專(zhuān)利名稱(chēng)：雙肩部工具接頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在鉆油井或氣井的鉆管上使用的雙肩部工具接頭，更具體地，涉及用于鉆管的雙肩部工具接頭，該雙肩部工具接頭可實(shí)現(xiàn)更高的扭矩特性，且不會(huì)降低操作效率。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中，用于鉆大位移井和水平井的鉆管借助于工具接頭連接。工具接頭的詳細(xì)情況在標(biāo)準(zhǔn)API(American Petroleum Institute)Spec.7中提供。在該標(biāo)準(zhǔn)中，工具接頭的外直徑形成為大于管體的外直徑，并且工具接頭的內(nèi)直徑形成為小于管體的內(nèi)直徑，從而傳遞鉆井時(shí)所需要的高扭矩。此外，推薦工具接頭的扭矩特性大于管體扭矩特性的80％。
然而，當(dāng)管體為高強(qiáng)度級(jí)別時(shí)，該標(biāo)準(zhǔn)中提供的情形常常難以滿(mǎn)足。因此，在傳統(tǒng)的用于鉆管的工具接頭中，其缺點(diǎn)在于鉆進(jìn)效率由于受到鉆進(jìn)條件的限制而降低，其缺點(diǎn)還在于螺紋受損。
為了解決上述問(wèn)題，在日本專(zhuān)利3057857(圖1)中提出了一種用于鉆管且具有高扭矩特性的雙肩部工具接頭。
圖1示出了日本專(zhuān)利3057857中的用于鉆管的雙肩部工具接頭。圖2示出了用于鉆管的傳統(tǒng)的雙肩部工具接頭的放大截面圖。
工具接頭101包括具有內(nèi)螺紋部123的陰接頭端102、和具有外螺紋部133的陽(yáng)接頭端103。
陰接頭端102包括在其端部具有預(yù)定錐度的陰接頭端接觸套筒(access sleeve)122、具有與陰接頭端接觸套筒122相同的預(yù)定錐度的內(nèi)螺紋部123、具有與內(nèi)螺紋部123相同的預(yù)定錐度的陰接頭端端部套筒124、從陰接頭端端部套筒124的端部延伸并垂直于管軸線(xiàn)150的內(nèi)肩部125、沿著管軸線(xiàn)150提供中空的管內(nèi)周部141、和形成陰接頭端102的外周表面的陰接頭端外周部126。陰接頭端外周部126這樣構(gòu)造其直徑沿著管軸線(xiàn)150從管外周部140經(jīng)過(guò)陰接頭端側(cè)錐形肩部127而逐漸增加。
陽(yáng)接頭端103包括在端部具有預(yù)定錐度的陽(yáng)接頭端頭部132、具有與陽(yáng)接頭端頭部132相同的預(yù)定錐度的外螺紋部133、具有與外螺紋部133相同的預(yù)定錐度的陽(yáng)接頭端基部134、從陽(yáng)接頭端基部134的基端部延伸并垂直于管軸線(xiàn)150的外肩部135、以及構(gòu)成陽(yáng)接頭端103的外周表面的陽(yáng)接頭端外周部136。陽(yáng)接頭端外周部136這樣構(gòu)造其直徑沿著管軸線(xiàn)150從管外周部140經(jīng)過(guò)陽(yáng)接頭端側(cè)錐形肩部137而逐漸增加。在圖1和圖2中，簡(jiǎn)化了外螺紋部133和內(nèi)螺紋部123的螺紋，從而清晰地示出其錐度。
陽(yáng)接頭端頭部長(zhǎng)度132a形成為短的，例如約10mm，以便與符合API標(biāo)準(zhǔn)的螺紋可互換。此外，由陽(yáng)接頭端基部134的外周表面和陰接頭端接觸套筒122的內(nèi)周表面形成的陽(yáng)接頭端基部間隙139形成寬2.1mm～2.5mm，以便與符合API標(biāo)準(zhǔn)的螺紋是可互換的。由陽(yáng)接頭端頭部132的外周表面和陰接頭端端部套筒124的內(nèi)周表面形成的陽(yáng)接頭端頭部間隙138形成為寬2.1mm～2.5mm。
陰接頭端102和陽(yáng)接頭端103設(shè)置有斜面121a和135a，這兩個(gè)斜面分別形成于陰接頭端接觸套筒端部121處和外肩部135的外周表面處。這里，外螺紋部133和內(nèi)螺紋部123的錐度為2/12。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)的工具接頭101的陰接頭端102和陽(yáng)接頭端103如下所述地彼此連接到一起。首先，陰接頭端102和陽(yáng)接頭端103彼此相對(duì)，且陽(yáng)接頭端103的端部插入到陰接頭端102的孔中。陰接頭端102和陽(yáng)接頭端103中的兩個(gè)或一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)并手動(dòng)地夾緊，直到外肩部135配合到陰接頭端接觸套筒端部121。在手動(dòng)夾緊時(shí)，內(nèi)肩部125和陽(yáng)接頭端頭部端部131之間的間隙形成為寬0mm～0.5mm。接著，陽(yáng)接頭端103和陰接頭端102由夾具以預(yù)定的夾緊強(qiáng)度夾緊。
根據(jù)傳統(tǒng)的工具接頭101，由于形成有外肩部135和內(nèi)肩部125，可實(shí)現(xiàn)外肩部135及內(nèi)肩部125分別與陰接頭端接觸套筒端部121及陽(yáng)接頭端頭部端部131的相應(yīng)的配合面之間的平面接觸。此外，由于內(nèi)肩部125和陽(yáng)接頭端頭部端部131之間的間隙形成為在手動(dòng)夾緊時(shí)寬0mm～0.5mm，所以可獲得高扭矩，并且外螺紋部133和內(nèi)螺紋部123內(nèi)的拉伸應(yīng)力得以降低。

發(fā)明內(nèi)容
(本發(fā)明要解決的問(wèn)題)然而，傳統(tǒng)的雙肩部工具接頭的特性并不總是足以滿(mǎn)足近年來(lái)更高的扭矩特性需求。即，由于陽(yáng)接頭端頭部長(zhǎng)度132a短，當(dāng)陽(yáng)接頭端頭部132隨著螺紋夾緊而受壓時(shí)，陽(yáng)接頭端頭部132的壓縮偏移甚至在小夾緊角的情況下超過(guò)其彈性極限，從而使得陽(yáng)接頭端頭部132局部塑性變形。因而，不能提供足夠的夾緊角，使得傳統(tǒng)的雙肩部工具接頭的結(jié)構(gòu)并不總是足以滿(mǎn)足更高的扭矩特性的需求。
近年來(lái)，經(jīng)常進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)10km的大位移井和水平井的鉆進(jìn)。在傳統(tǒng)的雙肩部工具接頭中，下面的特征是需要的1)更高的扭矩特性，以抵抗與鉆井的孔壁的顯著增大的摩擦，2)更大的內(nèi)直徑，以防止在鉆進(jìn)過(guò)程中鉆液的壓力降低，以及3)外直徑可與管體的外周部的外直徑相同，以提高鉆屑的回收效率。這里，為了實(shí)現(xiàn)高扭矩特性，陽(yáng)接頭端103和陰接頭端102之間的配合面可通過(guò)增加外直徑以及減小內(nèi)直徑而增加。
然而，如上所述，若內(nèi)直徑減小，鉆進(jìn)時(shí)鉆液的壓力降低將會(huì)惡化。此外，若外直徑增加，鉆屑的回收效率將會(huì)下降。更進(jìn)一步，若降低外螺紋部133和內(nèi)螺紋部123的錐度以增大陽(yáng)接頭端103和陰接頭端102之間的配合面積，操作效率將會(huì)下降，因?yàn)檫@種類(lèi)型的工具接頭的螺紋操作需要更長(zhǎng)的時(shí)間。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種雙肩部工具接頭，其中與傳統(tǒng)設(shè)備相比其可提供更高的扭矩特性且不會(huì)降低操作效率。
(解決上述問(wèn)題的方法)為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)特征，雙肩部工具接頭包括陽(yáng)接頭端，該陽(yáng)接頭端包括具有預(yù)定外直徑的陽(yáng)接頭端外周部、具有預(yù)定內(nèi)直徑的管內(nèi)周部、具有垂直于管軸線(xiàn)的配合面的外肩部、具有平行于管軸線(xiàn)的外周表面的陽(yáng)接頭端基部、相對(duì)于管軸線(xiàn)具有預(yù)定錐度的外螺紋部、以及具有平行于管軸線(xiàn)的外周表面及垂直于管軸線(xiàn)的配合面的陽(yáng)接頭端頭部；以及陰接頭端，該陰接頭端包括具有預(yù)定外直徑的陰接頭端外周部、具有預(yù)定內(nèi)直徑的管內(nèi)周部、具有適于與外肩部的配合面相配合的配合面及對(duì)應(yīng)于陽(yáng)接頭端基部的外周表面并且形成為平行于管軸線(xiàn)的內(nèi)周表面的陰接頭端接觸套筒、通過(guò)螺紋接合到所述外螺紋部的內(nèi)螺紋部、具有對(duì)應(yīng)于陽(yáng)接頭端頭部的外周表面并且形成為平行于管軸線(xiàn)的內(nèi)周表面的陰接頭端端部套筒、和具有適于與陽(yáng)接頭端頭部的配合面相配合并且形成為垂直于管軸線(xiàn)的配合面的內(nèi)肩部。
在本發(fā)明中，優(yōu)選地，當(dāng)陰接頭端外周部或陽(yáng)接頭端外周部的外直徑為114.3mm～190.5mm并且陰接頭端或陽(yáng)接頭端的管內(nèi)周部的內(nèi)直徑為50.0mm～114.3mm時(shí)，陽(yáng)接頭端頭部的外周表面和陰接頭端端部套筒的內(nèi)周表面之間的間隙寬0.5mm～1.6mm。
在本發(fā)明中，優(yōu)選地，當(dāng)陰接頭端外周部或陽(yáng)接頭端外周部的外直徑為114.3mm～190.5mm并且陰接頭端或陽(yáng)接頭端的管內(nèi)周部的內(nèi)直徑為50.0mm～114.3mm時(shí)，陽(yáng)接頭端基部的外周表面和陰接頭端接觸套筒的內(nèi)周表面之間的間隙寬0.5mm～1.6mm。
在本發(fā)明中，優(yōu)選地，當(dāng)陰接頭端外周部或陽(yáng)接頭端外周部的外直徑為114.3mm～190.5mm并且陰接頭端或陽(yáng)接頭端的管內(nèi)周部的內(nèi)直徑為50.0mm～114.3mm時(shí)，陽(yáng)接頭端頭部的長(zhǎng)度為12.7mm～38.1mm。
根據(jù)本發(fā)明的另一特征，雙肩部工具接頭包括陽(yáng)接頭端，該陽(yáng)接頭端包括具有預(yù)定外直徑的陽(yáng)接頭端外周部、具有預(yù)定內(nèi)直徑的管內(nèi)周部、具有垂直于管軸線(xiàn)的配合面的外肩部、具有外周表面的陽(yáng)接頭端基部、相對(duì)于管軸線(xiàn)具有預(yù)定錐度的外螺紋部、和具有錐度小于外螺紋部錐度的外周表面及垂直于管軸線(xiàn)的配合面的陽(yáng)接頭端頭部；以及陰接頭端，該陰接頭端包括具有預(yù)定外直徑的陰接頭端外周部、具有預(yù)定內(nèi)直徑的管內(nèi)周部、具有適于與外肩部的配合面相配合的配合面及對(duì)應(yīng)于陽(yáng)接頭端基部的外周表面的內(nèi)周表面的陰接頭端接觸套筒、通過(guò)螺紋接合到外螺紋部的內(nèi)螺紋部、具有對(duì)應(yīng)于陽(yáng)接頭端頭部的外周表面并形成為平行于管軸線(xiàn)的內(nèi)周表面的陰接頭端端部套筒、和具有適于與陽(yáng)接頭端頭部的配合面相配合并形成為垂直于管軸線(xiàn)的配合面的內(nèi)肩部。
(本發(fā)明的作用)根據(jù)本發(fā)明的雙肩部工具接頭，陽(yáng)接頭端基部的外周表面和陰接頭端接觸套筒的內(nèi)周表面形成為平行于管軸線(xiàn)，并且陽(yáng)接頭端頭部的內(nèi)周表面和陰接頭端端部套筒的外周表面形成為平行于管軸線(xiàn)，使得與傳統(tǒng)的雙肩部工具接頭相比，陰接頭端接觸套筒端部和陽(yáng)接頭端的外肩部之間的配合面以及陽(yáng)接頭端頭部端部和陰接頭端的內(nèi)肩部之間的配合面增大，從而分散了集中在外肩部和內(nèi)肩部上的應(yīng)力。因此，工具接頭的扭矩抵抗特性得以改善并且鉆進(jìn)效率也得以改善。這里，“平行”的含義包括大致平行的狀態(tài)，即錐度小的情形。
根據(jù)本發(fā)明的雙肩部工具接頭，陽(yáng)接頭端頭部的外周表面和陰接頭端端部套筒的內(nèi)周表面之間的間隙形成為寬0.5mm～1.6mm，從而可以改善操作性并且可以增大陽(yáng)接頭端頭部端部和內(nèi)肩部之間的配合面。
根據(jù)本發(fā)明的雙肩部工具接頭，陽(yáng)接頭端基部的外周表面和陰接頭端接觸套筒的內(nèi)周表面之間的間隙形成為寬0.5mm～1.6mm，從而可以改善操作性并且可以增大陰接頭端接觸套筒端部和外肩部之間的配合面。
根據(jù)本發(fā)明的雙肩部工具接頭，當(dāng)陰接頭端或陽(yáng)接頭端的外周部的外直徑為114.3mm～190.5mm并且陰接頭端或陽(yáng)接頭端的內(nèi)周部的內(nèi)直徑為50.0mm～114.3mm時(shí)，陽(yáng)接頭端頭部的長(zhǎng)度為12.7mm～38.1mm，從而可以期望會(huì)增大隨著螺紋的行進(jìn)而施加到陽(yáng)接頭端頭部的扭矩的彈性極限值，并且可延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。


下面將結(jié)合附圖解釋根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，其中圖1是沿傳統(tǒng)的雙肩部工具接頭的軸線(xiàn)的截面圖；圖2是傳統(tǒng)的雙肩部工具接頭的放大截面圖；圖3是示出本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式中的雙肩部工具接頭的整體結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)圖；圖4是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式中的雙肩部工具接頭沿圖3中的管軸線(xiàn)的截面圖；圖5是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式中的雙肩部工具接頭的放大截面圖；圖6A是沿圖4中A-A線(xiàn)的橫截面圖，示出了優(yōu)選實(shí)施方式中的雙肩部工具接頭的外肩部和陰接頭端接觸套筒端部之間的配合面；圖6B是沿圖1中A′-A′線(xiàn)的橫截面圖，示出了傳統(tǒng)的雙肩部工具接頭的外肩部和陰接頭端接觸套筒端部之間的配合面；圖7A是沿著圖4中B-B線(xiàn)的橫截面圖，示出了優(yōu)選實(shí)施方式中的雙肩部工具接頭的內(nèi)肩部和陽(yáng)接頭端頭部端部之間的配合面；圖7B是沿著圖1中B′-B′線(xiàn)的橫截面圖，示出了傳統(tǒng)的雙肩部工具接頭的內(nèi)肩部和陽(yáng)接頭端頭部端部之間的配合面；圖8示出了在夾緊測(cè)試中實(shí)施例1、2和對(duì)比實(shí)施例的屈服強(qiáng)度的曲線(xiàn)圖；圖9A示出了由有限元方法(FEM)分析提供的本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式中的雙肩部工具接頭的主要部分中的應(yīng)力分布的簡(jiǎn)圖；圖9B示出了由FEM分析提供的對(duì)比實(shí)施例中的雙肩部工具接頭的主要部分中的應(yīng)力分布的簡(jiǎn)圖。
具體實(shí)施例方式
(工具接頭的整體結(jié)構(gòu))圖3示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式的雙肩部工具接頭的整體結(jié)構(gòu)。雙肩部工具接頭1是用于借助螺紋部將陰接頭端2和陽(yáng)接頭端3接合起來(lái)的管接頭工具，其中，陰接頭端2形成于鉆管4的一端并設(shè)置有內(nèi)螺紋部23，陽(yáng)接頭端3形成于另一鉆管4的一端并設(shè)置有外螺紋部33。鉆管4構(gòu)造成借助包括陰接頭端2和陽(yáng)接頭端3的工具接頭1順序地連接到另一鉆管4。
(工具接頭的結(jié)構(gòu))圖4是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式的雙肩部工具接頭沿圖3中的管軸線(xiàn)的截面圖。
圖5是示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式的雙肩部工具接頭的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)的放大截面視圖。
工具接頭1包括具有內(nèi)螺紋部23的陰接頭端2和具有外螺紋部33的陽(yáng)接頭端33。
陰接頭端2包括具有平行于管軸線(xiàn)50的內(nèi)周表面的陰接頭端接觸套筒22、鄰接陰接頭端接觸套筒22而形成并具有2/12的錐度的內(nèi)螺紋部23、具有平行于管軸線(xiàn)50的內(nèi)周表面的陰接頭端端部套筒24、形成為垂直于管軸線(xiàn)50的內(nèi)肩部25、沿著管軸線(xiàn)50提供中空的管內(nèi)周部41、和構(gòu)成陰接頭端2的外周表面的陰接頭端外周部26。陰接頭端外周部26如此形成其外直徑從管外周部40經(jīng)過(guò)陰接頭端側(cè)錐形肩部27而逐漸增大。在圖4和5中，簡(jiǎn)化了外螺紋部33和內(nèi)螺紋部23的螺紋，以便清晰地示出其錐度。
優(yōu)選地，陰接頭端接觸套筒22和陰接頭端端部套筒24可各自具有平行于管軸線(xiàn)50的內(nèi)周表面，但是本發(fā)明不限制于此。陰接頭端接觸套筒22和陰接頭端端部套筒24可具有錐度小于內(nèi)螺紋部23或外螺紋部33的錐度的內(nèi)周表面。特別是，陰接頭端接觸套筒22和陰接頭端端部套筒24的內(nèi)周表面相對(duì)于管軸線(xiàn)50的錐度優(yōu)選地不大于1/12。
在本發(fā)明中，“平行”的含義包括大致平行的狀態(tài)，即錐度小的情形。類(lèi)似地，“垂直于管軸線(xiàn)”的含義包括大致垂直于管軸線(xiàn)的狀態(tài)。
陽(yáng)接頭端3包括具有形成為平行于管軸線(xiàn)50的外周表面的陽(yáng)接頭端頭部32、鄰接陽(yáng)接頭端頭部32而形成并具有2/12的錐度的外螺紋部33、具有從陽(yáng)接頭端外周部36延伸并形成為平行于管軸線(xiàn)50的外周表面的陽(yáng)接頭端基部34、形成為垂直于管軸線(xiàn)50的外肩部35、和構(gòu)成陽(yáng)接頭端3的外周表面的陽(yáng)接頭端外周部36。陽(yáng)接頭端外周部36如此形成其外直徑從管外周部40經(jīng)過(guò)陽(yáng)接頭端側(cè)錐形肩部37而逐漸增大。
優(yōu)選地，陽(yáng)接頭端頭部32和陽(yáng)接頭端基部34可各自具有形成為平行于管軸線(xiàn)50的外周表面，但是本發(fā)明不限制于此。陽(yáng)接頭端頭部32和陽(yáng)接頭端基部34可具有錐度小于內(nèi)螺紋部23或外螺紋部33的錐度的外周表面。特別是，陽(yáng)接頭端頭部32和陽(yáng)接頭端基部34的外周表面相對(duì)于管軸線(xiàn)50的錐度優(yōu)選地不大于1/12。
本發(fā)明中，“平行”的含義包括大致平行的狀態(tài)，即錐度小的情形。類(lèi)似地，“垂直于管軸線(xiàn)”的含義包括大致垂直于管軸線(xiàn)的狀態(tài)。
本發(fā)明中，重要的是使陽(yáng)接頭端頭部32的外周表面和陰接頭端端部套筒24的內(nèi)周表面形成為平行于管軸線(xiàn)50?？紤]到制造的簡(jiǎn)化與方便，陽(yáng)接頭端基部34的外周表面和陰接頭端接觸套筒22的內(nèi)周表面可不平行于管軸線(xiàn)50，并且可形成為具有與傳統(tǒng)設(shè)備相似的錐度。
當(dāng)陰接頭端或陽(yáng)接頭端的外直徑為114.mm～190.5mm并且陰接頭端或陽(yáng)接頭端的內(nèi)直徑為50mm～114.3mm時(shí)，陽(yáng)接頭端頭部32的長(zhǎng)度32a優(yōu)選地為11mm～49mm?？紤]到操作方便性和制造難度，更優(yōu)選地，陽(yáng)接頭端頭部長(zhǎng)度32a為12.7mm～38.1mm。
陽(yáng)接頭端頭部32的外周表面和陰接頭端端部套筒24的內(nèi)周表面之間的間隙38(陽(yáng)接頭端頭部間隙38)構(gòu)造成寬0.5～1.6mm。這是因?yàn)楫?dāng)陽(yáng)接頭端頭部間隙38的寬度小于0.5mm時(shí)，操作性變差，并且因?yàn)楫?dāng)陽(yáng)接頭端頭部間隙38的寬度大于1.6mm時(shí)，陽(yáng)接頭端頭部端部31和陰接頭端2的內(nèi)肩部25之間的配合面不能增大。
陽(yáng)接頭端基部34的外周表面和陰接頭端接觸套筒22的內(nèi)周表面之間的間隙39(陽(yáng)接頭端基部間隙39)構(gòu)造成寬0.5mm～1.6mm。這是因?yàn)楫?dāng)陽(yáng)接頭端基部間隙39的寬度小于0.5mm時(shí)，操作性變差，以及因?yàn)楫?dāng)陽(yáng)接頭端基部間隙39的寬度大于1.6mm時(shí)，陰接頭端接觸套筒21和陽(yáng)接頭端3的外肩部35之間的配合面不能增大。
對(duì)于陰接頭端2和陽(yáng)接頭端3的材料沒(méi)有特別的限制，只要其達(dá)到根據(jù)API Spec.7的標(biāo)準(zhǔn)的足夠強(qiáng)度即可。
(工具接頭的連接)通過(guò)使用本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式中的工具接頭而連接鉆管將如下進(jìn)行。首先，陰接頭端2和陽(yáng)接頭端3彼此相對(duì)，并且陽(yáng)接頭端3的端部插入到陰接頭端2的孔中。陰接頭端2和陽(yáng)接頭端3的兩個(gè)或其中任一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)而夾緊，直到外肩部35和陰接頭端接觸套筒端部21彼此配合，此外內(nèi)肩部25和陽(yáng)接頭端頭部端部31彼此配合。
(優(yōu)選實(shí)施方式的作用)根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，陰接頭端接觸套筒22的內(nèi)周表面和陽(yáng)接頭端基部34的外周表面形成為平行于管軸線(xiàn)50，并且陰接頭端端部套筒24的內(nèi)周表面和陽(yáng)接頭端頭部32的外周表面形成為平行于管軸線(xiàn)50，從而，與傳統(tǒng)的工具接頭相比，可以增大陽(yáng)接頭端頭部32和陰接頭端接觸套筒22的厚度。因此，與傳統(tǒng)的工具接頭相比，可以增大陰接頭端接觸套筒端部21和外肩部35之間的配合面以及陽(yáng)接頭端頭部端部31和內(nèi)肩部25之間的配合面——在傳統(tǒng)的工具接頭中陰接頭端接觸套筒的內(nèi)周表面和陽(yáng)接頭端基部的外周表面以及陰接頭端端部套筒的內(nèi)周表面和陽(yáng)接頭端頭部的外周表面具有與外或內(nèi)螺紋部相同的錐度。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，可改善扭矩阻抗性，并且工具接頭的使用壽命得以延長(zhǎng)。
此外，通過(guò)增加陽(yáng)接頭端頭部長(zhǎng)度32a，與傳統(tǒng)的工具接頭中的短陽(yáng)接頭端(10mm長(zhǎng))相比，可以減小由于陽(yáng)接頭端頭部隨著螺紋的行進(jìn)而移動(dòng)產(chǎn)生的扭矩，從而實(shí)現(xiàn)更多的螺紋連接。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，可改善扭矩阻抗性，并且工具接頭的使用壽命得以延長(zhǎng)。
然而，若陽(yáng)接頭端頭部長(zhǎng)度32a大于或等于50m，陽(yáng)接頭端頭部32的剛度將變差，將需要更大的夾緊角，并且將增加內(nèi)外螺紋部23和33及內(nèi)肩部25的磨損。因而，設(shè)備的使用壽命將會(huì)縮短。
圖6A是沿圖4中的A-A線(xiàn)的橫截面圖，示出了本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式中的雙肩部工具接頭的外肩部和陰接頭端接觸套筒端部之間的配合面，而圖6B是沿著圖1中的A′-A′線(xiàn)的橫截面圖，示出了傳統(tǒng)的雙肩部工具接頭的外肩部和陰接頭端接觸套筒端部之間的配合面。
圖6A中，“a”表示外肩部35與陰接頭端接觸套筒端部21配合的配合面的寬度。
另一方面，圖6B中，“b”表示外肩部135與陰接頭端接觸套筒端部121配合的配合面的寬度。
從圖6A和6B中清晰可見(jiàn)，形成了對(duì)比關(guān)系a＞b，即本發(fā)明中的寬度a大于傳統(tǒng)的工具接頭中的寬度b。換言之，由于陰接頭端接觸套筒22形成為從內(nèi)螺紋部23的陰接頭端接觸套筒側(cè)端延伸并平行于管軸線(xiàn)50，所以本發(fā)明的配合面的寬度不同于傳統(tǒng)的工具接頭的配合面的寬度——在傳統(tǒng)的工具接頭中與內(nèi)螺紋部123具有相同錐度的陰接頭端接觸套筒端部121配合到外肩部135。
因而，本發(fā)明的外肩部與陰接頭端接觸套筒端部之間的配合面大于傳統(tǒng)的工具接頭的配合面。
圖7A是沿圖4中的B-B線(xiàn)的橫截面圖，示出了本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式中的雙肩部工具接頭的內(nèi)肩部和陽(yáng)接頭端頭部端部之間的配合面，而圖7B是沿圖1中的B′-B′線(xiàn)的橫截面圖，示出了傳統(tǒng)的雙肩部工具接頭的內(nèi)肩部和陽(yáng)接頭端頭部端部之間的配合面。
在圖7A中，“a′”表示內(nèi)肩部25與陽(yáng)接頭端頭部端部31配合的配合面的寬度。
另一方面，在圖7B中，“b′”表示內(nèi)肩部125與陽(yáng)接頭端頭部端部131配合的配合面的寬度。
從圖7A和7B中清晰可見(jiàn)，形成對(duì)比關(guān)系a′＞b′，即本發(fā)明中的寬度a′大于傳統(tǒng)的工具接頭中的寬度b′。換言之，由于陽(yáng)接頭端頭部32形成為從外螺紋部33的陽(yáng)接頭端頭部側(cè)端延伸并平行于管軸線(xiàn)50，所以本發(fā)明的配合面的寬度不同于傳統(tǒng)的工具接頭中的配合面的寬度——在傳統(tǒng)的工具接頭中與外螺紋部133具有相同錐度的陽(yáng)接頭端頭部端部131配合到內(nèi)肩部125。
因而，本發(fā)明的內(nèi)肩部與陽(yáng)接頭端頭部端部之間的配合面大于傳統(tǒng)的工具接頭的相應(yīng)配合面。
(實(shí)施例1)下面將解釋本發(fā)明的實(shí)施例1。
在實(shí)施例1中，陽(yáng)接頭端和陰接頭端由根據(jù)AISI(美國(guó)鋼鐵協(xié)會(huì))標(biāo)準(zhǔn)的SAE 4137H基材料(具有確實(shí)的可硬化度的結(jié)構(gòu)用鋼材)制成。SAE 4137H基材料的代表成份按重量計(jì)算是C 0.37％、Si 0.2％、Mn1.0％、Cr 1.0％、和Mo 0.2％。該材料的強(qiáng)度根據(jù)API Spec.7而確定。使用外直徑為177.8mm內(nèi)直徑為108.0mm的陽(yáng)接頭端和陰接頭端。陽(yáng)接頭端和陰接頭端互相螺接并手工夾緊。該手工夾緊角確定為用于基準(zhǔn)的手動(dòng)夾緊位置。接著，當(dāng)陽(yáng)接頭端和陰接頭端借助夾緊工具以預(yù)定扭矩夾緊時(shí)，標(biāo)繪夾緊角和扭矩以獲得扭曲屈服強(qiáng)度。此時(shí)，陽(yáng)接頭端頭部平行于管線(xiàn)軸地從外螺紋部的端部突出，并且陽(yáng)接頭端頭部沒(méi)有錐度。陽(yáng)接頭端頭部長(zhǎng)度為21mm。
測(cè)試結(jié)果在圖8和表1中示出。由該結(jié)果可以理解，實(shí)施例1中的工具接頭的扭曲屈服在108,480N·m處開(kāi)始(夾緊角為43°)。
(實(shí)施例2)下面將解釋本發(fā)明的實(shí)施例2。
除了陽(yáng)接頭端頭部長(zhǎng)度為11mm外，實(shí)施例2構(gòu)造成與實(shí)施例1相同，以獲得扭曲屈服強(qiáng)度。
測(cè)試結(jié)果在圖8和表1中示出。由該結(jié)果可以理解，實(shí)施例2中的工具接頭的扭曲屈服在101,700N·m處開(kāi)始(夾緊角為29°)。
(對(duì)比實(shí)施例)除了陽(yáng)接頭端頭部錐度為2/12并且陽(yáng)接頭端頭部長(zhǎng)度為11mm外，對(duì)比實(shí)施例構(gòu)造成與本發(fā)明的實(shí)施例1和實(shí)施例2相同，以獲得扭曲屈服強(qiáng)度。
測(cè)試結(jié)果在圖8和表1中示出。由該結(jié)果可以理解，對(duì)比實(shí)施例中的工具接頭的扭曲屈服在82,716N·m處開(kāi)始(夾緊角為24°)。
在實(shí)施例1和實(shí)施例2中，已經(jīng)證實(shí)，與對(duì)比實(shí)施例中的相比，外肩部和陰接頭端接觸套筒端部之間的配合面以及內(nèi)肩部和陽(yáng)接頭端頭部端部之間的配合面的總和增加約10％，如表1所示。
如圖8和表1中清晰示出，與對(duì)比實(shí)施例中的扭曲屈服強(qiáng)度相比，實(shí)施例1中的工具接頭的扭曲屈服強(qiáng)度增加約31％，從而證實(shí)改善了扭曲阻抗性。由該結(jié)果可以理解，通過(guò)增加外肩部和陰接頭端接觸套筒端部之間的配合面以及內(nèi)肩部和陽(yáng)接頭端頭部端部之間的配合面的總和，并通過(guò)增加陽(yáng)接頭端頭部長(zhǎng)度，實(shí)施例1中的工具接頭具有更高的扭矩特性。
此外，實(shí)施例1中的工具接頭的扭曲屈服強(qiáng)度是管體扭曲屈服強(qiáng)度(123,800N·m)的87.6％。該值高于管體扭曲屈服強(qiáng)度的80％，這是API標(biāo)準(zhǔn)中的推薦值。
這里，在實(shí)施例1中外螺紋部和內(nèi)螺紋部的錐度是2/12，與對(duì)比實(shí)施例中的相同。因而，實(shí)施例1中的螺紋操作性類(lèi)似于對(duì)比實(shí)施例中的螺紋操作性。
此外，如圖8和表1中清晰示出，與對(duì)比實(shí)施例中的扭曲屈服強(qiáng)度相比，實(shí)施例2中的工具接頭的扭曲屈服強(qiáng)度增加約23％，從而證實(shí)改善了扭曲阻抗性。由該結(jié)果可以理解，通過(guò)增加外肩部和陰接頭端接觸套筒端部之間的配合面以及內(nèi)肩部和陽(yáng)接頭端頭部端部之間的配合面的總和，實(shí)施例2中的工具接頭具有更高的扭矩特性。
此外，實(shí)施例2中的工具接頭的扭曲屈服強(qiáng)度是管體扭曲屈服強(qiáng)度(123,800N·m)的82.1％。該值高于管體扭曲屈服強(qiáng)度的80％，這是API標(biāo)準(zhǔn)中的推薦值。
這里，實(shí)施例2中外螺紋部和內(nèi)螺紋部的錐度是2/12，與對(duì)比實(shí)施例中的相同。因而，實(shí)施例2中的螺紋操作性類(lèi)似于對(duì)比實(shí)施例中的螺紋操作性。
(由FEM分析確認(rèn)扭矩特性)圖9A示出了由有限元方法(FEM)分析提供的本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式中的雙肩部工具接頭的主要部分中的應(yīng)力分布簡(jiǎn)圖，而圖9B示出了由FEM分析提供的對(duì)比實(shí)施例中的雙肩部工具接頭的主要部分中的應(yīng)力分布的簡(jiǎn)圖。下面將通過(guò)比較其最大應(yīng)力區(qū)域(網(wǎng)格區(qū)域)而解釋本發(fā)明的實(shí)施例1和對(duì)比實(shí)施例中的應(yīng)力分布的差別，其在所述區(qū)域中產(chǎn)生91.8kgf/m2～133kgf/m2的應(yīng)力。這里，陽(yáng)接頭端3、103的屈服應(yīng)力和陰接頭端2、102的屈服應(yīng)力是91.4kgf/m2。
在圖9B中，示出了對(duì)比實(shí)施例中的陽(yáng)接頭端103的應(yīng)力分布。在內(nèi)肩部125處產(chǎn)生的壓應(yīng)力與在陽(yáng)接頭端103的外螺紋部133和內(nèi)螺紋部123的接合面的內(nèi)肩部側(cè)端處產(chǎn)生的直徑減小應(yīng)力互相結(jié)合。陽(yáng)接頭端頭部132的截面示出在陽(yáng)接頭端頭部132的所有區(qū)域產(chǎn)生大于屈服應(yīng)力的應(yīng)力。此外，在從陰接頭端接觸套筒122延伸到外螺紋部133和內(nèi)螺紋部123的接合面的外肩部側(cè)端的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生大于屈服應(yīng)力的應(yīng)力。
另一方面，在圖9A中，示出了實(shí)施例1中的陽(yáng)接頭端頭部長(zhǎng)度32為21mm的陽(yáng)接頭端3的應(yīng)力分布。即使施加與對(duì)比實(shí)施例中相同的扭矩，在與陽(yáng)接頭端頭部端部31配合的內(nèi)肩部25處產(chǎn)生的壓應(yīng)力不會(huì)干涉到在陽(yáng)接頭端3的外螺紋部33和內(nèi)螺紋部23的接合面的內(nèi)肩部側(cè)端處產(chǎn)生的直徑減小應(yīng)力。陽(yáng)接頭端頭部32的截面示出在陽(yáng)接頭端頭部32的所有區(qū)域內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)致屈服的應(yīng)力，即導(dǎo)致屈服的應(yīng)力部分地受到抑制。此外，導(dǎo)致屈服的應(yīng)力不在從陰接頭端接觸套筒22延伸到外螺紋部33和內(nèi)螺紋部23的接合面的外肩部側(cè)端的所有區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生，即導(dǎo)致屈服的應(yīng)力部分地受到抑制。
圖9A和9B中示出了產(chǎn)生從82.6gf/m2～91.8kgf/m2應(yīng)力的區(qū)域以及產(chǎn)生從73.4gf/m2～82.6kgf/m2應(yīng)力的區(qū)域，以作參考。另一方面，從圖中省去了在諸如內(nèi)螺紋部23、123或外螺紋部33、133的其它區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力分布。
如上所述，與對(duì)比實(shí)施例相比，實(shí)施例1的工具接頭可設(shè)置有更大的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，并且可在其上施加更高的扭矩。
工業(yè)實(shí)用性根據(jù)本發(fā)明的雙肩部工具接頭可用作用于鉆油井和氣井的鉆管的工具接頭，更具體地，適于在用于鉆延伸達(dá)10km的大位移井或水平井的鉆管中使用。
權(quán)利要求書(shū)(按照條約第19條的修改)1.一種雙肩部工具接頭，包括陽(yáng)接頭端，該陽(yáng)接頭端包括陽(yáng)接頭端外周部，其具有預(yù)定的外直徑；管內(nèi)周部，其具有預(yù)定的內(nèi)直徑；外肩部，其具有垂直于管軸線(xiàn)的配合面；陽(yáng)接頭端基部，其具有平行于所述管軸線(xiàn)的外周表面；外螺紋部，其相對(duì)于所述管軸線(xiàn)具有預(yù)定錐度；和陽(yáng)接頭端頭部，其具有在所述陽(yáng)接頭端頭部的整個(gè)長(zhǎng)度上平行于所述管軸線(xiàn)的外周表面及垂直于所述管軸線(xiàn)的配合面，所述外周表面包括梢部；以及陰接頭端，該陰接頭端包括陰接頭端外周部，其具有預(yù)定的外直徑；管內(nèi)周部，其具有預(yù)定的內(nèi)直徑；陰接頭端接觸套筒，其具有適于與所述外肩部的所述配合面相配合的配合面，及與所述陽(yáng)接頭端基部的所述外周表面相對(duì)應(yīng)并平行于所述管軸線(xiàn)的內(nèi)周表面；內(nèi)螺紋部，其通過(guò)螺紋接合到外螺紋部；陰接頭端端部套筒，其具有與所述陽(yáng)接頭端頭部的所述外周表面相對(duì)應(yīng)并平行于所述管軸線(xiàn)的內(nèi)周表面；和內(nèi)肩部，其具有適于與所述陽(yáng)接頭端頭部的所述配合面相配合并垂直于所述管軸線(xiàn)的配合面。
2.如權(quán)利要求1所述的雙肩部工具接頭，其中當(dāng)所述陰接頭端外周部或所述陽(yáng)接頭端外周部的外直徑為114.3mm～190.5mm并且所述陰接頭端或陽(yáng)接頭端的所述管內(nèi)周部的內(nèi)直徑為50.0mm～114.3mm時(shí)，所述陽(yáng)接頭端頭部的所述外周表面和所述陰接頭端端部套筒的所述內(nèi)周表面之間的間隙寬0.5mm～1.6mm。
3.如權(quán)利要求1所述的雙肩部工具接頭，其中
當(dāng)所述陰接頭端外周部或所述陽(yáng)接頭端外周部的外直徑為114.3mm～190.5mm并且所述陰接頭端或陽(yáng)接頭端的所述管內(nèi)周部的內(nèi)直徑為50.0mm～114.3mm時(shí)，所述陽(yáng)接頭端基部的所述外周表面和所述陰接頭端接觸套筒的所述內(nèi)周表面之間的間隙寬0.5mm～1.6mm。
4.如權(quán)利要求1所述的雙肩部工具接頭，其中當(dāng)所述陰接頭端外周部或所述陽(yáng)接頭端外周部的外直徑為114.3mm～190.5mm并且所述陰接頭端或陽(yáng)接頭端的管內(nèi)周部的內(nèi)直徑為50.0mm～114.3mm時(shí)，所述陽(yáng)接頭端頭部的長(zhǎng)度為12.7mm～38.1mm。
5.如權(quán)利要求1所述的雙肩部工具接頭，其中當(dāng)所述陰接頭端外周部或所述陽(yáng)接頭端外周部的外直徑為114.3mm～190.5mm并且所述陰接頭端或陽(yáng)接頭端的所述管內(nèi)周部的內(nèi)直徑為50.0mm～114.3mm時(shí)，所述陽(yáng)接頭端頭部的所述外周表面和所述陰接頭端端部套筒的所述內(nèi)周表面之間的間隙寬0.5mm～1.6mm，并且所述陽(yáng)接頭端頭部的長(zhǎng)度為12.7mm～38.1mm。
6.如權(quán)利要求1所述的雙肩部工具接頭，其中所述陽(yáng)接頭端頭部的所述外周表面和所述陰接頭端端部套筒的所述內(nèi)周表面之間的間隙基本上等于所述陽(yáng)接頭端基部的所述外周表面和所述陰接頭端接觸套筒的所述內(nèi)周表面之間的間隙。
7.一種雙肩部工具接頭，包括陽(yáng)接頭端，該陽(yáng)接頭端包括陽(yáng)接頭端外周部，其具有預(yù)定的外直徑；管內(nèi)周部，其具有預(yù)定的內(nèi)直徑；外肩部，其具有垂直于管軸線(xiàn)的配合面；陽(yáng)接頭端基部，其具有外周表面；外螺紋部，其相對(duì)于所述管軸線(xiàn)具有預(yù)定的錐度；和陽(yáng)接頭端頭部，在所述陽(yáng)接頭端頭部的整個(gè)長(zhǎng)度上平行于所述管軸線(xiàn)的外周表面及垂直于所述管軸線(xiàn)的配合面，所述外周表面包括梢部；以及陰接頭端，該陰接頭端包括陰接頭端外周部，其具有預(yù)定的外直徑；管內(nèi)周部，其具有預(yù)定的內(nèi)直徑；陰接頭端接觸套筒，其具有適于與所述外肩部的所述配合面相配合的配合面，及與所述陽(yáng)接頭端基部的所述外周表面相對(duì)應(yīng)的內(nèi)周表面，所述內(nèi)周表面的錐度小于所述內(nèi)螺紋部分的錐度；內(nèi)螺紋部，其通過(guò)螺紋接合到外螺紋部；陰接頭端端部套筒，其具有與所述陽(yáng)接頭端頭部的所述外周表面相對(duì)應(yīng)并平行于所述管軸線(xiàn)的內(nèi)周表面；和內(nèi)肩部，其具有適于與所述陽(yáng)接頭端頭部的所述配合面相配合并垂直于管軸線(xiàn)的配合面。
權(quán)利要求
1.一種雙肩部工具接頭，包括陽(yáng)接頭端，該陽(yáng)接頭端包括陽(yáng)接頭端外周部，其具有預(yù)定的外直徑；管內(nèi)周部，其具有預(yù)定的內(nèi)直徑；外肩部，其具有垂直于管軸線(xiàn)的配合面；陽(yáng)接頭端基部，其具有平行于所述管軸線(xiàn)的外周表面；外螺紋部，其相對(duì)于所述管軸線(xiàn)具有預(yù)定錐度；和陽(yáng)接頭端頭部，其具有平行于所述管軸線(xiàn)的外周表面及垂直于所述管軸線(xiàn)的配合面；以及陰接頭端，該陰接頭端包括陰接頭端外周部，其具有預(yù)定的外直徑；管內(nèi)周部，其具有預(yù)定的內(nèi)直徑；陰接頭端接觸套筒，其具有適于與所述外肩部的所述配合面相配合的配合面，及與所述陽(yáng)接頭端基部的所述外周表面相對(duì)應(yīng)并平行于所述管軸線(xiàn)的內(nèi)周表面；內(nèi)螺紋部，其通過(guò)螺紋接合到外螺紋部；陰接頭端端部套筒，其具有與所述陽(yáng)接頭端頭部的所述外周表面相對(duì)應(yīng)并平行于所述管軸線(xiàn)的內(nèi)周表面；和內(nèi)肩部，其具有適于與所述陽(yáng)接頭端頭部的所述配合面相配合并垂直于所述管軸線(xiàn)的配合面。
2.如權(quán)利要求1所述的雙肩部工具接頭，其中當(dāng)所述陰接頭端外周部或所述陽(yáng)接頭端外周部的外直徑為114.3mm～190.5mm并且所述陰接頭端或陽(yáng)接頭端的所述管內(nèi)周部的內(nèi)直徑為50.0mm～114.3mm時(shí)，所述陽(yáng)接頭端頭部的所述外周表面和所述陰接頭端端部套筒的所述內(nèi)周表面之間的間隙寬0.5mm～1.6mm。
3.如權(quán)利要求1所述的雙肩部工具接頭，其中當(dāng)所述陰接頭端外周部或所述陽(yáng)接頭端外周部的外直徑為114.3mm～190.5mm并且所述陰接頭端或陽(yáng)接頭端的所述管內(nèi)周部的內(nèi)直徑為50.0mm～114.3mm時(shí)，所述陽(yáng)接頭端基部的所述外周表面和所述陰接頭端接觸套筒的所述內(nèi)周表面之間的間隙寬0.5mm～1.6mm。
4.如權(quán)利要求1所述的雙肩部工具接頭，其中當(dāng)所述陰接頭端外周部或所述陽(yáng)接頭端外周部的外直徑為114.3mm～190.5mm并且所述陰接頭端或陽(yáng)接頭端的管內(nèi)周部的內(nèi)直徑為50.0mm～114.3mm時(shí)，所述陽(yáng)接頭端頭部的長(zhǎng)度為12.7mm～38.1mm。
5.一種雙肩部工具接頭，包括陽(yáng)接頭端，該陽(yáng)接頭端包括陽(yáng)接頭端外周部，其具有預(yù)定的外直徑；管內(nèi)周部，其具有預(yù)定的內(nèi)直徑；外肩部，其具有垂直于管軸線(xiàn)的配合面；陽(yáng)接頭端基部，其具有外周表面；外螺紋部，其相對(duì)于所述管軸線(xiàn)具有預(yù)定的錐度；和陽(yáng)接頭端頭部，其具有錐度小于所述外螺紋部的所述錐度的外周表面及垂直于所述管軸線(xiàn)的配合面；以及陰接頭端，該陰接頭端包括陰接頭端外周部，其具有預(yù)定的外直徑；管內(nèi)周部，其具有預(yù)定的內(nèi)直徑；陰接頭端接觸套筒，其具有適于與所述外肩部的所述配合面相配合的配合面及與所述陽(yáng)接頭端基部的所述外周表面相對(duì)應(yīng)的內(nèi)周表面；內(nèi)螺紋部，其通過(guò)螺紋接合到外螺紋部；陰接頭端端部套筒，其具有與所述陽(yáng)接頭端頭部的所述外周表面相對(duì)應(yīng)并平行于所述管軸線(xiàn)的內(nèi)周表面；和內(nèi)肩部，其具有適于與所述陽(yáng)接頭端頭部的所述配合面相配合并垂直于管軸線(xiàn)的配合面。
全文摘要
在用于鉆油井或氣井的鉆管上使用的工具接頭1。陽(yáng)接頭端3設(shè)置有外肩部35、具有平行于管軸線(xiàn)50的外周表面的陽(yáng)接頭端基部34、相對(duì)于管軸線(xiàn)50具有預(yù)定錐度的外螺紋部33、和具有平行于管軸線(xiàn)50的外周表面的陽(yáng)接頭端頭部32。陰接頭端2設(shè)置有具有平行于管軸線(xiàn)50的內(nèi)周表面的陰接頭端接觸套筒22、通過(guò)螺紋接合到外螺紋部33的內(nèi)螺紋部23、具有對(duì)應(yīng)于陽(yáng)接頭端頭部32的所述外周表面的內(nèi)周表面的陰接頭端端部套筒24、和內(nèi)肩部25。通過(guò)增加外肩部35和陰接頭端接觸套筒端部21之間的配合面以及內(nèi)肩部25和陽(yáng)接頭端頭部端部31之間的配合面的總和，實(shí)現(xiàn)更高的扭矩特性，且不降低操作性。
文檔編號(hào)E21B17/02GK1934386SQ20058000908
公開(kāi)日2007年3月21日 申請(qǐng)日期2005年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月31日
發(fā)明者松島順, 佐倉(cāng)弘持, 桑野岳志 申請(qǐng)人:Nkk鋼管株式會(huì)社