螺紋工具接頭連接件的製作方法

2023-10-10 02:07:14

專利名稱：螺紋工具接頭連接件的製作方法
螺紋工具接頭連接件相關申請的交叉引用無關於聯邦政府資助的研究或發展的聲明無涉及「序列表」、制表或提交在光碟上的電腦程式列表附錄以及涉及通過引用光碟上的材料而併入的內容無 發明領域本發明涉及螺紋工具接頭連接件。相關技術的描述美國專利第5，810，401號(「Mosing專利」)公開了公接頭和母接頭構件上的雙配合軸肩和前端面(nose face)(圖5和第6欄26_64行)。然而,該Mosing專利未公開(a)用於利用該雙軸肩來實現高扭矩能力的器件，(b)用於通過連接螺紋而抵抗彎曲疲勞的器件，(C)用於減小連接根部中的應力集中的器件，(d)單一的大的根部半徑，(e)正負載或入扣側面角(stab flank angle),和(f)90°方形配合軸肩。美國專利第6，030, 004號(「Schock專利」)公開了一種雙軸肩高扭矩抵抗力的螺紋連接件。該工具接頭設置有螺紋和大致為橢圓形的根部表面，所述螺紋具有在螺紋側面之間75度的夾角(圖I、第4欄1-23行和第5欄15-49行、圖7和圖9)。該Schock專利未公開(a)用於使用大的根部表面來增強疲勞抵抗力的器件，大的根部表面僅是單一的根部半徑的產生物，(b)用於利用淺螺紋錐度而實現高扭矩力的器件，(C)用於實現最小流體壓力損失和最大清潔孔能力、同時保持高扭矩、彎曲和拉伸負載抵抗力的器件，(d)優化高拉伸負載、同時具有大的根部表面的技術，(e)減小連接剛度以加強彎曲強度比，和(f)用於在不增加母接頭外直徑的情況下保持Abcs/Apcs臨界橫截面之間的平衡比的技術。美國專利第7，210，710號(「Williamson專利」)公開了一種雙軸肩鑽杆連接件(圖2和圖3,以及第9欄41行至第10欄18行)。該Williamson專利公開並討論了一系列涵蓋雙軸肩工具接頭的專利。該Williamson專利通過引用而併入至本說明書中。在其圖2的討論中，該Williamson專利提出了優選地為I和1/8英寸每英尺的母接頭和公接頭螺紋的螺紋錐度。通過這種陡峭的錐度，構成的圈數被減少，這是因為入扣深度(stabbingdepth)被增大。然而，這種陡峭的錐度大幅度地減小了在輔助(內)軸肩處的面積量，這減小了扭矩能力。另外，由於這種陡峭的錐度，連接件的ID無法與較淺的錐度連接件一樣大，這是因為與維持足夠堅硬以具有內軸肩將存在牴觸。最終，這種陡峭的錐度不允許「小口徑孔」的設計，「小口徑孔」即具有小的OD和大的ID。該Williamson專利教導採用不相似的負載側面。由於該不相似性，該Williamson裝置必須使用兩個或更多半徑以跨接兩個負載側面；因此，如其權利要求7中所述的，內螺紋和外螺紋的根部以橢圓的一部分的形狀而形成。
該Williamson專利在對其圖2的討論中還宣稱公接頭前端(pin nose)的長度L. sub. PN應是擴孔長度L. sub. BC的約一倍至一倍半」。然而，申請人發現，該公接頭前端的長度應該儘可能的短，這是因為公接頭前端用作在用於負載分布的公接頭連接部和母接頭內軸肩之間的橋梁。也就是說，該公接頭前端的長度越短，該公接頭前端可承受的壓力就越大，從而形成更堅固的連接。該Williamson專利未公開(a)用於使用大的根部表面來增強疲勞抵抗力的器件，大的根部表面僅僅是由單一的根部半徑產生的，和(b)用於具有相等的為33°的負載側面角(load flank angle)和入扣側面角的螺紋牙形的器件,其提供在負載側面上的最佳的表面接觸區域。該最佳的要求基於扭矩、張力以及不憑藉極端軸向負載或彎曲拉伸負載而連接至交叉螺紋(cross-thread)的能力。該Williamson專利也未公開(a)公接頭前端部分的長度最少為母接頭擴孔部分的長度的60%，以減小在該公接頭前端部分上的壓應力，(b)任何將應力集中係數保持在1.0之下的改進，(c)減少在連接件的臨界橫截面處的連接件慣性矩，從而減少剛性構件，以及(d)在不損失連接扭矩性能的情況下的快速連接裝配的方法。
因此，已知的具有至少兩個主要的不足。其缺少(I)用於使用大的根部表面來增強彎曲疲勞抵抗力的器件件，大的根部表面僅僅是由單一的根部半徑產生的，和(2)用於實現最小的流體壓力損失和最大清潔孔能力、同時維持高扭矩、彎曲和拉伸負載抵抗力的器件。根據前述內容，需要一種工具接頭螺紋連接件，其能夠實現高扭轉強度、延長的疲勞壽命、高拉伸負載並且能夠將連接應力保持在材料屈服強度內，自始至終具有帶有小的外直徑和大的內直徑的連接部。更特別地，還需要一種高扭矩的螺紋工具接頭連接件，其具有(a)用於實現快速裝配且不損失工作能力的器件，(b)用於在不使用底切螺紋牙形(undercutthread form)的情況下承受高循環彎曲應力的器件,所述底切螺紋牙形降低了連接的拉伸能力，(C)用於承受螺紋的臨界橫截面處的彎曲應力的器件，該彎曲應力與管主體自身能承受的彎曲應力一樣大。發明的簡要概述一種螺紋工具接頭連接件，其用在鑽杆組件中，並包括(a)具有外螺紋的公接頭(pin)，外螺紋被加工在公接頭外軸肩和公接頭內軸肩之間；(b)具有內螺紋的母接頭(box)，內螺紋被加工在母接頭外軸肩和母接頭內軸肩之間；(C)錐形螺紋，其針對高扭矩、高循環疲勞以及軸向拉伸負載抵抗力而設計；和(d)螺紋牙形設計，其具有大的齒根部表面，所述大的根部表面是由負載側面和入扣側面之間的單一半徑產生的。在本發明的另一特徵中，該螺紋連接件具有小口徑孔形狀且不損失抗扭強度、拉伸能力、連接剪切強度和連接撓曲強度。在本發明的另外一些特徵中，該螺紋工具接頭連接件包括(a)具有承受扭矩的能力以使螺紋的剪切力最多為外軸肩和內軸肩處的合力的70%而不需要長的螺紋長度的螺紋牙形；(b)能夠將應力集中係數維持在I. 0以下的螺紋牙形；和(c)能夠承受附接的管主體的92%至97%的彎曲應力的螺紋牙形，(d)相比於API連接件，關於公接頭和母接頭的臨界橫截面的工具接頭連接件慣性矩減少13% -14% ;以及(e)該連接件具有與API連接件一樣的「組成的圈數」比。
附圖
的幾個視圖的簡要說明圖I是通過根據本發明所建造的工具接頭而首尾相接的兩個鑽管部分的橫截面。圖2是圖I中的工具接頭的放大的橫截面，其示出了根據本發明的裝配在一起的公接頭構件和母接頭構件、錐形螺紋以及螺紋牙形。圖3是本發明的螺紋工具接頭連接件的公接頭的軸向橫截面側剖面視圖。圖4是圖3的公接頭的螺紋的近距特寫圖。圖5是本發明的螺紋工具接頭連接件的母接頭軸向橫截面的側剖視圖。
圖6是圖5的母接頭的螺紋的近距特寫圖。發明的詳細描述在圖I中，上部鑽管12通過根據本發明的工具接頭16而連接至下部鑽管14。鑽管12、14具有鐓鍛部分18、20，鐓鍛部分18、20具有較厚的壁厚以用於鑽管12、14的端部至工具接頭16的端部處的焊接22、24。工具接頭16的外直徑23比該鑽管12、14的外直徑25大。鑽管12、14的內直徑26比該鐓鍛部分18、20的內直徑28大。內直徑28與鄰近工具接頭16的焊縫端的內直徑30基本相同。工具接頭的內直徑30比內直徑32大，所述內直徑32是工具接頭的與公接頭40和母接頭42的螺紋接近的部分的內直徑。公接頭40和母接頭42兩者的錐度為7/8英寸每英尺，並具有同一中心線41。採用小於I英寸每英尺的錐度，允許本發明具有大的公接頭前端直徑，這繼而允許在輔助軸肩處的大的接觸表面區域。這使得連接件在被擰緊在一起時，能夠承受較高的轉動/扭轉扭矩。現在參照圖2，入扣側面44和負載側面46形成由兩個相等的角構成的角33度的入扣側面角48和33度的負載側面角50。中心線51分隔角48、50。公接頭前端長度52通過利用材料屈服強度的80%的比率作為公接頭前端處的壓應力來確定。更精確地，前端長度52通過以下公式計算
權利要求
1.一種雙軸肩螺紋工具接頭連接件(16)，其用於鑽杆中，並包括 a.具有外螺紋(60)的公接頭(40)，所述外螺紋(60)形成在公接頭外軸肩(62)和公接頭內軸肩出4)之間，所述公接頭(40)具有前端部分(52)，所述前端部分(52)位於所述內軸肩(64)和所述外螺紋(60)之間； b.具有內螺紋(80)的母接頭(42)，所述內螺紋(80)形成在母接頭外軸肩(82)和母接頭內軸肩(84)之間； 其中，所述內螺紋(80)和所述外螺紋￠0)被設置和設計為彼此連接，以使所述母接頭(42)和所述公接頭(40)被連接成具有共同的中心線並且形成主密封和輔助密封，所述主密封由所述公接頭外軸肩￠2)壓緊所述母接頭外軸肩(82)而形成，所述輔助密封由所述公接頭內軸肩出4)壓緊所述母接頭內軸肩(84)而形成，且其中，所述接頭連接件(16)的特徵在於所述外螺紋￠0)和所述內螺紋(80)兩者 a.具有在O.666英寸每英尺和I. O英寸每英尺之間的螺紋錐度； b.具有均約為33度的入扣側面角和負載側面角；以及 c.具有以圓的一部分的形狀而形成的根部。
2.如權利要求I所述的連接件，其中，所述外螺紋￠0)和所述內螺紋(80)具有大致為O.875英寸每英尺的螺紋錐度。
3.如權利要求I所述的連接件，其中，所述前端部分(52)的長度通過以下公式計算
4.如權利要求I所述的連接件，其中，螺紋剪切力(Thdsf)通過以下公式計算
5.一種雙軸肩螺紋工具接頭連接件(16)，其用於鑽杆中，並包括 a.具有外螺紋(60)的公接頭(40)，所述外螺紋(60)形成在公接頭外軸肩(62)和公接頭內軸肩出4)之間，所述公接頭(40)具有前端部分(52)，所述前端部分(52)位於所述內軸肩(64)和所述外螺紋(60)之間； b.具有內螺紋(80)的母接頭(42)，所述內螺紋(80)形成在母接頭外軸肩(82)和母接頭內軸肩(84)之間； 其中，所述內螺紋(80)和所述外螺紋￠0)被設置和設計為彼此連接，以使所述母接頭(42)和所述公接頭(40)被連接成具有共同的中心線並且形成主密封和輔助密封，所述主密封由所述公接頭外軸肩￠2)壓緊所述母接頭外軸肩(82)而形成，所述輔助密封由所述公接頭內軸肩出4)壓緊所述母接頭內軸肩(84)而形成，且其中，所述接頭連接件(16)的特徵在於所述外螺紋￠0)和所述內螺紋(80)兩者a.具有在0.75英寸每英尺和O. 95英寸每英尺之間的螺紋錐度； b.具有均約為33度的入扣側面角和負載側面角；以及 c.具有以圓的一部分的形狀而形成的根部。
6.如權利要求5中所述的連接件，其中，所述外螺紋￠0)和所述內螺紋(80)具有大致為O. 875英寸每英尺的螺紋錐度。
7.如權利要求5所述的連接件，其中，所述前端部分(52)的長度通過以下公式計算 UDtotm-內軸肩間隙)J 其中，Dttrtm是公接頭基部部分和母接頭擴孔部分的偏差的和，An=所述前端的橫截面面積，Fn =作用於所述前端上的力，以及SMYS是規定的材料屈服強度。
8.如權利要求5所述的連接件，其中，螺紋剪切力(Thdsf)通過以下公式計算
9.一種雙軸肩螺紋工具接頭連接件(16)，其用於鑽杆中，並包括 a.具有外螺紋(60)的公接頭(40)，所述外螺紋(60)形成在公接頭外軸肩(62)和公接頭內軸肩出4)之間，所述公接頭(40)具有前端部分(52)，所述前端部分(52)位於所述內軸肩(64)和所述外螺紋(60)之間； b.具有內螺紋(80)的母接頭(42)，所述內螺紋(80)形成在母接頭外軸肩(82)和母接頭內軸肩(84)之間； 其中，所述內螺紋(80)和所述外螺紋(60) a.被設置和設計為彼此連接，以使所述母接頭(42)和所述公接頭(40)被連接成具有共同的中心線並且形成主密封和輔助密封，所述主密封由所述公接頭外軸肩(62)壓緊所述母接頭外軸肩(82)而形成，所述輔助密封由所述公接頭內軸肩￠4)壓緊所述母接頭內軸肩(84)而形成； b.具有大致為O.875英寸每英尺的螺紋錐度； c.具有均約為33度的入扣側面角和負載側面角；以及 d.具有以圓的一部分的形狀而形成的根部，且 其中，所述前端部分(52)的長度通過以下公式計算
全文摘要
一種雙軸肩螺紋工具接頭連接件，其具有公接頭，該公接頭具有形成於公接頭外軸肩和公接頭內軸肩之間的外螺紋，該公接頭還具有前端部分，該前端部分位於內軸肩和外螺紋之間；以及母接頭，該母接頭具有形成於母接頭外軸肩和母接頭內軸肩之間的內螺紋。該外螺紋和內螺紋兩者具有介於0.666英寸每英尺和1.0英寸每英尺之間的螺紋錐度，並具有均約為33度的入扣側面角和負載側面角。
文檔編號F16L25/00GK102713397SQ201080039793
公開日2012年10月3日 申請日期2010年7月12日 優先權日2010年7月12日
發明者凱恩·帕切科 申請人:皮泰克鑽管有限責任公司