专利名称：具有螺纹整体接合连接件的的管材的制作方法
技术领域：
本发明涉及管件，尤其涉及具有螺纹连接件的整体接头的石油工业用管材。
背景技术：
从选定地层生产石油、天然气或其它流体的井眼一般被分级钻进。例如，井眼可以采用钻柱和具有第一直径的第一钻头钻成。在井眼第一部分的预定深度，钻柱和钻头被从井眼中移走。较小直径的管件，通常指套管或套管柱，放置在井眼的第一部分。形成于井眼内径和套管外径间的环形空间中充满泥浆。泥浆支承套管并使其与地层或岩层隔离。多数完成的井眼在靠近井表面处具有相对较大直径的套管，并有更小直径的套管，该小直径套管以伸缩式或步进式结构向井下延伸。
很深和/或很长的井，往往被称作大位移井(20,000英尺或更长)，从井表面到井眼的整个深度上套管直径可以有三或四次改变。套管直径的每一次改变通常导致用于生产地层流体的相关生产管直径的减小。深井和/或长井中套管直径的改变通常导致钻井和完井费用的显著增加。许多油气井使用紧密的(solid)膨胀套管钻成。电阻焊(ERW)管经常被用来制造这种套管。
发明内容
根据本发明的启示，提供具有螺纹连接的紧密的径向膨胀管材来钻成井眼。本发明的一个方面包括提供螺纹连接件，其可与整体接头一起使用以使管材相互可松开地接合，并可适应完井过程中管材在井下的径向膨胀。这种螺纹连接件及相关的整体接头更适宜在上述径向膨胀后维持预期液密封和机械强度。根据本发明的启示制成的整体接头和相关的螺纹连接件也可以与没有被设计用于井眼中径向膨胀的管材一起使用。
管件可以制成为具有根据本发明的启示形成的螺纹连接的平头式整体接头或锻造(swage)式整体接头。每一螺纹连接件可以包括一个第一管件的阳螺纹端和一个第二管件的阴螺纹端，两者可松开地接合。在某些情形下，所述螺纹连接件可以包括具有正入扣侧角(stab flank angle)和负承载侧角(load flankangle)的改进的锯齿式螺纹形状或螺纹牙形。管件及其相关的螺纹连接件可以使用选定的材料和技术制成，该选定的材料和技术使其能在井眼中的井下位置径向膨胀。
对于某些井的完成，每个管件的阳螺纹端和阴螺纹端具有大体相同的公称外径。每一螺纹连接件的组合壁厚基本与管件的公称壁厚相同。一钻柱或通过根据本发明的启示形成的螺纹连接件可松开地相互接合的管件组，可具有大致相同的内径和大致相同的外径。这类螺纹连接件可以称作“平头接合”。
对于另外一些井的完成，每一管件可形成有阴螺纹端，该阴螺纹端的公称外径大于相关的管件的公称外径。每一管件可以有阳螺纹端，该阳螺纹端的锥形外径等于小于(equal to less than)相关管件的公称外径。每一管件阴螺纹端的内径优选为容纳另一管件阳螺纹端的锥形外径。每一螺纹连接件的组合壁厚可大于相应管件的公称壁厚。除了形成在每一螺纹连接件附近的相应环形槽外，钻柱或通过根据本发明的启示形成的螺纹连接件相互可松开地接合的管件细可以具有大致相同的内径。除了与每一螺纹连接件相邻的每一阴螺纹端具有增大的外径外，钻柱或管件组的外径可以相对一致。这类螺纹连接件往往被称作“锻造接头”。
本发明的技术好处包括提供具有螺纹连接件的紧密的径向膨胀的管件，其实质上减少或消除了从相应的井表面至预期井下位置井眼的伸缩或变细的需要。螺纹连接件优选维持管件和相关的螺纹连接件径向膨胀过程中的预期机械强度和液密完整性。根据本发明的启示形成的螺纹牙形可以用细砂粒微粒喷砂处理(有时指糖化(sugar)喷砂处理)，以使两螺纹面之间潜在的磨损减少或降至最低。
在某些情形下，一个或多个螺纹牙形上可以涂或镀上一层锡、锡合金、锌或其它选择的材料，这些选择的材料有助于维持相关的阳部件和阴部件的相应螺纹牙形之间的液密封。管件和相关的螺纹连接件的径向膨胀过程中产生的热量和压力可以导致这些材料流入螺纹连接件的膨胀形成的任意空隙空间中。
对于某一具体情形，每一螺纹连接件可以包括具有每英寸五个锯齿式螺纹以及每英尺约四分之三英寸锥度的螺纹牙形。对于另一具体情形，每一螺纹连接件可以包括具有每英寸六个锯齿式螺纹以及每英尺约一又四分之一英寸锥度的螺纹牙形。
与每一螺纹连接件相关的一阳螺纹端可以具有以大约15度(15°)的角度形成的相应斜切面，其大小与相应的轴肩令人满意地接合，所述台肩以大约15度(15°)的角度在相关的阴螺纹端的内部形成。每一种牙形可以具有约减五度或负五度(-5°)的承载侧角和约正二十五度或加二十五度(+25°)的入扣侧角。
在某些情形下，形成的每一螺纹可以具有约减五度或负五度(-5°)的承载侧角和约正十度或加十度(+10°)的入扣侧角。每一螺纹连接件的阳螺纹端终止于一个端面或末端，该端面或末端沿大体垂直于相应的第一管件的纵轴线的方向延伸。第一斜切面可以形成在靠近相应末端的每一阳螺纹端的内径上。该阳螺纹端的尺寸可以令人满意地与相应阴螺纹端接合。从每一阳螺纹端的末端延伸出的锥形密封面可以与形成在相应阴螺纹端内的相应锥形密封面接合，以形成位于两者间的流体屏障。每一螺纹连接件的阴螺纹端在端头也可以终止于与相应的第二管件的纵轴线近似垂直延伸的端面或末端。第二斜切面可以形成在靠近该末端的每一阴螺纹端的外径上。该阴螺纹端的末端可以设计为与第一管件外部上设置的相应台肩接合的尺寸。该台肩可以与相应阳螺纹端的末端纵向间隔。
根据本发明的启示形成的径向膨胀管件可以使井被钻至相当深的地质位置或距生产平台非常远的位置，使用传统钻井和套管技术达到该位置是困难和/或昂贵的。使用这种具有螺纹连接件的紧密的径向膨胀管材可以仅使用一种尺寸的套管钻进和完成钻井，该套管从井表面延伸至相当深的井下位置和/或大位移位置。仅需要一种或两种尺寸的套管完成井眼使得可以将地面设备、相应钻机、钻柱和钻头尺寸标准化以显著节省费用。
在某些情形下，根据本发明的启示形成的具有整体接头连接件的管件可以沿径向膨胀其原始外径的百分之二十(20％)，并在这种膨胀后仍能令人满意地保持高达每平方英寸三千五百磅(3,500psi)的内部液压。根据本发明的启示形成的整体接头连接件可以提供所需的机械强度以完成深井和/或大位移井，并在相关的管件内部和外部之间提供所需的流体、压力密封。
参考下面结合附图的描述，可对本发明及其优点有更完全和彻底的理解，附图中相同的附图标记指代同样的特征，且其中图1A是根据本发明的启示形成的第一管件的截面示意图和部分剖开正面示意图，该管件具有带相应的螺纹部分和密封面的阳螺纹端和阴螺纹端；图1B是从图1A中管件的阳螺纹端部分剖开截面放大示意图；图1C是从图1A中管件的阴螺纹端部分剖开截面放大示意图；图2是部分剖开截面示意图，示出了根据本发明的启示相互可松开地接合前，第二管件与图1A中的第一管件对准；图3是部分剖开截面示意图，示出了在形成一种锻造式整体接头连接前，第二管件的阴螺纹端与第一管件的阳螺纹端可松开地连接处于手紧(handtight)位置；图4是部分剖开截面示意图，示出了第二管件的阴螺纹端与第一管件的阳螺纹端可松开地接合以形成根据本发明的启示的锻造式整体接头连接；图5A是根据本发明的启示形成的第一管件的截面示意图和部分剖开正面示意图，该管件具有带相应的螺纹部分和密封面的阳螺纹端和阴螺纹端；图5B是图5A中管件的阳螺纹端部分剖开截面的放大示意图；图5C是图5A中管件的阴螺纹端部分剖开截面的放大示意图；图6是部分剖开截面示意图，示出了根据本发明的启示相互可松开地接合前，第二管件与图5A中的第一管件对准；图7是部分剖开截面示意图，示出了在形成一种根据本发明启示的平头式整体接头连接前，第二管件的阴螺纹端与第一管件的阳螺纹端可松开地接合处于手紧位置；图8是部分剖开截面示意图，示出了第二管件的阴螺纹端与第一管件的阳螺纹端可松开地接合处于动力拧紧(power tight)位置，从而形成平头式整体接头连接；图9是部分剖开截面示意图，示出了具有至少一螺纹部分的螺纹连接放大图，该螺纹部分上有根据本发明启示设置的一层锡或其它可延展涂层；以及图10是部分剖开截面示意图，示出了径向膨胀后的图9中螺纹连接的放大图。
具体实施例方式
参考图1A-10，本发明的优选实施例及其优点可以得到很好的理解，附图中相似的附图标记指代相同和相似的部件。
本申请中使用的术语“石油工业用管材”和“OCTG”包括套管、管道、导杆接头、接头以及与油井、天然气井、地热井或任意其它地下井钻探、生产或维护有关的任意其它种类的管或管件。结合本发明启示的螺纹连接可以形成在多种石油工业用管材上，包括可膨胀和不可膨胀管件。
本申请中使用的术语“焊接管”和“焊接管材”包括由扁钢或带钢制造的任意管、管件或接头，扁钢或带钢穿过用来形成纵向对接接头的设备并沿纵向对接接头焊接。可采用一列成形辊子来制成这类纵向对接接头。生成的纵向对接焊缝或纵向缝焊可采用各种技术成形，例如电阻焊(ERW)，电弧焊，激光焊接，高频感应焊和适于生产纵向焊缝的其它任意技术。焊接管和焊接管材可以用单根杆件生产，或由来自卷曲制管钢板的连续杆件生产后切成单一杆件生产。
本申请中所用术语“平头接头”和“平头式连接件”指在两中空管件间形成的螺纹连接件，所述两管件具有大致相同的公称外径、内径和壁厚。螺纹连接件的外径、内径和细合壁厚也近似等于管件的相应尺寸。
本申请中，术语“锻造接头”和“锻造式连接件”可用来描述在两中空管件间形成的螺纹连接件。每一管件可以具有相应的阴螺纹端和阳螺纹端。各阴螺纹端的外径可以大于相关管件的公称外径。各阴螺纹端的内部尺寸和结构最好选定为与相关阳螺纹端的相应外部尺寸和结构一致。形成的螺纹连接件的外径一般大于相应管件的公称外径。除了靠近相关阳螺纹末端形成的环形槽外，螺纹连接件的内径一般大致等于相关管件的公称内径。螺纹连接件的组合壁厚可以大于相关管件的公称壁厚。
术语“整体接头”可用来描述不使用接头或任意其它设备时在两中空管件间形成的螺纹连接件。这类整体接头的例子包括螺纹平头接头和螺纹锻造接头，但并不限于此。
本发明的各方面将针对使用电阻焊(ERW)技术形成的径向膨胀管件进行描述。然而，本发明不限于与由ERW技术生产的径向膨胀管件一起使用。各种其它管件和石油工业用管材(OCTG)可以与根据本发明的启示形成的螺纹连接件相互可松开地接合。
ERW技术通常使得焊接管的壁厚能有更好的质量控制并且使材料缺陷减至最少。相比由无缝管制成的管件，根据本发明的启示从ERW管制成的管件在径向膨胀后具有更好的性能特征，例如机械强度和液密完整性。然而，根据本发明的启示制成的螺纹连接件和整体接头不限于在由ERW管制成的管材上使用。
针对图1A-10中所示的管件20和120对本发明的各方面进行描述。为了描述本发明的某些特点，管件20和120在有些情况下记作20a，20b，120a和120b。
在某些情形下，管件20和120可以是用来完成井眼的套管柱(未明确示出)的部分。管件20和120可以具有与传统油田套管柱一致的某些总尺寸和形状。在另外一些情况下，各种类型的井下完成钻井的工具(未明确示出)可以具有与管件20和/或120的螺纹部分对应的螺纹部分。例如，一种衬管悬挂器(未明确示出)可以形成有阳螺纹端和/或阴螺纹端，其尺寸分别与管件20或120的阳螺纹端或阴螺纹端对应。
图1A-10通常将管件20的阳螺纹端21和管件120的阳螺纹端121显示在“上方”位置，将管件20的阴螺纹端22和管件120的阴螺纹端122显示在“下方”位置。一般而言，管件例如钻柱、套管和生产管道用向上的阴螺纹端和向下的阳螺纹端插入或进入井眼。为了连接和断开OCTG的螺纹连接，通常首选阴螺纹端“向上”。在下面将要更详细地说明，管件20和120可以定位成相应的阳螺纹端21和121处于“上方”位置，以辅助处于井眼中选定井下位置的管件20和120的径向膨胀。然而，具有结合本发明启示的螺纹连接件的管材可以以阴螺纹端“向上”或者阳螺纹端“向上”的方式安装在井眼中，依每一口井的完成井的需要而定。
形成在相应阳螺纹端21和121上的螺纹部分31和131优选具有外螺纹牙形。形成在相应阴螺纹端22和122内的螺纹部分32和132优选具有内部牙形，其可与具有阳螺纹端的另一管件可松开地接合，该阳螺纹端具有螺纹部分31或131。螺纹部分31，32，131和132可以具有与美国石油学会(API)的石油工业用管材的锯齿螺纹相似的螺纹形状或螺纹牙形。API规格标准5B包含与OCTG相关的各种类型螺纹的信息。
对于图1A-10所述的本发明的一些实施例，螺纹部分31，32，131和132通常被描述为具有改良锯齿螺纹形状。与比较传统的锯齿牙形相比，根据本发明的启示形成的螺纹部分31，32，131和132优选包括几点明显的不同。例如，螺纹部分31，32，131和132的螺纹形状或螺纹牙形优选具有负承载侧角和正入扣侧角。螺纹部分31，32，131和132的锥形螺纹牙形和正牙侧角相互配合以实现阴螺纹端22与相应的阳螺纹端21以及阴螺纹端122与相应的阳螺纹端121的连接。见图2，3和4以及图6，7和8。
根据本发明的启示形成的第一牙侧角或入扣侧角可以在约正十度(+10°)和正四十五度(+45°)之间变化。根据本发明的启示形成的螺纹连接可有约负三度(-3°)和负十五度(-15°)之间的第二牙侧角和承载侧角。
根据本发明的启示形成的管材和螺纹连接的各种特征允许管材和相应的螺纹连接径向膨胀，同时保持预期的机械强度和液密整体性。这些特征包括负承载侧角44和84，其能保持在管件20径向膨胀过程中相应的螺纹部分31，32，131和132的两者之间紧密接触。负的承载侧角可以根据本发明的启示选定，以提供预期的抗张强度，防止径向膨胀过程中相应的螺纹部分31，32，131和132脱离。
图1A示出了可以使用电阻焊(ERW)技术形成的管件20。在本实施例中，管件20可以被一般性地描述为一种套管的细长中空段。管件20包括具有贯通延伸的纵向孔24的第一端或阳螺纹端21以及第二端或阴螺纹端22。纵向孔24可以部分地由纵轴线23和内径52界定。根据本发明的启示形成的螺纹部分31和32优选形成在每一管件20的相应的阳螺纹端21和阴螺纹端22上。
管件20可以初始形成有毛坯端(未明确示出)。每一管件20的一端可以被锻压从而形成与阴螺纹端22相关的总尺寸相应的一加大外径和一加大内径。多种锻压技术可以令人满意地在每一管件20的一端形成阴螺纹端22。与相关管件20的其它部分相比，锻压过程中阴螺纹端22的外径和内径通常增大。阳螺纹端21的内径通常与管件20的内径52保持相同。阴螺纹端22的公称壁厚通常会与管件20的公称壁厚保持大致相同。锻压技术可能特别适于用在径向膨胀管件上。
如图1B所示，螺纹部分31的牙形可以包括在相应的螺纹顶部46和螺根48之间延伸的第一侧或入扣侧42以及第二侧或承载侧44。在示于图1C的相似情形下，螺纹部分32的牙形包括在相应的螺纹顶部％和螺根88之间延伸的第一侧或入扣侧82以及第二侧或承载侧84。在某些情形下，第一侧或入扣侧42和82相对垂直于纵向孔24的纵轴线23布置的平面以约正十度(+10°)的角度形成。第二侧或承载侧44和84相对同一平面以约负五度(-5°)的角度形成。
在某些情形下，螺纹部分32的螺根88可以比螺纹部分31的螺纹顶部46大(如0.001英寸)，以适应在相关螺纹连接件的动力拧紧和管件20的井下径向膨胀过程中涂层100的重新分配和流动。见图9和图10。可以减小螺纹顶部46和86的高度以增加相关螺纹连接件的机械强度。例如，与大多数典型的锯齿螺纹高度0.062英寸相比，螺纹顶部46和86可以具有大约0.052英寸的高度。
阴螺纹端22可以从末端26开始由每一管件20锻压部分加工，以提供预期长度、外径、内径和壁厚的总体尺寸。螺纹部分32可以在末端26和加大槽50之间形成。加大槽50有时被描述为“油脂捕集器”，其接收螺纹部分31或32上的任意过量的螺纹涂料或油脂。加大槽50特别有助于接收螺纹连接形成的过程中过量的螺纹涂料或油脂，如图4中所示。螺纹部分32在靠近加大槽50处终止。斜切面28可以形成在靠近末端26的阴螺纹端22的外径上。斜切面28有时可以相对纵轴线23以约八十度(80°)的角度形成。锥形密封面34可以在靠近加大槽50的阴螺纹端22的内径上形成。
在某些情形下，螺纹部分32，加大槽50和锥形密封面34可以使用一种螺纹车床(未明确示出)一次通过形成，该螺纹车床延伸穿过纵向孔24的端部26而形成阴螺纹端22的内部。加大槽50可适应依赖具体螺纹切削工具的结构和设计的相关螺纹切削工具的收回。
如图1A和1B所示，阳螺纹端21可以包括末端25，螺纹部分31和位于相应管件20外部的台肩27。阳螺纹端21的末端25通常可以垂直于相应纵轴线23的方向延伸。斜切面29可以形成在邻近末端25的阳螺纹端20的内部。在某些情形下，斜切面29可以相对相应的纵轴线23以大约45度(45°)的角度延伸。台肩27通常也可以垂直于相关纵轴线23的方向延伸。台肩27优选设定为与相应的阴螺纹端22末端26接合的尺寸。
与相应阳螺纹端21的内径52相比，阴螺纹端22的内径通常被增大。当阳螺纹端21与相应的阴螺纹端22接合时，各阳螺纹端21和阴螺纹端22的尺寸优选选定为使管件20a的阳螺纹端21的内径52与管件20b的内径52大体对准。见图2，3和4。环形槽40可以形成在靠近相应阳螺纹端21的末端25处的每一螺纹连接件内。可以在阳螺纹端21上设置斜切面29以使与井下工具或漂移检测工具(未明确示出)穿过纵向孔24的运动产生的干涉最小。在与相应阴螺纹端22的连接过程中，末端25和阳螺纹端21的相邻部分可以朝纵轴线32偏移。
根据本发明的启示形成的管件20a和20b相互可松开地接合，如图3和图4所示。管件20a和20b可以由具有基本相同公称外径、内径和壁厚的ERW管制成。与相应管件20a和20b的其它部分相比，每一阴螺纹端22具有更大的外径。结果，当管件20b的阴螺纹端22与管件20a的阳螺纹端21可松开地接合时，形成的螺纹连接件可以称作“锻造接头”，其中阴螺纹端22的外径大于相邻的管件20a的外径。相应的纵向孔24的内径52和阳螺纹端21基本相等。见图3和4。
图2显示了在连接管件20a和20b以插入井眼(未明确示出)前第一管件20a和第二管件20b的典型方位。本发明使多根管件20能相互可松开地连接在一起形成套管柱以完成钻井。第一管件20a可以定位井眼上的钻井平台或井维修平台(未明确示出)上，其中阳螺纹端21向上以容纳第二管件20b的阴螺纹端22。用来将石油工业用管材连接和断开连接的各种类型的管钳和其它动力设备可令人满意地用来将第二管件20b的阴螺纹端22与第一管件20a的阳螺纹端21可松开地接合。为了描述本发明的各种特征，现描述管件20b的阴螺纹端22与管件20a的阳螺纹端21的连接或可松开地接合的过程。
螺纹部分31和32可以具有基本相同的长度36。螺纹部分31的长度36可以从阳螺纹端21的末端25到形成在管件20外部的台肩27测量。每一管件20的螺纹部分32的长度36可以从末端26到大致垂直于纵轴线23延伸的一平面测量，该平面靠近锥形密封面34的与相应放大槽50相对的端部。见图1A。管件20a和20b的螺纹部分31和32的长度36可以这样选定以使阴螺纹端22的末端26抵接相应阳螺纹端21的台肩27，且阳螺纹端21的锥形密封面35优选地与阴螺纹端22的锥形密封面34接合。见图3和4。
API规格标准5B中所示的螺纹连接可以被制成“基本手紧位置”和“基本动力拧紧位置”，如相应的石油工业用管材外部标志所示。管件20b的阴螺纹端22相对管件20a的阳螺纹端21的手紧位置示于图3中。
在某些情形下，螺纹部分31和32每英寸具有至少五(5)个螺纹的匹配的螺纹牙形。在另外一些情形下，螺纹部分31和32每英寸具有六(6)个螺纹。螺纹部分31和32的各种尺寸选定为可提供手紧位置，该位置部分上由管件20a的末端25和管件20b的台肩28间约两(2)个螺纹的距离(stand off)所限定。见图3。
具有两个螺纹距离的手紧位置的螺纹连接件的尺寸实例示于表1和2中。具有手紧位置的石油工业用管材的螺纹连接件的典型距离通常是一个螺纹或更少。手紧位置处两个螺纹的距离帮助维持径向膨胀过程中相关螺纹连接件的机械完整性和液密或密闭完整性。
在某些情形下，相对平滑的无螺纹部分或锥形密封面35可以形成为从每一阳螺纹端21的末端25延伸出的螺纹部分31的部分。相对平滑的无螺纹部分或锥形密封面34也可以形成在从加大槽50延伸出的阴螺纹端22内。密封面34和35可以形成一种“锥形”金属对金属的密封或位于两者之间的流体屏障。在某些情形下，密封面34和35可以沿与相应螺纹牙形31和32的锥度大致相等的锥度延伸。
当螺纹部分31和32有两个螺纹的距离时，锥形密封面34和35之间可以形成金属对金属的接触。螺纹部分31和32之间进一步旋紧可以导致阳螺纹端121向锥形密封面35偏移约0.025英寸。该偏移导致密封面34和35之间形成增强的金属对金属密封或流体屏障。
阴螺纹端22的锥形密封面34和阳螺纹端21的锥形密封面35的接合可导致井眼内一井下位置的管件20a和20b在径向膨胀时相应的螺纹连接件的改进的性能。当胀开心轴或类似工具移动通过纵向孔24时，无螺纹部分34和35之间的直接接触导致径向膨胀而不会使相应的螺纹部分34和35脱离。在某些情形下，无螺纹部分34和35可具有大约一(1)英寸或更长的长度。无螺纹部分34和35相互配合以调整相应的螺纹连接件变形时阳螺纹端21和阴螺纹端22的径向膨胀。
图5A显示了可使用电阻焊(ERW)技术形成的管件120。在本实施例中，管件120通常被描述为一种细长中空套管段。管件120包括有纵向孔24贯穿其中的第一端或阳螺纹端121以及第二端或阴螺纹端122。纵向孔24部分上可由纵轴线23和内径52限定。管件120可以初始形成有毛坯端(未明确示出)。然后，结合本发明启示的相应螺纹部分131和132可以使用传统的管子套丝机和设备(未明确示出)形成在阳螺纹端121和阴螺纹端122上。螺纹部分131和132可以与已描述的管件20的螺纹部分31和32具有相似的尺寸和形状。在另一些情形下，螺纹部分131和132的尺寸和形状可以根据本发明的启示加以改进。
如图5B所示，螺纹部分131的牙形可以包括在相应的螺纹顶部46和螺根48之间延伸的第一侧或入扣侧42以及第二侧或承载侧44。在示于图5C的相似情形下，螺纹部分132的牙形包括在相应的螺纹顶部86和螺根88之间延伸的第一侧或入扣侧82以及第二侧或承载侧84。在某些情形下，第一侧或入扣侧42和82相对垂直于纵向孔24的纵轴线23布置的平面以约正二十五度(+25°)的角度形成。第二侧或承载侧44和84相对同一平面以约负五度(-5°)的角度形成。
在下面将更详细地说明，阳螺纹端121可以包括第一台肩127，其大小与相应管件120的阴螺纹端121的末端126相接合。见图8。第二台肩128可以形成在阴螺纹端122上，其加大槽50位于第二台肩128和螺纹部分132之间。螺纹部分132在接近加大槽50处终止。阴螺纹端122上的台肩128具有与斜切面134一致的负角，斜切面134具有形成在阳螺纹端121的末端125上的正角。在某些情形下，螺纹部分132，加大槽50和台肩128可以使用一种螺纹车床(未明确示出)一次通过形成，该螺纹车床从纵向孔24的末端126开始从而形成阴螺纹端122的内部。阴螺纹端122可以具有与管件120相同的公称外径，内径和壁厚。
如图5A和5B所示，斜切面134可形成在阳螺纹端121的末端125上。在某些情形下，斜切面134可以相对垂直于纵向孔24的纵轴线23布置的平面以约正十五度(+15°)的角度延伸。阴螺纹端122的台肩128可以相对垂直于纵向孔24的纵轴线23布置的平面以约负十五度(-15°)的角度形成。在另外一些情形下，斜切面134可以形成为具有约75度(+75°)和九十度(+90°)之间的正角。台肩128可以形成为具有大致相应于在约十五度(-15°)和零度(°)之间的负角。结果，当管件120b的阴螺纹端122与管件120a的阳螺纹端121可松开地接合时，相对于阴螺纹端管件120a和120b的外径以及相应纵向孔24的内径，形成的螺纹连接件可称作“平头接头”。见图7和8。
图6显示了在连接管件120a和120b以插入井眼(未明确示出)前第二管件120b和第一管件120a的典型方位。本发明允许多根管件120能相互可松开地接合在一起以形成套管柱从而完成钻井。通常，第一管件120a可以定位在井眼上方的钻井平台或井维修平台(未明确示出)上，其中阳螺纹端121向上以容纳第二管件120b的阴螺纹端122。用来将石油工业用管材连接和断开螺纹连接的各种类型的管钳和其它动力设备可令人满意地用来将第二管件120b的阴螺纹端122与第一管件120a的阳螺纹端121可松开地接合。
螺纹部分131和132可以具有基本相同的长度36。螺纹部分131的长度36可以从阳螺纹端121的末端125到形成在管件120外部的第一台肩127测量。管件120的螺纹部分132的长度36可以从阴螺纹端122的末端126到形成在阴螺纹端122内部的第二台肩128测量。螺纹部分131和132的长度36可以这样选定以使阴螺纹端122的末端126抵接阳螺纹端121外部的第一台肩127，且阳螺纹端121的末端125抵接阴螺纹端122的第二台肩128。见图7和8。
API规格标准5B中所示的螺纹连接件可以被制成“基本手紧位置”和“基本动力拧紧位置”，如相应的石油工业用管材外部上的标志所示。管件120b的阴螺纹端122相对管件120a的阳螺纹端121的手紧位置示于图7中。
在某些情形下，螺纹部分131和132具有每英寸五(5)个螺纹的匹配的螺纹牙形。在另外一些情形下，螺纹部分131和132可以有每英寸多于五(5)个螺纹。管件120的螺纹部分131和132的各种尺寸选定为可提供手紧位置，该位置在部分上由在管件120a的末端25和管件120b的台肩28间约两(2)个螺纹的距离来限定。见图7。
在某些情形下，相对平滑的无螺纹部分135可以形成为从阳螺纹端121的末端125延伸出的螺纹部分131的部分。相对平滑的无螺纹部分137也可以形成在台肩128和加大槽50之间的阴螺纹端122上。螺纹部分135和137可以制造成锥形，以便在阳螺纹端121和阴螺纹端122相互接合时彼此接合。无螺纹部分135和137的相互接合可形成流体屏障。
阳螺纹端121的无螺纹部分135和阴螺纹端122的无螺纹部分137间的接合导致井眼内井下位置的管件120a和120b径向膨胀时相应的螺纹连接具有改良的性能。当胀开心轴或类似工具移动通过纵向孔24时，无螺纹部分135和137之间的直接接触导致径向膨胀而不会使相应的螺纹部分31和32脱离。在某些情形下，无螺纹部分135和137可具有大约一(1)英寸的长度。无螺纹部分135和137相互配合以调整螺纹连接件变形时阳螺纹端121和阴螺纹端122的径向膨胀。
根据本发明的启示形成的螺纹平头接合式连接可以具有动力拧紧位置，该位置在某种程度上由直接接触管件120a的台肩127的管件120b的阴螺纹端122的末端126和直接接触管件120b的阴螺纹端122上的台肩128的管件120a的阳螺纹端121上的末端125限定。用于使管件120a和120b相互可松开地接合的动力上紧位置示于图8中。
本发明的另一特征帮助维持径向膨胀时预期的液密完整性，该特征包括形成在阳螺纹端121的末端125上的斜切面134和形成在阴螺纹端122内的台肩128。如前所述，台肩128优选形成有一负角，该负角的选择用来与斜切面134的相应正角配合。相应的角度和用来形成管材120的材料的抗张强度相互配合，从而在阳螺纹端121的末端125和阴螺纹端122的相应台肩128之间保持紧密接触。
在某些情形下，可在螺纹部分31和34上涂或镀上一层锡基材料或其它合适的可延展材料。在图9和10所示的本发明的实施例中，涂层100可以设置在阴螺纹端22的内螺纹部分32上。为了说明本发明的各种特征，所示的涂层100的厚度大于根据本发明的启示形成在螺纹连接件上的典型涂层的厚度。螺纹部分31和32的改良锯齿牙形和涂层100互相配合，以提供相应的螺纹连接件径向膨胀后内部流体压力的改良液密完整性。涂层100可以采用各种方法涂覆，例如在螺纹部分32已经形成在阴螺纹端22上后电镀。
管件20和120被放置在井眼中的预定井下位置后，可使用各种井下工具如“胀开心轴”(未明确示出)来使其沿径向膨胀。在典型的膨胀过程中，胀开心轴施加压力或力，该胀开心轴压紧在相应阳螺纹端21或121的内径上。形成的径向力传递到相应的阴螺纹端22或122上，造成相应的阴螺纹端22或阴螺纹端122径向膨胀。这类压力和相应的摩擦力通常导致涂层部分100流动并充填对应的螺纹部分31和32或131和132间形成的任意缝隙或空隙空间，这发生在相应的管件20和120井下径向膨胀过程中，见图10。
在某些情形下，螺纹部分31和32的规格可以选定为在对应的侧角42和82以及侧角44和84之间具有大约.0005英寸的间隙，且在对应的根部48和88以及顶部46和86之间具有大约零间隙。螺纹连接的构成过程中，涂层部分100通常从相应侧82和84离开并沉积在螺根48和88处。螺根48和88处过量涂层100的存在可能导致在管件20a和20b或管件120a和120b的连接过程中，阳螺纹端21在纵向孔24中有些许径向偏移。在某些情形下，形成在阳螺纹端121上的斜切面134与相应的台肩128接合或锁紧以使这种径向偏移的影响降至最小。在类似情况下，负承载侧角44和84将相互接合或锁住以使这种径向偏移的影响也降至最小。
在某些情形下，相应的螺纹连接的动力拧紧时阳螺纹端21或阳螺纹端121可向内沿径向偏移大约0.002英寸。井下位置的管件20和120的径向膨胀明显地降低或消除了阳螺纹端21的任意向内偏移。
表1螺纹牙形典型尺寸的实例
表2螺纹牙形典型尺寸的实例
注表1和表2中的直径和长度尺寸单位为英寸。
尽管已经详细地描述了本发明及其优点，但应当理解，可以对此进行各种改变、替代和变换而不脱离由下述权利要求所界定的本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种将管件相互可松开地接合的螺纹平头接合连接件，包括具有第一阳螺纹端和第二阴螺纹端的第一管件，一纵向孔延伸通过第一阳螺纹端和第二阴螺纹端之间的所述第一管件；在所述阳螺纹端上形成的第一锥形外螺纹部分和在第一管件阴螺纹端内形成的第二锥形内螺纹部分；在第一管件外部形成的第一台肩；在阴螺纹端形成并沿径向伸入相应的纵向孔内的第二台肩；具有第一阳螺纹端和第二阴螺纹端的第二管件，一纵向孔在相应的第一阳螺纹端和第二阴螺纹端之间延伸；在阳螺纹端上形成的第一锥形外螺纹部分和在第二管件阴螺纹端内形成的第二锥形内螺纹部分；在第二管件外部形成的第一台肩；在第二管件的阴螺纹端的内部形成并沿径向伸入相应的纵向孔的第二台肩；各螺纹部分部分地由螺纹牙形限定，该牙形的入扣侧角值在约正十度(+10°)和正四十五度(+45°)之间，承载侧角值在约负三度(-3°)和负十五度(-15°)之间；螺纹部分相互配合从而提供大致相同的外径和大致相同的内径作为螺纹连接件的部分；在每一阳螺纹端上形成的相应斜切面；每一斜切面具有约七十五度(+75°)和九十度(+90°)之间的正角；每一第二台肩形成有约十五度(-15°)和零度(0°)之间的负角；斜切面的角度和第二台肩的角度的选择使得第一管件的阳螺纹端上的斜切面牢固地与第二管件的阴螺纹端上的第二台肩接合；第一管件和第二管件具有大致相等的公称壁厚。
2.如权利要求1所述的螺纹连接件，还包括每一入扣侧角值约为正二十五度(+25°)，每一承载侧角值约为负五度(-5°)。
3.如权利要求1所述的螺纹连接件，其特征在于所述管件还包括用于完成钻井的套管柱段。
4.如权利要求1所述的螺纹连接件，还包括各管件由电阻焊管制成。
5.如权利要求1所述的螺纹连接件，还包括每一斜切面的角度值约为正十五度(+15°)，且每一第二台肩的角度值约为负十五度(-15°)。
6.如权利要求1所述的螺纹连接件，其特征在于每一阴螺纹端还包括设置在相应的第二台肩和相关的锥形内螺纹部分之间的加大槽。
7.如权利要求1所述的螺纹连接件，还包括在阳螺纹端的斜切面和相关的阴螺纹端的第二台肩间形成的金属对金属的密封。
8.如权利要求1所述的螺纹连接件，还包括在阳螺纹端和相关的阴螺纹端的锥形面之间形成的金属对金属的密封。
9.如权利要求1所述的螺纹连接件，还包括每一螺纹部分具有约每英尺0.750英寸的锥度且每英寸有五个螺纹。
10.如权利要求1所述的螺纹连接件，还包括每一螺纹部分具有约每英尺1.250英寸的锥度且每英寸有六个螺纹。
11.一种将管件相互可松开地连接的螺纹锻造接合连接件，包括具有第一阳螺纹端和第二阴螺纹端的第一管件，一纵向孔在所述第一阳螺纹端和第二阴螺纹端之间延伸；在所述第一管件的阳螺纹端上形成的第一锥形外螺纹部分和在第一管件的阴螺纹端内形成的第二锥形内螺纹部分；在第一管件外部上形成的相应的台肩；具有第一阳螺纹端和第二阴螺纹端的第二管件，一纵向孔在第一阳螺纹端和第二阴螺纹端之间延伸；在第二管件的阳螺纹端上形成的第一锥形外螺纹部分和在第二管件的阴螺纹端内形成的第二锥形内螺纹部分；在第二管件外部形成的相应的台肩；各螺纹部分部分地由螺纹牙形限定，该牙形的入扣侧角值在约正十度(+10°)和正四十五度(+45°)之间，承载侧角值在约负三度(-3°)和负十五度(-15°)之间；每一管件的阴螺纹端的尺寸被设计为容纳另一管件的阳螺纹端；每一管件的阴螺纹端具有末端，其尺寸被设计为当一个管件的阳螺纹端与另一管件的阴螺纹端相互可松开地接合时，能够与在所述另一管件上形成的相应台肩接合；每一阴螺纹端的第二锥形内螺纹部分从相应的末端延伸到位于相应阴螺纹端内的加大槽；在每一阳螺纹端上形成的第一锥形密封面从相应阳螺纹端的末端处延伸；在靠近相应加大槽的每一阴螺纹端的内径上设置的第二锥形密封面；所述第一锥形密封面和第二锥形密封面能被相互可松开地接合，从而当一个管件阳螺纹端的外螺纹部分与另一管件阴螺纹端的内螺纹部分可松开地接合时在两者之间形成流体屏障。
12.如权利要求11所述的螺纹连接件，还包括每一入扣侧角值约为正十度(+10°)，每一承载侧角值约为负五度(-5°)。
13.如权利要求11所述的螺纹连接件，其特征在于所述管件还包括用于完成钻井的套管柱段。
14.如权利要求11所述的螺纹连接件，还包括所述管件由各电阻焊管制成。
15.如权利要求11所述的螺纹连接件，还包括在靠近相应末端的每一阳螺纹端内部上形成的第一斜切面；在靠近相应末端的每一阴螺纹端外部上形成的第二斜切面。
16.如权利要求11所述的螺纹连接件，还包括所述第一管件和第二管件具有大约相同的公称外径；且每一阴螺纹端的外径大于相应管件的公称外径。
17.如权利要求11所述的螺纹连接件，还包括第一管件的内径大约等于第二管件的内径；每一阳螺纹端的内径大约等于相关管件的内径；每一阴螺纹端的内径大于相关管件的内径；当阳螺纹端可松开地与相应的阴螺纹端接合时，在靠近阳螺纹端末端的螺纹连接件内形成一环形槽；且所述环形槽的内径大于相关管件的内径。
18.如权利要求11所述的螺纹连接件，还包括每一螺纹部分具有约每英尺0.750英寸的锥度且每英寸有五个螺纹。
19.如权利要求11所述的螺纹连接件，还包括每一螺纹部分具有约每英尺1.250英寸的锥度且每英寸有六个螺纹。
20.一种用来完成钻井的紧密的径向膨胀的套管段，包括由电阻焊管制成的第一径向膨胀管件和第二径向膨胀管件；所述第一径向膨胀管件具有第一阴螺纹端和第二阳螺纹端，一纵向孔延伸穿过第一阴螺纹端和第二阳螺纹端之间的第一径向膨胀管件；在第一阴螺纹端上形成的第一内螺纹部分和在第二阳螺纹端上形成的第二外螺纹部分；所述第二径向膨胀管件具有第一阴螺纹端和第二阳螺纹端，一纵向孔从所述第一阴螺纹端到第二阴螺纹端延伸穿过该第二径向膨胀管件；在所述第二径向膨胀管件的第一阴螺纹端内形成的第一内螺纹部分；在所述第二径向膨胀管件的第二阴螺纹端内形成的第二内螺纹部分；设置在第一内螺纹部分间的第二径向膨胀管件内的第一台肩，所述第二径向膨胀管件的第一外螺纹部分与第一径向膨胀管件的内螺纹部分可松开地接合；第一和第二外螺纹部分以及第一和第二内螺纹部分每英寸至少有五个螺纹；第一和第二径向膨胀管件具有手紧位置，其部分地由第一阳部件的末端和法兰的第一台肩间约两个螺纹的距离限定；且第一和第二径向膨胀管件具有动力拧紧位置，其部分地由直接抵接第二径向膨胀管件第一台肩的第一径向膨胀管件第一阳螺纹端的末端限定。
21.如权利要求20所述的套管段，还包括第二径向膨胀管件具有第一阳螺纹端和第二阳螺纹端，纵向孔从第一阳螺纹端向第二阳螺纹端延伸穿过该第二径向膨胀管件；在第一阳螺纹端上形成的第一外螺纹部分和在第二阳螺纹端上形成的第二外螺纹部分。
22.如权利要求20所述的套管段，还包括螺纹部分的至少其中一个上面具有涂层。
23.如权利要求20所述的套管段，还包括所述阴螺纹端的螺纹部分涂有锡层。
24.形成用于完成钻井的径向膨胀的套管段的方法，包括使用电阻焊技术形成第一细长径向膨胀管件；在该第一膨胀管件上形成第一阳螺纹端和第二阴螺纹端，一纵向孔从所述第一阳螺纹端向第二阳螺纹端延伸穿过该第一径向膨胀管件；在第一径向膨胀管件的第一阳螺纹端上形成第一锥形外螺纹部分；在第一径向膨胀管件的第二阳螺纹端上形成第二锥形外螺纹部分；使用电阻焊技术形成第二细长的径向膨胀管件；在第二径向膨胀管件上形成第一阳螺纹端和第二阴螺纹端，一纵向孔从第一阴螺纹端向第二阴螺纹端延伸穿过该接头；在每一阴螺纹端的纵向孔内形成第一锥形内螺纹部分，其从阴螺纹端延伸到相应的阴螺纹端内形成的第一台肩；以及将第二细长的径向膨胀管件第二阴螺纹端的螺纹部分与第一径向膨胀管件阳螺纹端的螺纹部分可松开地接合。
25.如权利要求24所述的方法，还包括在至少一个螺纹部分上涂一层材料，该材料可随第一径向膨胀管件和第二径向膨胀管件的径向膨胀产生的热和压力而可延展并流动，从而填充相邻螺纹部分间形成的间隙或空隙空间。
26.如权利要求24所述的方法，还包括在至少一螺纹部分上涂上一种锡基材料。
27.如权利要求24所述的方法，还包括在第一内螺纹部分和第二内螺纹部分上涂上一种锡基材料。
28.如权利要求24所述的方法，还包括在最初将第二径向膨胀管件的第二阴螺纹端与第一径向膨胀管件的第一阳螺纹端在手紧位置接合，该位置部分地由在第一阳螺纹端的末端和在第二阴螺纹端内形成的台肩间约两个螺纹的距离来限定；以及将第二径向膨胀管件的第二阴螺纹端与第一径向膨胀管件的第一阳螺纹端牢固接合在动力拧紧位置，该位置部分地由直接抵接第二径向膨胀管件的第二阴螺纹端内形成的台肩的第一阳螺纹端的末端限定。
29.如权利要求24所述的方法，还包括形成第一锥形外螺纹牙形和第二锥形外螺纹牙形，所述牙形具有相配的改良锯齿螺纹形状。
30.如权利要求24所述的方法，还包括在第一阳螺纹端上形成具有约十五度(+15°)正角的斜切面；以及在第二阳螺纹端上形成具有约十五度(+15°)正角的斜切面。
31.如权利要求24所述的方法，还包括由电阻焊管形成的每一径向膨胀管件具有大致相等的外径和大致相等的内径。
全文摘要
本发明提供了具有螺纹连接的整体接头的石油工业用管材和其它类型管件。该整体接头可以是平头式连接或锻造式连接。所述管件可以令人满意地用电阻焊技术形成，以用于在井眼中径向膨胀。所述螺纹连接件可以用于将套管段相互连接起来形成套管柱，从而完成钻井。
文档编号F16L15/06GK1766278SQ20051011993
公开日2006年5月3日 申请日期2005年9月16日 优先权日2004年9月16日
发明者H·M·格里梅特, E·L·米勒, B·W·洛厄里, M·B·马托克斯, B·A·乌雷奇 申请人:龙尼星钢铁公司