專利名稱：一種牙型螺紋鉆桿接頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用于石油、煤炭、地礦、水電等行業(yè)勘探工程定向鉆進(jìn)的鉆桿結(jié)構(gòu)，屬于土層或巖石的鉆進(jìn)設(shè)備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
定向鉆進(jìn)技術(shù)已經(jīng)在我國(guó)石油、煤炭、地礦、市政等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。近年來(lái)隨著易采油藏資源的逐漸枯竭，世界范圍都不得不將油氣資源勘探和開(kāi)發(fā)的目標(biāo)投向了地理和地質(zhì)條件更加復(fù)雜的地區(qū)，鉆探深度增加、鉆探難度加大，深井、超深井、高壓油氣井、大位移井、水平井、含腐蝕介質(zhì)井已大量出現(xiàn)，鉆桿作為油氣田勘探和開(kāi)發(fā)過(guò)程中不可缺少的關(guān)鍵性工具，這些油氣井對(duì)其性能和質(zhì)量均提出了更高的要求。鉆桿結(jié)構(gòu)中包括管體和管體兩端帶螺紋的接頭。在油氣田勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中，幾百根鉆桿通過(guò)接頭螺紋連接起來(lái)組成 幾千米長(zhǎng)的鉆柱，鉆桿接頭需要承受拉、壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)和不均衡沖擊等交變載荷，因此對(duì)鉆桿及接頭的管材性能(柔性和強(qiáng)度)、加工精度、表面處理等提出了更高的要求。大量鉆井工具失效分析結(jié)果表明，鉆桿螺紋失效的主要原因是螺紋彎扭疲勞斷裂，目前常用API標(biāo)準(zhǔn)螺紋鉆桿接頭的抗扭、抗疲勞性能難以滿足深井、超深井、大位移水平井在開(kāi)采技術(shù)、安全等方面的要求。國(guó)外知名的鉆具研究公司都致力于通過(guò)研究特殊結(jié)構(gòu)、特殊螺紋牙型、高強(qiáng)韌性材料開(kāi)發(fā)出新型鉆具來(lái)滿足勘探技術(shù)快速發(fā)展的需要。我國(guó)對(duì)油井管特殊螺紋的研究無(wú)論在品種數(shù)量方面或是性能質(zhì)量方面，都遠(yuǎn)不能滿足的油氣田勘探開(kāi)發(fā)快速發(fā)展的需求。因此有必要研發(fā)生產(chǎn)出連接強(qiáng)度高、抗疲勞性能好、使用壽命長(zhǎng)的特殊接頭螺紋，以滿足國(guó)內(nèi)油氣田深井、超深井以及大位移水平井勘探開(kāi)發(fā)的需求。經(jīng)檢索北京中煤礦山工程公司申請(qǐng)的200910147891. 2專利公開(kāi)了一種鋸齒形鉆桿結(jié)構(gòu)螺紋。其所述內(nèi)外螺紋均為鋸齒形狀，牙頂和牙底都是平的偏梯形結(jié)構(gòu)，螺紋螺距大于10mm，螺紋由2個(gè)不同角度牙側(cè)角組成，分別為45度和15度。這種螺紋結(jié)構(gòu)適用于淺層礦山開(kāi)采，尤其適用于大直徑反井作業(yè)，但其螺紋結(jié)構(gòu)承載力小、抗彎性能一般，不適用于井身結(jié)構(gòu)復(fù)雜的油氣田勘探開(kāi)發(fā)的要求。目前，普通API鉆桿螺紋特點(diǎn)為螺紋錐度均為I:6，螺距為4牙/英寸，螺紋不切頂牙高為5. 4_左右，API標(biāo)準(zhǔn)螺紋普遍存在的缺點(diǎn)為DAPI公接頭螺紋根部應(yīng)力集中、缺口效應(yīng)嚴(yán)重，是疲勞、脆性斷裂的薄弱環(huán)節(jié)。2) API螺紋疲勞敏感系數(shù)高，易產(chǎn)生疲勞或脆性斷裂。3)API螺紋的抗扭強(qiáng)度、彎曲疲勞壽命不足以滿足超深井、大位移水平井勘探開(kāi)發(fā)的需求。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種螺紋牙型鉆桿接頭，該接頭的螺紋牙型相對(duì)API標(biāo)準(zhǔn)螺紋具有抗扭強(qiáng)度高、應(yīng)力分布均勻、疲勞敏感系數(shù)低、對(duì)加工公差敏感降低，使用時(shí)變形相容性好，在彎曲時(shí)降低公扣末端完全扣處應(yīng)力水平和應(yīng)力集中，使疲勞壽命顯者提聞的特點(diǎn)。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型所采取的技術(shù)方案是一種牙型螺紋鉆桿接頭，包括母接頭和公接頭，所述公接頭和母接頭均為中空結(jié)構(gòu)，公接頭的外側(cè)壁上具有軸向延伸的外螺紋，母接頭的內(nèi)側(cè)壁上具有軸向延伸的內(nèi)螺紋，所述母接頭和公接頭通過(guò)螺紋旋合為一體，其特征在于所述內(nèi)螺紋和外螺紋均為牙型錐螺紋，牙型錐螺紋的錐度為1:8 16，牙型錐螺紋的齒頂和齒根為弧形結(jié)構(gòu)，且齒頂和齒根的配合處設(shè)有間隙，齒側(cè)配合處形成兩個(gè)密封面；所述牙型錐螺紋的齒由第一牙側(cè)角α和第二牙側(cè)角β組成，其中20° ^ a ^ 40°，40° 彡 β 彡 50°。對(duì)上述結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步限制，所述內(nèi)螺紋和外螺紋的兩側(cè)均設(shè)有一段平滑基體，所述平滑基體為錐形，其錐度與牙型錐螺紋的錐度一致。對(duì)上述結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步限制，所述第一牙側(cè)角α為30°，第二牙側(cè)角β為45°。對(duì)上述結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步限制，所述牙型錐螺紋的錐度為1:16。對(duì)上述結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步限制，所述牙型錐螺紋的螺距控制在1/3英寸。對(duì)上述結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步限制，所述平滑基體的外側(cè)設(shè)有兩個(gè)臺(tái)階，分別稱為主臺(tái)階和副臺(tái)階，所述主臺(tái)階為公接頭和母接頭外側(cè)徑向接觸部分，副臺(tái)階為公接頭和母接頭內(nèi)側(cè)徑向接觸部分。采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于本實(shí)用新型中的牙型錐螺紋與傳統(tǒng)的三角形螺紋相比，通過(guò)減少牙高、增大螺紋牙根圓角半徑以增大裂紋擴(kuò)展功的途徑，有效降低了螺紋牙根部的疲勞敏感性，從根本上解決了螺紋易發(fā)生疲勞或脆性斷裂的問(wèn)題；本實(shí)用新型通過(guò)在螺紋兩側(cè)留出平滑基體，設(shè)置臺(tái)階，可以大幅提高了鉆桿接頭旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命，降低了鉆桿接頭螺紋根部失效率，彎曲疲勞壽命較API同規(guī)格產(chǎn)品比提高約九至十倍；本實(shí)用新型的特殊扣螺紋由螺紋連接部分、金屬面密封部分、內(nèi)螺紋、外螺紋組成，在螺紋連接部分，內(nèi)螺紋與外螺紋相扣連接，錐度1:16，兩側(cè)牙型角為45°、30°，螺距1/3英寸，具有2個(gè)密封面，新型特殊扣螺紋結(jié)構(gòu)大幅提高了鉆桿接頭的抗扭強(qiáng)度，緊扣扭矩較API同規(guī)格比可提高50%以上。
以下結(jié)合附圖
和具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。圖I是本實(shí)用新型中的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新型中母接頭的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本實(shí)用新型中公接頭的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是牙型錐螺紋的截面示意圖；其中1、公接頭，2、主臺(tái)階，3、螺紋連接段，4、母接頭，5、副臺(tái)階，6、延長(zhǎng)段，7、齒根，8、齒頂，9、密封面，10、外螺紋。
具體實(shí)施方式
根據(jù)附圖I可知，本實(shí)用新型具體涉及一種牙型螺紋鉆桿接頭，包括母接頭4和公接頭1，所述公接頭I和母接頭4均為中空結(jié)構(gòu)，公接頭I的外側(cè)壁上具有軸向延伸的外螺紋10，母接頭4的內(nèi)側(cè)壁上具有軸向延伸的內(nèi)螺紋，所述內(nèi)螺紋和外螺紋10的兩側(cè)均設(shè)有一段平滑基體，所述平滑基體的外側(cè)設(shè)有臺(tái)階，所述母接頭4和公接頭I通過(guò)螺紋旋合為一體，所述內(nèi)螺紋和外螺紋10均為牙型錐螺紋，牙型錐螺紋的錐度為1:8 1:16，牙型錐螺紋的齒頂8和齒根7為弧形結(jié)構(gòu)，且齒頂8和齒根7的配合處設(shè)有間隙，齒側(cè)配合處形成兩個(gè)密封面9;所述牙型錐螺紋的齒由第一牙側(cè)角α和第二牙側(cè)角β組成，其中20° ^ a ^ 40°，40° 彡 β 彡 50°。根據(jù)附圖2和3中的公接頭和母接頭示意圖可知，當(dāng)牙型錐螺紋錐度設(shè)計(jì)為I :16，可使螺紋基面節(jié)徑增大，螺紋的接頭副臺(tái)肩橫截面積可有效增大，可提高接頭螺紋區(qū)域的上扣扭矩，有效降低公接頭螺紋區(qū)的載荷，同時(shí)該錐度的設(shè)計(jì)有效增大了鉆桿接頭的水眼尺寸。另外，在公接頭I和母接頭4的螺紋末端設(shè)置延長(zhǎng)段6，形成類似彈簧結(jié)構(gòu)，對(duì)加工公差敏感降低，使用時(shí)變形相容性較好，在彎曲時(shí)公接頭螺紋末端應(yīng)力水平和應(yīng)力集中得到有效降低。 根據(jù)附圖4可知，在具體設(shè)計(jì)中，公接頭I和母接頭4的螺紋連接處為每英寸3個(gè)完整牙，螺距8. 47mm，把牙型錐螺紋的齒頂8和齒根7設(shè)計(jì)為圓弧形，即把齒頂8和齒根7切成弧形，齒頂8的弧度需大于齒根的弧度，這樣在齒頂8和齒根7配合處存有間隙，這種結(jié)構(gòu)與普通螺紋牙型相比，減少牙高、增大牙根圓角半徑的設(shè)計(jì)，可以增大裂紋擴(kuò)展功，降低螺紋疲勞敏感系數(shù)，提高了鉆桿機(jī)械性能。螺紋牙兩側(cè)第一牙型角α和第二牙型角β分別設(shè)計(jì)為30°和45°，使具有2個(gè)不同角度的螺紋牙面。公接頭的有效扣數(shù)為12扣，母接頭上總共有16扣，目的是降低外螺紋扣大端剛度，改善應(yīng)力分布，降低應(yīng)力集中。母接頭螺紋最末端到臺(tái)階的距離為40. 875mm。根據(jù)該設(shè)計(jì)方案，建立有限元力學(xué)模型，模型上的主臺(tái)階和副臺(tái)階處承受上扣后的接觸壓力，該壓力可以通過(guò)法爾公式計(jì)算出。外螺紋和內(nèi)螺紋之間為接觸邊界條件，由于螺紋接頭為回轉(zhuǎn)體，在軸向力作用下，可以簡(jiǎn)化為軸對(duì)稱問(wèn)題的力學(xué)模型，接頭下部為軸向約束邊界。通過(guò)分析可知，該結(jié)構(gòu)模型接頭內(nèi)的最大應(yīng)力主要發(fā)生在螺紋的兩端部，螺紋中間的應(yīng)力較小，該螺紋接頭總共有11個(gè)承載的接觸面。第I牙和第12牙分別為螺紋兩端部的位置，這兩個(gè)位置的平均接觸壓力最大，而中部第3牙 第10牙的接觸應(yīng)力最小，而且趨于相等。第2牙和第11牙為中等大小，因此螺紋的破壞或失效應(yīng)該首先發(fā)生在螺紋的兩端部。相同的邊界條件和相同的載荷作用下，API螺紋接頭內(nèi)應(yīng)力分布及螺紋面上接觸壓力分布與上述模型的結(jié)構(gòu)相比，API螺紋最大應(yīng)力區(qū)分別發(fā)生在外螺紋根部及內(nèi)螺紋大端第一扣根部，由此從理論上說(shuō)明API螺紋結(jié)構(gòu)不如本實(shí)用新型螺紋結(jié)構(gòu)好。另外從螺紋面上的接觸壓力分析可知，API螺紋接觸面上的最大接觸壓力為本實(shí)用新型螺紋I. 525倍。由此可知，該設(shè)計(jì)方案通過(guò)增大牙根圓角半徑，更好地改善接頭內(nèi)的應(yīng)力分布，降低了螺紋的疲勞敏感系數(shù)，增加了鉆桿接頭旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命，降低鉆桿接頭螺紋根部失效率，有利于提高螺紋接頭的抗疲勞壽命。牙型錐螺紋兩端密封面設(shè)計(jì)為主副臺(tái)階2、5連接形式，這種結(jié)構(gòu)有利于將交變應(yīng)力分散傳遞，減緩了螺紋根部的應(yīng)力集中，有效地防止接頭脹扣事故，該結(jié)構(gòu)一方面使接頭獲得更高的抗扭性能，同時(shí)獲得較大的水眼尺寸，降低鉆井時(shí)的水馬力損失。根據(jù)API RP7G標(biāo)準(zhǔn)中鉆桿的抗扭強(qiáng)度計(jì)算公式可知，本實(shí)用新型的特殊螺紋較
API標(biāo)準(zhǔn)螺紋上扣扭矩增大了 54. 1%，詳細(xì)抗扭強(qiáng)度如表3所示
權(quán)利要求1.一種牙型螺紋鉆桿接頭，包括母接頭和公接頭，所述公接頭和母接頭均為中空結(jié)構(gòu)，公接頭的外側(cè)壁上具有軸向延伸的外螺紋，母接頭的內(nèi)側(cè)壁上具有軸向延伸的內(nèi)螺紋，所述母接頭和公接頭通過(guò)螺紋旋合為一體，其特征在于所述內(nèi)螺紋和外螺紋均為牙型錐螺紋，牙型錐螺紋的錐度為1: 8 16，牙型錐螺紋的齒頂和齒根為弧形結(jié)構(gòu)，且齒頂和齒根的配合處設(shè)有間隙，齒側(cè)配合處形成兩個(gè)密封面；所述牙型錐螺紋的齒由第一牙側(cè)角α和第二牙側(cè)角 β 組成，其中 20° < α <40°，40° < β < 50°。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種牙型螺紋鉆桿接頭，其特征在于所述內(nèi)螺紋和外螺紋的兩側(cè)均設(shè)有一段平滑基體，所述平滑基體為錐形，其錐度與牙型錐螺紋的錐度一致。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種牙型螺紋鉆桿接頭，其特征在于所述第一牙側(cè)角α為30°，第二牙側(cè)角β為45°。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種牙型螺紋鉆桿接頭，其特征在于所述牙型錐螺紋的錐度為 1:16。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種牙型螺紋鉆桿接頭，其特征在于所述牙型錐螺紋的螺距控制在1/3英寸。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種牙型螺紋鉆桿接頭，其特征在于所述平滑基體的外側(cè)設(shè)有兩個(gè)臺(tái)階，分別稱為主臺(tái)階和副臺(tái)階，所述主臺(tái)階為公接頭和母接頭外側(cè)徑向接觸部分，副臺(tái)階為公接頭和母接頭內(nèi)側(cè)徑向接觸部分。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種牙型螺紋鉆桿接頭，屬于土層或巖石的鉆進(jìn)設(shè)備領(lǐng)域，該接頭包括母接頭和公接頭，公接頭和母接頭均為中空結(jié)構(gòu)，公接頭的外側(cè)壁上具有軸向延伸的外螺紋，母接頭的內(nèi)側(cè)壁上具有軸向延伸的內(nèi)螺紋，母接頭和公接頭通過(guò)螺紋旋合為一體，內(nèi)螺紋和外螺紋均為牙型錐螺紋，牙型錐螺紋的錐度為1:8~1:16，牙型錐螺紋的齒頂和齒根為弧形結(jié)構(gòu)，且齒頂和齒根的配合處設(shè)有間隙，齒側(cè)配合處形成兩個(gè)密封面；牙型錐螺紋的齒由第一牙側(cè)角α和第二牙側(cè)角β組成，其中20°≤α≤40°，40°≤β≤50°，本實(shí)用新型可大幅減少鉆具螺紋失效事故，滿足超深井、大位移水平井勘探開(kāi)發(fā)的需求。
文檔編號(hào)E21B17/042GK202659169SQ20122026328
公開(kāi)日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2012年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月6日
發(fā)明者趙永峰, 陳長(zhǎng)青, 王青林, 岳鵬, 李齊富, 徐斌, 李鵬, 王西華, 唐家輝 申請(qǐng)人:中國(guó)石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司, 渤海能克鉆桿有限公司