CN110714726A - 一种膨胀套管金属自密封螺纹接头结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种膨胀套管金属自密封螺纹接头结构，包括内螺纹端和外螺纹端，内螺纹端沿轴线方向从外到内依次设置有内螺纹端面、第一次级密封面、内螺纹、主密封面、抗扭矩台肩、镗孔柱面、镗孔锥面；外螺纹端沿轴线方向从内到外依次设置有位置控制台肩、第二次级密封面、外螺纹、主密封弧面、辅助密封锥面、抗扭矩端面、内平柱面、内平锥面；内螺纹端和外螺纹端螺纹连接后，主密封面与主密封弧面、辅助密封锥面金属过盈接触，第一次级密封面与第二次级密封面金属接触，内螺纹与外螺纹的牙顶、牙底金属过盈接触。本发明接头解决了膨胀套管在膨胀时出现的螺纹连接和密封问题，确保了膨胀前后均具有高连接效率和高密封性，同时兼具易加工等特点。

Description

一种膨胀套管金属自密封螺纹接头结构

技术领域：

本发明属于石油勘探开发用油套管螺纹连接接头技术领域，具体涉及一种膨胀套管金属自密封螺纹接头结构。

背景技术：

随着石油工业的发展，石油勘探朝着深层系和海上发展，开发难度日益剧增。当钻井作业需要通过更深的高压地层、枯竭地层或易塌地层时，如果井眼直径一定，最终的井眼直径变小，可能难以钻至目的层，即使能够钻至目的层，但井眼太小，难以满足后续开采及修井、增产等作业项目。膨胀套管因能够满足这一技术要求，解决钻井、完井、采油、修井等作业中眼变径问题，被认为是21世纪石油钻采行业的核心技术之一。

要使膨胀管技术真正应用到石油钻采行业中，连接技术非常关键，尤其是实体管，必须解决膨胀套管膨胀前后管柱连接及密封的完整性和可靠性。目前所公开专利涉及的膨胀套管螺纹接头结构均需增加密封橡胶配件，这不仅影响现场施工效率，而且在膨胀套管膨胀后管柱连接及密封性能难以保障，存在安全、质量隐患。为此，需要开发一种高性能金属自密封膨胀套管螺纹接头结构。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种膨胀套管金属自密封螺纹接头结构，其采用牙顶、牙底平行于管体轴线的螺纹形式和金属自密封结构解决了膨胀套管在膨胀时出现的螺纹连接和密封问题，且螺纹接头在膨胀前后均具有高连接效率和高密封性，同时兼具易批量加工、成本低、施工方便等特点。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：一种膨胀套管金属自密封螺纹接头结构，包括内螺纹端和外螺纹端，内螺纹端沿轴线方向从外到内依次设置有内螺纹端面、第一次级密封面、内螺纹、主密封面、抗扭矩台肩、镗孔柱面、镗孔锥面；外螺纹端沿轴线方向从内到外依次设置有位置控制台肩、第二次级密封面、外螺纹、主密封弧面、辅助密封锥面、抗扭矩端面、内平柱面、内平锥面；内螺纹端和外螺纹端螺纹连接后，主密封面与主密封弧面、辅助密封锥面金属过盈接触，第一次级密封面与第二次级密封面金属接触，内螺纹与外螺纹的牙顶、牙底金属过盈接触。

所述主密封弧面和辅助密封锥面衔接处为主密封最大过盈位置，主密封最大过盈量范围为0.55～0.85mm；主密封弧面远离抗扭矩端面，主密封弧面半径范围为20～50mm；辅助密封锥面与外螺纹锥度相同，范围为1:30～1:32；辅助密封锥面轴向长度范围为12～16mm；辅助密封锥面与主密封面的夹角范围为0.5°～2°；抗扭矩台肩角度范围为10°～15°。

所述第一次级密封面与第二次级密封面的次级密封面夹角范围为0.5°～1°；内螺纹端面和位置控制台肩的间距范围为3～5mm。

所述内螺纹和外螺纹结构均为负角度偏梯形螺纹，牙顶和牙底平行于管体轴线；承载面角度为负角度，范围为8°～12°；导向面角度范围为18°～25°；每英寸4～6牙，螺纹锥度范围为1:30～1:32；连接后，内螺纹与外螺纹的牙顶和牙底过盈量范围为0.02～0.08mm。

所述内平柱面和镗孔柱面直径相等，与管体内径差值范围为0.2～0.8mm；内平柱面轴向长度等于辅助密封锥面轴向长度；内平锥面锥角与镗孔锥面锥角相同，范围为3°～10°。

本发明的有益效果在于：

1、主密封采用锥面对弧面+锥面的密封方式，次级密封采用锥面对锥面的密封方式，且主密封面远离抗扭矩台肩，在内螺纹端和外螺纹端连接后，锥面间形成中空，膨胀套管在膨胀时外螺纹端辅助密封锥面变形与内螺纹端主密封面完全接触，协同膨胀，保证了膨胀后密封性能。同时，膨胀套管膨胀时外螺纹端辅助密封锥面变形量大于内螺纹端主密封面的变形量，能够有效预防膨胀后回弹引起的密封面分离，保证了套管膨胀后的高密封性能。

2、内螺纹和外螺纹均为大负角度偏梯形螺纹，其牙顶和牙底平行于管体轴线，膨胀套管膨胀过程中螺纹牙顶、牙底过盈接触部分所受的膨胀力垂直牙顶和牙底，能有效避免膨胀变形损伤螺纹，保证了膨胀后螺纹接头的高连接性能。

3、次级密封采用锥面对锥面的形式，上扣扭矩越大，次级密封过盈长度越长，次级密封性能越高，能够有效避免加工误差导致的次级密封失效。

4、管体椭圆、壁厚不均、内孔毛刺凹陷等缺陷常常影响管体膨胀后的接头完整性，本发明设置一定长度的镗孔柱面和内平柱面，能够确保主密封面范围的壁厚均匀，避免因管体自身缺陷引起的膨胀密封失效问题。

附图说明：

图1是本发明接头结构示意图；

图2是图1接头结构A位置局部放大示意图；

图3是图1接头结构B位置局部放大示意图；

图4是内螺纹结构示意图；

图5是内螺纹结构局部放大示意图；

图6是外螺纹结构示意图；

图7是外螺纹结构局部放大示意图；

图8是螺纹齿形示意图；

图9是内螺纹齿形示意图；

图10是外螺纹齿形示意图。

附图标记说明：1-内螺纹端，2-外螺纹端，3-内螺纹端面，4-第一次级密封面，5-内螺纹，6-主密封面，7-抗扭矩台肩，8-镗孔柱面，9-镗孔锥面，10-位置控制台肩，11-第二次级密封面，12-外螺纹，13-主密封弧面，14-辅助密封锥面，15-内平锥面，16-内平柱面，17-抗扭矩端面，α-夹角，μ-主密封最大过盈量，D-辅助密封锥面轴向长度，R-主密封弧面半径，δ-抗扭矩台肩角度，γ-次级密封面夹角，L-间距，β-内平锥面锥角，β1-镗孔锥面锥角，ε-牙顶和牙底过盈量，η-承载面角度，θ-导向面角度。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1至图8，一种膨胀套管金属自密封螺纹接头结构，包括内螺纹端1和外螺纹端2，内螺纹端1沿轴线方向从外到内依次设置有内螺纹端面3、第一次级密封面4、内螺纹5、主密封面6、抗扭矩台肩7、镗孔柱面8、镗孔锥面9；外螺纹端2沿轴线方向从内到外依次设置有位置控制台肩10、第二次级密封面11、外螺纹12、主密封弧面13、辅助密封锥面14、抗扭矩端面17、内平柱面16、内平锥面15；内螺纹端1和外螺纹端2螺纹连接后，主密封面6与主密封弧面13、辅助密封锥面14金属过盈接触，第一次级密封面4与第二次级密封面11金属接触，内螺纹5与外螺纹12的牙顶、牙底金属过盈接触。

如图3所示，本发明的主密封弧面13和辅助密封锥面14衔接处为主密封最大过盈位置，主密封最大过盈量μ范围为0.55～0.85mm；主密封弧面13远离抗扭矩端面17，主密封弧面半径R范围为20～50mm；辅助密封锥面14与外螺纹12锥度相同，范围为1:30～1:32；辅助密封锥面轴向长度D范围为12～16mm；辅助密封锥面14与主密封面6的夹角α范围为0.5°～2°；抗扭矩台肩角度δ范围为10°～15°。

如图2所示，本发明的第一次级密封面4与第二次级密封面11的次级密封面夹角γ范围为0.5°～1°；内螺纹端面3和位置控制台肩10的间距L范围为3～5mm。

参见图8至图10，本发明的内螺纹5和外螺纹12结构均为负角度偏梯形螺纹，牙顶和牙底平行于管体轴线；承载面角度η为负角度，范围为8°～12°；导向面角度θ范围为18°～25°；每英寸4～6牙，螺纹锥度范围为1:30～1:32；连接后，内螺纹5与外螺纹12的牙顶和牙底过盈量ε范围为0.02～0.08mm。

参见图4至图7，本发明的内平柱面16和镗孔柱面8直径相等，与管体内径差值范围为0.2～0.8mm；内平柱面16轴向长度等于辅助密封锥面轴向长度D；内平锥面锥角β与镗孔锥面锥角β1相同，范围为3°～10°。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (5)

1.一种膨胀套管金属自密封螺纹接头结构，其特征在于：包括内螺纹端(1)和外螺纹端(2)，内螺纹端(1)沿轴线方向从外到内依次设置有内螺纹端面(3)、第一次级密封面(4)、内螺纹(5)、主密封面(6)、抗扭矩台肩(7)、镗孔柱面(8)、镗孔锥面(9)；外螺纹端(2)沿轴线方向从内到外依次设置有位置控制台肩(10)、第二次级密封面(11)、外螺纹(12)、主密封弧面(13)、辅助密封锥面(14)、抗扭矩端面(17)、内平柱面(16)、内平锥面(15)；内螺纹端(1)和外螺纹端(2)螺纹连接后，主密封面(6)与主密封弧面(13)、辅助密封锥面(14)金属过盈接触，第一次级密封面(4)与第二次级密封面(11)金属接触，内螺纹(5)与外螺纹(12)的牙顶、牙底金属过盈接触。

2.根据权利要求1所述的一种膨胀套管金属自密封螺纹接头结构，其特征在于：所述主密封弧面(13)和辅助密封锥面(14)衔接处为主密封最大过盈位置，主密封最大过盈量(μ)范围为0.55～0.85mm；主密封弧面(13)远离抗扭矩端面(17)，主密封弧面半径(R)范围为20～50mm；辅助密封锥面(14)与外螺纹(12)锥度相同，范围为1:30～1:32；辅助密封锥面轴向长度(D)范围为12～16mm；辅助密封锥面(14)与主密封面(6)的夹角(α)范围为0.5°～2°；抗扭矩台肩角度(δ)范围为10°～15°。

3.根据权利要求1所述的一种膨胀套管金属自密封螺纹接头结构，其特征在于：所述第一次级密封面(4)与第二次级密封面(11)的次级密封面夹角(γ)范围为0.5°～1°；内螺纹端面(3)和位置控制台肩(10)的间距(L)范围为3～5mm。

4.根据权利要求1所述的一种膨胀套管金属自密封螺纹接头结构，其特征在于：所述内螺纹(5)和外螺纹(12)结构均为负角度偏梯形螺纹，牙顶和牙底平行于管体轴线；承载面角度(η)为负角度，范围为8°～12°；导向面角度(θ)范围为18°～25°；每英寸4～6牙，螺纹锥度范围为1:30～1:32；连接后，内螺纹(5)与外螺纹(12)的牙顶和牙底过盈量(ε)范围为0.02～0.08mm。

5.根据权利要求1所述的一种膨胀套管金属自密封螺纹接头结构，其特征在于：所述内平柱面(16)和镗孔柱面(8)直径相等，与管体内径差值范围为0.2～0.8mm；内平柱面(16)轴向长度等于辅助密封锥面轴向长度(D)；内平锥面锥角(β)与镗孔锥面锥角(β1)相同，范围为3°～10°。

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