带有固体润滑剂涂层的楔形螺纹

摘要

一种管道连接，其包含具有外部楔形螺纹的销钉元件，该销钉元件被配置为连接到具有相应内部楔形螺纹的套管元件，并且在内部和外部楔形螺纹中的至少一个上施用固体润滑剂涂层，其中该固体润滑剂涂层包含由含有锌颗粒的环氧树脂制成的干的抑制腐蚀涂层的第一均匀层和覆盖在第一均匀层上的干的润滑剂涂层的第二均匀层。

说明书

技术领域

此处公开的实施例基本涉及楔形螺纹连接。更特别的，此处公开 的实施例涉及具有永久结合到其上的固体润滑剂涂层的楔形螺纹，以 及涉及将固体润滑剂涂层永久性结合到楔形螺纹的相关方法。

背景技术

一种在油田管道商品中经常使用的螺纹连接是楔形螺纹。首先根 据图1A和1B，现有技术管道连接100如图所示具有楔形螺纹。如此 处所使用的，“楔形螺纹”是螺纹，而不管螺纹的具体形状，其在销 钉元件101和套管元件102上在相反的方向上增加宽度（即负载齿面 225和226与入扣齿面232和231之间的轴向距离）。螺纹沿连接在 宽度上的变化率由被称为“楔形比”的变量决定。如此处所使用的， 虽然“楔形比”不是技术意义上的比率，但其指入扣齿面导程和负载 齿面导程之间的差异，这导致螺纹的宽度沿着连接变化。另外，如此 处所使用的，螺纹“导程”指在连续螺纹上的一个螺纹的组件之间的 差别距离。这样，“入扣导程”是连续螺纹螺距的入扣齿面之间沿着 连接的轴向长度的距离。

在由授权给Mallis并转让给本发明受让人的美国专利No. 6,206,436中提供了对楔形比的详细讨论，在此引用其全文作为参考。 另外，楔形螺纹还在授权于Blose的美国专利No.RE 30,647，授权于 Reeves的美国专利No.RE 34,467，授权于Ortloff的美国专利No. 4,703,954，授权于Mott的美国专利No.5,454,605中广泛公开，这些 专利均转让给本发明受让人，在此全部引用其全文作为参考。

还是以图1A和1B为例，在楔形螺纹中，螺纹密封可以通过由 在销钉负载齿面226和套管负载齿面225之间以及销钉入扣齿面232 和套管入扣齿面231之间的连接100的至少一部分上组装发生的过盈 所产生的接触压力而实现。当发生接近到这种齿面过盈时，齿根292 和221以及牙顶222和291之间的紧密邻接或过盈完成了螺纹密封。 一般而言，可以通过增加在销钉元件101和套管元件102上的齿根和 牙顶之间的过盈（齿根/牙顶过盈），或者通过增加前述的齿面过盈而 容许更高的压力。

在组装之前，通常被称为“管螺纹润滑剂(pipe dope)”的流动接 头化合物通常被施用于螺纹接头的表面以改进螺纹密封并且在连接 组装时提供润滑。例如，所述管螺纹润滑剂可以帮助楔形螺纹连接， 以在其负载和入扣齿面之间达到螺纹密封，例如在授权于Reeves的 美国专利RE 34,467中公开的。另外，管螺纹润滑剂还可以保护销钉 和套管元件的螺纹，以免在组装或断开的过程中受到摩擦磨损。

诸如管螺纹润滑剂这样的流动接头化合物由于楔形螺纹以紧密 匹配的方式进行组装因而能被用于楔形螺纹连接。如前所述，楔形螺 纹依靠完全表面接触理论，这意味着每个接触表面，即相对应的齿根 /牙顶和入扣以及负载齿面表面要么是紧邻或要么是完全过盈。这样， 出于来自多螺纹表面过盈的楔形螺纹的紧密匹配特性，使用管螺纹润 滑剂，从而使得在连接被组装以及相应的螺纹表面会合时，所述管螺 纹润滑剂可被挤出，从而不妨碍螺纹表面的适当结合。

在楔形螺纹连接中使用管螺纹润滑剂并非没有缺点。当楔形螺纹 连接组装时，过量的管螺纹润滑剂会被困在（而不是被挤出）销钉螺 纹和套管螺纹之间，而这会造成错误的升高的扭矩读数（导致组装不 足或“间隙（stand-off）”），或者在某些情况下，破坏连接。已经有为 螺纹形状上提供特征以减少在螺纹连接组装时使用的管螺纹润滑剂 的压力的累积这样形式的减少管道间隙的努力，例如被转让给本申请 的受让人的美国公开号为No.2008/0054633的专利申请，在此引用其 全文作为参考。另外，过量管螺纹润滑剂在楔形螺纹连接上引发的问 题可以通过限制所使用的管螺纹润滑剂的量以及通过控制楔形螺纹 连接的组装速度来避免。限制楔形螺纹连接的组装速度使管螺纹润滑 剂在高压下被困在连接中之前能移动并被挤出。然而，限制连接的组 装速度将减缓安装钻柱的整体进度。

由于管螺纹润滑剂不完全的排出导致的管道间隙对楔形螺纹连 接的结构完整性是有害的。由于累积的压力会在使用过程中释放掉， 连接在使用过程中将有意外断开的风险。因此，由于可能导致密封完 整性的损失或者甚至两个相连组件的机械分离，楔形螺纹连接的间隙 受到特别的关注。另外，在升高的井下作业温度（即管被期望的所要 经受的作业温度）中使用的钻柱中，管道的间隙更成问题。特别地， 在高温作业下（例如超过250°F，蒸汽钻柱或地热钻柱），即使少量 的间隙都会是有害的。例如，如果具有极小量的间隙的已经组装好的 楔形螺纹连接被用到高温井中，管螺纹润滑剂会从楔形螺纹连接中流 出来，从而减少螺纹密封的完整性。另外，在楔形螺纹中使用流动的 管螺纹润滑剂可能导致螺纹密封泄漏，尤其是在升高的压力下，因为 管螺纹润滑剂粘度增加。

使用管螺纹润滑剂的更大外径的楔形螺纹通常需要第二次施用 扭矩来保证螺纹连接的完整组装。由于楔形螺纹的长度和配置，更大 直径的连接容易受到液压封闭的影响，且需要额外的扭矩沿着连接的 长度推动螺纹润滑剂（即，强迫螺纹润滑剂流动）。由于扭矩被数次 施用以沿着螺纹“挤压”管螺纹润滑剂，这样的过程通常被称为连接 的“二次撞击”。值得注意的是，二次撞击增加了连接组装的时间。

因此，存在对能够用于紧密匹配的楔形螺纹连接而又能实质性减 少管道间隙问题并且能在升高的井下温度下有效的螺纹润滑剂的需 求。

发明内容

一方面，此处公开的实施例涉及一种管道连接，其包含了具有外 部楔形螺纹的销钉元件，该销钉元件被配置为连接到具有相应内部楔 形螺纹的套管元件，以及永久结合到内部和外部楔形螺纹中至少一个 上的固体润滑剂涂层。

另一方面，此处公开的实施例涉及一种生产具有楔形螺纹的连接 的方法，该方法包括在套管元件上加工内部楔形螺纹，在销钉元件上 加工外部楔形螺纹，其中内部和外部楔形螺纹被配置为相对应，并且 将固体润滑剂涂层永久性地结合到内部和外部楔形螺纹中的至少一 个上。

本发明的其他方面和优点将在下面的描述和所附权利要求中变 得明晰。

附图说明

图1A和1B是现有技术中具有楔形螺纹的管道连接的截面图。

图2是根据本发明的实施例的固体润滑剂涂层在楔形螺纹上的 截面图。

图3是根据本发明的实施例的靠近螺纹表面的固体润滑剂涂层 的细节放大图。

图4是根据本发明的实施例的靠近螺纹表面的替代固体润滑剂 涂层的细节放大图。

具体实施方式

一方面，此处公开的实施例涉及一种具有永久性结合于其上的固 体润滑剂涂层的楔形螺纹连接，以及涉及将固体润滑剂涂层永久性结 合于楔形螺纹上的相关方法。所述螺纹连接可以包括对应的具有楔形 螺纹形成于其上的销钉元件和套管元件。在连接进行组装之前，所述 固体润滑剂涂层可以永久地结合到销钉元件上，套管元件上，或者销 钉和套管元件两者上。根据连接的最终配置类型（即全长销钉，全长 套管，或耦接），可以使用一层或多层固体润滑剂涂层。

现在参见图2，展示了根据本发明的实施例的具有永久性地结合 其上的固体润滑剂涂层310的楔形螺纹300的截面图。所述楔形螺纹 300形成于管部件301上，其为销钉元件或套管元件。如图所示，固 体润滑剂涂层310可以永久地结合于楔形螺纹300的整个表面，包括 螺纹齿根302，螺纹牙顶304，入扣齿面306，以及负载齿面308。

在此使用时，永久性地结合是指在涂层被适当地固化后固体润滑 剂涂层与楔形螺纹表面粘合，从而所述固体润滑剂涂层310在连接的 组装过程中不“流动”，而是保持刚性结构。这样，在楔形螺纹连接 的组装过程中，固体润滑剂涂层310表现为固体结构并且不像通常的 管螺纹润滑剂那样由于螺纹齿根302和螺纹牙顶304以及入扣齿面 306和负载齿面308接触而产生的力而流动。虽然所述固体润滑剂不 流动，所述固体润滑剂涂层可以是易弯曲的化合物并且有一定弹性， 这样在楔形螺纹连接组装时该固体润滑剂涂层310可以在连接多次 组装和断开时稍微地变形来填充螺纹齿面中的空隙（由齿面的缺陷引 起）。与为了密封性依赖表面张力来填充螺纹齿面中的空隙的流动螺 纹化合物不同，此处公开的一个或多个实施例中的固体润滑剂涂层 310永久性地粘合和/或结合到楔形螺纹表面。

图3是根据本发明的实施例的固体润滑剂涂层310的组成的放大 图。如图所示，无涂层的楔形螺纹的表面300（图2）的平均表面粗 糙度Ra大约在2到6μm之间。在某些实施例中，该无涂层的螺纹表 面的平均粗糙度大约在1到10μm之间。需要对楔形螺纹表面的基底 金属表面进行处理或预处理，以准备好螺纹表面并使其起到锚固的作 用，从而固体润滑剂涂层能适当地粘合其上并永久性地结合到楔形螺 纹上。楔形螺纹表面的表面处理可以包括喷砂和/或磷酸盐涂层。

在楔形螺纹表面的表面预处理（如需要）之后，施用第一固体涂 层（均匀的或基本恒定厚度的层）并将该涂层永久性地结合到楔形螺 纹表面。该第一固体涂层可以由包含锌（Zn）颗粒的环氧树脂组成。 在某些实施例中，该第一固体涂层是防腐蚀的涂层，或具有抑制腐蚀 的性质。环氧树脂中锌颗粒的含量可以等于或大于约80%wt。在某些 实施例中，该锌颗粒的纯度可以至少为99%。在其他实施例中，该锌 颗粒的纯度可以至少为97.5%。该第一涂层312的厚度值可以大约在 15到35μm之间。在某些实施例中，该第一涂层312的厚度值可以 大约在20到30μm之间。

随后可以施用第二固体涂层314（例如固体干燥润滑剂涂层）并 将该涂层永久性地结合到第一涂层312和/或楔形螺纹表面上。在一 实施例中，该第二涂层314由二硫化钼(MoS₂)和在无机粘合剂中的其 他固体润滑剂的混合物组成。其他固体润滑剂可以包括，但不限于， 石墨，二硫化钨，氮化硼，以及聚四氟乙烯（“PTFE”）。在此处公开 的一个或多个实施例中，固体润滑剂分散其中的粘合剂的类型包括有 机的，无机的，金属的，以及陶瓷的。本领域普通技术人员应能理解 根据螺纹连接的材料的机械特性选择固体润滑剂分散其中的粘合剂 的类型。

第二涂层314的厚度可以大约在5到25μm之间。在某些实施例 中，第一涂层312的厚度可以在10到20μm之间。第一涂层312可 以通过喷射，涂刷，浸渍或者本领域已知的其他任何能控制涂层厚度 的方法施用于楔形螺纹。相似的，当第一涂层312完全固化和/或干 燥后，第二涂层314可以通过喷射，涂刷，浸渍或者本领域已知的其 他任何能控制涂层厚度的方法施用于楔形螺纹。

现在参见图4，展示了根据本发明的替代实施例的固体润滑剂涂 层310（图2）的放大图。在本发明的某些实施例中，在图3中所展 示的第一涂层312和第二涂层314可以结合成一个固体涂层316。在 一实施例中，该结合的固体涂层316可以是干的抑制腐蚀涂层的均匀 层，并具有固体润滑剂的颗粒混合其中，如图4所示。固体润滑剂可 以包括，但不限于，二硫化钼(MoS₂)，石墨，二硫化钨，氮化硼， 以及聚四氟乙烯(“PTFE”)。本领域技术人员应当熟悉在将涂料施用 并结合到楔形螺纹之前将干的抑制腐蚀涂层与固体润滑剂颗粒结合 起来。

结合的干的抑制腐蚀涂层316的厚度大约为15到35μm之间。 在某些实施例中，干的抑制腐蚀涂层312的厚度大约为20到30μm 之间。包含有固体润滑剂颗粒分散其中的干的抑制腐蚀涂层316可以 通过喷射，涂刷，浸渍或本领域任何已知的能够控制涂层厚度的方法 进行施用。对固体润滑剂涂层的进一步探讨可以在国际申请 PCT/EP2003/011238以及美国公开号2008/129044的专利申请中找到， 上述两申请均被转让给了Tenaris公司，并在此引用其全文作为参考。

固体润滑剂涂层在升高的温度以及周围温度下是有效的。固体润 滑剂涂层能够承受更高的温度（例如200°C-350°C），并且不损坏。 从而在升高的温度下维持了密封能力，而不像以脂质为基础的螺纹化 合物，其在较高温度下会失去其粘度，从而实质地降低该螺纹化合物 抗流动性。此处公开的实施例中的固体润滑剂被配制为能在一系列的 升高的温度以及周围温度下使用。

此处公开的实施例中的固体润滑剂涂层可以提供多种优势。特别 地，连接可以经历如下的比目前所使用的以脂质为基础的（即流动的） 螺纹润滑剂有改进的密封性能。首先，固体润滑剂涂层不会随时间或 随着连接的负载而沿着螺纹持续地流动，而这对于脂质将降低密封性 能以及对断开扭矩的抵抗性。第二，固体润滑剂涂层不会在升高的温 度下解体或者失去粘度，而这对脂质将降低或者甚至失去密封性能。 最后，固体润滑剂涂层，当施用到一个或两个部件时具有层压（例如 填满）在连接多次组装以及断开过程中产生的缺陷或小量的损坏的能 力。

另外，本发明的实施例可以提供用于楔形螺纹的固体润滑剂，由 于固体润滑剂抗流动性，其能消除由于润滑剂被困以及随后润滑剂的 释放引起的管的间隙的可能性。另外，申请人有益地发现此处公开的 实施例中的固体润滑剂涂层可以用于楔形螺纹而不影响接合的螺纹 表面之间的紧密公差，这一般与楔形螺纹的结构与组装相关。最后， 与用手涂刷流动的管道润滑化合物相比，此处公开的实施例中的一个 或多个中的固体润滑剂涂层可以通过固体润滑剂涂层的受控制的施 用而被精确地施用于楔形螺纹表面，从而能在螺纹表面上施用更均匀 的涂层。

另外，此处公开的连接能够在组装过程中承受更大的扭矩。偶尔 地，连接被以高于其推荐的扭矩组装。这样，具有固体润滑剂的楔形 螺纹将承受过度的扭矩。例如，以增加了25%的扭矩组装13.625英 寸楔形螺纹连接，而以增加了50%的扭矩组装4.50英寸楔形螺纹连 接。另外，连接承受着多次组装和断开（例如12次连续组装和断开 的操作）。结果表明，没有一个连接在螺纹部位出现任何磨损或变形。 这样，涂覆有固体润滑剂的螺纹连接能承受更高的组装扭矩而不损坏 连接。

另外，在螺纹上的固体润滑剂涂层可以有益地减少钻柱的总运行 时间。首先，此处公开的实施例允许销钉和套管元件在组装时出现比 以前稍大些的偏差。例如，具有固体润滑剂于其上的4.5英寸楔形螺 纹连接的销钉和套管元件在组装时有大约15度的偏差。在完成十次 连接组装和断开后，只有极小的甚至没有螺纹损坏在销钉和套管元件 的初始螺纹上被观察到。

接下来，由于固体润滑剂涂层被用于流动管道润滑剂处，不再需 要通常在组装中使用的二次撞击过程来将流动管道润滑剂挤出螺纹。 如前所述，施用常规螺纹润滑剂的较大外径的楔形螺纹通常需要第二 次施用扭矩来保证完成组装。由于楔形螺纹的长度和配置，较大直径 的连接易受液压封闭的影响，并且需要额外的扭矩来将螺纹润滑剂沿 着连接的长度方向推出。随着将润滑剂从连接中去除，并替代以根据 此处公开的实施例的固体润滑剂涂层，液压封闭将不再是问题。

另外，由于固体润滑剂是永久性地结合于螺纹上的，在组装之前 就不需要施用润滑剂化合物，从而减少了总体运行时间并增加钻机的 生产效率。有固体润滑剂永久性地结合于楔形螺纹上，不再需要使用 润滑剂，这样就消除了在组装流程中的一个装配步骤。总体而言，装 置的总体生产效率增加了。例如，在钻机测试中，研究了使用具有根 据此处公开的实施例的固体润滑剂于其上的4.5英寸楔形螺纹连接的 总组装时间。在组装时平均每分钟旋转周数（RPM）大约为19RPM， 而在断开时平均RPM大约为21RPM。平均周期时间（即连接的组装 以及然后断开的总时间）大约为2分钟，而标准的润滑剂连接的平均 周期时间约为4到5分钟。

虽然本发明在此处通过有限数量的实施例进行了描述，但是本领 域技术人员，受益于本发明的公开，将领会到其他实施方式，而这均 不脱离此处公开的发明的范围。因此，本发明的范围仅由所附权利要 求进行限制。