用于钻探和开采油气井的螺纹连接件的制造方法、以及生成的螺纹连接件技术领域
本发明涉及一种用于钻探和/或开采油气井的螺纹连接件，并且更
加精确地就在压缩/拉伸情况下连接件作业时的效率和密封方面来优
化连接件的整体性能。
背景技术
术语“螺纹连接件”表示由以下元件构成的任何组件，所述元件
基本是管状的金属件，并且能够在独特视角条件下通过上紧而连接在
一起，以构成用于钻探油气井的钻杆、或者用于维护油气井的立管(也
已知为维修立管)或者开采该油气井的立管，诸如用于开采井的立管、
或者套管或者管柱。
每个管状元件均包括端部部分，所述端部部分设置有阳螺纹区域
或者阴螺纹区域，用于与类似元件的对应端部部分上紧。当组装时，
元件上紧，这已知为连接件。
连接件的这种管状螺纹部件在预设载荷下组装在一起，以响应过
盈配合以及由使用情况提出的密封要求。而且，应当注意的是，螺纹
管状部件还必须承受若干上紧-卸开周期，特别当使用时。
这种螺纹管状部件使用所处的条件产生了范围广泛的机械载荷，
所述机械载荷作用在部件的敏感部分上，诸如螺纹区域、抵接区域或
者密封表面。
为此，连接件设计规格复杂，要求同时考虑多个参数。因此，建
议保持连接件效率，管状部件的承载密封表面的区域的厚度，并且最
小化当连接件在压缩/拉伸下操作时密封接触点移动的风险。
通过VAM![]()
类型的连接件已经研发了一种解决方案，其使用
两个螺纹区域，在所述两个螺纹区域之间在阳端部的唇部处设置有第
一密封表面和第二密封表面。这种设计意味着能够获得位于螺纹区域
之间的第一密封件的良好稳定性，然而，第二密封件位于非常薄的唇
部上，这致使密封件的功能容易受损。另外，当连接件在压缩/拉伸下
操作时，由于交变载荷，第二密封件不稳定。最后，在阳端部的唇部
中设置密封件降低了阴端部的效率。
在文献US4570982A1的文献中还研发了另一种解决方案。这种
连接件具有三个错列的螺纹部分，这表示三个螺纹区域的锥形部不重
合而是平行。在螺纹区域中的每一个之间均设置有密封表面和抵接部。
然而，通过将抵接部定位成毗邻密封表面削弱了所述表面，原因在于
抵接部是处于特定载荷作用下的区域，此时载荷幅值较大。螺纹区域
不是自锁式并且在承载牙侧和/或插入牙侧处存在间隙。然而，由于这
些间隙，当连接件在压缩/拉伸下操作时密封表面的稳定性受损。
利用VAM![]()
类型的连接件还研发了一种解决方案，其采用
两个自锁式螺纹区域，在所述两个自锁式螺纹区域之间设置有密封表
面。与VAM![]()
的情况一样，设计导致在螺纹区域处产生中间密封
的良好稳定性，然而，单个密封表面在嵌入式或者半嵌入式连接件的
情况中不足以抵抗内压力和外压力。
发明内容
为此，本发明的目的是响应以下三重目标，包括：保持连接件的
效率、最大化管状部件的承载密封表面的区域的厚度和当连接件在压
缩/拉伸下操作时避免密封接触点移动的风险。
更加精确地，本发明涉及一种用于生产螺纹连接件的组件，其包
括第一和第二管状部件，所述第一和第二管状部件具有相同的旋转轴
线并且在其一个端部处均相应设置有至少第一、第二和第三连续螺纹
区域，所述第一、第二和第三连续螺纹区域根据螺纹端部是阳类型还
是阴类型而相继设置在部件的外周表面或内周表面上的同一螺旋上，
并且能够在上紧时配合在一起，第一或者第二或者第三螺纹区域中的
至少一个具有自锁的可变宽度螺纹牙型，所述端部相应结束于自由终
端表面，所述端部中的每一个均没有特定抵接表面，至少一个密封表
面设置在毗邻的螺纹区域中的每一个之间，从而当连接件处于上紧状
态中时与设置在对应端部上的密封表面以密封过盈配合的方式配合。
在下文陈述了本发明的可选的补充或者替代特征。
每个端部的第一、第二和第三连续螺纹区域可以沿着相同的锥母
线延伸。
设置在毗邻螺纹区域的每一个之间的至少一个密封表面形成锥体
上的环面接触，所述至少一个密封表面相互以密封过盈配合的方式配
合。
密封表面中的一个可以是拱形表面，半径介于30mm至100mm
的范围内，而对应的密封表面可以是锥形表面，其中，半峰角的正切
介于0.025至0.1的范围内，即，锥度介于5％至20％的范围内。
连续螺纹区域中的至少一个可以具有可变宽度螺纹牙型，所述可
变宽度螺纹牙型形成为燕尾形并且非自锁。
具有形成为燕尾形以及非自锁的可变宽度螺纹牙型的连续螺纹区
域在螺纹牙顶和牙底之间具有径向间隙，所述径向间隙介于0.05mm
至0.5mm的范围内。
具有形成为燕尾形并且非自锁的可变宽度螺纹牙型的连续螺纹区
域可以在螺纹牙顶和螺纹牙底之间具有介于0.1mm至0.3mm的范围
内的径向间隙。
具有形成为燕尾形并且非自锁的可变宽度螺纹牙型的连续螺纹区
域可以在插入牙侧之间具有介于0.002mm至1mm的范围内的径向间
隙。
具有形成为燕尾形并且非自锁的可变宽度螺纹牙型的连续螺纹区
域可以在插入牙侧之间具有介于0.002mm至0.2mm的范围内的径向
间隙。
具有形成为燕尾形并且非自锁的可变宽度螺纹牙型的连续螺纹区
域可以具有介于1度至15度的范围内的负插入牙侧角。
具有形成为燕尾形并且非自锁的可变宽度螺纹牙型的连续螺纹区
域可以具有介于5度至8度的范围内的负插入牙侧角。
具有形成为燕尾形并且非自锁的可变宽度螺纹牙型的连续螺纹区
域可以具有介于1度至15度的范围内的负承载牙侧角。
具有形成为燕尾形并且非自锁的可变宽度螺纹牙型的连续螺纹区
域可以具有介于5度至8度的范围内的负承载牙侧角。
具有形成为燕尾形并且非自锁的可变宽度螺纹牙型的连续螺纹区
域可以具有介于5mm至20mm的范围内的螺距，其中，所有螺纹区
域的螺距均相等。
每个端部的第一、第二和第三连续螺纹区域可以沿着相同的锥母
线延伸，锥母线的倾斜度介于5％至25％的范围内。这对应于介于
0.025至0.125的范围内的半峰角的正切。
每个端部的第一、第二和第三连续螺纹区域可以沿着相同的锥母
线延伸，锥母线的倾斜度介于10％至18％的范围内。这对应于介于
0.05至0.09的范围内的半峰角的正切。
连续螺纹区域中的至少一个可以具有根据API标准5CT的锥形
或者锯齿型螺纹牙型或者具有负承载牙侧角。
管状部件中的每一个均可以包括制成在另一个多头型螺旋上的至
少四分之一的连续螺纹区域。
本发明还涉及一种源自根据本发明的组件的自锁连接件的螺纹连
接件。
附图说明
参照附图在下文描述中更加详细地公开了本发明的特征和优势。
图1是通过上紧连接两个管状部件而形成的、根据本发明的一个
实施例的连接件的纵向截面的示意图；
图2A和图2B均是通过上紧连接两个管状部件而形成的、根据本
发明的一个实施例的连接件的螺纹区域的细节的纵向截面的示意图；
图3A至图3N是通过上紧连接两个管状部件而形成的、根据本发
明的不同实施例的连接件的纵向截面的示意图。
具体实施方式
图1示出了一种用于制造螺纹连接件的组件，其包括具有旋转轴
线10的第一和第二管状部件。部件中的一个设置有已知为阳端部1
的端部，阳端部1包括第一连续螺纹区域31、第二连续螺纹区域32
和第三连续螺纹区域33，它们在部件的外周表面上制成而且遵循同一
螺旋。术语“遵循同一螺旋”表示这样的事实，即，第一、第二和第
三螺纹区域相继位于同一螺旋上并且它们同步以允许上紧。
另一个部件设置有已知为阴端部2的端部，其包括第一连续螺纹
区域41、第二连续螺纹区域42和第三连续螺纹区域43，它们在部件
的内周表面上制成而且遵循同一螺旋。术语“遵循同一螺旋”表示这
样的事实，即，第一、第二和第三螺纹区域相继位于同一螺旋上并且
同步以允许上紧。
第一连续螺纹区域31、41、第二连续螺纹区域32、42以及第三
螺纹区域33、43分别能够相互配合，以允许上紧。
端部1和2分别终止于自由终端表面7和8。术语“自由”表示
这样的事实，即，终端表面中的每一个均没有抵接表面，这表示当连
接件处于上紧状态时，终端表面没有压缩在彼此上。
用于生产本发明的螺纹连接件的组件不包括特定抵接表面。术语
“特定抵接表面”表示仅仅作为抵接件的任何表面，即，其功能仅仅
为当连接件处于上紧状态中时被压缩在对应表面上。以已知的方式，
这些抵接表面大致为以基本垂直于连接件轴线的方式定向的表面。它
们还可以设置在两个错列螺纹连接之间。特定抵接表面不属于螺纹连
接。
在阳端部1上，第一密封表面51设置在毗邻的螺纹区域31和32
之间。当连接件处于上紧状态中时其能够与第一密封表面61相配合为
过盈配合，所述第一密封表面61设置在对应阴端部上的毗邻螺纹区域
41和42之间。
在阳端部1上，第二密封表面52设置在毗邻的螺纹区域33和32
之间。当连接件处于上紧状态中时其能够与第二密封表面62相配合为
过盈配合，所述第二密封表面62设置在对应阴端部上的毗邻螺纹区域
43和42之间。
对于螺纹连接，术语“连续螺纹区域”表示管状部件的圆周面的
具有连续螺纹的部分，即，螺纹的螺旋没有中断。
根据本发明，第一或者第二或者第三螺纹区域中的至少一个具有
自锁式的可变宽度螺纹牙型。牙型可以形成为燕尾形，使得能够有利
地防止螺纹在上紧的连接件处于负荷下时脱离。
术语“径向过盈配合螺纹”表示包括图2A中详细描述的特征的
螺纹区域。阳螺纹牙侧(或者齿)34与阴螺纹牙侧(或者齿)44一样
具有恒定的螺距，而螺纹的宽度沿着相应终端表面的方向减小，使得
在上紧期间，阳和阴螺纹(或者齿)结束于将一个锁扣在另一个的预
定位置中。更加精确地，阴螺纹区域的承载牙侧46之间的螺距LFPb
是恒定的，阴螺纹区域的插入牙侧45之间的螺距SFPb一样是恒定的，
其中，独特特征在于承载牙侧之间的螺距大于插入牙侧之间的螺距。
类似地，阳插入牙侧35之间的螺距SFPp是恒定的，阳承载牙侧36
之间的螺距LFPp一样是恒定的。另外，阳插入牙侧35和阴插入牙侧
45的相应螺距SFPp和SFPb相等并且小于阳承载牙侧36和阴承载牙
侧46的相应螺距LFPp和LFPb，所述螺距LFPp和LFPb彼此相等。
图1还示出了阳端部1的厚度ep，所述厚度也称作阳端部1的临
界截面，其不由所述端部的外径ODp和内径IDp之间的差限定，而
是位于螺纹区域31的基部处，即，在最后螺纹处。类似地，阴端部2
的厚度eb(也称作阴端部的临界截面)不由所述端部的外径ODb和
内径IDb之间的差限定，而是位于螺纹区域43的基部，即，位于最
后螺纹处。
因此，由阳端部的临界截面定义阳端部1的厚度ep，而由阴端部
的临界截面定义阴端部2的厚度eb，事实上所述临界截面是由阳或者
阴端部的在具有厚度ep和eb的区域处的横截面所形成的表面。
因此，连接件的效率定义为等于阳端部的临界截面和阴端部的临
界截面之间的最小值与管的普通截面的比。当然，必须从螺纹部件的
在与螺纹区域相距一定距离处测量的厚度获取管的普通截面。因此对
于阳部件和阴部件而言所述厚度皆恒定。这个厚度同样能够由ODb
和IDb之间的差计算得出、与ODp以及IDp之间的差一样。连接件
的效率的概念与连接件的疲劳强度有关。
有利地，每个端部的第一、第二和第三连续螺纹区域均能够沿着
相同的锥母线9延伸。螺纹区域对准的事实有助于机械加工步骤。另
一个变型将包括使得螺纹区域沿着相互平行的锥母线错列。
有利地，设置在毗邻螺纹区域中的每一个之间的至少一个密封表
面形成锥体上的环面接触，所述至少一个密封表面相互配合而以过盈
配合的方式密封。这类已知为“点”接触的接触实际上更为稳定。
有利地，环面是拱形环面凸面，其半径R优选地介于30mm至
100mm的范围内。就环面而言半径太大，即，大于100mm会引发与
锥体-锥体接触中相同的劣势。半径太小，即，小于30mm则使得接触
宽度不够。
锥形密封表面面向环形密封表面由锥母线支撑，所述锥母线相对
于连接件的轴线10形成一角度，所述角度的半峰角的正切介于0.025
至0.1的范围，对应于介于5％至20％范围的锥度。
有利地并且如能够在图2B中所见，连续螺纹区域中的至少一个
可以具有可变宽度螺纹牙型，所述可变宽度螺纹牙型形成为燕尾形并
且非自锁。
在这种构造中并且如能够在图2B中所见，具有形成为燕尾形并
且非自锁的可变宽度螺纹牙型的连续螺纹区域可以在螺纹牙顶和螺纹
牙底之间具有介于0.05mm至0.5mm之间的径向间隙TRG。以这种
方式，间隙设置在阳螺纹牙顶37和阴螺纹牙底47之间。为此，提供
了空闲容积，所述空闲容积能够在上紧期间收集润滑脂并且避免超压
区域。
优选地，螺纹牙顶和螺纹牙底之间的径向间隙TRG介于0.1mm
至0.3mm之间。这个值意味着设置有足够的空闲容积来存储润滑脂，
而又不会对连接件的效率造成影响。
在这个构造中并且如能够在图2B中所见，具有形成为燕尾形并
且非自锁的可变宽度螺纹牙型的连续螺纹区域可以在插入牙侧之间具
有轴向间隙TAG，所述轴向间隙TAG介于0.002mm至1mm之间。
在这种情况中，间隙TAG设置在阳插入牙侧35和阴插入牙侧45之
间。以这种方式，提供了空闲容积，所述空闲容积能够在上紧期间收
集润滑脂并且避免超压区域。
优选地，插入牙侧之间的径向间隙TAG介于0.002mm至0.2mm
之间。这个值意味着能够最小化在交变载荷期间的轴向位移。
在这种构造中并且如图2B所示，具有形成为燕尾形并且非自锁
的可变宽度螺纹牙型的连续螺纹区域可具有介于1度至15度之间的负
插入牙侧角SFA。这种构造表示螺纹能够径向锁扣。
优选地，负插入牙侧角SFA介于5度至8度之间。这意味着机加
工次数是能够接受的。
类似地，具有形成为燕尾形并且非自锁的可变宽度螺纹牙型的连
续螺纹区域可以具有介于1度至15度之间的负承载牙侧角LFA。
类似地，负承载牙侧角LFA优选地介于5度至8度之间。
在这种构造中，具有形成为燕尾形并且非自锁的可变宽度螺纹牙
型的连续螺纹区域可以具有介于5mm至20mm范围内的螺距。因此
螺距针对所有螺纹区域均相等。
在这种构造中，为了便于上紧，每个端部的第一、第二和第三连
续螺纹区域均可以沿着相同的锥母线9延伸，其中，锥母线9的倾斜
度介于5％至25％的范围内。
优选地，锥母线9具有介于10％至18％范围内的倾斜度。
在附图中没有详细示出的另一个变型方案中，连续螺纹区域中的
至少一个可以具有根据API标准5CT的锥形螺纹牙型或者锯齿型螺
纹牙型或者具有负承载牙侧角。
在附图中没有详细示出的另一个变型方案中，管状部件中的每一
个均可以包括至少四分之一连续螺纹区域，所述至少四分之一连续螺
纹区域能够在上紧期间与对应的螺纹区域配合。使用已知为“多头”
螺纹的螺纹连接的构造能够用于最小化磨损的风险。
图3A至图3N表示可能采用的多种可行构造。
图3A从左至右包括具有形成为燕尾形并且非自锁的可变宽度螺
纹牙型的第一连续螺纹区域NSLT、具有形成为燕尾形并且自锁的可
变宽度螺纹牙型的第二连续螺纹区域SLT、具有形成为燕尾形并且非
自锁的可变宽度螺纹牙型的第三连续螺纹区域NSLT。
图3B从左至右包括具有形成为燕尾形并且自锁的可变宽度螺纹
牙型的第一连续螺纹区域SLT、具有形成为燕尾形并且非自锁的可变
宽度螺纹牙型的第二连续螺纹区域NSLT、具有形成为燕尾形并且非
自锁的可变宽度螺纹牙型的第三连续螺纹区域NSLT。
图3C从左至右包括具有形成为燕尾形并且非自锁的可变宽度螺
纹牙型的第一连续螺纹区域NSLT、具有形成为燕尾形并且非自锁的
可变宽度螺纹牙型的第二连续螺纹区域NSLT、具有形成为燕尾形并
且自锁的可变宽度螺纹牙型的第三连续螺纹区域SLT。
图3D从左至右包括具有形成为燕尾形并且自锁的可变宽度螺纹
牙型的第一连续螺纹区域SLT、具有形成为燕尾形并且自锁的可变宽
度螺纹牙型的第二连续螺纹区域SLT、具有形成为燕尾形并且自锁的
可变宽度螺纹牙型的第三连续螺纹区域SLT。
图3E从左至右包括具有形成为燕尾形并且非自锁的可变宽度螺
纹牙型的第一连续螺纹区域NSLT、具有形成为燕尾形并且自锁的可
变宽度螺纹牙型的第二连续螺纹区域SLT、具有形成为燕尾形并且自
锁的可变宽度螺纹牙型的第三连续螺纹区域SLT。
图3F从左至右包括具有形成为燕尾形并且自锁的可变宽度螺纹
牙型的第一连续螺纹区域SLT、具有形成为燕尾形并且非自锁的可变
宽度螺纹牙型的第二连续螺纹区域NSLT、具有形成为燕尾形并且自
锁的可变宽度螺纹牙型的第三连续螺纹区域SLT。
图3G从左至右包括具有形成为燕尾形并且自锁的可变宽度螺纹
牙型的第一连续螺纹区域SLT、具有形成为燕尾形并且自锁的可变宽
度螺纹牙型的第二连续螺纹区域SLT、具有形成为燕尾形并且非自锁
的可变宽度螺纹牙型的第三连续螺纹区域NSLT。
图3H从左至右包括具有锥形或者锯齿型螺纹牙型或者具有负承
载牙侧角的螺纹牙型的第一连续螺纹区域、具有形成为燕尾形并且自
锁的可变宽度螺纹牙型的第二连续螺纹区域SLT-A、具有形成为燕尾
形并且非自锁的可变宽度螺纹牙型的第三连续螺纹区域NSLT-A。
图3I从左至右包括具有形成为燕尾形并且自锁的可变宽度螺纹
牙型的第一连续螺纹区域SLT-A、具有锥形或者锯齿形螺纹牙型或者
具有负承载牙侧角的螺纹牙型的第二连续螺纹区域和具有形成为燕尾
形并且自锁的可变宽度螺纹牙型的第三连续螺纹区域SLT-B。
图3J从左至右包括具有锥形或者锯齿形螺纹牙型或者具有负承
载牙侧角的螺纹牙型的第一连续螺纹区域、具有形成为燕尾形并且自
锁的可变宽度螺纹牙型的第二连续螺纹区域SLT-A和具有形成为燕尾
形并且自锁的可变宽度螺纹牙型的第三连续螺纹区域SLT-B。
图3K从左至右包括具有形成为燕尾形并且自锁的可变宽度螺纹
牙型的第一连续螺纹区域SLT-A、具有形成为燕尾形并且自锁的可变
宽度螺纹牙型的第二连续螺纹区域SLT-B和具有锥形或者锯齿形螺纹
牙型或者具有负承载牙侧角的螺纹牙型的第三连续螺纹区域。
图3L从左至右包括具有锥形或者锯齿形螺纹牙型或者具有负承
载牙侧角的螺纹牙型的第一连续螺纹区域、具有形成为燕尾形并且自
锁的可变宽度螺纹牙型的第二连续螺纹区域SLT、具有锥形或者锯齿
形螺纹牙型或者具有负承载牙侧角的螺纹牙型的第三连续螺纹区域。
图3M从左至右包括具有锥形或者锯齿形螺纹牙型或者具有负承
载牙侧角的螺纹牙型的第一连续螺纹区域、具有锥形或者锯齿形螺纹
牙型或者具有负承载牙侧角的螺纹牙型的第二连续螺纹区域、具有形
成为燕尾形并且自锁的可变宽度螺纹牙型的第三连续螺纹区域SLT。
图3N从左至右包括具有形成为燕尾形并且自锁的可变宽度螺纹
牙型的第一连续螺纹区域SLT、具有锥形或者锯齿形螺纹牙型或者具
有负承载牙侧角的螺纹牙型的第二连续螺纹区域、和具有锥形或者锯
齿形螺纹牙型或者具有负承载牙侧角的螺纹牙型的第三连续螺纹区
域。
对于VAMSLIJ-II连接件和根据本发明的连接件实施对比模拟。
VAMSLIJ-II连接件是一体式连接件，其包括两个错列的螺纹区域，
所述两个错列的螺纹区域由中间抵接部和两个密封表面分离开，两个
密封表面一个为内密封表面而另一个为外密封表面。
图4A中的曲线图在曲线1中示出了对于碳钢VAMSLIJ-II连接
件而言接触内密封表面的相对位移，所述碳钢VAMSKIJ-II连接件的
外径为9又7/8”(即，250.83mm)、标称重量为62.8(即，厚度为
15.88mm)并且屈服强度为P110(即，758MPa)。
图4A中的曲线图中的曲线2示出了针对本发明的碳钢连接件的
接触内密封表面的相对位移，其中，根据本发明的碳钢连接件的外径
为9又7/8”(即，250.83mm)、标称重量为62.8(即，厚度为15.88mm)
并且屈服强度为P110(即，758MPa)。
能够清晰看到，曲线2保持接近水平轴线。这意味着不受内压(IP)
或者外压(EP)、拉伸应力(T)、压缩负荷(C)或者这些中若干的
组合的变化的影响，本发明的连接件对于施加的负荷不大敏感。
相比，曲线1包括大幅偏离水平轴线的部分。这意味着VAM
SLIJ-II连接件对于上述负荷更加敏感。
在图4B的曲线图中，示出了图4A的VAMSLIJ-II连接件的接
触外密封表面的相对位移和图4A的本发明的连接件的接触密封表面
的相对位移之间的比较结果。结论与图4A相同。
这种类型的螺纹连接与效率增进有关，因为在阳端部密封件和阴
端部密封件的有效截面处没有设置密封表面，仅仅是螺纹消失。另外，
如上文所述，密封表面位于两个连续螺纹区域之间，由此在交变的压
缩和拉伸负荷期间提供了接触的更大稳定性，而且还由于表面下方材
料的更大厚度而增大了其接触压力，由此提高了在高的内压力和外压
力下的密封性能。类似地，借助于至少一个自锁式螺纹连接定位这些
密封表面，这避免使用抵接部并且因此优化了螺纹表面和连接件的长
度，这意味着更加良好的上紧。