專利名稱：單鉤形螺紋及端面金屬自密封膨脹套管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及石油油氣井工程中的套管，特別涉及一種膨脹套管，涉 及膨脹套管接頭聯(lián)接的螺紋結(jié)構(gòu)，該單鉤形螺紋及端面金屬自密封膨 脹套管適合于無接箍的膨脹套管聯(lián)接。
背景技術(shù)：
目前，膨脹套管技術(shù)將成為21世紀石油鉆采行業(yè)起著關(guān)鍵性作用 的技術(shù)之一。主要應(yīng)用于鉆井、封堵復雜層、尾管懸掛器以及套管修 復等多個領(lǐng)域，膨脹套管技術(shù)的最終目的是實現(xiàn)使用同一尺寸的套管 代替現(xiàn)行的多層套管，以提高對付多個復雜地層的能力，提高鉆井作 業(yè)效率，降低鉆井成本。膨脹套管技術(shù)就是在井眼中將管柱徑向膨脹 至塑性變形區(qū)域，以達到"節(jié)省"井眼直徑為目的的一種鉆井工程新 技術(shù)。Erwenture公司于20世紀80年代末在全世界率先開始了該項技 術(shù)的研究，并于1999年達到了商業(yè)應(yīng)用水平。Enventure公司在膨脹 套管方面已獲得的專利和待批的專利達600項，主要集中在膨脹套管 的螺紋連接方面。井眼變"瘦"可以使鉆井成本顯著降低，而且可以 用膨脹套管技術(shù)對以前一些因為鉆井成本太高而無法開采的井進行經(jīng) 濟開采。在鉆井中，把膨脹套管下入技術(shù)套管內(nèi)，然后用膨脹工具和 膨脹工藝將下入的膨脹套管膨脹至與上層技術(shù)套管內(nèi)壁緊貼。在裸眼 部分注水泥，在套管內(nèi)重疊部分具有懸掛和密封元件。兩層套管之間 的內(nèi)徑差僅僅是膨脹后套管的壁厚，從而最大限度的節(jié)省了井眼直徑， 使可下入的套管層數(shù)增加，給深井，復雜地質(zhì)條件的鉆井和井身結(jié)構(gòu) 帶來"革命性"的影響和重大技術(shù)經(jīng)濟效益。膨脹套管技術(shù)由少數(shù)幾個外國石油公司所壟斷，主要包括
Weatherford 、 Baker Hughes Qiltool 公司、Enventure 公司、 Halliburton公司等，其中應(yīng)用該技術(shù)最成熟的是Enventure公司。至 2004年3月，Enventure公司已在世界上實施了 209 口膨脹套管作業(yè) 井，累計膨脹管長度為62862m,膨脹套管接頭總共為5417個，已經(jīng)成 為比較成熟的商業(yè)化技術(shù)，而且有廣闊的應(yīng)用前景。但許多關(guān)鍵技術(shù)， 如膨脹套管接頭、密封、潤滑以及膨脹芯頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計等屬于商業(yè) 保密，將該技術(shù)引進國內(nèi)，其成本較高，因此迫切需要我們開發(fā)具有 自主知識產(chǎn)權(quán)的膨脹套管技術(shù)，本發(fā)明專利就是在此背景技術(shù)下發(fā)明 的單鉤形端面金屬自密封膨脹套管螺紋接頭，專用于膨脹套管。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種單鉤形螺紋及端面金屬自密封膨脹套管， 克服常規(guī)螺紋不能直接加工在無接箍且壁厚較薄的膨脹套管上的不 足，基于高度非線性彈塑性螺紋接觸以及非線性超彈性橡膠與金屬表 面接觸問題的有限元仿真模擬技術(shù)，為膨脹套管提供了一種具有很好 的密封性以及膨脹強度均勻的單鉤形端面金屬自密封膨脹套管螺紋接 頭。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是單鉤形螺紋及端面金屬自密封膨脹套 管，包括膨脹套管管體，在管體的兩端分別有外螺紋端和內(nèi)螺紋端。 外螺紋端和內(nèi)螺紋端有單鉤形螺紋。在兩根膨脹套管連接后，外螺紋 端的單鉤形螺紋與外螺紋端單鉤形螺紋配合形成螺紋鉤面密封。在外 螺紋端螺紋頂部有圓柱形金屬密封面，在內(nèi)螺紋端螺紋根部有圓柱形 金屬密封面，在兩根膨脹套管連接后，外螺紋端螺紋頂部的金屬密封 面與內(nèi)螺紋端螺紋根部的金屬密封面配合形成圓柱形金屬密封。在內(nèi)
螺紋端的圓柱形金屬密封面上有環(huán)形密封槽，在環(huán)形密封槽內(nèi)有橡膠密封圈。在兩根膨脹套管連接后，橡膠密封圈起到密封作用。
所述的外螺紋端螺紋頂部的圓柱形金屬密封面和內(nèi)螺紋端螺紋根
部的圓柱形金屬密封面的長度為10 15mm，兩者通過過盈配合確保自 密封可靠。
所述的外螺紋端和內(nèi)螺紋端的單鉤形螺紋的螺紋錐度為1:24 26，螺紋的螺距是6. 35mm，單鉤形螺紋的高度(中線的高度)為1. 575誦。 單鉤形螺紋接觸面的鉤面偏角與管體中心線的垂線夾角為4。，單鉤形
螺紋的背面偏角與管體中心線的垂線夾角為18° 22° 。該單鉤形螺 紋具有很強的密封效果和均勻的接觸應(yīng)力分布，同時具有較強的軸向
抗拉強度。
所述的橡膠密封圈的形狀為環(huán)形，橡膠密封圈的橫截面的形狀為等 邊梯形，等邊梯形的長底邊為橡膠密封圈的外側(cè)，等邊梯形的短底邊 為橡膠密封圈的內(nèi)側(cè)。為了增加橡膠密封圈橫截面積，橡膠密封圈橫 截面的兩斜邊可以采用圓弧形邊。橡膠密封圈的外側(cè)即等邊梯形長底 邊保證內(nèi)螺紋端上密封槽底部具有較大的接觸面積，保證在兩根膨脹 套管連接后和膨脹過程中具有較大的摩擦力，使橡膠圈不會相對滑動。 橡膠密封圈的內(nèi)側(cè)即等邊梯形短底邊與外螺紋端的金屬密封面具有較 均勻的接觸密封性，因此，該橡膠密封圈具有很強的密封效果。
本發(fā)明的有益效果本發(fā)明單鉤形螺紋及端面金屬自密封膨脹套管 的上述結(jié)構(gòu)有較大的改進，打破傳統(tǒng)套管接頭結(jié)構(gòu)。膨脹套管外螺紋 端和內(nèi)螺紋端具有負角度的鉤形內(nèi)外螺紋緊密咬合，消除了應(yīng)力集中， 并能形成金屬一金屬端面自密封；外螺紋端螺紋頂部的金屬密封面與 內(nèi)螺紋端螺紋根部的金屬密封面配合形成圓柱形金屬密封；橡膠密封 圈同時起到密封作用。單鉤形螺紋及端面金屬自密封膨脹套管，具有 密封完整性和膨脹接頭強度均勻性，且具有簡便可行的加工性，加工 成本低。


圖1是本發(fā)明單鉤形螺紋及端面金屬自密封膨脹套管的螺紋連接 剖面示意圖。
圖2是單鉤形螺紋及端面金屬自密封膨脹套管的外螺紋剖面圖。 圖3是圖2的局部放大圖。
圖4是單鉤形螺紋及端面金屬自密封膨脹套管的內(nèi)螺紋剖面圖。 圖5和圖6分別是圖4的局部放大圖。 圖7是橡膠密封圈3的橫截面示意圖。
其中，l.外螺紋端，2.內(nèi)螺紋端，3.橡膠密封圈，4.密封槽，5. 金屬密封面，6.單鉤形螺紋，7.短底邊，8.長底邊，9.圓弧形邊，10. 外螺紋鉤面，ll.外螺紋背面，12.內(nèi)螺紋鉤面，13.內(nèi)螺紋背面。
具體實施例方式
實施例1:以一個公稱直徑是139. 7mm的單鉤形螺紋及端面金屬自 密封膨脹套管為例，對發(fā)明作進一步詳細說明。
單鉤形螺紋及端面金屬自密封膨脹套管，公稱直徑是139.7mm，管 體的厚度是9. 17mm，管體的長度為9m。在管體的兩端分別有外螺紋端 l和內(nèi)螺紋端2。外螺紋端l和內(nèi)螺紋端2有單鉤形螺紋6。參閱圖l。 在兩根膨脹套管連接后，外螺紋端1的單鉤形螺紋6與外螺紋端1單 鉤形螺紋6配合形成螺紋鉤面金屬密封。參閱圖2。外螺紋端1的單鉤 形螺紋6的螺紋錐度為1:24，螺紋的螺距6.35mm。參閱圖3。單鉤形 螺紋6的高度(中線的高度)為1.575mm。單鉤形螺紋6接觸面的鉤面 10偏角與管體中心線的垂線夾角ci為40 ，單鉤形螺紋6的背面11偏 角與管體中心線的垂線夾角9為18° 。
參閱圖4。內(nèi)螺紋端2的單鉤形螺紋6的螺紋錐度為1:24，螺紋的 螺距是6.35mm，單鉤形螺紋6的高度(中線的高度)為1. 575mm。參閱圖5 。單鉤形螺紋6接觸面的鉤面12偏角與管體中心線的垂線夾角 a為4° ，單鉤形螺紋6的背面13偏角與管體中心線的垂線夾角0為 18° 。
參閱圖2。在外螺紋端1螺紋頂部有圓柱形金屬密封面5。圓柱形 金屬密封面5的直徑是126. lmm，長度是12讓。參閱圖6。在內(nèi)螺紋端 2螺紋根部有圓柱形金屬密封面5。圓柱形金屬密封面5的直徑為 126. lmm，長度是12ran。在兩根膨脹套管連接后，外螺紋端1螺紋頂部 的金屬密封面5與內(nèi)螺紋端2螺紋根部的金屬密封面5配合形成圓柱 形金屬密封。外螺紋端1螺紋頂部的圓柱形金屬密封面5和內(nèi)螺紋端2 螺紋根部的圓柱形金屬密封面5 —般形成0.03 0. lmm的過盈配合。 本是實施例的過盈配合為0. 05min。
參閱圖6在內(nèi)螺紋端2的圓柱形金屬密封面5上有一道環(huán)形密封槽 4，密封槽4的長度是7mm，深度是2. 93mm。參閱圖l。在環(huán)形密封槽 4內(nèi)有橡膠密封圈3。在兩根膨脹套管連接后，橡膠密封圈3起到密封 作用。參閱圖7。橡膠密封圈3的形狀為環(huán)形，外徑134mm，內(nèi)徑是126mm。 橡膠密封圈3的橫截面的形狀為近似等邊梯形，兩斜邊采用圓弧形邊9。 等邊梯形的長底邊為橡膠密封圈3的外側(cè)，等邊梯形的短底邊為橡膠 密封圈3的內(nèi)側(cè)。長底邊的長度5. 5mm，短底邊的長度3. 5mm，高度是 4mm0
權(quán)利要求
1、一種單鉤形螺紋及端面金屬自密封膨脹套管，包括膨脹套管管體，在管體的兩端分別有外螺紋端(1)和內(nèi)螺紋端(2)，其特征是外螺紋端(1)和內(nèi)螺紋端(2)有單鉤形螺紋(6)，在兩根膨脹套管連接后，外螺紋端(1)的單鉤形螺紋(6)與外螺紋端(1)單鉤形螺紋(6)配合形成螺紋鉤面密封，在外螺紋端(1)螺紋頂部有圓柱形金屬密封面(5)，在內(nèi)螺紋端(2)螺紋根部有圓柱形金屬密封面(5)，在兩根膨脹套管連接后，外螺紋端(1)螺紋頂部的金屬密封面(5)與內(nèi)螺紋端(2)螺紋根部的金屬密封面(5)配合形成圓柱形金屬密封，在內(nèi)螺紋端(2)的圓柱形金屬密封面(5)上有環(huán)形密封槽(4)，在環(huán)形密封槽(4)內(nèi)有橡膠密封圈(3)，所述的外螺紋端(1)螺紋頂部的圓柱形金屬密封面(5)和內(nèi)螺紋端(2)螺紋根部的圓柱形金屬密封面(5)的長度為10～15mm，兩者過盈配合。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單鉤形螺紋及端面金屬自密封膨脹套管， 其特征是所述的外螺紋端(1)和內(nèi)螺紋端(2)的單鉤形螺紋(6)的螺紋 錐度為1:24 26，螺紋的螺距每英寸4牙，單鉤形螺紋(6)的高度(中 線的高度)為1.575mm，單鉤形螺紋(6)接觸面的鉤面(10、 12)偏角與 管體中心線的垂線夾角為4° ，單鉤形螺紋(6)的背面(11、 13)偏角與 管體中心線的垂線夾角為18° 22° 。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的單鉤形螺紋及端面金屬自密封膨脹 套管，其特征是所述的橡膠密封圈(3)的形狀為環(huán)形，橡膠密封圈(3) 的橫截面的形狀為等邊梯形，等邊梯形的長底邊為橡膠密封圈(3)的外 側(cè)，等邊梯形的短底邊為橡膠密封圈(3)的內(nèi)側(cè)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的單鉤形螺紋及端面金屬自密封膨脹 套管，其特征是橡膠密封圈(3)橫截面的兩斜邊采用圓弧形邊(9)。
全文摘要
單鉤形螺紋及端面金屬自密封膨脹套管，應(yīng)用于石油油氣井工程中的膨脹套管。特征是外螺紋端和內(nèi)螺紋端有單鉤形螺紋，單鉤形螺紋配合形成螺紋鉤面金屬密封。在外螺紋端螺紋頂部和內(nèi)螺紋端螺紋根部有圓柱形金屬密封面，金屬密封面配合形成圓柱形金屬密封。在內(nèi)螺紋端的圓柱形金屬密封面上有環(huán)形密封槽和橡膠密封圈，橡膠密封圈起到密封作用。效果是膨脹套管外螺紋端和內(nèi)螺紋端具有負角度的鉤形內(nèi)外螺紋緊密咬合和均勻的接觸應(yīng)力分布，具有較強的抗拉強度。單鉤形螺紋、金屬密封面和橡膠密封圈同時起到密封作用。本膨脹套管具有密封完整性和膨脹接頭強度均勻性，加工成本低。
文檔編號E21B17/00GK101418673SQ20081023946
公開日2009年4月29日 申請日期2008年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月11日
發(fā)明者馮耀榮, 劉永剛, 葉頂鵬, 斌 楊, 龍 楊, 凱 林, 林鐵軍, 練章華, 解寶江 申請人:中國石油天然氣集團公司;中國石油天然氣集團公司管材研究所