CN110541680A - 一种油套管螺纹接头 - Google Patents
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Abstract
本发明一种油套管螺纹接头,包括接箍和管子,其特征在于接箍上设置有内锥螺纹、带有凹槽的内密封锥面和反向止动台肩;管子的端部缩口处理后形成缩口,管子上设置有外锥螺纹、外密封锥面和斜端面;内锥螺纹包括内锥螺纹齿底、内锥螺纹承载面、内锥螺纹齿顶以及内锥螺纹导向面,其中内锥螺纹齿底和内锥螺纹齿顶均平行于接箍轴线,外锥螺纹包括外锥螺纹导向面、外锥螺纹齿顶、外锥螺纹承载面以及外锥螺纹齿底,其中外锥螺纹齿顶和外锥螺纹齿底均平行于管子轴线。本发明一种油套管螺纹接头具有气密封性能好、连接效率高,而且还具有抗扭能力强、不容易发生粘扣的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种油套管螺纹接头,属于石油管螺纹连接技术领域。
背景技术
油套管是指油管和套管,油管外径一般小于114.3mm,套管外径一般大于114.3mm但小于508mm。在开采石油和天然气的过程中,几百根油套管通过螺纹接头连接起来,形成长达数千米长的管柱,管柱承受很复杂的载荷,包括内压、外压、拉伸、弯曲、扭转及温度载荷,接头是整个管柱中最薄弱的环节,很容易发生接头断裂和泄漏失效。
目前,油套管采用的接头大多是API接头。API接头即按照API(美国石油学会)标准加工和制造的接头。其缺点是:1)接头拧紧后,内外啮合螺纹之间存在间隙,因此密封性能差,尤其是气密封性能更差;2)螺纹应力集中严重,不加厚油管采用的是10牙圆螺纹,这种细牙螺纹难认扣、易错扣,经常发生粘扣失效,无法满足多次上卸的要求。
经对现有技术文献的检索发现,中国专利授权公告号为CN 101696621 B,授权公告日为2012年5月16日,专利名称为“气密封螺纹接头”,该专利对上述API螺纹进行了改进。该接头包括有接箍的母螺纹和管子端部的公螺纹,所述接箍的母螺纹与管子端部的公螺纹相互配合,其中:所述接箍两端的母螺纹结构对称设置,每一端的母螺纹由偏梯形罗纹构成,在偏梯形螺纹前方设有直角扭矩台肩,每一端的母螺纹通过退刀槽与所述直角扭矩台肩相连接;在所述接箍的母螺纹的第4~7牙螺纹的其中一牙的位置上设有能阻止高压气体泄漏的突起螺纹部分,从而起到密封作用。所述接箍的母螺纹分为连接螺纹和突起螺纹两部分,采用连接强度好的偏梯形螺纹结构。该专利的效果是通过封堵油管和套管的公螺纹和母螺纹在旋紧配合后齿顶和齿底存在的泄漏通道,起到了密封作用。提高了螺纹的连接效率。同时螺纹的高度比同规格API螺纹的高度要高,提高了螺纹的连接强度。
与API接头相比,上述专利由于设计了连接螺纹和突起螺纹两部分,封堵了公螺纹和母螺纹在旋紧配合后齿顶和齿底存在的泄漏通道,因此可以起到密封作用。其不足之处是:1)突起螺纹不容易检测和加工。依靠突起的螺纹堵塞泄漏通道,突起螺纹的加工要求很严,在母螺纹的第4~7牙螺纹的其中一牙的位置上设置突起螺纹,现有检测工具难于检测。2)在啮合螺纹的局部存在严重的应力集中。突起螺纹与外锥螺纹配合出处,会存在应力集中,对接头的使用不利。
除上述专利外,还有很多专利提出了自己的解决方案,以弥补API接头的缺陷和不足,有的优化螺纹形状、有的增加扭矩台肩、有的研制了特殊螺纹脂,这些技术虽然都取得了一定的效果,但也都有各自的不足之处,因此这一技术难题一直没有得到很好地解决。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足,提供一种性能优良的油套管螺纹接头。通过增大螺距改进接头的认扣性能,通过优化螺纹形状改善接头应力集中,通过采用平顶齿让螺纹更容易对扣,通过改进接头的金属/金属密封结构提高其气密封能力,通过设置反向止动台肩来控制上扣位置。从而使该接头不但气密封性能好、连接效率高,而且还具有抗扭能力强、不容易发生粘扣的特点。
本发明的目的是这样实现的:
一种油套管螺纹接头,包括接箍和管子,接箍上设置有内锥螺纹、带有凹槽的内密封锥面和反向止动台肩;管子的端部缩口处理后形成缩口,管子上设置有外锥螺纹、外密封锥面和斜端面;
内锥螺纹包括内锥螺纹齿底、内锥螺纹承载面、内锥螺纹齿顶以及内锥螺纹导向面,其中内锥螺纹齿底和内锥螺纹齿顶均平行于接箍轴线;
外锥螺纹包括外锥螺纹导向面、外锥螺纹齿顶、外锥螺纹承载面以及外锥螺纹齿底,其中外锥螺纹齿顶和外锥螺纹齿底均平行于管子轴线。
进一步的,内锥螺纹、外锥螺纹的螺距设置为4~6牙/25.4mm。
进一步的,当管子外径小于114.3mm时,螺距取6牙/25.4mm;当管子外径大于114.3mm但小于244.5mm时,螺距取5牙/25.4mm,当管子外径大于244.5mm时,螺距取4牙/25.4mm。
进一步的,内锥螺纹导向面夹角α=20~25°,内锥螺纹承载面夹角θ=3~5°,外锥螺纹导向面夹角α=20~25°,外锥螺纹承载面夹角θ=3~5°。
进一步的,外锥螺纹齿高为H1=0.9~1.9mm,内锥螺纹齿高为H2=H1+0.2mm。
进一步的,内锥螺纹与外锥螺纹都是锥管螺纹,锥度1:16。
进一步的,带有凹槽的内密封锥面和反向止动台肩形成接箍密封结构,接箍密封结构包括依次向外连接的接箍内镗孔、台肩、内锥面、第二过渡圆弧、圆柱孔,台肩与接箍内镗孔之间的夹角为75°,内锥面与内锥螺纹之间设置圆柱孔,圆柱孔与密封锥面之间通过第二过渡圆弧过渡,在内锥面的中间部位设置一圆弧形凹槽,圆弧形凹槽深度1.5~2.0mm,圆弧形凹槽的圆弧半径R=3.0mm。
进一步的,外密封锥面和斜端面形成管端密封结构,管端密封结构从管子内部向管子外壁依次设置有管子内壁、管端缩口后内壁、斜端面、第一过渡圆弧、外锥面、管端圆柱面,管子内壁具有正常管体的内径,管端缩口后内壁的内径比正常管体内径小1.0~1.5mm,斜端面的倾角与台肩相同,外锥面与外锥螺纹之间设置圆柱面,外锥面与斜端面通过第一过渡圆弧过渡。
进一步的,接箍和管子互相配合,内锥螺纹与外锥螺纹径向过盈配合,过盈量0.08~0.25mm,带有凹槽的内密封锥面与外密封锥面径向过盈配合,过盈量0.25~0.55mm,台肩与斜端面轴向过盈配合,过盈量0.05~0.20mm。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
1、增大螺纹螺距并设计了独特的螺纹形状,使接头更容易上扣,且抗扭能力显著提高,解决了螺纹粘扣的技术难题;
2、设计了独特的金属/金属密封结构,通过在内密封锥面中间设置一圆弧凹槽的办法,大大改善了密封面上接触应力分布不均匀的难题,显著提高了接头的密封性能。
因此本发明一种油套管螺纹接头具有气密封性能好、连接效率高,而且还具有抗扭能力强、不容易发生粘扣的优点。
附图说明
图1为本发明一种油套管螺纹接头的未连接状态示意图。
图2为本发明一种油套管螺纹接头的连接状态示意图。
图3为图1中的A处局部放大图。
图4为图1中的B处局部放大图。
图5为本发明一种油套管螺纹接头的内、外锥螺纹配合图。
图6为传统的接头的齿顶、齿底平行于母线的螺纹配合图。
图7为图1中的C处局部放大图。
图8为图1中的D处局部放大图。
图9为密封结构的示意图。
其中:
接箍1、内锥螺纹2、带有凹槽的内密封锥面3、反向止动台肩4、管子5、外锥螺纹6、外密封锥面7、斜端面8、外锥螺纹齿顶母线11、外锥螺纹中径12、外锥螺纹齿底母线13、外锥螺纹导向面14、外锥螺纹齿顶15、外锥螺纹承载面16、外锥螺纹齿底17、管子轴线18、接箍轴线20、内锥螺纹齿顶母线21、内锥螺纹中径22、内锥螺纹齿底母线23、内锥螺纹齿底24、内锥螺纹承载面25、内锥螺纹齿顶26、内锥螺纹导向面27、管子内壁31、管端缩口后内壁32、斜端面33、第一过渡圆弧34、外锥面35、管端圆柱面36、接箍内镗孔41、台肩42、内锥面43、第二过渡圆弧44、圆柱孔45、圆弧形凹槽46、外锥螺纹齿高H1、内锥螺纹齿高H2。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
参见图1-图9,本发明涉及的一种油套管螺纹接头,本发明的实物产品型号为PT-G3N,包括接箍1和管子5,接箍1上设置有内锥螺纹2、带有凹槽的内密封锥面3和反向止动台肩4;管子5的端部缩口处理后形成缩口,管子5上设置有外锥螺纹6、外密封锥面7和斜端面8。
在使用时,接箍1和管子5互相配合,拧紧在一起。二者旋和后,内锥螺纹2与外锥螺纹6径向过盈配合,过盈量0.08~0.25mm,带有凹槽的内密封锥面3与外密封锥面7径向过盈配合,过盈量0.25~0.55mm,反向止动台肩4与斜端面8轴向过盈配合,过盈量0.05~0.20mm,从而形成一个整体,见图2。
本发明中,内锥螺纹2与外锥螺纹6都是锥管螺纹,锥度1:16。图3是内锥螺纹2局部放大图,图4是外锥螺纹6局部放大图。
从图3可见,内锥螺纹2包括内锥螺纹齿底24、内锥螺纹承载面25、内锥螺纹齿顶26以及内锥螺纹导向面27,其中内锥螺纹齿底24和内锥螺纹齿顶26均平行于接箍轴线20,而普通的螺纹都是平行于内锥螺纹齿底母线23和内锥螺纹齿顶母线21,其中内锥螺纹齿底母线23和内锥螺纹齿顶母线21之间有内锥螺纹中径线22。内锥螺纹导向面27夹角α=20~25°,内锥螺纹承载面25夹角θ=3~5°,且两个面的倾斜方向一致。内锥螺纹齿底24和内锥螺纹齿顶26平行于接箍轴线,在油田下井时不容易错扣,缓和的导向面角使接头容易认扣,而导向面、承载面的倾斜方向一致,使螺纹呈锯齿形,可提高其连接效率。内锥螺纹齿高为H2。
从图4可见,外锥螺纹6包括外锥螺纹导向面14、外锥螺纹齿顶15、外锥螺纹承载面16以及外锥螺纹齿底17,其中外锥螺纹齿顶15和外锥螺纹齿底17均平行于管子轴线18,而普通的螺纹都是平行于外锥螺纹齿顶母线11和外锥螺纹齿底母线13,其中外锥螺纹齿顶母线11和外锥螺纹齿底母线13之间有外锥螺纹中径线12。外锥螺纹导向面14夹角α=20~25°,外锥螺纹承载面16夹角θ=3~5°,且两个面的倾斜方向一致。外锥螺纹形状与内锥螺纹相同。外锥螺纹齿高为H1=0.9~1.9mm。内锥螺纹齿高为H2=H1+0.2mm。内、外锥螺纹齿高差0.2mm,可以使得螺纹更容易啮合,并在缝隙处存储一些起润滑作用的螺纹脂,避免螺纹粘扣。
图5是本发明螺纹啮合后的情况,作为对比,图6是普通API螺纹啮合后的情况。可见,本发明的螺纹的形状为锯齿形台肩齿螺纹,且啮合螺纹齿顶、导向面侧均存在一定的间隙,该间隙形成一个密闭的空间,用来存储螺纹脂,减少上扣过程中的摩擦力。而普通API螺纹形状不是锯齿形,其导向面角10°、承载面角3°,属偏梯形螺纹,螺纹齿顶、齿底平行于螺纹母线,只有导向面侧有一定间隙。
本发明中,内锥螺纹2、外锥螺纹6的螺距较一般螺纹更大,依据管子规格不同设置为4~6牙/25.4mm,即当管子外径小于114.3mm时,螺距取6牙/25.4mm;当管子外径大于114.3mm但小于244.5mm时,螺距取5牙/25.4mm,当管子外径大于244.5mm时,螺距取4牙/25.4mm。而API螺纹对应规格的螺距分别是10牙/25.4mm、8牙/25.4mm和5牙/25.4mm。
带有凹槽的内密封锥面3和反向止动台肩4形成接箍密封结构,接箍密封结构包括依次向外连接的接箍内镗孔41、台肩42、内锥面43、第二过渡圆弧44、圆柱孔45,图7是带有凹槽的内密封锥面3和反向止动台肩4的局部放大图,反向止动台肩4包括台肩42与接箍内镗孔41,台肩42由接箍内镗孔41处向外延伸,台肩42的一端连接内锥面43,台肩42与接箍内镗孔41之间的夹角为75°,起上扣定位作用。在内锥面43的中间部位设置一圆弧形凹槽46,圆弧形凹槽46深度1.5~2.0mm,圆弧形凹槽46的圆弧半径R=3.0mm。该凹槽将密封锥面分为两段,改善上扣后密封面上的应力分布不均匀问题,且凹槽内可存储螺纹脂,减少配合面之间的摩擦力,保护密封面。内锥面43与内锥螺纹之间设置圆柱孔45,圆柱孔45与内锥面43之间通过第二过渡圆弧44过渡。
外密封锥面7和斜端面8形成管端密封结构,管端密封结构从管子内部向管子外壁依次设置有管子内壁31、管端缩口后内壁32、斜端面33、第一过渡圆弧34、外锥面35、管端圆柱面36,图8是外密封锥面7和斜端面8的局部放大图,管子内壁31具有正常管体的内径,管端缩口后内壁32的内径比正常管体内径小1.0~1.5mm,这样既增加了端面厚度,提高接头抗扭能力,又不至于影响通径。斜端面33的倾角与台肩42相同,使二者配合后可以紧密接触。外锥面35与外锥螺纹之间设置圆柱面36,接头配合后圆柱面36与圆柱孔45之间有大约0.4~0.6mm的间隙。外锥面35与斜端面33通过第一过渡圆弧34过渡。
图9反应了上述接箍密封结构和管端密封结构配合后的情况,内锥面43与外锥面35径向过盈配合,台肩42与斜端面33轴向过盈配合,接箍内镗孔41与管端缩口后内壁32完全平齐,使接头内壁与管子内壁完全平齐,避免气体或液体在管内流动时出现紊流。
以上仅是本发明的具体应用范例,对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案,均落在本发明权利保护范围之内。
Claims (9)
1.一种油套管螺纹接头,包括接箍和管子,其特征在于接箍上设置有内锥螺纹、带有凹槽的内密封锥面和反向止动台肩;管子的端部缩口处理后形成缩口,管子上设置有外锥螺纹、外密封锥面和斜端面;
内锥螺纹包括内锥螺纹齿底、内锥螺纹承载面、内锥螺纹齿顶以及内锥螺纹导向面,其中内锥螺纹齿底和内锥螺纹齿顶均平行于接箍轴线;
外锥螺纹包括外锥螺纹导向面、外锥螺纹齿顶、外锥螺纹承载面以及外锥螺纹齿底,其中外锥螺纹齿顶和外锥螺纹齿底均平行于管子轴线。
2.根据权利要求1所述的一种油套管螺纹接头,其特征在于内锥螺纹、外锥螺纹的螺距设置为4~6牙/25.4mm。
3.根据权利要求1所述的一种油套管螺纹接头,其特征在于当管子外径小于114.3mm时,螺距取6牙/25.4mm;当管子外径大于114.3mm但小于244.5mm时,螺距取5牙/25.4mm,当管子外径大于244.5mm时,螺距取4牙/25.4mm。
4.根据权利要求1所述的一种油套管螺纹接头,其特征在于内锥螺纹导向面夹角α=20~25°,内锥螺纹承载面夹角θ=3~5°,外锥螺纹导向面夹角α=20~25°,外锥螺纹承载面夹角θ=3~5°。
5.根据权利要求1所述的一种油套管螺纹接头,其特征在于外锥螺纹齿高为H1=0.9~1.9mm,内锥螺纹齿高为H2=H1+0.2mm。
6.根据权利要求1所述的一种油套管螺纹接头,其特征在于内锥螺纹与外锥螺纹都是锥管螺纹,锥度1:16。
7.根据权利要求1所述的一种油套管螺纹接头,其特征在于带有凹槽的内密封锥面和反向止动台肩形成接箍密封结构,接箍密封结构包括依次向外连接的接箍内镗孔、台肩、内锥面、第二过渡圆弧、圆柱孔,台肩与接箍内镗孔之间的夹角为75°,内锥面与内锥螺纹之间设置圆柱孔,圆柱孔与密封锥面之间通过第二过渡圆弧过渡,在内锥面的中间部位设置一圆弧形凹槽,圆弧形凹槽深度1.5~2.0mm,圆弧形凹槽的圆弧半径R=3.0mm。
8.根据权利要求1所述的一种油套管螺纹接头,其特征在于外密封锥面和斜端面形成管端密封结构,管端密封结构从管子内部向管子外壁依次设置有管子内壁、管端缩口后内壁、斜端面、第一过渡圆弧、外锥面、管端圆柱面,管子内壁具有正常管体的内径,管端缩口后内壁的内径比正常管体内径小1.0~1.5mm,斜端面的倾角与台肩相同,外锥面与外锥螺纹之间设置圆柱面,外锥面与斜端面通过第一过渡圆弧过渡。
9.根据权利要求1所述的一种油套管螺纹接头,其特征在于接箍和管子互相配合,内锥螺纹与外锥螺纹径向过盈配合,过盈量0.08~0.25mm,带有凹槽的内密封锥面与外密封锥面径向过盈配合,过盈量0.25~0.55mm,台肩与斜端面轴向过盈配合,过盈量0.05~0.20mm。
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