用於連續外形的管道的螺紋接頭的製作方法

2023-05-14 19:26:56 1

專利名稱：用於連續外形的管道的螺紋接頭的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種對於管子來說是零徑向障礙的整體螺紋接頭，特別是用於天然氣和採油業中使用的管子。所述管子既可以用作管子抽取氣體、油或者可液化的碳氫化合物，也可用作井孔的套管。
背景技術：
在天然氣和採油業中，當鑽油井或者氣井時，使用預先限定長度的管或者套管，它們必須在端部連接在一起而形成管路，從而能夠到達非常深處的油、氣和可液化的碳氫化合物的儲層。
最一般採用的鑽井技術是從地表面或者海的表面鑽起，直至到達油田或者儲氣層。這些豎井的深度能夠達到幾千米。在鑽井過程中，井孔與金屬套管在其整個長度上對齊。金屬套管的管件，每個約為10米長，由螺紋接頭連接在一起。這些套管形成筒形管道，在其全長上直徑不變，除了在接頭處，外部直徑通常比管道大至少1英寸(25.4毫米)。為了在整個深度上與井孔對齊，採用若干個管道，這些管道由於系統的機械阻力和地質特性，具有管道達到的較大深度時減小的直徑，從而構成一個套管結構。隨之而來的是，由於在豎井底部的直徑是根據壓力和被排出的液體的流量而固定的，因此井越深，表面的直徑越大。其缺點是鑽井成本高，和這些表面處治層所需的材料量也高，因此成本高。井的較小的直徑也能夠減少完成鑽井所用的鑽井時間。其結果是，重要的是減小豎井的直逕到最小，因此減小用於製造表面處治層的管子的直徑，而給出同樣的流體排出量。
一旦鑽井操作完成，在襯砌的孔口壁中插入一個管子，用於從地下的儲層中抽取氣、油或者可液化的碳氫化合物。此管子沉入到井的整個深度，並且其能夠達到幾千米的長度，是由連接各為大約10米的管子形成的，由上述形式的接頭連接。通常，此管子在整個長度上的直徑不變，除了在接頭的地方，在前面的例子中，接頭的外徑處通常較大。
在上述的兩種情況下，管子由螺紋接頭連接在一起，其可以是組合式的，即管子的一端具有一陽螺紋，另一端具有陰螺紋，或者是套筒式的，即管子的兩端具有陽螺紋，由螺紋套筒或者由兩端具有陰螺紋的套管連接在一起。通常，接頭的出現造成接頭處管線直徑的增加，接頭的外徑比管子直徑大。
考慮到生產油的公司將抽取油、氣和可液化的碳氫化合物的成本降低到最小的需要，已經作了很大的努力來減小井的直徑和所用管子的直徑。
為了限定管子的外徑，繼而限定鑽井的成本和被安裝的材料，採用具有小直徑尺寸的螺紋接頭。根據所需的性能和允許的最大外部尺寸，可以分成三種形式。第一種是，稱作「半平齊的」，是一種套管式的接頭，其外部直徑不超過管子外部直徑的6％。第二種是，稱作「接近平齊的」，是一種組合式的接頭，其外部直徑不超過管子外部直徑的2-3％。最後，第三種是，稱作「平齊的」，是一種組合式的接頭，其外部直徑與管的外部直徑相等。
根據管道承受的負載，作用於管道內部和/或外部的壓力，管道的長度，和與豎井的直徑尺寸相關的可允許的最大直徑尺寸，選擇不同形式的接頭。
如果接頭的直徑減小，需要找出解決辦法，補償其減小的結構強度。事實上，由於結構元件，如螺紋、密封件、和肩部在管壁的厚度中存在，管子在接頭區域的效率必然比管子本體的效率低，並且繼而導致管段中陽螺紋和陰螺紋的危險區域的減弱。將接頭失效的產生減小到最小是很重要的，因為管子的失效，畢竟是在操作中已經設置在地下，因此在接頭失效的情況下，操作者沒有可能直接介入到接頭，可以對採油廠造成嚴重的經濟後果，並且可能對環境造成很大破壞，特別是在油或者氣儲層包含腐蝕性元素的情況下。
為此，過去付出了很大努力改進接頭，使它們的效率達到最好的水平，盡力實現各種需要，即次數、衝突的最小的外部尺寸、最大的結構強度、和防止液體從井中出入的緊密性之間的平衡。事實上，管子承受壓力、拉力、和彎曲載荷，並且承受來自外側的流體和/或在管子自身內側循環的流體產生的壓力。
接頭還必須具有良好的阻力特性，以旋緊並鎖定。
結構問題和緊密性問題通常由流體的溫度、它們產生腐蝕的能力、和採油區域的環境狀況加重。
在過去，針對上述需要已經提出過各種解決辦法。
專利US 5462315描述了一種接頭的實施例，其具有減小的直徑尺寸，該發明的一種變化中甚至可以是零。該接頭具有一個中央的肩部，其支承了陽件側，也支承陰件側，一個突起和一個凹槽平行於管子的軸線，帶有對應的表面，從而較好地配合，而帶有接頭的兩個件的阻止作用。出現在肩部的突起上的是兩個密封表面。該肩部將兩個錐形或者錐形-圓柱形的徑向相互有階梯的螺紋部分分開。
此接頭很有效，但是有一個特別複雜的結構，具有很高的生產成本。
專利US 5427418描述了一種零直徑障礙的接頭，帶有一個錐形螺紋，並且一個牙形帶有承載面的大角度。螺紋中的潤滑脂確保了緊密性。
此接頭能夠實現高效率，但是沒有設計一個肩部來保護該接頭，防止可能的過大的旋緊力矩，以及因此防止影響其功能的過大的壓力，並且未設置金屬密封。

發明內容
本發明的主要目的是克服上述由已知的管接頭帶來的缺點，提供一種新的對齊式的組合接頭，雖然具有現有技術的其它接頭的零直徑障礙，但是不出現前面存在的缺點。
本發明的一個具體的目的是，提供一種組合的接頭，其直徑尺寸不大於管子全長的直徑尺寸，具有減小的生產成本，同時保證高的強度值，和緊密性。
本發明的另一目的是，提供一種有利於安裝的形狀。
上述目的由一種根據權利要求1的用於管子的螺紋的組合接頭實現，包括一個陽件，其外表面設置有一截錐形的螺紋部分，一個陰件，其內表面設置有一截錐形的螺紋部分，各所述陽件和陰件設置有兩個密封表面，它們設置在所述相關的螺紋部分的相對的軸向端部，並且在第一種情況下具有外部密封功能，在第二種情況下具有內部密封功能，並且具有兩個環形的肩部，基本上位於與所述陽件和陰件的軸線垂直的平面內，所述相關的兩個螺紋部分被設計成以可逆的方式旋在一起，一個在另一個的內側，直到所述兩個環形的肩部之間產生接觸，所述接頭的特徵在於，所述陽件和陰件的所述相關的兩個螺紋部分具有相同的錐度值，並且所述陽件和陰件的所述相關的兩個密封表面中的一個是錐形或圓柱形，另一個是球面形狀。
由於此實施例，該接頭使得由管構成的管道能夠易於安裝，螺紋和密封的損壞的風險被減小，同時，保證管子在接頭處的最佳強度和緊密性。
在本發明的一較佳實施例中，內部密封的兩個表面中的一個是錐形，另一個是球面形，外部密封的兩個表面中的一個具有一個錐形或圓柱形，另一個是球面形。
本發明的其它較佳實施例在從屬權利要求中詳細描述。


在隨後的詳細描述的較佳的但是非排它的平齊式的組合接頭的實施例中，本發明的進一步的特徵和優點會更清楚，該描述是通過非限定性的示例藉助於附圖進行的。
圖1表示根據本發明的一個通過接頭縱向軸線的平面的剖視圖，兩個件在分開的位置；圖2表示圖1的接頭，兩個件在被連接的位置；和圖3是表示圖1所示的接頭的螺紋的細節的放大圖。
本發明較佳實施例的描述參見各圖，根據本發明的接頭包括兩個管件，或者管部，即陽件1和陰件2。該接頭限定一個內部件20，和一個外部件30。在內部件20中有流體流動，如天然氣或者油或者其它類似的流體，在外部件30中也可以充有各種性質的、通常也是在壓力下的氣體或者液體。管2的外徑3的尺寸D在接頭區域內等於管自身的遠離接頭部分的外徑減去管的製造公差。而且具有陽螺紋的管1在其全長，除其螺紋區域外，具有一個不變尺寸D的外徑4。
該接頭的陰件2具有一個錐形基體的內螺紋8。該螺紋有一個錐度值為6.25％到12.5％之間。上述範圍是最佳的，因為一方面，選擇較低的值會引起螺紋過長，從而使陽件不易進入到陰件中，並且另一方面，選擇較高的值將意味著在螺紋部分得到的齒太少，因此螺紋沒有足夠的支承能力。本發明的一個有利的變化是，該螺紋可以在其全長上都有。在管2的內側螺紋8的端部，有一個環形的肩部6″，在垂直於管的軸線的平面內。陰件2在肩部6″與螺紋部分8之間的連接區域具有一個帶有錐度的環形區域11＂。此表面的錐度是12.5％到25％之間，從而保證與陽件1的相互接觸表面的良好密封。上述值的範圍證明是適合於螺紋的最佳的錐度值，並且限制了影響所述密封的有效性的拉力載荷的不良效果。
在管2的螺紋8的外端部設置有一個球面12″，當旋在陽件1上之後，其與後者的錐形區域12′接觸。
特別參見圖3，螺紋齒的外形是「鉤」形的，負載的側面9是負角度α，其角度值是0°到-10°之間，導入側面10是正角度β，在20°到45°之間。這些值的範圍是很大的優點，同時，保持接頭易於製造。有負角度的負載側面使得接頭的兩個件有效的配合，並且減少了在高拉力載荷下接頭打開的可能性。有正角度但不是大角度的導入側面使得螺紋能夠在抵抗壓負荷時有效地合作。
陽件1在面對陰件的螺紋區域的外表面區域，有一個螺紋7，以相互類似的方式設置。
連接區域12′在外肩部5′和螺紋部分7的起始部之間，具有一個錐形表面，錐度值的範圍是0％到25％之間。當接頭旋上以後，此表面壓靠在陰件的球面12″上，並且該尺寸和公差這樣選擇，即金屬-金屬接觸保證緊密，防止接頭外側的任何壓力下的液體或者氣體滲透。
陽件1在其端部具有一個球面形狀的表面11′，當與陰件2旋在一起以後，壓靠陰件的錐形表面11″。在此第二區域，在兩個件1和2之間也產生一個金屬-金屬的接觸壓力，產生一個抵抗管內側的流體壓力的密封。
接頭的端部的兩個區域11′，11″和12′，12″的選擇，在該區域產生相對面的金屬密封，具有一個球面和錐形或者一個球面和圓柱形，根據本發明，使接頭不對作用於其上的壓力負荷敏感並且已經證實對於薄管是最佳的。事實上，使製成密封表面11′和12″的端部薄，管內側和外側的壓力作用在所述端部上，很容易引起變形。因此，一個球面的密封表面與截錐形密封相比，能夠保持最佳接觸，截錐形密封在此情況下，因為端部彎曲造成的轉動，不能保持整個密封帶上的接觸。
在管1的外部設置的螺紋7的端部上，管1具有一個環形的肩部5′，設置在與管的軸線垂直的平面內。當陽件和陰件旋在一起以後，陰件2的肩部6″與陽件1的端部表面6′壓靠，並且陽件1的肩部5′與陰件的端部5″壓靠。接頭的製造和製造公差是這樣的，即內肩部不與外肩部接觸，該外肩部被固有地加強，從而不引起過大的螺紋壓力。雙肩部保護接頭不受到過大的扭轉載荷(「超扭矩」)，該過大的扭轉載荷可能因為旋緊時的不正確的操作，和尤其是安裝期間的操作造成的。這樣的載荷會導致過大的壓力在接頭上，並且影響其功能。
陽件1的螺紋的牙形與陰件2的螺紋牙形相同。有利的是，螺紋部分的整個長度上的螺紋具有完全的外形。
根據本發明的一種變化，可以設想，陽件的螺紋部分7的端部區域7′在環形密封表面12′的附近具有不完全外形的螺紋。陰件的一側12″的相應的區域8，即面向部分7′的部分是完全螺紋。螺紋部分8的相對端部區域8′，即在密封表面11″的附近的區域具有不完全外形的螺紋，與之面對的陽件的螺紋部分7具有完全的螺紋。
如上，根據本發明的接頭的優點是明顯的，其確保了最優的操作和效率。
權利要求
1.一種用於管子的整體螺紋接頭，包括一個陽件(1)，其外表面設置有一截錐形的螺紋部分(7)，和一個陰件(2)，其內表面設置有一截錐形的螺紋部分(8)，各所述陽件(1)和陰件(2)設置有兩個密封表面(11′，12′，11″，12″)，其設置在軸端與所述的相關的螺紋部分(7，8)相對，其具有在第一種情況下的外部密封，和第二種情況下的內部密封，兩個環形的密封肩部(5′，6′，5″，6″)，基本上位於與所述陽件(1)和陰件(2)的軸線垂直的平面內，所述相關的兩個螺紋部分(7，8)被設計成以可逆的方式旋在一起，一個在另一個的內側，直到所述兩個環形的肩部(5′，5″，6′，6″)之間產生接觸，所述整體螺紋接頭的特徵在於，所述陽件(1)和陰件(2)的所述相關的兩個螺紋部分(7，8)具有同樣的錐度值，並且所述陽件(1)和陰件(2)的所述相關的兩個密封表面(11′，11″，12′，12″)中的一個是錐形或圓柱形，另一個是球面形狀。
2.根據權利要求1的接頭，其特徵在於內部密封的兩個表面，一個是錐形，另一個是球面形狀，外部密封的兩個表面，一個是錐形或圓柱形，另一個是球面形狀。
3.根據權利要求2的接頭，其特徵在於接頭的所述陰件(2)的外徑(3)的尺寸(D)，與陰件(2)在其長度的其餘部分上外徑(4)的尺寸(D)相同。
4.根據權利要求3的接頭，其特徵在於所述陽件(1)和陰件(2)的所述相關的兩個螺紋部分(7，8)各具有同樣的錐度值，該值在6.25％-12.5％之間。
5.根據權利要求4的接頭，其特徵在於所述陽件(1)和陰件(2)的所述相關的錐形密封表面(12′，11″)具有在12.5％-25％之間的錐度值。
6.根據權利要求5的接頭，其特徵在於所述螺紋的牙形具有負角度(α)的承載側面(9)，和正角度(β)的導向側面(10)。
7.根據權利要求6的接頭，其特徵在於所述負角度(α)的值是0°和-10°之間，所述正角度(β)的值是20°和45°度之間。
8.根據權利要求7的接頭，其特徵在於所述陽件(1)和陰件(2)的所述螺紋部分(7，8)在其全長上具有一完全的螺紋。
9.根據權利要求7的接頭，其特徵在於所述陽件(1)和陰件(2)之間的所述螺紋部分(7，8)中至少一個在其第一端上具有一區域(7′，8′)是不完全的螺紋。
10.根據權利要求9的接頭，其特徵在於所述陽件(1)和陰件(2)之間的所述螺紋部分(7，8)中的所述至少一個的另一個，在與所述第一端軸向相對的端部上，還具有一區域(7′，8′)是不完全的螺紋。
全文摘要
一種平齊式的整體螺紋接頭，帶有截錐形螺紋，有兩個密封表面(11′，12′，11″，12″)設置在螺紋部分(7，8)的端部，還有兩個環形的密封肩部(5′，6′，5″，6″)。所述陽件(1)和陰件(2)的所述相關的兩個螺紋部分(7，8)具有同樣的錐度值，兩個密封表面(11′，12′，11″，12″)在一種情況下是錐形或圓柱形，另一種情況下是球面形狀。各陽件和陰件的螺紋部分具有一端部區域帶有一不完全的螺紋。
文檔編號E21B17/042GK1457413SQ01813923
公開日2003年11月19日 申請日期2001年8月8日 優先權日2000年8月9日
發明者朱塞佩·德拉皮納, 朱塞佩·羅蒂尼, 安傑洛·西尼奧雷利 申請人:達爾米內公司