專利名稱：管子整體螺紋接頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有減小直徑尺寸的管子整體螺紋接頭，特別用于氣或油田開采業(yè)使用的管子。所述管子可用作泵送氣或油的管道及井的外殼。
在常用的鉆孔技術(shù)中，井從地表面或海面開始被鉆孔，以便達(dá)到油或氣田，所述井可以具有數(shù)千米的深度。在鉆孔過程中，所述井的全長用金屬管子包覆。具有大約10米長度的管段借助螺紋接頭彼此連接。因此，這些管子構(gòu)成管線，管線除接頭外整個(gè)長度具有相同的直徑，接頭的外徑一般比管線的外徑至少大1英寸(25.4mm)。
為了形成整個(gè)井深的包覆，采用若干管線，由于機(jī)械阻力及現(xiàn)場的地質(zhì)特性，管線具有的直徑越小，管線的深度越大，以便形成“套筒”結(jié)構(gòu)。因此，由于井底直徑是根據(jù)抽取的流體的壓力和流量改變的，因而井越深，在地表面其直徑越大。由于上述的不利后果，鉆孔成本很高，而且這些井套需要大量材料，因此花費(fèi)很大。較小的井直徑也意味著較短的鉆孔和包覆時(shí)間。因此，對于相同量的抽取流體來說，盡量減小井的直徑和套管直徑是至關(guān)重要的。
一旦結(jié)束鉆孔，在加套的井內(nèi)插入另一根管線，該管線將油或氣從地下田中泵出。該管線根據(jù)井的整個(gè)深度，可達(dá)數(shù)千米長，因而也借助上述接頭通過連接具有大約10米長度的管子構(gòu)成。通常第二種管線除接頭外全長也具有相同的直徑，而接頭的外徑一般也象前述情形那樣較大。
在這兩種前述情形中，管子是借助螺紋接頭連接的，螺紋接頭可以是整體的，在這種情形中，管子的一端具有陽螺紋，而另一端具有陰螺紋，或者可以是一種管接(coupling)形式的，在這種情形中，管子的兩端都具有陽螺紋，在兩側(cè)借助陰螺紋的管接連接。通常，設(shè)置接頭就會(huì)在接頭處增大管線的外徑；與管子相比，接頭外徑越大，管線或孔徑的基本尺寸越大。
在石油公司要求盡量降低油、氣礦成本之后，人們曾致力于減小井的直徑，從而減小管子的直徑。
為了減小管線的外徑，從而減少鉆孔成本和需要的材料量，采用了具有減小的直徑尺寸的螺紋接頭，這些螺紋接頭按照所需性能和允許的最大尺寸可被分成不同的三種。第一種往往被稱為“半埋入式(Semi-flush)”，是一種外徑不超過管子外徑6％的管接頭。第二種通常稱為“近埋入式(near-flush)”，是一種外徑大于管子外徑2-3％的整體接頭。最后一種稱為“埋入式(flush)”，是一種外徑相應(yīng)于管子外徑的整體接頭。
選擇不同類型的接頭取決于管線的負(fù)載、內(nèi)和/或外部作用的壓力、管線長度及與井的直徑相關(guān)的允許的最大直徑尺寸。
如果減小接頭直徑，那么就必須找出能夠補(bǔ)償?shù)徒Y(jié)構(gòu)阻力的新的技術(shù)方案。實(shí)際上，在靠近接頭的部分中，功效必然小于管線中，這是由于在管壁的厚度中設(shè)置有結(jié)構(gòu)件如螺紋、密封件及肩部，這會(huì)使陽或陰構(gòu)件的關(guān)鍵部分中出現(xiàn)減小的部分。
減小管子破裂的原因是關(guān)鍵的，這是由于在管子鋪設(shè)在地下后破裂，幾乎就不能更換破裂的接頭，這可能引起極為嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)后果，并可能引起環(huán)境問題，特別是如果油或氣田含有侵害性成分的話。
因此，過去為了改善接頭，達(dá)到最佳功效水平，曾做了大量工作，這要平衡不同的需要，這些需要有時(shí)是相互抵觸的，如最小的尺寸、最大的結(jié)構(gòu)阻力及流體輸出和/或輸入的最大密封性。實(shí)際上，管子要經(jīng)受若干力，即，壓縮、拉伸、撓曲和由外部流體和/或管內(nèi)循環(huán)流體產(chǎn)生的壓力。
接頭也必須具有對螺紋連接和卡住的最佳阻力。
結(jié)構(gòu)和密封問題往往被流體溫度，流體腐蝕性或采掘區(qū)域環(huán)境狀態(tài)所惡化。
過去，為了滿足上述條件曾提出若干方案。
國際專利申請WO-A-93/18329涉及一種具有中央肩部的直徑尺寸減小的接頭。所述肩部在陽件及陰件上都設(shè)有一個(gè)凸起和一個(gè)空腔，它們平行于管子軸線，為了封鎖兩種接頭構(gòu)件，具有對應(yīng)的表面。在肩部凸起上設(shè)有兩個(gè)密封表面。肩部劃分兩個(gè)徑向偏置的螺紋部分，它們是圓錐形的，或者是圓錐和圓筒形的。
這種接頭很有效，但是結(jié)構(gòu)特別復(fù)雜，使生產(chǎn)成本很高。
歐洲專利申請EP-A-767335涉及一種接頭，該接頭具有減小的直徑尺寸，設(shè)有一個(gè)中央肩部，以及兩個(gè)設(shè)置在陽、陰件端部上的金屬密封件。該肩部劃分兩個(gè)徑向偏置的、圓錐形和圓筒形的螺紋部分。
這種接頭的結(jié)構(gòu)比前述一種簡單，但是，由于圓錐形、圓筒形螺紋，因而還是相對較為復(fù)雜。另外，在接頭端部的兩個(gè)密封件密封其內(nèi)部，因而使螺紋連接的潤滑脂加壓，這可能對接頭的密封性產(chǎn)生副作用。
本發(fā)明的一個(gè)具體的目的是提供一種整體接頭，該接頭具有減小的直徑尺寸及降低的生產(chǎn)成本，卻可保證高的阻力和工作密封性。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供上述接頭的可簡化其安裝的實(shí)施例。
上述目的是通過一種管子整體接頭實(shí)現(xiàn)的這種管子整體接頭按照權(quán)利要求1所述，包括一種管子整體螺紋接頭，它包括一個(gè)陽構(gòu)件和一個(gè)陰構(gòu)件，所述陽構(gòu)件在其外表面上設(shè)有兩個(gè)徑向間隔開來的、截圓錐形的螺紋部分，所述兩個(gè)螺紋部分被位于垂直于管子軸線的平面上的第一環(huán)形肩部分開，所述陰構(gòu)件在其內(nèi)表面上設(shè)有兩個(gè)徑向間隔開來的、截圓錐形的螺紋部分，所述兩個(gè)螺紋部分被一個(gè)位于垂直于管子軸線的平面上的第二環(huán)形肩部分開，所述陽構(gòu)件和陰構(gòu)件中的每一個(gè)設(shè)有兩個(gè)密封表面，它們分別位于與相應(yīng)螺紋部分相反的軸向端部上，所述相應(yīng)的兩個(gè)螺紋部分能夠一個(gè)在另一個(gè)內(nèi)彼此相反地螺紋連接，以便在所述兩個(gè)環(huán)形肩部之間形成接觸，其特征在于每個(gè)陽構(gòu)件和陰構(gòu)件各自的兩個(gè)螺紋部分具有相同的圓錐度值，所述陽構(gòu)件和陰構(gòu)件各自的兩個(gè)密封表面中的第一個(gè)具有圓錐形形狀，第二個(gè)具有球形形狀。
由于這種實(shí)施例，這種接頭可使管線安裝變得簡易，降低了接頭損環(huán)的危險(xiǎn)，卻可保證管線在接頭處的最佳阻力。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例是在權(quán)利要求書中詳述的。


圖1是沿著按照本發(fā)明接頭的軸面的剖視圖，圖中兩構(gòu)件處于拆開位置；圖2表示圖1的接頭，其兩個(gè)構(gòu)件處于組裝位置；圖3表示圖1接頭螺紋連接細(xì)節(jié)的放大圖；圖4表示沿著按照本發(fā)明接頭的另一實(shí)施例的軸面的剖視圖，圖中兩構(gòu)件處于拆開位置；圖5表示圖4的接頭，其兩個(gè)構(gòu)件處于組裝位置。
接頭的陰構(gòu)件2具有內(nèi)部螺紋，該內(nèi)部螺紋被分為兩個(gè)部分，即臺階8和9，帶有與管子軸線成一個(gè)角度的圓錐母線。所述兩個(gè)部分8和9徑向偏置，螺紋可以在全長上是完備的，或者也可有一個(gè)不完備的部分。所述實(shí)施例表示在圖1和2中。
在圖4和5中所示的本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，螺紋部分7和8可分別具有帶有不完備螺紋的端部。
所述兩個(gè)部分8和9具有相同的圓錐度，其值在6.25和12.5％之間。該范圍被證實(shí)為最佳的，這一方面是由于較低的值會(huì)使螺紋過長，難于連接，另一方面是由于較高的值會(huì)減少齒數(shù)，因而使螺紋的承載能力不足。
在螺紋部分和管子內(nèi)表面之間的連接區(qū)域中，遠(yuǎn)離接頭，陰構(gòu)件設(shè)有一個(gè)相對于管子軸線具有圓錐形表面的區(qū)域12″。該表面的圓錐度在12.5％和25％之間，以便保證與陽構(gòu)件相應(yīng)的接觸面的良好密封性，從而在螺紋連接步驟中縮短滑動(dòng)時(shí)間。
該范圍相對于螺紋圓錐度來說被證明是最佳的，能夠減少牽引負(fù)載的負(fù)面影響。在兩個(gè)螺紋部分8、9之間的連接區(qū)域中，陰構(gòu)件設(shè)有一個(gè)基本位于相對于接頭軸線的垂直平面上的肩部5″，其面積不小于管子截面面積的25％。
在肩部5″和螺紋部分8開始處之間設(shè)有一個(gè)空腔15，該空腔沿著陰構(gòu)件2的整個(gè)內(nèi)圓周延伸。該空腔可用作潤滑接頭的油脂的膨脹腔，所述油脂存在于兩個(gè)螺紋部分8，9中，在螺紋連接過程中被構(gòu)件1和2的滑動(dòng)產(chǎn)生的推動(dòng)作用所攜帶。所述方案限制了由于在接頭兩端設(shè)置雙金屬密封件引起的過大油脂壓力，從而減小了接頭的應(yīng)力。
在陰構(gòu)件2的端部設(shè)有一個(gè)環(huán)形表面13″，該球形表面在與陽構(gòu)件螺紋連接后與它所面對的圓錐形區(qū)域13’接觸，保證了接頭對外部壓力的密封性。
螺紋的齒形是“鉤”型的，帶有一個(gè)負(fù)載齒腹10和一個(gè)進(jìn)入齒腹11，所述負(fù)載齒腹具有負(fù)α角，其值在0°和-10°之間，所述進(jìn)入齒腹具有正β角，其值在10°和30°之間。這些值的范圍具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，仍可保證接頭可容易地安裝。帶有負(fù)角的負(fù)載齒腹可使接頭的兩構(gòu)件有效地連接，減少由于牽引負(fù)載太高而可能引起的接頭脫出。帶有正的不太大的角的進(jìn)入齒腹可使螺紋連接與壓縮負(fù)載的耐受能力有效地共同配合工作。
在靠近陰構(gòu)件的螺紋部分的外表面區(qū)域中，陽構(gòu)件1設(shè)有以完好的往復(fù)方式放置的螺紋，該螺紋具有相對于陰構(gòu)件的上述螺紋部分嚴(yán)格類似的方式成形的部分。
構(gòu)件1設(shè)有由肩部5’和圓周空腔14分開的兩個(gè)螺紋部分6，7，所述圓周空腔在肩部5’和螺紋部分7的開始處之間。兩個(gè)油脂膨脹空腔14和15的設(shè)置使得在接頭的螺紋連接之后可限制油脂壓力的增加，從而避免接頭過高的壓力，并改善接頭的功能。
在構(gòu)件1的外表面和螺紋部分7之間的連接區(qū)域具有一個(gè)圓錐形表面13’，其圓錐度在12.5和25％之間。在接頭螺紋連接后，該表面在表面13″上施加壓力，尺寸和公差選擇得使金屬間的接觸可保證密封性以避免在接頭外面的壓力作用下液體或流體的進(jìn)入。
類似地，在陽構(gòu)件1的端部具有一個(gè)球形表面12’，在與陰構(gòu)件螺紋連接后，該球形表面在所述陰構(gòu)件的圓錐形表面12’上施加壓力。另外，在該第二區(qū)域中，兩構(gòu)件之間金屬與金屬的接觸產(chǎn)生一個(gè)壓力，可保證對抗管子內(nèi)流體壓力的必要的密封性。按照本發(fā)明，選擇在接頭端部兩個(gè)區(qū)域中設(shè)置分別具有球形和圓錐形表面的金屬密封件，這樣使接頭對壓力負(fù)載有較小的敏感，證實(shí)對于細(xì)管子是最佳的。事實(shí)上，考慮到設(shè)有密封表面12’和13’的端部的細(xì)度，作用在上述端部上的管子內(nèi)、外壓力容易引起端部的彎曲。因此，球形密封表面能夠保持最佳的接觸，這與截圓錐形密封件的情形不同，在這種情形中由于端部彎曲引起的轉(zhuǎn)動(dòng)，不能保持在整個(gè)密封部分上的接觸。
陽構(gòu)件1的螺紋形狀與前述陰構(gòu)件2的螺紋形狀相同。螺紋最好具有完備的形狀。
在圖4和5所示本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，陽構(gòu)件的兩個(gè)螺紋部分6、7中的一個(gè)或兩個(gè)的端部，例如靠近肩部5’的區(qū)域6’，可以具有帶有完備形狀的螺紋。在肩部5″面對區(qū)域6″的那側(cè)上的陰構(gòu)件相應(yīng)部分8具有完備的螺紋。螺紋部分8與區(qū)域6’軸向相對的端部上的區(qū)域8’，即，靠近密封表面12″的區(qū)域，也具有帶有不完備形狀的螺紋。但是，這個(gè)區(qū)域也可設(shè)置完備的螺紋。
對螺紋部分7和9也可進(jìn)行相同種類的加工，其中部分7在肩部5’那側(cè)設(shè)置完備的螺紋，部分9在肩部5″那側(cè)設(shè)置不完備螺紋。作為這個(gè)實(shí)施例的補(bǔ)充或替代，部分7也可以設(shè)有區(qū)域7’，該區(qū)域7’在密封表面13’那側(cè)具有不完備的螺紋，部分9在密封表面13″那側(cè)可設(shè)置完備的螺紋。
從前面的描述可以看出，按照本發(fā)明的接頭的優(yōu)點(diǎn)，其直徑尺寸小于現(xiàn)有技術(shù)的“半埋入式”接頭的直徑尺寸，只是稍大于“理入式”接頭的直徑尺寸，而且可保證最佳的性能和工作效率。
權(quán)利要求
1.一種管子整體螺紋接頭，它包括一個(gè)陽構(gòu)件(1)和一個(gè)陰構(gòu)件(2)，所述陽構(gòu)件在其外表面上設(shè)有兩個(gè)徑向間隔開來的、截圓錐形的螺紋部分(6，7)，所述兩個(gè)螺紋部分(6，7)被位于垂直于管子軸線的平面上的第一環(huán)形肩部(5’)分開，所述陰構(gòu)件在其內(nèi)表面上設(shè)有兩個(gè)徑向間隔開來的、截圓錐形的螺紋部分(8，9)，所述兩個(gè)螺紋部分被一個(gè)位于垂直于管子軸線的平面上的第二環(huán)形肩部(5″)分開，所述陽構(gòu)件(1)和陰構(gòu)件(2)中的每一個(gè)設(shè)有兩個(gè)密封表面(12’，13’，12″，13″)，它們分別位于與相應(yīng)螺紋部分(6，7，8，9)相反的軸向端部上，所述相應(yīng)的兩個(gè)螺紋部分(6，7，8，9)能夠一個(gè)在另一個(gè)內(nèi)彼此相反地螺紋連接，以便在所述兩個(gè)環(huán)形肩部(5’，5″)之間形成接觸，其特征在于每個(gè)陽構(gòu)件(1)和陰構(gòu)件(2)各自的兩個(gè)螺紋部分(6，7，8，9)具有相同的圓錐度值，所述陽構(gòu)件和陰構(gòu)件各自的兩個(gè)密封表面(12’，13’，12″，13″)中的第一個(gè)具有圓錐形形狀，第二個(gè)具有球形形狀。
2.如權(quán)利要求1所述的接頭，其特征在于所述陽構(gòu)件(1)和陰構(gòu)件(2)中的至少一個(gè)在所述兩個(gè)螺紋部分之一和相應(yīng)的環(huán)形肩部(5’，5″)之間包括沿其整個(gè)表面的一個(gè)圓周空腔(14，15)，所述空腔(14，15)適于接納接頭潤滑油脂的膨脹。
3.如權(quán)利要求2所述的接頭，其特征在于所述陽構(gòu)件(1)和陰構(gòu)件(2)中的每一個(gè)包括沿其整個(gè)表面的、設(shè)置在所述兩個(gè)螺紋部分之一和相應(yīng)環(huán)形肩部(5’，5″)之間的所述空腔(14，15)。
4.如權(quán)利要求3所述的接頭，其特征在于所述陰構(gòu)件(2)在接頭處的外徑(3)的尺寸(D’)大于同一陰構(gòu)件(2)外徑(4)的尺寸(D″)一個(gè)等于或小于3％的值。
5.如權(quán)利要求4所述的接頭，其特征在于所述陽構(gòu)件(1)和陰構(gòu)件(2)的兩個(gè)螺紋部分(6，7，8，9)各具有相同的在6.25和12.5％之間的圓錐度值。
6.如權(quán)利要求5所述的接頭，其特征在于所述陽構(gòu)件(1)和陰構(gòu)件(2)的所述相應(yīng)的密封表面(13’，12″)具有一個(gè)在12.5％和25％之間的圓錐度值。
7.如權(quán)利要求6所述的接頭，其特征在于螺紋齒的形狀具有一個(gè)帶有負(fù)(α)角的負(fù)載齒腹和一個(gè)帶有正(β)角的進(jìn)入齒腹。
8.如權(quán)利要求8所述的接頭，其特征在于所述員(α)角具有0和10°之間的值，所述正(β)角具有10和30°之間的值。
9.如權(quán)利要求8所述的接頭，其特征在于所述陽構(gòu)件(1)和陰構(gòu)件(2)中的每一個(gè)的所述相應(yīng)的兩個(gè)螺紋部分(6，7，8，9)為其全長設(shè)置完備的螺紋。
10.如權(quán)利要求8所述的接頭，其特征在于所述陽構(gòu)件(1)和陰構(gòu)件(2)中的至少一個(gè)的所述兩個(gè)螺紋部分(6，7，8，9)中的至少一個(gè)設(shè)置帶有不完備螺紋的第一端(6’，7’)。
11.如權(quán)利要求10所述的接頭，其特征在于所述陽構(gòu)件(1)和陰構(gòu)件(2)中的所述至少一個(gè)的另一個(gè)相應(yīng)螺紋部分也設(shè)有一個(gè)設(shè)置在與所述第一端軸向相反端的、第二區(qū)域(8’，9’)，該區(qū)域具有不完備螺紋。
全文摘要
一種管子整體螺紋接頭，由分別設(shè)置在兩個(gè)截圓錐形螺紋部分(6，7，8，9)的外表面和內(nèi)表面上的陽構(gòu)件(1)和陰構(gòu)件(2)構(gòu)成，所述螺紋部分具有相同的圓錐度值，并在徑向上相隔開來，兩者分別由環(huán)形肩部(5，5’)分開，所述環(huán)形肩部是平行的，且垂直于管子軸線，它們設(shè)有兩個(gè)密封表面(12，12′，13，13′)，其一是圓錐形的，另一個(gè)是球形的。在兩個(gè)構(gòu)件(1，2)螺紋連接后，所述環(huán)形肩部(5，5’)接觸。每個(gè)陽構(gòu)件(1)和陰構(gòu)件(2)分別沿其外、內(nèi)表面包括設(shè)置在螺紋一部分和環(huán)形肩部(5，5’)之間的圓周空腔(14，15)，以便允許潤滑油脂的膨脹。
文檔編號F16L15/04GK1443290SQ01812903
公開日2003年9月17日 申請日期2001年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月16日
發(fā)明者朱塞佩·德拉·皮納, 朱塞佩·羅蒂尼, 安吉洛·西尼奧雷利 申請人:達(dá)爾米內(nèi)公司