CN101806197A - 气密封的锯齿形螺纹接头及采用该螺纹接头的油套管和接箍 - Google Patents
气密封的锯齿形螺纹接头及采用该螺纹接头的油套管和接箍 Download PDFInfo
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Abstract
一种气密封的锯齿形螺纹接头，它包括一个外螺纹接头和一个内螺纹接头。在内螺纹件接头的内壁依次设置内螺纹、密封锥面、定位台肩。在外螺纹件接头的外壁相应地设置有外螺纹、密封锥面和端面台肩。接头使用时，内螺纹与外螺纹、密封锥面与密封锥面分别发生径向过盈，定位台肩与端面台肩则形成轴向过盈。本发明还提供了一种采用气密封的锯齿形螺纹接头的油套管及接箍，它是在油套管两端的接口部位采用气密封的锯齿形外螺纹接头，在接箍的两端采用气密封的锯齿形内螺纹接头。
Description
技术领域
本发明涉及一种气密封的锯齿形螺纹接头，特别是一种主要应用于石油工业中的油套管和接箍上的螺纹接头及采用该螺纹接头的油套管和接箍，本发明涉及的油套管包括油管和套管。
背景技术
油套管是开采石油和天然气所必须的石油专用管材，上百根甚至几百根油套管通过螺纹连接起来，从地面延伸到地下几千米的地方，形成石油和天然气的通道。油套管的螺纹连接是最薄弱的环节，很多失效都发生在螺纹连接部位，油套管接头失效后，常常会引起很大的事故，带来很大的经济损失，而且还会污染环境和造成伤亡事故。目前，为了解决螺纹连接部位的失效问题，油田和油套管生产厂都付出了很大的努力，采取了很多切实可行的措施，但随着钻井技术的进步，开采的深度越来越深，井下温度、压力越来越高，目前的技术仍然无法完全满足现场的苛刻要求，新的技术和新的连接形式不断出现。
目前，油套管采用的接头通常是API螺纹接头，该接头是一种标准接头，按照API(美国石油学会)标准加工制造，螺纹形状为圆螺纹或偏梯形螺纹。圆螺纹结构见附图8和附图9，其承载面角和导向面角都是30°。偏梯形螺纹结构见附图10和附图11，其承载面角为3°，导向面角为10°。以上螺纹形式的优点是技术成熟，加工方便，互换性好。缺点是在拉伸载荷下，承载面上会产生很大的径向分力，尤其是圆螺纹更加严重，这种径向分力对接头的连接质量有不利影响；另外，螺纹既要承担连接功能，还要承担密封功能，但上述螺纹啮合之间存在间隙，密封性能不可靠。正是由于存在上述缺点，API螺纹接头很容易发生失效事故。
为了克服API螺纹接头的上述缺点，目前研究人员已设计了各种各样的油套管特殊螺纹接头，据统计，世界各国已经有100多种申报了专利的油套管特殊螺纹接头。例如，中国专利CN 2575286Y公开了一种名称为“油、套管螺纹接头”的实用新型专利，该实用新型由外螺纹件和内螺纹件通过螺纹连接而成，其螺纹形状仍然为偏梯形螺纹，但是在外螺纹前端设置一个圆柱密封面，在内螺纹相应啮合的位置设置一个凸起球面主密封面，圆柱密封面与凸起球面构成主密封部分。同时，将外螺纹件前端倒成-9°或-15°角，与内螺纹件的-9°或-15°台肩过盈配合构成副密封部分。该接头增加了主密封结构和副密封结构，因而密封性能增强，但接头的螺纹形状没有改进，螺纹连接效率低的问题没有解决。
又如中国专利CN 2886276Y公开了一种名称为“抗压缩及弯曲的钩形齿螺纹连接结构”的实用新型专利，该结构仍然由连接螺纹、主密封结构和副密封结构三部分组成。所述螺纹的牙形为钩形齿齿型，其导入面角度20°，承载面角度-4°，牙形角16°，内螺纹的齿高1.675mm，外螺纹的齿高1.575mm。其主密封结构由内螺纹的内密封锥面和外螺纹的外密封锥面组成，锥面夹角为40°，副密封结构与中国专利CN 2575286Y所述的副密封结构相同，为-15°台肩。该接头螺纹形状做了改进，连接效率有所提高。但该螺纹为钩齿形，承载面角度-4°，导入面角度20°，接头抗拉伸能力增强，但过于平缓的导入面角使接头抗压缩性能下降。同时，主密封的锥面夹角为40°，接头受较大的拉伸载荷或弯曲载荷时，密封性能会有所下降。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种气密封的锯齿形螺纹接头及采用该螺纹接头的油套管和接箍。
本发明的技术方案是：一种气密封的锯齿形螺纹接头，它包括一个外螺纹接头和一个内螺纹接头。在内螺纹接头的内壁依次设置内螺纹、密封锥面、定位台肩。在外螺纹接头的外壁相应地设置有外螺纹、密封锥面和端面台肩。接头使用时，内螺纹与外螺纹、密封锥面与密封锥面分别发生径向过盈，定位台肩与端面台肩则形成轴向过盈。
为了提高螺纹接头的连接效率，该螺纹接头的螺纹形式与标准的偏梯形螺纹或圆螺纹都不相同，而是做了改进，内螺纹的高度为h1，外螺纹的高度为h2，其中h1＝h2＝0.785～2.375mm。内、外螺纹的高度相同，可以最大限度地增加螺纹啮合的接触面积，使螺纹的连接效率最大程度地发挥出来，螺纹高度则根据油套管的壁厚选择不同的数值。外螺纹和内螺纹的形状为锯齿形，内螺纹的承载面角为γ1，外螺纹的承载面角为γ2，γ1＝γ2＝-1～-3°，该角度既能使拉伸情况下产生的径向分力最小，又便于加工和检测。内螺纹的导向面角为θ1，外螺纹的导向面角为θ2，θ1＝θ2＝+10°，与标准的偏梯形螺纹相同，保证了螺纹接头在压缩载荷下仍能保证较高的连接强度。采用上述结构的螺纹形式，螺纹接头的抗拉伸性能和抗压缩性能都很好，连接效率远远高于普通螺纹接头。
为了提高螺纹接头的气密封性能，内螺纹接头的定位台肩与垂线的夹角为α1，外螺纹接头的端面台肩与垂线的夹角为α2。内螺纹接头的密封锥面与定位台肩组成一个楔形凹槽，夹角为β1，其过渡圆角为R1，外螺纹接头的密封锥面与端面台肩组成楔形突起，夹角为β2，过渡圆角为R2。螺纹接头使用时，楔形突起嵌入楔形凹槽，起密封作用。为了最大限度地发挥该结构的密封效果，各参数取值如下：α1＝α2＝-15～-30°，R2＝0.5～0.8mm，R1＝R2-0.1mm，β1＝β2＝80～95°。螺纹接头的拧接力矩越大，楔形突起与楔形凹槽之间的过盈量就越大，密封性能也就越好。该密封结构将台肩密封和锥面密封有机配合起来，互相影响并加强，密封的可靠性显著增加。
本发明提供了一种采用气密封的锯齿形螺纹接头的油管和接箍，它是在油管两端的接口部位采用气密封的锯齿形外螺纹接头，在接箍的两端采用气密封的锯齿形内螺纹接头。其技术方案是：在接箍内壁的两端依次设置内螺纹、密封锥面、定位台肩。在油管的接口外壁相应地设置有外螺纹、密封锥面和端面台肩。接头使用时，内螺纹与外螺纹、密封锥面与密封锥面分别发生径向过盈，定位台肩与端面台肩则形成轴向过盈。外螺纹和内螺纹的形状为锯齿形，内螺纹的承载面角为γ1，外螺纹的承载面角为γ2，γ1＝γ2＝-1～-3°，内螺纹的导向面角为θ1，外螺纹的导向面角为θ2，θ1＝θ2＝+10°。内螺纹的高度为h1，外螺纹的高度为h2，其中h1＝h2＝0.785～2.375mm。为了提高螺纹接头的气密封性能，接箍的定位台肩与垂线的夹角为α1，油管外螺纹件接头的端面台肩与垂线的夹角为α2。接箍的密封锥面与定位台肩组成一个楔形凹槽，夹角为β1，其过渡圆角为R1，油管外螺纹接头的密封锥面与端面台肩组成楔形突起，夹角为β2，过渡圆角为R2。螺纹接头使用时，楔形突起嵌入楔形凹槽，起密封作用。为了最大限度地发挥该结构的密封效果，各参数取值如下：α1＝α2＝-15～-30°，R2＝0.5～0.8mm，R1＝R2-0.1mm，β1＝β2＝80～95°。
本发明还提供了一种采用气密封的锯齿形螺纹接头的套管和接箍，它是在套管两端的接口部位采用气密封的锯齿形外螺纹接头，在接箍的两端采用气密封的锯齿形内螺纹接头。其技术方案是：在接箍内壁依次设置内螺纹、密封锥面、定位台肩。在套管的接口外壁相应地设置有外螺纹、密封锥面和端面台肩。接头使用时，内螺纹与外螺纹、密封锥面与密封锥面分别发生径向过盈，定位台肩与端面台肩则形成轴向过盈。外螺纹和内螺纹的形状为锯齿形，内螺纹的承载面角为γ1，外螺纹的承载面角为γ2，γ1＝γ2＝-1～-3°，内螺纹的导向面角为θ1，外螺纹的导向面角为θ2，θ1＝θ2＝+10°。内螺纹的高度为h1，外螺纹的高度为h2，其中h1＝h2＝0.785～2.375mm。为了提高螺纹接头的气密封性能，接箍的定位台肩与垂线的夹角为α1，套管外螺纹接头的端面台肩与垂线的夹角为α2。接箍的密封锥面与定位台肩组成一个楔形凹槽，夹角为β1，其过渡圆角为R1，套管外螺纹接头的密封锥面与端面台肩组成楔形突起，夹角为β2，过渡圆角为R2。螺纹接头使用时，楔形突起嵌入楔形凹槽，起密封作用。为了最大限度地发挥该结构的密封效果，各参数取值如下：α1＝α2＝15～-30°，R2＝0.5～0.8mm，R1＝R2-0.1mm，β1＝β2＝80～95°。
本发明与现有技术相比具有如下特点：
1、螺纹采用锯齿形螺纹，承载面角-1～-3°，导向面角+10°，既保证了螺纹较高的抗拉伸性能，又保证了螺纹的抗压缩性能，同时，内、外螺纹齿高一致，最大限度地发挥了螺纹的连接潜力，因此，该接头连接效率较普通接头显著提高。
2、密封设计了专门的结构，外螺纹接头的楔形突起与内螺纹接头的楔形凹槽组成密封结构，利用楔形凹槽的弹性变形，保证接头的气密封性能。
3、本发明提供的采用气密封的锯齿形螺纹接头的油套管和接箍可应用于钻井条件非常苛刻的超深井、高压天然气井、稠油热采井、大位移井等，具有密封性能好、连接强度高、使用寿命长且易于加工检测的特点。
以下结合附图和具体实施方式对本发明的详细结构作进一步描述。
附图说明
附图1为本发明的结构示意图；
附图2为内螺纹接头的结构示意图；
附图3为外螺纹接头的结构示意图；
附图4为内螺纹的齿形结构示意图；
附图5为外螺纹的齿形结构示意图；
附图6为采用气密封的锯齿形螺纹接头的油管和接箍的结构示意图；
附图7为采用气密封的锯齿形螺纹接头的套管和接箍的结构示意图；
附图8为现有的螺纹形状为圆螺纹的螺纹接头结构示意图；
附图9为附图8中圆螺纹的齿形图；
附图10为现有的螺纹形状为偏梯形螺纹的螺纹接头结构示意图；
附图11为附图10中偏梯形螺纹的齿形图。
具体实施方式
如附图所示：一种气密封的锯齿形螺纹接头，它包括一个外螺纹接头5和一个内螺纹接头1。在内螺纹接头1的内壁依次设置内螺纹2、密封锥面3、定位台肩4。在外螺纹接头5的外壁相应地设置有外螺纹6、密封锥面7和端面台肩8。接头使用时，内螺纹2与外螺纹6、密封锥面3与密封锥面7分别发生径向过盈，定位台肩4与端面台肩8则形成轴向过盈。
为了提高螺纹接头的连接效率，该螺纹接头的螺纹形式与标准的偏梯形螺纹或圆螺纹都不相同，而是做了改进。内螺纹2的高度为h1，外螺纹6的高度为h2，其中h1＝h2＝0.785～2.375mm。内、外螺纹的高度相同，可以最大限度地增加螺纹啮合的接触面积，使螺纹的连接效率最大程度地发挥出来，螺纹高度则根据油套管的壁厚选择不同的数值。外螺纹6和内螺纹2的形状为锯齿形，内螺纹2的承载面角为γ1，外螺纹6的承载面角为γ2，γ1＝γ2＝-1～-3°，内螺纹2的导向面角为θ1，外螺纹6的导向面角为θ2，θ1＝θ2＝+10°，与标准的偏梯形螺纹相同，保证了螺纹接头在压缩载荷下仍能保证较高的连接强度。这种螺纹形式，螺纹接头的抗拉伸性能和抗压缩性能都很好，连接效率远远高于普通螺纹接头。
为了提高螺纹接头的气密封性能，内螺纹接头1的定位台肩4与垂线的夹角为α1，外螺纹接头5的端面台肩8与垂线的夹角均为α2。内螺纹接头1的密封锥面3与定位台肩4组成一个楔形凹槽，夹角为β1，其过渡圆角为R1，外螺纹接头5的密封锥面7与端面台肩8组成楔形突起，夹角为β2，过渡圆角为R2。螺纹接头使用时，楔形突起嵌入楔形凹槽，起密封作用。为了最大限度地发挥该结构的密封效果，各参数取值如下：α1＝α2＝-15～-30°，R2＝0.5～0.8mm，R1＝R2-0.1mm，β1＝β2＝80～95°。螺纹接头的拧接力矩越大，楔形突起与楔形凹槽之间的过盈量就越大，密封性能也就越好。该密封结构将台肩密封和锥面密封有机配合起来，互相影响并加强，密封的可靠性显著增加。
本发明提供了一种采用气密封的锯齿形螺纹接头的油管和接箍，它是在油管9两端的接口部位采用气密封的锯齿形外螺纹接头5，在接箍10的两端采用气密封的锯齿形内螺纹接头1。其具体实施例是用于73.03×5.51mm的油管，钢级为P110。接箍10的外径为88.9mm，油管9的外径为73.03mm，油管9的壁厚为5.51mm，材料特性：屈服强度σs＝758Mpa，抗拉强度为σb＝890Mpa。接箍10的材料特性与油管9相同。外螺纹6不进行表面处理，内螺纹2磷化，螺纹脂采用API螺纹脂。外螺纹6和内螺纹2的形状为锯齿形，内螺纹2的承载面角为γ1，外螺纹6的承载面角为γ2，γ1＝γ2＝-1～-3°，内螺纹2的导向面角为θ1，外螺纹6的导向面角为θ2，θ1＝θ2＝+10°。内螺纹2的高度为h1，外螺纹6的高度为h2，其中h1＝h2＝0.785～2.375mm。为了提高螺纹接头的气密封性能，接箍10的定位台肩4与垂线的夹角为α1，油管9外螺纹接头的端面台肩8与垂线的夹角均为α2。接箍10的密封锥面3与定位台肩4组成一个楔形凹槽，夹角为β1，其过渡圆角为R1，油管9外螺纹接头的密封锥面7与端面台肩8组成楔形突起，夹角为β2，过渡圆角为R2。螺纹接头使用时，楔形突起嵌入楔形凹槽，起密封作用。为了最大限度地发挥该结构的密封效果，各参数取值如下：α1＝α2＝-15～-30°，R2＝0.5～0.8mm，R1＝R2-0.1mm，β1＝β2＝80～95°。本螺纹接头连接强度达到890kN，抗弯曲能力达到50°/30米，气密封能力100MPa以上，而且可以满足10次上、卸而不粘扣的要求。
本发明还提供了一种采用气密封的锯齿形螺纹接头的套管和接箍，它是在套管11两端的接口部位采用气密封的锯齿形外螺纹接头5，在接箍12的两端采用气密封的锯齿形内螺纹接头1。其具体实施例是用于177.8×10.36mm的套管，钢级为Q125。接箍12的外径为195.1mm，套管11的外径为177.8mm，套管11的壁厚为10.36mm，材料特性：屈服强度σs＝862Mpa，抗拉强度为σb＝950Mpa。接箍12的材料特性与套管11相同。外螺纹6不进行表面处理，内螺纹2磷化，螺纹脂采用API螺纹脂。外螺纹6和内螺纹2的形状为锯齿形，内螺纹2的承载面角为γ1，外螺纹6的承载面角为γ2，γ1＝γ2＝1～-3°，内螺纹2的导向面角为θ1，外螺纹6的导向面角为θ2，θ1＝θ2＝+10°。内螺纹2的高度为h1，外螺纹6的高度为h2，其中h1＝h2＝0.785～2.375mm。为了提高螺纹接头的气密封性能，接箍12的定位台肩4与垂线的夹角为α1，套管11外螺纹接头的端面台肩8与垂线的夹角均为α2。接箍12的密封锥面3与定位台肩4组成一个楔形凹槽，夹角为β1，其过渡圆角为R1，套管11外螺纹接头的密封锥面7与端面台肩8组成楔形突起，夹角为β2，过渡圆角为R2。螺纹接头使用时，楔形突起嵌入楔形凹槽，起密封作用。为了最大限度地发挥该结构的密封效果，各参数取值如下：α1＝α2＝-15～-30°，R2＝0.5～0.8mm，R1＝R2-0.1mm，β1＝β2＝80～95°。本螺纹接头连接强度达到4700kN，抗弯曲能力达到30°/30米，气密封能力88MPa以上，而且可以满足3次上、卸而不粘扣的要求。
Claims (9)
1.一种气密封的锯齿形螺纹接头，其特征是：它包括一个圆锥形的外螺纹接头和一个圆锥形的内螺纹接头，在内螺纹件接头的内壁依次设置内螺纹、密封锥面、定位台肩，在外螺纹件接头的外壁相应地设置有外螺纹、密封锥面和端面台肩，接头使用时，内螺纹与外螺纹、密封锥面与密封锥面分别发生径向过盈，定位台肩与端面台肩则形成轴向过盈。
2.根据权利要求1所述的气密封的锯齿形螺纹接头，其特征是：外螺纹和内螺纹的形状为锯齿形，内螺纹的承载面角为γ1，外螺纹的承载面角为γ2，γ1＝γ2＝-1～-3°；内螺纹的导向面角为θ1，外螺纹的导向面角为θ2，θ1＝θ2＝+10°；内螺纹的高度为h1，外螺纹的高度为h2，其中h1＝h2＝0.785～2.375mm。
3.根据权利要求1或2所述的气密封的锯齿形螺纹接头，其特征是：内螺纹接头的定位台肩与垂线的夹角为α1，外螺纹接头的端面台肩与垂线的夹角均为α2；内螺纹接头的密封锥面与定位台肩组成一个楔形凹槽，夹角为β1，其过渡圆角为R1；外螺纹接头的密封锥面与端面台肩组成楔形突起，夹角为β2，过渡圆角为R2；其中：α1＝α2＝-15～-30°，R2＝0.5～0.8mm，R1＝R2-0.1mm，β1＝β2＝80～95°；螺纹接头使用时，楔形突起嵌入楔形凹槽，起密封作用。
4.一种采用气密封的锯齿形螺纹接头的油管和接箍，其特征是：它是在油管两端的接口部位采用气密封的锯齿形外螺纹接头，在接箍的两端采用气密封的锯齿形内螺纹接头；在接箍内壁的两端依次设置内螺纹、密封锥面、定位台肩；在油管的接口外壁相应地设置有外螺纹、密封锥面和端面台肩；接头使用时，内螺纹与外螺纹、密封锥面与密封锥面分别发生径向过盈，定位台肩与端面台肩则形成轴向过盈。
5.根据权利要求4所述的一种采用气密封的锯齿形螺纹接头的油管和接箍，其特征是：外螺纹和内螺纹的形状为锯齿形，内螺纹的承载面角为γ1，外螺纹的承载面角为γ2，γ1＝γ2＝-1～-3°；内螺纹的导向面角为01，外螺纹的导向面角为θ2，θ1＝θ2＝+10°；内螺纹的高度为h1，外螺纹的高度为h2，其中h1＝h2＝0.785～2.375mm。
6.根据权利要求4或5所述的一种采用气密封的锯齿形螺纹接头的油管和接箍，其特征是：接箍的定位台肩与垂线的夹角为α1，油管外螺纹接头的端面台肩与垂线的夹角均为α2；接箍的密封锥面与定位台肩组成一个楔形凹槽，夹角为β1，其过渡圆角为R1；油管外螺纹接头的密封锥面与端面台肩组成楔形突起，夹角为β2，过渡圆角为R2；各参数取值如下：α1＝α2＝-15～-30°，R2＝0.5～0.8mm，R1＝R2-0.1mm，β1＝β2＝80～95°；螺纹接头使用时，楔形突起嵌入楔形凹槽，起密封作用。
7.一种采用气密封的锯齿形螺纹接头的套管和接箍，其特征是：它是在套管两端的接口部位采用气密封的锯齿形外螺纹接头，在接箍的两端采用气密封的锯齿形内螺纹接头；在接箍内壁的两端依次设置内螺纹、密封锥面、定位台肩；在套管的接口外壁相应地设置有外螺纹、密封锥面和端面台肩；接头使用时，内螺纹与外螺纹、密封锥面与密封锥面分别发生径向过盈，定位台肩与端面台肩则形成轴向过盈。
8.根据权利要求7所述的一种采用气密封的锯齿形螺纹接头的套管和接箍，其特征是：外螺纹和内螺纹的形状为锯齿形，内螺纹的承载面角为γ1，外螺纹的承载面角为γ2，γ1＝γ2＝-1～-3°；内螺纹的导向面角为θ1，外螺纹的导向面角为θ2，θ1＝θ2＝+10°；内螺纹的高度为h1，外螺纹的高度为h2，其中h1＝h2＝0.785～2.375mm。
9.根据权利要求7或8所述的一种采用气密封的锯齿形螺纹接头的套管和接箍，其特征是：接箍的定位台肩与垂线的夹角为α1，套管外螺纹接头的端面台肩与垂线的夹角为α2；接箍内螺纹接头的密封锥面与定位台肩组成个楔形凹槽，夹角为β1，其过渡圆角为R1；套管外螺纹接头的密封锥面与端面台肩组成楔形突起，夹角为β2，过渡圆角为R2；各参数取值如下：α1＝α2＝-15～-30°R2＝0.5～0.8mm，R1＝R2-0.1mm，β1＝β2＝80～95°；螺纹接头使用时，楔形突起嵌入楔形凹槽，起密封作用。
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