抗卡住的钻柱组件的制作方法
【专利说明】抗卡住的钻柱组件
[0001]发明背景发明领域
[0002]本发明的方面总体上涉及用于钻井的组件和系统。特别而言，本发明的多个方面涉及在上紧期间抗卡住的钻井组件。
[0003]相关技术
[0004]螺纹连接早已为人所熟知，并且螺纹提供的显著优点在于，螺纹的螺旋结构可将旋转运动和力转换为直线运动和力。螺纹存在于许多类型的元件上，且可用于无限的应用和行业中。举例来说，螺纹对于螺钉、螺栓和其它类型的机械紧固件是必要的，所述螺纹可与表面接合(例如，在螺钉的情况下)，或结合螺母使用(例如，在螺栓的情况下)以将多个元件保持在一起、向元件施加力，或用于任何其它合适的目的。拧螺纹在元件以机械方式被紧固在一起的几乎任何行业中也是常见的。举例来说，在管道工程应用中，管道用于在压力下输送液体或气体。管道可具有与邻接的管道、插头、转接器、连接件，或其它结构的相应螺纹配合的螺纹端。螺纹可用于形成流体紧密密封以防止连接部位处发生流体泄漏。
[0005]油田、勘探以及其它钻井技术也广泛使用螺纹。举例来说，在挖井时，可将套管元件放置在井内。套管一般具有固定长度，且多个套管彼此固定以便产生所需高度的套管。可使用套管相对端处的螺纹将套管连接在一起。类似地，由于钻井元件用于形成井或在井内部放置物体，因此可使用钻杆或其它类似装置。在井非常的深度足够大的情况下，可将多个钻杆连接在一起，使用钻杆相对端处的配合螺纹可有助于此。通常，钻杆和套管非常大，并且机器会施加很大力以便将杆或套管拧在一起。
[0006]已做出了巨大努力来使螺纹标准化，并且已制定了多种螺纹标准以允许不同制造商生产可互换零件。举例来说，示例性标准化方案包括统一螺纹标准(UTS)、英国标准惠氏螺纹(BSW)、英国标准锥管螺纹(BSPT)、国家管螺纹锥形螺纹(NPT)、国际标准化组织(ISO)公制螺纹、美国石油协会(API)螺纹，以及许多其它螺纹标准化方案。
[0007]虽然在将不同制造商的组件匹配在一起时标准化允许更大的可预测性和互换性，但标准化也降低了螺纹设计的创新量。相反，可使用现有的横截面形状(或螺纹牙型)以及螺纹导程、螺距和多个螺纹头的不同组合来产生螺纹。具体而言，导程是指沿完整旋转所覆盖的轴线的直线距离。螺距是指从一条螺纹的牙顶至下一条螺纹的牙顶的距离，且螺纹头是指缠绕在螺纹紧固件的圆柱上的螺纹头数或脊。单头连接件是最常见的，且包括缠绕在紧固件主体上的单脊。双头连接件包括缠绕在紧固件主体上的两条脊。每英寸螺纹也是螺纹规格要素，但与螺纹导程、螺距和螺纹头直接相关。
[0008]虽然现有的螺纹和螺纹牙型适合许多应用，但需要在其它领域继续改进。举例来说，在高扭矩、大功率和/或高速的应用中，现有的螺纹设计本身容易卡住。卡住是螺纹头与配合螺纹之间的异常相互作用，这使得在单圈行程中，一条螺纹部分地从另一条螺纹下方穿过，从而与其彼此楔入。卡住在螺纹连接件逐渐成锥形的位置处可尤其常见。
[0009]在锥形螺纹中，公组件和母组件的相对端可具有不同尺寸。举例来说，公螺纹组件可逐渐成锥形，且其尺寸随着与端部距离的增大而逐渐增大。为了适应尺寸的增大，母螺纹在端部处可更大。锥形螺纹的尺寸的不同还使得锥形螺纹尤其易于卡住，卡住也称为错扣。锥形螺纹或其它螺纹的错扣可导致螺纹和/或包括螺纹的组件严重损坏。螺纹损坏会需要更换螺纹组件，导致连接弱化，降低组件之间的密封的流体紧密特性，或具有其它影响，或上述的任何组合。
[0010]例如，尾型螺纹头具有带有接合锥度的牙顶。如果公组件和母组件一起移动而不旋转，那么尾部牙顶可楔在一起。如果旋转，那么当基于尾部的相对对准而进给时，尾部牙顶还是会楔入。具体而言，由于螺纹尾部通常约为圆周长度的一半，并且由于螺纹具有接合锥度，所以只有不到各自的公组件和母组件的圆周的一半，从而提供用于拧入而无楔入的旋转定位。在较大的进给力和旋转力用于使相应组件配合的应用中，这种定位要求可能特别难以实现。举例来说，在钻井行业中，在进行自动取芯杆连接时，设备可以足够的力来操作，这使得卡住、楔入，或错扣也时常发生。
[0011]此外，当将偏心对准的公组件和母组件接合时，尾型连接也可易于发生错扣、卡住以及楔入。因此，当公组件和母组件被进给而不旋转时，尾部可楔入配合螺纹中。在旋转时，尾部也可楔入配合螺纹中。楔入可减少，但在拧入时机(例如，将尾部的尖端配合到与配合尾部相邻的开口中)之后，楔入仍可发生，这是由于错过了拧入时机和未对准。偏心螺纹可构造为使得公组件尾部中间的牙顶具有相对于母螺纹牙顶而言相等或对应的几何形状。
[0012]如上所述，具有尾型螺纹头的螺纹连接件可尤其易于发生螺纹卡住、错扣、楔入、接头咬住等。此类困难在某些行业(诸如关于取芯钻杆的设计)中可尤其普遍。螺纹头提供公螺纹或母螺纹的前端(或第一端)，并且与配合螺纹的前端(或第一端)配合以进行杆连接或其它连接。如果尾型螺纹头卡住、楔入、错扣等，可能需要将杆从钻场移除，且可需要校正，这需要停止钻井生产。
[0013]此外，钻杆通常使用锥形螺纹，其也易于发生错扣问题。由于取芯杆可具有锥形螺纹，公螺纹头尾部的直径可小于母螺纹头尾部的直径。因此，每个螺纹头处可以是过渡性几何形状，从锪平面过渡至全螺纹轮廓。由于螺纹头和过渡性几何形状的尺寸可与母螺纹的尺寸不同，因此过渡性几何形状和螺纹头可异常配合并彼此楔入。
[0014]如果尾部具有足够的锥度，那么公螺纹头与母螺纹头之间可具有一些间隙，诸如尾部中间的几何形状与母螺纹的几何形状对应处。然而，螺纹头的过渡性几何形状可仍与超出螺纹头的螺纹圈异常地相互作用(通常在配合螺纹牙顶的后续圈处)，从而也导致卡住、错扣、楔入等。因此，尾部的存在通常充当配合尾部的楔子，从而增加了螺纹卡住的机会和可能性。
[0015]在某些应用(诸如，与钻机相关的应用)中，可组合多个钻杆、套管等。随着加入更多的杆或套管，由于楔入或错扣所致的干扰可变得更大。事实上，利用足够的动力(例如，在组合时使用钻机的液压动力)，可损坏杆接头。在钻井应用中，由于由许多钻杆接头设计所决定的匹配过盈配合或轻微间隙配合，取芯杆还经常具有粗螺纹，其宽平螺纹牙顶与配合牙顶平行。螺纹尾部与粗锥形螺纹上的平坦平行螺纹牙顶的组合使得错扣相互作用的可能性甚至更大，否则其它应用中可不会出现错扣相互作用。
[0016]尾型螺纹设计的局限性通常是由现有机械加工车床的局限性引起的。具体而言，螺纹通常由旋转式机械加工车床进行切削，旋转式机械加工车床仅可随着零件的旋转逐渐地改变螺纹的高度或深度。因此，螺纹一般形成以包括具有几何形状的尾部，且尾部与螺纹头的其它部分相同或相似。举例来说，除此之外，在加工期间，传统车床不能对旋转零件施加从锪平面至全螺纹轮廓的陡然垂直或近乎垂直的转变。还要求逐渐改变以除去材料的尖锐、部分特征边缘，所述边缘在螺纹的细长导程或螺旋角与被切削材料的相遇处形成。
[0017]因此，传统螺纹的缺点在钻井组件上可加重。具体而言，由于许多钻柱的长度和重量，钻柱组件的接头可要求具有高张力负载能力的接头。此外，由于同一钻柱组件在钻井期间可多次安装并从钻柱上移除，因此接头常常需要承受多次上卸扣。类似地，在其使用寿命期间，钻柱组件可重复使用多次。许多钻井行业(诸如，勘探钻井)要求使用薄壁钻柱组件的事实更加重了这些问题。这种钻柱组件的薄壁构造可限制螺纹的几何形状。
[0018]因此，需要减少卡住和错扣的改进螺纹设计。
发明概要
[0019]本发明的一个或多个方面利用有效且高效地形成螺纹接头的钻井组件、工具以及系统克服了本领域中的一个或多个上述或其它问题。例如，本发明的一个或多个方面包括抗卡住和错扣的钻柱组件。这种钻柱组件可减少或消除由卡住和错扣所致的螺纹损坏。具体而言，一个或多个方面包括具有螺纹的钻柱组件，螺纹带有前端或螺纹头，所述前端或螺纹头相对于钻柱组件的中心轴线以锐角定向。此外或替代地，螺纹的前端可提供至全螺纹深度和/或宽度的陡然转变。
[0020]例如，抗卡住和错扣的螺纹钻柱组件的一个方面包括中空主体，其具有第一端、相对的第二端和延伸穿过中空主体的中心轴线。钻柱组件还包括定位在中空主体第一端的螺纹。螺纹包括沿中空主体的第一端延伸的多个螺旋圈。螺纹具有螺纹深度和螺纹宽度。螺纹包括紧邻中空主体的第一端的前端。螺纹的前端相对于中空主体的中心轴线以锐角定向。在一个示例性方面，螺纹的前端面向螺纹的相邻圈。可选择地，在另一方面，螺纹的前端面向中空主体的第一端。
[0021]此外，抗卡住和错扣的螺纹钻柱组件的另一方面包括主体、套接端、相对的销接端和延伸通过主体的中心轴线。钻柱组件还包括定位在主体套接端的母螺纹。母螺纹具有深度和宽度。此外，钻柱组件还包括定位在主体的销接端的公螺纹。公螺纹具有深度和宽度。母螺纹和公螺纹中的每个均包括前端。母螺纹和公螺纹中