CN103850656A - 螺旋齿v形防偏磨接箍 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种螺旋齿V形防偏磨接箍，能防止油管柱和接箍间接触而发生磨损并延长油气井免修期。它主要包括上下内螺纹接头、上下扳手方径、台肩、后锥、螺旋齿、主锥体和前球体；后锥采用90°锥形构造，避免基体截面和刚度发生急剧变化；主锥体独特的V形构造形成收敛型“楔形”间隙而产生动压液膜，使防偏磨接箍脱离油管壁；螺旋齿齿面的特殊结构结合V形螺旋齿套再次形成连续稳定的动压液膜，进一步加厚主锥体锥面已经形成的动压液膜，从而将油管柱和接箍彻底分开，消除偏磨；螺旋齿套的V形螺旋构造不断搅拌杆管环空中的井液，有助于砂粒顺利出井；前球体的球面构造保证井液形成连续稳定流并保护主锥体锥面上动压液膜。

Description

螺旋齿V形防偏磨接箍

技术领域

本发明涉及一种油气井抽吸作业中防止油管柱与抽油杆接箍之间发生接触摩擦的井下机械器具，特别是涉及一种防止接箍磨损和延长油气井免修期的防偏磨接箍。

背景技术

当前，我国大部分油气田的开发已经进入中后期阶段，稠油、高含水等现象非常普遍，有杆抽吸系统中油管柱和接箍间的偏磨问题日益严重。

油气井抽吸作业中油管柱和接箍之间发生接触进而产生摩擦是接箍偏磨的最直接原因，目前国内外的防偏磨技术主要可以归纳为：加扶正器转移偏磨点技术，把油管柱和接箍间的偏磨转移为油管柱与扶正器间的偏磨；降低磨损速度技术，这类技术主要是将接箍表面进行耐磨等热处理以及在井液中加入缓蚀剂。

总之，这些防偏磨技术在一定程度上延长了油气井的免修期，但是没有从油管和接箍间接触摩擦导致偏磨的最直接原因出发，由此所开发的防偏磨技术并不能避免油管和接箍间的接触，也就不能从根本上解决油气井的偏磨问题。

发明内容

为了有效解决油气井油管柱和接箍之间偏磨问题并克服现有防偏磨技术和方法存在的不足，本发明的目的是首次提供一种新型的防偏磨接箍，即研制适用于油气井防偏磨的螺旋齿V形接箍。该防偏磨接箍依据所设计的特殊结构和工艺，实现抽油杆联接、油管和接箍间形成动压液膜以及螺旋搅拌功能，可以从根本上防止油管柱与接箍间磨损并有助于砂粒等固体颗粒顺利排出井筒。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是研制一种螺旋齿V形防偏磨接箍，主要由上下内螺纹接头、上下扳手方径、卸荷槽、台肩、后锥、螺旋齿、主锥体和前球体几部分组成。同常规抽油杆接箍一样，防偏磨接箍也是抽吸设备的重要部件和井下抽油杆组成杆柱的联接零件，同时区别于常规接箍，该防偏磨接箍在随抽油杆柱作上下往复运动的抽吸作业时，油管柱与接箍间产生相对运动，油管柱和接箍主锥体间形成收敛型“楔形”间隙而产生动压液膜，同时主锥体上螺旋齿周围流动的井液进一步加厚已经形成的动压液膜，从而将作业中发生接触的油管柱和接箍彻底分开以消除偏磨，同时，螺旋齿对杆管环空中井液不断搅拌，有助于井液中的砂粒顺利排出井筒。

防偏磨接箍材料选用中碳结构钢45钢，整体调质处理后满足交变载荷下的机械性能和疲劳强度要求，而且防偏磨接箍在热处理后还需进行磷化处理，使其表面产生残余压应力。

上下内螺纹接头采用环形构造而且等径内孔的通孔上加工有密封性圆锥管螺纹，上内螺纹接头位于防偏磨接箍的最上部，与其上抽油杆柱下端的公螺纹接头联接；下内螺纹接头位于防偏磨接箍的最下部，与其下抽油杆柱上端的公螺纹接头联接；上内螺纹接头上端面和下内螺纹接头下端面与抽油杆推承面台肩端面结合处需产生足够大的应力，防止井液对圆锥管螺纹产生腐蚀和工作中抽油杆发生脱扣。

上下内螺纹接头的外环面分别加工有上下扳手方径，即在上下内螺纹接头的外环面上切出呈90°垂直布置的两两相互平行的四个面，用来放置卡钳，装卸防偏磨接箍上下的抽油杆。卸荷槽和台肩的上下两端分别连接上内螺纹接头和后锥，采用环形构造，用来减轻由于螺纹接头和锥体间截面变化引起的应力集中，提高防偏磨接箍的疲劳强度。

后锥用来连接台肩和主锥体，采用锥形构造，锥度为90°，用于实现主锥体至台肩间截面上应力的平稳过渡，避免基体截面和刚度发生急剧变化，以减小应力集中。

主锥体、螺旋齿和前球体一起构成防偏磨接箍的重要部件。主锥体是整个防偏磨接箍的主体，采用上粗下细的倒锥形，即使整个接箍呈现V形，具体锥度大小需依据井液黏度值在5°～20°之间选取，并且锥度随着井液黏度的增大而减小。主锥体锥面需进行喷焊处理，喷焊层与基体金属牢固结合。接箍和油管柱之间偏心乃至发生接触后，主锥体独特的V形构造使主锥体与油管柱之间在轴线方向上形成收敛型“楔形”间隙，继而在二者之间产生动压液膜并且液膜不断加厚，使防偏磨接箍脱离油管壁，避免油管柱和接箍磨损。

螺旋齿是防偏磨接箍的最主要部件，整个螺旋齿的齿面需进行化学镀处理，每个螺旋齿包括齿根、前齿、齿顶和背齿四个部分，齿根位于齿根圆上，将整个螺旋齿结合于主锥体锥面上，齿根与主锥体交叉部位采用圆弧过渡的切口部，一方面避免螺旋齿截面和刚度发生急剧变化，另一方面保证井液可以较为流畅地自入流至前齿面并从背齿面自流出；前齿位于分度圆上，其齿面采用上凸的圆弧面，使前齿和油管柱之间在圆周方向上再次形成斜率更大的收敛型“楔形”间隙，流动的井液在前齿面上形成连续均匀的动压液膜；齿顶位于齿顶圆上，齿顶与前齿面远离轴心一端的结合处采用圆弧过渡，同时齿顶面所在圆弧面的切线与其对应位置的齿顶圆切线相拟合，保证前齿面上的流动井液沿切线方向顺利流出，保持动压液膜的连续性和稳定性；背齿与前齿位于同一分度圆上，背齿的齿面采用下凹的圆弧面，流动的井液在此处产生低压并形成旋涡流，旋涡流表层的液膜用来连接齿顶面和齿根处主锥体锥面的动压液膜，从而保证整个动压液膜的完整性。

螺旋齿沿主锥体锥面均匀排列，个数需依据井液黏度值和接箍直径大小在12～24之间选取，所有均布的螺旋齿沿主锥体轴向形成一个上粗下细的倒锥形，即呈现出V形螺旋齿套，其锥度大于主锥体锥面的锥度，超出值为3°～15°，井液黏度大时取小值，井液黏度小时取大值。每个螺旋齿齿面的特殊结构结合V形螺旋齿套保证螺旋齿周围流动的井液形成连续稳定且具备一定厚度的动压液膜，并且与主锥体锥面已经形成的动压液膜叠加在一起，这会进一步增加动压液膜的厚度，从而将抽吸作业中发生接触的油管柱和接箍彻底分开，以消除偏磨。此外，螺旋齿伴随防偏磨接箍的上下往复运动中，螺旋齿套的V形螺旋构造也起到不断搅拌杆管环空中的井液和砂粒等固体颗粒的作用，阻止砂粒等固体颗粒产生沉降，有助于砂粒顺利排出井筒。

前球体的表面需进行喷焊处理，喷焊层与基体金属牢固结合。前球体与下内螺纹接头结合处采用圆弧过渡，避免基体截面和刚度发生急剧变化，以减小应力集中，同时降低流动井液切进前球体面的阻力。前球体的基体面采用球面，保证切入前球体面井液连续性和稳定性，避免流动井液由于基体截面的变化而发生阻流和紊流。前球体面的切线与主锥体锥面结合处的锥线相拟合，保证井液顺畅流入主锥体而不易发生阻流，避免影响主锥体上动压液膜的形成以及对已形成的液膜产生冲击破坏。

本发明所能达到的技术效果是，后锥采用90°锥形构造，避免主锥体至台肩间截面和刚度发生急剧变化；主锥体独特的V形构造使主锥体与油管柱之间在其轴线方向上形成收敛型“楔形”间隙而产生动压液膜，使防偏磨接箍脱离油管壁，避免油管柱和接箍磨损；螺旋齿齿面的特殊结构结合V形螺旋齿套再次形成连续稳定的动压液膜，进一步加厚主锥体锥面已经形成的动压液膜，从而将作业中发生接触的油管柱和接箍彻底分开，以消除偏磨；螺旋齿套的V形螺旋构造不断搅拌杆管环空中的井液和砂粒，有助于砂粒等固体颗粒顺利排出井筒；前球体的球面结构保证其上井液产生连续稳定流，避免发生阻流和紊流；前球体面的切线通过与主锥体锥面结合处的锥线相拟合，保证井液顺畅流经主锥体，避免影响锥面上动压液膜的形成和后期产生冲击破坏。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1是根据本发明所提出的螺旋齿V形防偏磨接箍的典型结构简图。

图2是根据本发明所提出的螺旋齿V形防偏磨接箍的仰视图。

图3是图1的A—A剖视图。

图4是螺旋齿V形防偏磨接箍中螺旋齿的结构简图。

图5是螺旋齿V形防偏磨接箍的防偏磨机理简图。

图中1－上内螺纹接头，2－上扳手方径，3－卸荷槽，4－台肩，5－后锥，6－螺旋齿，7－主锥体，8－前球体，9－下扳手方径，10－下内螺纹接头，11－齿根，12－前齿，13－齿顶，14－背齿。

具体实施方式

在图1和图2中，螺旋齿V形防偏磨接箍由上而下依次为上内螺纹接头1、上扳手方径2、卸荷槽3、台肩4、后锥5、螺旋齿6、主锥体7、前球体8、下扳手方径9和下内螺纹接头10。安装前，卸荷槽3、台肩4和后锥5等部件应去毛刺并清洗干净，检查螺旋齿6的镀层以及主锥体7和前球体8的喷焊层与基体金属是否牢固结合，其表面是否有气泡、麻点、起皮和碰伤等缺陷。安装时，上内螺纹接头1和下内螺纹接头10的螺纹在旋紧前涂厌氧胶，将卡钳依次放置在下内螺纹接头10的下扳手方径9和其下抽油杆的扳手方径以及上内螺纹接头1的上扳手方径2和其上抽油杆扳手方径纵向的两个平行面上，反方向扳动卡钳，即可旋紧或者松开防偏磨接箍和抽油杆间的联接螺纹，实现防偏磨接箍的安装或拆卸。

在图3和图4中，防偏磨接箍的螺旋齿6沿主锥体7锥面均匀排列，形成一个上粗下细的V形螺旋齿套。每个螺旋齿6均由齿根11、前齿12、齿顶13和背齿14组成，齿根11所在的齿根圆直径为Dl，前齿12和背齿14所在的分度圆直径为De，齿顶13所在的齿顶圆直径为Dt，齿根圆直径Dl、分度圆直径De和齿顶圆直径Dt沿V形螺旋齿套由下而上依次增大，增大的幅值为主锥体7锥度和V形螺旋齿套锥度之和。齿根11将整个螺旋齿6结合于主锥体7锥面上，井液经齿根11流畅切入前齿面，前齿12齿面上流动的井液形成连续均匀的动压液膜并经齿顶13齿面连续流出，背齿14处旋涡流表层形成液膜，最终在螺旋齿套表面形成一层连续稳定且具备一定厚度的动压液膜。

在图5中，油气井抽吸作业中，抽油杆柱带动接箍上下往复运动，造成油管柱和接箍之间的相对运动，理想工况下油管柱轴线和接箍轴线重合，二者不存在偏磨问题，而实际工况中油管柱和接箍之间会发生偏心甚至接触，此时如果仍然采用常规接箍，会造成二者之间发生偏磨而产生磨损。本发明所提出的螺旋齿V形防偏磨接箍的防偏磨机理是，杆管环空中流动的井液首先顺利切入防偏磨接箍前球体8球面并形成连续稳定流，然后，顺畅流入主锥体7锥面，主锥体7与油管柱之间的收敛型“楔形”间隙使得主锥体7周围各处的液膜压力不均等，同时液膜总力随相对运动速度的提升而逐渐增大，由此在主锥体7锥面产生动压液膜，而且液膜随相对运动速度的提升而不断增厚，使防偏磨接箍脱离油管壁并实现接箍轴线向油管柱轴线重合的方向不断移动。螺旋齿6的特殊结构结合V形螺旋齿套保证螺旋齿周围流动的井液形成另外一层连续稳定且具备一定厚度的动压液膜，进一步加厚主锥体7锥面已经形成的动压液膜，使接箍轴线进一步向油管柱轴线重合的方向移动。双层动压液膜将作业中发生接触的油管柱和接箍彻底分开，从而消除偏磨。

此外，螺旋齿6伴随防偏磨接箍的往复运动中，V形螺旋构造的螺旋齿套不断搅拌杆管环空中的井液和砂粒等固体颗粒，阻止砂粒等固体颗粒产生沉降，有助于砂粒随井液顺利排出井筒。

Claims (8)

1.一种螺旋齿V形防偏磨接箍，其特征在于：

一上内螺纹接头和下内螺纹接头；所述上下内螺纹接头采用环形构造而且等径内孔的通孔上加工有密封性圆锥管螺纹；

一上扳手方径和下扳手方径；所述上下扳手方径是分别在上下内螺纹接头的外环面上切出呈90°垂直布置的两两相互平行的四个面；

一卸荷槽；

一台肩；

一后锥；所述后锥用来连接台肩和主锥体，采用锥形构造，锥度为90°；

一主锥体；所述主锥体锥面需进行喷焊处理，主锥体独特的V形构造使主锥体与油管柱之间在轴线方向上形成收敛型“楔形”间隙，在二者之间产生动压液膜并且液膜不断加厚，使防偏磨接箍脱离油管壁；

一螺旋齿；所述螺旋齿的齿面需进行化学镀处理，每个螺旋齿包括齿根、前齿、齿顶和背齿四个部分，齿根位于齿根圆上，将整个螺旋齿结合于主锥体锥面上，而齿顶位于齿顶圆上，齿顶与前齿面远离轴心一端的结合处采用圆弧过渡，背齿与前齿位于同一分度圆上；螺旋齿沿主锥体锥面均匀排列，个数需依据井液黏度值和接箍直径大小在12～24之间选取，所有均布的螺旋齿沿主锥体轴向形成一个上粗下细的倒锥形，即呈现出V形螺旋齿套；每个螺旋齿齿面的特殊结构结合V形螺旋齿套保证螺旋齿周围流动的井液形成连续稳定且具备一定厚度的动压液膜，并且与主锥体锥面已经形成的动压液膜叠加在一起；

一前球体；所述前球体的表面需进行喷焊处理，前球体与下内螺纹接头结合处采用圆弧过渡，前球体的基体面采用球面，保证切入前球体面井液连续性和稳定性。

2.根据权利要求1所述的螺旋齿V形防偏磨接箍，其特征在于：所述主锥体采用上粗下细的倒锥形，即使整个接箍呈现V形，具体锥度大小需依据井液黏度值在5°～20°之间选取，并且锥度随着井液黏度的增大而减小。

3.根据权利要求1所述的螺旋齿V形防偏磨接箍，其特征在于：所述螺旋齿的齿根与主锥体交叉部位采用圆弧过渡的切口部，井液可以较为流畅地自入流至前齿面并从背齿面自流出。

4.根据权利要求1所述的螺旋齿V形防偏磨接箍，其特征在于：所述螺旋齿的前齿齿面采用上凸的圆弧面，使前齿和油管柱之间在圆周方向上再次形成斜率更大的收敛型“楔形”间隙，流动的井液在前齿面上形成连续均匀的动压液膜。

5.根据权利要求1所述的螺旋齿V形防偏磨接箍，其特征在于：所述螺旋齿的齿顶面所在圆弧面的切线与其对应位置的齿顶圆切线相拟合，保证前齿面上的流动井液沿切线方向顺利流出。

6.根据权利要求1所述的螺旋齿V形防偏磨接箍，其特征在于：所述螺旋齿的背齿齿面采用下凹的圆弧面，流动的井液在此处产生低压并形成旋涡流，旋涡流表层的液膜用来连接齿顶面和齿根处主锥体锥面的动压液膜，从而保证整个动压液膜的完整性。

7.根据权利要求1所述的螺旋齿V形防偏磨接箍，其特征在于：所述V形螺旋齿套的锥度大于主锥体锥面的锥度，超出值为3°～15°，井液黏度大时取小值，井液黏度小时取大值。

8.根据权利要求1所述的螺旋齿V形防偏磨接箍，其特征在于：所述前球体面的切线与主锥体锥面结合处的锥线相拟合，保证井液顺畅流入主锥体而不易发生阻流。

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