专利名称：螺纹管接头的制作方法
背景技术：
本发明涉及一种钻杆接头，更具体地，涉及设置在管件端部的销钉和套管接头，以连接管道业和公用事业中用于钻制钻孔的管件。
钻杆柱特别设计为用于安装电话线、光纤、下水道、水管、以及有关管道及公共服务业中的类似安装。典型的目的是通常在某些障碍或结构下面从A点到B点钻制钻孔用以安装公用设施。钻制的钻孔距离典型地为200到600英尺之间。而且典型地钻孔较浅并通常为水平的。
在一种典型的钻制操作中，一个钻头，比如一个鱼尾钻头，安装在钻杆柱的端部，其中在钻头后面设有一个发送器。钻杆柱紧压放置并旋转以旋转并向钻头施加力以便钻制钻孔。液体循环流经钻杆柱和钻头接着返回到位于钻孔壁和钻杆柱之间的环槽中以湿润钻头钻经的泥土。这会降低钻杆柱卡陷在钻孔中的倾向。一个手持接收器设置在地面上以跟踪发送器并确定钻头的方位，即其斜度和方位角。随后，如果钻头偏离A点和B点之间的正确的钻孔线路操作人员就调整钻头的方位。
当在障碍物下面钻制好钻孔后，钻头被取下并且将转环上的一个扩孔器装在钻杆柱的端部，钻杆柱和扩孔器被拉回经过钻孔同时连接有公用设施。转环连接于诸如电缆的公用设施上。连接有公用设施的扩孔器被拉回经过钻孔时钻杆柱张紧放置。
操作人员减小循环流经钻杆柱的液量因为不希望有太多的液体进入周围的泥土。如果太多的液体循环流过并环绕钻杆柱，液体会冲出砂石、脏物、和泥土导致在诸如高速公路或铁道的其下钻有钻孔的障碍物或结构下形成冲蚀缺口。如果在高速公路或其他结构下面形成虚空将会产生结构问题。
用于管道业和公用事业中的钻杆柱与用于油田的钻杆柱相当不同。在油田钻孔中，使用一个钻杆柱来钻制宽阔的开放钻孔。钻孔液体循环将钻屑移走并冷却钻头。这样，钻杆柱中的接头密封于压力和液体非常重要。通常，用于管道业和公用事业中的钻杆柱中的接头是否存在液体泄露并不重要。因此钻杆连接处的接头不需要密封于压力或液体并且也不考虑热量和压力。唯一的压力是用于流动钻孔液体的泵压。
在设计用于具体的钻孔应用的钻杆柱和其他相关的管件时，不仅要考虑钻杆柱的物理方位，还要考虑预期的应用。钻杆柱可以设置在水平方向、或竖直方向、或偏移位置。实际的方位取决于应用的类型。
在管道业和公用事业中钻孔的成功钻制需要许多单个的管件装配为一个钻杆柱。实际的装配需要结合并扭转各个管件。实际的钻孔程序包括钻杆柱的各个管件间的接头的多次结合和拆开。结合和拆开的次数取决于环境和操作人员。典型地，一个接头一天要结合并拆开四五次并且可高达一天六七次。这样，钻管连接处之间的接头一年可有1000或更多次的结合和拆开，因此它必须结实坚固以经得起这种应用。另外，由于时间因素非常重要所以装配进行的很快。
用于钻杆柱连接处的接头的设计因素包括，但不是必须限制于，反复地连接和拆开接头、扭转、弯曲、周期载荷、疲劳、拉伸载荷、以及压缩强度。该接头典型地包含螺纹销钉和套管接头。螺纹必须能够容易地与其他螺纹接口对接。由于多种原因各个螺纹的寿命也相当重要。首先，一旦一个螺纹开始变形，通常随后会按指数规律地增加进一步的变形。第二，一旦螺纹损坏，由于钻杆柱长度具有非常有限的变化因而势必忽略了整个钻杆柱。第三，实际钻制钻孔过程中发生螺纹失效将导致巨大的资金损耗。以上罗列仅为举例说明。
尽管这样设计，然而当用于公用事业和管道业的钻制钻孔的多种应用中的钻杆柱部件带有螺纹时，配合端面会因过度扭转而变的外扩。还有，在先技术的设计导致螺纹牙形变形从而由此导致外和内螺纹设计轮廓失去其结合力并且导致过早的失效。一旦变形开始，继续使用将按指数规律地增加协作管件之间的结合问题，进一步，销钉和套管脱扣，并且随后，当再次结合时，变形力将增大。也就是说，接头的多次拧紧和脱扣加速了变形过程从而一旦变形开始发生，该过程将随后按指数规律地增加。
图1表示了在先技术的接头以及随着多次拧紧和松开公用事业中的在先技术的接头因过度扭转和循环使用销钉和套管而固有的问题。在先技术的接头典型地包括一个销钉端150用以与一个套管端152结合。销钉端150包括一个与接头轴线垂直的环形端面154。一个圆螺纹的外螺纹牙形156从端面154延伸到外径158。一个径向终端160，也垂直于接头轴线，从外径158延伸到内径161。
套管端152包括一个径向终端162，它有一个垂直于接头轴线的表面。一个圆螺纹的内螺纹牙形164从终端162延伸到内表面166。一个径向端面168从内表面166延伸到管件的内径170。
如图1所示，径向终端162在端面154上滑动并开始变形。该变形的一个原因是可能是过度扭转套管端152和销钉端150从而径向终端162被迫在销钉端150的端面154的表面上向外滑动。这样加载的力还使得销钉端150的径向终端160变形，从而径向终端160变形，并且尤其是，由于外表面158和相结合的内表面161通过被迫向径向终端160的径向端面168的压缩作用向外延伸。
销钉和套管切削有二英寸的圆锥度。当启动管组，套管外圆锥和管组一样受压放置，套管外圆锥倾向于在销钉底部向外移动。这样当受压放置时小端紧密而在大端松开，这样，当接头受压放置并进行循环运动时，接头疲劳并断裂。相互摆动的管件导致接头开始松开。
过度扭转的情况也将会导致螺纹牙形不再正确啮合。这样，如图1所示，一个第一间隙172和一个第二间隙174啮合。当然，尽管在图1中示出两个间隙172、174，但实际上可能出现沿螺纹牙形的其他间隙。
典型地，如图1A所示，在先技术的接头分别在销钉端150和套管端152上含有标准的API螺纹176、178。API螺纹在入扣齿侧面151和负载齿侧面153上都具有正齿侧面角。美国专利5,154,452公开了一种用于油田的管接头，具有一个S形螺纹牙形以提供一种倒角螺纹的形式以经受钻孔期间施加于接头上的强烈的张力。但是，这种接头具有很小的压缩能力。
循环地弯曲，也称之为摆动，即侧向力使得销钉端150相对于套管端152移动或滑动，是外扩从而形成间隙172、174的另一个原因。实际上，钻孔方向不会有突然的变化。但是，许多应用，例如偏斜安装，由于操作人员突然地改变钻孔方向而在钻孔中产生许多突然的折曲或曲折。钻孔线路的突然改变导致了曲折，曲折用以描述具有扭曲线路的钻孔。曲折极大地增加了钻杆柱上的循环弯曲、扭转和阻力。
当钻管旋转并经过钻孔的曲折中的弯曲或弧度时，钻杆柱弯曲导致接头的结合面尤其是在旋转的端面处前后滑动。钻孔中的弯曲半径越小，销钉发生的疲劳将越严重。当钻杆柱开始偏移和扭曲时，螺纹牙形内的摆动将增强。随着变形加大，摆动只能逐步增强。
当钻杆柱绕过钻孔线路中的障碍物时，它就经过急剧的弯曲半径。随着钻杆柱经过多个急剧的弯曲半径，接头发生弯曲导致螺纹在接头的一侧脱扣。当接头经过其他的弯曲时，接头在另一个方向弯曲。
当接头经过这些急剧的弯曲时，API螺纹176、178上的正齿侧面角起到斜面的作用导致螺纹过盈配合使得接头变得紧密。API螺纹的正齿侧面允许接头的摆动因为螺纹旋入齿根。当接头摆动时，螺纹之间具有斜滑作用。这种斜滑作用导致螺纹材料屈服以及螺纹部件延展。螺纹的斜滑导致材料屈服并从而损坏接头。也就是说，螺纹材料最终超过其弹性极限导致销钉断裂。摆动导致了疲劳和销钉断裂。
一旦将扩孔器连接到钻杆柱端部并拉回到钻孔，钻杆柱并且尤其是接头就被施加了高张力。当扩孔器遇到钻孔线路中的障碍物时，接头发生弯曲和扭转导致螺纹脱开和压紧。当螺纹被拉开时，接头因作用在钻杆柱上的扭矩而被进一步上紧。
每次钻杆柱旋转一次，称之为一个循环。在钻孔操作中钻杆柱每分钟旋转三到四百个循环。每当接头经过一个弯曲并旋转时，端面相互间前后滑动。这些反复的带有端面滑动的循环使得销钉中部发生连续的疲劳。这导致相当大的应力并导致销钉在接头处断裂。销钉倾向于在销钉根部附近断裂并且典型地见于在先技术的连接处。一旦销钉旋转经过钻孔中的弧度或弯曲时，套管末端倾向于滑离销钉根部。当两表面相互间滑动时它倾向于分开。这导致位于销钉根部和套管末端附近的螺纹分离。但是，接头在螺纹中部依然保持紧密。由于中部螺纹保持紧密而销钉根部和套管末端摆动，销钉势必在其根部断裂。在半个循环期间销钉弯向一侧而接着在另外半个循环期间它又弯向另一侧，使得销钉疲劳并断裂。这种前后的作用导致极大的疲劳。典型地销钉在几千个循环后断裂。一个螺旋形钻孔使钻杆柱产生特殊的弯曲和循环，这使得连接处的弯曲半径量翻番。所有这些因素促使接头很快地发生疲劳。
此外，在钻孔过程中，大量的压缩力作用在钻杆柱上，这倾向于将套管末端随着表面滑动向外移动。该力越大，销钉根部和套管末端之间的间隙越大。但是，螺纹中部保持紧密。接着在每一个循环，前后的反向延展开始使接头疲劳。
如果环境非常恶劣并且如果你有一个没经验的操作人员，操作人员势必要过度校准并操作猛烈。一个没有经验的操作人员也会将钻杆柱急转向。一旦该没经验的操作人员发现他将钻杆柱转向太多，那么他就会在另一个方向上急转弯。这会在所钻制的钻孔中产生曲折。这会使得钻杆柱当其旋转经过钻孔时处于非常严重的弯曲状态。接头可持续的循环次数相当大地减少。
在先技术的接头的另一个问题是它经受高扭矩的能力。操作人员经常过度扭转接头。相比于小直径钻管过量的扭矩施加到接头上使得大量扭矩被施加到小直径钻杆柱。此外，当钻杆柱经过多次严重的弯曲时，当钻杆柱绕过障碍物时高惯性扭矩作用在接头上并形成严重的多次弯曲。这样，接头还必须经得住高惯性扭矩。
在油田中，钻孔操作人员必须要相当有经验并且钻孔长度也更大。还有，使用更为先进的设备从而钻制更加可控。另外，专家经常要监测钻孔。在公用事业，经常是操作人员经验不足并控制钻杆柱从A点到B点钻制钻孔而不能钻制一个圆滑的钻孔。公用管道钻制的操作人员更关心完成其任务而不关注他们在损耗他们的设备。
优选地在表面间没有运动，因为当有运动时，发生疲劳。一旦表面开始滑动，那么销钉和套管就开始延展。在钻杆柱的循环期间销钉可以吸收一些延展。如果延展产生在一定限度内，疲劳不会发生。一旦延展超出限度，那么接头就开始疲劳并发生断裂。
正如从以下所描述的优点、特征和实施例中将更加清楚的那样，本发明的接头解决了在先技术的这些及其他问题和缺陷。
该销钉连接件在其根部附近包含一个具有旋出螺纹的螺纹组以及一个从旋出螺纹延伸到销钉根部的全高螺纹，而该套管连接件含有一个具有全高螺纹的螺纹组。螺纹组有具有入扣齿侧面和负载齿侧面的螺纹，入扣齿侧面具有正齿侧面角而负载齿侧面具有负齿侧面角。入扣齿侧面具有齿顶角倒圆和齿根角倒圆用于引导螺纹进入齿根。负载齿侧面由一对从齿顶到齿根延伸的连续倒圆组成。当接头施加有张力时负载齿侧面锁定销钉和套管连接件。
在优选实施例中，该销钉连接件在外螺纹的根部包含一个外槽用以接纳套管连接件末端上的一个突出。该突出具有牛鼻或桡骨形的横截面，该截面延伸经过套管连接件末端。销钉连接件上的槽的半径尺寸做的当连接接头时可以接纳突出。相啮合的突出和槽形成一种没有滑动的配合以基本上消除相啮合的突出和槽之间的滑动。
在另一个实施例中，销钉和套管连接件在突出和槽之间可以包含另一个没有滑动的配合。套管端部含有一个内槽用以接纳销钉连接件末端上的一个突出。在该实施例中，实际上在每个接头上都有一个外和内槽及突出的配合。
本发明的一个优点在于使套管连接件上的槽与销钉连接件上的突出啮合。另一个优点包括当过度扭转和/或反复使用时控制将突出脱出套管连接件。
另一个优点在于螺纹牙形的全长啮合。又一个优点是接头可以用于各种尺寸的钻杆柱。再一个优点是在钻孔过程中各种连接部件的快速连接以及提供多次连接和拆开。另一个优点是连接部件的螺纹寿命提高。
本发明的一个特征包括一个可与端面槽协作的突出，它允许两个连接部件间更大的金属到金属的接触从而阻止从套管连接件外扩出去。突出通常为具有牛鼻横截面的环状部件。另一个特征包括突出位于套管连接件上而槽位于销钉连接件上。
又一个特征包括一个第二实施例，其中突出设置在套管和销钉连接件二者上同时协作槽在套管和销钉连接件二者上。再一个特征包括一个实施例，其中突出仅设置在销钉连接件上，而槽仅设置在套管连接件上。还有一个特征在于本发明可用于不同类型的螺纹和应用。
本发明的一个目的是通过使用一个倒圆来减少套管和销钉转动端面的滑动作用而使销钉连接件的循环次数最大。本发明的接头，在典型的应用中，将持续一整年经得住1000到1500次连接和拆开而不会使销钉连接件疲劳。它也将提高螺纹的寿命。
突出和槽锁紧的端面受压而接头的螺纹组受拉。这类管件的密封不是问题。最大的担心是张力和高扭矩。
负载齿侧面的负齿侧面角将销钉螺纹组和套管螺纹组拉紧地结合。这样，作用在接头上的张力越大，螺纹负载齿侧面间的锁紧作用越大。负齿侧面角不仅防止斜滑而且提高接头的扭转能力并消除斜滑从而没有屈服和过度扭转。螺纹的倒圆的角部也防止疲劳。
本发明所述的负齿侧面角和锁紧端面将接头锁在一起。这样，螺纹组相互分开的趋势降低。这些特征导致螺纹保持相互锁紧从而减轻屈服和过度扭转的问题。此外，负载齿侧面和销钉外齿顶及套管齿根也处于锁紧啮合状态从而提高接头的扭转能力。
螺纹平齿根和齿顶提供了由于在螺纹啮合时接触的最大的圆锥面而产生的扭矩。平齿根和齿顶也防止摆动。
本发明的螺纹牙形解决了工作环境的关键部件和在先技术的螺纹设计的不足。这种新的螺纹牙形防止接头的斜滑、摆动和疲劳并且还允许提高的扭矩以及最重要地提高了管件的寿命。
本发明的其他目的和优点将从以下的说明更加明显。
优选实施例简述为了详细地说明本发明地一个优选实施例，现在将参照附图，其中图1是在先技术的接头的横截面图，表示了外扩的螺纹；图1A是用于图1的接头的在先技术的API螺纹的横截面图；图2是本发明的第一优选实施例的横截面图；图3是本发明的第二优选实施例的横截面图；图4是本发明的第三优选实施例的横截面图；图5是一个管组的三部分的示意图，其中每个管件具有如图3所示的本发明的接头；图6是本发明的另一个优选实施例的销钉和套管连接件的横截面图；图7是图6的销钉和套管连接件在啮合位置的横截面图；图8是本发明的又一个优选实施例的销钉和套管连接件的横截面图；图9是图8的销钉和套管连接件在啮合位置的横截面图；图10是一个管组的三部分的示意图，其中每个管件具有如图6和7所示的本发明的接头；
图11是本发明的销钉和套管连接件的横截面图，具有本发明的接头的螺纹组的一个优选实施例；图12是图11的销钉和套管连接件在啮合位置的横截面图；图13是如图11所示的接头的套管部件上的螺纹组的横截面图；图14是如图11所示的接头的销钉部件上的螺纹组的横截面图；图15是如图12所示的在啮合位置上的螺纹放大图；图16是如图15所示的在啮合位置上的销钉和套管螺纹之一的放大图。
优选实施例详述首先参照图2，表示了用于连接两个管件以装配成钻杆柱的本发明所述接头的一个优选实施例。正如本领域普通技术人员所理解的那样，每个管件有一个称之为销钉的第一端和一个称之为套管的第二端。图2示出两个管件，一个第一管件2和一个第二管件4。第一管件2在一端有一个本发明所述的销钉连接件6而第二管件4在一端有一个本发明所述的套管连接件8。销钉连接件6用于螺纹地连接套管连接件8以形成如下文将更加详细描述的本发明所述的接头。当然，应当明白，在第一管件2的另一端有一个套管连接件(未示)而在第二管件4的另一端有一个销钉连接件(未示)。
第一管件2是一个普通的圆柱部件或管件，有一个外径10和一个内径12并且本发明所述的销钉连接件6位于其末端。销钉连接件6包括一个环状外端面15和一个相邻的环状内槽16，二者均朝向通常横向于管件2的轴线的方向，其中环状外端面15具有一个径向外轴环部分14。一个外螺纹牙形20从位于槽16根部的外圆柱面18延伸到位于管件2的径向末端24附近的外圆柱面22。
第二管件4是一个普通的圆柱部件或管件，有一个外径28和一个内径42并且本发明所述的套管连接件8位于其末端。套管连接件8包括一个朝向通常横向于管件4的轴线的方向的环状内端面40。一个内螺纹牙形36从位于端面40根部的内圆柱面38延伸到位于管件4的径向末端30附近的外圆柱面34。
径向末端35包括一个轴环部分30和一个相邻的环形部件形式的突出32，该突出用于当销钉连接件6和套管连接件8螺纹啮合时插入槽16内。需要指出的是，所示的突出具有圆形把手或桡骨形状的横截面，但是，可以使用诸如角形面的其他形状，并且其中槽16适于和角形面协作。另外，突出32的长度和半径可以变化，这样反过来可以变化槽16的深度，这些变化取决于所需要的金属到金属的接触表面的量。
各种各样的螺纹组可以用于本发明。这些将参照附图11到16在下面详细说明。
操作中，管件2上的销钉连接件6旋入管件4的套管连接件8。当螺纹牙形20、36啮合后，管件2、4之一相对于另一个旋转以螺纹地结合连接件6、8。随着螺纹啮合的继续，环状突出32被容纳在槽16内。当完全连接好接头时，突出32完全地被槽16容纳并置于槽16内并且末端24紧邻环状端面40。端面15和末端35的表面则完全地啮合以防止其间的滑动。接着增加扭矩以完全地连接接头。
现在参照图3，示出本发明所述接头的另一个优选实施例。在该实施例中，一个第一管件40在一端有一个本发明所述的销钉连接件60而一个第二管件42在一端有一个套管连接件78。销钉连接件60用于螺纹地连接套管连接件78以形成如下文将更加详细描述的本发明所述的接头。当然，应当明白，在第一管件40的另一端有一个套管连接件(未示)而在第二管件78的另一端有一个销钉连接件(未示)。
第一管件40是一个普通的圆柱部件或管件，有一个外径62和一个内径80并且本发明所述的销钉连接件60位于其末端。销钉连接件60包括一个环状外端面65和一个相邻的槽66，二者均朝向通常横向于管件40的轴线的方向，其中环状外端面65具有一个径向轴环部分64。槽66终止于管件40的直径面68。一个外螺纹牙形70从位于槽66根部的圆柱面68延伸到位于管件40的径向末端75附近的圆柱面72。
径向末端75包括一个轴环部分76和一个突出74，二者均朝向通常横向于管件78的轴线的方向。突出74是一个环状部件具有圆形把手或桡骨形状的横截面并且如下文所述用于当销钉连接件60和套管连接件78螺纹啮合时插入槽96内。
第二管件42是一个普通的圆柱部件或管件，有一个外径82和一个内径100并且本发明所述的套管连接件78位于其末端。套管连接件78包括一个环状内端面95和一个相邻的环槽96，二者均朝向通常横向于管件78的轴线的方向，其中环状内端面95具有一个轴环部分98。轴环部分98从内径100延伸到槽96。一个内螺纹牙形90从位于槽96根部的圆柱面92延伸到位于管件42的径向末端85附近的圆柱面88。
径向末端85包括一个轴环部分84和一个从内径面88延伸到轴环部分84的突出86，二者均朝向通常横向于管件78的轴线的方向。突出86是一个环状部件具有圆形把手或桡骨形状的横截面并且如下文所述用于当销钉连接件60和套管连接件78螺纹啮合时插入槽66内。
操作中，管件40上的销钉连接件60旋入管件42的套管连接件78。当螺纹牙形70、90啮合后，管件40、42之一相对于另一个旋转以螺纹地结合连接件60、78。随着螺纹啮合的继续，套管连接件78上的环状突出86首先被容纳在销钉连接件60的槽66内，然后销钉连接件60的突出74被容纳在套管连接件78的槽96内。当完全连接好接头时，突出86完全地被槽66容纳并置于槽66内并且突出74完全地被槽96容纳并置于槽96内。端面65的表面和径向末端85完全地啮合并且端面95的表面和径向末端75完全地啮合以防止钻孔期间的滑动。另外的轴环部分64、84和76、98贴合啮合。接着增加扭矩以完全地连接接头。
现在参照图4，示出本发明所述接头的另一个优选实施例。在该实施例中，一个第一管件102在一端有一个本发明所述的销钉连接件110而一个第二管件104在一端有一个套管连接件128。销钉连接件110用于螺纹地连接套管连接件128以形成如下文将更加详细描述的本发明所述的接头。当然，应当明白，在第一管件102的另一端有一个套管连接件(未示)而在第二管件102的另一端有一个销钉连接件(未示)。
第一管件102是一个普通的圆柱部件或管件，有一个外径112和一个内径126并且本发明所述的销钉连接件110位于其末端。销钉连接件110包括一个通常垂直于管件102的轴线的环状外端面114。端面114从外径112延伸到管件102的圆柱面116。一个外螺纹牙形118从位于端面114根部的圆柱面116延伸到位于管件102的径向末端125附近的圆柱面120。
径向末端125包括一个轴环部分124和一个突出122，二者均朝向通常横向于管件102的轴线的方向。突出122是一个环状部件具有圆形把手或桡骨形状的横截面并且如下文所述用于当销钉连接件110和套管连接件128螺纹啮合时插入槽142内。
第二管件128是一个普通的圆柱部件或管件，有一个外径130和一个内径146并且本发明所述的套管连接件128位于其末端。套管连接件128包括一个环状内端面145和一个相邻的环槽142，二者均朝向通常横向于管件104的轴线的方向，其中环状内端面145具有一个轴环部分144。轴环部分144从内径146延伸到槽142。一个内螺纹牙形136从位于槽142根部的圆柱面138延伸到位于管件104的径向末端132附近的圆柱面134。
径向末端132是一个环状端面，它通常垂直于管件104的轴线。径向末端132如下文所述用于当销钉连接件110和套管连接件128螺纹啮合时与端面114贴合啮合。
操作中，管件102上的销钉连接件110旋入管件104的套管连接件128。当螺纹牙形118、136啮合后，管件102、104之一相对于另一个旋转以螺纹地结合连接件110、128。随着螺纹啮合的继续，环状突出122被容纳在槽146内。当完全连接好接头时，突出122完全地被槽146容纳并置于槽146内并且末端132紧贴环状端面114。端面145的表面和径向末端125啮合以防止钻孔期间它们之间的滑动。接着增加扭矩以完全地连接接头。
现在参照图5，示出由具有图3所示的本发明的优选接头的管件180、182、184和186装配成的钻杆柱150。需要指出的是出现在各图中的相同标号代表相同的部件。应当理解，尽管图3所示的接头示意于图5，但是也可以采用图2和4中的接头。管件180、182、184和186每一个在其各自的端部有一个销钉连接件60和套管连接件78并且由螺纹牙形70、90螺纹地连接。对于销钉连接件60和套管连接件78的每一个连接，套管连接件78上的环状突出86被容纳在销钉连接件60的槽66内而销钉连接件60的突出74被容纳在套管连接件78的槽96内。端面65的表面和径向末端85完全地啮合并且端面95的表面和径向末端75完全地啮合以防止钻孔期间的滑动。另外的轴环部分64、84和76、98贴合啮合。
在本申请的图2到5的实施例中，突出是一个薄环形部件，它容纳在一个槽内以防止表面间的滑动。在即将描述的实施例中，突出具有一个较大的半径并且延伸经过端面和末端。薄突出可能在完全进入槽内之前就受损。如果突出破损，它就不会合适地装入槽内。另外，薄突出可能更加难于加工。
现在参照图6和7，示出本发明所述接头的另一个优选实施例。在该实施例中，一个第一管件190在一端有一个本发明所述的销钉连接件192而一个第二管件194在一端有一个套管连接件196。销钉连接件192用于螺纹地连接套管连接件196以形成如下文将更加详细描述的本发明所述的接头。当然，应当明白，在第一管件190的另一端有一个套管连接件(未示)而在第二管件194的另一端有一个销钉连接件(未示)。
第一管件190是一个普通的圆柱部件或管件，有一个外径198和一个内径200并且本发明所述的销钉连接件192位于其末端。销钉连接件192包括一个环状外端面202，它有一个环槽或凹倒圆表面204朝向通常横向于管件190的轴线的方向。凹倒圆表面204延伸经过整个端面202。凹倒圆表面204的外边在206处斜切而凹倒圆表面204的内边延伸到圆柱面208。在凹倒圆表面204上没有尖锐的外倒圆边从而外边不向内弯曲以防止凸倒圆表面228被凹倒圆表面204容纳。
一个外螺纹牙形210从位于凹倒圆表面204根部的圆柱面208延伸到位于管件190的径向末端214附近的圆柱面212。优选地该螺纹牙形是钩形负载螺纹。
第二管件194是一个普通的圆柱部件或管件，有一个外径216和一个内径218并且本发明所述的套管连接件196位于其末端。套管连接件196包括一个朝向通常横向于管件194的轴线的方向的环状内端面220。一个内螺纹牙形222从位于端面220根部的圆柱面224延伸到管件194的径向末端226。可以看到螺纹牙形210和222二者都设有螺纹离隙。
径向末端226包括一个环形部件形式的突出或凸倒圆表面228，用于当销钉连接件192和套管连接件196螺纹啮合时插入凹倒圆表面204内。凸倒圆表面228具有牛鼻或弓形桡骨形状的横截面。鼻228的半径延伸经过套管196的整个末端并且比位于销钉连接件192根部的凹倒圆表面204的半径稍微小一些，比如小几千分之一英寸。这样插入的凸倒圆表面228比接纳的凹倒圆表面204小几千分之一英寸。这使得凸倒圆表面228容易地被凹倒圆表面204容纳。另外，凸倒圆表面228的长度和半径可以变化，这样反过来可以变化凹倒圆表面204的深度，这些变化取决于所需要的金属到金属的接触表面的量。
操作中，管件190上的销钉连接件192旋入管件194的套管连接件196。当螺纹牙形210、222啮合后，管件190、194之一相对于另一个旋转以螺纹地结合连接件192、196。随着螺纹啮合的继续，凸倒圆表面228被容纳在凹倒圆表面204内。当完全连接好接头时，凸倒圆表面228完全地被凹倒圆表面204容纳并置于凹倒圆表面204内以形成不滑动倒圆表面啮合215并且末端214紧邻环状端面220以形成贴合的端面啮合225。端面202和径向末端226的倒圆表面啮合以防止钻孔期间的滑动。接着增加扭矩以完全地连接接头。
现在参照图8和9，示出本发明所述接头的又一个优选实施例。在该实施例中，一个第一管件230在一端有一个本发明所述的销钉连接件232而一个第二管件234在一端有一个套管连接件236。销钉连接件232用于螺纹地连接套管连接件236以形成如下文将更加详细描述的本发明所述的接头。当然，应当明白，在第一管件230的另一端有一个套管连接件(未示)而在第二管件234的另一端有一个销钉连接件(未示)。
第一管件230是一个普通的圆柱部件或管件，有一个外径238和一个内径240并且本发明所述的销钉连接件232位于其末端。销钉连接件232包括一个环状外端面242，它有一个槽或凹倒圆表面244朝向通常横向于管件230的轴线的方向。凹倒圆表面244延伸经过整个端面242。凹倒圆表面244的外边在246处斜切而凹倒圆表面244的内边延伸到圆柱面248。一个外螺纹牙形250从位于凹倒圆表面244根部的圆柱面248延伸到位于管件40的径向末端254附近的圆柱面252。
径向末端254包括一个突出或凸倒圆表面256，朝向通常横向于管件230的轴线的方向。凸倒圆表面256是一个环状管件用于如下文所述当销钉连接件232和套管连接件236螺纹啮合时插入凹倒圆表面264内。凸倒圆表面256具有牛鼻或弓形桡骨形状的横截面并且延伸经过销钉连接件232的整个末端254。凸倒圆表面256比位于套管连接件236根部的凹倒圆表面264的半径稍微小一些，比如小几千分之一英寸。这样插入的半径256比接纳的半径264小几千分之一英寸。
第二管件234是一个普通的圆柱部件或管件，有一个外径258和一个内径260并且本发明所述的套管连接件236位于其末端。套管连接件236包括一个朝向通常横向于管件234的轴线的方向的环状内端面262，该端面有一个环槽或凹倒圆表面264。凹倒圆表面264延伸经过整个端面262。凹倒圆表面264的外边在266处斜切而槽264的内边延伸到圆柱面268。一个内螺纹牙形270从位于槽264根部的圆柱面268延伸到管件234的径向末端272。
径向末端272包括一个从螺纹牙形270端部延伸到直径表面258的突出或凸倒圆表面274，朝向通常横向于管件234的轴线的方向。凸倒圆表面256是一个环状管件用于如下文所述当销钉连接件232和套管连接件236螺纹啮合时插入凹倒圆表面264内。凸倒圆表面274具有牛鼻或弓形桡骨形状的横截面。凸倒圆表面274延伸经过套管连接件236的整个末端272并且比位于销钉连接件232根部的凹倒圆表面244的半径稍微小一些，比如小几千分之一英寸。这样插入的半径274比接纳的半径244小几千分之一英寸。
操作中，管件230上的销钉连接件232旋入管件234的套管连接件236。当螺纹牙形250、270啮合后，管件230、234之一相对于另一个旋转以螺纹地结合连接件232、236。随着螺纹啮合的继续，套管连接件236上的凸倒圆表面274首先被容纳在销钉连接件232的凹倒圆表面244内，然后销钉连接件232的凸倒圆表面256被容纳在套管连接件236的凹倒圆表面264内。当完全连接好接头时，凸倒圆表面274完全地被凹倒圆表面244容纳并置于凹倒圆表面244内以形成不滑动倒圆啮合255并且凸倒圆表面256完全地被凹倒圆表面264容纳并置于凹倒圆表面264内以形成另一个不滑动倒圆啮合265。接着增加扭矩以完全地连接接头。倒圆啮合255和265防止钻孔期间表面间的滑动。
现在参照图11和12，示出用于本发明的接头的螺纹的优选实施例。为了举例的目的，优选螺纹实施例表示为类似于图6和7的实施例。一个第一管件290在一端有一个销钉连接件292而一个第二管件294在一端有一个套管连接件296，其中销钉连接件292用于螺纹地连接套管连接件296以形成如图12所示的本发明所述的接头。销钉连接件292在其根部包括一个环状外端面302，它有一个凹倒圆表面304基本上延伸经过整个端面302。一个外螺纹组310从位于凹倒圆表面304根部的圆柱面308延伸到位于销钉连接件292的径向末端314附近的圆柱面312。
第二管件294在其根部有一个环状内端面322。一个内螺纹组320从位于套管根部端面322根部的圆柱面324延伸到套管连接件296的径向末端326。径向末端326包括一个环状部件形式的突出或凸倒圆表面328，用于当销钉连接件292和套管连接件296螺纹啮合时插入凹倒圆表面304内。表面328的半径延伸经过套管连接件296的整个末端并且比位于销钉连接件292根部的凹倒圆表面304的半径稍微小一些，比如小几千分之一英寸。
销钉连接件292的螺纹组310优选地含有一段旋出螺纹330，它从圆柱面308延伸到全高螺纹332的一部分，其中全高螺纹332延伸到销钉末端314的圆柱面312。一段旋出螺纹理解为这样一部分螺纹，即它的齿根相对于管件的纵轴加工有锥度，但是它的齿顶加工为平行于管件的纵轴；螺纹齿顶和齿根的构造(加工)螺旋线逐渐交叉并且螺纹不可见。
套管连接件296上的螺纹组320包括一段全高螺纹334在其根部从套管径向末端326延伸到圆柱面324。旋出螺纹330与套管连接件296上的全高螺纹334啮合。销钉连接件292根部的旋出螺纹330是高度减小的螺纹以使得端面302的宽度最大。如果螺纹齿顶的直线锥度继续，端面厚度基本被减小。销钉连接件292根部附近的螺纹的圆柱部分308使得锁紧端面302的厚度增加。销钉连接件292根部不全使用旋出螺纹因为这会极大地降低接头的螺纹啮合性。这是一个介于在锁紧端面302上提供强度和应对高扭矩的足够螺纹啮合的部分。具有足够的螺纹啮合以使得接头能够经得起作用于接头的剪力。
销钉连接件292上的引入螺纹396在398处设有斜度从而它不是一个方螺纹。如果将方螺纹用做引入螺纹，那么该引入螺纹的入扣齿侧面将在入扣时受损。这将随后在连接时损坏其他螺纹。这种引入螺纹396提供一个引导斜面398以将销钉连接件292旋入套管连接件296。
现在参照图13和14，销钉和套管螺纹组310、320出于说明的目的分开表示。当螺纹角远离相邻的螺纹槽时，入扣齿侧面为“正”。负载齿侧面，尽管通常相对于和入扣齿侧面同向的轴线成角度，但当螺纹角在相邻的螺纹槽上时为“负”。螺纹齿侧面角理解为形成在螺纹齿侧面和垂直于接头纵轴的直线之间的角度。
销钉连接件292上的销钉螺纹组310分别具有入扣和负载齿侧面340、350，从最接近销钉末端314的螺纹396一端开始以螺旋线环绕构成销钉连接件29的圆锥，以及相应地，套管连接件296上的套管螺纹组320分别具有入扣和负载齿侧面342、352，从最接近套管连接件296的销钉径向末端326的螺纹一端开始以螺旋线环绕。螺纹入扣齿侧面理解为当销钉件套进套管件时螺纹的进一步向前或引导齿侧面，而螺纹负载齿侧面理解为当销钉连接件292套进套管连接件296后螺纹的拖拉齿侧面。
销钉连接件292和套管连接件296上的螺纹组310、320分别具有齿顶344、354以及齿根346、356。螺纹齿顶理解为管件壁加工至其最小深度时的螺纹位置并确定销钉螺纹的最大直径和套管螺纹的最小直径，而螺纹齿根理解为管件壁加工至其最大深度时的螺纹位置并确定套管螺纹的最大直径和销钉螺纹的最小直径。齿顶344、354和齿根346、356是平的并平行于接头的轴线358以允许销钉连接件292更深地和增加地扣入套管连接件296。另一个优点是通过允许齿顶344、354在齿根346、356上滑入而防止斜螺纹啮合。
为了增加接头的拉伸能力，螺纹牙形优选地是一个钩螺纹，并且负载齿侧面350、352有一个负齿侧面角以及入扣齿侧面340、342具有一个正齿侧面角。通过端面314、322和302、326的啮合接头具有压缩能力。
入扣齿侧面340、342优选地相对接头的轴线358具有较大的角度，或者比负载齿侧面350、352更放射。齿侧面上的角度制成为负载齿侧面350、352比入扣齿侧面340、342更加靠近接头的轴线358放射以提供一个稍微小于齿根宽度或开口366的齿顶宽度364。
入扣齿侧面340、342具有一个较大的正齿侧面角360，优选地约为20度，从管件290、294的中心轴线358相对于垂直位置364。负载齿侧面350、352具有一个较小的负齿侧面角362，优选地约为15度，相对于垂直位置364。
螺纹齿顶344、354具有一个横截面宽度364，它小于螺纹齿根346、356的横截面宽度366。宽度364和宽度366分别在规则的入扣齿侧面340、342和负载齿侧面350、352之间测量。齿顶344、354的宽度364比齿根346、356的宽度366大约小0.006英寸使得齿根开口充分开阔以允许负的负载齿侧面342、352插入齿根346、356内。随着处于初始啮合的入扣齿顶角斜切370、372正确地将齿顶344、354对准齿根346、356，该间隙足以允许螺纹在旋转装配时旋入槽内。
入扣齿侧面340、342优选地具有入扣齿顶角倒圆370、372和入扣齿根角倒圆374、376并在其间分别有一个锥形齿侧面部分378、380。入扣齿顶角倒圆370、372比入扣齿根角倒圆374、376大。希望较大倒圆进入较小倒圆以避免螺纹锁紧。不同的倒圆还在入扣齿顶角倒圆370、372和入扣齿根角倒圆374、376之间形成间隔或间隙392以允许诸如丝扣油容放在间隙392内。入扣齿顶角倒圆370、372允许齿顶344、354以很小的间隙滑入齿根346、356并进入齿根346、356的开口366而没有作为不对准的后果的实际管件从正确的圆柱弯曲、偏心或其他偏差。随着接头连接好，螺纹进入容放槽内，因为当一个部件相对于另一个部件旋转时，销钉螺纹的直径变大而套管螺纹的直径变小(作为各个圆锥的锥度的功能)导致齿顶344、354向着并进入齿根346、356的开口366。入扣齿顶角倒圆370、372确保有足够的移动间隙以将螺纹旋入槽内，将螺纹移动到槽的开口并接着引导螺纹进入槽内。
入扣齿顶角倒圆370、372还优选地具有一个“正”角度以帮助销钉连接件292前部自对中地进入套管连接件296而不需如美国专利5,462,315所述的不必要地啮合螺纹边。全高螺纹上的入扣齿顶角倒圆370、372使得销钉连接件292和套管连接件296上的各螺纹啮合并在旋转装配前对齐。希望至少一半螺纹如此啮合。优选地，销钉连接件292插入大约65％到70％的套管连接件296的深度以在螺纹初始啮合前获得很深的入扣。
销钉齿顶344和套管齿根356在382处有一个径向接口。套管齿顶354和销钉齿根346有一个大约0.002英寸的间隙402。需要套管齿顶354和销钉齿根346之间的一个0.002英寸的间隙来提供加工时切削螺纹的足够的公差。根据实际尺寸，在套管齿顶354和销钉齿根346之间可以没有间隙。在动力拉紧的工作条件下，套管齿顶354和销钉齿根346啮合。
现在参照图13到16，负载齿侧面350、352由一个负载齿顶倒圆384、386和一个负载齿根倒圆388、390构成。负载齿顶倒圆384、386和负载齿根倒圆388、390优选地具有一样的倒圆并且可以具有和入扣齿根角倒圆374、376一样的倒圆。在负载齿侧面350、352的倒圆之间没有齿侧面或平坦因为负载齿顶倒圆384、386分别延伸进入齿根倒圆388、390以在负载齿侧面350、352上形成一个通常的S形。齿顶倒圆384、386优选地尽可能大以避免连接时的急转角而导致螺纹断裂。如图15和16所示，负载齿侧面342、352形成锁紧钩螺纹防止拉伸时分离作用在接头上。示出处于最终连接位置的入扣齿侧面340、342和负载齿侧面350、352。
以下说明本发明的接头的按序连接。装配程序以将销钉连接件292旋入套管连接件296开始。销钉连接件292的外圆锥形和套管连接件296的内圆锥形开始将销钉连接件292在套管连接件296里对齐。分别位于入扣齿侧面340、350上的入扣齿顶角倒圆370、372当套管连接件296至少容纳一半到四分之三销钉连接件292后啮合。在此阶段，入扣齿侧面340、350仅是接触。入扣深度可以由螺纹的锥度和斜度调整。入扣齿顶角倒圆370、372的啮合进一步将销钉连接件292在套管连接件296里自对准。
入扣齿顶角倒圆370、372的啮合和对准将销钉连接件292在套管连接件296里向前移动以提供必要的入扣间隙并允许销钉和套管连接件292、296上的螺纹移向并容纳在相应的销钉和套管连接件292、296上的对应容纳开口366的开口内。套管径向末端326的凸倒圆表面328还没有啮合销钉凹倒圆表面304并且销钉末端314还没有啮合套管环状内端面322。
初始入扣后，螺纹旋入入扣齿侧面上的齿根直到端面啮合。端面啮合后，附加的扭转将螺纹啮合从入扣齿侧面移到负载齿侧面。端面和附加的扭转将负载齿侧面结合在一起。负载齿侧面上的高扭矩接着使得高张力施加于钻杆组。
入扣齿顶角倒圆370、372初始接触后，管件290、294之一相对于另一个旋转同时入扣齿侧面340、342移动到啮合。以非常低的扭矩旋转将销钉和套管连接件292、296的螺纹从入扣位置移到引导位置。因为施加扭转，接头随着连接接头轴向并径向地移动。在一个部件相对于另一个部件的初始旋转或转动期间，螺纹移向齿根346、356的开口366并且入扣齿顶角倒圆370、372引导入扣齿侧面340、350上的平齿侧面378、380进入啮合。当有足够的旋转次数后通过入扣齿顶角倒圆370、372的引导停止从而螺纹直径增加一个等于相邻螺纹间的步高的距离。齿顶344、354现在已被齿根346、356的容纳槽366容纳。开始时只有入扣齿侧面340、350接触。负载齿侧面342、352之间有间隙。
随着另外的旋转的发生，螺纹由平齿侧面378、380引导进入齿根346、356同时螺纹依然旋在入扣齿侧面340、350上。销钉连接件292在套管连接件296里自由旋转因为在螺纹里或端面里有很小或没有干涉面。这种相对自由旋转一直延续到套管凸倒圆表面328和销钉凹倒圆表面304啮合以及销钉径向末端314和套管环状内端面322啮合。这是销钉连接件292和套管连接件296之间的最初干涉。直到有了一些干涉时才可以施加动力张紧扭矩。
一旦端面326、302和314、322啮合，负载开始从入扣齿侧面340、342向负载齿侧面342、352转移。这种转移也由在销钉和套管螺纹组310、320之间形成的螺纹干涉造成。随着接触从入扣齿侧面340、350向负载齿侧面342、352转移，扭矩开始增大因为销钉部件290和套管部件294的末端328、304和314、322之间分别接触，以及负载齿侧面342、352之间的接触。
螺纹从入扣齿侧面啮合到负载齿侧面啮合的转移导致入扣齿侧面340、350之间的间隙400。这样，必须施加动力张紧扭矩以继续连接件292、296的旋转连接这反过来对齿侧面接触产生一个从入扣齿侧面340、350向负载齿侧面342、352的改变。也就是说，需要负载齿侧面接触以将干涉的销钉和套管连接件292、296驱动，即动力扭转在一起。
当接头被完全连接后，凸倒圆表面328完全地被凹倒圆表面304容纳并置于凹倒圆表面304内以形成不滑动倒圆表面啮合315并且末端314紧邻环状端面322以形成贴合的端面啮合325。端面302和径向末端326的倒圆表面啮合以防止钻孔期间的滑动。
在最终连接中，完全动力张紧位置，另外施加的连接扭矩将套管凸倒圆表面328坐入销钉凹倒圆表面304内。螺纹和补偿配合的螺纹极小地干涉直到几乎完全装配好。随着附加的扭矩施加在接头上，销钉齿顶344和套管齿根356之间的干涉接触面积增加。凹倒圆表面304和凸倒圆表面328结合在一起后，套管部件齿根356/销钉部件齿顶344干涉地啮合并且销钉部件齿根346/套管部件齿顶354根据具体的接头的壁厚和公差可以干涉地啮合。扭转施加得越大，干涉越大。
接头的端面314、322和302、326受压缩而接头的螺纹组310、320受拉伸。这类管件不需考虑密封。最大的考虑是张力和高扭矩负载齿侧面350、352的负齿侧面角360将销钉螺纹组310和套管螺纹组320拉紧地结合。这样，作用在接头上的张力越大，螺纹负载齿侧面350、352间的锁紧作用越大。负齿侧面角不仅防止斜滑而且提高接头的扭转能力并消除斜滑从而没有屈服和过度扭转。螺纹的最大的倒圆角部也防止疲劳。
本发明所述的负齿侧面角360和锁紧端面302、328将接头锁在一起。这样，螺纹组310、320相互分开的趋势降低。这些特征导致螺纹保持相互锁紧从而减轻屈服和过度扭转的问题。此外，负载齿侧面350、352和销钉外齿顶344及套管齿根356也处于锁紧啮合状态从而提高接头的扭转能力。
螺纹平齿根346、356和齿顶344、354提供了由于在螺纹啮合时接触的最大的圆锥面而产生的扭矩。平齿根346、356和齿顶344、354也防止摆动。
本发明的螺纹牙形解决了工作环境的关键部件和在先技术的螺纹设计的不足。这种新的螺纹牙形防止接头的斜滑、摆动和疲劳并且还允许提高的扭矩以及最重要地提高了管件的寿命。
应当明白，本发明的接头可以使用其他螺纹牙形。此外，锁紧端面320、328可以使用标准螺纹。
可以用于本发明所述的接头的其他类型螺纹包括一种具有倒圆齿根和倒圆齿顶的标准30度V螺纹，一种在入扣齿侧面上有45度角以及在负载齿侧面上有30度角的螺纹，或者一种具有3或4度反角负载齿侧面和7度入扣齿侧面的螺纹。在多次连接类型的接头中优选地是具有典型地以每英尺两英寸开始的陡峭锥度的螺纹。利用陡峭的锥度，在螺纹啮合前销钉连接件更深地旋入套管连接件从而连接需要更少的时间。这也降低了螺纹上的磨损。
钩形负载螺纹连接好后是目前较好的接头，因为它可以防止端面和径向末端表面之间的滑动。但是，由于接头的多次连接和拆开，钩形负载螺纹不如V形螺纹耐磨损。
其他类型的螺纹也可以用于该接头。应当理解，可以使用任何类型的粗扣的、坚固的、工业标准的螺纹。接头可以使用方牙螺纹、钩形负载螺纹、或者V形螺纹。其他可用于本发明的螺纹牙形包括锯齿螺纹、梯形螺纹、高效螺纹、以及其他螺纹类型。通常由用户指定螺纹。
现在参照图10，示出一个钻杆柱278，它由具有如图6和7所示的优选接头的管件280、282、284和286装配而成。在此指出各图中相同的标号代表相同的部件。应当理解，尽管图6和7所示的接头示意于图10，但是也可以采用图8和9中的接头。管件280、282、284和286每一个在其各自的端部有一个销钉连接件192和套管连接件196并且由螺纹牙形210、222螺纹地连接。对于销钉连接件192和套管连接件196的每一个连接，套管连接件196上的凸倒圆表面突出228被容纳在销钉连接件192的凹倒圆表面204内以形成旋转的不滑动倒圆啮合215并且销钉连接件192的紧贴端面214紧邻套管连接件196的端面220以形成贴合的端面啮合225。
现在参照图11到16，示出用于本发明所述接头的优选螺纹。
波状外形的凹和凸倒圆表面比在先技术提供了更大的接触面。因为有更大的金属到金属的接触以及金属质量增加，这两个波状外形的倒圆表面在过度扭转和循环弯曲期间相对滑动的可能性更小。相互啮合的波状外形的倒圆表面作用类似于支撑面。图6到10的实施例的倒圆的端面不会锁死但防止当管件弯曲时端面相对前后滑动。这减小了套管连接件的末端在钻杆柱循环运动期间的屈服。
连接好后，套管连接件的末端首先和销钉连接件的外端面啮合然后在几千分之一英寸的进一步移动后，销钉连接件的末端和套管连接件的内端面啮合直到完全连接。这样，套管连接件的末端和销钉连接件的外端面完全连接。尽管有干涉，但这不是计划内干涉，诸如在油田的高质量接头，其中形成有金属间的密封以密封流体压力。首先结合套管连接件的末端的目的是减弱销钉连接件的压力，销钉连接件是首先屈服的部件。
对本发明的接头施加不断增加的扭矩以适当地啮合螺纹牙形并将协作端面结合在一起。优选的扭矩大小取决于接头的尺寸。例如，本发明典型地应用于2 3/8及更大尺寸的管件。2 3/8英寸的尺寸其优选的扭矩为2400到2500英尺-磅。
钻孔操作中，钻杆柱以高偏移置于钻孔内。另外，应当明白，所连接管件的数量可以是几千。因此，施加于大量的销钉和套管连接件上的力是非常大的。本发明的接头确保螺纹牙形啮合。此外，反力由相配合的倒圆表面及相配合的轴环部分和端面控制。还有，管件随后可以用于拉动扩孔器反经钻孔。管件可以使用多次。
通过在销钉连接件上设有一个凸倒圆表面，或者在套管连接件上设有一个凸倒圆表面，或者在套管和销钉连接件二者上设有一个凸倒圆表面，本发明的接头解决了在先技术的问题和不足。与在先技术的接头相反，相配合的倒圆端面避免销钉或套管连接件延伸。凸倒圆表面可以与凹倒圆表面协作，这反过来使得两管件之间有更多的金属到金属的接触，这提供更多的金属以强化接头，从而防止从套管外扩出来。另外，螺纹牙形保持的适当啮合从而防止常见于在先技术的接头的摆动。还有，即使套管连接件的末端外扩，螺纹牙形还保持啮合。这允许多次使用并且防止当钻杆柱使用时销钉连接件疲劳。
具体描述的实施例可以加以改变和修改而不脱离本发明的范围，该范围仅由所附的权利要求限定。
权利要求
1.一种管接头，包括一个销钉部件，具有从销钉头部延伸到销钉根的外锥形螺纹，所述销钉头部有销钉头部端面而所述销钉根有销钉根端面；一个套管部件，具有从套管头部延伸到套管根的内锥形螺纹，所述套管头部有套管头部端面而所述套管根有套管根端面；所述外和内锥形螺纹具有齿顶和齿根并且具有有正齿侧面角的入扣齿侧面以及有负齿侧面角的负载齿侧面；所述入扣齿侧面具有与插入所述套管部件内的所述销钉部件啮合的角部倒圆；所述负载齿侧面在所述齿顶和齿根有连续的角部倒圆；所述销钉和套管头部端面之一具有一个凸倒圆表面而所述销钉和套管根端面之一具有一个凹倒圆表面；以及所述凸倒圆表面和所述凹倒圆表面啮合。
2.如权利要求1所述的管接头，其特征在于，所述凸倒圆表面由所述套管头部端面上的一个突出构成并且所述凹倒圆表面由所述销钉根端面上的一个槽构成。
3.如权利要求1所述的管接头还包括，所述销钉和套管头部端面的另一个具有一个凸倒圆表面而所述销钉和套管根端面的另一个具有一个凹倒圆表面，所述销钉和套管头部端面的所述另一个的所述凸倒圆表面和所述销钉和套管根端面的所述另一个的所述凹倒圆表面啮合。
4.如权利要求3所述的管接头，其特征在于，所述销钉和套管头部端面的所述另一个的所述凸倒圆表面形成一个突出而所述销钉和套管根端面的所述另一个的所述凹倒圆表面形成一个槽。
5.如权利要求1所述的管接头，其特征在于，所述正齿侧面角大于所述负齿侧面角。
6.如权利要求1所述的管接头，其特征在于，所述负齿侧面角约为15度而所述正齿侧面角约为20度。
7.如权利要求1所述的管接头，其特征在于，当所述销钉部件旋入所述套管部件后在所述负载齿侧面之间由一个至少为0.006英寸的间隙。
8.如权利要求1所述的管接头，其特征在于，所述外螺纹包括位于所述销钉根部的旋出螺纹和从所述旋出螺纹延伸到所述销钉头部的全高螺纹。
9.如权利要求1所述的管接头，其特征在于，所述凸倒圆表面和所述凹倒圆表面形成倒圆面，连接时随着施加扭矩增加了所述销钉和套管部件之间的金属到金属的接触。
10.如权利要求1所述的管接头，其特征在于，所述凸和凹倒圆表面具有基本平行于所述部件纵轴的部分从而当连接时形成一个不滑动的啮合。
11.如权利要求1所述的管接头，其特征在于，所述负负载齿侧面形成钩形负载螺纹。
12.一种螺纹管接头，包括一个具有锥形内螺纹的套管和一个具有锥形外螺纹的销钉，当连接接头时锥形外螺纹与套管上的螺纹啮合，套管和销钉上的所述螺纹具有有负齿侧面角的负载齿侧面以及有正齿侧面角的入扣齿侧面，正齿侧面角大于负载齿侧面的负齿侧面角，当销钉进入套管内由于销钉和套管的相对旋转所述入扣齿侧面啮合，所述套管有一个突出而所述销钉有一个槽，在旋转地连接时它们啮合并在旋转地连接螺纹接头时将负载从入扣齿侧面转移到负载齿侧面。
13.一种管接头，包括一个具有锥形外螺纹的销钉部件，包含从所述销钉部件的根部延伸到头部的全高螺纹和旋出螺纹；一个具有锥形内螺纹的销钉部件，包含从所述套管部件的根部延伸到头部的全高螺纹；所述螺纹包括槽，所述螺纹具有齿顶和齿根以及入扣和负载齿侧面，其中所述入扣齿侧面具有入扣齿顶角倒圆和入扣齿根角倒圆以及其间有平齿侧面，所述负载齿侧面具有形成S形的连续倒圆；所述套管头部与所述销钉根部啮合以形成锁紧的端面；所述套管部件容纳所述销钉部件直到所述角部倒圆啮合；所述角倒圆引导所述螺纹进入所述容纳槽并且当所述销钉或套管部件之一相对于另一个部件旋转时所述平齿侧面引导所述入扣齿侧面啮合；以及当形成所述端面啮合时所述入扣齿侧面啮合转移到所述负载齿侧面啮合。
14.一种管状钻杆柱，包括具有内径和外径的一个第一管件和一个第二管件；在所述第一管件上的一个销钉端，具有一个第一端面、具有负负载齿侧面和正入扣齿侧面的第一螺纹、和一个第一径向端，所述第一端面有一个第一轴环和一个有第一表面的第一槽；在所述第二管件上的一个套管端，具有一个第二径向端、具有负负载齿侧面和正入扣齿侧面的用以螺纹地啮合所述第一螺纹的第二螺纹、和一个第二端面，所述第二径向端有一个第二轴环和一个有第二表面的第二突出部件该突出部件设置在所述第二管件的所述套管端上用以当连接接头时被所述销钉端上的所述第一槽容纳；所述第一和第二表面倒圆用以当连接时施加扭矩时增加所述销钉端和套管端之间的表面接触；以及连接时所述第一径向端紧贴所述第二端面。
15.如权利要求14所述的管状钻杆柱，其特征在于，连接时所述第一和第二轴环紧贴。
16.如权利要求15所述的管接头，其特征在于，所述第二端面包括一个第三轴环和一个具有一个第三表面的第二槽，并且所述第一径向端有一个第四轴环和一个有第四表面的第一突出部件，所述第三和第四表面被倒圆以当连接时施加扭矩时增加所述销钉和套管端之间的表面接触。
17.如权利要求16所述的管接头，其特征在于，连接时所述第三和第四轴环紧贴。
18.一种接头，包括一个有第一螺纹和一个第一末端及一个第一端面的销钉连接件，该螺纹具有负负载齿侧面和正入扣齿侧面，该第一端面具有一个第一倒圆面；一个有第二螺纹和一个第二末端及一个第二端面的套管连接件，该螺纹具有负负载齿侧面和正入扣齿侧面，该第二端面具有一个第二倒圆面；所述第一倒圆面延伸经过所述第一端面并且所述第二倒圆面延伸经过所述第二末端，以及当连接时所述第一和第二倒圆面啮合。
19.一种连接管接头的方法，包括将一个螺纹销钉部件旋入一个螺纹套管部件；啮合销钉和套管部件的入扣齿侧面上的角部倒圆；在所述螺纹之间形成间隙；相对旋转销钉和套管部件；引导销钉和套管部件上的所述螺纹进入相应的销钉和套管部件上的容纳槽内；啮合套管部件头部和销钉部件根部上的倒圆面；将负载从入扣齿侧面转移到螺纹上的负载齿侧面；以及锁紧倒圆面。
20.如权利要求19所述的方法，还包括将销钉部件在套管部件内对中。
21.如权利要求19所述的方法，还包括在倒圆面啮合前将销钉部件至少旋入套管部件的半程。
22.如权利要求19所述的方法，还包括当引导螺纹进入槽内时啮合入扣齿侧面而不啮合负载齿侧面。
23.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述倒圆面的啮合导致负载从入扣齿侧面转移到负载齿侧面。
24.如权利要求19所述的方法，还包括在销钉根部和套管头部之间形成一个锁紧的端面。
25.如权利要求19所述的方法，还包括啮合销钉根部和套管头部以形成一个锁紧的端面。
26.一种钻制钻孔的方法，包括连接多个管件形成一个钻杆柱，每一个都有一个螺纹销钉连接件和一个螺纹套管连接件；啮合相邻的销钉和套管连接件的螺纹以连接相邻的管件；啮合每个接头上的销钉和套管连接件上的至少一套锁紧端面；啮合销钉和套管连接件的螺纹上的钩形负载齿侧面；旋转并驱动钻杆柱以钻制钻孔；当钻杆柱被驱动进入钻孔时吸收钻杆柱在锁紧端面上的压力；当钻杆柱经过钻孔的曲折部分时循环弯曲接头；循环弯曲期间保持锁紧端面和负载齿侧面的啮合；将扩孔器连接在钻杆柱上；拉动钻杆柱上的扩孔器反经钻孔；以及当拉动扩孔器反经钻孔时吸收钻杆柱在负载齿侧面上的张力。
全文摘要
一种钻杆柱包括多个管件,每一个都有一个具有位于相邻管件上的一个销钉连接件和一个套管连接件的接头。销钉连接件有一个具有负负载齿侧面(352)和正入扣齿侧面(340)的外螺纹,用于螺纹地啮合相邻管件的套管连接件上的带有负负载齿侧面和正入扣齿侧面的内螺纹。正入扣齿侧面具有角部倒圆(370、374)而负负载齿侧面具有形成S形的倒圆。销钉连接件有一个外槽(66)以容纳套管连接件的末端上的一个突出(86)从而形成锁紧端面。突出和槽具有波状外形表面提供了较大的金属到金属的接触以防止钻杆柱过度扭转和循环弯曲期间波状外形表面滑动。负负载齿侧面和锁紧端面将接头锁紧在一起。负负载齿侧面吸收接头上的张力而锁紧端面吸收接头上的压力。
文档编号F16L15/00GK1375034SQ00813094
公开日2002年10月16日 申请日期2000年8月7日 优先权日1999年8月10日
发明者休伊·P·奥利维尔 申请人:亨廷油田服务公司