三重密封抗壓縮套管螺紋連接結構的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種三重密封抗壓縮套管螺紋連接結構，由具有外螺紋的套管和具有內螺紋的套管接頭旋接而成，套管和套管接頭所采用的螺紋均為偏梯形錐螺紋，套管的頭部設置有外圓柱面和球面，套管接頭的內壁上設置有與該外圓柱面彈性過盈配合的內圓柱面以及與該球面彈性過盈配合的內圓錐面，套管的頭部還設置有外扭矩臺階，套管接頭的內端設置有與該外扭矩臺階配合的內扭矩臺階。本實用新型的螺紋連接強度高，密封性能穩(wěn)定，旋接容易并且不易滑脫，能夠抗壓縮和抗過扭矩。
【專利說明】三重密封抗壓縮套管螺紋連接結構
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種三重密封抗壓縮套管螺紋連接結構，涉及石油、天然氣鉆探用套管螺紋連接結構【技術領域】，主要在石油天然氣工業(yè)中油氣田使用，應用于深井、超深井、高壓氣井、超高溫井、定向井、復雜地層結構井等要求連接強度和密封性能較高的油氣井。
【背景技術】
[0002]目前，油井管柱是由專用螺紋將單根油井管連接而成的千米長的管柱，包括套管柱、油管柱。套管柱下入鉆成井眼，用于防止地層流體流動及地層擠毀。油管柱下人生產(chǎn)套管柱內，構成井下油氣層與地面的通道，控制原油和天然氣的流動。
[0003]隨著我國油氣的勘探開發(fā)，尤其是深井、超深井、高壓氣井、含硫化氫等井的增多，對套套管接頭的使用性能提出了更高的要求，現(xiàn)有API圓螺紋及偏梯形螺紋的氣密性、連接性能、耐腐蝕性已不能滿足實際探鉆要求。現(xiàn)有套套管接頭之間的連接和密封結構的不穩(wěn)定，連接靠螺紋來實現(xiàn)，密封靠套套管接頭螺紋齒的過盈壓合來實現(xiàn)，這種連接密封結構在實際使用過程中主要存在如下缺陷:
[0004]①由于連接螺紋的外螺紋和內螺紋加工都存在誤差，兩者的結合面必然存有間隙，無論使用何種螺紋類型，液體、氣體以及含有細小固體顆粒的油脂物都能從中通過滲透。油管和套套管接頭的結合件在下井及使用過程中，承受多種復合載荷，其中包括壓縮載荷、拉伸載荷、彎曲載荷，且在不同深度層油管和套套管接頭所受到的阻力各不相同，當油管與套套管接頭在連接處所受到載荷阻力不相同時，油管與套套管接頭之間極易產(chǎn)生松動，從而使原有的密封失效，導致高壓下的石油或天然氣容易沿螺紋結合面滲透外溢。
[0005]②當油管和套套管接頭的結合件在井下受到壓縮載荷或高扭矩時，必然要產(chǎn)生壓縮變形，使油管端面與油套套管接頭內端面之間形成縫隙，從而導致密封失效。
[0006]如何解決套管在受到壓縮載荷和高扭矩狀態(tài)下的可靠密封性能是兩大難題。
【發(fā)明內容】
[0007]本實用新型所要解決的技術問題是克服現(xiàn)有技術的缺陷，提供一種三重密封抗壓縮套管螺紋連接結構，它的螺紋連接強度高，密封性能穩(wěn)定，旋接容易并且不易滑脫，能夠抗壓縮和抗過扭矩。
[0008]為了解決上述技術問題，本實用新型的技術方案是:一種三重密封抗壓縮套管螺紋連接結構，由具有外螺紋的套管和具有內螺紋的套管接頭旋接而成，套管和套管接頭所采用的螺紋均為偏梯形錐螺紋，套管的頭部設置有外圓柱面和球面，套管接頭的內壁上設置有與該外圓柱面彈性過盈配合的內圓柱面以及與該球面彈性過盈配合的內圓錐面，套管的頭部還設置有外扭矩臺階，套管接頭的內端設置有與該外扭矩臺階配合的內扭矩臺階。
[0009]進一步為了可以避免動擰過扭矩擰緊過程中造成頭端頂死現(xiàn)象，所述的套管頭部的外圓柱面與外扭矩臺階以凸球面過渡，套管接頭內端的內圓錐面與內扭矩臺階以凹球面過渡。
[0010]進一步為了在上扣和卸扣過程中對密封部位起到導向作用，套管接頭的內圓柱面處帶有起始圓弧面。
[0011]進一步提供了一種比較優(yōu)化的錐度來達到其良好的密封效果，所述的套管和套管接頭所采用的偏梯形錐螺紋的錐度為1:16。
[0012]進一步提供了一種套管接頭的內螺紋的螺紋牙型的具體參數(shù)，所述的套管接頭的內螺紋的螺紋牙型參數(shù)如下:承載側角度a =+2.5°?+3.5°，引導側角度β =+9.5°?+10.5°，齒頂和齒根平行于母線。
[0013]進一步，外圓柱面和內圓柱面之間的過盈配合的過盈量為0.05?0.3_，兩者接觸的軸向長度為0.5?30mm。
[0014]進一步，球面和內圓錐面之間的接觸面寬度為2?5mm，并且其內圓錐面的錐角為
12。?14°。
[0015]進一步為了使流體在管柱內通過時流速穩(wěn)定，避免對連接部位產(chǎn)生渦流沖刷現(xiàn)象，套管的內孔壁和套管接頭的內孔壁平直過渡或呈錐形過渡。
[0016]采用了上述技術方案后，套管和套管接頭之間形成三道金屬彈性過盈密封，其中主密封部分通過套管外壁的外圓柱面和套管接頭的內圓柱面過盈配合，實現(xiàn)在復合載荷下密封穩(wěn)定性，副密封采用套管外壁的球面和套管接頭的內圓錐面過盈配合，在適當?shù)慕饘購椥赃^盈配合作用下，使連接部位在受到壓縮載荷或高扭矩狀態(tài)下接觸面產(chǎn)生壓縮屈服應力起到提升密封性能的作用，套管外端的外扭矩臺階與套管接頭的內扭矩臺階相配合，不僅便于準確控制旋接上緊位置，且有助于進一步提高密封的可靠性，該套管螺紋連接結構在上、卸扣過程中螺紋主要起連接作用，套管由靠近頭部的小端螺紋按一定錐度連續(xù)延伸至套管管體大端至消失，套管接頭由端部的大端內螺紋按一定錐度連續(xù)延伸至管體中間部位小端螺紋，在上扣時采用偏梯形螺紋大角度斜邊作為套管外螺紋部位和套管接頭內螺紋部位旋接的導向引導面，偏梯形螺紋小角度斜邊作為套管外螺紋部位和套管接頭內螺紋部位旋緊后抗拉伸滑脫作用，能達到與管體等同強度的效果。
[0017]綜上所述，本三重密封抗壓縮套管螺紋連接結構的特點如下:
[0018]1、螺紋連接強度高；
[0019]2、壓縮狀態(tài)下高密封性能；
[0020]3、上扣容易，不易錯扣；
[0021]4、抗過扭矩能力強；
[0022]5、連接部位內孔兩種設計，不僅可使流體在管柱內通過時流速穩(wěn)定、避免對連接部位產(chǎn)生渦流沖刷現(xiàn)象，且內孔平直過度設計可起到高抗壓縮作用，帶角度錐形過度可起到高抗扭作用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1為套管與套管接頭之間的螺紋連接結構示意圖；
[0024]圖2為連接螺紋的一種結構示意圖；
[0025]圖3為套管與套管接頭之間螺紋連接及密封結構旋接前的放大示意圖；
[0026]圖4為套管與管接頭之間螺紋連接及密封結構旋接后的放大示意圖；
[0027]圖中:11-套管；21-套管接頭；12_外圓柱面；13_球面；14_凸球面；22_內圓柱面；23_內圓錐面；24_凹球面；25_起始圓弧面；16_外扭矩臺階；26_內扭矩臺階。
【具體實施方式】
[0028]為了使本實用新型的內容更容易被清楚地理解，下面根據(jù)具體實施例并結合附圖，對本實用新型作進一步詳細的說明。
[0029]油田使用套管的主要規(guī)格有4-1/2" (114.3mm)、5〃(127mm)、5-1/2〃(139.7mm)、6-5/8〃(168.3mm)、7〃(177.8mm)等，以5-1/2〃和7〃規(guī)格最常用。下面的具體說明，以常用規(guī)格5-1/2〃(139.7*9.17mm)的套管，對套管螺紋連接結構的特點加以說明:
[0030]如圖1?4所示，一種三重密封抗壓縮套管螺紋連接結構，由具有外螺紋的套管11和具有內螺紋的套管接頭21旋接而成，套管11和套管接頭21所采用的螺紋均為偏梯形錐螺紋，套管11的頭部設置有外圓柱面12和球面13，套管接頭21的內壁上設置有與該外圓柱面12彈性過盈配合的內圓柱面22以及與該球面13彈性過盈配合的內圓錐面23，套管11的頭部還設置有外扭矩臺階16,套管接頭21的內端設置有與該外扭矩臺階16配合的內扭矩臺階26。
[0031]為了可以避免動擰過扭矩擰緊過程中造成頭端頂死現(xiàn)象，如圖4所示，套管11頭部的外圓柱面12與外扭矩臺階16以凸球面14過渡，套管接頭21內端的內圓錐面23與內扭矩臺階26以凹球面24過渡。凸球面14的半徑可以采用R = 0.6mm ;凹球面24的半徑可以采用R = 0.4_。
[0032]如圖4所示，套管接頭21的內圓柱面22處帶有起始圓弧面25。
[0033]套管11和套管接頭21所采用的偏梯形錐螺紋的錐度為1:16。
[0034]如圖2所示，該螺紋連接結構是根據(jù)API5B標準偏梯形螺紋連接強度高的特點，依據(jù)API標準偏梯形螺紋的設計原理，采用螺紋牙型的承載側角度a =+2.5°?+3.5°，引導側角度β =+9.5°?+10.5°，齒頂和齒根平行于母線，對于套管接頭21其螺距為
5.08mm,即5牙/每英寸，在API標準的偏梯形螺紋尺寸參數(shù)設計上進行改進，使螺紋部分的連接強度達到或超過管體本身的強度。
[0035]外圓柱面12和內圓柱面22之間的過盈配合的過盈量為0.05?0.3mm，兩者接觸的軸向長度為0.5?30mm ;在本例中，外圓柱面12的直徑比內圓柱面22的直徑大0.12?
0.15毫米，密封的軸向長度為8毫米。
[0036]球面13和內圓錐面23之間的接觸面寬度為2?5mm，并且其內圓錐面23的錐角為12°?14°。球面13的半徑可以采用R = 12_。
[0037]該套管螺紋連接結構采用管端縮口后鏜孔加工工藝，使管體原有內孔d、縮口部分管體鏜孔內徑dl及接箍通孔dl’，三者內孔平直平滑過渡；或者通過縮口部分管體鏜孔內徑dl與管體原有內孔d之間錐形過渡形成鍥形效應達到高抗扭矩的作用。
[0038]隨著石油工業(yè)向地質條件惡劣、井況條件苛刻的深井、超深井、高壓油氣井的勘探開發(fā)，以及定向井、注水熱采井技術的應用，具備抗壓縮性能的高密封性能接頭是必不可少的，其需求量將逐漸上升。
[0039]本實用新型的工作原理如下:
[0040]套管11和套管接頭21之間形成三道金屬彈性過盈密封，其中主密封部分通過套管11外壁的外圓柱面12和套管接頭21的內圓柱面22過盈配合，實現(xiàn)在復合載荷下密封穩(wěn)定性，副密封采用套管11外壁的球面13和套管接頭21的內圓錐面23過盈配合，在適當?shù)慕饘購椥赃^盈配合作用下，使連接部位在受到壓縮載荷或高扭矩狀態(tài)下接觸面產(chǎn)生壓縮屈服應力起到提升密封性能的作用，套管11外端的外扭矩臺階16與套管接頭21的內扭矩臺階26相配合，不僅便于準確控制旋接上緊位置，且有助于進一步提高密封的可靠性，該套管螺紋連接結構在上、卸扣過程中螺紋主要起連接作用，套管11由靠近頭部的小端螺紋按一定錐度連續(xù)延伸至套管11管體大端至消失，套管接頭21由端部的大端內螺紋按一定錐度連續(xù)延伸至管體中間部位小端螺紋，在上扣時采用偏梯形螺紋大角度斜邊作為套管11外螺紋部位和套管接頭21內螺紋部位旋接的導向引導面，偏梯形螺紋小角度斜邊作為套管11外螺紋部位和套管接頭21內螺紋部位旋緊后抗拉伸滑脫作用，能達到與管體等同強度的效果。
[0041]以上所述的具體實施例，對本實用新型解決的技術問題、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本實用新型的具體實施例而已，并不用于限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種三重密封抗壓縮套管螺紋連接結構，由具有外螺紋的套管(11)和具有內螺紋的套管接頭(21)旋接而成，其特征在于:套管(11)和套管接頭(21)所采用的螺紋均為偏梯形錐螺紋，套管(11)的頭部設置有外圓柱面(12)和球面(13)，套管接頭(21)的內壁上設置有與該外圓柱面(12)彈性過盈配合的內圓柱面(22)以及與該球面(13)彈性過盈配合的內圓錐面(23)，套管(11)的頭部還設置有外扭矩臺階(16)，套管接頭(21)的內端設置有與該外扭矩臺階(16)配合的內扭矩臺階(26)。
2.根據(jù)權利要求1所述的三重密封抗壓縮套管螺紋連接結構，其特征在于:所述的套管(11)頭部的外圓柱面(12)與外扭矩臺階(16)以凸球面(14)過渡，套管接頭(21)內端的內圓錐面(23)與內扭矩臺階(26)以凹球面(24)過渡。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的三重密封抗壓縮套管螺紋連接結構，其特征在于:套管接頭(21)的內圓柱面(22)處帶有起始圓弧面(25)。
4.根據(jù)權利要求1所述的三重密封抗壓縮套管螺紋連接結構，其特征在于:所述的套管(11)和套管接頭(21)所采用的偏梯形錐螺紋的錐度為1:16。
5.根據(jù)權利要求1或4所述的三重密封抗壓縮套管螺紋連接結構，其特征在于:所述的套管接頭(21)的內螺紋的螺紋牙型參數(shù)如下:承載側角度a =+2.5°?+3.5°，引導側角度β =+9.5°?+10.5°，齒頂和齒根平行于母線。
6.根據(jù)權利要求1所述的三重密封抗壓縮套管螺紋連接結構，其特征在于:所述的外圓柱面(12)和內圓柱面(22)之間的過盈配合的過盈量為0.05?0.3mm，兩者接觸的軸向長度為0.5?30_。
7.根據(jù)權利要求1所述的三重密封抗壓縮套管螺紋連接結構，其特征在于:所述的球面(13)和內圓錐面(23)之間的接觸面寬度為2?5mm，并且其內圓錐面(23)的錐角為12。?14°。
8.根據(jù)權利要求1所述的三重密封抗壓縮套管螺紋連接結構，其特征在于:所述的套管(11)的內孔壁和套管接頭(21)的內孔壁平直過渡或呈錐形過渡。
【文檔編號】E21B17/00GK204002601SQ201420395249
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年7月16日 優(yōu)先權日:2014年7月16日
【發(fā)明者】許才斌, 樊鑫業(yè), 王國富 申請人:江蘇常寶鋼管股份有限公司