三重密封抗壓縮套管螺紋連接結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種三重密封抗壓縮套管螺紋連接結(jié)構(gòu)，由具有外螺紋的套管和具有內(nèi)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(shè)置有外圓柱面和球面，套管接頭的內(nèi)壁上設(shè)置有與該外圓柱面彈性過(guò)盈配合的內(nèi)圓柱面以及與該球面彈性過(guò)盈配合的內(nèi)圓錐面，套管的頭部還設(shè)置有外扭矩臺(tái)階，套管接頭的內(nèi)端設(shè)置有與該外扭矩臺(tái)階配合的內(nèi)扭矩臺(tái)階。本實(shí)用新型的螺紋連接強(qiáng)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(guò)扭矩。
【專利說(shuō)明】三重密封抗壓縮套管螺紋連接結(jié)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種三重密封抗壓縮套管螺紋連接結(jié)構(gòu)，涉及石油、天然氣鉆探用套管螺紋連接結(jié)構(gòu)【技術(shù)領(lǐng)域】，主要在石油天然氣工業(yè)中油氣田使用，應(yīng)用于深井、超深井、高壓氣井、超高溫井、定向井、復(fù)雜地層結(jié)構(gòu)井等要求連接強(qiáng)度和密封性能較高的油氣井。

【背景技術(shù)】
[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(zhǎng)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(dòng)及地層擠毀。油管柱下人生產(chǎn)套管柱內(nèi)，構(gòu)成井下油氣層與地面的通道，控制原油和天然氣的流動(dòng)。
[0003]隨著我國(guó)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(duì)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(shí)際探鉆要求?，F(xiàn)有套套管接頭之間的連接和密封結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定，連接靠螺紋來(lái)實(shí)現(xiàn)，密封靠套套管接頭螺紋齒的過(guò)盈壓合來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種連接密封結(jié)構(gòu)在實(shí)際使用過(guò)程中主要存在如下缺陷:
[0004]①由于連接螺紋的外螺紋和內(nèi)螺紋加工都存在誤差，兩者的結(jié)合面必然存有間隙，無(wú)論使用何種螺紋類型，液體、氣體以及含有細(xì)小固體顆粒的油脂物都能從中通過(guò)滲透。油管和套套管接頭的結(jié)合件在下井及使用過(guò)程中，承受多種復(fù)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(dāng)油管與套套管接頭在連接處所受到載荷阻力不相同時(shí)，油管與套套管接頭之間極易產(chǎn)生松動(dòng)，從而使原有的密封失效，導(dǎo)致高壓下的石油或天然氣容易沿螺紋結(jié)合面滲透外溢。
[0005]②當(dāng)油管和套套管接頭的結(jié)合件在井下受到壓縮載荷或高扭矩時(shí)，必然要產(chǎn)生壓縮變形，使油管端面與油套套管接頭內(nèi)端面之間形成縫隙，從而導(dǎo)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(nèi)容】

[0007]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種三重密封抗壓縮套管螺紋連接結(jié)構(gòu)，它的螺紋連接強(qiáng)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(guò)扭矩。
[0008]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型的技術(shù)方案是:一種三重密封抗壓縮套管螺紋連接結(jié)構(gòu)，由具有外螺紋的套管和具有內(nèi)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(shè)置有外圓柱面和球面，套管接頭的內(nèi)壁上設(shè)置有與該外圓柱面彈性過(guò)盈配合的內(nèi)圓柱面以及與該球面彈性過(guò)盈配合的內(nèi)圓錐面，套管的頭部還設(shè)置有外扭矩臺(tái)階，套管接頭的內(nèi)端設(shè)置有與該外扭矩臺(tái)階配合的內(nèi)扭矩臺(tái)階。
[0009]進(jìn)一步為了可以避免動(dòng)擰過(guò)扭矩?cái)Q緊過(guò)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(tái)階以凸球面過(guò)渡，套管接頭內(nèi)端的內(nèi)圓錐面與內(nèi)扭矩臺(tái)階以凹球面過(guò)渡。
[0010]進(jìn)一步為了在上扣和卸扣過(guò)程中對(duì)密封部位起到導(dǎo)向作用，套管接頭的內(nèi)圓柱面處帶有起始圓弧面。
[0011]進(jìn)一步提供了一種比較優(yōu)化的錐度來(lái)達(dá)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(jìn)一步提供了一種套管接頭的內(nèi)螺紋的螺紋牙型的具體參數(shù)，所述的套管接頭的內(nèi)螺紋的螺紋牙型參數(shù)如下:承載側(cè)角度a =+2.5°?+3.5°，引導(dǎo)側(cè)角度β =+9.5°?+10.5°，齒頂和齒根平行于母線。
[0013]進(jìn)一步，外圓柱面和內(nèi)圓柱面之間的過(guò)盈配合的過(guò)盈量為0.05?0.3_，兩者接觸的軸向長(zhǎng)度為0.5?30mm。
[0014]進(jìn)一步，球面和內(nèi)圓錐面之間的接觸面寬度為2?5mm，并且其內(nèi)圓錐面的錐角為
12。?14°。
[0015]進(jìn)一步為了使流體在管柱內(nèi)通過(guò)時(shí)流速穩(wěn)定，避免對(duì)連接部位產(chǎn)生渦流沖刷現(xiàn)象，套管的內(nèi)孔壁和套管接頭的內(nèi)孔壁平直過(guò)渡或呈錐形過(guò)渡。
[0016]采用了上述技術(shù)方案后，套管和套管接頭之間形成三道金屬?gòu)椥赃^(guò)盈密封，其中主密封部分通過(guò)套管外壁的外圓柱面和套管接頭的內(nèi)圓柱面過(guò)盈配合，實(shí)現(xiàn)在復(fù)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(nèi)圓錐面過(guò)盈配合，在適當(dāng)?shù)慕饘購(gòu)椥赃^(guò)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(yīng)力起到提升密封性能的作用，套管外端的外扭矩臺(tái)階與套管接頭的內(nèi)扭矩臺(tái)階相配合，不僅便于準(zhǔn)確控制旋接上緊位置，且有助于進(jìn)一步提高密封的可靠性，該套管螺紋連接結(jié)構(gòu)在上、卸扣過(guò)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(nèi)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(shí)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(nèi)螺紋部位旋接的導(dǎo)向引導(dǎo)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(nèi)螺紋部位旋緊后抗拉伸滑脫作用，能達(dá)到與管體等同強(qiáng)度的效果。
[0017]綜上所述，本三重密封抗壓縮套管螺紋連接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)如下:
[0018]1、螺紋連接強(qiáng)度高；
[0019]2、壓縮狀態(tài)下高密封性能；
[0020]3、上扣容易，不易錯(cuò)扣；
[0021]4、抗過(guò)扭矩能力強(qiáng)；
[0022]5、連接部位內(nèi)孔兩種設(shè)計(jì)，不僅可使流體在管柱內(nèi)通過(guò)時(shí)流速穩(wěn)定、避免對(duì)連接部位產(chǎn)生渦流沖刷現(xiàn)象，且內(nèi)孔平直過(guò)度設(shè)計(jì)可起到高抗壓縮作用，帶角度錐形過(guò)度可起到高抗扭作用。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1為套管與套管接頭之間的螺紋連接結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2為連接螺紋的一種結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖3為套管與套管接頭之間螺紋連接及密封結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(nèi)圓柱面；23_內(nèi)圓錐面；24_凹球面；25_起始圓弧面；16_外扭矩臺(tái)階；26_內(nèi)扭矩臺(tái)階。

【具體實(shí)施方式】
[0028]為了使本實(shí)用新型的內(nèi)容更容易被清楚地理解，下面根據(jù)具體實(shí)施例并結(jié)合附圖，對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)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(shuō)明，以常用規(guī)格5-1/2〃(139.7*9.17mm)的套管，對(duì)套管螺紋連接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)加以說(shuō)明:
[0030]如圖1?4所示，一種三重密封抗壓縮套管螺紋連接結(jié)構(gòu)，由具有外螺紋的套管11和具有內(nèi)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(shè)置有外圓柱面12和球面13，套管接頭21的內(nèi)壁上設(shè)置有與該外圓柱面12彈性過(guò)盈配合的內(nèi)圓柱面22以及與該球面13彈性過(guò)盈配合的內(nèi)圓錐面23，套管11的頭部還設(shè)置有外扭矩臺(tái)階16,套管接頭21的內(nèi)端設(shè)置有與該外扭矩臺(tái)階16配合的內(nèi)扭矩臺(tái)階26。
[0031]為了可以避免動(dòng)擰過(guò)扭矩?cái)Q緊過(guò)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(tái)階16以凸球面14過(guò)渡，套管接頭21內(nèi)端的內(nèi)圓錐面23與內(nèi)扭矩臺(tái)階26以凹球面24過(guò)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(nèi)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(jié)構(gòu)是根據(jù)API5B標(biāo)準(zhǔn)偏梯形螺紋連接強(qiáng)度高的特點(diǎn)，依據(jù)API標(biāo)準(zhǔn)偏梯形螺紋的設(shè)計(jì)原理，采用螺紋牙型的承載側(cè)角度a =+2.5°?+3.5°，引導(dǎo)側(cè)角度β =+9.5°?+10.5°，齒頂和齒根平行于母線，對(duì)于套管接頭21其螺距為
5.08mm,即5牙/每英寸，在API標(biāo)準(zhǔn)的偏梯形螺紋尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)上進(jìn)行改進(jìn)，使螺紋部分的連接強(qiáng)度達(dá)到或超過(guò)管體本身的強(qiáng)度。
[0035]外圓柱面12和內(nèi)圓柱面22之間的過(guò)盈配合的過(guò)盈量為0.05?0.3mm，兩者接觸的軸向長(zhǎng)度為0.5?30mm ;在本例中，外圓柱面12的直徑比內(nèi)圓柱面22的直徑大0.12?
0.15毫米，密封的軸向長(zhǎng)度為8毫米。
[0036]球面13和內(nèi)圓錐面23之間的接觸面寬度為2?5mm，并且其內(nèi)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(jié)構(gòu)采用管端縮口后鏜孔加工工藝，使管體原有內(nèi)孔d、縮口部分管體鏜孔內(nèi)徑dl及接箍通孔dl’，三者內(nèi)孔平直平滑過(guò)渡；或者通過(guò)縮口部分管體鏜孔內(nèi)徑dl與管體原有內(nèi)孔d之間錐形過(guò)渡形成鍥形效應(yīng)達(dá)到高抗扭矩的作用。
[0038]隨著石油工業(yè)向地質(zhì)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(shù)的應(yīng)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(shí)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?gòu)椥赃^(guò)盈密封，其中主密封部分通過(guò)套管11外壁的外圓柱面12和套管接頭21的內(nèi)圓柱面22過(guò)盈配合，實(shí)現(xiàn)在復(fù)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(nèi)圓錐面23過(guò)盈配合，在適當(dāng)?shù)慕饘購(gòu)椥赃^(guò)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(yīng)力起到提升密封性能的作用，套管11外端的外扭矩臺(tái)階16與套管接頭21的內(nèi)扭矩臺(tái)階26相配合，不僅便于準(zhǔn)確控制旋接上緊位置，且有助于進(jìn)一步提高密封的可靠性，該套管螺紋連接結(jié)構(gòu)在上、卸扣過(guò)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(nèi)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(shí)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(nèi)螺紋部位旋接的導(dǎo)向引導(dǎo)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(nèi)螺紋部位旋緊后抗拉伸滑脫作用，能達(dá)到與管體等同強(qiáng)度的效果。
[0041]以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型解決的技術(shù)問(wèn)題、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本實(shí)用新型的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種三重密封抗壓縮套管螺紋連接結(jié)構(gòu)，由具有外螺紋的套管(11)和具有內(nèi)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(shè)置有外圓柱面(12)和球面(13)，套管接頭(21)的內(nèi)壁上設(shè)置有與該外圓柱面(12)彈性過(guò)盈配合的內(nèi)圓柱面(22)以及與該球面(13)彈性過(guò)盈配合的內(nèi)圓錐面(23)，套管(11)的頭部還設(shè)置有外扭矩臺(tái)階(16)，套管接頭(21)的內(nèi)端設(shè)置有與該外扭矩臺(tái)階(16)配合的內(nèi)扭矩臺(tái)階(26)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三重密封抗壓縮套管螺紋連接結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的套管(11)頭部的外圓柱面(12)與外扭矩臺(tái)階(16)以凸球面(14)過(guò)渡，套管接頭(21)內(nèi)端的內(nèi)圓錐面(23)與內(nèi)扭矩臺(tái)階(26)以凹球面(24)過(guò)渡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三重密封抗壓縮套管螺紋連接結(jié)構(gòu)，其特征在于:套管接頭(21)的內(nèi)圓柱面(22)處帶有起始圓弧面(25)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三重密封抗壓縮套管螺紋連接結(jié)構(gòu)，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(quán)利要求1或4所述的三重密封抗壓縮套管螺紋連接結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的套管接頭(21)的內(nèi)螺紋的螺紋牙型參數(shù)如下:承載側(cè)角度a =+2.5°?+3.5°，引導(dǎo)側(cè)角度β =+9.5°?+10.5°，齒頂和齒根平行于母線。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三重密封抗壓縮套管螺紋連接結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的外圓柱面(12)和內(nèi)圓柱面(22)之間的過(guò)盈配合的過(guò)盈量為0.05?0.3mm，兩者接觸的軸向長(zhǎng)度為0.5?30_。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三重密封抗壓縮套管螺紋連接結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的球面(13)和內(nèi)圓錐面(23)之間的接觸面寬度為2?5mm，并且其內(nèi)圓錐面(23)的錐角為12。?14°。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三重密封抗壓縮套管螺紋連接結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的套管(11)的內(nèi)孔壁和套管接頭(21)的內(nèi)孔壁平直過(guò)渡或呈錐形過(guò)渡。
【文檔編號(hào)】E21B17/00GK204002601SQ201420395249
【公開日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年7月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月16日
【發(fā)明者】許才斌, 樊鑫業(yè), 王國(guó)富 申請(qǐng)人:江蘇常寶鋼管股份有限公司