CN1263588A - 用于油井管的螺纹连接件 - Google Patents

Abstract

一种用于油井管的具有出色密封性能的螺纹连接件,其中,负荷面角θ1满足特定要求,该螺纹连接件具有下述形式,即当紧固螺纹连接件时,两侧梯形螺纹的倾斜表面同时接触,使螺纹部分的沿环向应力方向的干涉量△d至少为外径的0.12%且为外径的0.8%或其以下,在梯形螺旋的顶部和底部之间形成的间隙被减小到0.2毫米或者更小,并且螺纹宽度及螺旋顶部高度的尺寸误差满足特定要求。

Description

用于油井管的螺纹连接件

发明领域

本发明涉及一种诸如油井中采用的用于套管/油管且具有优良密封性能的螺纹连接件。

背景技术

图8显示了API(美国石油学会)采用的、例如作为油井管螺纹连接件的圆形螺纹，该螺纹被广泛地使用。通常，将直线管螺纹(三角形螺纹)的顶部加工成圆形并从1/32到1/16的范围内改变螺纹的锥度而形成这种圆形螺纹，以便为了：

(1)提高螺纹切削加工中的最终精度，

(2)减小作用在螺纹上的应力集中，

(3)改善防泄漏能力，和

(4)减小在夹持、运输和插接工作时螺纹部分损坏的危险程度。

也就是说，依下列方式设计成圆形螺纹。每一螺纹的相对侧面同时邻接另一相应螺纹的侧面，以提高螺纹夹紧力。随着夹紧力的增大，螺纹每一侧面上的接触压力变得更高，使得气密性更高。可是，当在一个带有这种螺纹的管子上施加纵向拉力时，会产生所谓的跳出问题，即：当在油井变得更深的情况下螺纹会分离，因为承载所述拉力的负荷面的角度达到了30°。

图9显示了一种偏梯形螺纹(梯形螺纹)连接件，它是为了防止由于油井深度增加而产生的跳出现象而研制出的。每一承载拉力的负荷面的角度(负荷面角)是3°，使偏梯形螺纹连接件连接强度很高，并且能在插接工作或类似工作中有效作用。可是，这些螺纹的特性是：尽管它们连接强度很高，但存在着在内部压力下防泄漏能力差的缺点。

也就是说，在偏梯形螺纹中，当外螺纹和内螺纹相互配合时，油脂充入到外螺纹和内螺纹之间的间隙中，并且通过组装螺纹而在负荷面的每一接触面上以及在螺纹侧面牙根上产生的压力(以下称为″接触压力″)具有如下功能，即：封闭了施加在管子内表面上的油压或气压。因此，基本上，随着螺纹扣紧力的增加，上述接触压力变得更高，并提高了防泄漏能力。可是，如图10所示，当负荷面(即承载拉力的侧面)上的接触压力增加时，螺纹在管子的纵向上移动，这是因为在螺纹的后部侧面(接合侧面)上有一间隙C，这使得负荷面上的接触压力不能变得足够大。也就是说，从图11可以很明显地看出，尽管接触压力必须产生在偏梯形螺纹全部长度的负荷面上，接触压力也不会在小直径外螺纹的插接侧面上产生，图11表示了当组装偏梯形螺纹时，每一螺纹元件上接触压力的产生状态。这意味着螺纹会沿着管子纵向移动。

上面根据API所述用于油井管的背景技术的螺纹是锥形螺纹，组装这种螺纹会导致因楔形作用而使螺纹侧面上的接触压力增加，从而提高防泄漏能力，而且会在连接处的圆周方向上产生张应力(“环向应力”)。另外，在偏梯形螺纹允许大误差的装配情况下，在最糟的情况时会产生环向应力超过材料屈服强度的问题。更进一步讲，由于上面所述偏梯形螺纹的密封性依赖于填入螺纹间隙之间的油脂，所以还会产生另外一个问题，那就是即使该装置克服了液体压力而保证了密封性，但由于气体分子很小，所以气体仍很容易泄漏。

为了改善偏梯形螺纹的密封功能，一种在密封性能上非常出色的连接件是通过提供一个金属密封部分实现的，在该密封部分，外螺纹前端部分上的一个锥形外表面和一个端面在压力作用下抵靠在内螺纹后端部分的一个内圆周面和一个台阶部分上。可是，由于金属密封部分要求尺寸精度高，所以存在着很难加工金属密封部分的问题。

发明内容

本发明的目的是依据API标准改善这种偏梯形螺纹的前述问题和其它问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一种方案，提供了一种用于油井管的螺纹连接件，其中负荷面角(load flank angle)θ1满足下述条件(1)、(2)和(3)，其中当连接件按下述方式组装时，即螺纹部分的干涉量为Δd在最小处不小于管子外径的0.12％而在最大处不大于外径的0.8％时，连接件的形状是：梯形螺纹的相对侧面同时接触到对应螺纹的侧面，其中在梯形螺纹的顶部和底部之间所形成的间隙不大于0.2毫米，并且螺纹宽度和螺纹高度的尺寸误差满足如下条件(4)和(5)：

(1)当t(管子厚度)/D(管子外径)≤9％时，-3°≤θ1≤3°；

(2)当9％＜t(管子厚度)/D(管子外径)≤14％时，-3°≤θ1≤0°；

(3)当14％＜t(管子厚度)/D(管子外径)时，-10°≤θ1≤0°；

(4)当10°≤|θ1|+|θ2|＜20°，

螺纹宽度(Wt)误差＝±0.015毫米，和

螺纹高度(Ht)误差＝±0.015毫米

θ2表示接合面角度(a stabbing flank angle)；

(5)当20°≤|θ1|+|θ2|时，

螺纹宽度(Wt)误差等于±0.025毫米，和

螺纹高度(Ht)误差等于±0.025毫米。

在根据上文构造的本发明油井管螺纹连接件中，当螺纹按照期望的配合形式彼此装配时，每一螺纹的相对侧面与对应螺纹的侧面相接触，因此，可以获得非常出色的防跳出特性并能保证出色的密封性能。

附图简述

图1是一局部放大示意图，表示了依照本发明所述的用于油井管的螺纹连接件的实施例；

图2是一示意图，表示了依照本发明所述的用于油井管的螺纹连接件的实施例的装配状态；

图3是一张依照本发明所述的用于油井管螺纹连接件的实施例中的螺纹干涉量与接触压力之间的相互关系图；

图4是一示意图，表示了依照本发明所述的用于油井管的螺纹连接件的另一实施例的装配状态；

图5是一示意图，表示了依照本发明所述的用于油井管的螺纹连接件的再一实施例的装配状态；

图6是一示意图，表示了一实例中的螺纹形状，在该实例中，依照本发明所述的用于油井管的螺纹连接件安装到了管子上；

图7是一示意图，表示了一实例中的螺纹连接件的形状，在该实例中，依照本发明所述的用于油井管的螺纹连接件安装到了管子上；

图8是一示意图，表示了依照API标准的圆形螺纹的结构；

图9是一示意图，表示了依照API标准的偏梯形螺纹的结构；

图10是一示意图，表示了依照API标准的偏梯形螺纹的装配状态；和

图11是一图表，表示了在依照API标准的偏梯形螺纹的装配状态下每一部分的接触压力变化；

实施本发明的最佳方式

图1是表示本发明实施例的局部放大示意图，图2是表示本发明实施例装配状态的示意图。在图1和图2中，Wt是指螺纹的宽度；Ht为螺纹的高度；R为节线；θ1为负荷面角，该角位于螺纹的一个侧面和垂直于节线的一直线段之间；以及θ2为接合面角，它位于螺纹的另外一侧面和垂直于节线的一直线段之间。这里，建立θ1＜θ2的关系，并且负荷面角θ1是承受张力的侧面的角度。另外，节线R位于二分之一Ht高度处，并且螺纹宽度Wt是螺距P的1/2。

在一螺纹连接件里，管子B的外螺纹与一连接元件A的内螺纹相连。这个螺纹连接件的节线R具有一个锥度。当该锥度具有较大倾角时，它具有一个可以转动少数几圈即可把管子B拧到连接元件A中的优点。可是，在管子B较薄的情况下，螺纹的强度就变得不足。当锥度倾角较小时，有一个缺点，即：当把管子拧进连接元件中时，旋转圈数会增加。因此，在背景技术中所采用的一个合适的倾斜度是1/16，并且在这个实施例中也把倾斜度设置为大约1/16。

当负荷面角θ1很大时，在组装螺纹时或者在张力载荷下，在连接处的圆周方向上会产生很大的应力，以致引起应力扩张裂纹。为了避免这种应力扩张裂纹和跳出现象的产生，在确立负荷面角θ1时，应使其满足如下条件。

(1)当t(管子的厚度)/D(管子的外径)≤9％，时，确立θ1≤3°。但θ1的下限被设置为-3°，因为用比-3°更小的值进行加工时会产生不利因素。

(2)当9％＜t(管子的厚度)/D(管子的外径)≤14％，时，确立θ1≤0°。但θ1的下限被设置为-3°，因为用比-3°更小的值进行加工时会产生不利因素。

(3)当14％＜t(管子的厚度)/D(管子的外径)时，确立θ1＜0°。但θ1的下限被设置为-10°，因为用比-10°更小的值进行加工时会产生不利因素。

假定当外螺纹的基准直径d₁大于内螺纹的基准直径d₂时，螺纹部分的干涉量Δd＝(d₁-d₂)。然后，在螺纹的底部和顶部之间形成的缝隙超过0.2毫米的情况下，当以此干涉量Δd完成螺纹装配时，由于井下温度的作用，在充满此缝隙的油脂干燥之后，防漏特性极大地恶化。因此，如图1(b)所示，螺纹高度Ht以下述方式确定，即：位于螺纹底部和顶部之间的缝隙不大于0.2毫米。这个缝隙是受螺纹高度误差和螺纹宽度误差组合影响的。

其次，将研究螺纹高度误差和螺纹宽度误差造成的影响。

螺纹高度误差的组合仅仅是影响顶部和底部之间的缝隙。如果外螺纹的宽度较窄或者内螺纹的宽度较宽，在顶部和底部之间的缝隙也变得较窄。反之，则出现相反的现象。因此，必须确定螺纹高度的误差和螺纹宽度的误差，以使在顶部和底部之间的缝隙的最大值不大于0.2毫米，并且即使在螺纹高度误差和螺纹宽度误差在最糟的组合状态下，使顶部和底部不早于各侧面而产生彼此接触。也就是说，为了保证防漏特性，在顶部和底部之间的缝隙必须始终保持在一个大约从0到0.2毫米的范围内，即使是在螺纹高度和宽度误差处于最糟的组合状态下也应如此。

例如，当螺纹高度误差在0.2毫米的缝隙中占±0.025毫米时，2×0.025＝0.05毫米的螺纹高度误差组合可能对缝隙产生影响。因此，0.15毫米的缝隙是宽度误差组合所允许的。另外，当减小角度|θ1|+|θ2|时，宽度的变化对径向产生很大影响，因此，需要将宽度误差设置得较小。例如，在|θ1|+|θ2|＝10°的螺纹情况下，顶部和底部之间的缝隙不能被保持在0到0.2毫米的范围内，除非螺纹的高度和宽度误差保持在不大于0.015毫米的情况下。

计算实例：

在|θ1|+|θ2|＝10°的螺纹情况下，在高度方向上，宽度变化量ΔW的影响变为tan 10°(约等于原变化量ΔW的5.6倍)。由于必须保持顶部和底部之间的缝隙的变化量小于0.2毫米，假设螺纹高度误差设置为±0.015毫米，则螺纹宽度变化所允许的缝隙范围是0.17毫米。因此，在宽度上的允许变化量变成0.17/5.6＝0.030毫米。因此，螺纹的宽度误差就变成±0.015毫米。

另一方面，在螺纹为|θ1|+|θ2|的情况下，即使螺纹高度和宽度误差是±0.025毫米，在顶部和底部之间的缝隙保持在0到0.2毫米的范围内。

总之，可以提供如下准则。

当10°≤|θ1|+|θ2|＜20°时，螺纹高度Ht和螺纹宽度Wt的误差设置为±0.015毫米，而当20°≤|θ1|+|θ2|，它们设置为±0.025毫米。因此，在顶部和底部之间的缝隙始终可以被控制在0到0.2毫米的范围内，使得所需的防漏特性能得以保证。

在这种结构的油井管螺纹连接件中，当在螺纹的每一接触面上产生的接触压力Pc大于施加到管子内表面上的气压或油压Pi、即确立Pc＞Pi的关系时，保持了防漏性能。

当螺纹部分的干涉量是Δd时，接触压力Pc是通过下面的表达式(6)计算出的。可是，由于计算机用一种基于有限元的计算方法计算，结果发现，在表达式(6)中用一半的干涉量Δd，就可以获得相同的表面压力Pc，如图3所示。

例如，下面将计算2-7/8″外直径×0.217″的API J55油井管的接触面压力Pc。对于这种油井管，所要求的内部抗压性能是7,260psi(磅/平方英寸)，作为一个连接件，所需内部抗压性能基本上和上述数值相同。如果作用于螺纹上的螺纹干涉量Δd等于0.0035英寸，由图3可以认为它将可以下井。这一数值等于油管外直径的0.12％。

也就是说，当干涉量Δd占管子外直径的0.12％或更大时，始终满足Pc＞Pi的关系，因此，可以获得所需的防漏性能。

可是，当干涉量Δd太大时，由于楔入作用，使得连接件膨胀，因此产生了环向应力(σθ)。通过表达式(7)可计算出σθ。当以0.8％或更大的外径比紧固联接时，环向应力变得非常高。因此，将干涉量Δd的上限设置到这个值。

这里δ＝Δd/2 $P_c=\frac{E\·\mathrm{\δ}(R^2-d^2)(W^2-R^2)}{4R^3(W^2-d^2)}\…\…\left(6\right)$

σθ＝2R²·PC(1+W²)/(W²-R²)......(7)

式中E：杨氏弹性模量

W：连接外径

R：螺纹节径

D：管子的内半径

图4是一示意图，表示了本发明另一个实施例。在这种螺纹连接件中，在上述螺纹连接件的连接处的中间位置形成突出部分A1。即使以较大力矩旋转公螺纹而使旋转力大于公螺纹的旋转极限时，该突出部分A1也能防止公螺纹(PIN)(一个外螺纹：管子)在进入母螺纹内(BOX)(一个内螺纹：连接件)时超过极限。结果是，在向一口气井或油井中一边旋转一边下放套管或油管时，在公螺纹进入母螺纹并超过极限时，仍可以防止突然发生所谓的“跳入”情况。

图5是一示意图，表示了本发明另一实施例。在这个螺纹连接件中，在上述螺纹连接件的连接处的中间，安装一个作为缓冲垫的氟化树脂T形环C。在油井产生腐蚀气体的情况下，采用下述的连接件A和管子B，即它们都涂覆有例如环氧树脂等防腐涂料或类似物以形成防腐涂层。T形环C可防止防腐涂层剥落。T形环C还可以防止井管中的气体或油液激烈地流动。

实施例

在井管中应用本发明的一实施例的螺纹形状和尺寸规格显示在图6，7和表1中。螺纹形状如图6所示。也就是负荷面角是2°，接合面角是45°，螺纹高度是1.27毫米(48/1,000英寸)，螺距为每英寸8牙螺纹，以及锥度为1/16(管子直径/长度)，无论管子的外径如何变化这些值都是固定不变的。螺纹连接件(图7)的各部分的尺寸显示在表1中，其中名义外径是从2-3/8到4-1/2英寸。上述实施例也适用于套管。

                          表1

给定尺寸(英寸)	外径(OD)	L	内径(ID)	DE2	Dbv	Bp	L7	L4	A1	M/U
											2-3/8″	60.3	4.83	50.67	56.21	54.2	1.52	25.40	65.80	68.8	4.88
2-7/8″	73.0	5.51	62.01	68.91	66.4	1.95	25.40	65.80	68.80	5.69
											3-1/2″	88.9	6.45	76.00	84.81	82.3	2.91	25.40	65.40	68.40	7.32
4″	101.6	5.74	90.12	97.12	94.6	2.00	31.70	71.70	76.70	8.89
											4-1/2″	114.3	5.69	102.92	109.42	106.9	1.75	38.10	78.10	83.10	9.75

                 表1(续表)    (单位：mm)

A	H	W±1％	NL±3	M	E7±0.0508	M8	E8±0.0508	Q±0.5	bc
										14.40	6.10	73.0	156.6	38.52	59.070	38.10	59.096	64.3	2.5
15.21	8.13	88.9	156.6	37.71	71.770	38.10	71.746	76.9	4.0
										16.84	8.13	108.0	155.8	35.68	87.670	38.10	87.519	92.7	5.5
18.41	8.13	120.7	172.4	36.11	100.370	38.10	100.246	105.4	5.5
										19.27	8.13	132.1	185.2	35.25	113.070	38.10	112.892	118.1	5.0

根据本发明的用于油井管的螺纹连接件的性能是经过证实的，它是按照API-RP-5C5的IV级标准(用于套管以及配管连接件的评估方法)通过抗压性能测试加以证实的。每一样品都是在API-L80级(屈服强度＝56.2千克/平方毫米，屈服内部压力＝741千克/平方毫米)以及管子的尺寸：外径88.9毫米及厚度6.45毫米的条件下进行测试的。测试结果显示在表2中。

在这个测试中，采用了六个样品。每一样品的组装力矩设置在250kg·m到450kg·m的范围内直到第4个测试阶段时为止。在反复地向管子内加压(水压)的情况下(第2阶段)、在该内压下再施加拉力(阶段3)的情况下、以及在向施加拉力那样施加内压(气压)(第4阶段)的情况下，分别检查连接部分存在的泄漏。结果，在任一样品中均未发现泄漏。

另外，在测试阶段5，在设置组装力矩为300kg·m的情况下重复上紧和卸下十次，检查磨损(galling)的存在情况。结果，在任一样品中均未发现磨损。

更进一步，在第6测试阶段，按照上述相同的方式将每一样品的组装力矩设置为从250kg·m到450kg·m的范围。在更艰苦的条件下(第7阶段)，检查螺纹连接部分的泄漏存在情况。结果，未见任何泄漏。在第8测试阶段，在三个样品上进行拉断测试。结果，全部三个样品都在管体部分被拉断，(在大约比额定最小负荷承载能力大20％的负荷下，每一样品都在管子的主体部分被拉断)，达到了100％的连接件强度(等于管子的强度)。

从上述检测结果中可以很显然的看出，在抵抗内部/外部压力的抗压性能上和在组装以及卸下时的抗磨损能力上，该连接件均没有问题，并且这种连接件满足API-RP-5C5 IV级标准规定的连接性能要求。

                     表2连接性能试验结果简表

               (样品API L80，88.9mm外径×6.45mmWT)

项目	压力	压力介质	轴向力	温度	支持时间	第一个样品	第二个样品
								1.组装	组装力矩＝250到450kg·m				-	270kg·m	300kg·m
2.内部压力	70MPa	水压	-	室温	30分钟×3次	无泄漏	无泄漏
								3.内部压力+张力	56MPa	水压	740N	室温	30分钟×3次	无泄漏	无泄漏
4.内部压力+张力	35MPa	气压	740N	室温	10分钟×10次	无泄漏	无泄漏
								5.组装/卸下	组装力矩＝300kg·m重复次数＝10次					无磨损	无磨损
6.组装	组装力矩＝250到450kg·m			-	-	260kg·m	280kg·m
								7.内部压力+张力	35MPa	气压	740N	室温	10分钟×50次	无泄漏	无泄漏
8.应力破环				-	-	管子断裂	-

                         表2(续表)

项目	第三个样品	第四个样品	第五个样品	第六个样品
					1.组装	290kg·m	410kg·m	400kg·m	420kg·m
2.内部压力	无泄漏	无泄漏	无泄漏	无泄漏
					3.内部压力+张力	无泄漏	无泄漏	无泄漏	无泄漏
4.内部压力+张力	无泄漏	无泄漏	无泄漏	无泄漏
					5.组装/卸下	无磨损	无磨损	无磨损	无磨损
6.组装	280kg·m	400kg·m	410kg·m	400kg·m
					7.内部压力+张力	无泄漏	无泄漏	无泄漏	无泄漏
8.应力破坏	管子断裂	-	管子断裂	-

Claims (1)

1.一种用于油井管的梯形螺纹连接件，其中每一梯形螺纹的负荷面角θ1满足如下条件(1)，(2)和(3)，其中所述螺纹具有这样的形状，即：当所述连接件被紧固时，螺纹的相对侧面能同时和相应螺纹的侧面接触，使连接件的螺纹部分的干涉量Δd不小于所连接管子外径的0.12％且不大于其0.8％，其中，在所述梯形螺纹的顶部和底部之间形成的间隙设置为不大于0.2毫米，并且所述螺纹的螺纹宽度和螺纹高度的尺寸误差满足如下条件(4)和(5)：

(1)当t(管子的厚度)/D(管子的外径)≤9％时，-3°≤θ1≤3°；

(2)当9％＜t(管子的厚度)/D(管子的外径)≤14％时，-3°≤θ1≤0；

(3)当14％＜t(管子的厚度)/D(管子的外径)，-10°≤θ1≤0°；

(4)当10°≤|θ1|+|θ2|＜20°

螺纹的宽度(Wt)误差＝±0.015毫米，和

螺纹的高度(Ht)误差＝±0.015毫米，

这里θ2为接合面角；

(5)当20°≤|θ1|+|θ2|，

螺纹的宽度(Wt)误差＝±0.025毫米，和

螺纹的高度(Ht)误差＝±0.025毫米。

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