旋转钻柱连接头 【技术领域】
本发明涉及旋转钻柱的连接头。
本发明还涉及可用螺纹连接起来的管子或管道的连接头。这样的管道或管子应包括在术语“旋转钻柱”内。
本发明还涉及适用于这种连接头的螺纹牙形。背景技术
按常规，旋转钻柱有许多部件，每个部件的阳螺纹连接件(或阳螺纹端)连接互配的阴螺纹连接件(或阴螺纹端)，以便将钻柱相邻的部件连接起来。阳螺纹连接件的远端部分有锥螺纹且端接环形支承面；而阴螺纹连接件具有收缩向内的螺纹孔(座)，该阴螺纹连接件的远端端接一环形支承面，可接合阳螺纹连接件的环形支承面。
旋转钻杆的部件在使用期限内要装拆多达1000-1500次。
据知在阳螺纹与阴螺纹连接件的各自的环形支承面之间放一块垫片，承受各螺纹连接部分的全部磨损。
由于此连接接头必须能传递很大的转矩，所以在松开结合在一起的阳螺纹与阴螺纹连接件时常有很大困难，这是由于两螺纹部分相应的螺纹之间大的摩擦接触，这已是常识。发明内容
但本发明人发现，连接件拆开难的一个主要因素是两环形支承面之间接合的摩擦力大。由于已知的垫片与旋转钻柱用相同或类似材料制造，所以各环形支承面与相邻垫片表面之间高的摩擦接触也会造成钻柱部件的拆开困难。
本发明人已发现，摩擦力大是由传统连接头中常用的6″(152.4mm)BECO螺纹地导角小造成的。
本发明的一个目的是在旋转钻柱的阳螺纹与阴螺纹连接件之间提供一个环(或环形件)，此环(或环形件)比连接件有较低的摩擦系数。
本发明的一个优选目的是在至少一个环形支承面中提供一个环形凹槽，以便安放环并将其定位。
本发明又一优选目的是为旋转钻柱提供包括上述的环的连接头。
本发明还有一优选目的是为连接头提供多线螺纹，以便增加螺纹的导角，如增加100％。
本发明还有一优选目的是增加阳螺纹端连接头及阴螺纹端的螺纹与支承面的硬度。
其他优选目的可从以下说明中明了。
本发明一方面在于上述的旋转钻柱的阳螺纹连接件和阴螺纹连接件的连接头，其中：
有较低摩擦系数的环或环形件插入或放在阳螺纹和阴螺纹连接件的环形支承面之间。
最好在至少一个环形支承面中有一环形凹槽，以便放置并定位该环。
本发明第二方面在于(上述的)旋转钻柱的插入摩擦系数低的放在阳螺纹和阴螺纹连接件之间的环或环形件的连接头。
环或环形件最好接合或放置在至少一个环形支承面的环形凹槽中。
阴螺纹端连接平面及/或连接件的连接平面最好用感应淬火工艺淬火。该平面淬火深度为0.3至0.5mm。
本发明第三方面在于旋转钻柱阳螺纹连接件与阴螺纹连接件的连接头，其中各连接件具有多线螺纹且导角较大。
连接件的螺纹与支承面最好用例如热处理办法来提高硬度。
本发明第四方面在于旋转钻柱的阳螺纹连接件和阴螺纹连接件的连接头，它包括第一方面的环或环形件以及第三方面的多线螺纹。附图说明
为能充分理解本发明，现参看附图说明优选实施例，其中：
图1是旋转钻柱典型部件的侧视图；
图2是本发明采用标准BECO螺纹阴螺纹连接件的侧向剖视图；
图3是具有本发明阳螺纹连接件的连接组件的侧向剖视图，连接件具有本发明的螺纹；
图4是环的侧向剖视图；
图5是图4中细部5的放大图；
图6是一示意图，示出螺纹导角度量方法；
图7-9分别是阳螺纹连接头(或阳螺纹端)的立体图、端视图及侧视图；
图10-12分别是阴螺纹连接头(或阴螺纹端)的立体图，端视图和侧向剖视图；
图13是阳螺纹端及阴螺纹端的螺纹牙形的放大侧向剖视图；
图14-17的四个备选的阳螺纹端及阴螺纹端的多线螺纹的侧向剖视图；及
图18是表面感应淬火的阴螺纹端的侧向剖视图。
(注意：图中的尺寸和角度只是说明性的，并不对本发明范围构成限制)。具体实施方式
参看图1，钻柱10包括上接头11，钻具12及钻头接头(或扶正器)13，它们宜连接在一起穿过旋转甲板套筒14。
上接头11连接适合的转盘(未示)，钻头(未示)可连接钻头接头(或扶正器)13。
阴螺纹连接件130(见图2)有一锥螺纹内孔131(构成可放置配对的阳螺纹连接件120的套口)，螺纹孔131的远端端接一环形支承面132，此环形支撑面位于阴螺纹连接件的端部。
参看图3，在钻柱部件末端，阴螺纹连接件120有一锥螺纹部分121，在其端部与顶部或前缘123相对处有一环形支承面122。
当传统的阳螺纹与阴螺纹连接件用螺纹啮合时，各环形支承面(即支承面122、132)接合(或被一钢垫片隔开，未示)，从而使转矩能从一个钻柱部件传递到另一个。如前述，支承面之间产生很高摩擦力，这使传统的阳螺纹与阴螺纹连接件拆开十分困难(如果不是不可能的话)。
如图3所示，本发明的阳螺纹连接件120有一扭矩减轻环124，它放置在环形支承面122的环形凹槽125中，扭矩减轻环124比环形支承面122伸出2mm(此时扭矩减轻环的厚度可为4mm)。
参看图2，本发明的阴螺纹连接件130在其环形支承面132的凹槽135中放置一扭矩减轻环134并凸出环形支承面132。
阳螺纹连接件120可与传统的阴螺纹连接件一起使用，也可与改进的阴螺纹连接件130一起使用；而阴螺纹连接件130可与传统的阳螺纹连接件或改进的阴螺纹连接件120一起使用。
在图4、5中详示的扭矩减轻环124、134提供低摩擦的表面，降低拆开连接件所需的扭矩。环124、134可用不同材料制造，以适合不同用途，包括黑色金属及其合金，如AISI4140渗氮钢；有色金属及其合金，如HTBI青铜，及/或非金属材料，如塑料，橡胶或复合材料，或上述二种或二种以上材料的组合。
凹槽125、135及低摩擦系数的(扭矩减轻)环124、134使用的具体目的是能比目前在多程旋转钻柱产生的连接件拆开力矩小些。
凹槽125、135可用作三种用途：第一，当在装拆过程中有垂直于钻柱轴线的力作用于环124、134上时使环在径向定位；第二，当环124、134受到载荷作用时保持环的形状不变，因为环的一部分嵌入刚性凹槽中，环的材料(特别是塑料环)不会受压而改变形状；第三，将环保持在连接头特定侧面，因而不会向上滑移或从下一个连接位置向外移动。
当连接头经常装拆时不能简单地将薄的平垫片(尤其是非金属材料)放置在环形支承面之间来使用，因为：(a)垫片会因侧向力而裂开，及(b)粘上螺纹上的油脂而离开原位。
本发明人已证实，阳螺纹及阴螺纹连接件120、130(即阳螺纹端120及阴螺纹端130)如果是多线螺纹且其导角比传统的BECO螺纹的导角大，则比较容易连结。
导角是一边放在螺纹中径上而另一边是螺纹螺矩的一半的直角三角形所形成的角度。如为锥螺纹，则从阳螺纹面量2.54cm(＝1″)。
螺纹导角α由下式定义(见图6)。
导角α＝(×螺距/中径)tan-1
例如，6″BECO螺纹的中径为25.4，阳螺纹工作面＝152.4mm(＝6″)，螺距为12.7mm(＝0.5″)。
∴导角α＝(×12.7/152.4)tan-1
＝2.39°
传统BECO螺纹的典型导角如下：
3″ 4.75°
3 4.08°
4″ 3.58°
4″ 3.18°
51/4″ 3.18°
6″ 2.39°
8″ 1.79°
如图7-13所示，阳螺纹连接头(或阳螺纹端)120及阴螺纹连接头(或阴螺纹端)130有多线的，特别是2线的螺纹140、150，其导角分别为等直径的BECO螺纹导角的二倍，如：
直径 BECO螺纹的导角 本发明的导角
6″ 2.39° 4.76°
8″ 1.79° 3.58°
参看图14-17，示出阳螺纹端(或阳螺纹连接头)120a-d及阴螺纹端(或阴螺纹连接头)130a-d备选的二线螺纹。注意：本发明不局限于图中所示的特定尺寸/角度。在图14-17中的螺纹实施例中，各螺纹均有截头圆锥形螺牙及半圆形根部，螺纹的前工作面和背面与垂直于螺纹轴线的平面的夹角都是30°。
螺纹导角α比标准的6″和8″BECO螺纹的导角大，确实，是其二倍(如α＝4.76°和4.58°，而BECO螺纹是2.39°和1.79°)。这样降低支承面125，135上的压力，因而也降低扭矩减轻环124，134上的载荷。这样降低环的磨损率，延长其使用寿命及/或使“较软的”环可以应用(如用HTB1青铜替代AISI4140渗氮钢)。
多线螺纹较大的导角也可降低连结连接头所需力矩值。
螺纹工作性能还可通过增加其硬度得到进一步改善，包括诸如渗氮，表面淬火，穿透淬火等热处理。增加硬度可增加连接头装拆次数，因为这时螺纹表面较硬。
本发明人已对上述平面环应用与6″及4″BECO阳螺纹端连接进行跟踪。这些平面板用表面淬火钢制造，经过机械加工，表面淬火及表面抛光。特别是用上述二线螺纹(图14-17)后，螺纹咬住事故大为降低。但平面环仍有事故，因为其较软的阴螺纹端连接平面与油脂中的金属颗粒接触。如图18所示，该问题的解决办法是应用叫做感应淬火工艺使阴螺纹端连接平面200硬化。感应淬火工艺需将高温电极穿过连接螺母，将其加热到这样的温度，致使电极过后喷水使材料淬火。淬火深度0.3-0.5mm，表面硬度受淬火温度、钻杆阴螺纹端端面及急冷度的影响。如果阴螺纹端端面淬火硬度与平面环一样，则这两平面在工作过程保持光滑，因而螺纹咬住的机会减少。
将扭矩减轻环与多线螺纹结合就可明显降低拆开连接头所需扭矩。
有经验的受件人懂得，本发明提供一相对简单又很有效的办法来解决转盘钻井工业中钻井操作时拧紧钻柱以致钻头扳手不能将部件松开的问题。
可以对所示和说明过的实施例作各种更改和修改但仍不脱离本发明。