CN104563904A - 一种气井套管密封连接结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种气井套管密封连接结构，涉及油气井用设备技术领域，包括公管头、母管头，在公管头和母管头的接触面上依次为螺纹连接部、储油退刀槽、密封面和扭矩台肩，外螺纹和内螺纹之间相接触的导向面的角度a为25°~45°，密封面由母管头内壁上的第一锥面分别与公管头外壁上的球形面和第二锥面相挤压接触形成，第一锥面的锥度为1/12~1/16，第二锥面的锥度为1/6~1/8，储油退刀槽位于螺纹连接部与密封面之间；扭矩台肩设在公管头上，母管头的端部与扭矩台肩相互吻合接触，扭矩台肩的倾斜角度b为-6°~-15°。通过扭矩台肩和密封面的优化设计，克服了现有螺纹接头的缺点，具有现场易于上扣、检测方便，密封可靠的特点。

Description

一种气井套管密封连接结构
技术领域
本发明涉及油气井用设备技术领域。
背景技术
石油套管柱采用螺纹接箍连接单根套管而成，连接两个单根套管的螺纹接头是影响套管柱安全和寿命的关键因素，连接接头有API标准接头和特殊螺纹接头。
我国的西部油田、大庆、塔里木等气田均具有高温（150℃）和高压（55MPa以上）的特点，需要套管在连续循环载荷下具有高可靠密封特性的螺纹接头，普通的API螺纹接头无法满足其要求，必须使用特殊螺纹接头才能满足其密封性能要求。但是市场上的特殊螺纹接头如VAM扣、3SB扣、NSCC扣、SEC扣、VAGT扣、TPCQ扣、BGC扣等，大多数采用的是台肩和密封面结合的气密封方式。目前带台肩和密封面的特殊螺纹接头存在如下几个缺点：
1）虽采用偏梯螺纹，但导向面倾角小，长度短，不易对扣且上扣易粘扣；
2）螺纹承载面为向下侧倾斜结构，加工效率低，成本高；
3）螺纹承载面和导向面接触，齿顶和齿底平行于管体轴线，检测难；
4）密封位置靠近台肩（相距3~4mm），在吊装和对扣过程中易发生损伤。
所以现需要一种连接结构能够解决上述问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种气井套管密封连接结构，通过扭矩台肩和密封面的优化设计，克服了现有技术的缺点，具有现场易于上扣、密封可靠、加工效率高、成本低的特点，能够满足高温（150℃）高压（压力大于55MPa）天然气井，井深大于5000m以上，弯曲狗腿度（小于20°/30m）气井的使用要求。
为解决上述问题本发明采取的技术方案是：一种气井套管密封连接结构，包括公管头、母管头，所述公管头插接在母管头内部，在公管头和母管头的接触面上依次为螺纹连接部、储油退刀槽、密封面和扭矩台肩，所述螺纹连接部包括设于公管头上的外螺纹和设于母管头上的内螺纹，所述外螺纹和内螺纹均为偏梯形螺纹，所述外螺纹和内螺纹之间相接触的导向面的倾斜角度a为25°~45°，所述内螺纹齿高为1.45~1.65mm，外螺纹齿高为1.65~1.85mm；所述密封面由母管头内壁上的第一锥面分别与公管头外壁上的球形面和第二锥面相挤压接触形成，所述球形面与第二锥面相衔接，所述第一锥面的锥度为1/12~1/16，所述第二锥面的锥度为1/6~1/8，所述储油退刀槽位于螺纹连接部与密封面之间；所述扭矩台肩设在公管头上，所述母管头的端部与扭矩台肩相互吻合接触，所述扭矩台肩的倾斜角度b为-6°~-15°。
优选的，所述球形面所对应的半径为50~100mm，所述第一锥面和第二锥面相接触处的底端距离母管头的管端内侧6~9mm。
优选的，所述外螺纹和内螺纹之间相接触的承载面的角度c为0°～30°。
本发明具有以下优点：1、采用负角度扭矩台肩，可有效避免在拉伸载荷下台肩分离情况；2、密封结构采用两级密封结构，即第一锥面对球形面以及第一锥面对第二锥面的密封设计形式，第一锥面的锥度小于第二锥面的锥度，形成锥面与锥面，锥面与球形面均为挤压接触的形式，密封效果很好，且密封位置远离扭矩台肩，具有密封可靠，防止密封面损伤特点；3、采用大角度导向面，角度a为25°~45°，可实现有效对扣；4、扭矩台肩的角度b为-6°～-15°即相对于图1中的水平面顺时针向下转动所得到的负角度，具有上扣定位，抗过扭矩，降低台肩处应力集中的功能；5、第一锥面锥度为1/12~1/16，第二锥面的锥度为1/6~1/8，球形面对应的半径50～100mm，第一锥面和球形面通过挤压使密封结构在拉伸载荷作用下，保持密封接触压力及长度；第一锥面与第二锥面通过挤压使密封结构在压缩载荷作用下，保持密封接触压力；6、储油退刀槽的功能为储存多余螺纹脂及使内螺纹加工退刀；
7、导向面角度a为25°～45°可提高抗拉伸和弯曲的能力；承载面角度c为0°～30°，加工效率高、成本低，保证了易对扣和抗粘扣。所以该连接结构可满足拉伸效率100%和压缩效率60%以上；内压（≥55MPa）和弯曲狗腿度（小于20°/30m）VME（管体MISES应力与材料名义屈服强度比）为95%包络线复合载荷，且在150℃高温下气密封要求，不发生泄漏。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1本发明的连接结构示意图；
图2为图1中母管头部分的结构示意图；
图3为图1中公管头部分的结构示意图；
图4为试验载荷包络线及复合载荷气密封试验加载点示意图；
图5为图4载荷循环下的气密封性能示意图。
其中，1、公管头，2、母管头，3、储油退刀槽，4、扭矩台肩，5、外螺纹，6、内螺纹，7、导向面，8、第一锥面，9、第二锥面，10、球形面，11、承载面。
具体实施方式
如图1、图2和图3所示：一种气井套管密封连接结构，包括公管头1、母管头2，所述公管头1插接在母管头2内部，在公管头1和母管头2的接触面上依次为螺纹连接部、储油退刀槽3、密封面和扭矩台肩4，所述螺纹连接部包括设于公管头1上的外螺纹5和设于母管头2上的内螺纹6，所述外螺纹5和内螺纹6均为偏梯形螺纹，所述外螺纹5和内螺纹6之间相接触的导向面7的倾斜角度a为25°~45°，所述内螺纹6齿高为1.45~1.65mm，外螺纹5齿高为1.65~1.85mm；所述密封面由母管头2内壁上的第一锥面8分别与公管头1外壁上的球形面10和第二锥面9相挤压接触形成，所述球形面10与第二锥面9相衔接，所述第一锥面8的锥度为1/12~1/16，所述第二锥面9的锥度为1/6~1/8，所述储油退刀槽3位于螺纹连接部与密封面之间；所述扭矩台肩4设在公管头1上，所述母管头2的端部与扭矩台肩4相互吻合接触，所述扭矩台肩4的倾斜角度b为-6°~-15°，即相对于图1中的水平面顺时针向下转动所得到的负角度。
球形面10所对应的半径为50~100mm，所述第一锥面8和第二锥面9相接触处的底端距离母管头2的管端内侧6~9mm，图1中第一锥面8上侧与球形面10接触，第一锥面8下侧与第二锥面9接触。所述外螺纹5和内螺纹6之间相接触的承载面11的角度c为0°～30°。
本连接结构1、采用负角度扭矩台肩4，可有效避免在拉伸载荷下台肩分离情况。2、密封结构采用两级密封结构，即第一锥面8对球形面10以及第一锥面8对第二锥面9的密封设计形式，第一锥面8的锥度小于第二锥面9的锥度，形成第一锥面8与第二锥面9，第一锥面8与球形面10均为挤压接触的形式，密封效果很好，且密封位置的底端，也就是第一锥面8和第二锥面9相接触处的底端距离母管头2的管端内侧6~9mm，远离扭矩台肩4，具有密封可靠，防止密封面损伤特点。3、采用大角度导向面7，角度a为25°~45°，可实现有效对扣。4、扭矩台肩4的角度b为-6°～-15°即相对于图1中的水平面顺时针向下转动所得到的负角度，具有上扣定位，抗过扭矩，降低台肩处应力集中的功能；5、第一锥面8锥度为1/12~1/16，第二锥面9的锥度为1/6~1/8，球形面10对应的半径50～100mm，第一锥面8与第二锥面9通过挤压使密封结构在压缩载荷作用下，保持密封接触压力；第一锥面8和球形面10通过挤压使密封结构在拉伸载荷作用下，保持密封接触压力及长度；6、储油退刀槽3的功能为储存多余螺纹脂及使内螺纹6加工完后退刀；7、导向面7角度a为25°～45°可提高抗拉伸和弯曲的能力；承载面11角度c为0°～30°，保证了易对扣和抗粘扣。
该连接结构可满足拉伸效率100%和压缩效率60%以上；内压（≥55MPa）和弯曲狗腿度（小于20°/30m）VME（管体MISES应力与材料名义屈服强度比）为95%包络线复合载荷，且在150℃高温下气密封要求，不发生泄漏。
管头接箍与管体为同钢级或高一个钢级，表面采用内螺纹6磷化处理；对于耐蚀钢（13Cr、超级13Cr等）采用内螺纹6镀铜，外螺纹5喷砂，上扣时两者均匀涂抹API螺纹脂，夹持接箍中部，工厂端采用最大扭矩上扣，现场端采用最佳扭矩上扣。
技术效果验证：本发明设计采用有限元分析，表明在上扣、内压及拉伸复合载荷作用下，该螺纹结构形式具有良好的气密封性能。对规格为139.7mm×9.17mm P110-13Cr的套管进行了有限元分析，载荷见图4，分析结果见图5所示，在VME=95%复合载荷包络线及150℃热循环条件下未发生泄漏。

Claims (3)

1.一种气井套管密封连接结构，其特征在于：包括公管头（1）、母管头（2），所述公管头（1）插接在母管头（2）内部，在公管头（1）和母管头（2）的接触面上依次为螺纹连接部、储油退刀槽（3）、密封面和扭矩台肩（4），所述螺纹连接部包括设于公管头（1）上的外螺纹（5）和设于母管头（2）上的内螺纹（6），所述外螺纹（5）和内螺纹（6）均为偏梯形螺纹，所述外螺纹（5）和内螺纹（6）之间相接触的导向面（7）的倾斜角度a为25°~45°，所述内螺纹（6）齿高为1.45~1.65mm，外螺纹（5）齿高为1.65~1.85mm；所述密封面由母管头（2）内壁上的第一锥面（8）分别与公管头（1）外壁上的球形面（10）和第二锥面（9）相挤压接触形成，所述球形面（10）与第二锥面（9）相衔接，所述第一锥面（8）的锥度为1/12~1/16，所述第二锥面（9）的锥度为1/6~1/8，所述储油退刀槽（3）位于螺纹连接部与密封面之间；所述扭矩台肩（4）设在公管头（1）上，所述母管头（2）的端部与扭矩台肩（4）相互吻合接触，所述扭矩台肩（4）的倾斜角度b为-6°~-15°。
2.根据权利要求1所述的一种气井套管密封连接结构，其特征在于：所述球形面（10）所对应的半径为50~100mm，所述第一锥面（8）和第二锥面（9）相接触处的底端距离母管头（2）的管端内侧6~9mm。
3.根据权利要求1所述的一种气井套管密封连接结构，其特征在于：所述外螺纹（5）和内螺纹（6）之间相接触的承载面（11）的角度c为0°～30°。
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