CN108798551B - 大外径薄壁厚的表层套管螺纹接头结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大外径薄壁厚的套管螺纹接头结构，包括在管端上加工的公端部分和接箍上加工的母端部分，所述公端设有带锥度的公螺纹，所述母端包括带锥度的母螺纹、空刀槽和台肩，其特征是：所述公螺纹和母螺纹相互拧接在一起后公端的端面和母端台肩相互对顶，且公端完整螺纹长度L7同时满足管端面处不发生变形的管壁厚度值范围和保证螺纹连接强度不小于管体的屈服强度。本发明的有益效果是：针对大外径薄壁厚表层套管，给出了完整螺纹长度的设计方法，在保证连接强度足够的前提下，能够合理的设计螺纹的长度。
Description
技术领域
本发明涉及石油工业领域的套管螺纹连接结构，特别是涉及一种大外径薄壁厚的表层套管螺纹接头结构。
背景技术
表层套管是油气井套管程序里最外层的套管，钻井开孔后钻到表土层以下的基岩，或钻达一定深度，下入表层套管。表层套管的规格一般为339.72mm～609.6mm，主要作用有：①隔离上部含水层，不使地面水和表层地下水渗入井筒；②保护井口，加固表土层井段的井壁；③对于继续钻下去会遇到高压油气层的，在表层套管上安装防喷器预防井喷。表层套管与井壁之间的间隙全部要用水泥封堵，即固井注水泥时，水泥浆需返出井口，才能起到隔离地层和保护井壁的作用。
在通用的API标准中，表层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，但是对于大口径的表层套管而言，API接头螺纹由于锥度过缓，齿高和螺距较小，不易对扣容易错扣，给油田现场操作带来不便。
随着极端条件下油气田开发越来越多，对表层套管的使用要求也越来越高。为了给后续技术套管的下入尽可能留下更大的环空间隙，表层套管的选择偏向于大口径的薄壁。由于海上油田等苛刻条件下的使用限制，需要表层套管容易对扣，且能快速拧接下入。
中国专利号为CN200920251575，公开了一种大口径快速上扣套管螺纹连接结构，效果是加快上扣速度，提高大口径套管的连接强度，更利于油套管管串的下放和固井工作的进行；中国专利号为CN201220600955，公开了大口径变螺距快速上扣套管螺纹连接结构，效果是该套管螺纹结构在上扣操作时容易对扣，螺距大于普通API偏梯形螺纹能提高上扣速度节约上扣时间，承受拉伸载荷不易滑脱，连接效率高于同规格API偏梯形螺纹，能承受较高压缩弯曲载荷，并具有可靠的密封性能。
以上专利都采用改进型粗牙螺纹连接，且接箍中部都采用退刀槽和扭矩台肩的形式，上扣拧接操作时，管端面和接箍中部的扭矩台肩对顶实现最终拧接定位。但是都没有说明如何确定大口径薄壁厚套管的螺纹长度。首先，对于母端而言，螺纹部分几乎全部是完整螺纹；而对于公端而言，螺纹长度包括完整螺纹长度和不完整螺纹长度两部分。由于螺纹锥度固定，所以公端的不完整螺纹长度只由螺纹高度和螺纹锥度决定，而公端完整螺纹长度的确定对整个接头的设计非常重要。如果公端完整螺纹长度过长，会造成公端端面太窄，在上扣拧接时，公端端面钢性过小，与母台肩对顶容易发生屈服，而如果公端完整螺纹过短，会造成螺纹啮合的强度太低。所以需要考虑在保证螺纹连接强度足够的前提下，最大限度的增大公端接头端面的厚度，才能确保接头拧接后的结构完整性。
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了一种给定计算公端完整螺纹长度范围值的公式且判断选用管体外径D与管体壁厚t比大于34的大外径薄壁厚的表层套管螺纹接头结构。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：大外径薄壁厚的表层套管螺纹接头结构，包括在管端上加工的公端部分和接箍上加工的母端部分。公端具有带锥度的公螺纹，母端具有带锥度的母螺纹、空刀槽和台肩。所述的公螺纹和母螺纹相互拧接在一起，公端的端面和母端台肩相互对顶。所述的公端完整螺纹长度L7须同时满足以下公式1和公式2：
(E7-D+2Hp+2)/k≤L7≤(E7-D+2t-10)/k (公式1)
其中
L7：公端完整螺纹长度；D：管体外径；t：管体壁厚；p：螺纹螺距；
k：螺纹锥度；g：公端不完整螺纹长度；E7：公螺纹中径；Hp：公螺纹齿高；Hb：母螺纹齿高；M：母端空刀槽长度。
本发明的效果是：针对大外径薄壁厚表层套管，给出了完整螺纹长度的设计方法，在保证连接强度足够的前提下，能够合理的设计螺纹的长度。
附图说明
图1是本发明的大口径薄壁厚表层套管结构示意图；
图2是本发明的大口径薄壁厚表层套管齿形配合图；
图3是本发明的大口径薄壁厚表层套管公端示意图；
图4是本发明的大口径薄壁厚表层套管母端示意图。
图中：
1、母端 2、公端 3、母螺纹
4、公螺纹 5、台肩 6、空刀槽
L7、公螺纹完整螺纹长度 E7、公螺纹中径 Ap、管体截面积
Hp、公螺纹高度 Hb、母螺纹高度 d0、公螺纹小端中径
P、螺纹螺距 k、螺纹锥度 L、螺旋线近似长度
D、管体外径 t、管体壁厚
具体实施方式
下面结合附图对本发明的大外径薄壁厚表层套管接头结构加以说明。
如图1所示，本发明的应用于大外径薄壁厚表层套管接头结构，包括在管端上加工的公端部分和接箍上加工的母端部分。公端具有带锥度的公螺纹，母端具有带锥度的母螺纹和母台肩。所述的公螺纹和母螺纹相互拧接在一起，公螺纹端面母台肩相互对顶。所述的公端完整螺纹长度L7必须同时满足以下公式1和公式2：
(E7-D+2Hp+2)/k≤L7≤(E7-D+2t-10)/k (公式1)
其中
L7：公端完整螺纹长度；D：管体外径；t：管体壁厚；p：螺纹螺距；k：螺纹锥度；g：公端不完整螺纹长度；E7：公螺纹中径；Hp：公螺纹齿高；Hb：母螺纹齿高；M：母端空刀槽长度。
所述母台肩为直角扭矩台肩，所述公、母螺纹为偏梯型螺纹或倒钩形螺纹，齿型的螺距为每英寸2.5～4牙，锥度k为1:7～1：12，公螺纹齿高为2.1～2.3mm，母螺纹齿高为2.2～2.4mm；公螺纹齿高不大于母螺纹齿高，公母螺纹的齿顶和齿底均平行于轴线。
本发明的大外径薄壁厚表层套管接头结构通过如下两个实例来说明。
实施例1
规格外径D＝339.72mm，壁厚t＝9.65mm的表层套管。
螺纹形式为偏梯型螺纹，承载侧角度为3度，导入侧角度为20度，公螺纹齿高Hp＝2.1mm，母螺纹齿高Hb＝2.3mm，螺距p＝8.46mm，螺纹锥度k＝1：10，螺纹中径E7＝339.72-2.1＝337.62mm，M＝10mm根据式(1)计算得到：
41.0≤L7≤72.0mm
根据公式(2)得到：
L7≥34.04mm
L7在41.0mm～72.0mm的范围内都能满足设计要求，所以选择L7＝58.0mm。
实施例2
规格外径D＝406.4mm，壁厚t＝11.13mm的表层套管为例。
螺纹形式为钩形螺纹，承载侧角度为-4度，导入侧角度为20度，公螺纹齿高Hp＝2.2mm，母螺纹齿高Hb＝2.3mm，螺距p＝8.46mm，螺纹锥度k＝1：9，螺纹中径E7＝406.4-2.2＝404.2mm，M＝10mm根据式(1)计算得到：
38.0≤L7≤91.0mm
根据公式(2)得到：
L7≥38.68mm
L7在38.68mm～91.0mm的范围内都能满足设计要求，所以选择L7＝65.0mm。
Claims (2)
1.一种大外径薄壁厚的表层套管螺纹接头结构，包括在管端上加工的公端部分和接箍上加工的母端部分，所述公端设有带锥度的公螺纹，所述母端包括带锥度的母螺纹、空刀槽和台肩，其特征是：所述公螺纹和母螺纹相互拧接在一起后公端的端面和母端台肩相互对顶，且公端完整螺纹长度L7同时满足管端面处不发生变形的管壁厚度值范围和保证螺纹连接强度不小于管体的屈服强度；所述公端完整螺纹长度L7同时满足管端面处不发生变形的管壁厚度值范围的公式1和保证螺纹连接强度不小于管体屈服强度的公式2分别为：
(E7-D+2Hp+2)/k≤L7≤(E7-D+2t-10)/k (公式1)
其中
L7：公端完整螺纹长度；D：管体外径；t：管体壁厚；p：螺纹螺距；
k：螺纹锥度；g：公端不完整螺纹长度；E7：公螺纹中径；Hp：公螺纹齿高；M：母端空刀槽长度；
所述管体外径D与管体壁厚t值的选择为比值满足D/t≥34.0；所述母端台肩为直角扭矩台肩。
2.根据权利要求1所述的大外径薄壁厚的表层套管螺纹接头结构，其特征是：所述公、母螺纹为偏梯型螺纹或倒钩形螺纹；所述公、母螺纹齿型的螺距为每25.4mm为2.5～4牙，锥度为1:7～1：12；公螺纹齿高为2.1～2.3mm，母螺纹齿高为2.2～2.4mm；公螺纹的齿高不高于母螺纹齿高；螺纹的齿顶和齿底均平行于螺纹轴线。
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