一種雙級(jí)密封油套管特殊扣接頭的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型專利涉及石油鉆采設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及油套管的連接及密封技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]特殊螺紋接頭的研宄和開發(fā)，與石油工業(yè)尤其是鉆探技術(shù)的進(jìn)步密不可分。隨著油氣鉆探環(huán)境的日益苛刻，井的深度、壓力、溫度日益升高，隨之出現(xiàn)了深井、超深井、熱采井等特殊井況的油井。以往大量使用的API螺紋接頭的油井管在連接強(qiáng)度和密封性能方面很難滿足技術(shù)要求，這就迫使人們?nèi)ラ_發(fā)連接強(qiáng)度和密封性能更加可靠的特殊螺紋接頭的油套管。
[0003]目前國內(nèi)特殊井況的油井?dāng)?shù)量日益增多，非API標(biāo)準(zhǔn)的油套管的使用量逐漸增大。然而在油田的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中油管斷裂、油管泄漏和油管脫扣等事故時(shí)有發(fā)生，給油田帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。這其中，由于管間氣密封不嚴(yán)所造成的油田伴油氣的泄漏會(huì)帶來嚴(yán)重的事故隱患。這是因?yàn)椋谏罹?、超深井的油氣開采過程中，由于管間密封不嚴(yán)，泄漏的可燃?xì)怏w會(huì)沿著井壁或者地質(zhì)層薄弱的地方進(jìn)行擴(kuò)散和聚集，并在油井開采口或者遠(yuǎn)離油井的地質(zhì)薄弱地方形成突然噴發(fā)，如果遇到明火，還會(huì)引起燃燒或爆炸，更為可怕的是，泄漏氣體在地質(zhì)層的擴(kuò)散聚集地點(diǎn)往往不可預(yù)測，因此，這種由于管間氣密封不嚴(yán)所引起的氣體泄漏是絕對不允許的。
[0004]油管失效事故大多數(shù)發(fā)生在螺紋連接部及密封面處，大體分為下面幾種類型:(I)油管螺紋斷裂；⑵密封失效；⑶粘扣:⑷滑脫；(5)臺(tái)肩和螺紋表面擦傷；(6)疲勞破壞；(7)屈曲。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]本實(shí)用新型的目的是提供一種高效密封、高抗扭矩的接箍式油套管特殊扣接頭。
[0006]本實(shí)用新型基于以下原理而得到:從密封面高壓接觸方式來講，可以分為線接觸和面接觸兩種，這兩類接頭在相同的臨界密封壓力下，前者主密封過盈配合量設(shè)計(jì)的較高，后者則較低，這是他們主要的不同點(diǎn)。當(dāng)接觸點(diǎn)在軸向稍有偏移時(shí)，先接觸的過盈配合量可能略有變化，但仍有較高接觸壓力保證配合；當(dāng)內(nèi)外螺紋錐面公差匹配不好時(shí)，可能使接觸面寬度變小。另外，錐面/錐面密封結(jié)構(gòu)具有較高的接觸壓力，較長的密封長度，同時(shí)容易高精度加工。通過建立有限元模型，接頭單元選取平面單元，采用智能網(wǎng)格劃分，并對螺紋和主密封面處網(wǎng)格進(jìn)行加密細(xì)化，同時(shí)錐面/錐面密封采用面/面接觸單元建立接觸關(guān)系。錐面/錐面密封的有限元分析結(jié)果顯示:雖然密封面上接觸壓力很高，但是，接觸壓力在整個(gè)密封面上的分布很不均勻，靠近螺紋段接觸壓力很高，而靠近臺(tái)肩部分接觸壓力基本為零，說明靠近臺(tái)肩區(qū)域密封面并沒有完全接觸。本實(shí)用新型在密封面設(shè)計(jì)過程中通過增加球面/錐面密封的方式，以彌補(bǔ)單純的錐面/錐面密封的不足，增加接頭氣密封性能的穩(wěn)定性和可靠性。
[0007]本實(shí)用新型的技術(shù)方案是:包括接箍以及管體，所述接箍上依次設(shè)有扭矩臺(tái)肩和內(nèi)螺紋，所述管體設(shè)有外螺紋，且所述內(nèi)螺紋與外螺紋配合構(gòu)成螺紋連接，所述接箍在扭矩臺(tái)肩和內(nèi)螺紋之間依次設(shè)有錐度不同的兩級(jí)錐形密封面，所述管體的端部自前至后依次設(shè)有球形密封面和錐形密封面，且管體上的球形密封面和錐形密封面分別與所述接箍的兩級(jí)錐形密封面分別與構(gòu)成球面/錐面密封結(jié)構(gòu)和錐面/錐面密封結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型中螺紋部分主要承擔(dān)連接作用，接頭的密封功能由兩級(jí)密封結(jié)構(gòu)承擔(dān)。扭矩臺(tái)肩承擔(dān)主要的扭矩和接觸應(yīng)力，并同時(shí)起到輔助密封作用。
[0008]上述方案進(jìn)一步優(yōu)選為:
[0009]所述接箍以及管體上的螺紋形狀為偏梯形且二者構(gòu)成錐面螺紋配合，所述螺紋錐度為1:16、螺紋承載面角為-3°、螺紋導(dǎo)向面角為10°。改進(jìn)的偏梯形螺紋可以保持螺紋的連接強(qiáng)度，上述螺紋參數(shù)的設(shè)計(jì)不僅具有更高的連接強(qiáng)度和抗滑脫性能，還可防止套管倒扣松動(dòng)；本實(shí)用新型通過優(yōu)化導(dǎo)向面圓角和承載面的圓角，提高螺紋的抗粘扣能力和連接強(qiáng)度。通過有限元分析，優(yōu)化導(dǎo)向面和承載面圓角的螺紋，應(yīng)力集中的現(xiàn)象得到明顯改善，并且軸向應(yīng)力主要集中在齒側(cè)靠下的部分，明顯降低了應(yīng)力的最大值。
[0010]所述扭矩臺(tái)肩為-15°的反向扭矩臺(tái)肩。扭矩臺(tái)肩對主密封有保護(hù)作用，可保證主密封能最大限度的發(fā)揮作用而不損壞。扭矩臺(tái)肩還可以直接影響主密封面上的接觸壓力分布，從而影響接頭的密封性能。接頭上扣后，內(nèi)外螺紋的扭矩臺(tái)肩發(fā)生接觸，產(chǎn)生較大的接觸壓力，使扭矩臺(tái)肩本身就具有一定的輔助密封作用。經(jīng)過試驗(yàn)證明:直角臺(tái)肩上的接觸壓力隨軸向載荷的增加而迅速降低，直至為零，而-15°扭矩臺(tái)肩在接頭受軸向拉伸載荷后，接觸壓力的下降明顯低于直角臺(tái)肩，說明在拉伸載荷作用下，逆向臺(tái)肩的密封能力要優(yōu)于直角臺(tái)肩。
[0011]所述接箍螺紋牙型高度比管體螺紋牙型高度略大，通過優(yōu)化螺紋中徑，控制螺紋上緊的過盈量，提高螺紋的上扣完整性，同時(shí)螺紋過盈量選擇API偏梯形螺紋過盈量的1/3?2/3，從而使密封面接觸壓力的大小、接頭應(yīng)力分布及密封的可靠性均達(dá)到最佳。
[0012]所述接箍上的兩級(jí)錐形密封面的錐度分別為1:10和20°。
[0013]所述兩級(jí)錐形密封面之間的結(jié)合部、錐形密封面與扭矩臺(tái)肩結(jié)合部均為圓弧過渡，圓弧半徑分別為0.5mm和0.8mm。
[0014]所述接箍扭矩臺(tái)肩處內(nèi)徑與管體端部內(nèi)徑結(jié)合處設(shè)計(jì)成平滑過渡，可以消除管內(nèi)的油氣紊流，提高接頭的防腐蝕能力。
[0015]本實(shí)用新型在密封面設(shè)計(jì)過程中通過增加球面/錐面密封的方式，以彌補(bǔ)單純的錐面/錐面密封的不足，增加接頭氣密封性能的穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí)通過優(yōu)化螺紋的結(jié)構(gòu)，使其不僅具有更高的連接強(qiáng)度和抗滑脫性能，還可防止套管倒扣松動(dòng)。
【附圖說明】
[0016]圖1為本實(shí)用新型接頭示意圖；
[0017]圖2為本實(shí)用新型接箍示意圖；
[0018]圖3為圖2中A放