose的美国专利No.RE30,647中公开了一种用于管状连接件的特殊螺纹形式或结构，其提供异常坚固的连接，同时将连接后的销钉元件和套管元件内的应力和应变控制在容许水平内。所述销钉元件具有至少一个大体燕尾形的外螺纹，外螺纹的宽度在沿螺纹件的一个方向上增加，而套管元件具有至少一个大体上燕尾形的匹配内螺纹，内螺纹的宽度在另一方向上增加。这样，这副匹配的螺旋状螺纹提供了相向的阳螺纹螺纹面和阴螺纹螺纹面的楔形接合，这种接合限制阳螺纹和套管元件之间的相对旋转程度并限定实现连接的强制组装条件。这被称为“楔形螺纹”。在这种楔形螺纹结构中，能采用螺牙夹角以及螺纹宽度来控制给定组装转矩下在阳螺纹和套管元件内产生的应力和应变预载荷状态。因此，通过为特定应用或用途特制楔形螺纹结构，管状连接件或接头仅受所选材料的特性的限制。

应当认识到在此采用的某些术语同通常对它们的理解一样，其中管状接头被连接在沿所述管件的中心轴线的竖直位置，例如当为下降到井孔内要组装支管时。因此，术语“负载螺纹面”指的是螺纹的侧表面，该侧表面远离上面形成螺纹的相应阳螺纹或套管元件的外端并支承悬挂在井孔内的下方管件的重量(也就是拉伸载荷)。术语“插入螺纹面”指的是螺纹的侧表面，该侧表面面向相应阳螺纹或套管元件的外端并承受彼此相向挤压所述接头的力，这样的力比如是在接头的初始组装过程中上方管件的重力或者推动下方管件压靠在钻孔底部所施加的力(也就是压紧力)。术语阴螺纹的“面”是套管元件中从阴螺纹向外面对的一端，术语阳螺纹的“前端”是销钉元件中从连接件的螺纹向外面对的一端。在组装连接件时，阳螺纹的前端被插进阴螺纹的所述面并穿过所述面。

如图1所示，现有技术的单级连接件10包括销钉元件11和套管元件12。套管元件12在上面形成有锥形内螺纹结构14，该内螺纹结构适于与形成在销钉元件11上互补的锥形外螺纹结构15接合以通过可拆开的方式机械地固定套管元件和销钉元件。

套管元件12的内螺纹14具有插入螺纹面18、负载螺纹面16、牙根20和牙顶24。阴螺纹14是楔形螺纹，基本上沿螺纹14的整个螺旋线长度的一个方向上宽度以均匀比率逐渐增大。销钉元件11的外螺纹15具有插入螺纹面19、负载螺纹面17、牙根21和牙顶25。外螺纹15是楔形螺纹，基本上沿螺纹15的整个螺旋线长度的另一方向宽度以均匀比率逐渐增大。阴螺纹和阳螺纹14和15相向增大的螺纹宽度和锥度分别促使相应螺纹的互补螺纹面、牙根和牙顶在连接件的旋转组装过程中同时移动形成强制接合。楔形螺纹可以具有矩形形状的横截面，燕尾形形状的横截面、或者连续沿逐渐成锥形的楔形螺纹的螺旋线长度的其它形状。在连接件旋转组装时，螺纹面对面的接合能够提供防止流体在螺纹之间流动的密封表面。在形成楔形螺纹连接的井中设置螺纹密封。在组装时可以在销钉元件11的锥形部分26和套管元件12的锥形内部27设置附加密封，例如在连接件端部的重叠部分之间通过径向干涉形成的金属对金属(metal-to-metal)的密封。