CN102242608A - 高温高压石油套管双台肩三锥度螺纹接头 - Google Patents

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魏波
刘吉成
刘树林
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Abstract

本发明涉及一种高温高压石油套管双台肩三锥度螺纹接头。它由管体外螺纹件和管接箍内螺纹件组成。外螺纹和内螺纹均采用改进的API偏梯形螺纹结构形式；所述管体部分螺纹或者管接箍部分螺纹的锥度采用三段式锥度（L 1/L2/L3），外螺纹部分直径方向（L 3）锥度为1/25，密封部分（L 2）锥度为1/30，尾部（L 1）锥度为1/18.6，不同的锥度之间光滑曲线过渡。内螺纹与外螺纹锥度相同。这样通过改变螺纹的始端和末端锥度，使螺纹两端的接触压力降低，防止螺纹齿面粘扣。主密封结构采用锥面—球面的金属密封结构，这样即使过盈量很小就能获得很高的接触压力。辅助密封部分采用-20°的反向扭矩台肩结构。此外，外螺纹端部附近采用双台肩结构，进一步增加结构密封性能，两级螺纹入扣深，装接迅速，连接稳定，能够有效消除错扣现象，在总扣数相同的情况下，上扣所需转数可减少50%，并且螺纹受力情况有了进一步的改善。本发明可用于对密封性能要求较高的油、气井，尤其在高温高压环境下，应用前景十分广阔。

Description

高温高压石油套管双台肩三锥度螺纹接头
技术领域
本发明型涉及一种石油套管双台肩三锥度螺纹接头，特别是一种适用于高温高压环境下的石油、天然气套管螺纹连接的特殊螺纹接头。
背景技术
到目前为止，随着油井气钻采作业向“更大井深、更高压力和温度、更苛刻工况条件”的方向发展以及石油钻采工艺技术自身的进步，石油专用管常用的API STC（短圆螺纹）API LC（长圆螺纹）和API BC（偏梯形螺纹接头）已难以满足油田的开发要求。据统计，套管失效事故有80%以上发生在螺纹连接处（即接头部位）。
虽然API 螺纹的优点是技术成熟，易于加工和检测，互换性好，而且生产成本较低。但API螺纹由于结构设计本身的原因，存在许多难以克服的缺陷，如连接强度较低（主要指API圆螺纹，虽然有比较优良的密封性能，但连接强度仅为管体的60%~80%）、密封性能不可靠（如API偏梯形螺纹尽管螺纹部分连接强度较高，但密封性能不理想）、上扣控制难、接头应力水平高、耐应力腐蚀性能差等，使这种螺纹的应用受到很大限制。尤其是对于一些条件苛刻的油气井，如超深井、高压气井、热采井等，普通API接头则根本无法满足使用要求。
因此，可以说套管接头的性能决定了套管的寿命，套管的使用时间决定了油井的寿命，油井的寿命又进一步决定了油田的寿命。为了提高油、气田的有效使用率，减少事故的发生，鉴于上述现状，考虑到油、气田的实际使用情况，需要在偏梯形以及一些国外特殊扣的基础上加以改进，制造出适用于高温高压油气田作业的套管螺纹接头。
发明内容
本发明专利解决了上述现有技术在高温高压工作环境下螺纹接头粘扣、滑脱、断扣以及上螺纹控制难，接头应力高，耐应力腐蚀性能差等一系列的技术问题，提供一种高温高压石油套管双台肩三锥度螺纹接头可在高温高压环境下工作，工作效率高，连接性能稳定可靠。
为了达到上述目的，本发明型的高温高压石油套管双台肩三锥度螺纹接头予以实现的技术方案如下：
一种高温高压石油套管双台肩三锥度螺纹接头，包括管体外螺纹件和接箍内螺纹件，所述管体外螺纹和接箍内螺纹采用三段式锥度结构；所述外螺纹端部有一个半径R的圆弧形密封面和锥面密封面，内螺纹尾部为锥面密封面，所述外螺纹端部半径为R的圆弧形密封面和锥面密封面与所述内螺纹尾部的锥面密封面过盈配合形成主密封结构；所述外螺纹端部有一个反向扭矩台肩，同样在内螺纹尾部有一相配的反向扭矩台肩，此两相配反向扭矩台肩构成第一辅助密封结构；所述外螺纹靠近端部有一高度为2.3mm±0.01mm的台肩结构，同样在内螺纹的尾部有对应的配合结构，外螺纹的靠端部的台肩与内螺纹靠尾部的台肩形成了第二辅助密封结构。
所述管体外螺纹采用三段锥度结构为：螺纹部分直径方向锥度为1/25，密封部分锥度为1/30，尾部锥度为1/18.6，不同的锥度之间以光滑曲线过渡；所述接箍内螺纹也采用三段锥度结构，其锥度大小与外螺纹对应段相同。
所述管体外螺纹和接箍内螺纹构成第一辅助密封结构（3）中，外螺纹的反向扭矩台肩角度为θ1=20°±1°，内螺纹的反向扭矩台肩角度为θ2=22°±1°；其中要求θ2比θ1大2°~3°。
所述接箍内螺纹锥度公差为-0.0025in/in~0.0045in/in；所述外螺纹锥度公差为-0.0015in/in~0.0045in/in。
所述的螺纹结构为改进的偏梯形螺纹扣型，该改进扣型螺纹牙型的负载侧角度β=-3°，导引侧角度为γ=10°。
所述外螺纹齿高为h 1 ，中心螺距为p 1 ；所述接箍内螺纹齿高为h 2 ，中心螺距为p 2 ，其中h 2 比h 1 大0.1mm~0.2mm，p 2 比p 1 大0.1mm~0.2mm。
所述第二辅助密封结构（5）中，外螺纹的台肩高度h大于外螺纹的齿高h 1 ，与所述外螺纹密封台肩相配合的接箍内螺纹的台肩高度h＇大于外螺纹的台肩高度h；其中h比h 1 高h 1 /2，h＇比h高0.1mm~0.2mm，此结构距离外螺纹接头端部为L 1 /3。
所述管体外螺纹与所述接箍内螺纹接触啮合时，其主密封结构（4）为锥面-球面密封结构，啮合时为过盈密封。
所述接箍内螺纹端部内外侧有倒角，其中外侧倒角φ1=45°，内侧倒角φ2=15°，外侧倒角边长D为1mm~1.5mm，内侧倒角边长L 4 为3.5mm~5.5mm。
与API圆螺纹和偏梯形螺纹连接相比，甚至一部分的特殊螺纹接头相比，本发明型特殊螺纹接头连接密封性好；连接强度高，从根本上解决了滑脱问题；基本上解决了螺纹粘扣问题；接头应力分布更趋合理、更有利于抗应力腐蚀；上扣操作更为容易。
附图说明
图1是本发明型高温高压石油套管双台肩三锥度螺纹接头的未接触时结构图。
图2是管体外螺纹件（1）和接箍内螺纹件（2）的螺纹牙型示意图。
图3是管体外螺纹件（1）和接箍内螺纹件（2）的主密封结构示意图。
图4是管体外螺纹件（1）和接箍内螺纹件（2）的第一辅助密封结构示意图。
图5是管体外螺纹件（1）和接箍内螺纹件（2）的第二辅助密封结构示意图。
图6是接箍内螺纹件（2）端部结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明型做进一步说明。
实施例一：
参见图1，本高温高压石油套管双台肩三锥度螺纹接头，包括包括外螺纹件（1）和内螺纹件（2），外螺纹件（1）是管体的一端，内螺纹件（2）是接箍的一端；其特征在于：管体部分螺纹和管接箍部分螺纹的锥度采用三段式锥度（L 1 /L 2 /L 3 ）；所述外螺纹端部有一个半径R的圆弧形密封面和锥面密封面，内螺纹尾部为锥面密封面，所述外螺纹端部半径为R的圆弧形密封面和锥面密封面与所述内螺纹尾部的锥面密封面过盈配合形成主密封结构（4）；所述外螺纹端部有一个反向扭矩台肩，同样在内螺纹尾部有一相配的反向扭矩台肩，此两相配反向扭矩台肩构成第一辅助密封结构（3）；所述外螺纹靠近端部有一高度为2.3mm±0.01mm的台肩结构，同样在内螺纹的尾部有对应的配合结构，外螺纹的靠端部的台肩与内螺纹靠尾部的台肩形成了第二辅助密封结构（5）。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：
如图1所示，管体外螺纹件（1）和接箍内螺纹件（2）均采用改进的偏梯形螺纹结构（图2）。实施例中， B、C、D三点为螺纹锥度的分界点，在不同锥度的结合点处采用圆弧过渡，减少集中应力的产生，其中螺纹锥度长度中L 2 >L 1 >L 3 。虽然本发明型螺纹锥度较小，但是采用双台肩结构（图3）比以往的仅有大锥度的变锥度结构性能更好。
如图2所示，当管体外螺纹与接箍内螺纹啮合时，由于两者齿高存在一定的间隙，实施例中管体外螺纹齿高h 1 ，中心螺距为p 1 ；接箍内螺纹齿高为h 2 ，中心螺距为p 2 。其中h 2 比于h 1 高0.1mm~0.2mm，p 2 比p 1 宽0.1mm~0.2mm，不会产生粘扣现象，同时不会产生较大的径向应力。实施例中，螺纹承载面角度为β=-3°，螺纹导向面角度为γ=10°，采用负角度承载面避免了螺纹的滑脱。
如图3所示，主密封面结构（4）采用锥面-球面密封结构。其中，管体外螺纹上为半径是R的MS圆弧线段（平面中）；接箍内螺纹上采用锥面MS（平面中）。配合时可有一定的过盈量，使密封更加紧密。
如图4所示，第一辅助密封结构（3）采用反向扭矩台肩结构。其中，管体外螺纹反向扭矩台肩角度为θ1=20°，接箍内螺纹的扭矩台肩为θ2=22°；其中要求θ2比θ1大2°~3°，由于楔形作用，增强了螺纹接头密封性能，能够很好的控制上扣扭矩。此外，此种结构还能够提高接头抗压缩、弯曲变形能力的作用，以及在高温高压油、气井中还可以吸收拉伸、压缩热应力产生的变形能作用。
如图5所示，第二辅助密封结构（5）距离管体外螺纹接头端部L 1 /3处，所述外螺纹的台肩高度h大于外螺纹的齿高h 1 ，与所述外螺纹密封台肩相配合的接箍内螺纹的台肩高度h＇大于外螺纹的台肩高度h；其中h比h 1 高h 1 /2，h＇比h高0.1mm~0.2mm。因为两级螺纹入扣深，装接迅速，连接稳定，能够有效消除错扣现象，因此在总扣数相同的情况下，上扣所需转数可减少50%。这样可进一步改善螺纹受力情况。
如图6所示，接箍内螺纹端部采用一定的倒角设计，其中外侧倒角φ1= 45°，内侧倒角φ2=15°，外侧倒角边长D为1mm~1.5mm，内侧倒角边长L 4 为3.5mm~5.5mm。因为在螺纹接头承载过程中，接箍内螺纹的受力情况复杂，这一设计可进一步改善调整接箍内螺纹的受力，减少内螺纹管体的刚性，从而减少应力，使外螺纹管体上达到一个更加均匀的载荷分布。

Claims (9)

1.一种高温高压石油套管双台肩三锥度螺纹接头，包括外螺纹件（1）和内螺纹件（2），外螺纹件（1）是管体的一端，内螺纹件（2）是接箍的一端；其特征在于：管体部分螺纹和管接箍部分螺纹的锥度采用三段式锥度（L 1 /L 2 /L 3 ）；所述外螺纹端部有一个半径R的圆弧形密封面和锥面密封面，内螺纹尾部为锥面密封面，所述外螺纹端部半径为R的圆弧形密封面和锥面密封面与所述内螺纹尾部的锥面密封面过盈配合形成主密封结构（4）；所述外螺纹端部有一个反向扭矩台肩，同样在内螺纹尾部有一相配的反向扭矩台肩，此两相配的反向扭矩台肩构成第一辅助密封结构（3）；所述外螺纹靠近端部有一高度为2.3mm±0.01mm的台肩结构，同样在内螺纹的尾部有对应的配合结构，外螺纹的靠端部的台肩与内螺纹靠尾部的台肩形成了第二辅助密封结构（5）。
2.根据权利要求1所述的高温高压石油套管双台肩三锥度螺纹接头，其特征在于：所述管体外螺纹采用三段锥度结构（L 1 /L 2 /L 3 ）为：螺纹部分（L 3 ）直径方向锥度为1/25，密封部分（L 2 ）锥度为1/30，尾部（L 1 ）锥度为1/18.6，不同的锥度之间以光滑曲线过渡；所述接箍内螺纹也采用三段锥度结构，其锥度大小与外螺纹对应段相同。
3.根据权利要求1所述的高温高压石油套管双台肩三锥度螺纹接头，其特征在于：所述管体外螺纹和接箍内螺纹构成第一辅助结构（3）中，外螺纹的反向扭矩台肩角度为θ1=20°±1°，内螺纹的反向扭矩台肩角度为θ2=22°±1°；其中要求θ2比θ1大2°~3°。
4.根据权利要求1所述的高温高压石油套管双台肩三锥度螺纹接头，其特征在于：所述外螺纹锥度公差为-0.0015in/in~0.0045in/in；所述接箍内螺纹锥度公差为-0.0025in/in~0.0045in/in。
5.根据权利要求1所述的高温高压石油套管双台肩三锥度螺纹接头，其特征在于：所述的螺纹为改进的偏梯形螺纹扣型，该改进扣型螺纹牙型的负载侧角度β=-3°，导引侧角度为γ=10°。
6.根据权利要求1所述的高温高压石油套管双台肩三锥度螺纹接头，其特征在于：所述外螺纹齿高为h 1 ，中心螺距为p 1 ；所述接箍内螺纹齿高为h 2 ，中心螺距为p 2 ，其中h 2 比h 1 大0.1mm~0.2mm，p 2 比p 1 大0.1mm~0.2mm。
7.根据权利要求1所述的高温高压石油套管双台肩三锥度螺纹接头，其特征在于：所述第二辅助密封结构（5）中，外螺纹的台肩高度h大于外螺纹的齿高h 1 ，与所述外螺纹密封台肩相配合的接箍内螺纹的台肩高度h＇大于外螺纹的台肩高度h；其中h比h 1 高h 1 /2，h＇比h高0.1mm~0.2mm，此结构距离外螺纹接头端部为L 1 /3。
8.根据权利要求1所述的高温高压石油套管双台肩三锥度螺纹接头，其特征在于：所述管体外螺纹与所述接箍内螺纹接触啮合时，其主密封结构（4）为锥面-球面密封结构，啮合时为过盈密封。
9.根据权利要求1所述的高温高压石油套管双台肩三锥度螺纹接头，其特征在于：所述接箍内螺纹端部内外侧有倒角，其中外侧倒角φ1=45°，内侧倒角φ2=15°，外侧倒角边长D为1mm~1.5mm，内侧倒角边长L 4 为3.5mm~5.5mm。
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