CN101975034B - 一种油套管特殊扣的气密封连接结构 - Google Patents

一种油套管特殊扣的气密封连接结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种油套管特殊扣的气密封连接结构，所述油套管的管体两端设有锥状偏梯形外螺纹，油套管的接箍两端设有锥状偏梯形内螺纹，管体外螺纹与接箍内螺纹的锥度相同，管体和接箍均设有扭矩台肩；所述管体外螺纹末端设有管体锥形密封面，接箍内螺纹末端设有接箍锥形密封面，管体锥形密封面与接箍锥形密封面的锥度有0～1.5的锥度差，同时管体密封面与管体扭矩台肩之间的过渡圆弧或过度凸弧大于接箍密封面与接箍扭矩台肩之间的过渡圆弧。本发明中管体与接箍通过锥状偏梯形螺纹连接，上扣过程中，管体锥形密封面与接箍锥形密封面由于存在小锥度差实现渐次过盈配合，扭矩台肩承担主要的扭矩和接触应力，并同时起到辅助密封作用，管体的过渡大圆弧或凸弧与接箍的小圆弧所形成的几何空间可以有效的为复杂工况下的应力变形提供形变空间，从而可以有效保护锥形密封面和扭矩台肩，使得管体和接箍可以多次重复使用。

Description

一种油套管特殊扣的气密封连接结构
技术领域：
本发明属于石油开采钻井设备技术领域，涉及钻井设备的套管螺纹连接技术，特别涉及一种油套管特殊扣的气密封连接结构。
背景技术：
随着世界对化石能源需求的急剧攀升和石油可开采量的逐年减小，当前石油开采领域正向深井、超深井、高压油气井、稠油热采井、定向井等的开采方向逐步发展，由此对石油管和管间的密封提出了越来越苛刻的技术要求。以往大量使用的API(美国石油学会)标准圆螺纹和偏梯形螺纹接头在气密封性、连接强度和耐腐蚀性方面都不能够满足开采环境条件恶劣的油气井的需求。迫使人们去研究开发性能更加可靠的特殊螺纹接头。
目前国内深井和超深油井数量日益增多，非API标准的特殊石油管螺纹连接的使用量逐渐增大。然而在油田的现实应用中油管断裂、油管泄漏和油管脱扣等事故时有发生，给油田带来了巨大的经济损失。这其中，由于管间气密封不严所造成的油田伴生气的泄漏会带来严重的事故隐患。这是因为，在深井、超深井的油气开采过程中，由于管间密封不严，泄漏的可燃气体会沿着井壁或者地质层薄弱的地方进行扩散和聚集，并在油井开采口或者远离油井的地质薄弱地方形成突然喷发，如果遇到明火，还会引起燃烧或爆炸，更为可怕的是，泄漏气体在地质层的扩散聚集地点往往不可预测，因此，这种由于管间气密封不严所引起的气体泄漏是绝对不允许的。
油管失效事故大多数发生在螺纹连接部及密封面处，大体分为下面几种类型：(1)油管螺纹断裂；(2)密封失效；(3)粘扣：(4)滑脱；(5)台肩和螺纹表面擦伤；(6)疲劳破坏；(7)屈曲。国内关于非API标准的油套管螺纹特殊扣连接结构的研究大多集中在螺纹型线及其连接形式、螺纹连接强度改善以及螺纹配合公差的优化等。专利《油、套管螺纹接头》(专利号：97115288)通过分段变换管体和接箍的工程锥面，将管体、管接箍螺纹分为2或3段，可使螺纹各齿面上的接触应力均匀后，目的是减缓或防止螺纹齿面粘扣。专利《油、套管螺纹接头》(专利号：02112259)采用分段变化螺距和加工好后再车削的方法，使载荷在各圈螺纹上的分布更加接近等载荷分布，提高连接强度和抗应力腐蚀性能。专利《一种耐粘扣的石油套管接头》(专利号：200710134704)公布了一种耐粘扣的套管接头，其螺纹锥度为1∶6～1∶8，螺距为每英寸3牙，螺纹高度为2.05～2.45，螺纹导向角为25～30°，承载面角度为0°，螺纹配合后形成过盈配合。上述专利主要是针对改善螺纹连接强度的措施。
专利《高气密偏梯形螺纹套管连接结构》(专利号：96106583)公布了偏梯形螺纹连接的密封结构，该结构的密封面是采用管体两端的弧形曲面的过盈配合来实现的，接箍只是起连接的作用，并不参与密封功能。实用新型专利《套管螺纹接头》(专利号：200720199432)公布了一种管体圆柱面和接箍锥形面的主密封形式和管体圆弧面和接箍圆弧面的副密封的配合形式。实用新型专利《一种油、套管螺纹接头》(专利号：200920154275)公布了一种管体凸弧锥形密封面和接箍锥形密封面的密封形式。实用新型专利《石油套管气密封螺纹接头》(专利号：02209453)公布了一种管体锥形密封面和接箍锥形密封面的密封形式。实用新型专利《一种抗扭矩油、套管螺纹接头》(专利号：200320120235)公布了一种管体弧面锥形密封面和接箍平面锥形密封面的密封形式。实用新型专利《一种特殊螺纹油套管接头》(专利号：200920227274)公布了一种管体锥面锥形密封面和接箍锥面锥形密封面的密封形式。上述专利针对油套管的连接方式主要提出了管体与接箍的多种密封结构形式，然而，由于深井和高压气井的工况非常恶劣，井下管体需要经受扭曲、挤压、拉伸、高温高压等恶劣环境考验，通过对油井开采现场中管接头事故的分析和对各种密封配合管接头的有限元分析表明，密封面应力过大是产生塑性变形和划伤的原因之一，其次，由于井下复杂工况下密封面在过盈配合时所发生的弹塑性变形缺少形变释放空间或根本没有设置形变释放空间，也会导致密封面个别部位发生塑性变形，引起密封面的划伤和泄漏。而上述专利中虽然公布了不同的密封形式，但专利本身的着重点在于螺纹本身的设计或螺纹配合的设计，密封面的受力状况恶劣，而且专利也没有考虑到密封面的形变释放空间。
发明内容：
本发明的目的是提供一种包含高效密封、抗扭矩和具有变形释放空间的气密封连接结构。
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种油套管特殊扣的气密封连接结构，所述油套管的管体两端设有锥状偏梯形外螺纹，油套管的接箍两端设有锥状偏梯形内螺纹，管体和接箍均设有扭矩台肩；所述管体外螺纹末端设有管体锥形密封面，接箍内螺纹末端设有接箍锥形密封面。
所述管体锥形密封面与水平面的逆时针方向角度为20°～35°；所述水平面接箍锥形密封面与水平面的逆时针方向角度为20°～35°；所述管体锥形密封面与接箍锥形密封面有0～1.5的锥度差。
所述管体锥形密封面和接箍锥形密封面交接处形成金属的接触锥形密封面。
所述管体锥形密封面和扭矩台肩之间设有大圆弧形或凸弧形的过渡连接形式，大圆弧的直径为Φ0.8～Φ1.6mm；所述接箍锥形密封面和扭矩台肩之间设有小圆弧形的过渡连接形式，小圆弧的直径为Φ0.2～Φ0.8mm。
所述大圆弧的直径是小圆弧直径的1.5～2倍，或者凸弧的当量直径是小圆弧直径的2倍。
本发明中管体两端设有锥状偏梯形外螺纹，接箍两端设有锥状偏梯形内螺纹，二者的螺纹中径互相平行；在管体外螺纹末端设有锥形密封面，接箍内螺纹末端设有锥形密封面，二者的锥度在几何上相差0～1.5，在上扣时锥形密封面沿锥度方向实现过盈配合，不同于其他密封形式，这种小锥度差的锥形密封面之间的过盈配合可以使得锥形密封面的受力情况得到很大改善；在管体锥形密封面下方设有逆向扭矩台肩，在接箍锥形密封面下方也设有逆向扭矩台肩，两个扭矩台肩的面互相平行，扭矩台肩的作用是为了控制上扣扭矩和上扣后起辅助密封作用，在整个特殊扣受力过程中的受力最大；在管体锥形密封面和扭矩台肩之间设有大圆弧形或凸弧形的过渡连接形式，而在接箍锥形密封面和扭矩台肩之间设有小圆弧形的过渡连接形式，其中，前者的大圆弧的直径必须是后者小圆弧直径的1.5倍至2倍左右，或者前者凸弧的当量直径是后者小圆弧直接的2倍以上，这种要求的目的是为了在深井复杂工况和地质环境下一旦锥形密封面产生变形后在二者弧形区域之间形成变形的释放空间，起到保护锥形密封面和实现有效密封的目的。
附图说明：
图1为本发明的结构原理图；
图2为本发明中锥形密封面、扭矩台肩和形变释放空间示意图；
其中：1为管体；2为接箍；3为管体锥形密封面；4为接箍锥形密封面；5为管体过渡大圆弧或凸弧；6为接箍过渡小圆弧；7为管体扭矩台肩；8为接箍扭矩台肩。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1和2，管体1的锥状偏梯形外螺纹与接箍2的锥状偏梯形内螺纹进行啮合上扣，由于管体锥形密封面3的锥度与接箍锥形密封面4的锥度有0～1.5的差别，首先是管体锥形密封面3的根部与接箍锥形密封面4的根部接触，如图2所示；继续上扣后管体锥形密封面3和接箍锥形密封面4自根部至弧形部分开始产生过盈配合，再继续上扣后，管体扭矩台肩7与接箍扭矩台肩8开始接触，并产生急剧增大的轴向应力，此时的轴向应力反馈到所加载的扭矩会急剧变大，因此，当扭矩到达额定扭矩范围内时停止加载扭矩。其中，管体锥形密封面3与水平面的逆时针方向角度为20°～35°，接箍锥形密封面4与水平面的逆时针方向角度也为20°～35°，但管体锥形密封面3和接箍锥形密封面4之间的角度相差0.5°～1.5°，管体扭矩台肩7和接箍扭矩台肩8与垂直方向的逆时针方向角度为15°～20°。
管体大弧5和接箍小弧6之间在几何上形成了一定的形变空间，这样，连接件处于井下恶劣工况产生拉伸、挤压、扭曲或高温高压的状态时，锥形密封面和扭矩台肩所产生的应力变形会在形变空间得到释放，这样既能有效保护锥形密封面和扭矩台肩，也可以保证在卸扣后管体和接箍的多次使用。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (4)

1.一种油套管特殊扣的气密封连接结构，其特征在于：所述油套管的管体两端设有锥状偏梯形外螺纹，油套管的接箍两端设有锥状偏梯形内螺纹，管体和接箍均设有扭矩台肩；所述管体外螺纹末端设有管体锥形密封面，接箍内螺纹末端设有接箍锥形密封面；
所述管体锥形密封面与水平面的逆时针方向角度为20°～35°；所述接箍锥形密封面与水平面的逆时针方向角度为20°～35°；所述管体锥形密封面与接箍锥形密封面有0～1.5的锥度差。
2.如权利要求1所述一种油套管特殊扣的气密封连接结构，其特征在于：所述管体锥形密封面和接箍锥形密封面交接处形成金属的接触锥形密封面。
3.如权利要求1所述一种油套管特殊扣的气密封连接结构，其特征在于：所述管体锥形密封面和管体的扭矩台肩之间设有大圆弧形或凸弧形的过渡连接形式，大圆弧的直径为Φ0.8～Φ1.6mm；所述接箍锥形密封面和接箍的扭矩台肩之间设有小圆弧形的过渡连接形式，小圆弧的直径为Φ0.2～Φ0.8mm。
4.如权利要求3所述一种油套管特殊扣的气密封连接结构，其特征在于：所述大圆弧的直径是小圆弧直径的1.5～2倍，或者凸弧的当量直径是小圆弧直径的2倍。
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