CN105927167A - 一种用于超深井的特殊螺纹气密封油套管接头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于超深井的特殊螺纹气密封油套管接头，包括管体部分和接箍部分。接头由两级主密封(锥面/锥面密封结构、球面/锥面密封结构)、三级辅助密封(‑15°角扭矩台肩、两个直角扭矩台肩)、变形释放空间、退刀槽、连接螺纹等等组成。本发明解决了超高压油气井螺纹接头容易出现粘扣，密封失效、扭矩台肩剪切失效，接头抗应力腐蚀性能差、螺纹连接强度差，应力分布不均等技术问题，可用于高温、高压油气井,深井、超深井，定向井,水平井等。
Description
技术领域
本发明涉及应用于石油行业的油井管螺纹接头，具体地说是一种用于超深井的特殊螺纹气密封油套管接头。
技术背景
石油行业的油套管主要是通过螺纹接头连接起来，形成长度可达数千米的油套管柱，其中螺纹接头的连接强度、密封性能、抗高温高压性能、抗拉伸载荷能力、抗弯曲能力、抗过扭矩性能的优劣直接影响到油井管的连接质量。
随着国内外油气田开采的不断发展，国内出现了不少深井、超深井、高温高压并含有腐蚀性气体的油气井，传统的API(美国石油协会)接头和部分特殊螺纹接头的气密封性和抗复合载荷性能很难满足要求。目前在高温高压井中使用的部分套管已经发生了粘扣和气体泄漏的现象。针对这样恶劣的工况，要求使用的油井管在超深油气井中具有更高的气密封性能、连接强度和抗复合载荷的能力。
发明内容
为了解决超深油气井中螺纹接头容易出现粘扣，密封失效、扭矩台肩剪切失效、接头脱扣，螺纹应力分布不均等技术问题；同时为了使接头在内外压，弯曲载荷，压缩载荷，扭矩以及拉伸载荷等复杂工况下保证可靠地连接和密封，本发明提出了一种用于超深井的特殊螺纹气密封油套管接头。
本发明的技术解决方案是：
一种用于超深井的特殊螺纹气密封油套管接头，包括接箍和管体。管体端部加工外螺纹，接箍端部加工有内螺纹，接箍和管体的内外螺纹旋合成接头。接头由螺纹连接段，主密封段，和台肩段组成。新颖之处在于：所述螺纹是基于偏梯形螺纹为基体的新型螺纹结构，其导向面齿廓是一段圆弧，承压面齿廓是三段斜面和两端过渡圆弧面组成；螺纹采用变齿高设计，两侧的导入螺纹齿高分别比中间螺纹段的齿高要低；所述主密封包括第一级主密封和第二级主密封，第一级主密封靠近螺纹退刀槽，为球面/锥面密封结构，第二级主密封在两直角扭矩台肩之间，为锥面/锥面密封结构；所述台肩段由三段扭矩台肩构成，第一扭矩台肩和第二扭矩台肩间由过渡圆弧平滑连接，第三扭矩台肩在第一主密封和第二主密封之间。第二扭矩台肩和第二主密封间有变形释放空间，第二主密封和第三扭矩台肩有变形释放空间，第三扭矩台肩和第一主密封采用过渡圆弧平滑过渡。
上述第一扭矩台肩为-15°扭矩台肩，第二扭矩台肩和第三扭矩台肩均为90°扭矩台肩。
上述变形释放空间是由两段过渡圆弧围成的一个密闭空间。第二主密封和两直角台肩间的过渡外圆弧半径为1.2mm～1.8mm，过渡内圆弧半径为0.6mm～0.9mm。
上述第一级主密封的球面设置在公扣上，曲率半径为40mm～80mm，锥面设置在与球面配合的母扣段，锥面锥度为1:10。
上述第二级主密封采用变锥面结构，母扣锥面锥度为1:10，公扣锥面锥度为1:8。
本发明所具有的的有益效果：
1、本发明采用两级主密封和三级扭矩台肩结构，-15°扭矩台肩具有较强的抗过扭能力，同时对轴向载荷不敏感，在轴向载荷较大的情况下仍能保持较高的密封性能。直角台肩同时保证两主密封在压缩载荷下的密封性能，保护-15°扭矩台肩在压缩载荷下不造成剪切失效。三级扭矩台肩组合结构可严格控制上扣位置，降低螺纹接触应力，防止螺纹粘扣，同时增强接头的抗疲劳性能。球面/锥面密封结构和锥面/锥面密封结构相结合，可保证在复合载荷作用下的良好密封性能。各级密封结构及台肩间均有一定的过渡空间，可以起到变形缓冲的作用，防止密封结构产生屈服失效。
2、本发明所使用的螺纹是以偏梯形螺纹为基础设计出的一种新型螺纹结构，其导向面是以5°偏梯形螺纹导向面为基体的一段圆弧面，其承压面是三段斜面加两端过渡圆弧面组成。这样的结构保证螺纹快速上扣且不易脱扣。每对内外螺纹的承压面接触配合，形成了两个锥面/锥面密封结构和一个扭矩台肩，增强了接头的密封性能，同时保证螺纹在扭转、弯曲、压缩等复合载荷下的连接强度，且不易脱扣。
3、本发明油套管接头可满足高温，高压及含腐蚀性介质的苛刻工况，在轴向拉伸、压缩，扭转，弯曲等载荷组合作用下具有较强的连接强度、密封性能和抗疲劳失效能力，同时具有抗粘扣、抗脱扣、抗过扭矩的优良性能。有100％抗轴向载荷和抗内、外压能力，另外具有较强的抗压缩性能和抗弯曲能力，在井身结构具有一定的狗腿度时，也能保证安全施工。可用于高温、高压油气井，深井、超深井，定向井，水平井等。
附图说明
图1为本发明接头的整体结构示意图。
图2为本发明密封段结构图。
图3为本发明初始螺纹段示意图
图4为本发明螺纹齿形示意图。
附图标记为：A.管体部分，B.接箍部分，C.螺纹承压面上靠近齿顶的一段过渡圆弧，D.螺纹承压面上靠近齿根的一段过渡圆弧，1.第一扭矩台肩，2.第二扭矩台肩，3.第二主密封，4.第三扭矩台肩，5.第一主密封，6.退刀槽，7.连接螺纹，8.变形释放空间，701.导入螺纹段起始螺纹，702.导入螺纹段中间螺纹，703.导入螺纹段末端螺纹，704.正常齿高螺纹。
具体实施方式
本发明油套管接头是由管体部分A和接箍部分B组成，接头由三级辅助密封(-15°角扭矩台肩1、直角扭矩台肩2、直角扭矩台肩4)、两级主密封(锥面/锥面密封结构3、球面/锥面密封结构5)、退刀槽6、连接螺纹7、变形释放空间8等等组成。第一主密封球面在公扣上，球面半径为40mm～60mm；第二主密封采用变锥面结构，其母扣锥面锥度为1:10，公扣锥面锥度为1:8；变形释放空间的外过渡圆弧半径为1.2mm，内过渡圆弧半径为0.6mm；螺纹是以偏梯形螺纹为基础设计出的一种新型螺纹结构，其导向面是以5°偏梯形螺纹导向面为基体的一段圆弧面，其半径为9.25mm～12mm,其承压面是三段斜面加两段过渡圆弧面组成,中间段斜面与铅垂线夹角为45°，首尾两段斜面与铅垂线夹角为-15°，三段斜面高度均为整体齿高的1/3，齿顶和齿根与齿侧面过渡圆弧半径均为0.2mm～0.3mm，螺纹的螺距为7牙/in。
如图1所示，本油套管接头，管体端部加工有外螺纹，接箍端部加工有内螺纹，通过将外螺纹和内螺纹拧结，形成井下的套管柱，从而满足油田工作需求。
接头部分内径没有采用加厚处理，避免在内径变化处产生压力波动对管体造成冲击应力。
内外螺纹旋合后，管体内径齐平，能有效减少管体内部紊流现象，提高了接头的抗应力腐蚀能力。
如图2所示，接头部分由第一扭矩台肩1，第二扭矩台肩2，第二主密封3，第三扭矩台肩4，第一主密封5，螺纹退刀槽6，螺纹密封段7，变形释放空间8等组成。当公扣和母扣旋合预紧时，螺纹密封段的螺纹开始啮合，随着上扣扭矩的增加，外球面和内锥面接触，第一主密封5产生一定的过盈量，接着第二主密封3、第一扭矩台肩1产生接触应力，最后两直角台肩开始接触。随着内外螺纹不断拧接，密封面过盈量不断增大，直到上扣扭矩达到最佳，靠近接箍内壁和外壁处，形成了两级主密封、三级辅助密封的五级密封结构，大大提高了接头的气密封性能。
上述第一主密封5在上扣过程中，外球面和内锥面接触，逐渐达到过盈配合，在第一主密封和第三扭矩台肩4之间形成了一个减压槽，该减压槽能使第一密封面2在很大过盈量下得到变形释放，缓解应力集中。同时隔开第三扭矩台肩和第一密封面，减小第三扭矩台肩4在第一主密封5高接触应力下的影响。
上述第二主密封3采用变锥面密封结构，能产生很大的接触应力，接触路径长，密封能力很强。第二主密封面3通过变形释放空间与两直角扭矩台肩隔开，这样在缓解应力集中、保证密封性能的同时，由于直角台肩的存在，大大保证了主密封在压缩载荷下密封能力。
上述螺纹退刀槽能降低内螺纹刚性并增加其弹性变形能力，负载也可转移至后续螺纹，从而使应力分布更加均匀，也增加了连接螺纹的抗疲劳寿命，同时避免了母扣大端初始螺纹局部应力过大。
辅助密封结构采用-15°扭矩台肩和两直角扭矩台肩的组合，三扭矩台肩除了辅助密封作用外，还能控制上扣扭矩和过盈量，使接头更容易上扣定位，同时提高螺纹和密封面的抗粘结能力。上述螺纹密封段首尾段采用导入式螺纹设计，即采用变齿高的方法，相对于API偏梯形螺纹，大大增强了承载能力。701啮合齿是正常齿高的1/2，其中外螺纹的齿高为0.888mm；内螺纹齿高为0.938mm；702啮合齿是正常齿高7/10，其中外螺纹齿高为1.243mm；内螺纹齿高为1.313mm；703啮合齿为正常齿高的9/10，其中外螺纹齿高为1.598mm；内螺纹齿高为1.688mm；704啮合齿为正常齿高，外螺纹齿高1.775mm；内螺纹齿高1.875mm；变齿高有三个方面的作用：第一、降低首尾螺纹段的齿高，能减少首尾螺纹段的承载力，降低首尾螺纹的局部应力集中(由有限元分析得知，首尾起始螺纹有很大的应力集中)；第二、使得中部螺纹承载更大的载荷，有效地优化了螺纹段应力分布。第三、内螺纹齿高比外螺纹高，内外螺纹啮合时产生一定的间隙，降低螺纹的粘扣风险。
如图4所示，螺纹是以偏梯形螺纹为基础设计出的一种新型螺纹结构，其导向面是以5°偏梯形螺纹导向面为基体的一段圆弧面，其半径为9.25mm～12mm，其承压面是三段斜面加两段过渡圆弧面组成,中间段斜面与铅垂线夹角为45°，首尾两段斜面与铅垂线夹角为-15°，高度均为整体齿高的1/3，外螺纹过渡圆弧C半径为0.2mm,与外螺纹过渡圆弧C配合的内螺纹过渡圆弧的半径为0.1mm，这样在两过渡圆弧之间会形成一个变形释放空间，外螺纹过渡圆弧D的半径为0.1mm，与外螺纹过渡圆弧D配合的内螺纹过渡圆弧半径为0.2mm。齿顶和齿根与齿侧面过渡圆弧半径均为0.2mm～0.3mm。这样的设计有三点好处：第一、导向面是以5°偏梯形螺纹导向面为基体的一段圆弧面，该结构有利于快速上扣且螺纹不易错扣和跳扣，同时在压缩载荷下，也具有一定的承载能力。第二、三段斜面和两段过渡圆弧面组成的承压面，相对于偏梯形螺纹的承压面，大大提高了接头在拉伸、弯曲等复合载荷下的连接能力，同时楔形效应提高了螺纹的抗脱扣能力，保证接头不会滑脱失效。第三、内外螺纹靠近齿顶的-15°斜面和中间的45°斜面相配合，形成两个端锥面/锥面的密封结构，同时内外螺纹靠近齿底的-15°斜面相配合，形成了扭矩台肩结构，这样的设计提高了螺纹的密封性能，由于会严格控制内外螺纹的过盈量，不会因应力过大而产生粘扣。
上述螺纹齿顶/齿根方向平行于管体轴线，更易于上扣，不易错扣；同时很大程度上降低了螺纹磨损和黏结的风险。
上述外螺纹喷砂处理，内螺纹进行镀铜处理，大大提高螺纹的抗粘扣能力。
Claims (4)
1.一种用于超深井的特殊螺纹气密封油套管接头，包括管体部分和接箍部分,接头由两级主密封(锥面/锥面密封结构、球面/锥面密封结构)、三级辅助密封(-15°角扭矩台肩、两个直角扭矩台肩)、变形释放空间、退刀槽、连接螺纹等等组成。其中第一扭矩台肩和第二扭矩台肩、第二扭矩台肩和第二主密封、第二主密封和第三扭矩台肩间均有变形释放空间。其特征是：上述变形释放空间是由两段过渡圆弧围成的一个密闭空间，过渡外圆弧半径为1.2mm～1.8mm，过渡内圆弧半径为0.6mm～0.9mm。
2.根据权利要求1所述的一种用于超深井的特殊螺纹气密封油套管接头，其特征是：锥面/锥面密封采用变锥面结构，母扣锥面锥度为1:10，公扣锥面锥度为1:8。
3.根据权利要求1所述的一种用于超深井的特殊螺纹气密封油套管接头，其特征是：球面/锥面密封结构的球面设置在公扣上，曲率半径为40mm～80mm，锥面设置在与球面配合的母扣段，锥面锥度为1:10。
4.根据权利要求1所述的一种用于超深井的特殊螺纹气密封油套管接头，其特征是：螺纹是以偏梯形螺纹为基础设计出的一种新型螺纹结构，其导向面是以5°偏梯形螺纹导向面为基体的一段圆弧面，其半径为9.25mm～12mm，其承压面是三段斜面加两段过渡圆弧面组成,中间段斜面与铅垂线夹角为45°，首尾两段斜面与铅垂线夹角为-15°，高度均为整体齿高的1/3，外螺纹过渡圆弧C半径为0.2mm,与外螺纹过渡圆弧C配合的内螺纹过渡圆弧的半径为0.1mm，这样在两过渡圆弧之间会形成一个变形释放空间，外螺纹过渡圆弧D的半径为0.1mm，与外螺纹过渡圆弧D配合的内螺纹过渡圆弧半径为0.2mm。齿顶和齿根与齿侧面过渡圆弧半径均为0.2mm～0.3mm。同时螺纹首尾段采用导入式螺纹设计，即采用变齿高的方法，啮合齿(701)是正常齿高的1/2，其中外螺纹的齿高为0.888mm；内螺纹齿高为0.938mm；啮合齿(702)是正常齿高7/10，其中外螺纹齿高为1.243mm；内螺纹齿高为1.313mm；啮合齿(703)为正常齿高的9/10，其中外螺纹齿高为1.598mm；内螺纹齿高为1.688mm；啮合齿(704)为正常齿高，外螺纹齿高1.775mm；内螺纹齿高1.875mm。
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