一种极限扭矩石油钻杆接头及其制备方法与流程

1.本技术涉及石油钻杆的技术领域，尤其是涉及一种极限扭矩石油钻杆接头及其制备方法。


背景技术：

2.随着全球对油气资源需求的日益增加，油气资源的勘探开发得到了不断的发展，深井、超深井、超长位移水平井等非常规钻井的数量和深度记录不断被刷新，石油和天然气钻采行业在不断突破现有的钻井极限，相应的钻井工况环境更加恶劣，服役的钻杆受力极为复杂，面临钻井作业效率低下事故频发等问题，对石油钻井工具——钻杆的机械性能和水力效率提出更高的要求。
3.其中钻杆接头内外径尺寸直接影响水眼和环空钻井液流量，钻杆接头螺纹连接是整个钻杆机械性能最薄弱位置，接头螺纹抗扭强度、抗拉强度和抗疲劳性能代表整个钻杆的机械性能水平。
4.api-spec-5d是常用的钻杆技术规范，为了提升钻杆的抗扭强度，设计人员在api钻杆的基础上通过在钻杆接头处增加内台肩，并通过优化钻杆接头的螺纹锥度、螺距等研发了许多抗扭矩强度更高的钻杆接头，但钻杆接头的极限抗扭矩强度仍有待进一步提高。


技术实现要素：

5.为了进一步提高钻杆接头的抗扭矩强度，本技术提供一种极限扭矩石油钻杆接头及其制备方法。
6.一方面，本技术提供一种极限扭矩石油钻杆接头，采用如下的技术方案：一种极限扭矩石油钻杆接头及其制备方法，包括公接头和母接头，所述公接头与所述母接头上均设置有主螺纹，且通过主螺纹螺纹连接，所述主螺纹的承载角大于导向角。
7.通过采用上述技术方案，公接头与母接头连接后，由于主螺纹的承载角大于导向角，使得公接头与母接头的主螺纹之间的承载面接触面积大，同时接头危险截面面积增大，螺纹牙高度降低，有利于提升钻杆接头的抗扭矩强度、抗拉强度和上扣效率，此外，主螺纹的螺纹承载角大于导向角，使得螺纹牙底最低点偏向导向面，降低钻杆使用过程中出现异常载荷时，靠近承载面的螺纹牙底位置的应力，从而提高接头螺纹抗疲劳性能，延长钻杆接头的使用寿命。
8.可选的，所述承载角为30
°‑
45
°
，所述导向角为25
°‑
40
°
。
9.通过采用上述技术方案，能够提升公接头与母接头的主螺纹之间的承载面的面积，同时，根据钻杆接头抗扭强度理论计算公式，承载角度增加，能够进一步提升钻杆接头的抗扭强度，减少公接头与母接头之间的连接失效的情况。
10.可选的，所述主螺纹锥度为(1：32)-(1：4)，主螺纹螺距为4.23mm-12.7mm。
11.通过采用上述技术方案，通过控制公接头与母接头的主螺纹的锥度以及主螺纹的
间距，能够进一步提升公接头与母接头的连接强度，减少钻杆在使用过程中，公接头与母接头主螺纹在应力集中的作用下被破坏的情况。
12.可选的，所述公接头上设置有分别位于公接头上主螺纹两侧的大端外圆面和鼻端外圆面，所述母接头上设置有与大端外圆面相配合的扩孔端内圆面，以及与鼻端外圆面相配合的小端内圆面。
13.通过采用上述技术方案，通过大端外圆面与扩孔端内圆面接触配合，鼻端外圆面与小端内圆面接触配合，能够大幅提高钻杆接头抗扭强度，也有利于减轻公接头与母接头的主螺纹局部应力集中，提升钻杆接头的使用寿命。
14.可选的，所述大端外圆面与扩孔端内圆面的配合公差为-0.25mm-0.25mm，所述鼻端外圆面与小端内圆面的配合公差为-0.25mm-0.25mm。
15.通过采用上述技术方案，通过控制大端外圆面与扩孔端内圆面的配合公差，以及鼻端外圆面与小端内圆面的配合公差，可提高钻杆接头之间的接触面面积，使得公接头与母接头连接处的应力更加均匀，减少公接头与母接头之间的应力集中，提升钻杆接头的抗扭强度，提升钻杆接头的使用寿命。
16.可选的，所述鼻端外圆面与扩孔端内圆面上均设置有次螺纹，所述次螺纹用于存储润滑脂，所述次螺纹牙型高度为0.2mm-2mm，次螺纹螺距为1mm-5mm。
17.通过采用上述技术方案，次螺纹能够储存润滑脂，有助于减少公接头与母接头之间摩擦失效的问题。此外，次螺纹内的润滑脂能够起到密封作用，有利于提高接头螺纹气密封性能。
18.可选的，所述鼻端外圆面上的次螺纹的沿次螺纹轴线的长度大于鼻端外圆面沿次螺纹轴线的长度的50％，所述扩孔端内圆面上的次螺纹的沿次螺纹轴线的长度大于扩孔端内圆面沿次螺纹轴线的长度的50％。
19.通过采用上述技术方案，通过控制次螺纹沿次螺纹轴线的长度，能够增加公接头与母接头之间可存储的润滑脂，提升公接头与母接头连接处的密封性。
20.可选的，所述公接头上设置有公主台肩面和公副台肩面，所述母接头上设置有与公主台肩面配合的母主台肩面，以及与公副台肩面配合的母副台肩面，所述公主台肩面、公副台肩面、母主台肩面、母副台肩面上均开设有环形的应力释放槽。
21.通过采用上述技术方案，通过公主台肩面与母主台肩面的配合，以及公副台肩面与母副台肩面的配合能够提升钻杆接头的抗扭矩强度，提升钻杆接头的使用寿命。应力释放槽能够在钻杆接头之间扭矩较大或扭矩过载的情况下，为公接头和母接头提供优先充分发生弹性变形的空间，以减缓大应力下变形无法释放而相互挤压产生塑性变形的情况，同时也可存储螺纹脂，有助于减少钻杆接头之间磨损失效问题，提升钻杆接头的使用寿命。
22.可选的，所述应力释放槽的深度为0.2mm-2mm。
23.通过采用上述技术方案，通过控制应力释放槽的深度能够在减少公接头及母接头塑性变形的同时，减少应力释放槽对钻杆强度的影响，减少应力集中使得公接头及母接头发生塑性变形的情况。
24.另一方面，本技术提供一种上述极限扭矩石油钻杆接头的制备方法，所述公接头的制备包括以下步骤：s11、加工公接头毛坯；s12、加工公接头的主螺纹；所述母接头的制备包括以下步骤：s21、加工母接头毛坯；s22、加工母接头的主螺
纹。
25.通过采用上述技术方案，在生产石油钻杆时，通过控制公接头及母接头的主螺纹，使主螺纹的承载角大于导向角，能够提升公接头与母接头的承载面积，使得公接头与母接头的抗扭矩强度更强，承载能力更强。
26.综上所述，本技术包括以下至少一种有益效果：1.通过控制公接头与母接头的主螺纹承载角与导向角，以及主螺纹的锥度和螺距，能够提升公接头与母接头的连接强度，提升钻杆接头的抗扭矩强度，使得钻杆接头的使用寿命更长；2.通过控制大端外圆面与扩孔端内圆面的接触配合，以及鼻端外圆面与小端内圆面的接触配合，可增大钻杆接头之间的接触面面积，进一步大幅提高钻杆接头抗扭强度。也有利于减轻公接头与母接头的主螺纹局部应力集中，提升钻杆接头的使用寿命；3.次螺纹能够存储润滑脂，有助于减少钻杆接头的金属之间摩擦失效的问题，也有利于提高钻杆接头螺纹的气密封性能；4.环形的应力释放槽能够在钻杆接头之间扭矩较大或扭矩过载的情况下，为公接头和母接头提供优先充分发生弹性变形的空间，以减缓大应力下变形无法释放而相互挤压产生塑性变形的情况，同时也可存储螺纹脂，有助于减少钻杆接头之间磨损失效问题，提升钻杆接头的使用寿命。
附图说明
27.图1是本技术实施例1的整体结构示意图；图2是图1中a处的局部放大示意图；图3是本技术实施例1的爆炸结构示意图；图4是图3中b处的局部放大示意图；图5是实施例1与对比例1主螺纹对比示意图；图6是本技术实施例1的局部结构示意图。
28.附图标记说明：1、公接头；11、大端外圆面；12、鼻端外圆面；13、公主台肩面；14、公副台肩面；2、母接头；21、扩孔端内圆面；22、小端内圆面；23、母主台肩面；24、母副台肩面；3、主螺纹；31、承载角；32、导向角；33、承载面；34、导向面；4、次螺纹；5、应力释放槽。
具体实施方式
29.钻杆接头的抗扭强度理论技术方法如下公式所示：其中，t为钻杆接头抗扭强度；ym为材料最小屈服强度；a为接头危险截面面积；an为副台肩截面积；p为螺纹的螺距；f为摩擦系数；α为螺纹承载角；r
t
为螺纹平均半径；rs为主台肩平均半径；rn为副台肩平均半径。
30.由以上公式可以看出，在材料相同的条件下，钻杆接头的抗扭性能主要由接头危险截面面积决定，螺纹承载角、螺距以及主副台肩接触面积等对抗扭强度也有一定影响。但是该公式中未体现钻杆接头螺纹接触面积与其抗扭性能之间的关系，尤其是螺纹牙承载面接触面积，钻杆接头的螺纹牙承载面接触面积越大，螺纹接触面摩擦消耗的能量也越大，可
以提供的扭矩更大。
31.现有石油钻杆接头的螺纹牙型大部分都采用api标准牙型结构，主要特点是承载角与导向角均为30
°
，这样螺纹牙型高度较高，宽度略小，导致接头有效截面积较小，抗扭强度降低，同时，在施加上扣扭矩后，螺纹牙型上的最高应力发生在螺纹牙型底部靠近承载面一侧，在钻井过程中进一步受到拉力或弯曲力时，会导致螺纹牙型底部应力更高，容易发生破坏，降低钻杆接头使用寿命。此外，在公接头与母接头连接后，公接头与母接头之间螺纹两侧的区域留有较大的环形间隙，该环形间隙越大，公接头与母接头的接触面积越小，也会导致钻杆接头的抗扭强度较低。
32.以下结合附图1-6对本技术作进一步详细说明。
33.实施例1：本技术实施例公开的一种极限扭矩石油钻杆接头，参照图1和图2，包括公接头1和母接头2，公接头1与母接头2上均设置有主螺纹3，且通过主螺纹3螺纹连接，主螺纹3为三角形牙型，主螺纹3的承载角31大于导向角32，承载角31为30
°‑
45
°
，导向角32为25
°‑
40
°
，主螺纹3锥度为(1：32)-(1：4)，主螺纹3螺距为4.23mm-12.7mm。
34.公接头1与母接头2连接后，由于主螺纹3的承载角31大于导向角32，使得公接头1与母接头2的主螺纹3的承载面33的接触面积大，主螺纹3接触面摩擦消耗的能量也越大，提升钻杆接头的极限抗扭矩强度，且能够减少石油钻杆使用时公接头1与母接头2的连接处的应力集中，减少钻杆接头由于局部应力过大导致损坏的情况，提升钻杆接头的抗扭矩强度，以提升石油钻杆的使用寿命。
35.通过控制承载角31及导向角32的角度，能够提升公接头1与母接头2的主螺纹3的承载面33的接触面积，提升公接头1与母接头2的连接强度，减少公接头1与母接头2之间的连接失效的情况，同时能够便于公接头1与母接头2的连接。在本技术实施中，当螺距为每英寸3-4牙、锥度为(1：16)-(1:6)的主螺纹3，承载角31可以设置为40
°
，导向角32可以设置为30
°
；与上述主螺纹3相比较，对于螺距较小、锥度较小的主螺纹3，承载角31设置为30
°
，导向角32设置为25
°
，对于螺距较大、锥度较大的主螺纹3，承载角31设置为45
°
，导向角32设置为40
°
通过控制公接头1与母接头2的主螺纹3的锥度以及主螺纹3的间距，能够进一步提升公接头1与母接头2的连接强度，减少钻杆在使用过程中，公接头1与母接头2的主螺纹3在应力集中的作用下被破坏的情况。
36.参照图3和图4，公接头1上设置有分别位于公接头1上主螺纹3两侧的大端外圆面11和鼻端外圆面12，母接头2上设置有与大端外圆面11相配合的扩孔端内圆面21，以及与鼻端外圆面12相配合的小端内圆面22。大端外圆面11、鼻端外圆面12、扩孔端内圆面21以及小端内圆面22可以为圆柱面，也可以为锥度与主螺纹3锥度相同的圆锥面。大端外圆面11与扩孔端内圆面21的配合公差为(-0.25mm)-0.25mm，鼻端外圆面12与小端内圆面22的配合公差为(-0.25mm)-0.25mm。
37.通过大端外圆面11与扩孔端内圆面21配合，鼻端外圆面12与小端内圆面22配合，能够减少公接头1与母接头2的主螺纹3两侧的环形间隙，增大公接头1与母接头2的接触面积，以及主台肩和副台肩的接触面积进一步增强公接头1与母接头2的抗扭强度，增强钻杆接头的使用寿命，减少石油钻杆在使用过程中被损坏的情况。通过控制大端外圆面11与扩
孔端内圆面21的配合公差，以及鼻端外圆面12与小端内圆面22的配合公差，能够使得公接头1与母接头2连接处的应力更加均匀，减少公接头1与母接头2的应力集中，提升钻杆接头的使用寿命。
38.参照图2和图4，扩孔端内圆面21与鼻端外圆面12上均设置有次螺纹4，次螺纹4为v型螺纹牙，次螺纹4螺纹牙高度为0.2mm-2mm，次螺纹4螺距为1mm-5mm。鼻端外圆面12上的次螺纹4的沿次螺纹4轴线的长度大于鼻端外圆面12沿次螺纹4轴线的长度的50％，扩孔端内圆面21上的次螺纹4的沿次螺纹4轴线的长度大于扩孔端内圆面21沿次螺纹4轴线的长度的50％。
39.次螺纹4能够储存润滑脂，减少公接头1与母接头2之间由于摩擦磨损，导致公接头1与母接头2之间的连接失效的情况，进一步提升钻杆接头的使用寿命。次螺纹4还能够起到密封作用，提升钻杆接头的气密封性能，提升钻杆的使用寿命。通过控制次螺纹4沿次螺纹4轴线的长度，能够提升公接头1与母接头2连接处的密封性，提升钻杆接头使用时的性能，提升公接头1与母接头2的使用寿命。
40.参照图3，公接头1上设置有公主台肩面13和公副台肩面14，母接头2上设置有与公主台肩面13配合的母主台肩面23，以及与公副台肩面14配合的母副台肩面24，公主台肩面13、公副台肩面14、母主台肩面23、母副台肩面24上均开设有应力释放槽5，应力释放槽5为v型或弧形槽。应力释放槽5的深度为0.2mm-2mm。
41.通过公主台肩面13与母主台肩面23的配合，以及公副台肩面14与母副台肩面24的配合能够提升钻杆接头的抗扭矩强度，提升钻杆接头的使用寿命。应力释放槽5能够供公接头1及母接头2弹性变形，使得公接头1与母接头2的主螺纹3能够更好的受力，减少公主台肩面13、母主台肩面23、公副台肩面14以及母副台肩面24处应力过大，使得公接头1及母接头2相互挤压而发生塑性变形的情况，提升钻杆接头的使用寿命。通过控制应力释放槽5的深度能够在减少公接头1及母接头2塑性变形的同时，减少应力释放槽5对钻杆强度的影响，减少应力释放槽5过深使得应力释放槽5两侧由于应力集中发生塑性变形的情况。
42.本技术实施例一种极限扭矩石油钻杆接头的实施原理为：通过使公接头1与母接头2的主螺纹3的承载角31大于导向角32，能够提升公接头1与母接头2的承载面33的接触面积，并增大承载角31角度，使得公接头1与母接头2的抗扭矩能力更强，提升钻杆接头的使用寿命。
43.制作钢级120ksi，外径127mm，内径65.09mm的钻杆接头，其中公接头1与母接头2的主螺纹3承载角31为40
°
，导向角32为30
°
，主螺纹3锥度为1：12，主螺纹3螺距为7.26mm，大端外圆面11、扩孔端内圆面21、鼻端外圆面12及小端内圆面22均为圆柱面，大端外圆面11与扩孔端内圆面21的配合公差、鼻端外圆面12与小端内圆面22的配合公差均为0mm，即刚好接触；次螺纹4牙型高度为1mm，次螺纹4螺距为1.5mm；应力释放槽5为圆弧形且深度为0.4mm。
44.采用上述承载角31及导向角32设计制作的钻杆接头，公副台肩面14与母副台肩面24的接触面积为3200mm2，公主台肩面13与母主台肩面23的接触面积为4700mm2，通过公式计算钻杆接头的抗扭强度为63050n
·
m，抗拉强度为3630kn，对上述参数进行上扣、卸扣试验，并施加37800n
·
m(60％的抗扭强度)的扭矩，在经过100次的上扣、卸扣循环试验后，未发生磨损粘扣的失效问题。
45.实施例2：
本技术实施例公开的一种极限扭矩石油钻杆接头的制备方法，其中，公接头1的制备包括以下步骤：加工公接头1毛坯；精加工公主台肩面13、公副台肩面14、大端外圆面11、鼻端外圆面12以及公接头1的主螺纹3螺纹面；加工公接头1的主螺纹3；加工鼻端外圆面12上的次螺纹4；加工公主台肩面13及公副台肩面14上的应力释放槽5；母接头2的制备包括以下步骤：加工母接头2毛坯；精加工母主台肩面23、母副台肩面24、小端内圆面22、扩孔端内圆面21以及母接头2的主螺纹3螺纹面；加工母接头2的主螺纹3；加工扩孔端内圆面21上的次螺纹4；加工母主台肩面23及母副台肩面24上的应力释放槽5。
46.在生产石油钻杆时，通过控制公接头1及母接头2的主螺纹3，使主螺纹3的承载角31大于导向角32，能够提升公接头1与母接头2的承载面33接触面积，使得公接头1与母接头2的抗扭矩能力更强，承载能力更强。通过次螺纹4能够进一步增强公接头1与母接头2的连接强度，同时次螺纹4能够存储润滑脂，以提升次螺纹4处的密封性，减少公接头1与母接头2的主螺纹3连接处被腐蚀的情况，提升钻杆接头的使用寿命。应力释放槽5能够供公接头1及母接头2发生弹性变形，减少公接头1与母接头2局部抵接力过大而发生塑性变形的情况，提升钻杆接头的使用寿命。
47.对比例1：本对比例与实施例1的区别之处在于，主螺纹3的承载角31为30
°
，导向角32为30
°
，大端外圆面11与扩孔端内圆面21的配合公差、鼻端外圆面12与小端内圆面22的配合公差均为常规设计1mm-2mm。
48.采用上述承载角31及导向角32设计制作的钻杆接头，公副台肩面14与母副台肩面24的接触面积为2600mm2，公主台肩面13与母主台肩面23的接触面积为4200mm2，通过公式计算钻杆接头的抗扭强度为52100n
·
m，抗拉强度为3210kn，对上述参数进行上扣、卸扣试验，并施加31200n
·
m(60％的抗扭强度)的扭矩，在经过100次的上扣、卸扣循环试验后，未发生磨损粘扣的失效问题。
49.参照图5和图6，实施例1与对比例1相比较，在主螺纹3除承载角31外的其他参数相同情况下，实施例1将承载角31设计为40
°
，相比于对比例1中30
°
的承载角31，主螺纹3的承载面33长度增加(3.20mm-3.05mm)＝0.15mm，钻杆接头危险截面半径增加(1.9mm-1.6mm)＝0.3mm，主螺纹3螺纹牙底最低点距导向面34距离缩短0.3mm，这些改进都有利于提高钻杆接头抗扭强度和抗疲劳性能。同时，实施例1较对比例1理论计算的抗扭强度提高21％，抗拉强度提高13％，综上所述，本技术实施例1中的抗扭矩强度得到了进一步提高。
50.以上均为本技术的较佳实施例，并非依此限制本技术的保护范围，故：凡依本技术的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种极限扭矩石油钻杆接头，其特征在于，包括公接头（1）和母接头（2），所述公接头（1）与所述母接头（2）上均设置有主螺纹（3），且通过主螺纹（3）螺纹连接，所述主螺纹（3）的承载角（31）大于导向角（32）。2.根据权利要求1所述的一种极限扭矩石油钻杆接头，其特征在于，所述承载角（31）为30
°‑
45
°
，所述导向角（32）为25
°‑
40
°
。3.根据权利要求2所述的一种极限扭矩石油钻杆接头，其特征在于，所述主螺纹（3）锥度为(1：32)-(1：4)，主螺纹（3）螺距为4.23mm-12.7mm。4.根据权利要求1所述的一种极限扭矩石油钻杆接头，其特征在于，所述公接头（1）上设置有分别位于公接头（1）上主螺纹（3）两侧的大端外圆面（11）和鼻端外圆面（12），所述母接头（2）上设置有与大端外圆面（11）相配合的扩孔端内圆面（21），以及与鼻端外圆面（12）相配合的小端内圆面（22）。5.根据权利要求4所述的一种极限扭矩石油钻杆接头，其特征在于，所述大端外圆面（11）与扩孔端内圆面（21）的配合公差为-0.25mm-0.25mm，所述鼻端外圆面（12）与小端内圆面（22）的配合公差为-0.25mm-0.25mm。6.根据权利要求4所述的一种极限扭矩石油钻杆接头，其特征在于，所述鼻端外圆面（12）与扩孔端内圆面（21）上均设置有次螺纹（4），所述次螺纹（4）用于存储润滑脂，所述次螺纹（4）牙型高度为0.2mm-2mm，次螺纹（4）螺距为1mm-5mm。7.根据权利要求6所述的一种极限扭矩石油钻杆接头，其特征在于，所述鼻端外圆面（12）上的次螺纹（4）的沿次螺纹（4）轴线的长度大于鼻端外圆面（12）沿次螺纹（4）轴线的长度的50%，所述扩孔端内圆面（21）上的次螺纹（4）的沿次螺纹（4）轴线的长度大于扩孔端内圆面（21）沿次螺纹（4）轴线的长度的50%。8.根据权利要求1所述的一种极限扭矩石油钻杆接头，其特征在于，所述公接头（1）上设置有公主台肩面（13）和公副台肩面（14），所述母接头（2）上设置有与公主台肩面（13）配合的母主台肩面（23），以及与公副台肩面（14）配合的母副台肩面（24），所述公主台肩面（13）、公副台肩面（14）、母主台肩面（23）、母副台肩面（24）上均开设有环形的应力释放槽（5）。9.根据权利要求8所述的一种极限扭矩石油钻杆接头，其特征在于，所述应力释放槽（5）的深度为0.2mm-2mm。10.一种如权利要求1-9任意一项所述的极限扭矩石油钻杆接头的制备方法，其特征在于，所述公接头（1）的制备包括以下步骤：s11、加工公接头（1）毛坯；s12、加工公接头（1）的主螺纹（3）；所述母接头（2）的制备包括以下步骤：s21、加工母接头（2）毛坯；s22、加工母接头（2）的主螺纹（3）。

技术总结
本申请公开了一种极限扭矩石油钻杆接头及其制备方法，涉及石油钻杆的技术领域，本申请中的一种极限扭矩石油钻杆接头包括公接头和母接头，所述公接头与所述母接头上均设置有主螺纹，且通过主螺纹螺纹连接，主螺纹的承载角大于导向角。本申请具有提高钻杆接头的抗扭矩强度的效果。矩强度的效果。矩强度的效果。


技术研发人员：舒志强 欧阳志英 余世杰 乔晓堂 鲁喜宁 谢孝文 赵海兵
受保护的技术使用者：上海海隆石油钻具有限公司
技术研发日：2023.06.07
技术公布日：2023/8/6