CN115680512A - 一种具有连续多段密封结构的油套管接头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有连续多段密封结构的油套管接头，包括公端、以及与其适配的母端；所述公端的外径上设有外螺纹，所述公端的端部为扭矩台肩Ⅰ，所述外螺纹与所述扭矩台肩Ⅰ之间的所述公端的外径上设有多段密封结构Ⅰ；所述母端的内径上设有内螺纹，所述母端的端部为扭矩台肩Ⅱ，所述内螺纹与所述扭矩台肩Ⅱ之间的所述母端的内径上设有多段密封结构Ⅱ；所述外螺纹与所述内螺纹之间为啮合配合，所述多段密封结构Ⅰ与所述多段密封结构Ⅱ之间为过盈配合。本发明用以满足油气开采的需求。

Description

一种具有连续多段密封结构的油套管接头

技术领域

本发明涉及石油管技术领域，更具体地说，涉及一种具有连续多段密封结构的油套管接头。

背景技术

油套管通过接头连接的管柱组成了地下数千米油气资源与地面的通道，油套管接头是整个管柱的薄弱环节。随着石油勘探与钻采工程技术的进步，深井、超深井、高温井、高腐蚀井逐步被开采，油套管的连接要求也需要逐步提高。接头在高拉伸、高内压、高温、高压缩、高弯曲、高疲劳等载荷状态下的复合密封完整性显得非常重要，而传统密封油套管接头不能满足。《ISO 13679-2002石油天然气工业套管及油管螺纹连接试验程序》提出了油套管接头的评价方案，标准重视了接头在拉伸、压缩等条件下的密封完整性，为了满足油套管接头性能的更高要求，API在2017年出版了《API RP 5C5-2017》，并且随后ISO 13679也更新至2019版本，但二者共同的特点是对接头在高温、多次循环等要求下提出更为苛刻的设计要求，多数传统密封油套管接头不能满足。

油套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，和本发明技术不同。后者的气密封特殊螺纹接头1一般是指通过螺纹2与金属密封面3、扭矩台肩4等组成，从而满足接头密封等性能，如图1所示。

在现有的专利申请中，如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、97115288.8、386953、CN102011557A、CN102071881A等，此类设计均为单结构密封为主，不能满足现有标准或应用工况的需求。

发明内容

针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的是提供一种具有连续多段密封结构的油套管接头，用以满足油气开采的需求。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有连续多段密封结构的油套管接头，包括公端、以及与其适配的母端；

所述公端的外径上设有外螺纹，所述公端的端部为扭矩台肩Ⅰ，所述外螺纹与所述扭矩台肩Ⅰ之间的所述公端的外径上设有多段密封结构Ⅰ；

所述母端的内径上设有内螺纹，所述母端的端部为扭矩台肩Ⅱ，所述内螺纹与所述扭矩台肩Ⅱ之间的所述母端的内径上设有多段密封结构Ⅱ；

所述外螺纹与所述内螺纹之间为啮合配合，所述多段密封结构Ⅰ与所述多段密封结构Ⅱ之间为过盈配合。

较佳的，所述外螺纹、所述内螺纹均为负承载角度的螺纹。

较佳的，所述公端的外径D为40～400mm。

较佳的，所述外螺纹的螺距、螺纹高度h1设置如下：

当所述公端的外径D小于74mm时，所述螺距为3.175mm，所述螺纹高度h1为0.8～1.2mm；

当所述公端的外径D小于74～114mm时，所述螺距为4.233mm，所述螺纹高度h1为1.0～1.3mm；

当所述公端的外径D小于115～220mm时，所述螺距为6.35mm，所述螺纹高度h1为1.5～1.8mm；

当所述公端的外径D小于221～400mm时，所述螺距为6.35mm，所述螺纹高度h1为2.0～2.5mm。

较佳的，所述内螺纹的螺距与所述外螺纹的螺距相同；

所述内螺纹的螺纹高度h2与所述外螺纹的螺纹高度h1之间的差值为0.1～0.4mm。

较佳的，所述多段密封结构Ⅰ包括由所述扭矩台肩Ⅰ至所述外螺纹方向依次设置的圆弧段Ⅰ、直线段Ⅰ和圆弧段Ⅱ。

较佳的，所述圆弧段Ⅰ的圆弧半径R1≤2.0mm，所述圆弧段Ⅱ的圆弧半径R2为3～10mm，所述直线段Ⅰ与所述公端的水平轴线之间的夹角α1为10～40°。

较佳的，所述多段密封结构Ⅱ包括由所述扭矩台肩Ⅱ至所述内螺纹方向依次设置的圆弧段Ⅲ、直线段Ⅱ和圆弧段Ⅳ。

较佳的，所述圆弧段Ⅲ的圆弧半径R3≤3.0mm，所述圆弧段Ⅳ的圆弧半径R4为3～15mm，所述直线段Ⅱ与所述母端的水平轴线之间的夹角α2为10～40°。

较佳的，所述公端的壁厚t满足t/D≤12％，且t≤20mm；

D为所述公端的直径；和/或

所述扭矩台肩Ⅰ、所述扭矩台肩Ⅱ的内径与D-2t之间的差值在-2.0～1.0之间。

本发明所提供的一种具有连续多段密封结构的油套管接头，具有以下几点有益效果：

1)满足套管在上多次(D＜120mm以下九次，D≥120mm以上三次)卸扣过程中不发生粘接；

2)接头的拉伸、内压和外挤性能不低于管体本身；

3)满足接头密封能力与管体内压相同，接头弯曲可达到20°/30m；

4)接头能通过API RP 5C5-2017评价要求。

附图说明

图1是现有气密封特殊螺纹接头的示意图；

图2是本发明油套管接头中公端的结构示意图；

图3是图2中多段密封结构Ⅰ的示意图；

图4是本发明油套管接头中母端的结构示意图；

图5是图4中多段密封结构Ⅱ的示意图；

图6是本发明油套管接头中多段密封结构Ⅰ与多段密封结构Ⅱ配合的示意图；

图7是本发明油套管接头中扭矩台肩Ⅰ、扭矩台肩Ⅱ厚度的示意图。

具体实施方式

为了能更好地理解本发明的上述技术方案，下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

结合图2至图5所示，本发明所提供的一种具有连续多段密封结构的油套管接头，包括公端100、以及与其适配的母端200。

公端100的外径上设有外螺纹5，公端100的端部为扭矩台肩Ⅰ6，外螺纹5与扭矩台肩Ⅰ6之间的公端100的外径上设有多段密封结构Ⅰ7。

母端200的内径上设有内螺纹8，母端的端部为扭矩台肩Ⅱ9，内螺纹8与扭矩台肩Ⅱ9之间的母端200的内径上设有多段密封结构Ⅱ10。

公端100的外径D涵盖从40～400mm，壁厚t满足t/D≤12％，且t≤20mm。

外螺纹5为负承载角度的螺纹，其螺距、螺纹高度h1根据不同外径D进行调整，具体如下：

当公端100的外径D小于74mm时，螺距为3.175mm，螺纹高度h1为0.8～1.2mm；

当公端100的外径D小于74～114mm时，螺距为4.233mm，螺纹高度h1为1.0～1.3mm；

当公端100的外径D小于115～220mm时，螺距为6.35mm，螺纹高度h1为1.5～1.8mm；

当公端100的外径D小于221～400mm时，螺距为6.35mm，螺纹高度h1为2.0～2.5mm。

多段密封结构Ⅰ7包括由扭矩台肩Ⅰ6至外螺纹5方向依次设置的圆弧段Ⅰ11、直线段Ⅰ12和圆弧段Ⅱ13。

圆弧段Ⅰ11的圆弧半径R1≤2.0mm，圆弧段Ⅱ13的圆弧半径R2为3～10mm，直线段Ⅰ12与公端100的水平轴线之间的夹角α1为10～40°。

内螺纹8也为负承载角度的螺纹，其螺距与外螺纹的螺距相同，内螺纹的螺纹高度h2与外螺纹的螺纹高度h1之间的差值为0.1～0.4mm。

段密封结构Ⅱ10包括由扭矩台肩Ⅱ9至内螺纹8方向依次设置的圆弧段Ⅲ14、直线段Ⅱ15和圆弧段Ⅳ16。

圆弧段Ⅲ14的圆弧半径R3≤3.0mm，圆弧段Ⅳ16的圆弧半径R4为3～15mm，直线段Ⅱ15与母端200的水平轴线之间的夹角α2为10～40°。

本发明油套管接头的外螺纹5与内螺纹8之间为啮合配合，多段密封结构Ⅰ7与多段密封结构Ⅱ10之间为过盈配合，从而达到完整密封性能。

油套管通过接头连接，将地底数千米的高压天然气、油水混合等产品产至地面，需要可靠的密封完整性。油套管是油管与套管的统称，一般用作采气的D＜120mm以下的钢管用作油管，而用作钻井固井的≥120mm的钢管用作套管，二者在应用方面却别最大的是重复使用次数，油管重复次数要求多，一般要求上卸扣达到九次及以上，套管要求三次及以上。本发明油套管接头的外螺纹5的螺距设计可以有效提升螺纹的抗粘接性能；内螺纹8与外螺纹5的不等齿高设计，拧接后螺纹不等齿高处可以填充螺纹脂，有效避免螺纹粘接；多段密封结构Ⅰ7与多段密封结构Ⅱ10的其主要结构为锥面过盈及中间段圆弧过盈，可以有效提高抗粘接能力。

本发明油套管接头的螺距具有较大创新性，对于＞115mm外径的套管均采用了6.35mm螺距(4TPI)，可以较大的提高套管使用过程中拧接的速度，也可以降低粘接风险。对应了为了满足连接及连接下的密封完整性，对于不同外径段位采用了不同高度的齿高。

结合图6所示，当公端100与母端200拧接完成后，公端100的多段密封结构Ⅰ7与母端200的多段密封结构Ⅱ10位置对应啮合，此时圆弧段Ⅲ14的圆弧大于圆弧段Ⅰ11的圆弧，形成间隙，用于在拧接后螺纹脂的储存；直线段Ⅰ12与直线段Ⅱ15为锥面密封过盈，直线段Ⅰ12的直径小于直线段Ⅱ15的直径，从而形成过盈，保证密封能力；圆弧段Ⅳ16与圆弧段Ⅱ13同理，在靠近直线段Ⅱ15的位置产生圆弧过盈，同时在圆弧段Ⅳ16与圆弧段Ⅱ13的右侧形成间隙，用于储存螺纹脂。

结合图7所示，为了保证密封端部足够的强度，需要保证扭矩台肩Ⅰ6、扭矩台肩Ⅱ9足够的厚度，因此在设计时需要尽量保证扭矩台肩Ⅰ6、扭矩台肩Ⅱ9的直径小，本发明油套管接头的扭矩台肩Ⅰ6、扭矩台肩Ⅱ9内径与D-2t之间的差值在-2.0～1.0之间，其中，D为公端100的外径，t为公端100的壁厚。

实施例

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (10)

1.一种具有连续多段密封结构的油套管接头，其特征在于：包括公端、以及与其适配的母端；

所述公端的外径上设有外螺纹，所述公端的端部为扭矩台肩Ⅰ，所述外螺纹与所述扭矩台肩Ⅰ之间的所述公端的外径上设有多段密封结构Ⅰ；

所述母端的内径上设有内螺纹，所述母端的端部为扭矩台肩Ⅱ，所述内螺纹与所述扭矩台肩Ⅱ之间的所述母端的内径上设有多段密封结构Ⅱ；

所述外螺纹与所述内螺纹之间为啮合配合，所述多段密封结构Ⅰ与所述多段密封结构Ⅱ之间为过盈配合。

2.根据权利要求1所述的具有连续多段密封结构的油套管接头，其特征在于：所述外螺纹、所述内螺纹均为负承载角度的螺纹。

3.根据权利要求2所述的具有连续多段密封结构的油套管接头，其特征在于：所述公端的外径D为40～400mm。

4.根据权利要求3所述的具有连续多段密封结构的油套管接头，其特征在于，所述外螺纹的螺距、螺纹高度h1设置如下：

当所述公端的外径D小于74mm时，所述螺距为3.175mm，所述螺纹高度h1为0.8～1.2mm；

当所述公端的外径D小于74～114mm时，所述螺距为4.233mm，所述螺纹高度h1为1.0～1.3mm；

当所述公端的外径D小于115～220mm时，所述螺距为6.35mm，所述螺纹高度h1为1.5～1.8mm；

当所述公端的外径D小于221～400mm时，所述螺距为6.35mm，所述螺纹高度h1为2.0～2.5mm。

5.根据权利要求4所述的具有连续多段密封结构的油套管接头，其特征在于：所述内螺纹的螺距与所述外螺纹的螺距相同；

所述内螺纹的螺纹高度h2与所述外螺纹的螺纹高度h1之间的差值为0.1～0.4mm。

6.根据权利要求1-5之一所述的具有连续多段密封结构的油套管接头，其特征在于：所述多段密封结构Ⅰ包括由所述扭矩台肩Ⅰ至所述外螺纹方向依次设置的圆弧段Ⅰ、直线段Ⅰ和圆弧段Ⅱ。

7.根据权利要求6所述的具有连续多段密封结构的油套管接头，其特征在于：所述圆弧段Ⅰ的圆弧半径R1≤2.0mm，所述圆弧段Ⅱ的圆弧半径R2为3～10mm，所述直线段Ⅰ与所述公端的水平轴线之间的夹角α1为10～40°。

8.根据权利要求1-5之一所述的具有连续多段密封结构的油套管接头，其特征在于：所述多段密封结构Ⅱ包括由所述扭矩台肩Ⅱ至所述内螺纹方向依次设置的圆弧段Ⅲ、直线段Ⅱ和圆弧段Ⅳ。

9.根据权利要求8所述的具有连续多段密封结构的油套管接头，其特征在于：所述圆弧段三的圆弧半径R3≤3.0mm，所述圆弧段四的圆弧半径R4为3～15mm，所述直线段Ⅱ与所述母端的水平轴线之间的夹角α2为10～40°。

10.根据权利要求1所述的具有连续多段密封结构的油套管接头，其特征在于：所述公端的壁厚t满足t/D≤12％，且t≤20mm；

D为所述公端的直径；和/或

所述扭矩台肩Ⅰ、所述扭矩台肩Ⅱ的内径与D-2t之间的差值在-2.0～1.0之间。

Images