CN113565448B - 一种内衬复合油井管的弹性气密封结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种内衬复合油井管的弹性气密封结构，包括公端管体和母端管体，公端管体和母端管体螺纹连接，沿公端管体的径向，该公端管体包括内侧的复合内衬层和外侧的管体基层，复合内衬层与管体基层复合连接，公端管体和母端管体相接处靠近油井管的内壁端，公端管体的部分和所述母端管体的部分围合成一个环形槽体，环形槽体内嵌设有一刚性环形件，沿轴向，刚性环形件与公端管体间垫衬有第一柔性密封层，刚性环形件与所述母端管体间垫衬有第二柔性密封层；其中，所述刚性环形件的断面形状为一等腰梯形，该等腰梯形顶边所在的平面处于所述油井管的内壁面一端，等腰梯形的顶角β满足：90°＜β≤110°。
Description
技术领域
本发明涉及石油管工程技术领域，具体涉及一种内衬复合油井管的弹性气密封结构。
背景技术
油井管是将地底深达数千米的油气开采运送至地面的唯一通道，目前油井管的连接均由螺纹结构连接。结构必须保证在拉伸、内压、外挤、弯曲、气密封等性能上满足油气开采，已经有各式的结构满足不同井况的需求。
随着油气开采逐步向深、低、海、非的难开采区域发展，其中重要的来源在酸性气田开采开发，例如中国的西南、西北等区域。这些酸性气田区域的开采如果使用普通抗S油井管则不能达到开采安全评估及周期运行的要求，如果采用吨钢成本达到数十万元的镍基合金等油井井管则会成本过高，开发难度增加，性价比低。
进而结合油井管性能安全与性价比的要求，通过由普通抗硫材质油井管复合一层镍基合金内衬，达到满足腐蚀要求与降低成本的目的。但是，复合油管的连接结构问题是一直困扰复合油管应用的最大难题。
同时，复合管在民用(水管等)、石油管线方面已经有成熟的应用案例，但相比复合油井管的连接，前者的服役工况相对宽松，主要体现在：
1.民用复合管对影响管柱安全的腐蚀要求，如H2S，Cl-等相对宽松，其接头的连接可以采用相对宽松的焊机或者普通螺纹连接的方式满足要求；
2.石油管线的连接一般都采用端部焊接的方式，通过焊接工艺与焊丝等优化，在地面可以满足连接性能要求。石油管线一般都水平放置，仅受内压等物理载荷，轴向受力可以忽略。
3.普通碳钢油井管的螺纹接头一般分为普通API接头和气密封特殊螺纹接头，前者主要应用在原油开采，不具备稳定气密封能力。普通碳钢的气密封特殊螺纹接头一般是指通过螺纹与金属密封面、扭矩台肩等组成，从而满足接头密封等性能，如图1所示的普通(单一材质)油井管的气密封结构简图，图中示意了公扣1、母扣2、公端螺纹3、母端螺纹4、公端密封面5、母端密封面6、公端台肩7和母端台肩8的结构及相互关系。现有技术中类似的结构还包括申请号为99240437.1、99240438.X、01253367.X、02209453.9、02257690.8、200420059633.1、200720096474.6、200720027706.2、200720027707.7、200720199432.5、200920154275.5、201020013334.X、200920277215.2、201020254008.8、00249827.8、201020506375.2、201120037927.4和97115288.8的中国专利文献，以及公开号为CN1386953A、CN102011557A和CN102071881A的中国专利文献等。这些现有的设计中，普通碳钢油井管的螺纹接头设计时不需要考虑因为材质不同而变化，所有的公螺纹，接箍等都为同一材质，或者不用考虑接头材质的腐蚀影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种可重复加工，避免接头间隙腐蚀的结构，具备性价比及可靠性结合的复合油管弹性气密封结构。
其所要解决的技术问题可以通过以下技术方案来实施。
一种内衬复合油井管的弹性气密封结构，包括公端管体和母端管体，所述公端管体和母端管体螺纹连接，沿所述公端管体的径向，该公端管体包括内侧的复合内衬层和外侧的管体基层，所述复合内衬层与所述管体基层复合连接，其特点在于，
所述公端管体和母端管体相接处靠近油井管的内壁端，所述公端管体的部分和所述母端管体的部分围合成一个环形槽体，所述环形槽体内嵌设有一刚性环形件，沿轴向，所述刚性环形件与所述公端管体间垫衬有第一柔性密封层，所述刚性环形件与所述母端管体间垫衬有第二柔性密封层；
其中，所述刚性环形件的断面形状为一等腰梯形，该等腰梯形顶边所在的平面处于所述油井管的内壁面一端，所述等腰梯形的顶角β满足：90°＜β≤110°。
作为本技术方案的进一步改进，沿同一断面，所述第一柔性密封层、刚性环形件和第二柔性密封层三者的整体断面形状为矩形。
也作为本技术方案的进一步改进，沿径向，所述刚性环形件的厚度d1为2-4mm。
还作为本技术方案的进一步改进，所述环形槽体的断面为矩形，其槽宽L1为3-10mm。
进一步，沿轴向，所述第一柔性密封层、刚性环形件和第二柔性密封层的叠加厚度L3比所述槽体的槽宽大1-3mm。
同样作为本技术方案的进一步改进，所述等腰梯形顶边所在的平面与所述油井管的内壁面大致平齐。
作为本发明的优选实施例，所述等腰梯形的顶角β为100°。
也作为本发明的优选实施例之一，沿所述公端管体和母端管体相接处，由外到内，所述公端管体的管体基层上依次设置有用以与母端管体密封连接的一段连接螺纹、一第一密封面和一凸出的公端台肩。
其中，所述公端台肩的台肩面与所述刚性环形件的等腰梯形的底面大致垂直，并正对该底面的大致中间位。
进一步，所述公端台肩为正向台肩，其台肩角度α满足，0°≤α≤45°。
采用上述技术方案的内衬复合油井管的弹性气密封结构，可以满足复合油管在拉伸、压缩、内外压等物理工况，以及酸性油气环境下的天然气井生产开发过程中的应用场景，保证密封性能。特别的，公端可以在原有基管(即碳钢管体)与内衬复合层组成的复合油井管上重复循环加工；通过弹性密封圈的设计可以满足接头在拉伸、弯曲等复合载荷情况下的不发生间隙腐蚀。
附图说明
图1为现有的普通(单一材质)油井管的气密封结构简图；
图2为本发明内衬复合油井管的弹性气密封结构简图；
图3为本发明复合管公端基本结构简图；
图4为本发明复合管母端基本结构简图；
图5为本发明弹性密封结构简图；
图6为弹性密封结构在压应力下的密封示意图；
图7为弹性密封结构在受拉升后保持预紧密封应力的示意图；
图8为弹性密封结构在装配下与公母端保持内平的示意图；
图9为弹性密封圈，密封圈轮毂与密封槽之间的装配关系示意图；
图10为弹性密封圈轮毂结构简图；
图11为扭矩台肩结构示意图；
图12为锥形/圆弧形状密封结构示意图；
图13为图11中台肩角度示意；
图中：1、公扣，2、母扣，3、公端螺纹，4、母端螺纹，5、公端密封面，6、母端密封面，7、公端台肩，8、母端台肩；
11、接箍，12、碳钢管体，13、内衬复合层，14、螺纹连接，15、第一密封面，16、台肩面，17、弹性密封圈，170、轮毂，171、密封环，172、密封槽。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细说明。
本发明提供了一种内衬复合油井管的弹性气密封结构，如图2-图4所示，油井管公端由普通碳钢基管12与耐蚀不锈钢系列内衬复合而成(见图中的内衬复合层13)，母端由耐蚀不锈钢系列材质加工而成，公母端通过旋进拧接配合，满足高酸性油气开采用的连接、密封等功能。公端通过螺纹14结构与第一密封面15，台肩面16及弹性密封圈17的结构设计、加工；对应的，母端通过螺纹14结构与第一密封面15，台肩面16及相应的弹性密封圈沟槽结构设计加工，公母拧紧配合后保证性能。
具体来说，涉及的油管外径d为Φ60.3mm至Φ114.3mm之间的所有API 5CT之间明确的油管规格。油管的基管(碳钢管体12)根据工况条件由普通抗腐蚀管或者普通碳钢材质组成，强度一般在758～865MPa。油管的内层通过冶金、机械或者其他方法内衬厚度为t的抗腐蚀合金层(即内衬复合层13)，其中t≥
0.5mm。
接头由公端与镍基接箍11组成，接箍11采用与内衬复合层13相同的材质，或者选用其他镍基类或不锈类材质。如图4所示，采用镍基系列材质的接箍最大的优点是可以保证接箍的内壁处不用进行焊接、涂层处理，且避免接箍材质的焊接，复合等工艺带来的不确定性。
采用复合接头的核心技术是气体密封及复合载荷下内壁任何位置碳钢材质不被暴露于酸性介质中。本发明中特别设计了弹性密封圈，如图5-图9中为其结构的示意简图(简化画法)，更进一步具体的部件结构可以参照图10。
如图5所示，弹性密封圈17在装配前放入母端相应位置，或者提前装入公端位置，待公母螺纹拧接啮合后通过位置配合保证弹性密封圈17承受一定的预压力，可以使a、正常情况下弹性密封圈与公端内衬层、母端镍基层之间保持压缩预紧力，保证结构的密封性能(参见图6)；b、拉伸情况下弹性密封圈回弹保证结构密封性能(如图7)；c、通过精确的尺寸控制，弹性密封圈与公端内衬内表面，母端内表面三者之间保持内平(如图8)。
弹性密封圈结构的设计关系到接头是否保证整体结构的复合密封性能。如图9和图10所示，弹性密封圈17的结构包括内侧的轮毂170以及套设在轮毂170上的防腐橡胶外层构成的密封环171组成。密封槽172与密封环171的外部轮廓大体匹配，但通过精确的设计需要保证装配前弹性密封圈17可以整体平稳放入密封槽172，装配后密封槽与密封圈保证一定预紧力。
如图10a所示为弹性密封圈17的轮毂170的环状结构，图10b则示意了图10a中A-B截面形貌，即作为密封圈内层的主体结构，轮毂170的断面为等腰梯形结构，该等腰梯形的底边长为L2，高为d1，顶角为β。并且，由轮毂170及外部包裹的密封环171的弹性密封圈断面形状整体为矩形。
另外，弹性密封结构的装配过盈与弹性密封圈的结构设计时保证复合密封性能的核心。如图9所示，密封槽的槽宽为L1，弹性密封圈整体宽度L3，密封圈刚性轮毂宽度L2。
通过试验验证：
1、满足L1＝3～10mm，L2＝3～10mm，L3＝4～11mm时，效果最好；
2、且满足L3-L1＝1～3mm即，密封圈外圆宽度(指图中的L3)大于密封槽1～3mm；
3、且满足L3-L2＝1～3mm，密封圈轮毂与外圆之间宽度(密封橡胶双边厚度)在1～3mm。
如图10所示的弹性密封圈轮毂的结构所示，其中d1是轮毂的厚度，一般建议d1＝2～4mm之间，β确定密封圈形状参数，其中β要大于90°，以免因为配合时密封圈结构挤压往内孔，β＝90°-110°，且β＝100°时效果尤佳；当β优选100°时，既可以采用侧面锥面密封结构，保证密封稳定性，又可以将密封环较轻松的安装进槽。
油管的接头是通过管拧至位置后保证性能，由于镍基层的厚度较小，因此需要设计单独的碳钢台肩满足接头的限位与对顶。参照图11和图13所示，在碳钢基体上设计α角度的台肩。受制于内衬层，该角度与普通碳钢不同，需要正向设计，α在【0,45°】范围即可，在0°时承载能力最强。
油管的接头通过偏梯形螺纹或者改进偏梯形螺纹连接14，公端螺纹在碳钢基体上面加工，通过螺纹连接强度满足管体拉伸与压缩等比要求。在公端碳钢基体与接箍对应位置(第一密封面15)设计出锥面或者圆弧面的过盈密封结构，该第一密封面15与弹性密封圈17共同组成接头的两道内密封形式，保证密封性能。
本发明的内衬复合油井管的弹性气密封结构，可以达到如下有益效果：
·接头连接强度T＝σs1×S1+σs2×S2
σs1指基体碳钢屈服强度，一般在758MPa～865MPa之间，S1指基体碳钢管的截面积；σs2指内衬复合层屈服强度与结合强度间的较小值，一般＜300MPa，S2指内衬复合层的截面积(mm2)。
·管串抗外挤强度Pe按照整体管材强度90～100ksi(690MPa～700MPa)计算，壁厚按照整体基管与复合层总面积S＝S1+S2计算。
·管串抗内压强度Pi＝1.75×【σs1×t1/d+σs2×t/d2】，其中，t1指基体碳钢壁厚，d2指基体碳钢名义内径值。
·管串具备内壁不低于内衬合金抗腐蚀性能。
实施例本案以d＝Φ88.9mm，d2＝6.45mm，t＝1.0mm，基体材质强度σs1为110ksi，复合材质为Inconel 718，强度σs2为200MPa的油管为例，密封槽L1＝6.0mm，弹性密封圈外圆宽度/整体宽度L3＝7.5mm，密封圈刚性轮毂宽度L2＝5.5mm，α＝0°，β＝100°。本实施例接头试验出实体性能如下表1所示。可以看出本案实施例中连接强度，内压与外挤均不同程度的提高，最主要的是内标具备完全的抗腐蚀的结构。
表1：实施例性能对比
另外需要特别说明的是，本发明中的部分结构与申请人早先申请的201910920755.6相关，对于两者共性的部分，倘若本发明中未予详细说明，也可以参照早先申请中的相关内容。
本发明提供的内表复合的双金属弹性接头，解决了油管之间接头实物性能及内腐蚀的难题，可以逐步替代纯镍基金属油管，对酸性气田，高酸性气田及其他高腐蚀工况有借鉴意义，其可以大幅降低成本，市场推广前景广阔。
Claims (8)
1.一种内衬复合油井管的弹性气密封结构，包括公端管体和母端管体，所述公端管体和母端管体螺纹连接，沿所述公端管体的径向，该公端管体包括内侧的复合内衬层和外侧的管体基层，所述复合内衬层与所述管体基层复合连接，其特征在于，
所述公端管体和母端管体相接处靠近油井管的内壁端，所述公端管体的部分和所述母端管体的部分围合成一个环形槽体，所述环形槽体内嵌设有一刚性环形件，沿轴向，所述刚性环形件与所述公端管体间垫衬有第一柔性密封层，所述刚性环形件与所述母端管体间垫衬有第二柔性密封层；
沿所述公端管体和母端管体相接处，由外到内，所述公端管体的管体基层上依次设置有用以与母端管体密封连接的一段连接螺纹、一第一密封面和一凸出的公端台肩；所述公端台肩的台肩面与所述刚性环形件的等腰梯形的底面大致垂直，并正对该底面的大致中间位；
其中，所述刚性环形件的断面形状为一等腰梯形，该等腰梯形顶边所在的平面处于所述油井管的内壁面一端，所述等腰梯形的顶角β满足：90°＜β≤110°。
2.根据权利要求1所述的内衬复合油井管的弹性气密封结构，其特征在于，沿同一断面，所述第一柔性密封层、刚性环形件和第二柔性密封层三者的整体断面形状为矩形。
3.根据权利要求1所述的内衬复合油井管的弹性气密封结构，其特征在于，沿径向，所述刚性环形件的厚度d1为2-4mm。
4.根据权利要求1所述的内衬复合油井管的弹性气密封结构，其特征在于，所述环形槽体的断面为矩形，其槽宽L1为3-10mm。
5.根据权利要求1-4中任一权利要求所述的内衬复合油井管的弹性气密封结构，其特征在于，沿轴向，所述第一柔性密封层、刚性环形件和第二柔性密封层的叠加厚度L3比所述槽体的槽宽大1-3mm。
6.根据权利要求1所述的内衬复合油井管的弹性气密封结构，其特征在于，所述等腰梯形顶边所在的平面与所述油井管的内壁面大致平齐。
7.根据权利要求1所述的内衬复合油井管的弹性气密封结构，其特征在于，所述等腰梯形的顶角β为100°。
8.根据权利要求1所述的内衬复合油井管的弹性气密封结构，其特征在于，所述公端台肩为正向台肩，其台肩角度α满足，0°≤α≤45°。
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