CN116927676A - 一种油套管高抗扭矩、高金属自密封螺纹接头结构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于石油开采管材技术领域，特别涉及一种油套管高抗扭矩、高金属自密封螺纹接头结构，包括接箍和管体，接箍内侧沿轴线方向依次设有内螺纹、退刀槽、接箍密封锥面、抗扭矩台肩，管体外侧沿轴线方向依次设有外螺纹、过渡锥面、管体密封锥面，管体的端部设有管体抗扭矩端面，管体内侧设有管端内平、管端内平锥面，接箍和管体螺纹连接后，接箍密封锥面与管体密封锥面金属过盈接触，抗扭矩台肩与管体抗扭矩端面金属过盈接触，内螺纹牙顶与外螺纹牙底金属过盈接触，内螺纹牙底与外螺纹牙顶分离。本发明螺纹接头结构在具有高连接强度、高气密封和高抗压缩等性能的基础上，同时具有抗大上扣扭矩及抗大旋转扭矩的能力。
Description
技术领域
本发明属于石油开采管材技术领域，特别涉及一种油套管高抗扭矩、高金属自密封螺纹接头结构。
背景技术
油套管是开采石油和天然气所必须的石油专用管材， 上百根甚至几百根油套管通过螺纹连接起来， 从地面延伸到地下几千米的地方， 形成石油和天然气的通道。 油套管的螺纹连接是最薄弱的环节， 很多失效都发生在螺纹连接部位， 油套管接头失效后，常常会引起很大的事故， 带来很大的经济损失， 而且还会污染环境和造成伤亡事故。 目前， 为了解决螺纹连接部位的失效问题， 油田和油套管生产厂都付出了很大的努力， 采取了很多切实可行的措施， 但随着钻井技术的进步， 开采的深度越来越深， 井下温度、压力越来越高， 目前的技术仍然无法完全满足现场的苛刻要求， 新的技术和新的连接形式不断出现。
随着我国石油工业的飞速发展，近年来深井、超深井、长水平井、高气压井等苛刻工况条件的油气井开发量逐年提升，钻采工艺难度也越来越大。在这些特殊井钻采过程中常常需要采用大扭矩旋转、上提下放等一些特殊工艺。这就要求油套管在具有高连接强度、高气密封和高抗压缩等性能的基础上，同时具有抗大上扣扭矩及抗大旋转扭矩的能力。然而，传统的API接头及普通特殊螺纹接头无法同时具备上述性能。
中国专利授权公告号为CN 207363612 U，授权公告日为2018年5月15日，实用新型专利名称为“ 一种石油套管气密封螺纹接头”，该专利对API螺纹进行了改进。该接头由接箍和管子两部分组成，采用锥管螺纹连接。在接箍上依次设置内螺纹、圆柱孔、密封内锥面和扭矩台肩；在管子端部依次设置外螺纹、圆柱面、过渡圆锥面、密封外锥面和端部台肩。内螺纹与外螺纹互相啮合，为接头提供足够的连接强度；密封内锥面与密封外锥面形成径向过盈配合，阻止高压气体泄漏；接箍上的扭矩台肩与管子上的端部台肩互相顶紧，形成轴向过盈配合，进一步加强接头的密封效果，同时分担上扣扭矩，提高接头的抗扭转能力。其不足之处是：1)密封锥面与扭矩台肩距离太近，扭矩台肩过扭时会严重影响密封锥面上的接触应力，造成密封锥面过早失效；2)密封锥面就在管子端部，起吊油管和套管进行上扣作业时，很容易损伤密封锥面。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种油套管高抗扭矩、高金属自密封螺纹接头结构，解决API接头及普通特殊螺纹接头无法同时具有抗大上扣扭矩和抗大旋转扭矩的问题，本发明能有效解决深井、超深井、长水平井等井况钻采过程中大扭矩旋转下套管、上提下放等工艺下油套管的螺纹完整性和密封完整性问题，同时，降低了螺纹加工难度，易于机械加工。
本发明的技术方案在于：一种油套管高抗扭矩、高金属自密封螺纹接头结构，包括接箍、与所述接箍相配合的管体，所述接箍内侧沿轴线方向依次设有内螺纹、退刀槽、接箍密封锥面、抗扭矩台肩，所述管体外侧沿轴线方向依次设有外螺纹、过渡锥面、管体密封锥面，所述管体的端部设有管体抗扭矩端面，所述管体内侧沿轴线方向依次设有管端内平、管端内平锥面，所述内螺纹、外螺纹均为偏梯形螺纹，所述内螺纹为等螺距，所述外螺纹为变螺距，所述外螺纹包括完整螺纹部分、不完整螺纹部分，所述接箍和管体螺纹连接后，所述接箍密封锥面与所述管体密封锥面金属过盈接触，所述接箍密封锥面与管体中轴线夹角γ范围为5°～15°，所述抗扭矩台肩与管体抗扭矩端面金属过盈接触，所述内螺纹牙顶与外螺纹牙底金属过盈接触，所述内螺纹牙底与外螺纹牙顶分离。
所述接箍密封锥面与所述管体密封锥面平行，所述抗扭矩台肩与管体抗扭矩端面平行，所述管体抗扭矩端面与所述管体密封锥面的夹角α范围为80°～90°。
所述过渡锥面与管体中轴线夹角为β范围为4°～15°，管端内锥面与管体中轴线夹角为θ范围为4°～15°。
所述内螺纹、外螺纹的偏梯形螺纹的螺纹牙顶-牙底过盈量δ1为0.12mm～0.16mm，牙侧间隙δ2为0~0.4mm。
所述外螺纹完整螺纹部分螺距大于内螺纹螺距，所述外螺纹完整螺纹部分最大螺距P2与内螺纹螺距P差值为0.05~0.2mm。
所述外螺纹不完整螺纹部分螺距小于内螺纹螺距，所述外螺纹不完整螺纹部分最小螺距P1与内螺纹螺距P差值范围为-0.4~-0.05mm。
所述管体密封锥面长度L为5~8mm。
所述过渡锥面低于管体端部第一牙螺纹牙底的长度D为4~10mm，管端内平长度I为5~8mm。
本发明的技术效果在于：1.本发明通过采用小角度接箍密封锥面+管体密封锥面的金属过盈自密封方式，上扣过程中密封过盈量沿整个密封面上应力分布更加均匀，有利于防止上扣过程密封面摩擦损伤及减缓密封面位置的应力腐蚀，密封效果好；2.本发明通过设置过渡锥面、管端内锥面与管体中轴线夹角，使管体鼻端向管径外方向翘起，促使大扭矩上扣过程管端受力方向改变，改善接箍扭矩台肩的压缩变形及应力集中情况，且能够有效缓解大扭矩上扣过程中抗扭矩台肩微变形对接头密封性能的影响；3.本发明通过设置管体抗扭矩端面与管体密封锥面夹角，可以约束管端向内径方向变形，预防大扭矩上扣时管端的缩口变形，确保接头结构在大扭矩上扣的同时具有高自密封性能；4.本发明通过设计管体螺纹刀进入位置和接箍螺纹退刀槽，充分考虑接头结构的可加工性，便于接头螺纹双齿刀、多齿刀加工，提升加工效率；5.本发明通过采用外螺纹变螺距、内螺纹固定螺距设计，其中外螺纹的完整螺纹部分螺距大于内螺纹、外螺纹不完整螺纹部分螺距小于内螺纹，能够在确保螺纹部分抗大扭矩的同时，避免管体不完整螺纹部分的上/卸扣粘扣问题，进一步提升接头结构整体的抗大扭矩性能。
以下将结合附图进行进一步的说明。
附图说明
图1为本发明实施例一种油套管高抗扭矩、高金属自密封螺纹接头结构示意图。
图2为本发明实施例一种油套管高抗扭矩、高金属自密封螺纹接头结构的接箍结构示意图。
图3为本发明实施例一种油套管高抗扭矩、高金属自密封螺纹接头结构的管体结构示意图。
图4为本发明实施例一种油套管高抗扭矩、高金属自密封螺纹接头结构的密封部分局部放大示意图示意图。
图5为本发明实施例一种油套管高抗扭矩、高金属自密封螺纹接头结构的内、外螺纹结构放大示意图。
图6为本发明实施例一种油套管高抗扭矩、高金属自密封螺纹接头结构的接箍内螺纹部分局部放大示意图。
图7为本发明实施例一种油套管高抗扭矩、高金属自密封螺纹接头结构的管体外螺纹的不完整螺纹部分局部放大示意图。
图8为本发明实施例一种油套管高抗扭矩、高金属自密封螺纹接头结构的管体外螺纹的完整螺纹部分局部放大示意图。
附图标记：1-接箍，2-管体，3-内螺纹，4-退刀槽，5-接箍密封锥面，6-抗扭矩台肩，7-外螺纹，8-过渡锥面，9-管体密封锥面，10-管体抗扭矩端面，11-管端内平，12管端内锥面，D-过渡锥面低于管体螺纹第一牙牙底的长度，L-管体密封锥面长度，I-管端内平长度，α-管体抗扭矩端面与管体密封锥面夹角，β-过渡锥面与管体中轴线夹角，γ-接箍密封锥面与管体中轴线夹角，δ1-内外螺纹牙顶过盈量（螺纹牙顶-牙底过盈量），θ-管端内锥面与管体中轴线夹角，δ2-内外螺纹齿宽过盈量（牙侧间隙），P-内螺纹螺距，P1-管体不完整螺纹最小螺距，P2-管体完整螺纹最大螺距。
具体实施方式
实施例1
如图1~图4所示，一种油套管高抗扭矩、高金属自密封螺纹接头结构，包括接箍1、与所述接箍1相配合的管体2，所述接箍1内侧沿轴线方向依次设有内螺纹3、退刀槽4、接箍密封锥面5、抗扭矩台肩6，所述管体2外侧沿轴线方向依次设有外螺纹7、过渡锥面8、管体密封锥面9，所述管体2的端部设有管体抗扭矩端面10，所述管体2内侧沿轴线方向依次设有管端内平11、管端内平锥面12，所述内螺纹3、外螺纹7均为偏梯形螺纹，所述内螺纹3为等螺距，所述外螺纹7为变螺距，所述外螺纹7包括完整螺纹部分、不完整螺纹部分，所述接箍1和管体2螺纹连接后，所述接箍密封锥面5与所述管体密封锥面9金属过盈接触，所述接箍密封锥面5与管体2中轴线夹角γ范围为5°～15°，所述抗扭矩台肩6与管体抗扭矩端面10金属过盈接触，所述内螺纹3牙顶与外螺纹7牙底金属过盈接触，所述内螺纹3牙底与外螺纹7牙顶分离。
实际使用过程中，本发明通过采用小角度接箍密封锥面5+管体密封锥面9的金属过盈自密封方式，上扣过程中密封过盈量沿整个密封面上应力分布更加均匀，有利于防止上扣过程密封面摩擦损伤及减缓密封面位置的应力腐蚀，通过外螺纹7变螺距外螺纹的完整螺纹部分、不完整螺纹部分结构设计，能够在确保螺纹部分抗大扭矩的同时，避免管体不完整螺纹部分的上/卸扣粘扣问题，进一步提升接头结构整体的抗大扭矩性能。
实施例2
优选的，在实施例1的基础上，本实施例中，优选地，所述接箍密封锥面5与所述管体密封锥面9平行，所述抗扭矩台肩6与管体抗扭矩端面10平行，所述管体抗扭矩端面10与所述管体密封锥面9的夹角α范围为80°～90°。
实际使用过程中，本发明所述管端内锥面12与管体2中轴线夹角范围为4°～15°，使管体鼻端向管径外方向翘起，促使大扭矩上扣过程管端受力方向改变，改善接箍扭矩台肩的压缩变形及应力集中情况，且能够有效缓解大扭矩上扣过程中抗扭矩台肩微变形对接头密封性能的影响，述管体抗扭矩端面10与所述管体密封锥面9的夹角α范围为80°～90°，可以约束管端向内径方向变形，预防大扭矩上扣时管端的缩口变形，确保接头结构在大扭矩上扣的同时具有高自密封性能。
实施例3
优选的，在实施例1或2的基础上，本实施例中，所述过渡锥面8与管体2中轴线夹角为β范围为4°～15°，管端内锥面12与管体2中轴线夹角为θ范围为4°～15°。
实际使用过程中，本发明管端设置过渡锥面8和管端内锥面12，使管体鼻端部位整体向管径外方向翘起，促使大扭矩上扣过程管端受力方向改变，有效改善接箍抗扭矩台肩6的压缩变形及应力集中情况，且能够有效缓解大扭矩上扣过程中抗扭矩台肩6微变形对接头密封性能的削弱作用。过渡锥面8与中轴线夹角为β，管端内锥面12与中轴线夹角为θ，β和θ范围均为4°～15°，β和θ角度数值根据抗扭矩需求确定，抗扭矩要求越高，β和θ角度越大。
实施例4
优选的，在实施例1或2或3的基础上，本实施例中，如图6所示，所述内螺纹3螺距P为3.81~6.35mm。
实际使用过程中，本发明所述内螺纹3螺距P为3.81~6.35mm，内螺纹3螺距变化范围大，有利于不同尺寸套管的内螺纹加工。
实施例5
优选的，在实施例1或2或3或4的基础上，本实施例中，如图5所示，所述内螺纹3、外螺纹7的偏梯形螺纹的螺纹牙顶-牙底过盈量δ1为0.12mm～0.16mm，牙侧间隙δ2为0~0.4mm。
实际使用过程中，本发明所述内螺纹3、外螺纹7的偏梯形螺纹的螺纹牙顶-牙底过盈量δ1为0.12mm～0.16mm，牙侧间隙δ2为0~0.4mm，能够在确保螺纹部分抗大扭矩的同时，避免管体不完整螺纹部分的上/卸扣粘扣问题，进一步提升接头结构整体的抗大扭矩性能。
实施例6
优选的，在实施例1或2或3或4或5的基础上，本实施例中，如图7、图8所示，所述外螺纹7完整螺纹部分螺距大于内螺纹3螺距，所述外螺纹7完整螺纹部分最大螺距P2与内螺纹3螺距P差值为0.05~0.2mm；所述外螺纹7不完整螺纹部分螺距小于内螺纹3螺距，所述外螺纹7不完整螺纹部分最小螺距P1与内螺纹3螺距P差值范围为-0.4~-0.05mm。
实际使用过程中，本发明通过变螺距外螺纹7的完整螺纹部分、不完整螺纹部分螺距与内螺纹3螺距不同结构设计，能够在确保螺纹部分抗大扭矩的同时，避免管体不完整螺纹部分的上/卸扣粘扣问题，进一步提升接头结构整体的抗大扭矩性能。
实施例7
优选的，在实施例1或2或3或4或5或6的基础上，本实施例中，如图4所示，所述管体密封锥面9长度L为5~8mm。
实际使用过程中，本发明所述管体密封锥面9长度L为5~8mm，接箍密封锥面5与管体密封锥面9平行，保证金属密封效果。
实施例8
优选的，在实施例1或2或3或4或5或6或7的基础上，本实施例中，如图4所示，所述过渡锥面8低于管体端部第一牙螺纹牙底的长度D为4~10mm，管端内平11长度I为5~8mm。
实际使用过程中，本发明管体的管端过渡锥面8低于管体端部第一牙螺纹牙底的长度D为4~10mm，便于采用双齿螺纹刀进行加工，相对于单齿刀加工，双齿刀加工在减小刀具磨损的同时能够有效提升螺纹加工效率。管端内平11长度I为5~8mm，促使管体密封锥面受力均匀的同时，确保管体抗扭矩端面厚度在合理范围内。
实施例9
本实施例采用本发明如上所述的一种油套管高抗扭矩、高金属自密封螺纹接头结构，以φ139.7mm×9.17mm，钢级P110的油套管为例，采用高抗扭矩、高金属自密封螺纹接头结构，包括接箍1和管体2，具体参数如下：
接箍密封锥面5与管体密封锥面9平行，接箍密封锥面5与轴线夹角γ为7°，管体密封锥面9长度L为6mm；接箍抗扭矩台肩6与管体抗扭矩端面10平行，管体抗扭矩端面10与管体密封锥面9夹角α为85°；过渡锥面8与中轴线夹角为β为5°，管端内锥面12与中轴线夹角θ为8°。该设计使管体鼻端部位整体向管径外方向翘起，促使大扭矩上扣过程管端受力方向改变，有效提升扭矩性能。管体的管端过渡锥面8低于管体端部第一牙螺纹牙底的长度D为6.5mm，便于采用双齿螺纹刀进行加工。管端内平11长度I为5mm，促使管体密封锥面受力均匀。接箍内螺纹等螺距，管体外螺纹变螺距，螺纹牙顶-牙底过盈，牙侧间隙；其中，接箍内螺纹螺距P为5.08mm；管体外螺纹内变螺距，基准螺距与内螺纹一致；管体外螺纹螺距沿着轴向从外向内螺距逐渐减小，管体外螺纹完整螺纹部分螺距大于内螺纹螺距，外螺纹完整螺纹部分最大螺距P2与内螺纹螺距P差值为0.1mm；管体外螺纹 不完整螺纹部分螺距小于内螺纹螺距，管体外螺纹不完整螺纹部分最小螺距P1与接箍内螺纹螺距P差值范围为-0.2mm；内、外螺纹结构均为偏梯形螺纹，螺纹牙顶-牙底过盈量δ1为0.15mm，牙侧间隙δ2为0.2mm。
经过测试，加工的高抗扭矩、高金属自密封螺纹接头管体屈服强度≥758MPa，抗拉强度≥862Mpa，高抗扭矩、高金属自密封螺纹接头结构上扣扭矩达到18000N·m，高于常规特殊扣上扣扭矩，常规特殊扣上扣扭矩13000 N·m，抗内压/外压、抗压缩/拉伸性能100%等管体，在拉伸/压缩、内压/外压、温度小于等于180℃、弯曲狗腿度小于20°/30m等复合载荷工况下VME等效屈服强度达到95%管体时螺纹结构完整及密封性完好。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种油套管高抗扭矩、高金属自密封螺纹接头结构，其特征在于：包括接箍（1）、与所述接箍（1）相配合的管体（2），所述接箍（1）内侧沿轴线方向依次设有内螺纹（3）、退刀槽（4）、接箍密封锥面（5）、抗扭矩台肩（6），所述管体（2）外侧沿轴线方向依次设有外螺纹（7）、过渡锥面（8）、管体密封锥面（9），所述管体（2）的端部设有管体抗扭矩端面（10），所述管体（2）内侧沿轴线方向依次设有管端内平（11）、管端内平锥面（12），所述内螺纹（3）、外螺纹（7）均为偏梯形螺纹，所述内螺纹（3）为等螺距，所述外螺纹（7）为变螺距，所述外螺纹（7）包括完整螺纹部分、不完整螺纹部分，所述接箍（1）和管体（2）螺纹连接后，所述接箍密封锥面（5）与所述管体密封锥面（9）金属过盈接触，所述接箍密封锥面（5）与管体（2）中轴线夹角γ范围为5°～15°，所述抗扭矩台肩（6）与管体抗扭矩端面（10）金属过盈接触，所述内螺纹（3）牙顶与外螺纹（7）牙底金属过盈接触，所述内螺纹（3）牙底与外螺纹（7）牙顶分离。
2.根据权利要求1所述一种油套管高抗扭矩、高金属自密封螺纹接头结构，其特征在于：所述接箍密封锥面（5）与所述管体密封锥面（9）平行，所述抗扭矩台肩（6）与管体抗扭矩端面（10）平行，所述管体抗扭矩端面（10）与所述管体密封锥面（9）的夹角α范围为80°～90°。
3.根据权利要求1所述一种油套管高抗扭矩、高金属自密封螺纹接头结构，其特征在于：所述过渡锥面（8）与管体（2）中轴线夹角为β范围为4°～15°，管端内锥面（12）与管体（2）中轴线夹角为θ范围为4°～15°。
4.根据权利要求1所述一种油套管高抗扭矩、高金属自密封螺纹接头结构，其特征在于：所述内螺纹（3）、外螺纹（7）的偏梯形螺纹的螺纹牙顶-牙底过盈量δ1为0.12mm～0.16mm，牙侧间隙δ2为0~0.4mm。
5.根据权利要求1所述一种油套管高抗扭矩、高金属自密封螺纹接头结构，其特征在于：所述外螺纹（7）完整螺纹部分螺距大于内螺纹（3）螺距，所述外螺纹（7）完整螺纹部分最大螺距P2与内螺纹3螺距P差值为0.05~0.2mm。
6.根据权利要求1所述一种油套管高抗扭矩、高金属自密封螺纹接头结构，其特征在于：所述外螺纹（7）不完整螺纹部分螺距小于内螺纹（3）螺距，所述外螺纹（7）不完整螺纹部分最小螺距P1与内螺纹3螺距P差值范围为-0.4~-0.05mm。
7.根据权利要求1所述一种油套管高抗扭矩、高金属自密封螺纹接头结构，其特征在于：所述管体密封锥面（9）长度L为5~8mm。
8.根据权利要求1所述一种油套管高抗扭矩、高金属自密封螺纹接头结构，其特征在于：所述过渡锥面（8）低于管体端部第一牙螺纹牙底的长度D为4~10mm，管端内平（11）长度I为5~8mm。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202210325888.0A CN116927676A (zh) | 2022-03-30 | 2022-03-30 | 一种油套管高抗扭矩、高金属自密封螺纹接头结构 |
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| CN (1) | CN116927676A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114439384A (zh) * | 2020-11-05 | 2022-05-06 | 中国石油天然气股份有限公司 | 套管 |
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- 2022-03-30 CN CN202210325888.0A patent/CN116927676A/zh active Pending
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