CN103527110A - 一种钛合金油套管用多级密封抗粘扣型螺纹 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钛合金油套管用多级密封抗粘扣型螺纹，包括油套管接箍和油套管管端，油套管接箍上设有标准的API偏梯形内螺纹，与偏梯形内螺纹相连的依次是退刀槽、通过倒角过渡的锥面对锥面一级密封结构、柱面对柱面二级密封结构和通过一个过渡倒角连接的负角度扭矩台肩，本发明优点是在改进的偏梯形螺纹基础上增加两级金属密封和一个负角度扭矩台肩密封组成，通过多级密封设计提高螺纹接头的气密封可靠性能，同时通过改变螺纹参数减小螺纹接头上的应力状态，提高抗粘扣性能，加工简检测方便。

Description

一种钛合金油套管用多级密封抗粘扣型螺纹

技术领域

本发明涉及石油天然气工业完井生产管柱连接螺纹，特别涉及一种在高温高压腐蚀介质存在下使用的一种钛合金油套管用多级密封抗粘扣型螺纹，以保证油气井安全有效开采。

背景技术

随着石油天然气开发的进一步深入，许多我国西部和西南油气田具有高温（大于140℃）、高压（大于100MPa）、井深（大于5000m）并含高腐蚀介质（CO₂、H₂S、CL－）等苛刻环境，为了适应这些油气田开发中对油套管耐腐蚀性的要求，钛合金管已经被引入制造油套管并具有非常优异的性能表现。

在石油天然气工业开发过程中，所采用的油套管是用螺纹拧接连接组成的管柱，螺纹是油套管柱中的最薄弱环节，其结构完整性、密封完整性和可靠性，严重影响油田的安全生产和管柱寿命。普通的API螺纹由于本身结构设计上先天性不足，无法满足在高温、高压、高腐蚀介质含量等“三高”油气田环境中的密封完整性，极易发生严重的油气泄漏事故，由于在这些油气中含有H₂S等有毒物质，给油气安全和周边生态环境和人民生命财产安全带来极大的威胁；同时，钛合金材料本身具有弹性模量低、表面硬度低，耐磨性能差和热传导系数低等特点，用钛合金材料加工普通API螺纹极易发生粘扣现象，以钢铁材料为基础设计的一般特殊螺纹结构也不适用于钛合金油管，容易发生粘扣和密封失效现象，因此为保障“三高”油气田的安全开发，也进一步促进钛合金油套管在石油天然气行业中的推广应用，急需一种专为钛合金螺纹结构使用的具有结构完整性、可靠地密封性能和抗粘扣性能的螺纹。

发明内容

本发明主要是为了解决高温、高压、高腐蚀介质含量等“三高”油气田安全开发问题，提供一种钛合金油套管用多级密封抗粘扣型螺纹，使用多级密封设计提高螺纹接头的气密封可靠性能，同时在接箍上采用变锥度设计，具有良好抗粘扣性能。

本发明的技术解决方案是：一种钛合金油套管用多级密封抗粘扣型螺纹，包括油套管接箍（1）和油套管管端（2），油套管接箍（1）上设有标准的API偏梯形内螺纹（3），API偏梯形内螺纹锥度1：16，与偏梯形内螺纹（3）相连的依次是退刀槽（13）、通过倒角过渡的锥面对锥面一级密封结构（8）、柱面对柱面二级密封结构（7）和通过一个过渡倒角连接的负角度扭矩台肩（6），锥面对锥面一级密封结构内螺纹锥面锥度1：4～1：6，外螺纹锥面锥度1：6～1：9，柱面对柱面二级密封结构过盈量0.01mm～0.4mm，负角度扭矩台肩负角8°～17°，油套管管端（2）上设有偏梯形外螺纹（4），偏梯形外螺纹（4）锥度1：16，在油套管接箍（1）端部设有变锥度API偏梯形内螺纹（5），锥度为1：10～1：14，变锥度起点段距接箍端部20～30mm。

外螺纹牙顶（9）与油套管的中轴线平行，外螺纹的承载面（10）与管柱轴线的法线夹角0～3°,外螺纹的承载面（10）与外螺纹的牙顶（9）之间的倒角半径为0.25～0.30mm，外螺纹的牙顶（9）与外螺纹的导向面（11）之间的倒角半径是0.8～1.0mm。

本发明优点是在改进的偏梯形螺纹基础上增加两级金属密封和一个负角度扭矩台肩密封组成，通过多级密封设计提高螺纹接头的气密封可靠性能，同时通过改变螺纹参数减小螺纹接头上的应力状态，提高抗粘扣性能，加工简检测方便。

本发明通过合理的锥面对锥面一级密封结构，柱面对柱面二级密封结构和负角度扭矩台肩密封的三级金属对金属过盈密封设计，使螺纹接头三级密封部位过盈接触压力都低于材料屈服强度的80%，降低了上扣过程对密封面造成损伤的可能性，同时使接头仍具有较高的密封可靠性，当钛合金管体受拉伸载荷和内压载荷时螺纹接头的密封性能不受影响。同时由于密封面位置靠近螺纹起始端远离管子端部，可以对密封面提供较好的保护，防止搬运过程中的意外损伤。

由于采用了改进的偏梯形螺纹牙型设计，保证螺纹牙型上有合理的应力分配，有效防止应力集中，同时在油套管接箍的端部有一段API偏梯形内螺纹采用了变锥度设计，这种变锥度设计减小了接箍螺纹大端的接触压力和应力集中，以上措施一起可以有效的防止钛合金油套管粘扣发生，使本设计螺纹结构具有优良的抗粘扣性能。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为螺纹牙型结构示意图。

图3为接头上扣连接后的过盈密封示意图。

具体实施方式

本发明结构示意图见图1。在油套管管端2上加工改进的偏梯形外螺纹4，在油套管接箍1上加工标准的API偏梯形内螺纹3，与偏梯形内螺纹3相连的是退刀槽13，用于加工螺纹时螺纹梳刀退刀，同时在螺纹上扣后起储存多余螺纹脂，降低螺纹脂压力对接头密封性能的负面影响；与退刀槽13通过倒角过渡的是锥面对锥面一级密封结构8，这是一对金属对金属密封结构，保证上扣后接头气密封性能，在锥面对锥面一级密封结构8后面相连的是柱面对柱面二级密封结构7，二级密封结构7在螺纹上扣后具有金属对金属密封结构，在螺纹接头承受拉伸载荷和内压载荷时，依然具有较高的气密封性能，且当钛合金管体受拉伸载荷和内压载荷时螺纹接头的密封性能不受影响；与柱面对柱面二级密封结构7通过一个过渡倒角连接的是负角度扭矩台肩6，用于控制上扣位置的，同时具有辅助三级密封作用，合理的负角度设计使负角度扭矩台肩6在一定拉伸载荷作用下仍可保持辅助密封效果。

油套管管端2上改进的偏梯形外螺纹4和油套管接箍1上一部分的API偏梯形内螺纹3的锥度均与API偏梯形螺纹相同，锥度均为1:16，在油套管接箍1的端部有一段API偏梯形内螺纹5采用了变锥度设计，锥度为1:10～1:14，变锥度起点段距接箍端部20～30mm，通过变锥度设计使内螺纹大端（偏梯形内螺纹5）减小了应力集中，可以有效的防止粘扣发生。

在螺纹牙型设计上，外螺纹4采用改进的API螺纹偏梯形螺纹，如图2所示，外螺纹的牙顶9与油套管的中轴线平行；外螺纹的牙底12与标准API偏梯形螺纹相同。外螺纹的承载面10采用了优化的承载面角度。外螺纹的承载面10与外螺纹的牙顶9之间、外螺纹的牙顶9与外螺纹的导向面11之间的倒角尺寸经过重新设计，其中外螺纹的承载面10与外螺纹的牙顶9之间的倒角半径为0.25～0.30mm，外螺纹的牙顶9与外螺纹的导向面11之间的倒角半径是0.8～1.0mm，以保证螺纹牙上有合理的盈力分配，有效防止应力集中而粘扣。

本发明螺纹接头上扣后的结构示意图见图3。

表1螺纹结构组成及尺寸要求

实施例：

可根据具体工况的要求，选用不同规格的钛合金油套管。采用数控机床加工，加工时，首先加工内外螺纹一级和二级密封面，然后加工扭矩台肩，最后再加工螺纹结构。

实施例一：加工外径Φ88.9mm油管接头

采用同钢级接箍与管体，内螺纹镀铜10um厚，外螺纹表面喷丸硬化。上扣时两端均匀涂抹API螺纹脂，夹持接箍，工厂端采用最大扭矩上扣，现场端采用最佳扭矩上扣。

螺纹尺寸要求：

加工后的外径Φ88.9mm油管接头经试验验证，9次上卸扣无粘扣现象发生，在轴向载荷890KN，内压载荷80MPa时无气体泄漏发生，满足结构完整性、密封完整性要求。

实施例二：加工外径Φ177.8mm套管接头

采用同钢级接箍与管体，内螺纹镀铜15um厚，外螺纹表面喷丸硬化。上扣时两端均匀涂抹API螺纹脂，夹持接箍，工厂端采用最大扭矩上扣，现场端采用最佳扭矩上扣。

螺纹尺寸要求：

加工后的外径Φ177.8mm钛合金套管接头经试验验证，3次上卸扣无粘扣现象发生，在轴向载荷1100KN，内压载荷65MPa时无气体泄漏发生，满足结构完整性、密封完整性要求。

Claims (2)

1.一种钛合金油套管用多级密封抗粘扣型螺纹，包括油套管接箍（1）和油套管管端（2），油套管接箍（1）上设有标准的API偏梯形内螺纹（3），API偏梯形内螺纹锥度1：16，与偏梯形内螺纹（3）相连的依次是退刀槽（13）、通过倒角过渡的锥面对锥面一级密封结构（8）、柱面对柱面二级密封结构（7）和通过一个过渡倒角连接的负角度扭矩台肩（6），锥面对锥面一级密封结构内螺纹锥面锥度1：4～1：6，外螺纹锥面锥度1：6～1：9，柱面对柱面二级密封结构过盈量0.01mm～0.4mm，负角度扭矩台肩负角8°～17°，油套管管端（2）上设有偏梯形外螺纹（4），偏梯形外螺纹（4）锥度1：16，在油套管接箍（1）端部设有变锥度API偏梯形内螺纹（5），锥度为1：10～1：14，变锥度起点段距接箍端部20～30mm。

2.如权利要求1所述的一种钛合金油套管用多级密封抗粘扣型螺纹，其特征在于：外螺纹牙顶（9）与油套管的中轴线平行，外螺纹的承载面（10）与管柱轴线的法线夹角为0～3°,外螺纹的承载面（10）与外螺纹的牙顶（9）之间的倒角半径为0.25～0.30mm，外螺纹的牙顶（9）与外螺纹的导向面（11）之间的倒角半径是0.8～1.0mm。

Images