一種高抗扭的套管螺紋接頭的製作方法

2023-07-04 17:11:31

專利名稱：一種高抗扭的套管螺紋接頭的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及油井管螺紋連接技術領域的螺紋接頭，進一步地說，涉及一種套管螺紋接頭，具體地，涉及一種高抗扭的套管螺紋接頭。
背景技術：
在四川盆地的海相地層，埋藏有豐富的石油天然氣資源。但海相地層的油氣藏埋藏超深、存在多套壓力系統、地層複雜，開採難度很大。在這種複雜鑽井條件下，套管下入常常遇阻，需要旋轉下套管、同時施加(衝擊)壓力才能下入，這種情況要求套管接頭具有更高的抗扭強度，同時需要承受更高的壓縮、衝擊載荷，普通接頭難以滿足要求。目前，石油套管採用的接頭通常是API接頭，其基本結構見附圖1。該接頭是一種標準接頭，按照API (美國石油學會)標準加工製造。API螺紋接頭易於加工，便於檢測，技術成熟，在普通油氣井中，這種接頭就能夠滿足使用要求。但在四川盆地的海相地層情況下，需要旋轉下套管，API螺紋的抗扭性能滿足不了使用要求，這是因為當上扣扭矩過高時，API螺紋的環向應力很大，從而使API螺紋發生粘扣，導致失效。此外，眾所周知，API螺紋在較高的內壓下密封性很差，尤其是氣密封性能很不可靠。為了克服API螺紋的缺點，很多廠家開發了特殊螺紋接頭，其基本結構見附圖2。從圖2和圖1對比可知，特殊螺紋接頭多了一個扭矩臺肩和一個主密封面。從結構上可以看出，API螺紋的扭矩完全由螺紋承擔，特殊螺紋的扭矩則由螺紋和扭矩臺肩共同分擔，因此特殊螺紋的抗扭性能大幅度提高。同時，由於特殊螺紋設置了主密封面，專門承擔密封作用，因此這種接頭的氣密封性能也有很大改善。公開號為CN2575286Y的中國專利，
公開日為2003年9月24日，專利名稱為「油、套管螺紋接頭」，該專利就是一種典型的特殊螺紋結構。它對API螺紋進行了改進。該實用新型為一種錐形螺紋接頭，由接箍和管子通過螺紋連接而成:其螺紋為改進的偏梯形螺紋，管子前端有一個圓柱密封面，接箍的螺紋以外有一個凸起球面密封面，柱面與球面過盈配合構成主密封部分。管子前端倒成-9°或-15°角，與接箍的-9°或-15°臺肩過盈配合構成副密封部分。與API接頭相比，該專利由於設計了柱面/球面形式的金屬密封結構，密封性能提高，同時由於增加了扭矩臺肩，抗扭性能也有所提高。其不足之處是只有一個扭矩臺肩，抗扭性能提高幅度不夠大。當然，增加扭矩臺肩的厚度也可以提高其抗扭性能。但是，接頭的密封是靠內、外密封面的彈性過盈配合來實現的，柱面/球面形式的金屬密封接觸面積較小，產生的變形抗力也較小。如果增加臺肩厚度必然會造成密封接觸處管壁太厚，難以發生彈性變形，進而損壞密封面，因此這個方法不可行。

實用新型內容為解決上述現有技術存在的問題，本實用新型提供一種高抗扭的套管螺紋接頭，.一種高抗扭的套管螺紋接頭，包括接箍和連接管件，所述接箍4和連接管件之間通過螺紋連接；所述接頭還包括一組抗扭結構；在所述連接管件的連接端外表面設置有外螺紋10，且在所述接箍4的內表面的相應位置處設置有適配的內螺紋5 ;所述一組抗扭結構分別設置在所述連接管件連接埠處和所述接箍內壁表面上；分別設置在所述接箍和連接管件上的抗扭結構將所述接箍和連接管件之間形成過盈配合。所述抗扭結構包括接箍上的抗扭單元和所述連接管件上的抗扭單元；所述接箍上的抗扭單元包括內螺紋主臺肩6、內錐面7和內螺紋輔助臺肩8 ;所述連接管件上的抗扭單元包括外螺紋主臺肩11、外錐面12、外螺紋輔助臺肩13 ;所述內螺紋主臺肩6和外螺紋主臺肩11的尺寸和形狀適配，所述內螺紋輔助臺肩8和外螺紋輔助臺肩13的尺寸和形狀適配；所述內錐面7和外錐面12的錐度和長度相同。所述連接管件的抗扭單元的外螺紋輔助臺肩13設置在所述連接管件的連接埠上，所述外螺紋主臺肩11設置在所述外螺紋10內側，所述外錐面12連接所述外螺紋輔助臺肩13和外螺紋主臺肩11 ；所述接箍的抗扭單元的內螺紋輔助臺肩8設置在所述接箍4連接處最內側，所述內螺紋主臺肩6設置在所述內螺紋5內側；所述內錐面7連接所述內螺紋輔助臺肩8和內螺紋主臺肩6 ；所述內螺紋5和外螺紋10旋緊，且所述外螺紋主臺肩11和內螺紋主臺肩6適配緊密貼合；所述外螺紋輔助臺肩13和內螺紋輔助臺肩8適配緊密貼合；所述內錐面7和外錐面12適配緊密貼合；所述內螺紋5與外螺紋10、內錐面7與外錐面12、內螺紋主臺肩6與外螺紋主臺肩11、內螺紋輔助臺肩8與外螺紋輔助臺肩13分別形成過盈配合。所述內螺紋主臺肩6高度Hl、外螺紋主臺肩11高度H3相等，為2.5 3.5mm，所述內螺紋輔助臺肩8的高度H2、外螺紋輔助臺肩13的高度H4相等，為Hl+0.5mm ;且所述內螺紋主臺肩與內螺紋輔助臺肩之間的距離LI和所述外螺紋主臺肩與外螺紋輔助臺肩之間的距離L2相等，為5 6謹 。所述內錐面7和外錐面12的錐度均為1:12。所述外螺紋10和內螺紋5的螺紋為偏梯形螺紋，螺紋齒高為1.475^1.675毫米，螺距每英寸4飛牙，過盈量為0.255 0.38毫米。具體的，所述外螺紋10和內螺紋5的螺紋採用API偏梯形螺紋，螺紋錐度為1:16。所述連接管件為一對管子9，且所述一對管子9分別連接於所述接箍4內。這樣，接頭擰緊後，內螺紋主臺肩和外螺紋主臺肩首先接觸，承擔上扣扭矩，繼續加大扭矩，等主臺肩隨上扣扭矩增大發生一定的塑性變形後，內螺紋輔助臺肩和外螺紋輔助臺肩再接觸，承擔繼續增加的扭矩。本設計將一個扭矩臺肩分為兩個，解決了一個臺肩難以增厚的難題，扭矩由2個臺肩分擔，降低了應力集中，提高了接頭的抗扭能力。與此同時，為了提高接頭的氣密封性能，在內螺紋主臺肩與內螺紋輔助臺肩之間用內錐面過渡，在外螺紋主臺肩和外螺紋輔助臺肩之間用外錐面過渡，當接頭上緊後，內錐面與外錐面之間過盈配合，起到密封的作用。內錐面和外錐面的錐度均為1:12。由於內外錐面的長度較長(5_ 6_)，與球面/柱面密封結構相比，在同樣的接觸壓力下可以產生更大的變形，使該結構的彈性變形能力更好，提高了接頭的密封效果。所述外螺紋件和內螺紋件的螺紋為偏梯形螺紋，其設計尺寸符合API標準，螺紋齒高為1.475 1.675毫米，螺距每英寸4 6牙，過盈量為0.255 0.38毫米。本實用新型總體上採用API偏梯形螺紋的齒型結構，仍然為1:16的錐管螺紋連接形式。本實施例可以用於本領域常規使用的套管。具體地，當套管螺紋接頭旋緊時，首先內螺紋與外螺紋互相嚙合，隨著旋緊圈數的增加，內螺紋主臺肩與外螺紋主臺肩發生接觸，承擔上扣扭矩；進一步旋緊時，內螺紋輔助臺肩與外螺紋輔助臺肩發生接觸，分擔上扣扭矩。該套管螺紋接頭在使用時，內錐面與外錐面發生過盈配合，提供良好的氣密封性能；兩個扭矩臺肩與螺紋共同承擔扭矩，可顯著提高接頭的抗扭性能，同時由於螺紋承擔的扭矩小，使得接頭所受的環向應力低。與現有技術相比，本實用新型不但具有較高的抗扭性能，接頭抗扭能力可達到普通API接頭的3 — 3.5倍，而且連接強度高、氣密封性能好，適合用於旋轉固井下套管的苛刻工況。本實用新型針對現有技術的不足，提供了一種適用於旋轉固井的高抗扭套管接頭。該接頭重點針對四川地區海相地層需要旋轉固井下套管的技術需求，大幅度提高接頭的抗扭能力、抗壓縮(衝擊)性能和氣密封能力。抗扭能力應可達到普通API接頭的3倍以上，氣密封能力達到管體屈服壓力。與現有技術相比，本實用新型有顯著進步，具體表現在:I)卓越的抗扭性能。上扣扭矩由螺紋和兩個扭矩臺肩共同承擔，抗扭能力高於API螺紋，也高於普通特殊螺紋接頭，可以達到普通螺紋的3倍。2)優良的抗壓縮性能。當接頭承受壓縮載荷時，壓力由螺紋導向面以及兩個扭矩臺肩共同承擔。3)氣密封性能良好。內外錐面的長度較長，使錐面密封結構的彈性變形能力更好，而且接觸壓力均勻分布，提高了接頭的氣密封效果。

附圖1為API螺紋接頭的軸向截面圖；附圖2為普通特殊螺紋接頭的軸向截面圖；附圖3為本實用新型的套管螺紋接頭的軸向截面圖；其中，附圖標記為:1_螺紋；2_主密封；3_扭矩臺肩；4_接箍；5_內螺紋；6_內螺紋主臺肩內錐面；8-內螺紋輔助臺肩；9_管子；10-外螺紋；11-外螺紋主臺肩；12_外錐面；13-外螺紋輔助臺肩。
具體實施方式
下面結合實施例，進一步說明本實用新型。實施例1實施例1用於Φ 177.8X 13.72mm的套管，該套管的鋼級為P110。外螺紋件為接箍，內螺紋件為管子。接箍及管子的幾何尺寸包括外徑、壁厚等均採用API標準值，套管材料滿足API標準對PllO鋼級套管材料的要求，其內螺紋和外螺紋均採用API標準偏梯形螺紋，錐度1:16，螺紋齒高為1.575毫米，螺距每英寸5牙，過盈量為0.3175毫米。主臺肩與輔助臺肩之間的直線距離為5.0_，臺肩均為直角臺肩形式，密封結構內、外錐面的錐度為1:12。對於同樣規格、鋼級的API套管，其最大允許上扣扭矩是11660N*m，而本實用新型的最大允許上扣扭矩可達40815N*m。同時，接頭連接強度大於管體，氣密封能力達到107Mpa以上。實施例2實施例2用於Φ273.1X13.84mm的套管，該套管的鋼級為P110。外螺紋件為接箍，內螺紋件為管子。接箍及管子的幾何尺寸包括外徑、壁厚等均採用API標準值，套管材料滿足API標準對PllO鋼級油管材料的要求，其內螺紋和外螺紋均採用API標準偏梯形螺紋，錐度1:16，螺紋齒高為1.575毫米，螺距每英寸5牙，過盈量為0.3175毫米。主臺肩與輔助臺肩之間的直線距離為5.5mm,臺肩均為直角臺肩形式，內、外錐面密封結構的錐度為1:12。對於同樣規格、鋼級的API油管，其最大允許上扣扭矩是16370N*m，而本實用新型的最大允許上扣扭矩可達49125N*m。同時，接頭連接強度大於管體，氣密封能力達到71Mpa以上。
權利要求1.一種高抗扭的套管螺紋接頭，包括接箍和連接管件，所述接箍(4)和連接管件之間通過螺紋連接；其特徵在於: 所述接頭還包括一組抗扭結構； 在所述連接管件的連接端外表面設置有外螺紋(10)，且在所述接箍(4)的內表面的相應位置處設置有適配的內螺紋(5);所述一組抗扭結構分別設置在所述連接管件連接埠處和所述接箍內壁表面上；分別設置在所述接箍和連接管件上的抗扭結構將所述接箍和連接管件之間形成過盈配合； 所述抗扭結構包括接箍上的抗扭單元和所述連接管件上的抗扭單元；所述接箍上的抗扭單元包括內螺紋主臺肩(6)、內錐面(7)和內螺紋輔助臺肩(8);所述連接管件上的抗扭單元包括外螺紋主臺肩(11)、外錐面(12)、外螺紋輔助臺肩(13);所述內螺紋主臺肩(6)和外螺紋主臺肩(11)的尺寸和形狀適配，所述內螺紋輔助臺肩(8)和外螺紋輔助臺肩(13)的尺寸和形狀適配；所述內錐面(7)和外錐面(12)的錐度和長度相同。
2.根據權利要求1所述的一種高抗扭的套管螺紋接頭，其特徵在於， 所述連接管件的抗扭單元的外螺紋輔助臺肩(13)設置在所述連接管件的連接埠上，所述外螺紋主臺肩(11)設置在所述外螺紋(10)內側，所述外錐面(12)連接所述外螺紋輔助臺肩(13)和外螺紋主臺肩(11)； 所述接箍的抗扭單元的內螺紋輔助臺肩(8)設置在所述接箍(4)連接處最內側，所述內螺紋主臺肩(6)設置在所述內螺紋(5)內側；所述內錐面(7)連接所述內螺紋輔助臺肩(8)和內螺紋主臺肩(6)； 所述內螺紋(5)和外螺紋(10)旋緊，且所述外螺紋主臺肩(11)和內螺紋主臺肩(6)適配緊密貼合；所述外螺紋輔助臺肩(13)和內螺紋輔助臺肩(8)適配緊密貼合；所述內錐面(7)和外錐面(12)適配緊密貼合； 所述內螺紋(5)與外螺紋(10)、內錐面(7)與外錐面(12)、內螺紋主臺肩(6)與外螺紋主臺肩(11)、內螺紋輔助臺肩(8)與外螺紋輔助臺肩(13)分別形成過盈配合。
3.如權利要求1或2所述的套管螺紋接頭，其特徵在於: 所述內螺紋主臺肩(6)高度H1、外螺紋主臺肩(11)高度H3相等，為2.5 3.5mm，所述內螺紋輔助臺肩(8)的高度H2、外螺紋輔助臺肩(13)的高度H4相等，為Hl+0.5mm ;且所述內螺紋主臺肩與內螺紋輔助臺肩之間的距離LI和所述外螺紋主臺肩與外螺紋輔助臺肩之間的距離L2相等，為5 6mm。
4.如權利要求1或2所述的套管螺紋接頭，其特徵在於: 所述內錐面(7)和外錐面(12)的錐度均為1:12。
5.如權利要求1或2所述的套管螺紋接頭，其特徵在於: 所述外螺紋(10)和內螺紋(5)的螺紋為偏梯形螺紋，螺紋齒高為1.475 1.675毫米，螺距每英寸4 6牙，過盈量為0.255 0.38毫米。
6.如權利要求5所述的套管螺紋接頭，其特徵在於: 所述外螺紋(10)和內螺紋(5)的螺紋採用API偏梯形螺紋，螺紋錐度為1:16。
7.如權利要求1所述的套管螺紋接頭，其特徵在於: 所述連接管件為一對管子(9 )，且所述一對管子(9 )分別連接於所述接箍內。
專利摘要本實用新型提供一種高抗扭的套管螺紋接頭，包括接箍和連接管件，所述接箍和連接管件之間通過螺紋連接；所述接頭還包括一組抗扭結構；所述抗扭結構包括接箍上的抗扭單元和所述連接管件上的抗扭單元；所述接箍上的抗扭單元包括內螺紋主臺肩、內錐面和內螺紋輔助臺肩；所述連接管件上的抗扭單元包括外螺紋主臺肩、外錐面、外螺紋輔助臺肩；所述內螺紋主臺肩和外螺紋主臺肩的尺寸和形狀適配，所述內螺紋輔助臺肩和外螺紋輔助臺肩的尺寸和形狀適配；所述內錐面和外錐面的錐度和長度相同。本實用新型不但具有較高的抗扭性能，接頭抗扭能力可達到普通API接頭的3~3.5倍，而且連接強度高、氣密封性能好，適合用於旋轉固井下套管的苛刻工況。
文檔編號E21B17/08GK203022650SQ201220510758
公開日2013年6月26日 申請日期2012年9月29日 優先權日2012年9月29日
發明者李真祥, 瞿佳, 孫坤忠, 李文東, 劉虎, 範文星, 劉新義, 陳家河, 高航獻, 曾鵬琿, 李流軍, 朱弘 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石油化工股份有限公司勘探南方分公司