具有全密封结构的钻杆接头的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种具有全密封结构的钻杆接头，包括外螺纹接头和与之进行螺纹连接的内螺纹接头；所述内螺纹接头上的内螺纹接头主端面为具有倾角的圆环面，所述内螺纹端孔部为圆锥孔；所述外螺纹接头上的外台肩面为具有倾角的圆环面，外螺纹接头的锥管螺纹基部为椭圆弧面，该椭圆弧面的椭圆截面长半轴长度为b，椭圆弧面的椭圆截面短轴长度为2a，该短轴长度2a与长半轴长度b之比2a/b等于内螺纹端孔部的圆锥孔锥度。它不仅能有效提高螺纹钻杆接头的抗扭矩能力，而且密封面配合可靠，密封接触面积大、密封接触弹性形变稳定，密封严密的具有全密封结构的钻杆接头。十分适用于油气深井、超深井及复杂井的勘探与开采中。
【专利说明】具有全密封结构的钻杆接头
【技术领域】
[0001]本实用新型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钻杆连接接头。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]虽然上述的双台肩钻杆接头，改善了螺纹接头的受力状况，有利于在深井中的应用，但其密封性能仍取决于垂直轴心线的台肩平面上的接触应力，其密封性能受钻杆载荷状况尤其是轴向载荷状况的影响甚大，在深井作业中，钻杆内的液体压力巨大，其钻杆接头的密封性能极不可靠，很难避免钻杆液的泄漏。为此，业内又出现了一系列旨在改善双台肩螺纹接头密封性能的专利技术，如中国专利“金属球形密封双台肩石油钻杆接头”(专利号:201020178278.5)，它是在外螺纹接头端增加了环状球面密封面，在内螺纹接头内孔增加了锥面密封，以球面密封面与锥面密封的相互接触来实现密封，但这种密封面的接触应力仍依赖于内、外接头的相互位置和载荷状况，尤其是密封面变成锥面与环状球面的“线接触面”，密封接触面小，密封效果仍然极为有限。中国专利“曲面双台肩钻具接头”(专利号:201220608835.1)，则是将双台肩接头的主、副台肩接触面由平面改为曲面，从而增加接触面积，对密封性能虽有一定的改善，但其密封性能仍取决于轴向载荷和轴向接触应力。其它密封改进结构还有增加卡槽结构采用不同锥度的锥面结构等等。这些密封结构均存在接触面小，受钻杆载荷状况影响大，密封配合面接触弹性变形和接触应力小等不足，从而不能保证可靠的密封性能，尤其是深井或超深井作业中密封性能更加不理想。
实用新型内容
[0005]针对上述现有技术所存在的不足，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种不仅具有较高的螺纹钻杆接头的抗扭矩能力，而且密封面配合可靠，密封接触面积大、密封接触弹性形变稳定，密封严密的具有全密封结构的钻杆接头。
[0006]本实用新型的具有全密封结构的钻杆接头，包括外螺纹接头和与之进行螺纹连接的内螺纹接头；该外螺纹接头上设置有外台肩面和外螺纹前端面，在外台肩面至外螺纹前端面之间沿轴向依次设置有锥管螺纹基部、锥管外螺纹和外螺纹前端部；所述内螺纹接头上设置有内螺纹接头主端面和内台肩面，在该内螺纹接头主端面和内台肩面之间沿轴向依次设置有内螺纹端孔部、锥孔内螺纹和内螺纹基孔部；所述内螺纹接头上的内螺纹接头主端面为具有倾角的圆环面，所述内螺纹端孔部为圆锥孔；所述外螺纹接头上的外台肩面为具有倾角的圆环面，外螺纹接头的锥管螺纹基部为椭圆弧面，该椭圆弧面的椭圆截面长半轴长度为b,椭圆弧面的椭圆截面短轴长度为2a,该短轴长度2a与长半轴长度b之比2a/b等于内螺纹端孔部的圆锥孔锥度。
[0007]本实用新型提供的具有全密封结构的钻杆接头，在其内、外螺纹接头相互拧紧时，外台肩面和内螺纹接头主端面形成的主台肩首先相互接触，产生弹性变形，然后外螺纹前端部和内台肩面形成的副台肩再相互接触，这种结构由两个台肩共同分担台肩扭矩，更重要的是两个台肩面改变了接头的整体受力状况，促进扭矩和应力沿螺纹长度方向均匀分布，从而大大提高了整体接头的抗扭矩和承载能力；双台肩面的长度差而形成的先后结合，还在外螺纹接头和内螺纹接头的啮合螺纹段及其相邻区域产生了轴向预加载应力，使钻杆接头本体材料的抗拉压、抗弯曲及抗扭转强度得到充分利用，并充分发挥接头本体材料的弹性强度潜力，极大地增强了钻杆接头的抗扭矩和承载能力。更由于采用本实用新型结构后，外螺纹接头本体上的锥管螺纹基部为椭圆弧面，且其截面椭圆短轴长与长半轴长之比等于与之相配合的内螺纹端孔部锥孔的锥度，内、外螺纹接头的拧紧过程中，椭圆突起弧面与圆锥孔的锥孔面形成平缓狭长且与锥孔的锥度相适应的密封区域A，该密封区域密封接触面积大、密封接触弹性形变稳定，这种由过盈弹性变形形成的密封区域具有强大和稳定的密封接触应力。而且该密封区域A的接触应力仅取决于内、外螺纹接头间相互作用的径向力，并不依赖于钻杆的轴向紧定力和载荷状况，形成了严密、稳定可靠的全密封结构。还由于外螺纹接头本体上的外台肩面和内螺纹接头本体上的内螺纹接头主端面均为具有倾角的圆环面，该上台肩面和主端面的相互以倾斜面的接触贴合，又为椭圆弧密封面提供了强有力的径向接触应力，既确保了密封效果的可靠，又保证了接头结构安全稳定性。本实用新型通过其主要参数的选择优化，实现了螺纹接头可靠的全密封效果以及较高的抗扭矩和应力的能力。
[0008]本实用新型的一种优选实施方式，所述椭圆弧面的一截面长轴顶点与锥管外螺纹的最后一螺纹牙相邻，该椭圆弧面的一截面短轴顶点位于外台肩面上。该结构较好地实现了螺纹部和螺纹基孔部的过渡，有利于密封面的平滑和顺利配合，减少拧接结合阻力，而且结构合理，便于制作加工。
[0009]优选地，所述椭圆弧面的一截面长轴顶点位于锥管外螺纹的最后一螺纹牙尾端所在的横截面上，该横截面通过所述最后一螺纹牙尾端且垂直于外螺纹接头本体的轴心线。该结构更有利于密封面的平滑和顺利配合，并能有效保证加工精度。
[0010]优选地，所述内螺纹端孔部的圆锥孔锥度等于锥孔内螺纹的锥度。该结构便于加工、便于装配连接。
[0011]优选地，所述内螺纹端孔部的圆锥孔锥度和锥孔内螺纹的锥度为1:6或1:16。该螺纹锥度有利于实现标准化制作和批量化生产，也有利于配件在实际使用中的互换。
[0012]优选地，所述外台肩面的倾角α=10°?20° ;所述内螺纹接头主端面的倾角β=10°?20°。该外台肩面倾角和内螺纹接头主端面倾角大小既能增加接头间的密封效果，更能给弧形密封面提供稳定可靠的径向接触力，从而确保严密的密封效果。
[0013]优选地，所述外台肩面的倾角α大于或者等于内螺纹接头主端面的倾角β。该结构密封配合效果更加稳定，密封性能更优。
[0014]进一步地，锥管外螺纹和锥孔内螺纹为公制锥管螺纹或为英制锥管螺纹。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]下面结合附图和【具体实施方式】对本实用新型具有全密封结构的钻杆接头作详细说明。
[0016]图1是传统双台肩钻杆接头中外螺纹接头的结构示意图；
[0017]图2是传统双台肩钻杆接头中内螺纹接头的结构示意图；
[0018]图3是本实用新型具有全密封结构的钻杆接头的外螺纹接头和内螺纹接头连接位置的局部结构示意图；
[0019]图4是图3所示结构中I处的局部放大图；
[0020]图5是图3所示结构中II处的局部放大图；
[0021 ] 图中，I一外螺纹接头、2—外螺纹接头本体、3—外螺纹接头管腔、4一外台肩面、5—锥管螺纹基部、6—锥管外螺纹、61—后段外螺纹、62—外螺纹过渡部、63—前段外螺纹、
7—外螺纹前端部、8—外螺纹前端面、9 一内螺纹接头主端面、10—内螺纹端孔部、11 一锥孔内螺纹、111 一后段内螺纹、112—内螺纹过渡部、113—前段内螺纹、12—内螺纹基孔部、13—内台肩面、14一内螺纹接头、15—内螺纹接头本体、16—内螺纹接头管腔。
【具体实施方式】
[0022]双台肩钻杆接头均是由相互螺纹啮合连接的外螺纹接头I和内螺纹接头14组成。其外螺纹接头I的一端与一根钻杆一端固定连接，外螺纹接头I的另一端则通过连接螺纹与内螺纹接头14相连接，内螺纹接头14的另一端则与另一根钻杆固定连接，以此来完成各节钻杆的接长连接。
[0023]如图1所示，传统双台肩钻杆接头的的外螺纹接头I包括由锻件制成的外螺纹接头本体2，该外螺纹接头本体2大体呈短圆管结构，其轴心位置设置有外螺纹接头管腔3，用此与钻杆管孔相连通。外螺纹接头本体2的一端与钻杆固定连接端，另一端则为螺纹连接端。在外螺纹接头本体2上的螺纹连接端部分设置有外台肩面4和外螺纹前端面8 ;外台肩面4为垂直于本体轴线的圆环面，外螺纹前端面8则位于本体的鼻端处且也与本体轴线相垂直。在外台肩面4至外螺纹前端面8的外螺纹接头本体2上沿轴向依次设置锥管螺纹基部5、锥管外螺纹6和外螺纹前端部7。锥管螺纹基部5为一圆柱面，该圆柱面一端与外台肩面4相连，另一端与锥管外螺纹6的大端根部最后一螺纹来相连。外螺纹前端部7也为一圆柱面，它位于锥管外螺纹6小端最前一螺纹牙和外螺纹前端面8之间。锥管螺纹基部5的中心线、锥管外螺纹6所在圆台的中心线以及外螺纹前端部7的中心线均与外螺纹接头本体2的轴心线共线。锥管外螺纹6既可为公制锥管螺纹，也可为英制锥管螺纹，或美制锥管螺纹等常用锥管螺纹结构。
[0024]如图2所示，传统的内螺纹接头14也包括有由锻件制成的内螺纹接头本体15，内螺纹接头本体15也大体呈短圆管结构，其轴心位置设有内螺纹接头管腔16。内螺纹接头本体15的一端与钻杆固定连接，另一端为螺纹连接端。在该螺纹连接端部分设置有内螺纹接头主端面9，该内螺纹接头主端面9为垂直于本体中心线的圆环面，内螺纹接头本体15的该端为设有镗孔，镗口位置为内螺纹接头主端面9，镗孔的孔底为内台肩面13，该内台肩面13也为与本体轴线垂直的圆环面。在内螺纹接头主端面9至内台肩面13的内螺纹接头本体15上沿轴向依次设置有内螺纹端孔部10、锥孔内螺纹和内螺纹基孔部12。内螺纹端孔部10为一段圆柱孔，该圆柱孔一端与内螺纹接头主端面9相连，另一端与锥孔内螺纹11大端部最后一螺纹牙相连。内螺纹基孔部12也为一与本体轴线垂直的圆柱孔，它位于锥孔内螺纹11小端最前一螺纹牙与内台肩面13之间。内螺纹端孔部10、锥孔内螺纹11所在圆台，以及内螺纹基孔部12的中心线均与内螺纹接头本体15的中心线共线。同样与锥管外螺纹6相啮合的锥孔内螺纹11为公制、英制或美制锥管螺纹。
[0025]如图3、图4为本实用新型的具有全密封结构的钻杆接头，该钻杆接头的外螺纹接头本体2的轴心位置设有外螺纹接头管腔3，在外螺纹接头I的外螺纹接头本体2上设有外台肩面4和外螺纹前端面8，在外螺纹接头本体2上沿轴向依次为锥管螺纹基部5、锥管外螺纹6和外螺纹前端部7。外螺纹前端部7为一圆柱面，外螺纹前端面8为垂直于本体轴线的圆柱面，它位于外螺纹前端部7的鼻端；锥管外螺纹6采用锥管螺纹结构，其锥度为1: 6或1: 16，该螺纹锥度有利于实现标准化制作和批量化生产，也有利于配件在实际使用中的互换。外台肩面4为具有前倾角度的圆柱面，该外台肩面4与外螺纹接头本体2直径方向的倾角α应选择在10° — 20°之间，优先选择α=15°，该外台肩面4倾角和内螺纹接头主端面9倾角的配合既能增加接头间的密封效果，更能给弧形密封面提供稳定可靠的径向接触力，从而确保严密的密封效果。锥管螺纹基部5为非圆柱面而采用椭圆弧面，在通过外螺纹接头本体2轴线的截面上，该椭圆弧面的截面椭圆长半轴长度为b，椭圆弧面的截面短轴长度为2a，该截面上椭圆的一个长轴顶点位于锥管外螺纹6的最后一螺纹牙尾端所在的横截面上，该横截面通过所述最后一螺纹牙尾端且垂直于外螺纹接头本体2的轴心线，当然该长轴顶点也可以是在锥管外螺纹6最后一螺纹牙不超一螺距的相邻区域内。该椭圆弧面的截面椭圆的一个短轴顶点则位于倾斜的外台肩面4的根部。故而椭圆弧面在横截面上实际为四分之一椭圆。截面椭圆短轴长度为2a，截面椭圆长半轴长度为b，该短轴长度2a与长半轴长度b之比2a: b等于内螺纹端孔部10的圆锥孔锥度。
[0026]如图3、图5所示，内螺纹接头14的内螺纹接头本体15轴心位置设有内螺纹接头管腔16。在内螺纹接头本体15上还设置有内螺纹接头主端面9和内台肩面13，在该内螺纹接头主端面9和内台肩面13之间沿轴向依次设置有内螺纹端孔部10、锥孔内螺纹11和内螺纹基孔部12。上述的内螺纹接头主端面9为具有倾角的圆柱面，该内螺纹接头主端面9与内螺纹接头本体15的直径方向的倾角β =10°?20°之间，优先选择β =15°。内螺纹端孔部10为圆锥孔，该圆锥孔锥度与外螺纹接头I的锥管螺纹基部5的截面椭圆结构参数相关联，即椭圆2a: b等于该圆锥孔锥度。优选地内螺纹端孔部10的圆锥孔锥度等于锥孔内螺纹11的锥度，当然两者也可以采用不同的锥度。为了增强内、外螺纹接头的接合效果，可以使外台肩面4的倾角α大于内螺纹接头主端面9的倾角β，如采用α=16°，β=15°
坐坐寸寸ο
[0027]当外螺纹接头I与内螺纹接头14相互拧紧时，锥管外螺纹6与锥孔内螺纹11相互旋接，使得外台肩面4和内螺纹接头主端面9首先相互接触，由于外台肩面4和内螺纹接头主端面9具有朝向相同的倾角，从而使内螺纹接头14的鼻端部卡插进外台肩面4与锥管螺纹基部5之间，这种结构能加大内螺纹端孔部10与锥管螺纹基部5间的径向力。在连接螺纹的继续作用下，内、外螺纹接头的接合部产生弹性变形，然后外螺纹前端面8和内台肩面13又相互接触，从而产生轴预载荷。在此过程中，内螺纹端孔部10的圆锥孔面逐渐与锥管螺纹基部5的椭圆弧面相接触并产生弹性变形区域Α。如图4所示，形成的弹性变形密封区域Α，由于椭圆2a: b等于内螺纹端孔部10圆锥孔的锥度，拧紧过程中，内、外螺纹接头能够形成平缓狭长的密封区域A，该密封区域A的接触应力主要沿着径向分布而不受轴向载荷的影响，而且这种结构形式容易形成较长的沿轴向的密封接触面和平缓狭长的弹性密封区域，达到严密、可靠的全密封效果。
[0028]上述仅举出了本实用新型一些优选的实施方式，显然本实用新型并不局限于此，本领域的技术人员在不违背本实用新型基本原理的情况下，还可以作出很多的改进和变形，这些改进和变形均应视为落入本实用新型的保护范围内。
【权利要求】
1.一种具有全密封结构的钻杆接头，包括外螺纹接头(I)和与之进行螺纹连接的内螺纹接头(14);该外螺纹接头(I)上设置有外台肩面(4)和外螺纹前端面(8)，在外台肩面(4)至外螺纹前端面(8)之间沿轴向依次设置有锥管螺纹基部(5)、锥管外螺纹(6)和外螺纹前端部(7);所述内螺纹接头(14)上设置有内螺纹接头主端面(9)和内台肩面(13)，在该内螺纹接头主端面(9)和内台肩面(13)之间沿轴向依次设置有内螺纹端孔部(10)、锥孔内螺纹(11)和内螺纹基孔部(12);其特征在于:所述内螺纹接头(14)上的内螺纹接头主端面(9)为具有倾角的圆环面，所述内螺纹端孔部(10)为圆锥孔；所述外螺纹接头(I)上的外台肩面(4)为具有倾角的圆环面，外螺纹接头(I)的锥管螺纹基部(5)为椭圆弧面，该椭圆弧面的椭圆截面长半轴长度为b，椭圆弧面的椭圆截面短轴长度为2a，该短轴长度2a与长半轴长度b之比2a/b等于内螺纹端孔部(10)的圆锥孔锥度。
2.根据权利要求1所述的具有全密封结构的钻杆接头，其特征在于:所述椭圆弧面的一截面长轴顶点与锥管外螺纹(6)的最后一螺纹牙相邻，该椭圆弧面的一截面短轴顶点位于外台肩面(4)上。
3.根据权利要求2所述的具有全密封结构的钻杆接头，其特征在于:所述椭圆弧面的一截面长轴顶点位于锥管外螺纹(6)的最后一螺纹牙尾端所在的横截面上，该横截面通过所述最后一螺纹牙尾端且垂直于外螺纹接头本体(2)的轴心线。
4.根据权利要求1或2所述的具有全密封结构的钻杆接头，其特征在于:所述内螺纹端孔部(10)的圆锥孔锥度等于锥孔内螺纹(11)的锥度。
5.根据权利要求4所述的具有全密封结构的钻杆接头，其特征在于:所述内螺纹端孔部(10)的圆锥孔锥度和锥孔内螺纹(11)的锥度为1:6或1:16。
6.根据权利要求1所述的具有全密封结构的钻杆接头，其特征在于:所述外台肩面(4)的倾角α=10°?20° ;所述内螺纹接头主端面(9)的倾角β=10°?20°。
7.根据权利要求1或5所述的具有全密封结构的钻杆接头，其特征在于:所述外台肩面(4)的倾角α大于或者等于内螺纹接头主端面(9)的倾角β。
8.根据权利要求1所述的具有全密封结构的钻杆接头，其特征在于:锥管外螺纹(6)和锥孔内螺纹(11)为公制锥管螺纹或为英制锥管螺纹。
【文档编号】E21B17/042GK203978319SQ201420405423
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年7月22日 优先权日:2014年7月22日
【发明者】赵钧羡, 崔一洲, 王所根, 丁跃翔, 孙奉存, 沈笑宇 申请人:江苏和信石油机械有限公司