CN112878930B - 一种适用于刚性锥工具的膨胀套管金属密封接头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于刚性锥工具的膨胀套管金属密封接头，包括外螺纹接头和内螺纹接头；所述外螺纹接头由端部向内依次设置有第三负角度台肩、第一金属密封面、第一倒钩形螺纹以及第一负角度台肩；所述内螺纹接头在与外螺纹接头对应的位置设置有第四负角度台肩、第二金属密封面、第二倒钩形螺纹以及第二负角度台肩；所述外螺纹接头的第一负角度台肩和第一倒钩形螺纹之间设置有第一导向面；所述内螺纹接头的第二金属密封面和第二倒钩形螺纹之间设置有第二导向面；所述外螺纹接头的第一倒钩型螺纹与内螺纹接头的第二倒钩型螺纹相互啮合。本发明通过膨胀过程提高金属密封结构的密封性能，该膨胀套管接头强度高，膨胀后密封性能好而且可靠。

Description

一种适用于刚性锥工具的膨胀套管金属密封接头

技术领域

本发明涉及金属密封接头技术领域，特别涉及一种适用于刚性锥工具的膨胀套管金属密封接头。

背景技术

膨胀套管技术是将套管柱以原始尺寸下入井底，然后用膨胀工具使套管内外径扩大约10％至30％左右而产生永久性变形，以达到预定工程目的的技术。该技术可用于钻井、完井、采油及修井等作业过程。

刚性锥是目前应用最广泛的膨胀工具，使用刚性锥实现套管柱膨胀的过程如图1所示。首先将膨胀套管柱下入到井眼中的预定位置。然后依靠高压液体驱动刚性锥在膨胀套管柱内部沿套管柱自下而上运动，由于刚性锥的外径大于膨胀套管的原始内径，当刚性锥通过膨胀套管时，膨胀套管的内外径会被膨胀扩大。利用刚性锥对膨胀套管膨胀时，要求膨胀后的套管接头具备较高的液体密封性能以维持驱动膨胀锥所需的液体压力。

目前所用的膨胀套管接头主要依靠橡胶圈实现密封，其结构示意图见图2。该接头由具有倒钩形螺纹的外螺纹接头和内螺纹接头组成，外螺纹接头还设置有密封槽和扭矩台肩。该接头结构的连接性能由倒钩形螺纹实现，密封性能主要由密封橡胶圈实现，控制上扣扭矩由扭矩台肩实现。这种采用弹性密封圈密封的膨胀套管接头具有以下缺点：

(1)在套管上扣过程中橡胶圈容易被外螺纹端部挤出密封槽；

(2)套管膨胀直径变大后，橡胶圈容易断裂。

因此，这种弹性橡胶圈密封方式无法确保膨胀套管接头的密封性能，可靠性低。

对于非膨胀套管的普通套管而言，目前有采用金属密封接头，但是这种已有的用于普通套管的金属密封结构不适用于膨胀套管。原因有两点：一是因为从使用来说，这种接头不需要膨胀扩径，所以其设计理念是上扣后使其金属密封面、螺纹以及台肩形成过盈配合，在管柱膨胀过程中，这种紧密配合会由于金属的相互挤压而使其配合关系发生改变从而容易使接头损坏而失去密封能力；另一方面，管柱膨胀后，这种接头的内、外螺纹接头都会向管柱内部回弹，且外螺纹接头的回弹幅度要大于内螺纹接头。从而导致内、外螺纹接头之间上扣后就过盈的密封表面出现分离，使接头的密封性能下降。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术缺陷，本发明提供了一种适用于刚性锥工具的膨胀套管金属密封接头，通过膨胀过程提高金属密封结构的密封性能，为膨胀套管提供一种适合膨胀的膨胀套管接头，该膨胀套管接头强度高，膨胀后密封性能好而且可靠。

为达到实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种适用于刚性锥工具的膨胀套管金属密封接头，包括：相互连接的外螺纹接头和内螺纹接头；

所述外螺纹接头由端部向内依次设置有第三负角度台肩、第一金属密封面、第一倒钩形螺纹以及第一负角度台肩；所述内螺纹接头在与外螺纹接头对应的位置设置有第四负角度台肩、第二金属密封面、第二倒钩形螺纹以及第二负角度台肩；

所述外螺纹接头的第一负角度台肩和第一倒钩形螺纹之间设置有第一导向面；所述内螺纹接头的第二金属密封面和第二倒钩形螺纹之间设置有第二导向面；

所述外螺纹接头的第一倒钩型螺纹与内螺纹接头的第二倒钩型螺纹相互啮合。

作为本发明的进一步改进，所述第一导向面与内螺纹接头螺纹终止处之间设有间隙；所述第二导向面与外螺纹接头螺纹终止处之间设有间隙；

外螺纹接头的第三负角度台肩与内螺纹接头的第四负角度台肩之间留有间隙。

作为本发明的进一步改进，所述外螺纹接头的第一金属密封面与内螺纹接头的第二金属密封面在上扣后无过盈量。

作为本发明的进一步改进，所述第一倒钩型螺纹和第二倒钩型螺纹均为具有负角度的单钩形螺纹；所述第一倒钩型螺纹和第二倒钩型螺纹的螺纹导向面之间留有间隙。

作为本发明的进一步改进，所述单钩形螺纹的牙顶和牙底均与母线平行；单钩形螺纹承载面角度为-10°～-20°，螺纹锥度为1:24～1:36，螺纹钩尖倒角为弧面，螺纹导向面偏角为10°～25°。

作为本发明的进一步改进，所述外螺纹接头在螺纹长度中间位置的中径值等于或小于该位置二分之一壁厚处的直径值。

作为本发明的进一步改进，所述第三负角度台肩、第四负角度台肩的角度为-15°～-20°；所述第一导向面与管柱轴线的法向夹角为60°～70°；所述第二导向面与管柱轴线的法向夹角为60°～70°。

作为本发明的进一步改进，所述第一金属密封面与第二金属密封面采用锥面-锥面的密封形式，密封面锥度取1:20～1:30。

作为本发明的进一步改进，所述第一倒钩型螺纹和第二倒钩型螺纹断面均由螺纹钩面、螺纹钩尖、螺纹导向面倒角和螺纹导向面依次连接而成。

作为本发明的进一步改进，所述螺纹钩面的偏角为-10°，螺纹导向面的偏角为10°，螺纹钩尖采用倒角取0.2，螺纹导向面倒角取0.76。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明由相互连接的外螺纹接头和内螺纹接头组成，外螺纹接头和内螺纹接头均依次包括负角度台肩、金属密封面、倒钩形螺纹以及负角度台肩，通过膨胀过程提高金属密封结构的密封性能，为膨胀套管提供一种适合膨胀的膨胀套管接头，该膨胀套管接头强度高，膨胀后密封性能好而且可靠。

该接头上扣后，金属密封面不过盈，螺纹导向面之间和套管内侧台肩之间留有间隙。根据金属塑性变形体积不变原理，并基于大量的有限元仿真分析研究，用刚性锥对接头进行膨胀时，内外螺纹接头都会产生轴向收缩，而刚性锥工具与接头内壁间有摩擦，且摩擦力对外螺纹接头有拉长效应，导致内外螺纹接头间产生了一个轴向的相对位移。上扣后接头金属密封面、螺纹以及台肩的配合关系一方面为内外螺纹接头的轴向收缩留出了合理的间隙，避免接头在膨胀过程中发生损坏。同时，内外螺纹接头轴向的相对位移使金属密封面、螺纹和台肩在膨胀后实现理想的过盈量而达到过盈配合，实现密封功能。

该接头中的金属密封面改进了常规接头的金属密封面在膨胀前已过盈配合的模式，在上扣后内外螺纹接头的金属密封面并不过盈，而是在膨胀过程中开始过盈并在膨胀后达到理想过盈量，使金属密封面的密封效果在膨胀过程中得到大幅提升，避免了在膨胀过程中原本已过盈的金属密封面由于大塑性变形而发生损坏。

相较于常规套管接头，本发明的接头增大了螺纹长度，从而减轻了单个螺纹在膨胀过程中分担的轴向力，让螺纹的变形主要为直径增大，避免出现内螺纹被过度拉长从而使台肩部位的间隙增大的问题。螺纹的导向面之间上扣后留有间隙，可以避免上扣后螺纹之间已过盈而导致接头在膨胀过程中损坏。

该接头中套管内侧的台肩之间留有间隙，为金属密封面在膨胀后进一步贴合留出轴向的空间，有利于实现金属密封面在膨胀过程中产生相对位移形成过盈，提高接头的密封性能，避免了台肩在膨胀过程中发生损坏；同时负角度台肩可以防止外螺纹端部在膨胀结束后回弹变形造成内管壁不平整。

该接头中的密封效果都由金属密封实现，不采用弹性密封圈或其他形式的密封，可以避免弹性密封圈不易安装、使用寿命短、不耐高温等问题。

附图说明

此处附图为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术方案。以下对实施例中所需要使用的附图简明的介绍，并与说明书一起解释本发明的原理。同时为了更好的展示本发明以及验证本发明的有效性。

图1是利用刚性锥对膨胀套管进行膨胀的原理示意图；

图2是普通膨胀套管接头结构示意图；

图3是本发明膨胀套管金属密封接头结构的单侧横向截面示意图；

图4是本发明膨胀套管金属密封接头结构的外螺纹接头横向截面示意图；

图5是本发明膨胀套管金属密封接头结构膨胀后的单侧横向截面示意图；。

图6是本发明图3中A局部放大剖面图；

图7是本发明图5中D局部放大剖面图；

图8是本发明图3中B局部放大剖面图；

图9是本发明图5中E局部放大剖面图；

图10是本发明图4中C局部放大剖面图。

图中，1.外螺纹接头，2.内螺纹接头，3.第一负角度台肩，3’.第二负角度台肩，4.第一导向面，5.第一倒钩形螺纹，5’.第二倒钩形螺纹，6.第二导向面，7.第一金属密封面，7’.第二金属密封面，8.第三负角度台肩，9.第四负角度台肩，10.螺纹钩面，11.螺纹导向面，12.螺纹钩尖，13.螺纹导向面倒角，20.膨胀套管；21.刚性膨胀锥；22.公螺纹接头；23.母螺纹接头；24.密封圈；25.密封槽；26.扭矩台肩。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并未用于限定本发明。

下面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本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。

以下以一个适合膨胀套管的接头结构为例，对本发明作进一步详细说明。

参阅图3，适合膨胀套管的接头结构主要由外螺纹接头1和内螺纹接头2组成。外螺纹接头1在螺纹长度中间位置的中径值等于或小于该位置二分之一壁厚处的直径值；其中，直径值与中径值的差为0～1.5mm；

参阅图4，膨胀套管外螺纹接头1由内端向外分别是：第一负角度台肩3、第一导向面4、第一倒钩型螺纹5、第一金属密封面7及第三负角度台肩8。

外螺纹接头1由端部向内依次设置有第三负角度台肩8、第一金属密封面7、第一倒钩形螺纹5以及第一负角度台肩3；内螺纹接头2在与外螺纹接头1对应的位置设置有第四负角度台肩9、第二金属密封面7’、第二倒钩形螺纹5’以及第二负角度台肩3’；该接头的密封效果由金属密封面实现，内外螺纹接头的金属密封面在膨胀过程中过盈使接头的密封效果大幅提升。

参阅图3，外螺纹接头1的第一负角度台肩3与内螺纹接头2的第二负角度台肩3’相互配合。

所述的外螺纹接头1的第三负角度台肩8与内螺纹接头2的第四负角度台肩9相互配合，其角度为﹣15°～﹣20°。外螺纹接头1的第一负角度台肩3与倒钩型螺纹5之间的第一导向面4与管柱轴线的法向夹角为60°～70°。

参阅图3、图5、图6和图7，外螺纹接头1的倒钩型螺纹5与内螺纹接头2的倒钩型螺纹5’相互啮合，螺纹导向面11之间留有间隙，用刚性锥对接头进行膨胀时，内外螺纹接头都会产生轴向收缩，而刚性锥工具与接头内壁间有摩擦，且摩擦力会使外螺纹接头拉长，导致内外螺纹接头间产生了一个轴向的相对位移，所以该间隙逐渐消失。膨胀后，螺纹导向面11之间的间隙消失并形成金属过盈配合，起到一定的辅助密封作用。

所述的第一倒钩形螺纹5为具有负角度的单钩形螺纹，螺纹的牙顶和牙底均与母线平行，其承载面角度为-10°～-20°，螺纹锥度为1:24～1:36，螺纹钩尖倒角为弧面，螺纹导向面偏角为10°～25°。相较常规的基于金属对金属密封的特殊螺纹接头，增大了接头的螺纹长度。两相邻螺纹牙之间的距离略大于螺纹牙壁厚，所以上扣后螺纹导向面之间留有间隙，间隙大小取值为0.1～0.3mm。

所述的内螺纹接头1的第二倒钩型螺纹5’与第二金属密封面7’之间的第二导向面6与管柱轴线的法向夹角为60°～70°，第二导向面6与外螺纹接头螺纹终止处之间设有间隙，膨胀后导向面与螺纹终止处进一步在轴向上靠拢，从而给金属密封面进一步贴合留出了空间。

参阅图3和图5，外螺纹接头1的金属密封面7与内螺纹接头2的金属密封面7’在上扣后无过盈量，膨胀时，与螺纹导向面之间间隙消失原理一致，内外螺纹接头2的金属密封面在管柱轴向上产生相对位移，导致两密封面间开始过盈，膨胀后，两密封面间的过盈量达到理想值，通过膨胀过程大幅提升接头的密封性能。

本发明的螺纹接头的金属密封面采用锥面-锥面的密封形式，密封面锥度取1：20～1:30。上扣后，内外螺纹接头的金属密封面无过盈；用刚性锥对接头进行膨胀时，两密封面开始过盈，膨胀后达到理想过盈量，实现膨胀后的接头的密封效果。

所述外螺纹接头1的第三负角度台肩8与内螺纹接头2的第四负角度台肩9角度为-15°～-20°，上扣后，在管柱轴向上设置留有间隙，间隙的宽度由接头膨胀过程的轴向收缩量确定，取值为0.5～1.2mm。用刚性锥进行膨胀时，内外螺纹接头负角度台肩之间的间隙逐渐缩小；膨胀后，间隙消失，两负角度台肩相互配合并锁紧，使外螺纹接头端部膨胀后不会因为金属回弹产生向套管内侧的弯曲。

参阅图3、图5、图8和图9，上扣后，外螺纹接头1的第三负角度台肩8与内螺纹接头2的第四负角度台肩9之间留有间隙，为金属密封面在膨胀后进一步贴合留有轴向的空间。在膨胀过程中，与螺纹导向面之间间隙消失原理一致，间隙逐渐缩小，膨胀后，间隙消失，两负角度台肩相互配合并锁紧，使外螺纹接头2的端部膨胀后不会因为金属回弹产生向套管内侧的弯曲。

作为优选实施例，参阅图3，外螺纹接头1与内螺纹接头2的螺纹锥度为1:32。第一导向面4与管柱轴线的法向夹角为65°，第二导向面6与管柱轴线的法向夹角为64°。

作为优选实施例，参阅图3，第二导向面6与外螺纹接头的第一倒钩形螺纹5终止处之间留有间隙设有间隙，膨胀后，第二导向面6与螺纹终止处进一步在轴向上靠拢，从而给金属密封面进一步贴合留出了空间。

作为优选实施例，参阅图3，外螺纹接头1的第一金属密封面7与内螺纹接头2的第二金属密封面7’的锥度为1:20。

作为优选实施例，参阅图10，所述第一倒钩型螺纹5和第二倒钩型螺纹5’均包括螺纹钩面10、螺纹导向面11、螺纹钩尖12和螺纹导向面倒角13；所述第一倒钩型螺纹5和第二倒钩型螺纹5’的螺纹导向面11之间留有间隙。第二倒钩型螺纹5的承载面10的偏角为-10°，第二倒钩型螺纹5的螺纹导向面11的偏角为10°，螺纹钩尖12采用倒角取0.2，螺纹导向面倒角13取0.76。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种适用于刚性锥工具的膨胀套管金属密封接头，其特征在于，包括：相互连接的外螺纹接头(1)和内螺纹接头(2)；

所述外螺纹接头(1)由端部向内依次设置有第三负角度台肩(8)、第一金属密封面(7)、第一倒钩形螺纹(5)以及第一负角度台肩(3)；所述内螺纹接头(2)在与外螺纹接头(1)对应的位置设置有第四负角度台肩(9)、第二金属密封面(7’)、第二倒钩形螺纹(5’)以及第二负角度台肩(3’)；

所述外螺纹接头(1)的第一负角度台肩(3)和第一倒钩形螺纹(5)之间设置有第一导向面(4)；所述内螺纹接头(2)的第二金属密封面(7’)和第二倒钩形螺纹(5’)之间设置有第二导向面(6)；

所述外螺纹接头(1)的第一倒钩形 螺纹(5)与内螺纹接头(2)的第二倒钩形 螺纹(5’)相互啮合；

所述第一导向面(4)与内螺纹接头(2)螺纹终止处之间设有间隙；所述第二导向面(6)与外螺纹接头(1)螺纹终止处之间设有间隙；

外螺纹接头(1)的第三负角度台肩(8)与内螺纹接头(2)的第四负角度台肩(9)之间留有间隙；

所述外螺纹接头(1)的第一金属密封面(7)与内螺纹接头(2)的第二金属密封面(7’)在上扣后无过盈量；

所述第一倒钩形 螺纹(5)和第二倒钩形 螺纹(5’)均为具有负角度的单钩形螺纹；所述第一倒钩形 螺纹(5)和第二倒钩形 螺纹(5’)的螺纹导向面(11)之间留有间隙；

所述单钩形螺纹的牙顶和牙底均与母线平行；单钩形螺纹承载面角度为-10°～-20°，螺纹锥度为1:24～1:36，螺纹钩尖倒角为弧面，螺纹导向面偏角为10°～25°；

所述第一倒钩形 螺纹(5)和第二倒钩形 螺纹(5’)断面均由螺纹钩面(10)、螺纹钩尖(12)、螺纹导向面倒角(13)和螺纹导向面(11)依次连接而成。

2.根据权利要求1所述的一种适用于刚性锥工具的膨胀套管金属密封接头，其特征在于，所述外螺纹接头(1)在螺纹长度中间位置的中径值等于或小于该位置二分之一壁厚处的直径值。

3.根据权利要求1所述的一种适用于刚性锥工具的膨胀套管金属密封接头，其特征在于，所述第三负角度台肩(8)、第四负角度台肩(9)的角度为-15°～-20°；所述第一导向面(4)与管柱轴线的法向夹角为60°～70°；所述第二导向面(6)与管柱轴线的法向夹角为60°～70°。

4.根据权利要求1所述的一种适用于刚性锥工具的膨胀套管金属密封接头，其特征在于，所述第一金属密封面(7)与第二金属密封面(7’)采用锥面-锥面的密封形式，密封面锥度取1:20～1:30。

5.根据权利要求1所述的一种适用于刚性锥工具的膨胀套管金属密封接头，其特征在于，所述螺纹钩面(10)的偏角为-10°，螺纹导向面(11)的偏角为10°，螺纹钩尖(12)采用倒角取0.2，螺纹导向面倒角(13)取0.76。

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