雙級(jí)臺(tái)階式密封特殊扣連接結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種雙級(jí)臺(tái)階式密封連接結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]石油天然氣在世界能源乃至整個(gè)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域均占有極其重要的戰(zhàn)略地位，伴隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及對(duì)能源需求的不斷增加，石油天然氣的勘探開發(fā)力度也在不斷加大。隨著地質(zhì)結(jié)構(gòu)的愈加復(fù)雜和鉆井深度的不斷增加，加上成本因素，國(guó)內(nèi)外各大油田對(duì)油井管的使用性能、安全可靠性以及性價(jià)比等提出了更高的要求。
[0003]在石油及天然氣鉆采行業(yè)，油井管的市場(chǎng)需求量非常巨大。有關(guān)統(tǒng)計(jì)顯示，包括構(gòu)成油氣井主體結(jié)構(gòu)的套管及采油、采氣用油管在內(nèi)，全世界每年油井管的需求量超過(guò)一千萬(wàn)噸。
[0004]長(zhǎng)期以來(lái)，符合API (American Petroleum Institute—美國(guó)石油學(xué)會(huì))標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的管螺紋(簡(jiǎn)稱API螺紋)油井管由于具有技術(shù)成熟、通用性強(qiáng)、易于加工等優(yōu)點(diǎn)，一直被廣泛應(yīng)用。但API螺紋由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的原因，存在著許多難以克服的性能缺陷，如:API圓螺紋的抗拉強(qiáng)度較低、氣密封性能及抗粘扣性能較差，易粘扣;API偏梯形螺紋雖然抗拉強(qiáng)度較高，但螺紋接頭的氣密封性能與API圓螺紋相比卻有所降低，抗粘扣性能雖稍好于API圓螺紋，但仍然不是十分理想。
[0005]基于API圓螺紋、偏梯螺紋存在的性能缺陷，國(guó)內(nèi)外主要的油井管生產(chǎn)廠也都相繼開發(fā)了各自的特殊扣螺紋來(lái)替代普通的API螺紋，大部分為帶有端部金屬密封結(jié)構(gòu)的氣密封特殊扣產(chǎn)品，密封部位由緊鄰的密封面及扭矩臺(tái)肩組成，其中密封面為錐面或球面，內(nèi)外接頭密封面在上扣后達(dá)到徑向過(guò)盈，一次來(lái)達(dá)到氣密封的目的；內(nèi)外接頭的臺(tái)肩面在上扣后達(dá)到軸向過(guò)盈，一方面能保證內(nèi)外接頭上扣位置的準(zhǔn)確性，另一方面能提供一定的抗壓縮能力和抗過(guò)扭能力。但是此設(shè)計(jì)存在以下弊端:
[0006]1、緊鄰的密封面和臺(tái)肩面受力會(huì)互相影響，在內(nèi)外接頭上扣后整個(gè)密封鼻端同時(shí)受到軸向的壓縮力和徑向的密封過(guò)盈力，其中徑向的密封過(guò)盈力大小是由設(shè)計(jì)的密封過(guò)盈量大小決定的，變化不大;但是軸向的壓縮力會(huì)隨著整體接頭所受的壓縮或過(guò)扭力升高而隨之升高，當(dāng)接頭處于高壓縮或高過(guò)扭的狀態(tài)時(shí)，鼻端等效受力很容易達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度，從而導(dǎo)致密封部位發(fā)生形變，密封面無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)的壓力值，因此管串中的氣體發(fā)生泄漏。
[0007]2、在內(nèi)外接頭上扣過(guò)程中，當(dāng)臺(tái)肩產(chǎn)生過(guò)盈時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的軸向壓縮力，此時(shí)內(nèi)外接頭的密封面仍處于滑動(dòng)摩擦狀態(tài)，密封面所受的等效應(yīng)力大小將會(huì)直接影響密封面的抗粘扣能力，所受應(yīng)力越大，密封面越容易發(fā)生粘扣。因此臺(tái)肩產(chǎn)生的壓縮力將會(huì)降低接頭密封面的抗粘扣能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中結(jié)構(gòu)上的不足，本實(shí)用新型的目的是提供一種雙級(jí)臺(tái)階式密封連接結(jié)構(gòu)，以利于改善常規(guī)特殊扣螺紋在受到壓縮或過(guò)扭時(shí)氣密封能力不足，以及上扣過(guò)程中密封面容易產(chǎn)生粘扣的問(wèn)題。
[0009]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是提供雙級(jí)臺(tái)階式密封螺紋連接結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括有一個(gè)端部帶有外螺紋的套管和一個(gè)帶有內(nèi)螺紋的接箍旋合擰接，其中:所述套管外螺紋和接箍的內(nèi)螺紋的密封部位的形狀均為上下二級(jí)臺(tái)階狀，上級(jí)臺(tái)階和下級(jí)臺(tái)階均由一個(gè)頂面和一個(gè)側(cè)面組成。
[0010]所述套管外螺紋和接箍的內(nèi)螺紋密封部位的上級(jí)臺(tái)階頂面在公母螺紋上扣后達(dá)到徑向過(guò)盈，以保障接頭具有氣密封能力;所述內(nèi)外螺紋密封部位的下級(jí)臺(tái)階的側(cè)面在上扣后達(dá)到軸向過(guò)盈，以保證旋合擰接部位準(zhǔn)確的上扣位置及一定的抗壓縮抗過(guò)扭能力。
[0011]本實(shí)用新型的效果是通過(guò)將密封面和臺(tái)肩設(shè)計(jì)為一定間隔距離，密封面只承擔(dān)徑向過(guò)盈力，臺(tái)肩面主要承擔(dān)軸向壓縮力或過(guò)扭導(dǎo)致的壓縮力，來(lái)降低密封面所受到軸向壓縮力的影響，使得使得雙級(jí)臺(tái)階式密封特殊扣連接的密封面所受的復(fù)合應(yīng)力值降低，因此其抗粘扣能力得以增強(qiáng)，同時(shí)接頭在受到高壓縮，高過(guò)扭受力時(shí)，密封面材料不會(huì)輕易發(fā)生局部屈服變形，以此能保證設(shè)計(jì)的氣密封能力不發(fā)生降低。
【附圖說(shuō)明】

[0012]圖1是本實(shí)用新型的雙臺(tái)階密封連接結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]A、外螺紋密封部位B、內(nèi)螺紋密封部位
[0014]C、上級(jí)臺(tái)階頂面密封面D、下級(jí)臺(tái)階側(cè)面臺(tái)肩面
[0015]E、上級(jí)臺(tái)階側(cè)面F、下級(jí)臺(tái)階頂面
【具體實(shí)施方式】
[0016]結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的雙臺(tái)階密封連接結(jié)構(gòu)加以說(shuō)明。
[0017]本實(shí)用新型對(duì)油套管特殊扣的鼻端密封位置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，常規(guī)特殊扣的密封面鼻端采取緊鄰的密封面和臺(tái)肩設(shè)計(jì)方式，這種方式在接頭受到高壓縮或高過(guò)扭受力時(shí)，密封面處于高應(yīng)力狀態(tài)，加上本身徑向過(guò)盈所造成的應(yīng)力，導(dǎo)致等效復(fù)合應(yīng)力過(guò)高超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，發(fā)生變形從而導(dǎo)致氣密封能力失效，同時(shí)高應(yīng)力也影響了上扣過(guò)程中密封面的抗粘扣能力。
[0018]本實(shí)用新型的雙臺(tái)階密封連接結(jié)構(gòu)是，該結(jié)構(gòu)包括有一個(gè)端部帶有外螺紋的套管和一個(gè)帶有內(nèi)螺紋的接箍旋合擰接，所述套管外螺紋密封部位A和和接箍的內(nèi)螺紋密封部位B的形狀均為上下二級(jí)臺(tái)階狀，上級(jí)臺(tái)階由一個(gè)頂面C和一個(gè)側(cè)面E組成，下級(jí)臺(tái)階由一個(gè)頂面F和一個(gè)側(cè)面D組成。
[0019]所述套管外螺紋和接箍的內(nèi)螺紋密封部位的上級(jí)臺(tái)階頂面C在公母螺紋上扣后達(dá)到徑向過(guò)盈，以保障接頭具有氣密封能力;所述內(nèi)外螺紋密封部位的下級(jí)臺(tái)階的側(cè)面D在上扣后達(dá)到軸向過(guò)盈，以保證旋合擰接部位準(zhǔn)確的上扣位置及一定的抗壓縮抗過(guò)扭能力。
[0020]所述套管外螺紋和接箍的內(nèi)螺紋上扣后，所述上級(jí)臺(tái)階頂面C為雙級(jí)臺(tái)階式密封螺紋連接結(jié)構(gòu)的金屬對(duì)金屬過(guò)盈密封面，過(guò)盈量為0.3mm-0.5mm;下級(jí)臺(tái)階側(cè)面D為雙級(jí)臺(tái)階式密封螺紋連接結(jié)構(gòu)的對(duì)頂臺(tái)肩面，過(guò)盈量為0.1Omm-0.20mm。
[0021]所述套管外螺紋和接箍的內(nèi)螺紋的上級(jí)臺(tái)階側(cè)面之間和下級(jí)臺(tái)階頂面在內(nèi)外螺紋上扣后均含有間隙，所述上級(jí)臺(tái)階側(cè)面E間隙量為0.05mm-0.15mm，下級(jí)臺(tái)階頂面F的間隙量為0.2mm-0.3mm。
[0022]本實(shí)用新型的雙臺(tái)階密封連接結(jié)構(gòu)功能是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0023]如圖1所示，通過(guò)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)和數(shù)控車絲機(jī)加工來(lái)精確控制外螺紋密封和內(nèi)螺紋密封的具體尺寸，外螺紋和內(nèi)螺紋進(jìn)行上扣時(shí)，上臺(tái)階頂面C的密封面逐漸達(dá)到徑向過(guò)盈，通過(guò)控制機(jī)加工尺寸使得軸向過(guò)盈量控制在0.3mm-0.5mm之間，此徑向過(guò)盈是保證整個(gè)接頭結(jié)構(gòu)達(dá)到氣密封能力的關(guān)鍵之處，如果該密封面C在上扣或者后續(xù)使用過(guò)程中發(fā)生粘扣或者局部材料屈服，那么整個(gè)接頭的氣密封能力就會(huì)收到影響甚至完全失效
[0024]在內(nèi)螺紋和外螺紋上扣的最后階段內(nèi)螺紋接頭和外螺紋接頭的臺(tái)肩部分D開始接觸并產(chǎn)生軸向過(guò)盈，通過(guò)設(shè)定適當(dāng)?shù)淖罱K上扣扭矩來(lái)控制臺(tái)肩面D的軸向過(guò)盈量在0.1mm至
0.2mm之間，此時(shí)臺(tái)肩面受到一定的軸線壓縮力，密封面C在受到徑向過(guò)盈力的同時(shí)，內(nèi)外接頭的密封面彼此之間進(jìn)行滑動(dòng)摩擦，滑動(dòng)摩擦?xí)r有可能會(huì)導(dǎo)致材料表面局部應(yīng)力過(guò)大而發(fā)生屈服，從而導(dǎo)致整個(gè)密封面發(fā)生粘扣。雙臺(tái)階密封設(shè)計(jì)將臺(tái)肩面D和密封面C進(jìn)行了隔開處理，此時(shí)臺(tái)肩面D所受的軸向壓縮力不會(huì)對(duì)密封面C產(chǎn)生影響，密封面C的復(fù)合應(yīng)力相對(duì)較低，就相對(duì)不容易發(fā)生粘扣現(xiàn)象。
[0025]上扣完成后密封面C依靠受到的徑向過(guò)盈力將油氣封堵在管串以內(nèi)，以此達(dá)到氣密封。之后在管串下放或后續(xù)使用過(guò)程中，由于井壁變形整個(gè)管串可能會(huì)遇到下放阻力，此時(shí)需要對(duì)管串施加向下的壓力或者采取邊旋轉(zhuǎn)邊下放的方式，此時(shí)接頭受到高扭矩或高壓縮受力，接頭臺(tái)肩面D的軸向應(yīng)力將會(huì)增大，臺(tái)肩面D的過(guò)盈量也隨之增大，當(dāng)過(guò)盈量達(dá)到
0.30mm時(shí)，上級(jí)臺(tái)階的側(cè)面E也開始接觸，分擔(dān)一小部分的壓縮力，下級(jí)臺(tái)階的側(cè)面臺(tái)肩面D依然承擔(dān)著大部分的壓縮力，因此密封面的密封能力基本未受影響。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種雙級(jí)臺(tái)階式密封螺紋連接結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括有一個(gè)端部帶有外螺紋的套管和一個(gè)帶有內(nèi)螺紋的接箍旋合擰接，其特征是:所述套管外螺紋和接箍的內(nèi)螺紋的密封部位的形狀均為上下二級(jí)臺(tái)階狀，上級(jí)臺(tái)階和下級(jí)臺(tái)階均由一個(gè)頂面和一個(gè)側(cè)面組成； 所述套管外螺紋和接箍的內(nèi)螺紋密封部位的上級(jí)臺(tái)階頂面在公母螺紋上扣后達(dá)到徑向過(guò)盈，以保障接頭具有氣密封能力;所述內(nèi)外螺紋密封部位的下級(jí)臺(tái)階的側(cè)面在上扣后達(dá)到軸向過(guò)盈，以保證旋合抒接部位準(zhǔn)確的上扣位置及一定的抗壓縮抗過(guò)扭能力。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙級(jí)臺(tái)階式密封螺紋連接結(jié)構(gòu)，其特征是:所述套管外螺紋和接箍的內(nèi)螺紋上扣后，所述上級(jí)臺(tái)階頂面為雙級(jí)臺(tái)階式密封螺紋連接結(jié)構(gòu)的金屬對(duì)金屬過(guò)盈密封面，過(guò)盈量為0.3mm-0.5mm;下級(jí)臺(tái)階側(cè)面為雙級(jí)臺(tái)階式密封螺紋連接結(jié)構(gòu)的對(duì)頂臺(tái)肩面，過(guò)盈量為0.1Omm-0.20_。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙級(jí)臺(tái)階式密封螺紋連接結(jié)構(gòu)，其特征是:所述套管外螺紋和接箍的內(nèi)螺紋的上級(jí)臺(tái)階側(cè)面之間和下級(jí)臺(tái)階頂面在內(nèi)外螺紋上扣后均含有間隙，所述上級(jí)臺(tái)階側(cè)面間隙量為0.05mm-0.15mm，下級(jí)臺(tái)階頂面的間隙量為0.2mm_0.3mm。
【專利摘要】本實(shí)用新型提供雙級(jí)臺(tái)階式密封螺紋連接結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括有一個(gè)端部帶有外螺紋的套管和一個(gè)帶有內(nèi)螺紋的接箍旋合擰接，所述套管外螺紋和接箍的內(nèi)螺紋的密封部位的形狀均為上下二級(jí)臺(tái)階狀，上級(jí)臺(tái)階和下級(jí)臺(tái)階均由一個(gè)頂面和一個(gè)側(cè)面組成。有益效果是通過(guò)將密封面和臺(tái)肩設(shè)計(jì)為一定間隔距離，降低密封面所受到軸向壓縮力的影響，使得使得雙級(jí)臺(tái)階式密封特殊扣連接的密封面所受的復(fù)合應(yīng)力值降低，因此其抗粘扣能力得以增強(qiáng)，同時(shí)接頭在受到高壓縮，高過(guò)扭受力時(shí)，密封面材料不會(huì)輕易發(fā)生局部屈服變形，以此能保證設(shè)計(jì)的氣密封能力不發(fā)生降低。
【IPC分類】E21B17/08
【公開號(hào)】CN205387913
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201521066440
【發(fā)明人】孫宇, 陳濤, 薛雷, 史彬, 閆龍, 梅麗, 呂春莉, 張軍, 柳玉偉, 姚迪, 駱敬輝, 侯振宇, 郭強(qiáng), 李雙全, 陳玉鵬, 王崴
【申請(qǐng)人】天津鋼管集團(tuán)股份有限公司
【公開日】2016年7月20日
【申請(qǐng)日】2015年12月18日