大膨脹率下膨脹管用快速上扣螺紋結(jié)構(gòu)及加工制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及范圍為石油天然氣工業(yè)鉆完井生產(chǎn)管柱連接螺紋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，特別設(shè)及 在套損補(bǔ)貼、地層封堵及裸眼完井中使用的一種大膨脹率膨脹管高密封并具備快速上扣能 力的螺紋接頭設(shè)計(jì)方法，W保證油氣井安全有效開(kāi)采。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著石油天然氣開(kāi)發(fā)的進(jìn)一步深入，鉆井深度越來(lái)越深開(kāi)發(fā)難度越來(lái)越大，同時(shí) 我國(guó)許多老油田進(jìn)入了開(kāi)發(fā)的后期，套損問(wèn)題日益嚴(yán)重，為了解決實(shí)際勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中所 遇到的困難，提高鉆采的速度，節(jié)約鉆井成本，實(shí)體膨脹管技術(shù)已經(jīng)被引入鉆完井過(guò)程中并 具有非常優(yōu)異的性能表現(xiàn)。
[0003] 實(shí)體膨脹管技術(shù)的基本原理就是將一種塑性良好的鋼管下到井下預(yù)訂的位置，通 過(guò)膨脹錐（膨脹錐的外徑大于鋼管的內(nèi)徑）在液壓力和/或機(jī)械力的作用下穿過(guò)膨脹管使 管材發(fā)生永久性的塑性變形達(dá)到擴(kuò)大管徑的目的。實(shí)體膨脹管之間是用螺紋梓接連接組成 管柱，因此螺紋是膨脹管管柱中的最薄弱環(huán)節(jié)，其結(jié)構(gòu)完整性、密封完整性和可靠性，嚴(yán)重 影響油田的安全生產(chǎn)和管柱壽命。由于實(shí)體膨脹管螺紋在使用過(guò)程中需要經(jīng)過(guò)一次擴(kuò)徑變 形，變形后需達(dá)到一定的密封和承載性能，對(duì)螺紋的密封性和完整性的要求更高，普通API 螺紋和一般的套管特殊螺紋結(jié)構(gòu)根本無(wú)法滿(mǎn)足需求。近年來(lái)出現(xiàn)了一些膨脹管螺紋結(jié)構(gòu)， 但是主要針對(duì)的是低膨脹率（15% W下），密封壓力也不高，導(dǎo)致無(wú)法在高膨脹變形率或?qū)?脹后密封性能要求高的工況下使用，大大的制約了膨脹管技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。目前隨著膨 脹管技術(shù)的進(jìn)步，特別是地層封堵和海洋用膨脹管技術(shù)的需求，對(duì)膨脹管的膨脹率及膨脹 后的密封性和結(jié)構(gòu)完整性提出更高要求，特別是海洋用實(shí)體膨脹管在海洋油氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中 對(duì)膨脹管下井的速度有較高的要求，如果采用常規(guī)的膨脹管螺紋設(shè)計(jì)上扣時(shí)間長(zhǎng)、效率低， 不能滿(mǎn)足緊急突發(fā)事故和修井需求，同時(shí)由于海上鉆井平臺(tái)每日運(yùn)行費(fèi)用高，提高上扣速 度能顯著的降低承辦，因此急需一種滿(mǎn)足大膨脹率下高密封能快速上扣的膨脹管特殊螺紋 接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決【背景技術(shù)】中所存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出一種大膨脹率高密封并具備 快速上扣能力的膨脹管螺紋接頭主要是為了滿(mǎn)足大膨脹率實(shí)體膨脹管應(yīng)用時(shí)高密封性需 求，采用單鉤型螺紋牙型和低錐度螺紋設(shè)計(jì)降低了大膨脹率下螺紋變形程度，通過(guò)優(yōu)化的 雙通道多級(jí)密封結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足螺紋接頭大膨脹率變形后（膨脹率10% - 35% )的高密封性能， 同時(shí)通過(guò)在螺距和牙型上的優(yōu)化設(shè)計(jì)提高對(duì)扣和上扣速度，實(shí)現(xiàn)螺紋的快速上扣，并且易 于加工檢測(cè)。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：大膨脹率下實(shí)體膨脹管用高密封性螺紋接頭，采用直 連型螺紋結(jié)構(gòu)，其特殊之處在于：
[0006] 所述螺紋接頭包括膨脹管母扣1、膨脹管公扣2 ;
[0007] 膨脹管母扣I由端部向內(nèi)依次設(shè)置有低錐度單鉤型母螺紋3、退刀槽5、柱面密封 段6、一級(jí)密封槽7和/或二級(jí)密封槽8、錐面密封段9 W及負(fù)角度扭矩臺(tái)肩10;膨脹管公 扣2由端部向內(nèi)依次設(shè)置有負(fù)角度扭矩臺(tái)肩10、錐面密封段9、柱面密封段6、單鉤型公螺紋 4;
[0008] 所述螺紋接頭采用雙通道多級(jí)密封結(jié)構(gòu)，具體是膨脹前=級(jí)密封結(jié)構(gòu)和膨脹后二 級(jí)密封結(jié)構(gòu)的雙通道密封形式；
[0009] 所述膨脹前=級(jí)密封結(jié)構(gòu)包括：
[0010] 所述膨脹管母扣1的柱面密封段6與膨脹管公扣2的柱面密封段6在膨脹前構(gòu)成 柱面對(duì)柱面一級(jí)密封結(jié)構(gòu)；
[0011] 所述膨脹管母扣1的錐面密封段9與膨脹管公扣2的錐面密封段9在膨脹前構(gòu)成 錐面對(duì)錐面二級(jí)密封結(jié)構(gòu)；
[0012] 所述膨脹管母扣1的負(fù)角度扭矩臺(tái)肩10與膨脹管公扣2的負(fù)角度扭矩臺(tái)肩10相 配合構(gòu)成膨脹前=級(jí)輔助密封結(jié)構(gòu)；
[0013] 所述單鉤型公螺紋4的螺紋螺距為每英寸3~4牙，其外螺紋的牙頂與螺紋的中 軸線平行；
[0014] 所述膨脹后二級(jí)密封結(jié)構(gòu)包括：
[0015] 所述膨脹管母扣1的一級(jí)密封槽7 W及設(shè)置在一級(jí)密封槽7內(nèi)的彈性密封膠或者 易焊接金屬與膨脹管公扣2的柱面密封段6構(gòu)成一級(jí)密封槽結(jié)構(gòu)；
[0016] 所述膨脹管母扣1的二級(jí)密封槽8 W及設(shè)置在二級(jí)密封槽8內(nèi)的抗暴0型密封圈 與膨脹管公扣2的錐面密封段9構(gòu)成二級(jí)密封槽結(jié)構(gòu)；
[0017] 所述一級(jí)密封槽7和二級(jí)密封槽8由端部向內(nèi)依次設(shè)置。
[0018] 上述膨脹管母扣1還包括由端部向內(nèi)依次設(shè)置且位于低錐度單鉤型母螺紋3外側(cè) 的端部臺(tái)肩12、端部柱面11;
[0019] 膨脹管公扣2還包括由端部向內(nèi)依次設(shè)置且位于單鉤型公螺紋4內(nèi)側(cè)的端部柱面 11、 端部臺(tái)肩12 ;
[0020] 所述膨脹管母扣1的端部臺(tái)肩12、端部柱面11分別與膨脹管公扣2的端部臺(tái)肩 12、 端部柱面11相匹配。
[0021] 上述錐面密封段9上設(shè)置有輔助密封弧面7A，所述膨脹管母扣1的一級(jí)密封槽7 W及設(shè)置在一級(jí)密封槽7內(nèi)的彈性密封膠或者易焊接金屬與膨脹管公扣2的輔助密封弧面 7A構(gòu)成一級(jí)密封槽結(jié)構(gòu)。
[0022] 上述單鉤型母螺紋3和單鉤型公螺紋4的錐度為1:16~1:26。
[0023] 上述錐面對(duì)錐面密封段中膨脹管母扣1的錐面密封段9與膨脹管公扣2的錐面密 封段9采用相同或不同的錐度。
[0024] 上述錐面對(duì)錐面密封段中膨脹管母扣1的錐面密封段9的錐度為1:8~1:16 ;所 述膨脹管公扣2的錐面密封段9的錐面錐度為1:6~1:16。
[00巧]上述單鉤型公螺紋4包括外螺紋，外螺紋的承載面12采用負(fù)角度結(jié)構(gòu)，承載面 12與管柱軸線的法線夾角為-1~-8°，外螺紋的導(dǎo)向面14與管柱軸線的法線夾角為 5~-30°;所述單鉤型母螺紋與單鉤型公螺紋相匹配；所述負(fù)角度扭矩臺(tái)肩的負(fù)角為8~ 15°;所述柱面對(duì)柱面密封段的過(guò)盈量為0.0 l~0. 4mm。
[00%] 大膨脹率下膨脹管用快速上扣螺紋結(jié)構(gòu)的加工方法，其特殊之處在于：包括公扣 的加工和母扣的加工； 陽(yáng)〇27] 加工母扣：
[0028] 1)首先使用粗車(chē)刀片加工端部臺(tái)肩12、整體螺紋錐面、柱面對(duì)柱面密封段6,錐面 對(duì)錐面密封段9和負(fù)角度扭矩臺(tái)肩10,使整體螺紋錐面角度與螺紋錐度相同；在粗加工柱 面對(duì)柱面密封段6,錐面對(duì)錐面密封段9和負(fù)角度扭矩臺(tái)肩10時(shí)留0. 1 -0. 4mm的精加工余 量；
[0029] 2)使用精車(chē)刀片依次加工柱面對(duì)柱面密封段6,錐面對(duì)錐面密封段9及負(fù)角度扭 矩臺(tái)肩10到要求的尺寸，使用槽刀加工退刀槽5、一級(jí)密封槽結(jié)構(gòu)7和二級(jí)密封槽結(jié)構(gòu)8 ;
[0030] 3)使用螺紋成形梳刀用螺紋所設(shè)計(jì)的螺距加工螺紋，最后倒毛刺并打磨起始扣和 最后一點(diǎn)螺紋部分的毛刺，并檢驗(yàn)螺紋參數(shù)； 陽(yáng)03U 加工公扣：
[0032] 4)首先使用粗車(chē)刀片加工端部臺(tái)肩12、整體螺紋錐面、柱面對(duì)柱面密封段6,錐面 對(duì)錐面密封段9和負(fù)角度扭矩臺(tái)肩10,整體螺紋錐面角度與螺紋錐度相同；粗加工時(shí)預(yù)留 0. 1-0. 2mm的加工余量；
[0033] 5)使用螺紋成形梳刀用螺紋所設(shè)計(jì)的螺距加工螺紋，最后使用精車(chē)刀片依次加工 柱面對(duì)柱面密封段6,錐面對(duì)錐面密封段9及負(fù)角度扭矩臺(tái)肩10到要求的尺寸，倒毛刺并打 磨起始扣和最后一點(diǎn)螺紋部分的毛刺，并檢驗(yàn)螺紋參數(shù)。
[0034] 粗車(chē)時(shí)數(shù)控機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速300-40化/min,進(jìn)給量為0.5-lmm/r;精車(chē)時(shí)數(shù)控機(jī)床 主軸轉(zhuǎn)速350-40化/min,進(jìn)給量為0. 1-0. 2mm/r ;加工螺紋時(shí)主軸轉(zhuǎn)速為250-35化/min,每 英寸4牙進(jìn)給量為6. 35mm/r，每英寸3牙進(jìn)給量為8. 467mm/r ;加工退刀槽及密封槽結(jié)構(gòu) 時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速為200-300r/min，進(jìn)給量為0. 1-0. 2mm/r。
[0035] 本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)：通過(guò)合理的低錐度單鉤型螺紋設(shè)計(jì)，保證了螺紋有足夠的厚度來(lái)保 持強(qiáng)度同時(shí)大大改善螺紋在大膨脹率變形中的扭曲程度，提高螺紋的承載能力和密封性， 在密封面設(shè)計(jì)中采用雙通道多級(jí)密封結(jié)構(gòu)，通過(guò)設(shè)計(jì)膨脹前=級(jí)密封結(jié)構(gòu)和膨脹后二級(jí)密 封結(jié)構(gòu)雙通道密封形式，滿(mǎn)足螺紋接頭經(jīng)過(guò)大膨脹率變形（膨脹率10% - 35% )后對(duì)高密 封性和高承載能力的要求，并且密封結(jié)構(gòu)和密封能力在膨脹管柱收到拉伸和壓縮載荷時(shí)不 受影響，極大的提高了螺紋接頭的膨脹率和密封性能。
[0036] 在螺紋牙型設(shè)計(jì)上通過(guò)采用螺紋的牙頂和的牙底低均與螺紋的中軸線平行的設(shè) 計(jì)，運(yùn)種設(shè)計(jì)能顯著提高對(duì)扣的深度和準(zhǔn)確度，同時(shí)在在螺距的設(shè)計(jì)上采用大螺距的設(shè)計(jì) 使得螺紋的上扣速度顯著提高，通過(guò)兩種方法的結(jié)合，可W減少對(duì)扣時(shí)間，實(shí)現(xiàn)螺紋的快速 上扣，提高膨脹管螺紋在應(yīng)用時(shí)的上扣效率。
[0037] 同時(shí)在錐面對(duì)錐面密封段中公扣端錐面和母扣端錐面可采用不同的錐度W控制 過(guò)盈點(diǎn)位置和最大密封接觸壓力，改善螺紋的抗粘扣性能，防止因損傷造成的螺紋密封失 效?？筛鶕?jù)工況要求在膨脹后二級(jí)密封結(jié)構(gòu)中可選用任何一種密封槽或者全部二級(jí)結(jié)構(gòu)， 結(jié)構(gòu)靈活，便于提高加工檢測(cè)效率和降低成本。
【附圖說(shuō)明】
[0038] 圖1 (a)、圖1化）是大膨脹率實(shí)體膨脹管用高密封能力的螺紋接頭結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039] 圖2是本發(fā)明螺紋接頭膨