CN201103350Y - 深井用油套管螺纹接头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种深井用油套管螺纹接头，其主要技术要点是管体的外密封面包括一个外圆锥面，接箍的内密封面包括由内凸圆弧面引导的相互邻接的第一内圆锥面和第二内圆锥面，第一内圆锥面与台肩面通过凹圆弧面顺滑过渡；凸圆弧面与凹圆弧面形成主密封结构的过盈前部；管体的外圆锥面的一部分与接箍的第一内圆锥面形成主密封结构的过盈中部，管体的外圆锥面的另一部分与接箍的第二内圆锥面形成主密封结构的过盈后部，过盈中部的径向过盈量大于过盈后部的径向过盈量。本实用新型不仅密封效果好，抗过扭矩能力强，而且易于加工、易于检验、施工作业方便，适用于深井、高压气井以及施工条件相对简陋的场所使用。

Description

深井用油套管螺纹接头

技术领域

本实用新型涉及用于石油钻采的油套管技术领域，尤其涉及一种油套管螺纹接头。

背景技术

随着石油工业的发展，深井、超深井、含气油井、水平井的开采越来越多，采油井况的不断恶化以及世界经济发展对石油天然气的依赖和需求，传统的API螺纹结构型式，其螺纹强度和密封性能已经不能满足石油开采技术、安全等方面的要求。

传统API油套管螺纹主要有圆螺纹和梯形螺纹两种结构型式，其密封是由内外螺纹啮合的紧密程度决定的。由于螺纹牙型结构的设计以及加工不可避免的误差原因，啮合螺纹间存在一定的间隙，圆螺纹主要是在内外螺纹牙顶和牙底之间存在月牙型螺旋通道，梯形螺纹主要是在导向面之间存在缝型间隙螺旋通道。由于泄漏通道的存在，从本质上讲，其螺纹结构不具备密封能力，其密封性能主要依靠上扣造成的螺纹变形、使用螺纹表面镀层金属、使用螺纹密封脂中的固体物质(如：铜、锌、石墨等)填充缝隙、螺旋通道来获得，所以这种密封受上紧力矩、填充物质量、温度变化、甚至下井作业中震动的影响而变化，故密封效果不可靠、不理想，在对螺纹密封性要求高的环境中无法正常使用。

为此，各油套管生产厂研究了不同的螺纹和密封结构型式，总体上，密封结构型式有：外锥面对内锥面密封、外凸圆弧面对内圆锥面密封、内凸圆弧面对外圆柱面密封、圆柱面对圆柱面的密封等作为主密封，再配合端面副密封面，形成密封；另外，通过螺纹牙型导向面角和承载面角的变化，影响主副密封面在受到内外压、拉伸、弯曲等外力作用下抵抗泄漏能力。但是，通过分析，不同密封结构型式存在加工、测量、密封可靠性等问题：

1)外锥面对内锥面密封、外凸圆弧面对内圆锥面密封的主要问题是内圆锥面密封处的尺寸测量困难，需要配置精密的专用测量仪器通过间接方法测量，不便于油田现场的检验和评价。由于是斜面对斜面密封，该结构对于接触面处的清洁要求高，接触面存在任何硬度高的异物可能导致密封面的划伤而导致密封带不连续和密封带早期失效。

2)内凸圆弧面对外圆柱面密封型式的主要缺点是作为主密封面的凸圆弧面加工困难，密封直径测量不方便，尤其是该结构对材料发生屈服变形非常敏感，发生屈服变形的值就是密封过盈量的减小值。

3)将圆柱面对圆柱面作为主密封时，在上扣过程中形成干涉的密封面容易产生粘着现象。

4)当把台肩作为密封面时，在受到轴向拉伸载荷时，轴向应变使密封接触压力骤减而使密封性能下降。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是：本实用新型提供一种深井用油套管螺纹接头，其不仅密封效果好，抗扭强度高，而且易于加工、易于检验、施工作业方便。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：深井用油套管螺纹接头，包括管体和接箍，所述管体具有外螺纹、外密封面和端面，所述接箍具有内螺纹、内密封面和台肩面；所述管体的外密封面位于所述的外螺纹和端面之间，所述接箍的内密封面位于所述的内螺纹与台肩面之间；所述的外螺纹与所述的内螺纹相互连接，所述管体的外密封面与所述接箍的内密封面过盈配合形成主密封结构，所述管体的端面与所述接箍的台肩面轴向邻靠，所述管体的外密封面包括一个外圆锥面，所述的外圆锥面与所述的端面通过凸圆弧面顺滑过渡；所述接箍的内密封面包括由内凸圆弧面引导的内圆锥面，所述的内圆锥面与所述的台肩面通过凹圆弧面顺滑过渡；所述的凸圆弧面与所述的凹圆弧面形成主密封结构的过盈前部；所述的外圆锥面与所述的内圆锥面和内凸圆弧面形成主密封结构的过盈中后部。

作为一种优选方式，所述接箍的内圆锥面包括相互邻接的第一内圆锥面和第二内圆锥面，第一内圆锥面与凹圆弧面邻接，第二内圆锥面与内凸圆弧面邻接；所述管体的外圆锥面的一部分与所述接箍的第一内圆锥面形成所述主密封结构的过盈中部，所述管体的外圆锥面的另一部分与所述接箍的第二内圆锥面形成所述主密封结构的过盈后部，所述过盈中部的径向过盈量大于过盈后部的径向过盈量。

作为一种优选方式，所述接箍的第一内圆锥面的锥度大于第二内圆锥面的锥度，第二内圆锥面的锥度与所述管体的外圆锥面的锥度相同；所述过盈中部具有近似梯形的纵向剖面，所述过盈后部具有近似平行四边形的纵向剖面。

作为一种优选方式，所述的外螺纹和所述的内螺纹是相互适配的锥螺纹，所述管体的外圆锥面的锥角大于所述锥螺纹的锥角。

作为一种优选方式，所述管体的端面与所述接箍的台肩面轴向贴合，形成接触的副密封结构。

作为一种优选方式，所述管体的端面和所述接箍的台肩面具有相同的倾角。

作为一种优选方式，所述的外螺纹和所述的内螺纹是梯形螺纹。

采用了上述技术方案后，本实用新型的有益效果是：由于所述管体的外密封面包括一个外圆锥面，所述接箍的内密封面包括由内凸圆弧面引导的内圆锥面，所述的内圆锥面与所述的台肩面通过凹圆弧面顺滑过渡；所述的凸圆弧面与所述的凹圆弧面形成主密封结构的过盈前部；所述的外圆锥面与所述的内圆锥面和内凸圆弧面形成主密封结构的过盈中后部，这样，凸圆弧面对凹圆弧面、外圆锥面对内圆锥面产生接触和弹性变形的过程是从点到面的过程，因此对密封处可能存在的高硬度异物首先具有“推开”的作用，因此不易造成对密封带的损伤；同时，圆弧对圆弧的接触在管体受到弯曲时，其密封面应力基本不变，可以避免在弯曲方向内侧应力增大，而在外侧应力减小而导致泄漏的情况发生。

由于所述接箍的内圆锥面包括相互邻接的第一内圆锥面和第二内圆锥面，第一内圆锥面与凹圆弧面邻接，第二内圆锥面与内凸圆弧面邻接；所述管体的外圆锥面的一部分与所述接箍的第一内圆锥面形成所述主密封结构的过盈中部，所述管体的外圆锥面的另一部分与所述接箍的第二内圆锥面形成所述主密封结构的过盈后部，所述过盈中部的径向过盈量大于过盈后部的径向过盈量。通常情况下，采用如下的具体结构，即所述接箍的第一内圆锥面的锥度大于第二内圆锥面的锥度，第二内圆锥面的锥度与所述管体的外圆锥面的锥度相同；所述过盈中部具有近似梯形的纵向剖面，所述过盈后部具有近似平行四边形的纵向剖面，这样，通过调整第一内圆锥面的锥度，就可以调节过盈中部的过盈量，以适应不同材料的不同密封要求。过盈后部的过盈量通常保持恒定，因此即使过盈中部失效，其过盈后部也能保持完好的密封效果，这大大提高了使用的可靠性。密封结构的过盈量会选择在材料的弹性变形范围内，因此在反复多次上扣或卸扣时不会产生粘着现象，保证密封的可靠性和稳定性。

由于所述的外螺纹和所述的内螺纹是锥螺纹连接，所述管体的外圆锥面的锥角大于所述锥螺纹的锥角，所以它可以防止对扣过程中碰伤密封面，形成对密封面的保护。

由于装配后，所述管体的端面与所述接箍的台肩面轴向贴合，形成接触的副密封结构，因而增强了螺纹接头的密封效果和抗过扭矩能力。

本实用新型密封效果好，抗过扭矩能力强。在管体与接箍上扣过程中，对上扣前涂抹的螺纹脂“前推”，既保证了在密封面间形成润滑层，又避免螺纹脂被封堵在局部空隙形成“高压”导致管体、接箍局部应力过高带来的不利影响，而且对现场操作不需要制定严格的螺纹脂涂抹规程，方便现场操作。接箍采用内圆锥面和凹圆弧面密封结构，管体采用凸圆弧面、外圆锥面密封结构，未采用特殊的弧面、球面结构，因此加工编程容易、不需使用专用刀具，且废品率低，检验方便。广泛适用于深井、高压气井以及施工条件相对简陋的场所使用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型实施例的纵向剖视图；

图2是图1所示实施例中接箍的局部剖视放大图；

图3是图1所示实施例中管体的局部剖视放大图；

图4是图1所示实施例中管体和接箍装配后的局部剖视放大图。

具体实施方式

一种深井用油套管螺纹接头，如图1、图2和图3共同所示，它包括管体1和接箍2，所述管体1具有外螺纹、外密封面和端面14，所述接箍2具有内螺纹、内密封面和台肩面24；所述管体1的外密封面位于所述的外螺纹和端面14之间，所述接箍2的内密封面位于所述的内螺纹与台肩面24之间。

所述的外螺纹与所述的内螺纹相互连接，螺纹牙型优先采用梯形螺纹。该梯形螺纹的导向面(即螺纹拧接前内外螺纹相向的牙侧面)角为10°～45°，承载面角(即螺纹拧接前内外螺纹相背的牙侧面)为3°～-5°，当用于连接的管体1的外径较大时，其螺纹的牙高和螺距相应的大；当用于连接的管体1的外径较小时，其螺纹的牙高和螺距相应的小，这是普通技术人员所熟知的，该结构用于油管(外径为4-1/2in以下)时，其螺纹牙高为0.9～1.2mm；螺距为3.175mm或4.233mm；用于套管(外径为4-1/2in以上)时，其螺纹牙高为1.575mm；螺距为5.08mm。本实施例的牙顶和牙底采用与轴线成锥度型式，即锥螺纹结构，当然，其也可以采用平行于轴线的形式。如图3所示，所述管体1的外密封面包括一个由外圆锥面12引导的外圆柱面11，所述的外圆锥面12与所述的端面14通过凸圆弧面13顺滑过渡。

如图2所示，所述接箍2的内密封面包括由内凸圆弧面21引导的内圆锥面，所述的内圆锥面与所述的台肩面24通过凹圆弧面23顺滑过渡。所述接箍2的内圆锥面包括相互邻接的第一内圆锥面22a和第二内圆锥面22b，第一内圆锥面22a与凹圆弧面23邻接，第二内圆锥面22b与内凸圆弧面21邻接。

装配后，如图4所示，所述的凸圆弧面13与所述的凹圆弧面23形成主密封结构的过盈前部a，过盈前部a具有月牙形的纵向剖面；所述管体1的外圆锥面12的一部分与所述接箍2的第一内圆锥面22a形成所述主密封结构的过盈中部b，所述管体1的外圆锥面12的另一部分与所述接箍2的第二内圆锥面22b形成所述主密封结构的过盈后部c，所述过盈中部b的径向过盈量大于过盈后部c的径向过盈量。

为了使过盈中部b的径向过盈量大于过盈后部c的径向过盈量，通常情况下，所述接箍2的第一内圆锥面22a的锥度大于第二内圆锥面22b的锥度，第二内圆锥面22b的锥度与所述管体1的外圆锥面12的锥度相同，这样，所述过盈中部b就具有近似梯形的纵向剖面，所述过盈后部c就具有近似平行四边形的纵向剖面。

该密封结构的过盈量数值可通过有限元分析确定。

主密封结构的过盈前部a的过盈量可通过调整圆弧半径的大小改变，其过盈量主要考虑由材料最小屈服强度值、管体所需承受压力而确定的过盈接触压力值。

确定外圆柱面11直径的因素，应考虑保证连接强度时所必须的有效外螺纹长度，以及加工时不出现干涉现象。外圆锥面12的锥角和长度主要考虑密封面的导向和形成密封面的长度，所述管体的外圆锥面12的锥角大于所述锥螺纹的锥角时，它可以防止对扣过程中碰伤密封面，从而形成对密封面的保护。

内凸圆弧面21的确定主要考虑密封面的导向和形成密封面的长度。

上述结构的效果是，凸圆弧面13对凹圆弧面23、外圆锥面12对所述的内圆锥面产生接触和弹性变形的过程是从线到面的过程，因此对密封处可能存在的高硬度异物首先具有“推开”的作用，因此不易造成对密封带的损伤；同时，圆弧对圆弧的接触在管体受到弯曲时，其密封面应力基本不变，可以避免在弯曲方向内侧应力增大，而在外侧应力减小而导致泄漏的情况发生。

通过调整第一内圆锥面22a的锥度，就可以调节过盈中部b的过盈量，以适应不同材料的不同密封要求，过盈后部c的过盈量通常保持恒定，因此即使过盈中部失效，其过盈后部也能保持完好的密封效果，这种双圆锥面的密封结构，既便于根据具体密封要求对主密封结构进行调整，又能保证可靠的密封效果。主密封结构的过盈量会选择在材料的弹性变形范围之内，因此在反复多次上扣或卸扣时不会产生粘着现象，保证密封的可靠性和稳定性。

当然，如果所述接箍2的内圆锥面只采用单圆锥面的密封结构，其虽然可行，但在根据具体密封要求调整主密封结构的灵活性上以及密封效果上显然不如采用双圆锥面的密封结构。

从图4还可以看出，所述管体的端面14与所述接箍的台肩面24轴向邻接，所述管体的端面14与所述接箍的台肩面24轴向贴合，形成接触的副密封结构d。所述管体的端面14与所述接箍的台肩面24形成的台肩结构的主要作用是抗扭矩，只有在精密加工的条件下其两个平面才能贴合，形成接触的副密封结构d。相对于垂直于轴线的平面，所述管体的端面14和所述接箍的台肩面24具有相同的倾角，所述倾角的范围为0～-15°。通常情况下，所述管体的端面14与所述接箍的台肩面24轴向邻接处，接箍2的内孔与管体1的内孔直径大小基本相同，从而形成近似内平结构型式。这样设计的好处是避免直径变化造成管体内部流体出现紊流而导致对管体或接箍内表面的冲刷，避免管体局部早期失效。

本实用新型密封效果好，抗过扭矩能力强。在管体与接箍上扣过程中，对上扣前涂抹的螺纹脂“前推”，既保证了在密封面间形成润滑层，又避免螺纹脂被封堵在局部空隙形成“高压”导致管体、接箍局部应力过高带来的不利影响，而且对现场操作不需要制定严格的螺纹脂涂抹规程，方便现场操作。接箍采用内圆锥面和凹圆弧面密封结构，管体采用凸圆弧面、外圆锥面和外圆柱面密封结构，未采用特殊的弧面、球面结构，因此加工编程容易、不需使用专用刀具，且废品率低，检验方便。广泛适用于深井、高压气井以及施工条件相对简陋的场所使用。

Claims (7)

1.深井用油套管螺纹接头，包括

管体(1)和接箍(2)，所述管体(1)具有外螺纹、外密封面和端面(14)，所述接箍(2)具有内螺纹、内密封面和台肩面(24)；

所述管体(1)的外密封面位于所述的外螺纹和端面(14)之间，所述接箍(2)的内密封面位于所述的内螺纹与台肩面(24)之间；

所述的外螺纹与所述的内螺纹相互连接，所述管体(1)的外密封面与所述接箍(2)的内密封面过盈配合形成主密封结构，所述管体的端面(14)与所述接箍的台肩面(24)轴向邻靠，其特征在于：

所述管体(1)的外密封面包括一个外圆锥面(12)，所述的外圆锥面(12)与所述的端面(14)通过凸圆弧面(13)顺滑过渡；

所述接箍(2)的内密封面包括由内凸圆弧面(21)引导的内圆锥面，所述的内圆锥面与所述的台肩面(24)通过凹圆弧面(23)顺滑过渡；

所述的凸圆弧面(13)与所述的凹圆弧面(23)形成主密封结构的过盈前部(a)；所述的外圆锥面(12)与所述的内圆锥面和内凸圆弧面(21)形成主密封结构的过盈中后部。

2.如权利要求1所述的深井用油套管螺纹接头，其特征在于：

所述接箍(2)的内圆锥面包括相互邻接的第一内圆锥面(22a)和第二内圆锥面(22b)，第一内圆锥面(22a)与凹圆弧面(23)邻接，第二内圆锥面(22b)与内凸圆弧面(21)邻接；

所述管体(1)的外圆锥面(12)的一部分与所述接箍(2)的第一内圆锥面(22a)形成所述主密封结构的过盈中部(b)，所述管体(1)的外圆锥面(12)的另一部分与所述接箍(2)的第二内圆锥面(22b)形成所述主密封结构的过盈后部(c)，所述过盈中部(b)的径向过盈量大于过盈后部(c)的径向过盈量。

3.如权利要求2所述的深井用油套管螺纹接头，其特征在于：所述接箍(2)的第一内圆锥面(22a)的锥度大于第二内圆锥面(22b)的锥度，第二内圆锥面(22b)的锥度与所述管体(1)的外圆锥面(12)的锥度相同；所述过盈中部(b)具有近似梯形的纵向剖面，所述过盈后部(c)具有近似平行四边形的纵向剖面。

4.如权利要求3所述的深井用油套管螺纹接头，其特征在于：所述的外螺纹和所述的内螺纹是相互适配的锥螺纹，所述管体(1)的外圆锥面(12)的锥角大于所述锥螺纹的锥角。

5.如权利要求1至4所述的任一种深井用油套管螺纹接头，其特征在于：所述管体的端面(14)与所述接箍的台肩面(24)轴向贴合，形成接触的副密封结构(d)。

6.如权利要求5所述的深井用油套管螺纹接头，其特征在于：所述管体的端面(14)和所述接箍的台肩面(24)具有相同的倾角。

7.如权利要求4所述的深井用油套管螺纹接头，其特征在于：所述的外螺纹和所述的内螺纹是梯形螺纹。

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