在现有技术中，已知许多首尾相接而形成流体输送连续流动通路的供连接管状流动导管用的螺纹连接。这种流动导管的典型实例包括用于油、气体、水和废物处理井的套管、可膨胀套管、管系、钻杆和提升器，并用于水平且无管沟钻井应用场合。在油田套管和管系情况下，惯例使用一定长度的金属管，管段连接成串。管串有效地形成一个较长的管道，意欲提供能及达产油层或产气层所处深度的工具，以便将之抽出地表面。
管段由外螺纹接头或“阳螺纹接头”在端口处固接起来，也就是说以螺纹方式接纳于内螺纹接头或“阴螺纹接头”内。一般说来，各管段在一个管端上有阳螺纹接头，而在相对的管端上有阴螺纹接头。某些管子有固接到双阳螺纹接头管段一端的内螺纹接头，以形成阴螺纹接头。单独的管段常常被称为“管节”。管系与套管的管节通常为30英尺长，但可从20英尺长度变到40英尺或更长。
建井中所用的各种管串通常在钻机或修井作业机的底盘上组装。当后续管节添加到管串时，管串得以加长，并降到井中。在这个组装程序过程中，使添加到管串上的管节下降，阳螺纹接头向下或阳螺纹接头向上，进入朝上或朝下对着伸出钻机底盘的阴螺纹接头。这个程序一般被称为“插入(stabbing)”阳螺纹接头进入阴螺纹接头。在插入后，使所添加的管节旋转，以使阳螺纹接头和阴螺纹接头啮合，将接头固接到管串上。在“去插入”或拆卸管串时，或者为了“去插入”或拆卸管串，过程基本颠倒过来。一旦没有阴螺纹接头，除下的接头便移到贮存处所。
近年来，在所论及类型的螺纹技术方面已有很大进展。例如，1981年为Blose出版的Re.Pat.No.30,647公开了一种管状接头，该接头的螺纹构件提供了非常强固的接头，同时控制接头所连接阳螺纹和阴螺纹接头元件中的应力和应变。该螺纹构件以配套螺旋纹为特征，在相对向螺纹宽度上楔削，以保证相对齿侧楔状啮合，制约接头旋转装配。这种楔式螺纹，如果设计得当，会产生高扭转抗力，而不会在装配接头时诱导轴向或径向应力进入管状接头，使接头更易于卸开，如果必需这样做的话。通过降低螺纹连接中的轴向或径向应力，就可在理论上提供坚固的接头，这种接头能承受更大程度的工作应力和应变。
1986年7月15日出版、授予Blose的美国专利No.4,600,224，涉及对基础楔式螺纹构思的精细设计和更进一步改进。′224专利所公开的发明中，展示了一种负载侧面为“人字形”的接头。螺纹连接的径向装配受特定螺纹结构控制，其中螺纹径向移动到配接螺纹槽内是受螺纹连接的两个承载螺纹表面之间人字型啮合限制的，而不是仅取决于螺纹宽度。
1992年12月7日为Reeves出版的Re.Pat.No.34,467声称是对基础Blose楔式螺纹设计的改进。正如专利权人所解释的那样，当旋转地装配Blose接头以使正背两个螺纹负载侧面都啮合时，不可压缩螺纹润滑剂或其他的液体可截留在啮合负载侧面之间。这种截留的螺纹润滑剂可抗拒装配扭矩，并发出错误的扭矩指示，该错误指示导致应力和应变比Blose接头引起的预期应力和应变低，从而降低设计强度和承载能力。Re.Pat.No.34,467中所述发明的目的在于，通过从螺纹负载侧面之间排除装配时带进啮合部的螺纹润滑剂来排除扭矩错误指示的可能性。
在Re.Pat.No.30,647和Re.Pat.No.34,467中，优选的螺纹的横截面为“鸠尾形”，螺纹顶处较螺纹根部处宽。美国专利No.4,600,224是一种偏离Blose的设计，其中公开了半鸠尾螺纹或部分鸠尾螺纹。然而，按照术语“鸠尾”的传统定义，螺纹顶部宽度仍然大于螺纹根部宽度。
授予Kris L.Church的美国专利No.6,254,146和6,722,706，是要进一步完善所论述类型的螺纹构件。Church的这些早期专利中所展现的螺纹构件包括特定螺纹结构，其中一个螺纹径向移动到匹配螺纹槽中是受螺纹连接的两个匹配螺纹表面之间的复杂轮廓啮合控制的。该复杂的轮廓可存在于插入侧面上，可存在于负载侧面上，或可存在于两个齿侧面的结合部上。在相啮合螺纹的匹配顶部之间提供受控的公隙来预防螺纹顶部和根部间残存润滑剂所引起液压增大。插入侧面和负载侧面复杂的轮廓优选为多刻面齿侧面，这些多刻面齿侧面各至少具有三个刻面和四种半径。阳螺纹接头元件顶部具有顶部宽度，而阳螺纹接头元件根部具有根部宽度。顶部的宽度小于螺纹根部的宽度，这全然与一般的鸠尾设计相反。
尽管对上面所讨论的螺纹构件设计作了改进，但仍旧存在着对能够快速并高效耦接管状管段的需要，这种螺纹构件能形成牢固的接合，而且能以低成本生产。
也存在着对这样一种螺纹构件的需要，该螺纹构件提供比现有结构更通用的结构；该螺纹构件因最终用途不同而达到不同的目的，例如提供更易于且更快机加工而不会损失预期性能指标的内螺纹管接头，例如可用于可膨胀套管连接器的内螺纹管接头。
也存在着对联接管状管段的改良螺纹构件的需要，该螺纹构件允许制造过程中机加工更多的每英寸螺纹数，从而使某些类型接头的总长度比先前可能的更短一些。
也存在着对设有刻面几何形状的改良螺纹构件的需要，该改良螺纹构件可按照螺纹在高度上塑性坍陷的方式来成型，产生一种例如用于可膨胀的管加工的改良互锁结构。
也存在着对这样一种改良螺纹构件的需要，该螺纹构件的螺纹高度可另外设计成很耐螺纹高度塑性坍陷，例如可用于钻杆工具接头或加厚修理接头。
也存在着对这样一种螺纹构件的需要，该螺纹构件可设计成螺纹高度相对小，例如，以供在轴向张力和压缩能力高的不加厚螺纹管材上使用。
也存在着对这样一种改良螺纹构件的需要，该改良螺纹构件为要求接头在整个接头长度上具有低或受控的应力的维修提供半径和直径上的应力控制。

该本发明的目的是对上面所讨论基础螺纹构件提供更进一步的改进，这种改进提供优于现有技术的设计特征和性能，而且这种改进满足上面所讨论现有技术所列举的种种需求。
本发明螺纹构件可用来构成螺纹管接头，该螺纹管接头能旋接在一起并随后旋卸。该螺纹构件用在一种接头上，该接头包括阳螺纹接头元件，该阳螺纹接头元件具有外螺纹，其中包括插入侧面与负载侧面以及平螺纹顶部和根部，用来与阴螺纹接头元件的匹配内螺纹配接，构成管接头。在本发明的一种优选形式中，阳螺纹接头元件为一般圆筒形的、具外螺纹的元件，其中外螺纹在负载侧面上各由两个刻面和三种半径构成。另一方面，阳螺纹接头元件的插入侧面上的外螺纹具有不规则的侧面特征，对于每个插入侧面而言，该不规则的特征包括三个刻面和4种半径。
本发明螺纹构件的特征还在于，设有一定的总螺纹高度，该总螺纹高度在螺纹顶部和根部之间测得。以不同的名称描述的螺纹刻面各有一个径向高度，该径向高度沿总螺纹高度的相同方向测得。在本发明的一种形式中，插入侧面上刻面之一的径向高度小于其余两个刻面的径向高度。在本发明的一种形式中，螺纹还具有给定的总螺纹高度，该总螺纹高度在螺纹顶部和根部之间测得，其中各螺纹刻面各有径向高度，该径向高度在与螺纹高度的相同方向上测得；而且其中各负载侧面刻面的径向高度近似相等。
阳螺纹接头元件具有中心纵轴，而且螺纹根部及顶部优选平行于该中心纵轴。然而，不同的设计标准可规定，根部和顶部平行于特定的斜度。本发明螺纹构件的优选结构为径向锥形楔螺纹。然而，也可设计成圆筒形接头。该楔式螺纹结构可具两个螺纹切削斜度，或者如若需要也可更多。本发明螺纹构件可用来形成管材螺纹连接，该管材例如包括油、气体、流态建筑材料、水和废物处理井的套管和管系。
另外的目的、特征和优点将在随后的书面说明中清晰可见。
附图说明
图1是使用本发明螺纹构件的管段阳螺纹接口端的侧向剖视图。
图2A和图2B分别为本发明螺纹构件中一种型式阴螺纹接头元件和阳螺纹接头元件的四分之一部分剖视图，所述元件间隔开，以便说明和示出接头的配合的螺纹表面。
图3是本发明螺纹构件中一种阳螺纹的单独四分之一剖面图，示明该螺纹几何形状的各种特征。
图4～图10为类似于图3的视图，但是示明本发明阳螺纹构件的等效替代型式，其中所选择插入侧面和负载侧面中的一者有两个刻面和三种半径，而插入侧面和负载侧面中的另一者有三个刻面和四种半径。

为简单起见，本发明将通过一段油田套管来叙述。见附图中的图1，图中示明管状管段的阳螺纹接口端横剖面视图，该管状管段例如为使用本发明螺纹构件的油田套管段，这种管段一般设计成11。虽然仅示明接头的阳螺纹接口端，但是很清楚，阳螺纹接口端是要同匹配的阴螺纹接头端装配在一起而形成管接头的。正如已讨论过的那样，本发明螺纹构件也可用于各式各样的管类材料。典型的应用场合可包括但不局限于油和气的近海和陆上的子表面套管、中间套管、生产套管、可膨胀套管、翻新管系、产油管、横梁、提升器、打桩套管、干线用管、钻探管、TNT管、齐平接头、HDD管、水井管、流态建筑材料衬管、采集管，以及废物处理井。同样，本领域技术人员会理解本发明螺纹构件可用于许多已知类型的管接头，其中包括陷型的、扩张的、膨径或非膨径的接头，并可为锥形或“圆筒形”、非锥形的接头。本发明螺纹构件也可用于螺旋形结构的接头，就像楔状螺纹，例如Blose的专利No.30,647和Reeves的专利No.34,467中所述者。
图2A和图2B更详细地示明本发明的一种螺纹构件。如图2B所示，管形构件的阳螺纹接口端11设有阳螺纹接头元件，其中包括螺纹顶部13和螺纹根部15。阳螺纹接头元件11的顶部13和根部15适于同匹配的、螺纹结构相补的阴螺纹接头元件12(图2A)装配在一起。阴螺纹接头端12实质上为阳螺纹接口端的镜像。阳螺纹接头元件顶部13成形于阳螺纹接头元件的插入侧面17和负载侧面19之间。螺纹顶部13大致平行于螺纹根部15和通常圆筒形或者径向锥形的管状阳螺纹接头元件11的水平轴16。
本文中所用的术语“负载侧面”须理解成意指背对相应的、其上加工成螺纹的阳零件或阴零件的外端的螺纹侧壁，而术语″插入侧面″则须理解成涉及面朝相应阳零件或阴零件外端的侧壁表面。至于图2B中所示的螺纹，阳螺纹接口或外端将朝右设置，如图2所见。
图3为阳螺纹接头元件11上单个螺纹的孤立四分之一剖面图。如图3所示，本发明螺纹构件的插入侧面17和负载侧面19各设计成能在螺纹连接的阳螺纹接口端和阴螺纹接头端上两个匹配螺纹表面之间匹配啮合。在图3示出的本发明中，负载侧面19包括两个刻面18、20和三种半径22、24、26。“刻面”表示螺纹顶部13和螺纹根部15之间各个螺纹侧面的裸露、平坦、二维的表面之一。换言之，术语“刻面”旨在表示类似于构成钻石的抛光面的斜切面的表面。“半径”表示与刻面及/或螺纹根部和顶部相切的圆角或转角半径(fillet or corner radius)，如图3中示出的22、24和26。
根据图3将观察到，刻面20相对于管16的水平轴和螺纹根部28形成一个负角α，有时称为“钩”。“负”角意指刻面20和相邻螺纹根部表面28之间的角度为锐角，藉此锐角，刻面20向外张开或者向内朝螺纹根部28倾斜。在相似的构造中，刻面18相对于表面28形成正角或钝角β。
再参照图3，会看到该插入侧面17由三种刻面30、32、34和四种半径36、38、40、42构成。同样也会注意到，刻面30通常平行于负载侧面上的刻面18，即它在相同的相对方向上倾斜。因此，当在断面上观看时，刻面18和30都在相同相对方向上相对于水平轴16倾斜。在相似的构造中，插入侧面17上的刻面32通常平行于负载侧面上的刻面20。然而，请注意插入侧面17包括另外的刻面34(图3)，该刻面相对于相邻的螺纹根部15倾斜而形成负角或锐角。
参照图4，图中示出体现本发明思想的螺纹构件。图4中所示的螺纹构件同样在负载侧面上设有刻面44、46，这些刻面与先前图3中所述螺纹构件的负载侧面上的刻面18和20等同。然而，在图4中螺纹构件的情况下，插入侧面上的三个刻面48、50、52全都反向定向，也即相对于图3中螺纹构件的插入侧面上的刻面30、32、34形成镜像。请注意，螺纹全都具有一定的总螺纹高度(图4中为“h”)，该螺纹高度在螺纹顶部和根部54、56之间测得，而且其中各种螺纹刻面各具有径向高度(如图4中的“rh1”、“rh2”以及“rh3”所示)，该径向高度在与螺纹高度相同的方向上测得。在图4所示的本发明中实施例中，可以看到插入侧面上的底部刻面52设有径向高度“rh1”，该径向高度小于其余两个刻面rh2和rh3的径向高度。在图4示出的本发明中，也可看到负载侧面上刻面44、46的径向高度近似相等。
图5示出了本发明改进螺纹构件的另一种型式。图5中示出的螺纹构件设有插入侧面58，该插入侧面与图4中示出的前述螺纹构件的插入侧面等同。然而，图5中螺纹构件的负载侧面60则完全相反，或者为图4中示出的负载侧面44、46的镜像。图5中示出的螺纹构件也展示了各种螺纹宽度“w1”、“w2”和“w3”，并展示了图5中示出的螺纹构件的各宽度如何相等。然而，对图4的螺纹构件进行类似比较表明，螺纹宽度“w4”、“w5”和“w6”因沿螺纹高度上所取测量点的变化而变。换言之，宽度“w5”既大于螺纹宽度“w4”又大于“w6”。本发明螺纹构件的螺纹宽度具有独特的特征，该特征赋予本发明螺纹构件比现有技术结构更大的通风性。
在图6中示出的现有螺纹构件结构的另一种型式中，负载侧面64与图5中的负载侧面60等同。然而，该插入侧面62却相反，也即，为图5中螺纹构件插入侧面58的镜像。也请注意各刻面66、68、70的相对高度，其中底部刻面66的相对高度较矮。
在图7中示出的现有螺纹构件结构的另一种型式中，负载侧面74与图6中的负载侧面64等同。然而，插入侧面72为“倒转的”，其中比照图7中的刻面高度76、68和80，顶部刻面80的相对高度比其余刻面76和78矮些。
图8～图10示出了本发明螺纹构件的再另一种型式。例如，在图8中，插入侧面82与图7中的插入侧面72等同。然而，负载侧面84是颠倒的，或者为图7示出的螺纹构件中负载侧面74的镜像。图9和图10示出分别在各种螺纹构件的插入侧面和负载侧面86、88和90、92上的另外一些差异。
在某些情况下，本发明螺纹构件可为螺旋形结构例如楔形。换言之，将阳螺纹接头元件和阴螺纹接头螺纹都加工成螺旋状楔形螺纹，因此沿其螺旋状的长度具有渐变的轴向宽度。换言之，比照图1，阳螺纹接头元件11上的螺纹可加工得使各相继螺纹的螺纹宽度从阳螺纹接头元件的内部区域39沿其螺旋状长度直到邻近阳螺纹接头元件口端的外部区域37逐渐减小。阴螺纹接头元件的轴向螺纹宽度会在相反方向上逐渐减小。阳螺纹接头元件和阴螺纹接头螺纹的渐变轴向宽度保证了楔劈啮合，以限制管状接头的轴向装配。“楔形”螺纹构件的更多细节可从先前引用的专利No.30,647(1981年授予Blose)以及螺纹构件设计领域技术人员熟悉的类似参考文献中获悉。
根据图1～图10可以看到，已介绍了本发明螺纹构件的总计八种不同结构。同样，就任何特定结构而言，插入侧面和负载侧面的具体布列均可颠倒。换言之，对最优选的结构来说，插入侧面可有三个刻面和四种半径，而负载侧面可有两个刻面和三种半径。然而，结构可颠倒，致使负载侧面有三个刻面和四种半径，而插入侧面有两个刻面和三种半径。
在本发明的最优选形式中，三个刻面中的一者在高度上可比具有三个刻面和四种半径的侧面上的另外两个刻面更矮些。然而，可以理解，在某些结构中，就应力分布而言，所有三个刻面均可为设计成具有不同的高度。负载侧面各刻面优选具有相同高度，但是须领会的是，这些可视所需连接性能的设计准则而定，设计成不同的刻面。优选的接头结构为径向锥形楔螺纹。然而，也可想到设计成圆筒形接头。在优选的螺纹构件中，螺纹根部和顶部平行于管轴线。然而，不同的设计标准可要求，根部和顶部平行于特定的斜度(particular taper)。在楔形螺纹结构情况下，楔形螺纹可具两个或更多个螺纹切削斜度。
本发明的改进螺纹构件的特定用途是在所谓的“膨胀套管”中应用，近年来这些应用已相当广泛地推广使用。膨胀套管用于某些井身结构作业，在这些作业中发现膨胀套管有利于已钻裸井段中或套管井眼内部的径向塑性膨胀螺纹管接头或者套管接头。在套管井眼中，径向可膨胀套管可用来修补磨损或损坏的套管，以便例如增高旧套管的等级，从而防止井眼过早废弃。在井眼中的裸眼井段中，利用径向可膨胀套管可减少预期最终套管井直径所需的钻孔直径，并且也可减少固定井眼中套管所需的水泥需要量。
在常规的油田、水和废物处理钻井中，套管柱间距安设，藉此将用于下一个间距的套管贯穿用于先前间距的套管进行安装。因此，套管柱的外径受先前所装套管柱的内径制约。因此，常规的井眼中的套管柱彼此相套叠，在往下的方向上套管直径渐减。通常在各套管柱和井眼之间形成环隙，致使水泥可注入该环隙或环形空间，将套管和井眼之间封闭起来。
由于常规井眼中套管柱套叠式布列，而且套管柱周围的环隙需要水泥环绕，所以井眼上部的井径需相对大些。这种大的起始井径可能导致费用提高，这应归于大直径套管的费用、钻掘大直径井眼的费用，以及对大的套管柱进行水泥灌浆的费用。另外，常规井眼中套管柱的套叠式布列会严格限制井眼底部上最终套管柱的内径，这限制了并的潜在生产率。
因此，在套管柱已贯穿先前的套管柱进入井眼之后，使套管柱“现场”径向膨胀，以便将井眼底部处最终套管柱的内径缩减降到最少，也许是令人向往的。径向膨胀井眼中的套管柱，有着降低已钻井眼和套管柱之间环隙的附加好处，它降低了完成套管和井眼之间封闭所需的水泥用量。
径向膨胀可通过冷变形膨胀过程来完成，在该膨胀过程中，膨胀工具或者“铅罐(pig)”贯穿套管柱移动，以使套管柱径向塑性膨胀。通常的现有技术膨胀方法使用圆锥形渐缩冷变形膨胀工具来使井眼中的套管膨胀。该膨胀工具通常附着于进入井眼的套管柱的下端。该膨胀工具也包括圆柱形截面，该圆柱形截面的直径通常相当于套管柱预期膨胀后的内径。该圆柱形截面后为锥形截面。套管柱在井眼中就位之后，轴向向上的举力施加在工作管柱上，迫使膨胀工具向上贯穿套管柱，以使套管柱径向向外位移到预期膨胀的直径。
由上面所述会理解的是，用于膨胀套管作业的螺纹构件须能可靠地结合套管柱，并保持管串的整体性，以便膨胀作业不显著减弱螺纹连接的承载能力。膨胀过程中，标准现有技术接头中的轴向应变会使接头失效。另外，套管膨胀后，接头的效率(一般定义为管体的机械性能如轴向拉力负载量对横切接头的同种机械性能之比)可能严重下降。膨胀过程中，管体壁厚通常也减小，因此管体本身的机械性能随之降低。本发明的这种改进螺纹轮廓理想地适用于所述类型的膨胀套管作业。
典型接头的装配将参照附图中的图1～图3予以简要讨论。正如已解释过的那样，管串的装配通常包括：阳螺纹接口端朝下，将管段下降到突出于钻机底盘、面朝上的阴螺纹接头中，将管节加接到现有管串上。在插入就位后，使所添加的管节旋转，以使阳螺纹接头和阴螺纹接头啮合，从而将接头固接到管串上。本发明的这种接头通常以相应的螺纹根部和顶部也即图3中的13、28首先接触而不加荷的运转(free-running)。装配次序中的下一步，刻面表面30和20与其在阴螺纹接头端中的相应配对刻面接触。最后，刻面表面32、34和18与其在接头阴螺纹接头端中的相应配对表面接触。
装配顺序的另一个例子如下：首先，根部和顶部13、28啮合起来仅仅帮助制成椭圆形的阳螺纹及/或阴螺纹变圆。其次，刻面18、32啮合，并与相应的配合件抵触，引起会在根部和顶部公隙中发展的应力方向径向离散。第三，刻面20、30和34啮合，以将螺纹构件径向固定就位，从而将螺环(hoop)和径向应力控制到优选的或者可接受的程度。
装配顺序随所用优选结构的独特轮廓而异。因此，某些应用场合要求阳刻面与阴刻面啮合。例如，当阳螺纹接头和阴螺纹接头之间需要更高压缩径向应力时，阳刻面和根部与顶部不应该以同等程度啮合，或者完全不啮合。
如果螺纹在装配之后要发生塑性变形，则侧面或刻面啮合顺序适合(ans)应力控制就能阻止螺纹构件变形，以便在预定结构中流变(flow)，有助于提高工作特性，例如内外流体或气体密封度、轴向张力及/或压紧整体性、折线形弯曲、折断扭矩和疲劳。
发明已拥有若干优点。可通过恰当设计螺纹本身的轮廓啮合表面，就可控制本发明螺纹连接的轴向装配。特殊的螺纹结构可控制径向装配，这种特殊螺纹结构中，螺纹装配到匹配螺纹槽之中的径向移动将既受插入侧面所用特定轮廓的限制，又受负载侧面上所用特定轮廓的限制。通过控制匹配螺纹间的径向啮合，就可控制润滑剂夹裹。恰当设计负载侧面和插入侧面的螺纹轮廓，能在螺纹装配的时候促成应力平衡。本发明螺纹构件保证了在结构方面比现有技术结构更大的通用性。
刻面的几何形状能提供一种具有更容易和更快的机加工能力的阴(阴螺纹)接头，而不会损失预期性能标准，例如可膨胀套管接头中可能需要的预期性能标准。刻面几何形状可用一种使螺纹在高度上塑性塌陷的方式来成型，这样就产生改进的径向联锁结构。举例来说，这可通过使齿侧面塑性倾斜或弯曲来进行，以导致预期螺纹联锁及/或压力保持及/或弯曲性能及/或径向力联锁的改进及/或拉力/压力的改进。举例来说，通过上述可膨胀管处理，也可实现螺纹的塑性变形。
另外，为使螺纹高度很耐螺纹高度塑性坍陷，也可设计本发明的螺纹几何形状。这样一种不弯曲螺纹构件结构的潜在待用场合为钻探管工具接头或者膨径修井接头。同样这种刻面可为排列得在任何插入作业过程中能将管节装配时可能引起的螺纹损害减到最少，使本发明的接头特别省钱地用于钻机。
已述及的半数螺纹构件几何结构保证小螺纹高度获得可用于那些高轴向张力和压缩能力的非膨径螺纹管材的能力。
半数这种结构具有劈开的鸠尾，该鸠尾具有三个能对另外两个颠倒的鸠尾产生插入作用的点接触。这对那些要求接头在整个接头长度上具有低应力或受控应力的维修提供了径向应力控制和直径上的应力控制。
尽管已用一些发明形式介绍了本发明，但不因此限定本发明；相反，本发明却可不背离其实质而易于进行各种改变。