CN105507824B - 一种井下工具使用的气密封螺纹结构及井下工具 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种气密封螺纹结构及井下工具，所述气密封螺纹结构包括设有外螺纹的公扣和设有内螺纹的母扣，所述公扣和母扣相互嵌套、且公扣的外螺纹与母扣的内螺纹相连接，其特征在于：在所述公扣和母扣螺纹连接段的前侧和/或后侧设有密封单元，该密封单元包括设在公扣外周面上的外密封面、以及设在母扣内周面上的内密封面，所述外密封面与内密封面过盈配合。本申请涉及的气密封螺纹结构中，通过外螺纹和内螺纹的相互连接可实现公扣和母扣的可靠连接，同时，通过公扣上外密封面与母扣上内密封面的过盈配合实现深井严苛条件下的高效密封，进而提高气密封螺纹结构及设有该气密封螺纹结构的井下工具的气密封性能，最终保证石油开采的顺利进行。
Description
技术领域
本发明涉及石油井下工具技术领域，特别是涉及一种用于连接井下工具本体零部件的井下工具使用的气密封螺纹结构及井下工具。
背景技术
随着世界对化石能源需求的急剧攀升、以及石油可开采量的逐年减小，当前石油开采领域正逐步向深井、超深井、高压油气井、稠油热采井、定向井等方面发展，由此对井下工具各零部件间的连接密封性提出了更高的要求。目前，井下工具各零部件间的密封连接结构为：在普通连接螺纹的前端或后端添加O型密封圈，但是其已经不能满足当前石油开采时高温高压的使用环境的要求，也不能满足耐久性和使用寿命的要求。一旦井下工具各零部件间螺纹连接结构的气密封性失效，将造成巨大的经济损失和环境污染。所以，为了保证石油的安全生产，势必需要一种具有承压能力强、使用寿命长、耐久性好等优点的气密封螺纹结构，以提高井下工具的密封性能。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种具有高密封性的井下工具使用的气密封螺纹结构。
为实现上述目的，本发明提供一种井下工具使用的气密封螺纹结构，包括设有外螺纹的公扣和设有内螺纹的母扣，所述公扣和母扣相互嵌套、且公扣的外螺纹与母扣的内螺纹相连接，在所述公扣和母扣螺纹连接段的前侧和/或后侧设有密封单元，该密封单元包括设在公扣外周面上的外密封面、以及设在母扣内周面上的内密封面，所述外密封面与内密封面过盈配合。
进一步地，所述密封单元有两个，分别为位于公扣和母扣螺纹连接段前侧的一级密封单元、以及位于公扣和母扣螺纹连接段后侧的二级密封单元；所述一级密封单元包括设在公扣外周面上的一级外密封锥面、以及设在母扣内周面上的一级内密封锥面，所述一级外密封锥面与一级内密封锥面过盈配合；所述二级密封单元包括设在公扣外周面上的二级外密封锥面、以及设在母扣内周面上的二级内密封锥面，所述二级外密封锥面与二级内密封锥面过盈配合；所述一级外密封锥面和二级外密封锥面构成所述外密封面，所述一级内密封锥面和二级内密封锥面构成所述内密封面。
优选地，所述外螺纹与一级外密封锥面、外螺纹与二级外密封锥面、内螺纹与一级内密封锥面、内螺纹与二级内密封锥面均通过圆柱面过渡连接。
优选地，所述一级外密封锥面的母线与公扣的中心线之间的夹角为5°，所述一级内密封锥面的母线与母扣的中心线之间的夹角为4.5°，所述二级外密封锥面的母线与公扣的中心线之间的夹角为5°，所述二级内密封锥面的母线与母扣的中心线之间的夹角为5°。
进一步地，还包括位于公扣和母扣之间的形变空间，该形变空间位于所述二级密封单元的后端处。
优选地，所述公扣后端设有位于二级外密封锥面后端处的第一圆弧面，所述母扣后端设有位于二级内密封锥面后端处的第二圆弧面，所述第二圆弧面的圆弧半径是第一圆弧面的圆弧半径的1.5～3倍，所述第一圆弧面和第二圆弧面之间围成的区域构成所述形变空间。
进一步地，所述公扣的内周面上开设有用于允许外密封面产生弹性变形的内孔。
进一步地，所述公扣的后端设有向外突出的扭矩台肩，当公扣和母扣螺纹拧紧后，所述扭矩台肩的前端面与母扣的后端面相抵靠。
优选地，所述公扣和母扣的材质均为金属。
本发明还提供一种井下工具，包括如上所述的气密封螺纹结构。
如上所述，本发明涉及的井下工具使用的气密封螺纹结构及井下工具，具有以下有益效果：
本申请涉及的气密封螺纹结构中，通过外螺纹和内螺纹的相互连接可实现公扣和母扣的可靠连接，同时，通过公扣上外密封面与母扣上内密封面的过盈配合实现深井严苛条件下的高效密封，进而提高气密封螺纹结构及设有该气密封螺纹结构的井下工具的气密封性能，最终保证石油开采的顺利进行。
附图说明
图1为本申请中公扣的结构示意图。
图2为本申请中母扣的结构示意图。
图3为本申请中公扣与母扣的连接示意图。
图4为图3的A圈放大图。
元件标号说明
1 公扣
11 外螺纹
12 一级外密封锥面
13 二级外密封锥面
14 第一圆弧面
15 内孔
16 扭矩台肩
17 第三圆弧面
2 母扣
21 内螺纹
22 一级内密封锥面
23 二级内密封锥面
24 第二圆弧面
3 圆柱面
4 形变空间
5 一级密封单元
6 二级密封单元
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
本申请提供一种井下工具使用的气密封螺纹结构，用于井下工具本体上各零部件间的螺纹连接，使各零部件之间具有非常好的气密封效果；同时，本申请还提供一种井下工具，包括气密封螺纹结构，依次来提高该井下工具的气密封效果。如图1至图3所示，所述气密封螺纹结构包括设有外螺纹11的公扣1和设有内螺纹21的母扣2，所述公扣1穿设在母扣2中、且公扣1的外螺纹11与母扣2的内螺纹21相连接，在所述公扣1和母扣2螺纹连接段的前侧和/或后侧设有密封单元；所述密封单元包括设在公扣1外周面上的外密封面、以及设在母扣2内周面上的内密封面，所述外密封面与内密封面过盈配合。因此，所述气密封螺纹结构有三种实施例：实施例一、公扣1和母扣2螺纹连接段的前侧设有密封单元；实施例二、公扣1和母扣2螺纹连接段的后侧设有密封单元；实施例三、公扣1和母扣2螺纹连接段的前侧和后侧都设有密封单元。
本申请涉及的气密封螺纹结构中，通过外螺纹11和内螺纹21的相互连接可实现公扣1和母扣2的可靠连接，同时，通过公扣1上外密封面与母扣2上内密封面的过盈配合实现深井严苛条件下的高效密封，进而提高气密封螺纹结构及设有该气密封螺纹结构的井下工具的气密封性能，最终保证石油开采的顺利进行。优选地，上述三个实施例中，所述公扣1和母扣2的材质均为金属，如公扣1和母扣2可选用铜、钢、铝合金、铝、钛、钛合金等金属材料；公扣1和母扣2都选用金属材质后，可大大提高公扣1和母扣2在螺纹连接段处以及密封单元处的承压能力，从而使得该气密封螺纹结构具有高抗拉强度、使用寿命长、耐久性好等优点。
进一步地，上述气密封螺纹结构的三个实施例中，实施例三为较优实施例，即在公扣1和母扣2螺纹连接段的前侧和后侧都设有密封单元，当位于公扣1和母扣2螺纹连接段前侧或后侧的密封单元失效时，则位于公扣1和母扣2螺纹连接段另一侧的密封单元仍是有效的，使得气密封螺纹结构仍然具有较好的气密封效果，从而保证井下工具的气密封效果。
优选地，在公扣1和母扣2螺纹连接段的前侧和后侧都设有一个密封单元，故密封单元一共为两个，如图3所示，位于公扣1和母扣2螺纹连接段前侧的密封单元为一级密封单元5，位于公扣1和母扣2螺纹连接段后侧的密封单元为二级密封单元6。如图1至图3所示，所述一级密封单元5包括设在公扣1外周面上的一级外密封锥面12、以及设在母扣2内周面上的一级内密封锥面22，所述一级外密封锥面12与一级内密封锥面22过盈配合；所述二级密封单元6包括设在公扣1外周面上的二级外密封锥面13、以及设在母扣2内周面上的二级内密封锥面23，所述二级外密封锥面13与二级内密封锥面23过盈配合；所述一级外密封锥面12和二级外密封锥面13构成所述外密封面，所述一级内密封锥面22和二级内密封锥面23构成所述内密封面。因此，公扣1上的外螺纹11和母扣2上的内螺纹21仅仅起到连接和承受轴向载荷的作用，而位于公扣1和母扣2螺纹连接段的前后两侧处的密封单元起到双级密封的作用，以提高公扣1和母扣2螺纹连接结构的气密封效果。同时，一级外密封锥面12与一级内密封锥面22、二级外密封锥面13与二级内密封锥面23之间接触面积大，在气密封螺纹结构承受轴向载荷时，一级外密封锥面12与一级内密封锥面22、二级外密封锥面13与二级内密封锥面23都能有效地压紧、压实，故在一级密封单元5和二级密封单元6处均具有非常好的密封性能。
另外，本实施例中，如图1所示，公扣1的外周面上，外螺纹11与一级外密封锥面12、外螺纹11与二级外密封锥面13通过圆柱面3过渡连接；如图2所示，母扣2的内周面上，内螺纹21与一级内密封锥面22、内螺纹21与二级内密封锥面23也通过圆柱面3过渡连接，进而保证一级外密封锥面12与一级内密封锥面22、二级外密封锥面13与二级内密封锥面23能够有效地接触及过盈配合。
特别地，公扣1上一级外密封锥面12的锥度与母扣2上一级内密封锥面22的锥度的差值、以及公扣1上二级外密封锥面13的锥度与母扣2上二级内密封锥面23的锥度的差值维持在0～0.5°内，因此，在上扣时公扣1上的一级外密封锥面12和二级外密封锥面13分别与母扣2上的一级内密封锥面22和二级内密封锥面23沿锥度方向实现过盈配合，且小锥度差的锥形密封面之间的过盈配合可以使得锥形密封面的受力情况得到很大改善，并且在承受大轴向载荷时，锥形密封面在径向上实现过盈，轴向拉伸载荷对锥形密封面的影响不大，并且锥形密封面处的内外压差越大，公扣1上的外密封面与母扣2上的内密封面就能压得越紧，公扣1和母扣2之间的密封效果就越好。
优选地，一级外密封锥面12、二级外密封锥面13、一级内密封锥面22、以及二级内密封锥面23的直径均是由后至前逐渐减小，且一级外密封锥面12的母线与公扣1的中心线之间的夹角为5°，一级内密封锥面22的母线与母扣2的中心线之间的夹角为4.5°，二级外密封锥面13的母线与公扣1的中心线之间的夹角为5°，二级内密封锥面23的母线与母扣2的中心线之间的夹角为5°。因此，当公扣1和母扣2相互嵌套后，在一级密封单元5处，公扣1上5°的一级外密封锥面12和母扣2上4.5°的一级内密封锥面22能够充分地接触、且接触面非常紧实，故一级密封单元5处的密封性非常好；而在二级密封单元6处，公扣1上5°的二级外密封锥面13和母扣2上5°的二级内密封锥面23在气密封螺纹结构轴向受力时、也能够充分地过盈配合，但二级密封单元6处二级外密封锥面13和二级内密封锥面23受力小、不容易损坏。
较优地，所述公扣1的后端设有向外突出的扭矩台肩16；当公扣1和母扣2螺纹拧紧后，所述扭矩台肩16的前端面与母扣2的后端面相抵靠，用于限制母扣2相对于公扣1进一步向后旋转拧紧。另外，如图1和图3所示，所述公扣1前端的内周面上挖空一段、形成内孔15，该内孔15位于一级密封单元5处，并向后延伸至外螺纹11处，从而使公扣1上一级外密封锥面12可以产生弹性变形的前提下，又保证公扣1上外螺纹11的连接强度。
进一步地，如图1至图4所示，所述公扣1后端设有位于二级外密封锥面13后端处的第一圆弧面14，第一圆弧面14同时还起到过渡连接扭矩台肩16与二级外密封锥面13的作用，且第一圆弧面14的圆弧半径为0.2～0.6mm；所述母扣2后端设有位于二级内密封锥面23后端处的第二圆弧面24，第二圆弧面24的圆弧半径为0.4～1.2mm，且第二圆弧面24的圆弧半径是第一圆弧面14的圆弧半径的1.5～3倍，优选为2倍左右。因此，当公扣1和母扣2相互嵌套后，第一圆弧面14和第二圆弧面24之间围成一圈位于所述二级密封单元6后端处的月牙形区域；当井下工具在深井复杂工况下，一旦上述四个锥形密封面产生变形，则公扣1和母扣2之间的月牙形区域就会形成允许锥形密封面变形的形变空间4。这样，当井下工具处于恶劣工况产生拉伸、挤压、扭曲或高温高压的状态时，锥形密封面和扭矩台肩16所产生的应力变形会在形变空间4得到释放，因此既能保护锥形密封面和扭矩台肩16、实现有效密封，也能保证在卸扣公扣1和母扣2的多次使用。
为了便于装配，公扣1的前端、在一级外密封锥面12的前端起点处设有第三圆弧面17，第三圆弧面17的圆弧半径为0.6～0.9mm。本实施例中，所述第一圆弧面14、第二圆弧面24、和第三圆弧面17均为倒圆角处理后所形成的圆弧面。公扣1和母扣2的上扣方式为：公扣1的外螺纹11和母扣2的内螺纹21进行啮合上扣，则公扣1的锥形密封面和母扣2的锥形密封面开始接触；继续上扣，公扣1后端处的二级外密封锥面13和母扣2后端处的二级内密封锥面23自圆弧形端部至锥形密封面部分产生过盈配合，同时，公扣1前端处的一级外密封锥面12和母扣2前端处的一级内密封锥面22也自圆弧形端部至锥形密封面部分产生过盈配合；再继续上扣，当母扣2的后端面接触到公扣1后端的扭矩台肩16后，此时的轴向应力反馈到所加载的扭矩会急剧变大，因此，当扭矩到达额定扭矩范围内时停止加载扭矩，完成公扣1和母扣2的上扣。
综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (7)
1.一种井下工具使用的气密封螺纹结构，包括设有外螺纹(11)的公扣(1)和设有内螺纹(21)的母扣(2)，所述公扣(1)穿设在母扣(2)中、且公扣(1)的外螺纹(11)与母扣(2)的内螺纹(21)相连接，其特征在于：在所述公扣(1)和母扣(2)螺纹连接段的前侧和/或后侧设有密封单元，该密封单元包括设在公扣(1)外周面上的外密封面、以及设在母扣(2)内周面上的内密封面，所述外密封面与内密封面过盈配合；所述密封单元有两个，分别为位于公扣(1)和母扣(2)螺纹连接段前侧的一级密封单元(5)、以及位于公扣(1)和母扣(2)螺纹连接段后侧的二级密封单元(6)；所述一级密封单元(5)包括设在公扣(1)外周面上的一级外密封锥面(12)、以及设在母扣(2)内周面上的一级内密封锥面(22)，所述一级外密封锥面(12)与一级内密封锥面(22)过盈配合；所述二级密封单元(6)包括设在公扣(1)外周面上的二级外密封锥面(13)、以及设在母扣(2)内周面上的二级内密封锥面(23)，所述二级外密封锥面(13)与二级内密封锥面(23)过盈配合；所述一级外密封锥面(12)和二级外密封锥面(13)构成所述外密封面，所述一级内密封锥面(22)和二级内密封锥面(23)构成所述内密封面；所述公扣(1)的内周面上开设有用于允许外密封面产生弹性变形的内孔(15)，所述内孔(15)位于一级密封单元(5)处、并向后延伸至外螺纹(11)处；还包括位于公扣(1)和母扣(2)之间的形变空间(4)，该形变空间(4)位于所述二级密封单元(6)的后端、用于允许锥形密封面变形。
2.根据权利要求1所述的气密封螺纹结构，其特征在于：所述外螺纹(11)与一级外密封锥面(12)、外螺纹(11)与二级外密封锥面(13)、内螺纹(21)与一级内密封锥面(22)、内螺纹(21)与二级内密封锥面(23)均通过圆柱面(3)过渡连接。
3.根据权利要求1所述的气密封螺纹结构，其特征在于：所述一级外密封锥面(12)的母线与公扣(1)的中心线之间的夹角为5°，所述一级内密封锥面(22)的母线与母扣(2)的中心线之间的夹角为4.5°，所述二级外密封锥面(13)的母线与公扣(1)的中心线之间的夹角为5°，所述二级内密封锥面(23)的母线与母扣(2)的中心线之间的夹角为5°。
4.根据权利要求1所述的气密封螺纹结构，其特征在于：所述公扣(1)上设有位于二级外密封锥面(13)后端处的第一圆弧面(14)，所述母扣(2)上设有位于二级内密封锥面(23)后端处的第二圆弧面(24)，所述第二圆弧面(24)的圆弧半径是第一圆弧面(14)的圆弧半径的1.5～3倍，所述第一圆弧面(14)和第二圆弧面(24)之间围成的区域构成所述形变空间(4)。
5.根据权利要求1所述的气密封螺纹结构，其特征在于：所述公扣(1)的后端设有向外突出的扭矩台肩(16)，当公扣(1)和母扣(2)螺纹拧紧后，所述扭矩台肩(16)的前端面与母扣(2)的后端面相抵靠。
6.根据权利要求1所述的气密封螺纹结构，其特征在于：所述公扣(1)和母扣(2)的材质均为金属。
7.一种井下工具，其特征在于：包括如权利要求1-6任一项所述的气密封螺纹结构。
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| CN2594444Y (zh) * | 2002-12-10 | 2003-12-24 | 宝山钢铁股份有限公司 | 一种油井管接头 |
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| CN104153716A (zh) * | 2014-07-28 | 2014-11-19 | 聊城安泰石油机械有限公司 | 一种油管、套管密封连接扣 |
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2016
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