CN105401891A

CN105401891A - 用于套管的双级螺纹气密封特殊螺纹接头结构

Info

Publication number: CN105401891A
Application number: CN201510940958.3A
Authority: CN
Inventors: 孙开明; 刘金海; 孙宇; 史彬; 梅丽; 闫龙; 张军; 郭强; 陈涛; 吕春莉; 柳玉伟; 侯振宇; 朱海涛; 骆敬辉; 姚迪; 陈玉鹏; 李双全; 黄永智; 刘智宇
Original assignee: Tianjin Pipe Group Corp
Current assignee: Tianjin Pipe Group Corp
Priority date: 2015-12-16
Filing date: 2015-12-16
Publication date: 2016-03-16

Abstract

本发明提供一种用于套管的双级螺纹气密封特殊螺纹接头结构，该结构公端包括：公外密封面、两段带锥度的公螺纹及两段公螺纹中间的扭矩台肩、公螺纹端部的公内密封面、公内密封面顶点处的公内台肩。母端包括：母外台肩、母外密封面、两段带锥度的母螺纹及两段母螺纹中间的扭矩台肩、母螺纹端部的母内密封面。所述两段带锥度的公螺纹和母螺纹相互拧接在一起，两段螺纹中部的公母台肩相互对顶，公密封面、母密封面相互接触。有益效果是采用该结构通过对公、母的内、外密封面锥度的做一定的预处理，上扣后的内、外密封面接触长度成倍提高，优化了接头的密封能力。

Description

用于套管的双级螺纹气密封特殊螺纹接头结构

技术领域

本发明涉及一种双级螺纹连接结构，是一种用于套管的双级螺纹气密封特殊螺纹接头结构。

背景技术

油套管管柱采用螺纹将单根油井管连接而成，管柱的螺纹连接部位是薄弱的关键环节。在通用的API标准中，套管采用圆螺纹或偏梯螺纹连接形式。这种接头的优点是技术成熟、生产成本比较低，缺点是螺纹既要承担连接功能又要承担密封功能，且接头应力集中现象严重。

随着石油工业的发展，尤其是深井、超深井、高压气井、定向井、酸性环境井的开发，对石油套管的使用性能提出了更高的要求，具有API标准螺纹连接形式的套管在复杂井况中容易发生断裂、滑脱、泄漏等形式的实效，给油田带来巨大的损失。由此，出现了各种各样的特殊螺纹接头。其中双级螺纹接头作为一种新型的接头，逐渐被油田用户接受。双级螺纹是两段螺纹加中部台肩组成，在拧接时中部的扭矩台肩实现对顶，两段螺纹啮合。一般在接头的两端有两个密封面，这两个密封面通过金属过盈的形式实现密封。

中国专利号为ZL96120151.7，公开了一种管子用螺纹接头，公母端都加工在管端，螺纹形式为双级螺纹，两个密封形式为锥对锥金属密封，位于螺纹的两端，两段螺纹的中部是直角扭矩台肩。

中国专利号为ZL00102261.X，公开了一种连接两管子的整体接头，采用螺纹形式是双级螺纹，直角台肩位于两段螺纹的正中间，螺纹的两端是两个密封面，在密封面的附近都有空刀槽。

双级螺纹加双密封面的形式有很多优点，如：双级螺纹比单级螺纹上扣速度快；双密封面通过金属-金属的过盈密封形式，能保证在受到内压和外压时，阻止气体进入接头内部；另外双级螺纹一般在整体式接头上应用，这种不需要接箍连接的形式能够提供较大的环空间隙，适用于小井眼的操作。

但是以上两个专利均未涉及到公母密封面的锥度配合问题。双级螺纹由于自身的结构特点，在拧接后，螺纹两端的密封面会产生分离的趋势，在受到内压或者外压载荷的时候，这种分离趋势会导致密封面接触长度过短，从而容易发生内压或者外压泄漏。

发明内容

针对现有技术中结构上的不足，本发明的目的是提供一种套管的双级螺纹气密封特殊螺纹接头结构，以解决双级螺纹的半直连型套管的内、外密封面在拧接之后的存在分离趋势的问题，能保证该接头在内、外压作用下优异的密封能力，从而达到优化双极螺纹气密封螺纹接头结构的目的。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种用于套管的双级螺纹气密封特殊螺纹接头结构，该结构包括加工在套管端部的公端和接箍或套管端部的母端，其中：所述公端包括：公外密封面、两段带锥度的公螺纹及两段公螺纹中间的扭矩台肩、公螺纹端部的公内密封面、公内密封面顶点处的公内台肩；所述母端包括：母外台肩、母外密封面、两段带锥度的母螺纹及两段母螺纹中间的扭矩台肩、母螺纹端部的母内密封面；所述两段带锥度的公螺纹和母螺纹相互拧接在一起，两段螺纹中部的公母台肩相互对顶，公内密封面与母内密封面、公外密封面与母外密封面相互接触；所述的公内、外密封面都是锥面，所述的母内、外密封面都是锥面；所述公内密封面相对于套管轴线的锥度是1：N+a，母内密封面相对于套管轴线的锥度是1：N-a；所述公外密封面相对于套管轴线的锥度是1：M-b，母外密封面相对于套管轴线的锥度是1：M+b；当N≤4.0时，0.05≤a≤0.3；当4.0＜N≤6.0时，0.15≤a≤0.4；当N＞6时，0.25≤a≤0.5，当M≤4.0时，0.05≤b≤0.3；当4.0＜M≤6.0时，0.15≤b≤0.4；当M＞6时，0.25≤b≤0.5；

其中N和M是大于0的实数，代表锥度。

本发明的效果是通过对公、母的内、外密封面锥度的做一定的预处理，优化了接头的密封能力。

以193.68*12.7mm规格为例，在螺纹、台肩、密封面过盈量等其他所有接头尺寸都完全相同的情况下，模型1和模型2仅在内、外密封面的锥度上有所不同，通过有限元计算，其上扣后的内、外密封面接触长度相差很大。

附图说明

图1是本发明的双级螺纹气密封特殊螺纹接头结构的示意图；

图2双级螺纹气密封螺纹接头公母内密封面锥度相同的情况下，拧接后后内密封处的示意图；

图3双级螺纹气密封螺纹接头公母外密封面锥度相同的情况下，拧接后后外密封处的示意图。

具体实施方式

结合附图对本发明的用于套管的双级螺纹气密封特殊螺纹接头结构加以说明。

本发明的用于套管的双级螺纹气密封特殊螺纹接头结构是这样实现的：

该结构包括加工在套管端部的公端1和接箍或套管端部的母端2。所述套管公端1包括公外密封面5、第一段螺纹3、中部扭矩台肩9、第二段螺纹4、公内密封面7、公内台肩8。所述母端2包括母外台肩6、母外密封面5’、第一段螺纹3’、中部扭矩台肩9’、第二段螺纹4’、母内密封面7’。第一段螺纹公螺纹3和第一段母螺纹3’啮合，第二段公螺纹4和第二段母螺纹4’啮合，中部扭矩台肩9和9’对顶，公外密封面5和母外密封面5’相互接触，公内密封面7和母内密封面7’相互接触。内、外密封面通过一定的径向过盈量实现密封能力，该内外密封面都是锥面。

由于双极螺纹自身的结构特点，在拧接后，两端的内、外密封面会产生分离的趋势，造成实际公母密封面的接触长度远小于设计的公母密封面的接触长度。如图2和图3所示，当公内密封面和母内密封面的锥度相同，公外密封面和母外密封面的锥度相同。由于中部扭矩台肩对顶，螺纹两端的内密封面和外密封面仅在局部有接触，密封锥面有开口的趋势。在接头受到内压或者外压载荷时，由于密封面接触长度过短或者密封面接触压力不足，气体容易由缝隙S进入而发生泄漏。为了保证内、外压密封能力，必须要防止内、外密封面的分离趋势。

预处理如下：互相接触的公母密封面的锥度不相同，并且都与分离裂开趋势相反。设1：N为内密封面的基本锥度，则公内密封面相对于套管轴线的锥度是1：N+a，母内密封面相对于套管轴线的锥度是1：N-a；公外密封面相对于套管轴线的锥度是1：M-b，母外密封面相对于套管轴线的锥度是1：M+b。其中当N≤4.0时，0.05≤a≤0.3；当4.0＜N≤6.0时，0.15≤a≤0.4；当N＞6时，0.25≤a≤0.5。当M≤4.0时，0.05≤b≤0.3；当4.0＜M≤6.0时，0.15≤b≤0.4；当M＞6时，0.25≤b≤0.5。

其中N和M是大于0的实数，代表锥度，N和M可以相同也可以不相同。

例如：当内密封面的基本锥度N＝3时，a＝0.1，公内密封面锥度1:3.1，母内密封面锥度1:2.9，根据有限元计算的结果可知，这种配合的情况下，接头受到内压载荷的时候，内密封面的公母密封接触长度比较合理。

公外密封面相对于套管轴线的锥度是1：M-b，母外密封面相对于套管轴线的锥度是1：M+b。当M≤4.0时，0.05≤b≤0.3；当4.0＜M≤6.0时，0.15≤b≤0.4；当M＞6时，0.25≤b≤0.5。通过有限元分析可以得知随着M值的增大，b的值适当增大，这样的内压密封效果最佳。例如：当内密封面的基本锥度M＝6时，a＝0.2，公内密封面锥度1:5.8，母内密封面锥度1:6.2，根据有限元计算的结果可知，这种配合的情况下，接头受到外压载荷的时候，外密封面的公母密封接触长度比较合理。

若母端加工在套管管体上，则所述母端管体的扩径量小于套管管体外径3.5％。

所述两段带锥度的公母螺纹中部的扭矩台肩是直角扭矩台肩，所述两段带锥度的公母螺纹中部的扭矩台肩与轴线的夹角是75度。所述两段带锥度的公母螺纹的齿型为倒钩形螺纹，根据不同的外径和壁厚，对应的螺纹的螺距范围是8牙/英寸～4牙/英寸，对应齿高的范围是0.8mm～1.6mm，螺纹锥度为1：16。

两段螺纹中部的扭矩台肩与轴线的夹角是75～90度，75的的扭矩台肩可以增加楔形密封效果，保证精确的拧接定位。

Claims

1.一种用于套管的双级螺纹气密封特殊螺纹接头结构，该结构包括加工在套管端部的公端和接箍或套管端部的母端，其特征是：所述公端包括：公外密封面、两段带锥度的公螺纹及两段公螺纹中间的扭矩台肩、公螺纹端部的公内密封面、公内密封面顶点处的公内台肩；所述母端包括：母外台肩、母外密封面、两段带锥度的母螺纹及两段母螺纹中间的扭矩台肩、母螺纹端部的母内密封面；所述两段带锥度的公螺纹和母螺纹相互拧接在一起，两段螺纹中部的公母台肩相互对顶，公内密封面与母内密封面、公外密封面与母外密封面相互接触；所述的公内、外密封面都是锥面，所述的母内、外密封面都是锥面；所述公内密封面相对于套管轴线的锥度是1：N+a，母内密封面相对于套管轴线的锥度是1：N-a；所述公外密封面相对于套管轴线的锥度是1：M-b，母外密封面相对于套管轴线的锥度是1：M+b；当N≤4.0时，0.05≤a≤0.3；当4.0＜N≤6.0时，0.15≤a≤0.4；当N＞6时，0.25≤a≤0.5，当M≤4.0时，0.05≤b≤0.3；当4.0＜M≤6.0时，0.15≤b≤0.4；当M＞6时，0.25≤b≤0.5；

其中N和M是大于0的实数，代表锥度。

2.根据权利要求1所述的双级螺纹气密封特殊螺纹接头结构，其特征是：若母端加工在套管管体上，则所述母端管体的扩径量小于套管管体外径3.5％。

3.根据权利要求1所述的双级螺纹气密封特殊螺纹接头结构，其特征是：所述两段带锥度的公母螺纹中部的扭矩台肩是直角扭矩台肩。

4.根据权利要求1所述的双级螺纹气密封特殊螺纹接头结构，其特征是：所述两段带锥度的公母螺纹中部的扭矩台肩与轴线的夹角是75度。

5.根据权利要求1所述的双级螺纹气密封特殊螺纹接头结构，其特征是：所述两段带锥度的公母螺纹的齿型为倒钩形螺纹，根据不同的外径和壁厚，对应的螺纹的螺距范围是8牙/英寸～4牙/英寸，对应齿高的范围是0.8mm～1.6mm，螺纹锥度为1：16。