HTHP油气井用特殊螺纹接头.pdf

一种HTHP油气井用特殊螺纹接头，包括接箍以及管体，接螺纹接头还包括稳定结构，稳定结构包括接箍在扭矩台肩和内锥形密封面之间设有的内锥形引导面以及管体在扭矩台肩和外锥形密封面之间依次设有的锥形扩张边沿、外锥形面，管体的外锥形引导面、扩展边沿和扭矩台肩上加工有螺旋形的导流槽。本发明的密封结构设计在紧靠螺纹的位置，在下井过程中稳定结构能够对密封结构进行校正，保证密封结构能够完好接触。另外，在井下套管承受复合载荷时，稳定结构使套管的密封性能不会因承受载荷的变化而受到影响，始终保持高密封性能。

1.  一种HTHP油气井用特殊螺纹接头，包括接箍以及管体，所述接箍内由外向里依次设有内螺纹以及锥形内密封面，所述管体端部由前至后依次设有锥形外密封面和外螺纹，且所述内螺纹与外螺纹配合构成螺纹连接，所述锥形内密封面与锥形外密封面构成锥面/锥面密封结构；其特征在于：所述螺纹接头还包括稳定结构，所述稳定结构包括接箍在扭矩台肩和锥形内密封面之间依次设有的第二锥形内引导面、第一锥形内引导面以及管体在扭矩台肩和外锥形密封面之间依次设有的锥形扩展边沿、外锥形面，所述第二锥形内引导面、第一锥形内引导面为两段锥度不同的锥面，二者构成双锥度的引导面，且当所述管体伸入接箍中，所述锥形扩展边沿能够通过所述第一锥形内引导面而与所述第二锥形内引导面实现配合；所述管体的外锥形面、锥形扩展边沿和扭矩台肩上的表面加工有连续螺旋形的导流槽。

2.  根据权利要求1所述的HTHP油气井用特殊螺纹接头，其特征在于：所述内、外螺纹为双头螺纹配合连接，螺纹锥度根据套管规格不同可选择为1:18或1:12；承载面角度为-3°，导向面角度为15°。

3.  根据权利要求1所述的HTHP油气井用特殊螺纹接头，其特征在于：所述扭矩台肩为-15°的反向扭矩台肩。

4.  根据权利要求1所述的HTHP油气井用特殊螺纹接头，其特征在于：所述接箍的螺纹牙型高度略大于管体的螺纹牙型高度，上扣后螺纹过盈量为0.13mm～0.27mm。

5.  根据权利要求1所述的双级密封油套管特殊扣接头，其特征在于：所述锥形内密封面与锥形外密封面的锥度为1:10；所述第一锥形内引导面锥度为1:16；所述第二锥形内引导面锥度为10°；所述外锥形面锥度为1:12；所述锥形扩展边沿锥度为10°。

6.  根据权利要求1所述的双级密封油套管特殊扣接头，其特征在于：所述接箍扭矩台肩和引导面之间设有过渡圆弧，过渡圆弧的半径为0.8mm。

7.  根据权利要求1所述的双级密封油套管特殊扣接头，其特征在于：所述接箍扭矩台肩处内径与管体端部内径结合处设计成平滑过渡。

8.  根据权利要求1所述的双级密封油套管特殊扣接头，其特征在于：所述导流槽为管体表面对称分布的两条。

HTHP油气井用特殊螺纹接头
技术领域
本发明属于石油开采钻井设备技术领域，特别涉及钻井设备的套管特殊扣的气密封连接结构。
背景技术
HTHP油气井也称为高温高压井，根据国际HTHP合作促进协会的规定，油气井的地层温度达到300°F（149℃），或地层压力达到15000psi（103.4Mpa），或井口压力达到10000psi（68.9Mpa）以上称为高温高压井。若油气井的地层温度达到400°F（204℃），或地层压力达到20000psi（137.8Mpa），或井口压力达到15000psi（103.4Mpa），称为超高温高压井。
我国陆上和海上油气田普遍存在着异常高压和高温高压的问题，而且分布范围广、变化范围大。迄今发现的高温高压井其温度和压力绝对值都非常高，压力梯度最高可达到或超过理论推算的上覆地层压力梯度（即2.31g/cm2当量钻井液密度）；地温梯度达到4℃/100米以上。异常高压不仅分布在不同区域和不同地区，而且广泛分布在不同地层。
HTHP油气井恶劣的井下工况使套管服役环境异常苛刻，这对套管的密封性能提出了更高的要求。API常规圆螺纹和偏梯形螺纹的密封主要借助于API螺纹脂来实现密封，其密封形式都是在螺纹上紧至基面螺纹产生过盈配合，螺纹的底角和顶角之间的空隙靠螺纹脂填充。API螺纹的这种密封方式仅使用在100℃以下的油井中，对于深井、超深井和气井不能满足密封的要求，尤其是高温高压气井，由于气体的穿透性大大好于液体的穿透性，很容易穿透公母螺纹间隙中的螺纹脂；另一方面高温也会降低螺纹脂的粘稠度，使得气体更容易穿过，引起密封失效；即使井底温度在常规的范围内，气泡在密封脂中的蠕动，也能突破螺纹脂的密封。因此，常规API螺纹无法达到高温高压油气井的密封要求。
发明内容
为解决现有技术的上述缺陷，本发明提出了一种高效密封的HTHP油气井用特殊螺纹接头。
本发明的技术方案为：包括接箍以及管体，所述接箍内由外向里依次设有内螺纹以及内锥形密封面，所述管体端部由前至后依次设有外锥形密封面和外螺纹，且所述内螺纹与外螺纹配合构成螺纹连接，所述内锥形密封面与外锥形密封面构成锥面/锥面密封结构；所述螺纹接头还包括稳定结构，所述稳定结构包括接箍在扭矩台肩和锥形内密封面之间依次设有的第二锥形内引导面、第一锥形内引导面以及管体在扭矩台肩和外锥形密封面之间依次设有的锥形扩展边沿、外锥形面，所述第二锥形内引导面、第一锥形内引导面为两段锥度不同的锥面，二者构成双锥度的引导面，且当所述管体伸入接箍中，所述锥形扩展边沿能够通过所述第一锥形内引导面而与所述第二锥形内引导面实现配合；所述管体的外锥形面、锥形扩展边沿和扭矩台肩上的表面加工有连续螺旋形的导流槽。
上述方案进一步优选为：
所述内、外螺纹为双头螺纹配合连接，螺纹锥度根据套管规格不同可选择为1:18或1:12；承载面角度为-3°，导向面角度为15°。采用双头螺纹可以实现螺纹的快速上扣；螺纹锥度优选为1:18或1:12，承载面角度为-3°，可以提高螺纹的连接强度，尤其是提高螺纹的符合承载能力；导向面角度优选为15°，方便对扣，研究表明导向面角度越大越不容易错扣。本发明专利通过优化导向面圆角和承载面的圆角，提高螺纹的抗粘扣能力和连接强度。通过有限元分析，优化导向面和承载面圆角的螺纹，应力集中的现象得到明显改善，并且轴向应力主要集中在齿侧靠下的部分，明显降低了应力的最大值。
所述扭矩台肩为-15°的反向扭矩台肩。扭矩台肩对主密封有保护作用，可保证主密封能最大限度的发挥作用而不损坏。扭矩台肩还可以直接影响主密封面上的接触压力分布，从而影响接头的密封性能。接头上扣后，内外螺纹的扭矩台肩发生接触，产生较大的接触压力，使扭矩台肩本身就具有一定的辅助密封作用。经过试验证明：直角台肩上的接触压力随轴向载荷的增加而迅速降低，直至为零，而-15°扭矩台肩在接头受轴向拉伸载荷后，接触压力的下降明显低于直角台肩，说明在拉伸载荷作用下，逆向台肩的密封能力要优于直角台肩。
所述接箍的螺纹牙型高度略大于管体的螺纹牙型高度，上扣后螺纹过盈量为0.13mm～0.27mm。本发明专利中接箍螺纹牙型高度比管体螺纹牙型高度略大，通过优化螺纹中径，控制螺纹上紧的过盈量，提高螺纹的上扣完整性，同时螺纹过盈量选择API偏梯形螺纹过盈量的1/3～2/3，从而使密封面接触压力的大小、接头应力分布及密封的可靠性均达到最佳。
所述锥形内密封面与锥形外密封面的锥度为1:10；所述第一锥形内引导面锥度为1:16；所述第二锥形内引导面锥度为10°；所述外锥形面锥度为1:12；所述锥形扩展边沿锥度为10°。
所述接箍扭矩台肩和引导面之间设有过渡圆弧，过渡圆弧的半径为0.8mm。
所述接箍扭矩台肩处内径与管体端部内径结合处设计成平滑过渡，可以消除管内的油气紊流，提高接头的防腐蚀能力。
所述导流槽为管体表面对称分布的两条。
    由于本发明采用双头螺纹，接头上扣速度比常规单头螺纹提高一倍，同时在上扣过程中不易粘扣。本发明专利的密封结构设计在紧靠螺纹的位置，在下井过程中稳定结构能够对密封结构进行校正，保证密封结构能够完好接触。另外，在井下套管承受复合载荷时，稳定结构使套管的密封性能不会因承受载荷的变化而受到影响，始终保持高密封性能。
附图说明
图1为本发明的螺纹连接示意图；
图2为本发明的密封形式及稳定结构示意图；
图3为本发明的管体结构及导流槽位置示意图（图中仅画出上半部，下半部与其对称）；
图4为本发明的接箍结构示意图；
图5为图4中A的放大部分结构示意图；
图6为本发明的导流槽的B向分布示意图
图中：1、接箍，1-1、内螺纹，1-2、锥形内密封面，1-3、第一锥形内引导面，1-4、第二锥形内引导面，2、管体，2-1、外螺纹，2-2、锥形外密封面，2-3、外锥形面，2-4、锥形扩展边沿，3、扭矩台肩，4、导流槽。
具体实施方式
    下面结合附图和具体实例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
实施例1
一种HTHP油气井用特殊螺纹接头，包括管体2和接箍1，管体外设有锥形的外螺纹2-1和接箍内设有锥形的内螺纹1-1，在接箍内螺纹1-1的后端有锥度为d的锥形内密封面1-2，靠近锥形内密封面1-2的部位设计有锥度为d1的第一锥形内引导面1-3，靠近扭矩台肩的部位设计有锥度为d2的第二锥形内引导面1-4，第一锥形内引导面1-3和第二锥形内引导面1-4构成双锥度引导面。
在管体外螺纹2-1的后端有锥度为d的锥形外密封面2-2，锥形外密封面2-2后面为锥度为d'1的外锥形面2-3，d1小于d'1；外锥形面2-3与扭矩台肩之间加工有锥度为d2的锥形扩展边沿2-4，锥形扩展边沿2-4与接箍上锥度为d2的第二锥形内引导面1-4配合；在管体2的外锥形面2-3、锥形扩展边沿2-4和扭矩台肩3上加工有两条螺旋形的导流槽，即导流槽为连续的螺旋形结构，起始于管体的外锥形面2-3，经过管体的锥形扩展边沿2-4，终结于管体扭矩台肩的管内壁。两条导流槽在管体上呈对称分布（图6为由管体扭矩台肩向管体内侧方向的示意图），每条导流槽由外锥形面向扭矩台肩绕管体旋转半圈。管体2上的外锥形面2-3、锥形扩展边沿2-4、导流槽和接箍1上的第一锥形内引导面1-3和第二锥形内引导面1-4共同构成了该接头的稳定结构。
内螺纹1-1和外螺纹2-1上扣后，锥形内密封面1-2和锥形外密封面2-2产生过盈配合，过盈量为a。管体2上的导流槽将多余的螺纹脂挤出接头，消除上扣形成的螺纹脂压力，提高密封的稳定性。此外导流槽4在下井过程中能够排出接头内积聚的泥浆等污物。
实施例2
    以下以套管接头为例，给出一种具体的HTHP油气井用特殊螺纹接头，包括管体2（套管）和接箍1，管体2的尺寸为177.8mm×10.36mm，钢级N80Q，管体2的几何尺寸包括外径、壁厚等均采用API标准规定值，材料性能满足API标准要求。接箍1加工内螺纹1-1，套管2加工外螺纹2-1，接箍1和套管2的螺纹锥度为1:18，螺纹为改进型的偏梯形螺纹，螺纹承载面角为-3°，导向面角为15°。接箍1的螺纹牙型高度为1.782mm，管体2的螺纹牙型高度为1.575mm，上扣后螺纹过盈量为0.13mm～0.27mm。接箍1内螺纹后面有1:10的锥形内密封面1-2，靠近锥形内密封面1-2的位置设计有锥度为1:16的引导结构，即第一锥形内引导面1-3；第一锥形内引导面1-3后面为第二锥形内引导面1-4，锥度为10°；扭矩台肩为-15°的反向扭矩台肩3，扭矩台肩3和引导结构之间设有过渡圆弧R，过渡圆弧R的半径为0.8mm。管体2螺纹的后面是锥形外密封面2-2，锥形外密封面2-2密封面后面是锥度为1:12的外锥形面2-3，外锥形面2-3后面是锥度为10°的锥形扩展边沿2-4，在套管外锥形面2-3、锥形扩展边沿2-4和扭矩台肩上加工有两条螺旋形的导流槽。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明专利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。