CN106168122A - 用于钛合金油井管用的特殊螺纹接头连接结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于钛合金油井管用的特殊螺纹接头连接结构，该结构的公密封面采用弧面的形式，母密封面采用锥面的形式，公母密封面通过过盈配合实现密封能力，弧面‑锥面的过盈量由弧面和锥面过盈后形成的剖面图的玄高决定，以解决API螺纹和常规特殊螺纹不适用于钛合金材质的问题。有益效果是该接头结构根据油井管的国际标准API 5B的要求，油井管需要满足多次上卸扣的而不发生粘扣：套管满足2次不发生粘扣，油管满足9次不发生粘扣。由于钛合金材质的表面硬度低、耐磨性能差，采用弧面‑锥面的密封形式就可以避免这种风险，弧面‑锥面的密封形式，密封面接触压力分布比较平均，呈山包状。

Description

用于钛合金油井管用的特殊螺纹接头连接结构

技术领域

本发明涉及一种用于钛合金油井管的特殊螺纹接头连接结构。

背景技术

石油天然气在世界能源乃至整个经济领域均占有极其重要的战略地位，伴随着世界经济的快速发展以及对能源需求的不断增加，石油天然气的勘探开发力度也在不断加大。随着地质结构的愈加复杂和钻井深度的不断增加，流体的温度和压力升高，含硫量增加，对于油井管的材料和技术要求更为严格。钛合金具有高比强度、高比模量、耐腐蚀等一系列优点，其作用和优势越来越明显。高强度、耐腐蚀的钛合金，尤其是钛合金油井管的需求越来越多，所以设计开发适用于钛合金油井管用的特殊螺纹接头连接结构非常有必要。由于钛合金表面硬度低、耐磨性能差、弹性模量低，对应力集中非常敏感。常规的锥面-锥面的密封面形式和过盈量设计在拧接后，局部区域密封面接触压力非常大，非常容易发生粘扣从而造成密封面的失效。

中国专利号为ZL201310085604.6，公开了一种钛合金油井管的生产方法，该方法首次采用连轧的方式进行钛合金无缝管的制造，突破了传统热挤压和冷轧工艺的限制，以及相对热挤压等其他工艺，成材率较高，可达85％以上。

中国专利号为ZL201210377714.5，公开了一种高强高韧耐腐蚀环境的钛合金油井管及其制造方法，该方法能保证其屈服强度满足110ksi要求，冲击韧性良好，并具有良好的抗H₂S、CO₂腐蚀的性能。

但是以上两个专利均未涉及到适用于钛合金材质的螺纹接头，由于钛合金材质的自身特点和使用环境，现有的API螺纹和常规特殊螺纹均不适用。因此，开发适用于钛合金油井管用的特殊螺纹接头连接结构成为急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于钛合金油井管用的特殊螺纹接头连接结构，以解决API螺纹和常规特殊螺纹不适用于钛合金材质的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种专用于钛合金油井管的气密封特殊螺纹接头结构，该结构包括有油井管的公端，包括有带锥度的公螺纹、公螺纹端部的公密封面以及公密封面顶点处的公台肩，还包括有油井管的公端对称结构接箍的母端，包括有带锥度的母螺纹、母螺纹端部的母密封面以及母密封面后面的母台肩组成，所述公螺纹和母螺纹相互拧接在一起，公密封面、母密封面相互接触；其中：公密封面采用弧面的形式，母密封面采用锥面的形式，公母密封面通过过盈配合实现密封能力，弧面-锥面的过盈量由弧面和锥面过盈后形成的剖面图的玄高决定，的范围是：

$\▿l\≤kpD(\frac{D^2+d^2}{D^2-d^2}+\frac{W^2+D^2}{W^2-D^2})$

其中k＝6.67×10^-4

式中：p——公密封的最大接触压力，D——管体外径，d——管体内径，W——接箍外径，σ_s——材料屈服强度，k——材料系数。

本发明的效果是能保证钛合金油井管的接头的抗粘扣能力和气密封能力。采用弧面-锥面的密封形式，能大幅度降低密封面接触压力，减少应力集中，在实际井场的使用中，钛合金油井管的接头能保证9次上卸扣拧接不发生粘扣，超过了API 5B规定的4次上卸扣不粘扣。另外合理的密封面过盈量可以保证接头的优异的气密封能力。接头的气密封能力与管体内屈服压力相当。在进行ISO 13679复合力评价试验中，钛合金油井管的接头能通过A系评价试验，即接头在承受100％管体等效应力曲线上的14个载荷点，包括拉伸+内压、压缩+内压、压缩+外压、拉伸+外压，不发生任何泄漏，从而保证接头的结构完整性。

附图说明

图1是本发明的适用于钛合金油井管用的特殊螺纹接头连接结构的示意图；

图2是本发明的适用于钛合金油井管用的特殊螺纹接头连接结构的密封部分放大示意图。

图中：

A、公端 B、母端 C、公螺纹 E、母螺纹 F、公密封面 G、母密封面 H、公台肩 J、母台肩 W、接箍外径 D、管体外径 d、管体内径

Δl、弧面-锥面的过盈量由弧面和锥面过盈后形成的剖面图的玄高

R、公密封面的圆弧半径 θ、母密封面与轴线的夹角

α、公母台肩与螺纹轴线的垂线的夹角

具体实施方式

结合附图对本发明的用于套管的气密封特殊螺纹接头结构加以说明。

如图1所示，本发明的用于钛合金油井管用的特殊螺纹接头连接结构包括公端A和母端B两部分组成，所述套管公端A由公螺纹C和含有公密封面F和公台肩H部分组成，所述接箍B部分在两根套管间连接，两边结构对称，包括母螺纹E和与公密封面对应的母密封面G和母台肩J。管体的外径为D，管体内径为d，接箍外径为W。

如图2所示，所述公密封面F为弧面，圆弧半径为R，所述母密封面G为锥面，锥面与轴线的夹角为θ，公母密封面配合后过盈形成的阴影部分为弧面-锥面的过盈量由弧面和锥面过盈后形成的剖面图的玄高

的范围是：

$\▿l\≤kpD(\frac{D^2+d^2}{D^2-d^2}+\frac{W^2+D^2}{W^2-D^2})---\left(1\right)$

其中k＝6.67×10^-4

式中：p——公密封的最大接触压力，D——管体外径，d——管体内径，W——接箍外径，σ_s——材料屈服强度，k——材料系数

本发明的用于钛合金油井管用的特殊螺纹接头连接结构是这样实现的：

钛合金油管规格如下：外径为88.9mm，壁厚为7.34mm，钢级110Ksi(屈服强度758MPa)，接箍外径为102mm，根据公式1计算可知，即密封面设计的过盈最大位置处的值不能超过0.38mm。螺纹为钩型螺纹，锥度1:16，螺距6牙/英寸，公螺纹齿高1mm，母齿高1.1mm。管体内屈服压力为109.5MPa，管体拉伸屈服强度为1425KN；接头能保证的内压强度为109.5MPa，接头能保证的拉伸屈服强度为1425KN，与管体相当。

套管规格如下：钛合金套管规格如下：外径为177.8mm，壁厚为9.19mm，钢级95Ksi(屈服强度655MPa)，接箍外径为200mm，根据公式1计算可知，即密封面设计的过盈最大位置处的值不能超过0.75mm。螺纹为钩型螺纹，锥度1:16，螺距5牙/英寸，公螺纹齿高1.5mm，母齿高1.6mm。管体内屈服压力为59.2MPa，管体拉伸屈服强度为3186KN；接头能保证的内压强度为59.2MPa，接头能保证的拉伸屈服强度为3186KN，与管体相当。

Claims (3)

1.一种用于钛合金油井管的气密封特殊螺纹接头结构，该结构包括有油井管的公端，包括有带锥度的公螺纹、公螺纹端部的公密封面以及公密封面顶点处的公台肩，还包括有油井管的公端对称结构接箍的母端，包括有带锥度的母螺纹、母螺纹端部的母密封面以及母密封面后面的母台肩组成，所述公螺纹和母螺纹相互拧接在一起，公密封面、母密封面相互接触；其特征是：公密封面采用弧面的形式，母密封面采用锥面的形式，公母密封面通过过盈配合实现密封能力，弧面-锥面的过盈量由弧面和锥面过盈后形成的剖面图的玄高决定，的范围是：

$\▿l\≤kpD\left(\frac{D^2+d^2}{D^2-d^2}+\frac{W^2+D^2}{W^2-D^2}\right)$

其中k＝6.67×10^-4

式中：p——公密封的最大接触压力，D——管体外径，d——管体内径，W——接箍外径，σ_s——材料屈服强度，k——材料系数。

2.根据权利要求1所述用于钛合金油井管的气密封特殊螺纹接头结构，其特征是：所述气密封特殊螺纹接头的母密封面与管体轴线的夹角θ范围为3～10°，所述公母台肩与管体轴线的垂线的夹角α为-15～-20°。

3.根据权利要求1所述用于钛合金油井管的气密封特殊螺纹接头结构，其特征是：所述气密封特殊螺纹接头的齿型为钩形螺纹，齿型的螺距为每英寸8-4牙，锥度为1：16，公螺纹齿高为0.9mm～1.7mm，母螺纹齿高为1.0mm～1.8mm。