CN111058780A - 一种气密封套管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气密封套管，其包括具有外螺纹的管体和具有内螺纹的接箍，管体与接箍通过螺纹段螺纹连接。此外，沿气密封套管的轴向方向，在管体与接箍螺纹连接的螺纹段内侧具有管体外壁与接箍内壁过盈配合形成的第一密封段。沿气密封套管的轴向方向，在管体与接箍螺纹连接的螺纹段外侧具有管体外壁与接箍内壁过盈配合形成的第二密封段。本发明所述的气密封套管，其具有良好的气密封性能，并具有较高的连接强度以及抗内压与抗外挤的能力，能够适应于超深气井异常高压段、岩膏层高抗外挤段以及页岩气水平段等高内压与高外挤的工作环境。
Description
技术领域
本发明涉及一种套管，尤其涉及一种气密封套管。
背景技术
油气钻探过程中，尤其是超深气井的钻探过程中，各个钻井井筒位置的受力情况是不同的，从而对套管抗外挤与抗内压的能力提出了不同的要求。现有技术中的常规壁厚、外径与钢级的套管已无法满足高内压高外挤的油气钻探环境。
现有技术中，公告号为CN202560112U，公告日为2012年11月28日，名称为“新型特殊间隙小套管”的中国专利文献公开了一种新型特殊间隙小套管，其公开了4″石油管两端设有连接结构，以及连接结构的最大外径与指定内径。
总的来说，现有技术中，改善套管的抗外挤与抗内压的方式主要有两种，一种是改善套管本身的材质、化学成分及热处理工艺，另一种是改善套管尺寸和螺纹结构，具体改善方法有增加钢级、壁厚尺寸与精度。然而螺纹接头作为套管的一部分，往往容易被忽视，尤其是随着管体壁厚的增加，并且钻井井眼尺寸受限时，对于接头的结构与尺寸设计显得尤为重要。
鉴于此，期望获得一种气密封套管，其具有良好的气密封性能，并具有较高的连接强度以及抗内压与抗外挤的能力，能够适应于超深气井异常高压段、岩膏层高抗外挤段以及页岩气水平段等高内压与高外挤的工作环境。
发明内容
本发明的目的在于提供一种气密封套管，其具有良好的气密封性能，并具有较高的连接强度以及抗内压与抗外挤的能力，能够适应于超深气井异常高压段、岩膏层高抗外挤段以及页岩气水平段等高内压与高外挤的工作环境。
为了实现上述目的，本发明提出了一种气密封套管，其包括具有外螺纹的管体和具有内螺纹的接箍，所述管体与接箍通过螺纹段螺纹连接；此外：
沿气密封套管的轴向方向，在管体与接箍螺纹连接的螺纹段内侧具有管体外壁与接箍内壁过盈配合形成的第一密封段；
沿气密封套管的轴向方向，在管体与接箍螺纹连接的螺纹段外侧具有管体外壁与接箍内壁过盈配合形成的第二密封段。
上述技术方案中，管体外壁与接箍内壁过盈配合形成的第一密封段的作用是保证本发明所述的气密封套管具有较高的抗内压性能和连接强度以及良好的气密性能。管体外壁与接箍内壁过盈配合形成的第二密封段的作用是保证本发明所述的气密封套管具有较高的抗外挤性能和连接强度以及良好的气密性能。尤其当环境空间条件有限使得接箍的外径不宜过大时，第一密封段和第二密封段的设置使得本发明所述的气密封套管仍然能够使用并具有良好的气密封性能，较高的连接强度以及抗内压与抗外挤的能力。
需要说明的是，在一些实施方式中，管体与接箍的材料可以采用非抗硫化氢腐蚀材质的钢管，且可以将管体与接箍的屈服强度限定在≥862MPa，也就是钢级≥125ksi，以便保证本发明所述的气密封套管具有较高的抗内压与抗外挤性能。此外，在其他实施方式中，管体与接箍的材料也可以采用抗硫化氢腐蚀材质的钢管，且可以将管体与接箍的屈服强度限定在758MPa～931MPa范围内，也就是钢级在110ksi～125ksi范围内，以便保证本发明所述的气密封套管具有较高的抗内压与抗外挤性能。
进一步地，在本发明所述的气密封套管中，所述第一密封段的密封面接触长度L1为0.5mm-8.0mm，所述第一密封段的过盈量H1为0.1mm-1.8mm。
在本发明所述的技术方案中，密封面接触长度与过盈量是影响密封效果的重要参数，为了保证本发明所述的气密封套管具有良好的气密性能，本发明将第一密封段的密封面接触长度L1限定在0.5mm-8.0mm，将第一密封段的过盈量H1限定在0.1mm-1.8mm。
更进一步地，在本发明所述的气密封套管中，所述第二密封段的密封面接触长度L2为0.2mm-1.5mm，所述第二密封段的过盈量H2为0.1mm-1.0mm。
在本发明所述的技术方案中，密封面接触长度与过盈量是影响密封效果的重要参数，为了保证本发明所述的气密封套管具有良好的气密性能，本发明将第二密封段的密封面接触长度L2限定在0.2mm-1.5mm，将第二密封段的过盈量H2限定在0.1mm-1.0mm。
进一步地，在本发明所述的气密封套管中，所述螺纹段的螺纹的承载角为α，则tanα≥1.0。
在本发明所述的技术方案中，承载角α是影响管体与接箍的抗拉伸和抗压缩性能的重要参数，α≤90°，为了保证管体与接箍具有良好的抗拉伸和抗压缩性能，从而使本发明所述的气密封套管具有较高的连接强度，特别是当环境空间条件有限使得接箍的外径不宜过大时，为了使本发明所述的气密封套管仍然能够使用并具有较高的连接强度，本发明将tanα限定在tanα≥1.0。
进一步地在，在本发明所述的气密封套管中，所述管体的外径为120mm-350mm。
进一步地，在本发明所述的气密封套管中，所述管体的壁厚的不均度S≤10％，其中S＝2[(tmax-tmin)/(tmax+tmin)]×100％，其中tmax和tmin位于同一横截面上。
在本发明所述的技术方案中，管体的壁厚的不均匀会严重影响套管的抗外挤和抗内压的性能，为了保证本发明所述的气密封套管具有较高的抗内压与抗外挤的能力，本发明将管体的壁厚的不均度S限定在S≤10％，其中S＝2[(tmax-tmin)/(tmax+tmin)]×100％，其中tmax和tmin位于同一横截面上。
进一步地，在本发明所述的气密封套管中，所述接箍的外径W满足Z＝(W2-di2)/(De2-d2)，其中Z表示套管连接效率，其取值为0.6-1.2；di表示接箍内危险截面的内径，De表示管体的外径，d表示管体的内径。
在本发明所述的技术方案中，为了保证本发明所述的气密封套管具有较高的连接强度，本发明控制接箍的外径W满足Z＝(W2-di2)/(De2-d2)，其中Z表示套管连接效率，其取值为0.6-1.2；di表示接箍内危险截面的内径，De表示管体的外径，d表示管体的内径。需要说明的是，所谓接箍内危险截面的内径指的是螺纹段最后一个螺纹齿顶所在圆截面的直径。
进一步地，在本发明所述的气密封套管中，所述管体的壁厚为10mm-23mm。
本发明所述的气密封套管与现有技术相比，具有的有益效果如下：
本发明通过设置第一密封段和第二密封段使得本发明所述的气密封套管具有良好的气密封性能，并具有较高的连接强度以及抗内压与抗外挤的能力，能够适应于超深气井异常高压段、岩膏层高抗外挤段以及页岩气水平段等高内压与高外挤的工作环境。尤其当环境空间条件有限使得接箍的外径不宜过大时，本发明所述的气密封套管仍然能够使用并具有良好的气密封性能，较高的连接强度以及抗内压与抗外挤的能力。
附图说明
图1为本发明所述的气密封套管在一种实施方式下的部分结构示意图。
图2为本发明所述的气密封套管中的第一密封段在一种实施方式下的结构示意图。
图3为本发明所述的气密封套管中的第二密封段在一种实施方式下的结构示意图。
图4显示了本发明所述的气密封套管在一种实施方式下的部分结构的尺寸参数。
图5示意了本发明所述的气密封套管中的管体在一种实施方法下的任一横截面的结构。
图6为本发明所述的气密封套管中的螺纹段的螺纹在一种实施方式下的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合说明书附图和具体的实施例对本发明所述的气密封套管做进一步的解释和说明，然而，该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。
图1为本发明所述的气密封套管在一种实施方式下的部分结构示意图。
图2为本发明所述的气密封套管中的第一密封段在一种实施方式下的结构示意图。图3为本发明所述的气密封套管中的第二密封段在一种实施方式下的结构示意图。
如图1所示，本发明所述的气密封套管包括具有外螺纹的管体1和具有内螺纹的接箍3，管体1与接箍3通过螺纹段5进行螺纹连接。此外，本发明所述的气密封套管还包括第一密封段7和第二密封段9。其中，第一密封段7由管体1的外壁与接箍3的内壁过盈配合形成，并位于沿气密封套管的轴向方向且在管体1与接箍3螺纹连接的螺纹段5的内侧；第二密封段9由管体1的外壁与接箍3的内壁过盈配合形成，并位于沿气密封套管的轴向方向且在管体1与接箍3螺纹连接的螺纹段5的外侧。
需要说明的是，第一密封段7的作用是保证本发明所述的气密封套管具有较高的抗内压性能和连接强度以及良好的气密性能。第二密封段9的作用是保证本发明所述的气密封套管具有较高的抗外挤性能和连接强度以及良好的气密性能。尤其当环境空间条件有限使得接箍的外径不宜过大时，第一密封段7和第二密封段9的设置使得本发明所述的气密封套管仍然能够使用并具有良好的气密封性能，较高的连接强度以及抗内压与抗外挤的能力。
还需要说明的是，在本实施方式中，管体1与接箍3的材料可以采用非抗硫化氢腐蚀材质的钢管，且可以将管体1与接箍3的屈服强度限定在≥862MPa，也就是钢级≥125ksi，以便保证本发明所述的气密封套管具有较高的抗内压与抗外挤性能。此外，在其他的实施方式中，管体1与接箍3的材料也可以采用抗硫化氢腐蚀材质的钢管，且可以将管体1与接箍3的屈服强度限定在758MPa～931MPa范围内，也就是钢级在110ksi～125ksi范围内，以便保证本发明所述的气密封套管具有较高的抗内压与抗外挤性能。
进一步参考图2和图3，为了保证本发明所述的气密封套管具有良好的气密性能，在本实施方式中，第一密封段7的密封面接触长度L1的取值范围为0.5mm-8.0mm，第二密封段9的密封面接触长度L2的取值范围为0.2m m-1.5mm，第一密封段7的过盈量H1的取值范围为0.1mm-1.8mm，第二密封段9的过盈量H2的取值范围为0.1mm-1.0mm。
图4显示了本发明所述的气密封套管在一种实施方式下的部分结构的尺寸参数。图5示意了本发明所述的气密封套管中的管体在一种实施方法下的任一横截面的结构。图6为本发明所述的气密封套管中的螺纹段的螺纹在一种实施方式下的结构示意图。
如图4和图5所示，并在必要时结合图1，为了保证本发明所述的气密封套管具有较高的连接强度，在本实施方式中，接箍3的外径W满足Z＝(W2-di2)/(De2-d2)，其中Z表示套管连接效率，其取值为0.6-1.2；di表示接箍内危险截面的内径，De表示管体的外径，d表示管体的内径。需要说明的是，所谓接箍内危险截面的内径指的是螺纹段最后一个螺纹齿顶所在圆截面的直径。此外，在本实施方式中，管体的外径De的取值范围为120mm-350mm。此外，为了保证本发明所述的气密封套管具有较高的抗内压与抗外挤的能力，在本实施方式中，管体1的壁厚te的不均度S≤10％，其中S＝2[(tmax-tmin)/(tmax+tmin)]×100％，其中tmax和tmin位于同一横截面上。此外，在本实施方式中，管体1的壁厚te的取值范围为10mm-23mm。
如图6所示，并在必要时结合图1，在本实施方式中，螺纹段5的螺纹的承载角α≤90°，tanα≥1.0，以便保证管体1与接箍3具有良好的抗拉伸和抗压缩性能，从而使本发明所述的气密封套管具有较高的连接强度，特别是当环境空间条件有限使得接箍的外径不宜过大时，使得本发明所述的气密封套管仍然能够使用并具有较高的连接强度。需要说明的是，tanα＝X/Z，X表示螺纹在螺纹齿高度方向(图中H方向)的进给值，Z表示螺纹在螺距方向(图中A方向)的进给值。
表1-1和表1-2列出了实施例1-2和对比例1-2的气密封套管的相关设计参数，其中各项参数的定义具体如下：
L1为第一密封段的密封面接触长度(mm)；
L2为第二密封段的密封面接触长度(mm)；
H1为第一密封段的过盈量(mm)；
H2为第二密封段的过盈量(mm)；
S为管体的壁厚的不均度(％)，S＝2[(tmax-tmin)/(tmax+tmin)]×100％，其中tmax和tmin位于同一横截面上；
Z为套管连接效率，Z＝(W2-di2)/(De2-d2)，Z的取值范围为0.6-1.2；
W为接箍的外径(mm)；
di为接箍内危险截面的内径(mm)，也就是螺纹段最后一个螺纹齿顶所在圆截面的直径；
De为管体的外径(mm)；
d为管体的内径(mm)；
te为管体的壁厚(mm)；
tanα，其中α为螺纹段的螺纹的承载角。
表1-1.
表1-2.
| 序号 | S(％) | Z | W(mm) | di(mm) | De(mm) | d(mm) | t<sub>e</sub>(mm) | α(°) | tanα |
| 实施例1 | 8 | 0.88 | 200.03 | 175 | 184.15 | 152.5 | 15.83 | 85 | 11.43 |
| 实施例2 | 10 | 0.83 | 159.7 | 137 | 145.6 | 114.3 | 15.65 | 85 | 11.43 |
| 对比例1 | 8 | 1 | 200.03 | 175 | 177.8 | 152.5 | 12.65 | 93 | -19.08 |
| 对比例2 | 12 | 1 | 159.7 | 137 | 139.7 | 114.3 | 12.7 | 93 | -19.08 |
表2列出了实施例1-2和对比例1-2的气密封套管的的相关力学性能参数，其中内屈服强度表征套管抗内压的能力，内屈服强度越高则抗内压能力越强；外挤强度表征套管抗外挤的能力，外挤强度越高则抗外挤能力越强。
表2.
| 序号 | 内屈服强度(MPa) | 外挤强度(MPa) | 连接强度(kN) |
| 实施例1 | 160.7 | 167.4 | 7013 |
| 实施例2 | 162.1 | 165.3 | 4367 |
| 对比例1 | 120.2 | 106.8 | 6335 |
| 对比例2 | 137.1 | 142.4 | 4367 |
由表2可知，实施例1-2的气密封套管的内屈服强度达到160MPa以上，外挤强度达到165MPa以上，并具有较好的连接强度。而对比例1-2的气密封套管对应的抗外挤能力、抗内压能力和密封性能相对较低。
需要说明的是，本发明的保护范围中现有技术部分并不局限于本申请文件所给出的实施例，所有不与本发明的方案相矛盾的现有技术，包括但不局限于在先专利文献、在先公开出版物，在先公开使用等等，都可纳入本发明的保护范围。
此外，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。
还需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种气密封套管，其包括具有外螺纹的管体和具有内螺纹的接箍，所述管体与接箍通过螺纹段螺纹连接；其特征在于：
沿气密封套管的轴向方向，在管体与接箍螺纹连接的螺纹段内侧具有管体外壁与接箍内壁过盈配合形成的第一密封段；
沿气密封套管的轴向方向，在管体与接箍螺纹连接的螺纹段外侧具有管体外壁与接箍内壁过盈配合形成的第二密封段。
2.如权利要求1所述的气密封套管，其特征在于，所述第一密封段的密封面接触长度L1为0.5mm-8.0mm，所述第一密封段的过盈量H1为0.1mm-1.8mm。
3.如权利要求1所述的气密封套管，其特征在于，所述第二密封段的密封面接触长度L2为0.2mm-1.5mm，所述第二密封段的过盈量H2为0.1mm-1.0mm。
4.如权利要求1所述的气密封套管，其特征在于，所述螺纹段的螺纹的承载角为α，则tanα≥1.0。
5.如权利要求1所述的气密封套管，其特征在于，所述管体的外径为120mm-350mm。
6.如权利要求1所述的气密封套管，其特征在于，所述管体的壁厚的不均度S≤10％，其中S＝2[(tmax-tmin)/(tmax+tmin)]×100％，其中tmax和tmin位于同一横截面上。
7.如权利要求1所述的气密封套管，其特征在于，所述接箍的外径W满足Z＝(W2-di2)/(De2-d2)，其中Z表示套管连接效率，其取值为0.6-1.2；di表示接箍内危险截面的内径，De表示管体的外径，d表示管体的内径。
8.如权利要求1所述的气密封套管，其特征在于，所述管体的壁厚为10mm-23mm。
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