CN113309474B - 一种膨胀套管金属密封接头 - Google Patents

Abstract

一种膨胀套管金属密封接头，由外螺纹接头和内螺纹接头组成，外螺纹接头由内端向外依次设置有第一负角度台肩，第一导向面，第一倒钩形螺纹，第一金属密封面，第三负角度台肩以及B凸起；内螺纹接头在与外螺纹接头对应的位置依次设置有凹槽，第四负角度台肩，第二金属密封面，第二导向面，第二倒钩形螺纹以及第二负角度台肩，本发明外螺纹接头和内螺纹接头的负角度台肩、金属密封面、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。

Description

一种膨胀套管金属密封接头

技术领域

本发明属于油气井建井及修井领域中的石油膨胀套管技术，尤其涉及一种膨胀套管金属密封接头，是一种采用液体压力驱动膨胀工具对套管进行膨胀的膨胀套管接头。

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％左右而产生永久变形，以达到预定工程目的的技术。该技术可用于钻井、完井及修井等作业过程。

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轴向运动，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密封，其结构示意图见图2。该接头由具有倒钩形螺纹16的外螺纹接头14和内螺纹接头15组成，内螺纹接头15还设置有密封槽18和扭矩台肩19’。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17实现，上扣扭矩控制由外螺纹扭矩台肩20和内螺纹扭矩台肩20’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17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17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。

常用于特殊螺纹接头的锥面-锥面金属密封结构示意图见图3，这种接头由内螺纹接头20和外螺纹接头21组成，内外螺纹接头上都设置有金属密封面以及扭矩台肩。计算机有限元模拟和实物实验都发现这种密封结构不适用于膨胀套管。通过有限元仿真，得到特殊螺纹接头锥面-锥面金属密封结构膨胀后的结构示意图见图4。由图4可知，膨胀后扭矩台肩之间出现了间隙，且金属密封面之间也产生了分离，所以这种密封结构膨胀后的密封效果不佳。分析仿真结果，发现其密封性能不好的原因为：由于膨胀过程中外螺纹接头比内螺纹接头的轴向收缩量大，膨胀后套管内侧的扭矩台肩之间会出现间隙，使外螺纹接头端部失去径向上的约束，在膨胀锥经过后因为金属回弹产生了向套管内侧的弯曲，导致金属密封面之间产生间隙，降低或者失去了接头的密封性能。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种膨胀套管金属密封接头，采用负角度锥面-锥面密封形式，通过膨胀过程提高金属密封的密封性能，具有密封性能好而且可靠的特点。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种膨胀套管金属密封接头，由外螺纹接头1和内螺纹接头2组成，外螺纹接头1由内端向外依次设置有第一负角度台肩3，第一导向面4，第一倒钩形螺纹5，第一金属密封面7，第三负角度台肩9以及B凸起10；内螺纹接头2在与外螺纹接头1对应的位置依次设置有凹槽11，第四负角度台肩9’，第二金属密封面8，第二导向面6，第二倒钩形螺纹5’以及第二负角度台肩3’。

所述的外螺纹接头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’有两种结构形式，第一种为常规负角度台肩，第二种为在第二负角度台肩3’靠套管内侧设置一个A凸起3’-1，第一负角度台肩3对应位置设置一个凹槽，A凸起3’-1卡在凹槽中，限制内螺纹接头端部在径向上的位移。

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。

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8之间在上扣后有间隙，在外螺纹接头1端部的第三负角度台肩9设置有一个B凸起10，在内螺纹接头2内端的第四负角度台肩9’设置有一个凹槽11，接头上扣后，B凸起10卡在凹槽11中，且靠套管外侧的B凸起10与凹槽11之间留有间隙，其宽度与金属密封面上扣后的间隙宽度相同。

外螺纹接头1的第三负角度台肩9与内螺纹接头2内端的第四负角度台肩9’角度为﹣15°～﹣20°，B凸起10的厚度为0.6～1.2mm，宽度为1.5～3mm。

所述的第一金属密封面7与第二金属密封面8的金属密封面采用负角度锥面-锥面密封形式，即密封面越接近接头端部越厚，锥度为1：20～1:30，第一金属密封面7在径向上的最高处不得高于第二金属密封面8最低处。

所述的外螺纹接头1内端的第一负角度台肩3与第一倒钩形螺纹5之间的导向面与管柱轴线的法向夹角为60°～70°。

所述的内螺纹接头2的第二倒钩形螺纹5’与第二金属密封面8之间的导向面与管柱轴线的法向夹角为60°～70°。

本发明的优点：

本发明由相互连接的外螺纹接头1和内螺纹接头2组成，外螺纹接头1和内螺纹接头2均依次包括负角度台肩、金属密封面、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。

附图说明

图1是刚性锥实现套管柱膨胀的过程示意图。

图2是普通膨胀套管接头结构示意图。

图3是特殊螺纹接头锥面-锥面金属密封结构示意图。

图4是膨胀后的特殊螺纹接头锥面-锥面金属密封结构示意图。

图5是本发明膨胀套管金属密封接头结构示意图。

图6是本发明膨胀套管金属密封接头外螺纹接头结构示意图。

图7是本发明膨胀后的膨胀套管金属密封接头结构示意图。

图8是本发明图5中A局部结构放大示意图。

图9是本发明图5中A局部第二种形式A’结构放大示意图。

图10是本发明图5中B局部结构放大示意图。

图11是本发明图7中C局部结构放大示意图。

图12是负角度锥面-锥面金属密封结构示意图。

图13是膨胀后的负角度锥面-锥面金属密封结构示意图。

图14是负角度锥面结构示意图。

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，3’-1.A凸起，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，8.第二金属密封面，9.第三负角度台肩，9’.第四负角度台肩，10.B凸起，11.凹槽，12.膨胀套管，13.刚性膨胀锥，14.外螺纹接头，15.内螺纹接头，16.外螺纹倒钩型螺纹，16’.内螺纹倒钩型螺纹，17.密封橡胶圈，18.密封槽，19.外螺纹扭矩台肩，19’.外螺纹扭矩台肩，20.外螺纹接头，21.内螺纹接头，22.外螺纹金属密封面，22’.内螺纹金属密封面，23.外螺纹扭矩台肩，23’.内螺纹扭矩台肩。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参阅图5，一种膨胀套管金属密封接头，由外螺纹接头1和内螺纹接头2组成。

参阅图5和图6，外螺纹接头1由内端向外依次设置有第一负角度台肩3，第一导向面4，第一倒钩形螺纹5，第一金属密封面7，第三负角度台肩9以及B凸起10；内螺纹接头2在与外螺纹接头1对应的位置依次设置有凹槽11、第四负角度台肩9’、第二金属密封面8、第二导向面6、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5，图8和图9，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’有两种结构形式，图8是第一种形式，第一种为常规负角度台肩，图9是第二种形式，第二种在第二负角度台肩3’靠套管内侧设置一个A凸起3’-1，第一负角度台肩3对应位置设置一个凹槽，A凸起3’-1卡在凹槽中，限制内螺纹接头端部在径向上的位移，两种结构形式的第一负角度台肩3和第二负角度台肩3’都相互配合。

参阅图5，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，保证接头的连接强度。

参阅图5，图7，图12和图13，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8之间在上扣后有间隙。膨胀过程中，外螺纹接头1的第一金属密封面7向外扩张对内螺纹接头2的第二金属密封面8产生挤压，两密封面之间的间隙消失；同时，外螺纹接头1和内螺纹接头2都会产生轴向收缩，而外螺纹接头1的第一金属密封面7由于在接头的端部，无轴向上的约束，缩短量比内螺纹接头2第二金属密封面8的大，导致内外螺纹接头的金属密封面产生了不同步的轴向收缩，使内外螺纹密封面产生轴向上的相对位移，位移方向见图10。膨胀后，第一金属密封面7和第二金属密封面8因为内外螺纹接头产生轴向上相对分离趋势的位移而卡紧，由于套管膨胀过程中接头始终处于受拉状态，密封面之间会持续保持锁紧的状态，并达到理想的过盈量，使金属密封面的密封效果在膨胀过程中得到大幅提升，实现接头的密封功能。

参阅图5，图10和图11，在外螺纹接头1端部的第三负角度台肩9设置有一个B凸起10，在内螺纹接头2内端的第四负角度台肩9’设置有一个凹槽11，接头上扣后，B凸起10卡在凹槽11中，且靠套管外侧的B凸起10与凹槽11之间留有间隙，其宽度与金属密封面上扣后的间隙宽度相同；膨胀过程中，膨胀锥作用在膨胀套管柱内壁的径向压力使其扩径，B凸起10与凹槽11之间的间隙消失；膨胀后，凸起仍然卡在凹槽中，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，更有利于接头的密封。

参阅图10，外螺纹接头1的第三负角度台肩9与内螺纹接头2内端的第四负角度台肩9’角度为﹣15°～﹣20°，B凸起10的厚度为0.6～1.2mm，宽度为1.5～3mm。

参阅图5，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°。

参阅图5和图10，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8的金属密封面采用负角度锥面-锥面密封形式，锥度为1：20～1:30，第一金属密封面7负角度锥面示意图见图14，图中锥度为1：20。第一金属密封面7在径向上的最高处不得高于第二金属密封面8最低处，以保证接头上扣时，两金属密封面之间不会发生干涉。负角度锥面-锥面金属密封面越靠近接头端部厚度越大，与常规的锥面-锥面金属密封相反。膨胀过程中，膨胀锥作用在膨胀套管柱内壁的径向压力使其扩径，密封面之间的间隙逐渐消失，两密封面开始贴合；又由于内外螺纹接头2在膨胀过程中会产生轴向收缩，且外螺纹接头1的第一金属密封面7的缩短量比第二金属密封面8的大，导致两密封面产生轴向上相向的位移，形成过盈配合，膨胀后达到理想过盈量，实现接头的密封效果。

所述的外螺纹接头1内端的第一负角度台肩3与第一倒钩形螺纹5之间的导向面与管柱轴线的法向夹角为60°～70°。

所述的内螺纹接头2的第二倒钩形螺纹5’与第二金属密封面8之间的导向面与管柱轴线的法向夹角为60°～70°。

本发明的工作原理为：

本发明采用负角度锥面-锥面金属密封形式,第一金属密封面7和第二金属密封面8都采用负角度锥面结构形式，即密封面越接近接头端部越厚，第一金属密封面7负角度锥面示意图见图14。膨胀过程中，外螺纹接头1的第一金属密封面7向外扩张对内螺纹接头2的第二金属密封面8产生挤压，两密封面之间的间隙消失；同时，外螺纹接头1和内螺纹接头2都会产生轴向收缩，而外螺纹接头1的第一金属密封面7由于在接头的端部，无轴向上的约束，缩短量比内螺纹接头2第二金属密封面8的大，导致内外螺纹接头的金属密封面产生了不同步的轴向收缩，使内外螺纹密封面产生轴向上的相对位移，位移方向见图12。膨胀后，第一金属密封面7和第二金属密封面8因为内外螺纹接头产生轴向上相对分离趋势的位移而卡紧，由于套管膨胀过程中接头始终处于受拉状态，密封面之间会持续保持锁紧的状态，并达到理想的过盈量，见图13，使金属密封面的密封效果在膨胀过程中得到大幅提升，实现接头的密封功能。

本发明在外螺纹接头1端部负角度台肩9靠近密封面处设置有一个B凸起10，在内螺纹接头2内端负角度台肩9’相应位置设置有一个凹槽11，接头上扣后，B凸起10卡在凹槽11中，且B凸起10与凹槽11之间留有间隙，见图10。在膨胀过程中，膨胀锥作用在膨胀套管柱内壁的径向压力使其扩径，B凸起10与凹槽11之间的间隙消失；膨胀后，尽管内外螺纹接头产生了不同步收缩，B凸起10仍然卡在凹槽11中，见图11，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，更有利于接头的密封。

Claims (1)

1.一种膨胀套管金属密封接头，由外螺纹接头1和内螺纹接头(2)组成，其特征在于，外螺纹接头(1)由内端向外依次设置有第一负角度台肩(3)，第一导向面(4)，第一倒钩形螺纹(5)，第一金属密封面(7)，第三负角度台肩(9)以及B凸起(10)；内螺纹接头(2)在与外螺纹接头(1)对应的位置依次设置有凹槽(11)，第四负角度台肩(9’)，第二金属密封面(8)，第二导向面(6)，第二倒钩形螺纹(5’)以及第二负角度台肩(3’)；

所述的外螺纹接头(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’)有两种结构形式，第一种为常规负角度台肩，第二种为在第二负角度台肩(3’)靠套管内侧设置一个A凸起(3’-1)，第一负角度台肩(3)对应位置设置一个凹槽，A凸起(3’-1)卡在凹槽中，限制内螺纹接头端部在径向上的位移；

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；

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(8)之间在上扣后有间隙，在外螺纹接头(1)端部的第三负角度台肩(9)设置有一个B凸起(10)，在内螺纹接头(2)内端的第四负角度台肩(9’)设置有一个凹槽(11)，接头上扣后，B凸起(10)卡在凹槽(11)中，且靠套管外侧的B凸起(10)与凹槽(11)之间留有间隙，其宽度与金属密封面上扣后的间隙宽度相同；

外螺纹接头(1)的第三负角度台肩(9)与内螺纹接头(2)内端的第四负角度台肩(9’)角度为﹣15°～﹣20°，B凸起(10)的厚度为0.6～1.2mm，宽度为1.5～3mm；

所述的第一金属密封面(7)与第二金属密封面(8)的金属密封面采用负角度锥面-锥面密封形式，即密封面越接近接头端部越厚，锥度为1：20～1:30，第一金属密封面(7)在径向上的最高处不得高于第二金属密封面(8)最低处；

所述的外螺纹接头(1)内端的第一负角度台肩(3)与第一倒钩形螺纹(5)之间的导向面与管柱轴线的法向夹角为60°～70°；

所述的内螺纹接头(2)的第二倒钩形螺纹(5’)与第二金属密封面(8)之间的导向面与管柱轴线的法向夹角为60°～70°。

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