CN104074474B - 一种适合扩径变形的套管及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适合扩径变形的套管及加工方法，套管包括管体和与管体为一体的内螺纹接头和外螺纹接头，内螺纹接头和外螺纹接头的螺纹牙型为相互配合的偏弧形螺纹，螺纹牙型的承载面牙侧角为负角度，导向面牙侧外形为近似正弦曲线的自然曲线，内螺纹接头螺纹齿高大于外螺纹接头螺纹齿高，旋紧上扣后内螺纹齿顶与外螺纹齿底接触；套管扩径时，外螺纹由内向外挤压内螺纹，内螺纹的轴向收缩量大于外螺纹，弧形螺纹更有利于螺纹金属在塑性变形过程中的金属流动，扩径时内外螺纹导向面间的间隙更容易被填充，原本存在于内外螺纹之间的间隙在接头扩径后会消失，并在内外螺纹的牙侧面产生紧密的接触而起到辅助密封效果，提高了套管接头的密封性能。

Description

一种适合扩径变形的套管及加工方法

技术领域

本发明属于油气井建井及修井技术领域，涉及石油膨胀套管技术，尤其涉及一种适合扩径变形的套管及加工方法。

背景技术

石油天然气井钻成后，要在井眼中下入钢制套管加固井眼，单支套管的长度通常在10米左右，通常套管之间通过管螺纹连接而构成长度可达数千米的套管柱。

近年来出现了一种新技术，称之为膨胀套管技术，该技术的核心是对下入井眼中的套管柱在井眼中进行扩径变形，使得套管的内外径发生大约10％～20％左右的塑性变形，这种扩径变形通常通过液体压力在套管柱里面驱动锥形的膨胀工具沿管柱轴线运动而实现，类似于工厂中的钢管扩径冷拔加工。膨胀套管技术是石油工程领域重大的新技术，应用前景广阔。

膨胀套管技术的核心之一是要求连接套管的管螺纹接头在随套管管体在扩径变形后依然能够保持其结构及密封完整性，即要求其仍然具有一定的连接强度和对液体的密封能力。普通的标准管螺纹和目前的常规套管特殊螺纹接头均无法满足此要求。

目前的公知膨胀套管接头是一种内外壁均与管体平齐的直连型螺纹接头，倒钩形螺纹，且依靠橡胶圈实现密封。在套管柱膨胀过程中，这种螺纹接头需要的膨胀液体压力大致与管体相同，典型情况下需要约20～40MPa的压力，同时，由于接头的壁厚与管体相同，没有进行加厚，所以这种接头的连接强度也比较低，一般最多只能达到管体强度的50％左右，另外，这种接头对螺纹上扣时密封橡胶圈的安装操作要求也很高，细小的操作不慎也可能会导致密封橡胶圈脱离密封槽部位而起不到应有的密封效果。这些因素都使得螺纹接头部位常常成为膨胀套管柱的薄弱环节，绝大部分套管柱膨胀失败的原因均与螺纹接头的扩径不成功有关。

好的膨胀套管螺纹接头应该具备以下特征：(1)、接头部位易于膨胀，这样有利于接头在膨胀过程中的稳定性，使得接头不易发生结构损坏；(2)、接头的密封功能容易实现且可靠性高；(3)、接头的连接强度高。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术缺陷，提供一种适合扩径变形的套管及加工方法，该套管的接头结构简单，所需的扩径变形力小，连接强度高，在扩径变形过程中不易发生结构损坏，且密封结构可靠、密封性能好。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种适合扩径变形的套管，包括管体和连接在管体两端与管体为一体的内螺纹接头和外螺纹接头，所述内螺纹接头壁厚小于外螺纹接头壁厚，内螺纹接头的螺纹牙型和外螺纹接头的螺纹牙型为相互配合的偏弧形螺纹，螺纹牙型的承载面牙侧角为负角度，导向面牙侧外形为近似正弦曲线的自然曲线，内螺纹接头螺纹齿高大于外螺纹接头螺纹齿高，内螺纹接头和外螺纹接头旋紧上扣后内螺纹齿顶与外螺纹齿底接触。

所述的内螺纹接头的外径大于管体外径，壁厚小于管体壁厚，所述外螺纹接头的内外壁与管体平齐；所述的内螺纹接头小端根部开设有环形密封凹槽或凸缘，外螺纹接头的前端部开设有与内螺纹接头端部的凹槽或凸缘相互配合的环形密封凸缘或凹槽，内螺纹接头和外螺纹接头旋紧上扣后，该凹槽和凸缘构成密封结构。

所述内螺纹接头和外螺纹接头螺纹牙型的承载面牙侧角角度范围为-5°到-20°。

所述内螺纹接头的外径大于管体外径5％-15％，壁厚小于管体壁厚约5％-15％。

所述内螺纹接头螺纹齿高大于外螺纹接头螺纹齿高0.2mm。

本发明套管的内螺纹齿顶与外螺纹齿底在上扣后相互接触，套管扩径时，外螺纹由内向外挤压内螺纹，同时由于内螺纹接头壁厚小于外螺纹接头壁厚，内螺纹的轴向收缩量大于外螺纹，由于本发明的弧形螺纹更有利于螺纹金属在塑性变形过程中的金属流动，扩径时内外螺纹导向面间的间隙更容易被填充，原本存在于内外螺纹之间的间隙在接头扩径后会消失，金属对金属密封结构在扩径后产生过盈接触，起到密封效果，并在内外螺纹的牙侧面产生紧密的接触而起到辅助密封效果，提高了套管接头的密封性能。

进一步，内螺纹接头外径大于管体外径约5％-15％，壁厚小于管体壁厚，外螺纹接头的内外壁与管体平齐，相比传统套管接头，内外接头总体壁厚更厚，总体壁厚大于管体，从而提高了接头的连接强度。同时根据金属塑性变形的体积不变原理，套管柱在扩径后由于管体的内外径变大，管体的长度将减小。由于本发明的内螺纹端的壁厚小于外螺纹端壁厚，这样，在接头扩径过程中内螺纹端的轴向收缩会大于外螺纹端，从而会导致密封凸缘进一步压迫密封凹槽而形成设计的过盈量，由此原本接触的密封凸缘和密封凹槽的接触压力会进一步增加，接触面积也会进一步增加而提高密封效果，从而使得接头的密封压力在扩径后进一步提高。

一种适合扩径变形套管的加工方法，包括以下步骤：

(1)、对套管光管两管端欲加工螺纹的部位先进行扩径变形，然后对其进行正火或退火热处理，消除管端的内应力，使得管端材料性能恢复至与管体相同；

(2)、对经步骤(1)热处理后的管端进行冷减径加工，使加工内螺纹的管端减径后的外径大于管体外径5％-15％，壁厚小于管体壁厚5％-15％，使加工外螺纹的管端减径后的内外壁与管体平齐；

(3)、在经步骤(2)减径的套管的一端加工外螺纹，在套管的另一端加工内螺纹。

所述步骤(3)中在经步骤(2)减径的套管的一端加工外螺纹，并在外螺纹前端部加工环形密封凹槽或凸缘，在套管的另一端加工内螺纹，并在内螺纹小端根部加工与外螺纹端部的凹槽或凸缘相互配合的环形密封凸缘或凹槽。

所述步骤(1)中对套管光管管端欲加工螺纹的部位进行20％-25％的扩径变形。

本发明的方法通过特殊的扩减径方法使得螺纹接头部位的金属材料环向拉伸屈服强度降低，从而抵消了由于接头壁厚增加而导致的扩径变形力上升，甚至可以低于管体部位，这样有利于维持接头部分扩径变形时的结构完整性。

内螺纹接头部位的壁厚小于外螺纹接头，这样在接头扩径变形过程中内螺纹接头的轴向收缩量要大于外螺纹接头而使金属密封接头获得设计的过盈量，从而可以获得密封结构所需的接触压力和接触面积，使得接头的密封性能提高。同时由于专门设计的螺纹牙型，可以使得螺纹牙侧面在扩径后的接触间隙消失，接触压力和接触面积增加，从而使得螺纹部位起到辅助密封效果。

附图说明

图1为本发明中两套管光管的端部示意图；

图2为本发明扩径后的两套管的端部示意图；

图3为本发明减径后的两套管的端部示意图；

图4为本发明的外螺纹接头结构示意图；

图5为本发明的内螺纹接头结构示意图；

图6为本发明两套管的接头螺纹牙型的结构示意图；

图7为本发明两套管的接头凸缘和凹槽互相配合的结构示意图；

图8为本发明两套管的接头上扣后的结构；

图9为本发明两套管的接头在扩径后的总体结构示意图；

图10为本发明的套管在扩径后内外螺纹的配合示意图；

图11为本发明中内螺纹凸缘和外螺纹的凹槽过盈接触的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述：

如图8和9所示，本发明的适合扩径变形的套管，包括管体1和连接在管体1两端与管体1为一体的内螺纹接头3和外螺纹接头4，所述内螺纹接头3壁厚小于外螺纹接头4壁厚，如图6所示，内螺纹接头3的螺纹牙型7和外螺纹接头4的螺纹牙型5为相互配合的偏弧形螺纹，螺纹牙型的承载面牙侧角为负角度，角度范围为-5°到-20°。导向面牙侧外形为近似正弦曲线的自然曲线，内螺纹接头3螺纹齿高大于外螺纹接头4螺纹齿高0.2mm，内螺纹接头3和外螺纹接头4旋紧上扣后内螺纹齿顶与外螺纹齿底接触。

在油田现场使用时，在井口使外螺纹端向上，内螺纹端向下，然后对接头进行上扣，由于本发明内螺纹齿高大于外螺纹齿高，上扣后内螺纹齿顶与外螺纹齿底接触，内螺纹密封凸缘与外螺纹密封凹槽亦相互接触，螺纹牙型为偏圆弧形螺纹，其承载面角度为负角度，导向面为近似正弦曲线的圆弧形，这种形状的螺纹在受到挤压变形力时金属易于流动从而更易于发生变形。

进一步，所述的内螺纹接头3的外径大于管体外径5％-15％，壁厚小于管体壁厚约5％-15％，相比传统接头，壁厚更厚提高了接头的连接强度；如图7所示，所述外螺纹接头4的内外壁与管体平齐，所述的内螺纹接头3小端根部开设有环形密封凹槽或凸缘8，外螺纹接头4的前端部开设有与内螺纹接头3端部的凹槽或凸缘8相互配合的环形密封凸缘或凹槽6，内螺纹接头3和外螺纹接头4旋紧上扣后，该凹槽和凸缘构成密封结构。

本发明的适合扩径变形套管的加工方法步骤如下：

(1)对套管光管的两个管端欲加工螺纹的部位先进行20％-25％的扩径变形，然后对其进行正火或退火热处理，以消除由于管端扩径变形而产生的内应力和材料组织及性能的变化，使得管端材料性能重新恢复至与管体相同；

(2)再对热处理后的管端进行冷减径加工，使加工内螺纹的管端减径后的外径大于管体外径5％-15％，壁厚小于管体壁厚5％-15％，使加工外螺纹的管端减径后的内外径与管体平齐，壁厚与管体壁厚相同；

(3)在经减径的套管的一端加工外螺纹，并在外螺纹前端部加工环形密封凹槽或凸缘，在套管的另一端加工内螺纹，并在内螺纹小端根部加工环形密封凹槽或凸缘相配合的凸缘或凹槽，构成本接头的密封结构，当两支套管的内外螺纹上扣后即构成本发明的套管螺纹接头结构。

由于金属材料的包辛格效应，当金属材料发生塑性变形后，反向加载时其屈服强度会降低，管端减径后其环向拉伸屈服强度会降低，这会降低下一次扩径所需的变形力。由于接头部位在加工过程中经过减径处理工艺，接头部位材料的拉伸屈服强度低于管体部位，当对接头由内向外进行扩径变形时，由于材料屈服强度降低，将会抵消由于接头壁厚增加而导致的扩径变形力上升，甚至可以低于管体部位，这样有利于维持螺纹接头部分扩径变形时的结构完整性。本发明的套管具有制造加工简单，接头连接强度高，密封性能好，容易扩径，且扩径过程中结构不易损坏等特点。

以下结合具体实施例，详细说明本发明的方法：

实施例1

图1为两套管光管，一套管光管的一端为本发明的外螺纹接头4，另一套管光管的一端为本发明的内螺纹接头3。外螺纹接头4与内螺纹接头3的长度大约在200mm-300mm。

图2中，利用金属管扩径加工方法对外螺纹接头4和内螺纹接头3分别进行扩径，使其直径增加20％-25％，可以通过冷变形或热变形实现扩径变形。扩径后通过正火或退火热处理消除由于金属冷变形产生的内应力，并使其组织细化，机械性能恢复至与管体相当的程度。具体的热处理制度需视膨胀套管金属材料的性质来确定，以消除冷变形的内应力并使其机械性能恢复至与管体相当为原则。图2中分别为扩径变形后的内螺纹接头3和外螺纹接头4。

图3中，对经过热处理的内内螺纹接头4进行冷减径加工，减小其直径，减小后的外径大于管体外径5％，壁厚约小于管体壁厚5％。对经过热处理的外螺纹接头4进行冷减径加工，减小其直径，减小后的外径及壁厚均与管体部位相同。

图4为本发明的外螺纹接头的结构，接头上已经加工了外螺纹和密封凹槽6。

图5为本发明的内螺纹接头的结构，接头上已经加工了内螺纹和密封凸缘8。

图6中，本发明的螺纹牙型为偏圆弧形螺纹，其承载面角度为负角度，导向面为近似正弦曲线的圆弧形，这种形状的螺纹在受到挤压变形力时金属易于流动从而更易于发生变形。螺纹上扣后，内外螺纹的承载面相互接触，导向面之间有微小间隙，螺纹齿顶和齿底之间亦有微小间隙。

图7中，在内螺纹根部加工有环形凸缘8，在外螺纹的端部对应位置加工有凹槽6，凸缘8和凹槽6互相配合，构成本发明的金属对金属密封结构。

图8中，为本发明的接头上扣后的结构。

图9中，为本发明的接头在扩径后的总体结构。

图10中，为本发明的螺纹在扩径后的结构，由于内螺纹接头部位的壁厚小于外螺纹部位，在接头扩径变形后，内螺纹的轴向收缩量大于外螺纹接头，同时，内螺纹在外螺纹的挤压下发生塑性变形，螺纹牙侧面和螺纹齿顶与齿底已经相互过盈接触。

图11中，为本发明的密封结构在接头扩径后的结构，由于内螺纹接头部位的壁厚小于外螺纹接头部位，在接头扩径变形后，内螺纹接头的轴向收缩量大于外螺纹接头，图中内螺纹凸缘8和外螺纹的凹槽6已经完全过盈接触。

Claims (6)

1.一种适合扩径变形的套管，其特征在于：包括管体(1)和连接在管体两端与管体(1)为一体的内螺纹接头(3)和外螺纹接头(4)，所述内螺纹接头(3)壁厚小于外螺纹接头(4)壁厚，所述的内螺纹接头(3)的外径大于管体外径，壁厚小于管体壁厚，所述外螺纹接头(4)的内外壁与管体平齐；内螺纹接头(3)的螺纹牙型(7)和外螺纹接头(4)的螺纹牙型(5)为相互配合的偏弧形螺纹，导向面牙侧外形为近似正弦曲线的自然曲线，螺纹牙型的承载面牙侧角为负角度，内螺纹接头(3)螺纹齿高大于外螺纹接头(4)螺纹齿高，内螺纹接头(3)和外螺纹接头(4)旋紧上扣后内螺纹齿顶与外螺纹齿底接触；

所述的内螺纹接头(3)小端根部开设有环形密封凹槽或凸缘(8)，外螺纹接头(4)的前端部开设有与内螺纹接头(3)端部的凹槽或凸缘(8)相互配合的环形密封凸缘或凹槽(6)，内螺纹接头(3)和外螺纹接头(4)旋紧上扣后，该凹槽和凸缘构成密封结构。

2.根据权利要求1所述的适合扩径变形的套管，其特征在于：所述内螺纹接头(3)和外螺纹接头(4)螺纹牙型的承载面牙侧角角度范围为-5°到-20°。

3.根据权利要求1所述的适合扩径变形的套管，其特征在于：所述内螺纹接头(3)的外径大于管体外径5％-15％，壁厚小于管体壁厚约5％-15％。

4.根据权利要求1所述的适合扩径变形的套管，其特征在于：所述内螺纹接头(3)螺纹齿高大于外螺纹接头(4)螺纹齿高0.2mm。

5.一种权利要求1所述的适合扩径变形套管的加工方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)、对套管光管两管端欲加工螺纹的部位先进行扩径变形，然后对其进行正火或退火热处理，消除管端的内应力，使得管端材料性能恢复至与管体相同；

(2)、对经步骤(1)热处理后的管端进行冷减径加工，使加工内螺纹的管端减径后的外径大于管体外径5％-15％，壁厚小于管体壁厚5％-15％，使加工外螺纹的管端减径后的内外壁与管体平齐；

(3)、在经步骤(2)减径的套管的一端加工外螺纹，并在外螺纹前端部加工环形密封凹槽或凸缘，在套管的另一端加工内螺纹，并在内螺纹小端根部加工与外螺纹端部的凹槽或凸缘相互配合的环形密封凸缘或凹槽。

6.根据权利要求5所述的套管加工方法，其特征在于：所述步骤(1)中对套管光管管端欲加工螺纹的部位进行20％-25％的扩径变形。