用于油气工业中的管和其他管状物品的高性能肩部环的制作方法

本发明涉及带螺纹的连接件和联接的连接件，该带螺纹的连接件和联接的连接件使用扭矩环或联接肩部以增加和保持扭转能力并控制所述连接内的应力。

背景技术：

1、在将井钻到所需深度之后，通常在井中安装称为“套管”的大直径且相对重的管。在安装过程中，此类套管通常以通常称为“接头”的基本相等长度的多个分开的区段插入预先钻好的井筒中。通常在每一端包括带螺纹的连接件的接头通常在地表(通常来自钻机)以端对端的取向轴向连接，以便形成向下到达井中的基本上连续的“管柱”。在套管安装在井筒内之后，管柱通常用水泥固定就位。

2、除了套管之外，用于钻探、完井和维护地下井筒的钻杆和其他管状物品也通常使用带螺纹的连接件以端对端的取向连接在一起。这些带螺纹的连接件中的许多尤其是与套管和某些类型的管路一起使用的带螺纹的连接件具有不带肩部的锥形螺纹。通常，此类连接采用安装在相邻管接头之间的内部地带螺纹的联接件，以便将两个外部地带螺纹的管段链接或连接在一起；在“装配”或连接过程中，通常向管接头施加特定或预定量的扭力，以便使所述管接头的带螺纹的连接件与联接件的带螺纹的连接件配合。

3、此类联接件通常具有比被连接的相邻管接头的外径稍大的外径。此外，此类联接件通常具有相对的锥形母扣螺纹，该锥形母扣螺纹设计成接纳待接合的管段的带螺纹的端(通常称为“销”)。当连接在一起时，此类带螺纹的联接件在结构上将相邻的管段串联地固定在一起，并在所述连接的管段之间形成流体压力密封。

4、在许多情况下，扭力被施加到组装的管柱上，同时此类管柱至少部分地设置在井筒内，诸如，以在所述井筒内旋转所述管柱。通常，此类地下井筒可能至少在一定程度上包括与真实垂直路径的偏离，这可能导致在地面上施加额外的扭矩，以便将此类扭矩力传递到井筒的底部。结果，施加到管柱上的此类扭力有时会超过“装配”或带螺纹的连接件在一起所需的规格扭矩。在此类情况下，过大的扭矩力还可以驱动销螺纹进入联接件的带螺纹的连接件。因此，需要允许联接件接受更多的扭矩而不需要螺纹的进一步运行。

5、油气工业经常采用浮动肩部环，以便增加采用带螺纹的联接件的带螺纹的连接件的扭矩容量。此类浮动肩部环通常容纳在带螺纹的联接件的内孔中，并且与它们安装到其中的联接件相比相对较小。在功能上，浮动肩部环安装在相邻管接头的两个相对销(带螺纹的端)之间的联接件的中心孔内，在通常称为“j形空间”的区域内。在美国专利第8,091,930号中详细描述了此类浮动肩部环和联接件，该专利出于所有目的通过引用并入本文作为参考。

6、先前，几乎不需要以比其组装扭矩(即，将带螺纹的接头添加到现有管柱所需的扭矩)更大的扭矩来旋转套管柱；然而，现在正在将侧向井钻入相对薄的页岩地层中以生产气体和油。需要旋转组装的管柱以使组装的管柱跨过从井的竖直区段到井的侧向区段的弯曲；通常，这需要向组装的管柱施加比组装扭矩更大的扭矩力。此外，为了将组装后的管柱“推”在井筒内，经常向组装后的管柱施加轴向力，这增加了弯曲内侧上的轴向应力。因此，需要增加套管带螺纹的连接件能够承受的轴向压缩力而不会泄漏或损坏。

7、如上所述，在套管上使用的许多带螺纹的连接件不使用联接肩部以保持成本效益，这不留下肩部邻接销的端部以增加扭矩。在此类情况下，所述扭矩环已被插入到管接头的相对端之间的联接件内，以接触并增加连接件可承受的扭矩。

8、类似地，管路连接经常用于反复进出井筒。为了钻出井筒内的腐蚀管、封隔器或其他障碍物，使用昂贵的管路连接，诸如带螺纹的连接件到管端的外加厚部上的连接。可能需要在更换的生产管柱可以开始重新流动之前多次进出井进行返工，并且此类操作要求具有增强的扭矩和密封性的可靠连接。因此，需要增加管连接的机械能力，同时降低成本以保持成本效益。

9、由于变化的公差或使用所使用的管柱，与联接件的“铣削端”相比，联接件的“场端”之间可能存在显著的变化。在铣削端销具有比其场端对应部分更高的直径干涉的情况下，铣削端销将建立高的环向应力，并且场端将开始产生销前端以获得规定的扭矩。相反，当铣削端销松动时，它将倾向于产生销前端以获得规定的扭矩，并且场端将增大高的环向应力。

10、在松销的情况下，其中螺纹不能提供足够的扭转阻力，销前端处于压缩状态，即使在达到理论肩部扭矩之前。因此，在达到其预期的总扭矩之前，连接将在销前端处开始弯曲。销前端弯曲的一侧将由于应力预加载而降低螺纹的扭转阻力和剪切强度；此外，螺纹将不能产生它们的潜在扭矩，结果，总扭矩将以等于减小的肩部扭矩的量减小。

11、适当尺寸的扭矩环可以放置在具有足够厚度的铣削端鼻部处，以允许场端销基于场销和联接螺纹之间的径向干涉而具有适当的间隙，从而平衡连接内的环向应力。

12、每当管路连接被装配和断裂时，带螺纹的构件经历一些塑性变形并且带螺纹的表面开始磨损。这减小了母扣构件和销构件之间的径向干涉，并且最终减小了连接件能够承受的扭力。当扭矩环插入到j形空间中时，从连接装配损失之后开始的联接件或母扣的中间长度区域，如从每个联接件端部测量的，由于销面和环面之间的接触，总扭转容量增加。由于环起到阻挡销进一步进入到母扣中的屏障的作用，由于螺纹的塑性弯曲和磨损，每个连续的装配降低了肩部扭矩。如果销在到达扭矩环之前能够进一步行进到连接件中预定量，则能够维持更高的肩部扭矩，即源自螺纹干涉的那些扭矩。

13、如本文所述的扭矩环的使用包括通过销面和环面之间的受控轴承负载来增强带螺纹的连接件的密封性。由于扭矩环的尺寸适于优化端面的横截面积，销端面和环端面之间的支承压力将超过管的内部额定压力，从而提供可靠的密封表面。该特征还提供了防止螺纹腐蚀和螺纹冲蚀的保护。通过销面和环面之间的邻接而提供的平滑孔增加了孔内的流动，并且所述面之间的支承负载减小了总弯曲应力。

14、因此，需要一种坚固的肩部环，该肩部环能够在结构上支撑施加到带螺纹的管连接件，特别是联接的带螺纹的管连接件上的扭力。

技术实现思路

1、在一个方面，本发明可以包括一种联接的管连接系统，该联接的管连接系统包括：具有贯穿其中的孔的联接件，该孔界定具有被设置在该联接件的相反端上的多个呈锥形的内螺纹，并且朝向该联接件的中心部分呈锥形的内表面，其中该联接件的内径小于该联接件在其相反端处的内径；具有第一销的第一管，该第一管具有内圆柱形表面和外圆柱形表面，该外圆柱形表面包括围绕其设置的多个锥形外螺纹，该第一管上的锥形外螺纹与该联接件的左铣削侧上的锥形内螺纹螺纹接合；具有第二销的第二管，该第一管具有内圆柱形表面和外圆柱形表面，该外圆柱形表面包括围绕其设置的多个锥形外螺纹，该第二管上的锥形外螺纹与该联接件的右场侧上的该锥形内螺纹螺纹接合；以及设置在该联接件内并且在该第一销与该第二销之间的扭矩环，该扭矩环具有内圆柱形表面、外圆柱形表面和外锥形带螺纹的表面，该外锥形带螺纹的表面具有多个锥形螺纹，这些锥形螺纹与该联接件的内螺纹的中间长度轴向区段相接合并且呈锥形以便适配该内螺纹的中间长度轴向区段。本发明该方面的另一个特征可以是第一销、第二销和扭矩环的内径基本上相等。本发明的该方面的另一特征可以是第一销、第二销和扭矩环同轴对准，使得扭矩环、第一管和第二管的内圆柱形表面在连接系统内形成连续的内圆柱形表面。本发明的该方面的另一特征可以是扭矩环上的锥形螺纹的大直径邻近扭矩环的场端面，并且扭矩环的场端面与第二销的场端面接触。本发明的该方面的另一个特征可以是扭矩环与联接件的中间长度轴向区段径向地且轴向地居中定位。本发明的该方面的另一特征可以是扭矩环的外表面上的每个螺纹的轴向长度小于第一销和第二销上的每个外螺纹的轴向长度。本发明的该方面的另一特征可以是扭矩环的外表面上的螺纹被截去。本发明的该方面的另一特征可以是扭矩环包括朝向扭矩环的中心外径形成的至少一个斜面。本发明的该方面的另一个特征可以是该扭矩环包括远离该扭矩环的中心外径形成的至少一个斜面。本发明的该方面的另一特征可以是扭矩环的每个相对面包括平坦面区段和从平坦面区段向下延伸并远离扭矩环的中心内径的倾斜的表面，以形成适于与第一管和第二管的内圆柱形表面上的相应内倒角接合的相对的第一倾斜的表面和第二倾斜的表面。本发明的该方面的另一特征可以是扭矩环的每个相对面包括平坦面区段和倾斜的表面，该斜面从平坦面区段向上延伸并远离扭矩环的中心外径以形成适于与第一管和第二管的外圆柱形表面上的相应外倒角接合的相对的第一倾斜的表面和第二倾斜的表面。

2、在另一方面，本发明可以包括一种联接的管连接系统，该管连接系统包括可互换的扭矩环，这些扭矩环包括：具有贯穿其中的孔的联接件，该孔界定具有被设置在该联接件的相反端上的多个呈锥形的内螺纹，并且朝向该联接件的中心部分呈锥形的内表面，其中该联接件的内径小于该联接件在其相反端处的内径；具有第一销的第一管，该第一管具有内圆柱形表面和外圆柱形表面，该外圆柱形表面包括围绕其设置的多个外螺纹，该第一管上的外螺纹与该联接件的左铣削侧上的内螺纹螺纹接合；具有第二销的第二管，该第一管具有内圆柱形表面和外圆柱形表面，该外圆柱形表面包括围绕其设置的多个外螺纹，该第二管上的这些外螺纹与该联接件的右场侧上的这些内螺纹螺纹地接合；以及至少第一扭矩环和第二扭矩环，这些扭矩环中的每一者被适配成按顺序设置在该联接件内并且在该第一销与该第二销之间，每个扭矩环具有内圆柱形表面和外圆柱形表面，每个扭矩环的外圆柱形表面的至少一部分包括多个螺纹，这些螺纹与该联接件的内螺纹的中间长度轴向区段相接合并且其尺寸被确定成适配该内螺纹的中间长度轴向区段，该中间长度轴向区段具有j形空间长度，该第一扭矩环具有不大于该j形空间长度的轴向长度，并且该第二扭矩环的轴向长度小于该第一扭矩环的轴向长度。本发明的该方面的另一个特征可以是扭矩环的外圆柱形表面上的螺纹是部分地延伸跨过扭矩环的轴向长度的圆柱形螺纹。本发明的该方面的另一个特征可以是扭矩环的外圆柱形表面上的螺纹是完全延伸跨过扭矩环的轴向长度的圆柱形螺纹。本发明的该方面的另一特征可以是扭矩环的外圆柱形表面上的螺纹是部分地延伸跨过扭矩环的轴向长度的锥形螺纹。本发明的该方面的另一特征可以是第一扭矩环和第二扭矩环中的每一者同时设置在联接件内并在第一销和第二销之间。本发明的该方面的另一特征可以是扭矩环的外表面上的每个螺纹的轴向长度小于第一销和第二销上的每个外螺纹的轴向长度。本发明的该方面的另一特征可以是扭矩环的外表面上的螺纹被截去。本发明的该方面的另一特征可以是扭矩环包括朝向扭矩环的中心外径形成的至少一个斜面。本发明的该方面的另一个特征可以是该扭矩环包括远离该扭矩环的中心外径形成的至少一个斜面。本发明的该方面的另一特征可以是扭矩环的每个相对面包括平坦面区段和从平坦面区段向下延伸并远离扭矩环的中心内径的倾斜的表面，以形成适于与第一管和第二管的内圆柱形表面上的相应内倒角接合的相对的第一倾斜的表面和第二倾斜的表面。本发明的该方面的另一特征可以是扭矩环的每个相对面包括平坦面区段和倾斜的表面，该斜面从平坦面区段向上延伸并远离扭矩环的中心外径以形成适于与第一管和第二管的外圆柱形表面上的相应外倒角接合的相对的第一倾斜的表面和第二倾斜的表面。

3、在又一方面，本发明可以包括一种联接的管连接系统，该管连接系统包括可互换的联接件，这些联接件包括：被适配成按顺序用作该联接的管连接系统的一部分的至少一个第一联接件和第二联接，每个联接件具有贯穿其中的孔，该孔界定具有居中设置的内肩部的内表面，每个联接件包括设置在该肩部的左侧上的第一多个锥形内螺纹以及设置在该肩部的右侧上的第二多个锥形内螺纹，该第一联接件的内肩部具有第一轴向长度，该第二联接件的内肩部具有小于第一轴向长度的第二轴向长度；具有第一销的第一管，该第一管具有内圆柱形表面和外圆柱形表面，该外圆柱形表面包括围绕其设置的多个外螺纹，该第一管上的这些外螺纹与该第一联接件和该第二联接件中的一者上的第一多个锥形内螺纹以螺纹方式并且按顺序接合；以及具有第二销的第二管，该第一管具有内圆柱形表面和外圆柱形表面，该外圆柱形表面包括围绕其设置的多个外螺纹，该第二管上的外螺纹与该第一联接件和该第二联接件中的一者上的第一多个锥形内螺纹螺纹地且按顺序接合。

4、在又一方面，本发明可以包括一种联接的管连接系统，该联接的管连接系统包括：具有第一销的一个第一管，该第一销具有内圆柱形表面和外圆柱形表面，该外圆柱形表面包括围绕其设置的多个外螺纹；具有外加厚母扣和主体的第二管，该外加厚母扣包括内部环形表面，该内部环形表面具有设置在其中的多个锥形母扣螺纹，该内部环形表面终止于环形邻接件，该环形邻接件将该外加厚母扣的该内部环形表面接合到该主体内的主圆柱形孔，该第一管上的该多个外螺纹以螺纹方式接合到该锥形母扣螺纹；以及设置在该外加厚母扣内并且在该第一管的远端和该第二管内的该环形邻接件之间的至少一个扭矩环，每个扭矩环具有内圆柱形表面，外圆柱形表面和外部带螺纹的表面，该外圆柱形表面的至少一部分包括与该母扣螺纹接合的多个锥形螺纹。本发明的该方面的另一个特征可以是销、第二管和扭矩环的内径相等。本发明的该方面的另一特征可以是第一销、第二管和扭矩环同轴对准，使得扭矩环、第一销和第二管的内圆柱形表面在连接系统内形成连续的内圆柱形表面。本发明的该方面的另一特征可以是扭矩环的外表面上的每个螺纹的轴向长度小于第一销上的每个外螺纹的轴向长度。本发明的该方面的另一个特征可以是扭矩环的外圆柱形表面上的螺纹是部分地延伸跨过扭矩环的轴向长度的圆柱形螺纹。本发明的该方面的另一个特征可以是扭矩环的外圆柱形表面上的螺纹是完全延伸跨过扭矩环的轴向长度的圆柱形螺纹。本发明的该方面的另一特征可以是扭矩环的外表面上的螺纹被截去。本发明的该方面的另一特征可以是扭矩环包括朝向扭矩环的中心外径形成的至少一个斜面。本发明的该方面的另一个特征可以是该扭矩环包括远离该扭矩环的中心外径形成的至少一个斜面。本发明的该方面的另一特征可以是扭矩环的每个相对面包括平坦面区段和从平坦面区段向下延伸并远离扭矩环的中心内径的倾斜的表面，以形成适于与第一管和第二管的内圆柱形表面上的相应内倒角接合的相对的第一倾斜的表面和第二倾斜的表面。本发明的该方面的另一特征可以是扭矩环的每个相对面包括平坦面区段和倾斜的表面，该斜面从平坦面区段向上延伸并远离扭矩环的中心外径以形成适于与第一管和第二管的外圆柱形表面上的相应外倒角接合的相对的第一倾斜的表面和第二倾斜的表面。

5、通过下面的讨论和详细描述，本发明的其他特征、方面和优点将变得清楚明白。