CN114320175B - 一种抗粘扣的快速上扣螺纹接头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗粘扣的快速上扣螺纹接头，其包括公端和母端接箍，所述公端具有外螺纹，所述母端接箍具有内螺纹，所述内螺纹和外螺纹的齿形为偏梯形，所述外螺纹的齿顶面齿形角α1大于所述内螺纹的齿顶面齿形角α2。本发明所述的抗粘扣的快速上扣螺纹接头结构简单，其通过优化的齿形以及螺纹接头结构，能够实现更好的对扣性能和上卸扣速度，可以有效提升油套管接头的作业效率。

Description

一种抗粘扣的快速上扣螺纹接头

技术领域

本发明涉及一种螺纹接头，尤其涉及一种快速上扣式螺纹接头。

背景技术

在油气开采过程中，需要使用管道将原油和天然气输送到地表，最终完成油气开采。这个过程中油管和油管之间以及套管与套管之间需要通过螺纹接头实现连接。利用螺纹接头将油管及套管串联成管柱完成油气开采任务。

随着技术的发展，油套管螺纹接头种类越来越多。其中应用最为广泛的套管螺纹接头是API标准螺纹，API标准螺纹包括不加厚油管圆螺纹、外加厚油管圆螺纹、套管长圆螺纹、套管短圆螺纹、套管偏梯形螺纹等多种螺纹形式。这些螺纹形式结构简单，通用性强。但需要注意的是，由于上述螺纹的螺牙较小，对扣难度大，操作使用不便，在API标准螺纹以外，许多厂家根据实际应用工况特点开发了对应的非标规格螺纹接头，这些非标规格螺纹接头一般被统称为特殊螺纹接头

在现有技术中，在大规格套管产品使用过程中，由于管体口径和重量大，操作难度显著增加，在对扣过程中还容易发生错扣等问题，影响作业效率，增加作业成本。因此易于操作、上扣效率高的快速上扣螺纹接头在大口径套管作业中具有重要的推广应用价值。

专利号为CN202954751U，公开日为2013年5月29日，名称为“一种快速上卸的螺纹套管接头”的中国专利文献，公开了一种快速上卸扣的套管螺纹接头，其主要技术特征是采用了双头偏梯形螺纹结构，螺纹锥度为1:12～1:16，螺距为5.08mm，导程为10.16mm，规格范围覆盖9-5/8in～20in。该接头在满足同规格API产品性能要求的同时，接头上卸扣速度提升100％。

专利号为CN102852470A，公开日为2013年1月2日，名称为“大口径双头螺纹石油套管的螺纹结构”的中国专利文献，公开了一种大口径双头螺纹石油套管的螺纹结构，包括外螺纹以及内螺纹，所述螺纹为锯齿形螺纹，包括承载面、非承载面、齿顶面以及齿根面；其中齿顶面、齿根面与螺纹中径线相平行，螺纹中径线的锥度为1:7.5。采用本发明结构的大口径双头螺纹石油套管的螺纹结构，与现有技术相比具有以下有益效果：容易对扣、上扣速度快，效率高；在力学性能等方面等同于套管母材，作业时并不会因为上扣速度快而影响使用性能；螺纹连接强度高。

专利号为CN201087703Y，公开日为2008年7月16日，名称为“一种耐粘扣的石油套管接头”的中国专利文献，公开了一种具备较好抗粘扣性能的螺纹接头。该螺纹接头的特点是螺纹锥度为1:6～1:8，螺纹的螺距是每英寸3牙，螺纹高度是2.05mm～2.45mm。螺纹的齿顶、齿底平行于管子轴线。与现有技术相比该螺纹接头使用时容易对扣、不易错扣，因而具备较好的耐粘扣性能，同时上扣速度快，提高下井效率。

由此可见，上述这些特殊螺纹接头形式通过不同的结构特征满足了特殊油气开采工况要求，同时通过采用大螺距、大锥度、双线螺纹等螺纹设计形式实现了上扣速度快、抗粘扣性能好等目的。但在实际使用中仍然会发生错扣等情况，影响作业效率。

鉴于此，期望获得一种抗粘扣的快速上扣螺纹接头，该螺纹接头结构简单，能够实现更好的对扣性能和上卸扣速度，同时改善接头抗粘扣性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抗粘扣的快速上扣螺纹接头，该螺纹接头结构简单，其通过优化的齿形以及螺纹接头结构，能够实现更好的对扣性能和上卸扣速度，提升油套管接头的作业效率；同时该螺纹接头通过结构优化，可以改善接头抗粘扣性能，提高接头使用可靠性。

为了实现上述目的，本发明提出了一种抗粘扣的快速上扣螺纹接头，其包括公端和母端接箍，所述公端具有外螺纹，所述母端接箍具有内螺纹，其中：所述内螺纹和外螺纹的齿形为偏梯形；所述外螺纹的齿顶面齿形角α1大于所述内螺纹的齿顶面齿形角α2。

在本发明所述的技术方案中，本发明所述的抗粘扣的快速上扣螺纹接头，通过采用公端外螺纹和母端接箍内螺纹的差异化齿形设计，避免了上扣过程中内外螺纹齿顶对撞干涉，减少了错扣的风险，从而可以实现更好的对扣性能和上卸扣速度，提升油套管接头的作业效率。

进一步地，在本发明所述的抗粘扣的快速上扣螺纹接头中，所述内螺纹的齿顶面齿形角α2≥0°。

进一步地，在本发明所述的抗粘扣的快速上扣螺纹接头中，所述外螺纹的导向面齿形角β1和内螺纹的导向面齿形角β2均≥40°。

在本发明上述技术方案中，控制外螺纹的导向面齿形角β1和内螺纹的导向面齿形角β2均≥40°，可以有效改善本发明所述螺纹接头的导入性能。

进一步地，在本发明所述的抗粘扣的快速上扣螺纹接头中，所述外螺纹的承载面齿形角γ1和内螺纹的承载面齿形角γ2为正角度或负角度。

在本发明上述技术方案中，外螺纹的承载面齿形角γ1和内螺纹的承载面齿形角γ2为正角度或负角度，可以改善本发明所述螺纹接头的连接性能。

进一步地，在本发明所述的抗粘扣的快速上扣螺纹接头中，所述外螺纹的承载面齿形角γ1和内螺纹的承载面齿形角γ2的范围为-6°～6°。

进一步地，在本发明所述的抗粘扣的快速上扣螺纹接头中，所述外螺纹和内螺纹的锥度为1:6～1:16。

进一步地，在本发明所述的抗粘扣的快速上扣螺纹接头中，所述外螺纹和内螺纹的螺距为5.08mm～6.35mm。

在本发明上述技术方案中，采用大螺距和大锥度的设计可以有效提高本发明所述的螺纹接头的上扣速度，改善接头抗粘扣性能。

进一步地，在本发明所述的抗粘扣的快速上扣螺纹接头中，所述外螺纹和内螺纹为双线螺纹。

在本发明所述的技术方案中，在一些实施方式中，本发明所述的抗粘扣的快速上扣螺纹接头为了提高接头上扣速度，可以对外螺纹和内螺纹采用双线螺纹设计。双线螺纹在螺纹起始平面内有对称分布的两个螺纹起始点，每个螺纹起始点对应一条完整螺纹线，两条螺纹线平行等距排列互不影响。因此，相同工件上双线螺纹的导程比同规格单线螺纹导程翻倍。通过采用双线程结构，在同等螺纹长度下，螺纹上扣旋紧行程减半，在提高上扣速度的同时还改善了接头抗粘扣效果。

进一步地，在本发明所述的抗粘扣的快速上扣螺纹接头中，所述外螺纹和内螺纹的螺纹导程为10.16mm～12.7mm。

进一步地，在本发明所述的抗粘扣的快速上扣螺纹接头中，所述母端接箍的端面处具有非螺纹段，所述非螺纹段包括平直段和与其衔接的倒角段。

在本发明所述的技术方案中，在一些实施方式中，本发明所述的抗粘扣的快速上扣螺纹接头的母端接箍端面处还可以设有非螺纹段，其可以起到螺纹对中和导入的作用。

在公端与母端接箍配合之前，可以通过母端接箍端面处的非螺纹段对公端进行定位约束，使得公端与母端接箍两者之间的中线保持一致，从而减少对扣难度。非螺纹段是由加工于接箍端面内侧的一段圆柱形结构及其过渡倒角组成，其具体包括平直段和与其衔接的倒角段。

进一步地，在本发明所述的抗粘扣的快速上扣螺纹接头中，所述非螺纹段的孔径Q≤(W-8)mm，其中W为母端接箍的外径，并且/或者所述平直段的轴向长度＞6.35mm。

在本发明所述的技术方案中，为保证接头的强度，非螺纹段的孔径Q尺寸需要保证足够的端面厚度，因此在本发明所述的抗粘扣的快速上扣螺纹接头中，可以控制非螺纹段的孔径Q≤(W-8)mm，其中W为母端接箍的外径；相应地，为保证对中效果，非螺纹段得到平直段需要有足够的深度，控制平直段的轴向长度＞6.35mm时，能够取得较高的实施效果。

本发明所述的抗粘扣的快速上扣螺纹接头与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明所述的抗粘扣的快速上扣螺纹接头，通过采用公端外螺纹和母端接箍内螺纹的差异化齿形设计，避免了上扣过程中内外螺纹齿顶对撞干涉，减少了错扣的风险，从而可以实现更好的对扣性能和上卸扣速度，提升油套管接头的作业效率。本发明所述的抗粘扣的快速上扣螺纹接头相较于同规格API螺纹，可以在提升上扣速度100％以上，同时能够保证螺纹接头的其他连接性能不受影响。

在某些优选的实施方式中，还可以通过大导向面设计改善接头对扣性能，采用双线螺纹和大螺距、大锥度设计提升接头上扣速度，改善接头抗粘扣性能。

附图说明

图1示意性地显示了螺纹接头错扣不同接触状态示意图。

图2显示了本发明所述的抗粘扣的快速上扣螺纹接头在一种实施方式中内螺纹齿形的示意图。

图3显示了本发明所述的抗粘扣的快速上扣螺纹接头在一种实施方式中公端外螺纹齿形的示意图。

图4示意性地显示了双线螺纹的螺纹示意图。

图5显示了本发明所述的抗粘扣的快速上扣螺纹接头在一种实施方式中母端接箍的端面处的结构示意图。

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抗粘扣的快速上扣螺纹接头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示意性地显示了螺纹接头错扣不同接触状态示意图。

如图1所示，图1示意性地显示了螺纹接头错扣不同接触状态。

需要说明的是，螺纹对扣问题以及作业效率一直都是油套管下井作业中亟需解决的问题，特别是针对大口径套管。由于大口径套管的管体重量重、尺寸大，而相对比螺纹尺寸较小，在大口径套管操作过程中极易发生错扣问题。一旦发生错扣，套管的公接头和母接头嵌合到一起，通常情况下人工无法进行打开，需要使用液压钳进行卸扣作业，这一问题严重地影响了作业效率。同时，采用较小的螺纹尺寸也同样会造成上扣速度较慢的问题，影响作业效率。为此，发明人提出了一种通过优化螺纹齿形及结构，来提升接头对扣能力和上扣效率的思路。

为分析错扣产生原因，在实验室模拟工况下进行了螺纹上扣对扣验证试验。针对7in、9-5/8in和13-3/8in这三种不同口径特殊扣套管，重复进行上扣对扣、错扣演示试验，将所得的试验结果列于表1之中。

表1列出了7in、9-5/8in和13-3/8in三种口径特殊扣套管进行重复上扣对扣、错扣演示的试验结果。

表1.

选取同规格不同螺纹类型套管进行同样对扣、错扣演示试验，将所得的试验结果列于表2之中。

表2列出了不同螺纹类型套管进行重复上扣对扣、错扣演示的试验结果。

表2.

在实验室模拟实验的过程中，本案发明人通过重复对扣验证试验发现，在上扣过程中，发生错扣主要原因是螺纹接头的公端和母端接箍互相嵌合，造成接头卡死。通过统计分析，在相同对中情况下，错扣发生频率与齿形相关。

对表1的实验数据进行分析可知，套管口径越大，则错扣比例越高；同时在相同齿形下，套管口径越大错扣率越高。对错扣的螺纹接头进行剖样分析发现，其错扣主要是由于公母扣齿顶互相对顶干涉卡死造成，其对顶形态主要如图1示意图所示。进一步分析可知，外螺纹和内螺纹齿顶互相对顶干涉主要是由于外螺纹和内螺纹齿顶齿形角度平行或过于接近造成的，同时齿顶宽度过大加剧了错扣发生的概率。

对表2的试验数据进行分析可知，套管螺纹的齿顶面宽度也会影响螺纹错扣，齿顶宽度越宽，越容易发生公母扣齿顶互相对顶干涉卡死造成错扣。

基于以上分析，在本发明中，发明人在对螺纹接头的设计中，采用了新的设计方案，其通过调整齿顶齿形角度改善接头导入性能，同时通过增大螺纹导向面齿形角角度，以减小齿顶宽度。

图2显示了本发明所述的抗粘扣的快速上扣螺纹接头在一种实施方式中内螺纹齿形的示意图。

图3显示了本发明所述的抗粘扣的快速上扣螺纹接头在一种实施方式中公端外螺纹齿形的示意图。

本发明所述的抗粘扣的快速上扣螺纹接头包括：公端1和母端接箍2，其中公端1具有外螺纹，母端接箍2具有内螺纹。其中，本发明所述螺纹接头的内螺纹和外螺纹的齿形均为偏梯形结构，偏梯形结构主要由导向面、齿顶面、承载面、齿底面组成。

结合图2和图3可知，公端1中可以包括：外螺纹导向面11、外螺纹齿顶面12、外螺纹承载面13和外螺纹齿底面14。相应地，母端接箍2中可以包括：内螺纹导向面21、内螺纹齿顶面22、内螺纹承载面23和内螺纹齿底面24。

此外，在本发明所述的抗粘扣的快速上扣螺纹接头中，将公端1外螺纹的齿顶面齿形角设定为α1，将公端1外螺纹的导向面齿形角设定为β1，将公端1外螺纹的承载面齿形角设定为γ1。同样，将母端接箍2内螺纹的齿顶面齿形角α2，将母端接箍2内螺纹的导向面齿形角设定为β2，将母端接箍2内螺纹的承载面齿形角设定为γ2。

在本发明中，发明人针对螺纹接头的齿形进行了优化，具体方案如下：

为改善螺纹接头的对扣性能，避免公端1和母端接箍2的齿顶发生对撞干涉，公端1外螺纹的齿顶面齿形角α1和母端接箍2内螺纹的齿顶面齿形角α2采用差异化设计，即控制α1＞α2。其中，在某些实施方式中，内螺纹的齿顶面齿形角α2可以为0°或者平行于螺纹锥母线。

相应地，为改善螺纹接头的导入性能，在一些实施方式中，公端1外螺纹的导向面齿形角β1和母端接箍2内螺纹的导向面齿形角β2可以采用大角度设计，并控制β1和β2均≥40°。

此外，为保证螺纹接头的连接性能，在某些实施方式中，可以将外螺纹的承载面齿形角γ1和内螺纹的承载面齿形角γ2控制为正角度或负角度。其中，γ1和γ2可以进一步地优选地控制在-6°～6°之间。

另外，为了提高螺纹接头的上扣速度，在某些实施方式中，可以将外螺纹和内螺纹的锥度设计控制在1:6～1:16之间，将外螺纹和内螺纹的螺距设计控制在5.08mm～6.35mm之间。

图4示意性地显示了双线螺纹的螺纹示意图。

如图4所示，在本发明所述的抗粘扣的快速上扣螺纹接头中，在某些实施方式中，为了提高接头上扣速度，公端1的外螺纹和所述母端接箍2的内螺纹可以采用双线螺纹的设计。相应地，外螺纹和内螺纹的螺距可以控制在5.08mm～6.35mm之间，螺纹导程可以为10.16mm～12.7mm。采用双线螺纹和大螺距、大锥度的设计可以有效提升接头上扣速度，改善接头抗粘扣性能。

其中，需要说明的是，双线螺纹在螺纹起始平面内有对称分布的两个螺纹起始点A，每个螺纹起始点A对应一条完整螺纹线，两条螺纹线平行等距排列互不影响。因此，相同工件上双线螺纹的导程比同规格单线螺纹导程翻倍。在本发明所述的抗粘扣的快速上扣螺纹接头中，通过对外螺纹和内螺纹采用双线螺纹的结构，可以实现在同等螺纹长度下，螺纹上扣旋紧行程减半，从而达到在提高上扣速度的同时还改善接头抗粘扣的效果。

图5显示了本发明所述的抗粘扣的快速上扣螺纹接头在一种实施方式中母端接箍的端面处的结构示意图。

如图5所示，在本实施方式中，在本发明所述的抗粘扣的快速上扣螺纹接头中，母端接箍2的端面处具有非螺纹段d，其可以起到螺纹对中和导入的作用。非螺纹段d是由加工于接箍端面内侧的一段圆柱形结构及其过渡倒角组成，其具体包括平直段q和与其衔接的倒角段S。

需要说明的是，在本发明所述的抗粘扣的快速上扣螺纹接头中，在公端1与母端接箍2配合之前，可以通过非螺纹段d对公端1进行定位约束，使得公端1与母端接箍2两者之间的中线保持一致，从而减少对扣难度。

此外，为保证螺纹接头的强度，非螺纹段d的孔径Q尺寸需要保证足够的端面厚度，因此在本发明所述的抗粘扣的快速上扣螺纹接头中，可以控制非螺纹段d的孔径Q≤(W-8)mm，其中W为母端接箍的外径；相应地，为保证对中效果，非螺纹段中的平直段需要具有足够的深度，可以控制平直段的轴向长度＞6.35mm。

为了更好地说明本发明所述的抗粘扣的快速上扣螺纹接头的应用情况，研究设计了两种抗粘扣的快速上扣螺纹接头，以进行进一步说明。

实施例1

采用本发明上述的技术方案，设计Φ339.7mm×12.09mm P110规格的套管，其采用4TPI螺纹，双线螺纹设计，外螺纹和内螺纹的螺距为6.35mm，螺纹导程为12.7mm，锥度为1:12，外螺纹和内螺纹齿高1.85mm，外螺纹和内螺纹导向侧齿形角45°，承载侧齿形角为3°，外螺纹齿顶面齿形角为15°，内螺纹齿顶面齿形角为0°，非螺纹段的平直段轴向长度为9.52mm，非螺纹段的孔径为343mm。

实施例2

采用本发明上述的技术方案，设计Φ273.05mm×13.84mm P110规格的套管，其采用4TPI螺纹，双线螺纹设计，外螺纹和内螺纹的螺距为5.08mm，螺纹导程为10.16mm，锥度为1:12，外螺纹和内螺纹齿高1.75mm，外螺纹和内螺纹导向侧齿形角45°，承载侧齿形角-5.71°，外螺纹齿顶面齿形角为15°，内螺纹齿顶面齿形角为2.39°，非螺纹段的平直段轴向长度为9.52mm，非螺纹段的孔径为276mm。

对实施例1-2的抗粘扣的快速上扣螺纹接头进行上扣试验测试。结果表明，本发明所述的抗粘扣的快速上扣螺纹接头，通过采用公端外螺纹和母端接箍内螺纹的差异化齿形设计，避免了上扣过程中内外螺纹齿顶对撞干涉，减少了错扣的风险，从而可以实现快速上扣功能。

本发明所述的抗粘扣的快速上扣螺纹接头相较于同规格API螺纹，可以在提升上扣速度100％以上，同时能够保证螺纹接头的其他连接性能不受影响。

在某些优选的实施方式中，还可以通过大导向面设计改善接头对扣性能，采用双线螺纹和大螺距、大锥度设计提升接头上扣速度，改善接头抗粘扣性能。

需要说明的是，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 (12)

1.一种抗粘扣的快速上扣螺纹接头，其包括公端和母端接箍，所述公端具有外螺纹，所述母端接箍具有内螺纹，其特征在于：所述内螺纹和外螺纹的齿形为偏梯形；所述外螺纹的齿顶面齿形角α1大于所述内螺纹的齿顶面齿形角α2。

2.如权利要求1所述的抗粘扣的快速上扣螺纹接头，其特征在于，所述内螺纹的齿顶面齿形角α2≥0°。

3.如权利要求1所述的抗粘扣的快速上扣螺纹接头，其特征在于，所述外螺纹的导向面齿形角β1和内螺纹的导向面齿形角β2均≥40°。

4.如权利要求1所述的抗粘扣的快速上扣螺纹接头，其特征在于，所述外螺纹的承载面齿形角γ1和内螺纹的承载面齿形角γ2为正角度或负角度。

5.如权利要求4所述的抗粘扣的快速上扣螺纹接头，其特征在于，所述外螺纹的承载面齿形角γ1和内螺纹的承载面齿形角γ2的范围为-6°～6°。

6.如权利要求1所述的抗粘扣的快速上扣螺纹接头，其特征在于，所述外螺纹和内螺纹的锥度为1:6～1:16。

7.如权利要求1所述的抗粘扣的快速上扣螺纹接头，其特征在于，所述外螺纹和内螺纹的螺距为5.08mm～6.35mm。

8.如权利要求1所述的抗粘扣的快速上扣螺纹接头，其特征在于，所述外螺纹和内螺纹为双线螺纹。

9.如权利要求8所述的抗粘扣的快速上扣螺纹接头，其特征在于，所述外螺纹和内螺纹的螺纹导程为10.16mm～12.7mm。

10.如权利要求1-9中任意一项所述的抗粘扣的快速上扣螺纹接头，其特征在于，所述母端接箍的端面处具有非螺纹段，所述非螺纹段包括平直段和与其衔接的倒角段。

11.如权利要求10所述的抗粘扣的快速上扣螺纹接头，其特征在于，所述非螺纹段的孔径Q≤(W-8)mm，其中W为母端接箍的外径。

12.如权利要求10所述的抗粘扣的快速上扣螺纹接头，其特征在于，所述平直段的轴向长度＞6.35mm。