CN104453738A - 一种气密封套管接头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气密封套管接头,其包括套管公端和套管母端,该套管公端具有外螺纹,套管母端具有内螺纹,套管公端的外螺纹与套管母端的内螺纹啮合,该外螺纹和内螺纹的齿形均为偏梯形;此外,沿外螺纹的进给方向,该套管公端上外螺纹的后方设有第一密封面以及与第一密封面衔接的第一止退台肩,该第一止退台肩位于套管公端的末端;该套管母端具有与所述第一密封面过盈配合的第二密封面,以及与第一止退台肩匹配的第二止退台肩,第二密封面也与第二止退台肩衔接;内螺纹与外螺纹之间具有间隙。本发明的气密封套管接头具有良好的抗拉伸、抗压缩和抗扭矩能力,较好的防粘扣性以及优良的气密封性能,能够适应于三超气田的工作环境。
Description
技术领域
本发明涉及一种石油套管接头,尤其涉及一种偏梯形套管接头。
背景技术
目前,现有的套管接头大致可以分为两类,一种是标准API系列,该系列包括长圆螺纹接头(Long Thread Casing,LTC)或短圆螺纹接头(ShortThread Casing,STC)以及偏梯形螺纹接头(Buttress Thread Casing,BTC),另外一种是非标系列接头,该系列被统称为特殊螺纹接头。
标准API系列接头又可以分为圆螺纹接头与偏梯形螺纹接头两大类,其中,圆螺纹接头包括长圆螺纹接头和短圆螺纹接头。前者的优点在于加工成本较低,缺点在于容易产生滑脱,抗拉强度不高,并且抗扭与抗压缩能力不足,主要适用于浅井、低压井等连接强度要求不高的油气井作业;后者的优点为连接强度高,可应用于深井超深井作业,缺点则为抗扭与抗压缩能力较差。两者共同的不足在于均不具备气密封性能。
公告号为CN201391239Y,公告日为2010年1月27日,名称为“一种扭矩台肩堆焊耐蚀合金加密封圈密封的连接接箍”的中国专利文献公开了一种设有密封圈密封的连接接箍,其包括设置在管体上的钢制接箍基体,该钢制接箍基体中间设置有堆焊耐蚀合金层的扭矩台肩,在扭矩台肩外侧根部设置有堆焊耐蚀合金层的退刀槽,该退刀槽内放置有密封圈。该专利文献所公开的连接接箍结构简单且使用操作方便,通过堆焊耐蚀合金加密封圈达到密封效果,可以用于复合油管和套管的防腐蚀完整性和密封完整性连接,不过其不能与标准套管或接头产品进行互换。
公告号为CN2409331Y,公告日为2000年12月6日,名称为“油、套管偏梯形螺纹接头”的中国专利文献涉及了一种适用于油田钻井的油、套管偏梯形螺纹接头。它由管体和管接箍通过偏梯形管锥螺纹拧接构成,管体和管接箍的偏梯形管锥螺纹中径、齿底和齿顶的锥度为1∶T,管接箍偏梯形管锥螺纹始端一段有效长度上的齿顶锥度略为增大为1∶(T-ζ),ζ为4~9。该专利文献所涉及的技术方案通过改变加工工艺或者螺纹形貌达到限位作用,以降低接头粘扣的风险,然而其具有一定的加工难度。
公开号为CN202125257U,公开日为2004年12月22日,名称为“高抗过扭矩、高密封性、防粘扣油套管接头”的中国专利文献公开了一种抗扭矩性高、密封性强、防粘扣效果好的油套管接头。该油管接头由端部带有外螺纹的管体和带有内螺纹的接箍连接而成,在管体上设有管体台肩、管体密封面和管体直角台肩,在接箍上设有接箍台肩、接箍密封面和接箍直角台肩,在外内螺纹连接后,管体密封面与接箍密封面、管体台肩与接箍台肩、管体直角台肩与接箍直角台肩分别形成三道密封结构,该外内螺纹为牙高不相等的偏梯形螺纹。
在钻井过程中,对于普通的钻井而言,通用的API标准螺纹接头即可完成钻探任务,但是对于工况条件更为严苛的三超气井(即超深、超高温、超高腐蚀的气井)而言,API标准螺纹接头的力学性能不能完全满足三超气井的工作环境,特别是不能防止在钻井过程中高压气体及有害气体的窜出。因此,在实际生产中需要一种既具有抗拉伸、抗压缩,抗扭矩能力,又具备良好气密封性能的接头。
发明内容
本发明的目的在于提供一种气密封套管接头,其具有良好的抗拉伸、抗压缩和抗扭矩能力,优良的气密封性能以及较好的防粘扣性,能够适应于三超气田(超深、超高温、超高腐蚀的气井)的工作环境。
为了实现上述目的,本发明提出了一种气密封套管接头,其包括套管公端和套管母端,该套管公端具有外螺纹,套管母端具有内螺纹,套管公端的外螺纹与套管母端的内螺纹啮合,该外螺纹和内螺纹的齿形均为偏梯形;此外:
沿外螺纹的进给方向,该套管公端上外螺纹的后方设有第一密封面以及与第一密封面衔接的第一止退台肩,该第一止退台肩位于套管公端的末端;
该套管母端具有与该第一密封面过盈配合的第二密封面,以及与第一止退台肩匹配的第二止退台肩,该第二密封面也与第二止退台肩衔接;
该内螺纹与外螺纹之间具有间隙。
由于本发明的技术方案中,在套管公端的末端设有第一止退台肩,在套管母端上设有与第一止退台肩匹配的第二止退台肩,这样能够保证气密封套管接头的抗扭矩能力和抗压缩能力。
同时,本发明所述的气密封套管接头在套管公端上外螺纹的后方设有第一密封面以及在套管母端上设有与第一密封面过盈配合的第二密封面,这样则保障了接头的气密封性能。在此基础上,本发明的气密封套管接头中的内螺纹与外螺纹之间还具有一定间隙,该间隙使得套管公端的外螺纹与套管母端的内螺纹不能完全接触,大大降低了套管接头之间由于拧接而造成的粘扣风险。
需要说明的是,为了更好地提高接头的气密封性能,可以在间隙之间填充螺纹脂,以达到辅助气密封的作用。
进一步地,在本发明所述的气密封套管接头中,上述外螺纹的齿高范围为1.0~2.5mm。
进一步地,在本发明所述的气密封套管接头中,上述内螺纹与外螺纹之间的间隙包括在齿高方向上的第一间隙,所述外螺纹的齿高低于内螺纹的齿高。
更进一步地,在本发明所述的气密封套管接头中,上述第一间隙的范围为0.1~0.8mm。
进一步地,在本发明所述的气密封套管接头中,上述内螺纹与外螺纹之间的间隙还包括在齿宽方向上的第二间隙。
更进一步地,在本发明所述的气密封套管接头中,上述第二间隙的范围为-0.04~0.08mm。
在本发明的技术方案中,上述第二间隙为内螺纹与外螺纹之间在齿宽方向上的距离为负值表示齿宽方向上内外螺纹之间过盈配合的距离,而正值则表示齿宽方向上内外螺纹之间间隙的距离。在上述距离范围内,第二间隙的值最好尽可能地小,以增加气密封套管接头的抗拉伸能力与抗压缩能力。
进一步地,在本发明所述的气密封套管接头中,1.0≤tanα≤10,其中α为所述内螺纹和外螺纹的承载角。
承载角α是影响本发明的气密封套管接头的抗拉伸和抗压缩的主要因素,当1.0≤tanα≤10时,有利于气密封套管接头加工时的补偿。
进一步地,本发明所述的气密封套管接头中,第一密封面和第二密封面均为倾斜的密封面,该倾斜的密封面的倾斜方向为沿着外螺纹的进给方向斜向下,第一密封面的倾斜角β与第二密封面的倾斜角β相同。
更进一步地,当0.1≤tanβ≤1.8时,则有利于获得形貌精度更高的气密封套管接头。
进一步地,本发明所述的气密封套管接头中的第一密封面和第二密封面在螺纹进给方向上的长度为0.5~8.0mm。密封面的接触长度是影响接头气密封效果的重要参数之一。
进一步地,本发明所述的气密封套管接头中的第一密封面和第二密封面过盈配合的在齿高方向上的深度为0.1~1.8mm。密封面的接触深度也是影响接头气密封效果的重要参数之一。
需要说明的是,本领域的技术人员可以根据不同规格尺寸的钢管对密封面的接触长度和深度进行调整。当密封面接触长度过长时,会增加接头密封接触点粘接的风险,当密封面接触长度过短时,则会加大由于运输或误操作等原因而造成密封失效的风险;同样地,若密封面接触深度过大,会增加接头密封接触点粘接的风险,若密封面接触深度过小,则会加大接头密封失效的风险,同时,密封面接触深度过大还会造成过度过盈,第一密封面和第二密封面都会发生塑性变形,从而影响多次气密封效果。
进一步地,在本发明所述的气密封套管接头中,第一止退台肩和第二止退台肩相对于气密封套管接头的径向方向自上而下地朝背离外螺纹进给的方向倾斜。
更进一步地,第一止退台肩和第二止退台肩与气密封套管接头的径向方向之间的夹角θ的范围为8~20°。
本发明所述的气密封套管接头通过密封面+止退台肩的设置,使得该接头具有良好的抗压缩和抗扭矩能力,和优良的气密封性能以避免有害或高压气体的窜出,能够在三超气田中(超深、超高温、超高腐蚀的气井)进行钻井工作。此外,本发明所述的气密封套管接头在内外螺纹之间设置有间隙,降低了套管接头发生粘扣的风险,提高了接头的防粘扣性能。
附图说明
图1为本发明所述的气密封套管接头在一种实施方式下的结构示意图。
图2为本发明所述的气密封套管接头中的外螺纹在一种实施方式下的结构示意图。
图3为图2所示的外螺纹与内螺纹在气密封套管接头装配后的结构示意图。
图4为本发明所述的气密封套管接头中的第一密封面和第二密封面在一种实施方式下的结构示意图。
图5为图4所示的第一密封面和第二密封面在A处的局部放大图。
图6为图4所示的第一密封面和第二密封面的另一局部放大图。
图7为本发明所述的气密封套管接头中的第一止退台肩在一种实施方式下的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合说明书附图和具体的实施例对本发明所述的气密封套管接头做进一步的解释和说明,然而,该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。
图1显示了本发明所述的气密封套管接头在一种实施方式下的结构。
如图1所示,在该种实施方式下的气密封套管接头10包括套管公端1和套管母端2,沿着套管公端的轴向方向设有外螺纹3,沿着套管母端的轴向方向设有内螺纹4,套管公端的外螺纹与套管母端的内螺纹相互啮合,外螺纹3和内螺纹4的齿形均为偏梯形的;沿外螺纹3的进给方向P,套管公端上外螺纹3的后方设置有第一密封面5以及与第一密封面衔接的第一止退台肩7,第一止退台肩7位于套管公端1的末端;套管母端2具有第二密封面6和第二止退台肩8,第二密封面6与第一密封面5过盈配合,第二止退台肩8则与第一止退台肩7相匹配,该第二密封面6也与第二止退台肩8相衔接设置;其中内外螺纹并不完全接触,在内螺纹和外螺纹之间设置有间隙11。
图2显示了本发明所述的气密封套管接头中的外螺纹在一种实施方式下的结构,而图3则显示了图2所示的外螺纹与内螺纹在气密封套管接头装配后的结构。
如图2和图3所示,内螺纹与外螺纹之间的间隙包括在齿高方向上的第一间隙12以及在齿宽方向上的第二间隙13,该外螺纹的齿高低于内螺纹的齿高,使得外螺纹的齿顶与内螺纹的齿底不能完全接触;其中,外螺纹的齿高h的取值范围为1.0~2.5mm,第一间隙12,即H-h的取值范围为0.1~0.8mm,第二间隙13,即M的取值范围为-0.04~0.08mm。
需要说明的是,如图3所示,为了更好提高接头的气密封性能,可以在第一间隙和第二间隙之间填充螺纹脂9,以进一步提高接头的气密封性能。
继续参阅图2,夹角α为内螺纹和外螺纹的承载角,tanα的大小可以通过X/Z的比值来确定,其中X代表外螺纹3沿齿高方向的进给值,Z代表外螺纹3沿螺距方向的进给值。
图4显示了本发明所述的气密封套管接头中的第一密封面和第二密封面在一种实施方式下的结构,而图5和图6分别为图4所示的第一密封面和第二密封面的局部放大图。
如图4和图6所示,套管公端1的第一密封面5和套管母端2的第二密封面6均设为倾斜的密封面,该倾斜的密封面的倾斜方向沿着外螺纹的进给方向P斜向下设置,第一密封面5的倾斜角与第二密封面6的倾斜角相同,其中,该倾斜角度β的取值满足:0.1≤tanβ≤1.8。
如图5所示,第一密封面5和第二密封面6在螺纹进给方向上的长度L1的取值范围为0.5~8.0mm,并且第一密封面5和第二密封面6过盈配合的在齿高方向上的深度H1的取值范围为0.1~1.8mm。
图7显示了本发明所述的气密封套管接头中的第一止退台肩在一种实施方式下的结构。
如图7所示,必要时可以结合参阅图1,第一止退台肩7和第二止退台肩沿气密封套管接头的径向方向自上而下地朝背离着外螺纹进给方向P倾斜设置,第一止退台肩7和第二止退台肩与气密封套管接头的径向方向之间的夹角θ的取值范围为8~20°。
表1显示了本技术方案所述的气密封套管接头对应于不同规格的套管的相关设计参数,其中各项参数的定义具体如下:
d1为套管公端的内镗孔直径(mm);
d2为套管母端的内镗孔直径(mm);
d3套管接箍危险截面内径(mm):
d为套管接箍外径(mm);
Z为效率系数,Z=(d2-d32)/[D2-(D-2t)2],Z的取值范围为(0.8,1.3);
H为套管母端的内螺纹齿高(mm);
h为套管公端的外螺纹齿高(mm),第一间隙的间距为H-h(mm);
M为第二间隙的间距(mm);
H1为第一密封面和第二密封面过盈配合的在齿高方向上的深度(mm);
L1为第一密封面和第二密封面在螺纹进给方向上的长度(mm);
tanα,其中α为内螺纹和外螺纹的承载角;
tanβ,其中β为第一密封面和第二密封面的倾斜角;
θ为第一止退台肩和第二止退台肩与气密封套管接头的径向方向之间的夹角。
表1.
表2显示了本技术方案所述的气密封套管接头的相关力学性能参数。
表2.
由表2可知,本发明所述的气密封套管接头具备良好的抗拉伸、抗压缩和抗扭矩能力,具有优良的气密封性能以及较好的防粘扣性能。
另外,本发明的气密封套管接头通过了对于油井管接头最为严苛的ISO 13679 CAL IV国际认证标准,在复合加载的工况条件下,其结构和性能的完整性可以满足三超气田(超深、超高温、超高腐蚀的气井)的钻井开发。本发明所述的气密封套管接头的外径规格在φ127-339.7mm之间。
要注意的是,以上列举的仅为本发明的具体实施例,显然本发明不限于以上实施例,随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形,均应属于本发明的保护范围。
Claims (14)
1.一种气密封套管接头,其包括套管公端和套管母端,所述套管公端具有外螺纹,套管母端具有内螺纹,套管公端的外螺纹与套管母端的内螺纹啮合,所述外螺纹和内螺纹的齿形均为偏梯形;其特征在于:
沿外螺纹的进给方向,所述套管公端上外螺纹的后方设有第一密封面以及与第一密封面衔接的第一止退台肩,所述第一止退台肩位于套管公端的末端;
所述套管母端具有与所述第一密封面过盈配合的第二密封面,以及与所述第一止退台肩匹配的第二止退台肩,所述第二密封面也与第二止退台肩衔接;
所述内螺纹与外螺纹之间具有间隙。
2.如权利要求1所述的气密封套管接头,其特征在于,所述内螺纹与外螺纹之间的间隙包括在齿高方向上的第一间隙,所述外螺纹的齿高低于内螺纹的齿高。
3.如权利要求2所述的气密封套管接头,其特征在于,所述第一间隙的范围为0.1~0.8mm。
4.如权利要求2所述的气密封套管接头,其特征在于,所述内螺纹与外螺纹之间的间隙还包括在齿宽方向上的第二间隙。
5.如权利要求4所述的气密封套管接头,其特征在于,所述第二间隙的范围为-0.04~0.08mm。
6.如权利要求1所述的气密封套管接头,其特征在于,所述外螺纹的齿高范围为1.0~2.5mm。
7.如权利要求1所述的气密封套管接头,其特征在于,1.0≤tanα≤10,其中α为所述内螺纹和外螺纹的承载角。
8.如权利要求1所述的气密封套管接头,其特征在于,所述第一密封面和第二密封面均为倾斜的密封面,该倾斜的密封面的倾斜方向为沿着外螺纹的进给方向斜向下,所述第一密封面的倾斜角与第二密封面的倾斜角相同。
9.如权利要求8所述的气密封套管接头,其特征在于,0.1≤tanβ≤1.8,其中β为所述第一密封面和第二密封面的倾斜角。
10.如权利要求1所述的气密封套管接头,其特征在于,所述第一密封面和第二密封面在螺纹进给方向上的长度为0.5~8.0mm。
11.如权利要求1所述的气密封套管接头,其特征在于,所述第一密封面和第二密封面过盈配合的在齿高方向上的深度为0.1~1.8mm。
12.如权利要求1所述的气密封套管接头,其特征在于,所述第一止退台肩和第二止退台肩相对于气密封套管接头的径向方向自上而下地朝背离外螺纹进给的方向倾斜。
13.如权利要求12所述的气密封套管接头,其特征在于,所述第一止退台肩和第二止退台肩与气密封套管接头的径向方向之间的夹角θ的范围为8~20°。
14.如权利要求1所述的气密封套管接头,其特征在于,所述间隙内填充有螺纹脂。
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PB01 | Publication | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |