可膨胀螺纹连接机构
专利汇可以提供可膨胀螺纹连接机构专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且管件连接机构以及设计在阴 螺纹 件和阳螺纹件组成在一起时具有 选定 的牙底/牙顶间隙的管件连接机构的方法。当管件连接机构径向膨胀时，至少在一部分管件连接上形成螺纹密封。，下面是可膨胀螺纹连接机构专利的具体信息内容。
1.一种可膨胀管件连接机构，包括：
具有阳螺纹的阳螺纹件，其中所述阳螺纹包括阳螺纹牙顶，阳负载牙侧和阳对扣牙侧，和阳螺纹牙底；以及
具有阴螺纹的阴螺纹件，其中所述阴螺纹包括阴螺纹牙顶，阴负载牙侧和阴对扣牙侧，和阴螺纹牙底，
其中所述阳螺纹和所述阴螺纹为楔形螺纹，以使当选择所述阳螺纹件与所述阴螺纹件进行构成时，在所述阳螺纹牙顶和所述阴螺纹牙底之间、以及所述阳螺纹牙底和所述阴螺纹牙顶之间存在选定的间隙，和所述阳螺纹和阴螺纹的所述负载牙侧和对扣牙侧干涉；
其中当选择地进行构成的管件连接机构以选定的百分比塑性径向膨胀时，所述选定的间隙成为选定的干涉；和
其中选定的干涉导致在大致整个所述可膨胀管件连接机构上形成螺纹密封。
2.根据权利要求1所述的可膨胀管件连接机构，其中所述选定的间隙从大约0.001英寸到大约0.010英寸。
3.根据权利要求2所述的可膨胀管件连接机构，其中所述选定的间隙从大约0.001英寸到大约0.004英寸。
4.根据权利要求1所述的可膨胀管件连接机构，其中所述楔形螺纹具有大致呈燕尾形的形状。
5.根据权利要求1所述的可膨胀管件连接机构，其中所述楔形螺纹具有开螺纹形式。
6.根据权利要求1所述的可膨胀管件连接机构，其中螺旋槽在所述阴螺纹件的外表面上形成为大体与所述阴螺纹牙底位于同一导程。
7.根据权利要求1所述的可膨胀管件连接机构，其中螺旋槽在所述阳螺纹件的内表面上形成为大体与所述阳螺纹牙底位于同一导程。
8.根据权利要求1所述的可膨胀管件连接机构，其中螺纹牙底沟槽形成于所述阳螺纹件和所述阴螺纹件中的一个构件中。
9.根据权利要求1所述的可膨胀管件连接机构，其中，最终形成的螺纹密封是所述阳螺纹件与所述阴螺纹件之间的唯一密封机构。
10.根据权利要求1所述的可膨胀管件连接机构，其中，在塑性径向膨胀前，所述选定的间隙发生在所述阳螺纹和所述阴螺纹的整个长度上。
11.一种设计具有通过阳螺纹件和阴螺纹件的连接的可径向膨胀管件的方法，所述方法包括步骤：
确定径向膨胀量和用于径向膨胀所述可径向膨胀管件的方法；以及
根据所述径向膨胀量和径向膨胀所述可径向膨胀管件的方法选定阴螺纹牙顶和阳螺纹牙底之间以及阴螺纹牙底和阳螺纹牙顶之间的间隙尺寸，其中当选择由所述阴螺纹件和所述阳螺纹件进行构成时存在所述间隙，其中在径向膨胀后，在所述阴螺纹件和所述阳螺纹件之间形成牙底/牙顶螺纹密封。
12.一种使具有阳螺纹件和阴螺纹件的连接机构径向膨胀的方法，所述方法包括步骤：
将所述阳螺纹件和所述阴螺纹件进行构成；
在连接机构膨胀前，在阴螺纹牙顶和阳螺纹牙底之间提供选定的间隙；以及
使所述连接机构径向膨胀，并在所述阴螺纹牙顶和所述阳螺纹牙底之间产生所需的干涉，从而在所述连接机构的一部分上形成螺纹密封。
13.一种使具有阳螺纹件和阴螺纹件的连接机构径向膨胀的方法，所述方法包括步骤：
将所述阳螺纹件和所述阴螺纹件进行构成；
在连接机构膨胀前，在阴螺纹牙底和阳螺纹牙顶之间提供选定的间隙；以及
使所述连接机构径向膨胀，并在所述阴螺纹牙底和所述阳螺纹牙顶之间产生所需的干涉，从而在所述连接机构的一部分上形成螺纹密封。
背景技术
套管接箍(casing joint)、衬管以及其它油田管件经常用于钻探、完成和开采井。例如，套管接箍可以安置在井眼内以稳定成形，以抵抗高的井眼压力(例如，超过成形压力的井眼压力)保护成形等。套管接箍可以以端对端的方式通过螺纹连接、焊接连接以及本领域已知的其它连接形式连接。连接可以设计为在连接的套管接箍的内部与套管接箍的外壁和井眼壁部之间所形成的环形空间之间形成密封。例如，密封可以为合成橡胶密封(elastomeric seal)(例如，O形环密封)、紧靠连接机构形成的金属-金属密封、或本领域已知的类似密封。在一些连接中，密封形成于内螺纹与外螺纹之间。具有此特征的连接称为具有“螺纹密封”。在此处使用时，“螺纹密封”表示在阴螺纹件(box member)上的内螺纹和阳螺纹件(pinmember)上的外螺纹的至少一部分之间形成密封。
图2显示如颁发给Blose的美国专利No.RE30,647中所披露的现有技术的由楔形螺纹构成的管形螺纹连接，该专利被转让给本发明的受让人且在此并入本文供参考。楔形螺纹的特征在于螺纹在阳螺纹连接201和阴螺纹连接2000上的相反方向上的宽度(即，牙侧208和209之间的轴向距离)增加。楔形螺纹详尽地披露在颁发给Reeves的美国专利No.RE34,467、颁发给Ortloff的美国专利第4,703,954号、以及颁发给Mott的美国专利第5,454,605号中，所有这些专利都转让给本发明的受让人且在此并入本文供参考。这样构成的连接机构由内螺纹连接件200以及外螺纹连接件201组成。构成的连接机构具有从阳螺纹前端203到阴螺纹前端204的整个连接长度202(或参数L1)、以及从阳螺纹206上的第一接合螺纹开始到阳螺纹207上的最后接合螺纹的端部的接合螺纹长度205(或参数L2)。要提及的是，接合螺纹长度205不能一直如图2所示在相同的轴向平面中进行测量，这是因为从第一接合螺纹开始将不会一直与最后接合螺纹的端部位于相同的轴向平面中。
楔形螺纹形式具有对扣牙侧(stab flank)208，如此命名是因为当螺纹连接最初“对扣”到一起而构成时通常接触。在连接完全构成之前，对扣牙侧208支撑管件的重量。螺纹形式还具有负载牙侧209，如此命名是因为所述负载牙侧承载施加在悬吊在井眼中的套管柱内构成的连接机构上的拉伸负载。阳螺纹连接件201上的螺纹形式具有阳螺纹牙底210和阳螺纹牙顶211。阴螺纹连接件200上的螺纹形式具有阴螺纹牙底212和阴螺纹牙顶213。
参照图2，颁发给Blose的美国专利No.RE30,647和颁发给Reeves的美国专利No.RE34,467之间的一个区别在于Blose披露了一种在阳螺纹牙顶211和阴螺纹牙底212之间、以及在阴螺纹牙顶213和阳螺纹牙底210之间具有间隙的楔形螺纹，而Reeves披露了牙底和牙顶之间的选定干涉量。除了楔形螺纹中固有的对扣牙侧和负载牙侧的干涉外，牙底-牙顶干涉也提供螺纹密封。此螺纹密封可以为其它密封机构提供支持，或者也可以单独使用。Blose所披露的间隙显示为图2中的间隙A和间隙B。Reeves所披露的楔形螺纹已经部分地替代了Blose所教示的螺纹，这是因为间隙A和B可防止连接能密封高压力。
在某些井的构造操作中，优点为在钻(“开”)孔中或下套井眼(casedwellbore)内径向塑性膨胀螺纹管或套管接箍。在下套井眼中，可径向膨胀的套管可以用于加固磨损或损坏的套管，例如，以便增加旧套管的猝发传输率，从而防止孔过早废弃。在井眼的开孔部分中，可径向膨胀的套管的使用对于所需的最终下套管井(cased hole)的直径可以减小所需的钻孔直径，并且还可以减小固定井眼中的套管所需的所需水泥量。
膨胀工具典型地用于使设置在井眼内的套管柱或管柱从初始状态(例如，从初始直径)塑性径向膨胀到膨胀状态(例如，具有较大的直径)。一种普通的现有技术的膨胀过程使用显示在图1中的呈圆锥形逐渐变细的冷成形膨胀工具101(通常称作“清管器(pig)”)，以使井眼中的套管膨胀。膨胀工具101通常密封在清管器发送筒(未示出)内，所述清管器发送筒为连接到进入井眼的套管柱下端的钟形部分。因为清管器发送筒必须通过已经安装在井眼中的母体套管(parent casing)，所以，清管器发送筒具有小于母体套管的“通径(drift diameter)”的外径。当在此使用时，“通径” 为可以通过井眼或安装在井眼中的套管的最大外径。通常，由于井眼不是特别直，因此，通径要稍微小于井眼或套管的内径。由此使恰好具有母体套管内径的工具将不能自由移动通过母体套管。
典型地，当将套管柱移动进入井眼中后，套管柱利用滑动件(未示出)悬挂在井眼的内部。然后，钻杆(未示出)进入井眼并锁在膨胀工具101上。当连接钻杆后，套管柱的重量由膨胀工具101支撑。然后，钻杆用于进一步将套管柱降低到井眼中所选定的位置。膨胀工具101包括具有通常在5度和45度之间的锥角98B的锥形部分98A。膨胀工具101通常关于其纵轴97对称。膨胀工具101还包括圆柱形部分96，所述圆柱形部分的直径对应于紧跟锥形部分95的套管柱(未示出)的所需膨胀内径。要提及的是在一些情况下，膨胀工具101可以不具有圆柱形部分96。
在此例示性膨胀过程中，下一个步骤为通过钻杆将水泥从清管器上的水泥出口抽出。水泥在将要膨胀的套管柱的外部和井眼的内部之间流动。当已经抽出选定量的水泥后，将水泥出口密封，典型地通过设计为安置在水泥出口中的活门(dart)进行密封。活门通常通过钻杆与钻井液一起被抽入。连续抽入钻井液将加压清管器发送筒，所述清管器发送筒驱动膨胀工具101向前(即，朝着地面向上)，并进一步驱动套管进入井眼。当膨胀工具101向前移动时，套管柱膨胀。通常连续进行膨胀直到整个套管柱都膨胀为止。根据要进行膨胀的长度，膨胀过程可以在长度上增加，以便当膨胀工具101向上前进时，去除钻杆段。在许多情况下，套管柱包括膨胀后保持在母体套管内部的套管段。额外段的套管可以设计为用作用于套管柱的衬管悬挂器以及在母体套管和已膨胀的套管柱之间进行密封。
在此膨胀过程中，例如，径向膨胀的速度由使套管柱膨胀所需的总塑性应变、锥角9gA、以及膨胀工具101通过套管柱的轴向移置速率决定。膨胀过程的一致性通过沿膨胀工具101的转变、以及诸如形成套管柱的多段套管、连接套管段的螺纹连接机构及类似部件的横截面面积控制。
膨胀工具101可以根据工具设计和应用在套管柱的底部或顶部开始。径向膨胀可以以例如每分钟25到60英尺的速率进行。现有技术中已知其它膨胀过程，例如局部流体静压或液压成形下的膨胀，但通常尽可能不采用冷成形膨胀过程。也存在用于冷成形套管的其它膨胀工具。存在各种用于 冷成形膨胀过程的工具。
套管径向膨胀的一般问题在于在膨胀过程期间可能损坏连接。造成此损坏的原因部分是由于，连接机构在构造期间受到应力以在安装在井眼中时保证保持构成连接。在径向膨胀期间，连接机构受到的额外应力可以造成连接失效。典型地，阴螺纹件裂开。即使不发生完全失效，连接机构也可能丧失了形成液压密封的能力。利用金属与金属密封或螺纹密封的连接机构在由于径向膨胀造成变形后可能丧失密封能力。
虽然已经证实各种膨胀方法(特别是锥形膨胀工具的方法)在套管柱上非常好地进行工作，但构成的螺纹连接机构的膨胀可以导致结构密封问题。承受径向塑性膨胀的螺纹连接机构趋向于在膨胀后表现出非均匀的轴向伸长以及有差别地反作用于残余周向应力。具体地，外(阳)螺纹件和内(阴)螺纹件在径向膨胀期间变形不同。在径向膨胀期间，阴螺纹件通常移动远离阳螺纹件。这部分是由于在存在由阳螺纹件和阴螺纹件构成的连接中解除残余应力造成。阴螺纹件远离阳螺纹件的径向运动解除了一些残余应力。这种差异位移(differential displacement)现象可以导致在轴向接合密封中损失预负载，使传统金属-金属密封(例如，包括台肩密封)的使用对于塑性径向膨胀的套管和管道出现问题。
用于可膨胀套管应用的一个更成功的螺纹形式为楔形螺纹。楔形螺纹为用于可膨胀套管应用的适合螺纹形式的一个原因在于其可以不构成为抵靠在径向扭转台肩(即，限位挡块(positive stop))上，而是典型地通过螺纹负载牙侧209和对扣牙侧208几乎同时接触来构成。在膨胀过程期间，当台肩的压缩应力超过套管材料的压缩屈服强度时，连接机构中的轴向应力经常造成径向扭转台肩失效。楔形螺纹的优点在于与使用的螺纹形式无关。当燕尾形或另一闭合螺纹形式用于楔形螺纹时，在膨胀期间和膨胀后，楔形螺纹还将抵抗径向力，从而可能趋向于使阳螺纹连接件与阴螺纹连接件分离。也可以使用用于楔形螺纹的开螺纹形式，例如颁发给Watts的美国专利第6,578,880B2号所教示，该专利在此并入本文供参考。
如上所述，连接机构在径向膨胀期间受到的额外应力可以造成阴螺纹件失效，或者造成连接结构失去形成螺纹密封或金属与金属密封的能力。在膨胀后仍然需要连接机构的结构一体性和密封能力。因此，当膨胀达到高度理想的目标后，要防止损坏连接并提供螺纹密封。设计用于径向膨胀的连接机构可以防止阴螺纹件失效并潜在地保持螺纹密封。
发明内容
在另一方面，本发明涉及一种通过阳螺纹件和阴螺纹件设计可径向膨胀管件连接的方法。所述方法包括确定径向膨胀量以及用于径向膨胀可径向膨胀管件的方法。然后，根据径向膨胀量和用于径向膨胀可径向膨胀管件的方法选定阴螺纹牙顶和阳螺纹牙底之间的间隙尺寸。当选择由阳螺纹件和阴螺纹件进行构成时存在间隙。当连接机构径向膨胀后，螺纹密封形成于阴螺纹件和阳螺纹件之间。
在另一方面，本发明涉及一种使具有阳螺纹件和阴螺纹件的连接机构径向膨胀的方法。所述方法包括将阳螺纹件和阴螺纹件配合。在连接机构膨胀前，在阴螺纹牙顶和阳螺纹牙底之间提供选定的间隙。然后，使连接机构径向膨胀，并在阴螺纹牙顶和阳螺纹牙底之间产生所需的干涉，从而在一部分连接上形成螺纹密封。
在又一方面，本发明涉及一种使具有阳螺纹件和阴螺纹件的连接机构膨胀的方法。所述方法包括将阳螺纹件和阴螺纹件配合。在连接机构膨胀前，在阴螺纹牙底和阳螺纹牙顶之间提供选定的间隙。然后，使连接机构径向膨胀，并在阴螺纹牙底和阳螺纹牙顶之间产生所需的干涉，从而在一部分连接上形成螺纹密封。
本发明的其它方面和优点将从以下的说明和附属权利要求中清楚呈现。
图1显示典型的径向膨胀工具；
图2显示现有技术的管件连接机构的横截面；
附图说明
图3显示根据本发明的一个实施例的部分膨胀的可膨胀管件连接机构的横截面；
图4显示完全膨胀后的图3中的可膨胀管件连接机构；以及
图5显示根据本发明的一个实施例的处于未膨胀状态下的可膨胀管件连接机构的横截面。
在一个方面，本发明提供一种设计为径向膨胀的连接机构。更具体地，本发明的实施例在阴螺纹件和阳螺纹件上的楔形螺纹的牙底和牙顶之间具有选定的间隙，使得当连接机构径向膨胀后，在牙底和牙顶之间具有所需的干涉。
返回到图2，本发明者认为，具体选择用于膨胀的阳螺纹牙顶211和阴螺纹牙底212之间的间隙尺寸A、以及阴螺纹牙顶213和阳螺纹牙底210之间的间隙尺寸B可以提供能更好地承受径向膨胀应力的连接，并且当膨胀发生后提供螺纹密封。在膨胀期间，选定的间隙A和B将闭合直到具有所需的牙底/牙顶干涉量为止。所需的牙底/牙顶干涉量将主要依赖于连接所包含的压力量。本领域普通技术人员将会理解，在牙底和牙顶(即，牙底/牙顶干涉)之间所需的接触压力量可以改变。例如，连接所包含的压力量或用于构成连接的扭矩量可以改变所需的牙底/牙顶干涉量。
具体实施方式
继续参照图3，当连接机构发生径向膨胀时，阴螺纹件131响应阳螺纹件130的径向膨胀进行径向膨胀。在径向膨胀期间，选定的间隙A和B闭合，并在阳螺纹牙顶211和阴螺纹牙底212之间、以及阴螺纹牙顶213和阳螺纹牙底210之间的中间出现所需干涉。加工公差和膨胀过程中的不一致可以导致不均匀的干涉，然而，只有在全节距(即，在阳螺纹牙顶211和阴螺纹牙底212之间、或在阴螺纹牙顶213和阳螺纹牙底210之间的360度干涉)的一部分之间的干涉必须提供螺纹密封。通常，大约90度到360度的牙底/牙顶干涉对于螺纹密封就足够了。在整个连接长度上具有的牙底/牙顶干涉对于具有螺纹密封最有效，但并不要求。因此，本领域普通技术人员将会理解，不需要在整个连接长度上存在选定的间隙A和B以获得本发明的某些优点。进一步而言，因为对于螺纹密封只需要一些牙底/牙顶干涉，所以，本发明的某些实施例可以在一部分连接上仅具有选定间隙A或选定间隙B。
图4显示了图3所示的连接机构的完全膨胀状态。图4中的已膨胀的连接机构在整个连接长度上具有牙底/牙顶干涉。在许多应用中，可以不在整个连接长度上获得牙底/牙顶干涉。如上所讨论，只在部分连接上需要牙底/牙顶干涉以产生螺纹密封。
为了获得所需的牙底/牙顶干涉量，选定的间隙A和B将根据几个因素变化。要进行的径向膨胀的量与选定的间隙A和B的尺寸具有直接的关系。径向膨胀量越大，就需要越大的选定间隙A和B。考虑的另一因素为螺纹形式。例如，燕尾形螺纹在径向膨胀期间保持阴螺纹件和阳螺纹件在一起，而锯齿螺纹不行。因此，对于燕尾状楔形螺纹通常采用较小的选定间隙A和B。考虑的其它因素为具体的膨胀工具和方法、管件的壁厚以及材料。本领域普通技术人员将会理解，可以进行有限元分析或实际的膨胀测试以确定选定间隙A和B，从而在径向膨胀后获得所需的牙底/牙顶干涉量。
图5显示了根据本发明的一个实施例的连接机构。在图5中显示的连接机构处于未膨胀状态。连接机构包括具有阳螺纹153的阳螺纹件130、以及 具有阴螺纹132的阴螺纹件131。此外，阳螺纹件130和阴螺纹件131可以分别包括对应的邻接密封面134A、134B，所述密封面适于在构成连接时形成金属-金属密封134。在此实施例中，螺纹153和132通常为燕尾形，从而有助于防止阳螺纹件130和阴螺纹件131在径向塑性膨胀期间相对于彼此发生径向变形。
在图5所示的实施例中，具有矩形横截面的螺旋槽150形成于阴螺纹件131的外部。螺旋槽150的功能披露在本发明人于2004年10月5日提出申请的名为“Helical Groove for a Tubular Connection”的美国专利申请中，该申请被转让给本发明的受让人。该申请整体并入本文供参考。本领域普通技术人员将会理解，螺旋槽150的横截面在不偏离本发明的范围的前提下可以在尺寸和形状上进行改变。例如，在其它实施例中，螺旋槽150可以具有V形、抛物线形、U形、或半圆形横截面。螺旋槽150与阴螺纹牙顶213在大体相同的轴向位置处。螺旋槽150的该定位可以称为在阴螺纹132上“位于同一导程”。因为膨胀工具不接触阴螺纹件，所以，只有阳螺纹件直接受到由膨胀工具(未示出)施加的轴向力。这会造成阳螺纹件130伸长，从而由于两构件之间的连接而迫使阴螺纹件131伸长较小的量。由于阴螺纹牙顶213处的厚度而造成阴螺纹件131抵抗该伸长。通过以位于同一导程方式将螺旋槽150定位在阴螺纹牙顶213上方可减小通常具有增加厚度的阴螺纹件的壁厚。壁厚的减小导致螺旋槽150解除阴螺纹所受到的轴向应力。
继续参照图5，显示了在连接机构的径向膨胀期间用于控制应力的其它沟槽。应力解除沟槽披露在颁发给Robert S.Sivley，IV并转让给本发明的受让人的美国专利第6,607,220号中。该专利整体并入本文供参考。在图5中，螺纹牙底沟槽251形成于阳螺纹牙底210中。连接机构的径向膨胀可以导致在螺纹中发生局部应力集中。然而，螺纹牙底沟槽251适于减小、控制或另外集中紧靠阳螺纹牙底210的区域中的膨胀应变，以便最小化螺纹形式的膨胀后变形。在本发明的一些实施例中，包括螺纹牙底沟槽251可以有助于获得选定的牙底/牙顶干涉量。本领域普通技术人员将会理解，相似的螺纹牙底沟槽251可以用于阴螺纹牙底212中以获得相似的结果。
螺旋槽250还显示在图5中的阳螺纹件130上。螺旋槽250用以控制连接 机构的径向膨胀所形成的轴向应变。螺旋槽250实质上在紧靠阳螺纹件130的内径处造成轴向应变而变得“更积极”，从而减少阳螺纹件130径向向内移置的量。与阴螺纹件131外表面上的螺旋槽150相似，阳螺纹件130内表面上的螺旋槽250可以大体形成为与阳螺纹牙底210位于同一导程。这有助于减少紧靠螺纹形成的周向应力，从而减少由于螺纹连接机构的径向膨胀所产生的负载造成螺纹“滑脱”或分离的倾向。
为了说明性目的，图5中所示的所有沟槽都相对连接机构在尺寸上进行了放大。每个沟槽的实际深度根据具体的实施例可以小到0.005英寸到0.125英寸。要进行的膨胀量、连接机构的厚度、要使用的膨胀工具和方法、材料以及螺纹形式每一个都对沟槽的深度有影响。每个所披露的沟槽都可以个别使用或与一个或多个所披露的沟槽组合使用，以控制连接机构在径向膨胀期间的变形。将需要一些实验来确定每个沟槽的实际尺寸。
虽然本发明已经相对具有此发明内容的利益的有限数量的实施例进行了说明，但本领域普通技术人员将会理解，在不偏离如在此所披露的本发明的范围的前提下可以提出其它实施例。因此，本发明的范围应该仅由权利要求所限定。
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