专利名称：气井用套管气密封螺纹接头的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种天然气井用套管螺纹接头，尤其涉及一种可实现高温高压气井安全开采的套管特殊螺纹接头。
背景技术：
石油天然气开发中，所采用的套管是由螺纹拧接连接组成的套管柱，螺纹是管柱中的最薄弱环节，其结构完整性、密封完整性和可靠性，严重影响油田的安全生产和管柱寿命。国内外气密封特殊螺纹主要扣型是VAM、3SB、NSCC、BGC、WSP、TPCQ、APIBC扣等。气田具有高温、高压含腐蚀介质等特点，由于气套管螺纹接头在完井施工的不同阶段，在井下承受拉伸、压缩，内压和外压及弯曲复合载荷的作用，极易发生失效。目前在高温高压井中已使用的部分气套管发生了粘扣和气体泄漏现象，对起出的气套管接头观察， 与流体直接接触的丝扣连接部位发生的腐蚀数量最多，其次为台肩部位。因此，为确保高温高压井的安全开发，需要高性能的特殊螺纹接头气套管。针对高温、高压含腐蚀介质气井，目前主要采取的气密封技术措施是采用金属/ 金属密封和扭矩台肩配合，一般为两级台肩一级主密封，密封结构有球面/曲面、锥面/锥面、球面/锥面、柱面/柱面、球面/柱面；台肩一般采用90°扭矩台肩、-15°扭矩台肩和-20°扭矩台肩。现有气密封技术存在的主要问题1.锥面/锥面、柱面/对柱面密封具有接触压力峰值高、接触长度长、平均接触压力低的特点，所以存在易粘扣的技术问题。2.球面/锥面、球面/柱面密封具有接触压力峰值低、接触长度低、平均接触压力高的特点，所以存在密封不稳定的技术问题。3.采用90°扭矩台肩，在拉伸载荷下台肩易分离。4.采用-15°扭矩台肩和-20°扭矩台肩，压缩载荷下台肩易发生剪切断裂失效。5、现有各种气密封均容易出现台肩腐蚀现象，造成密封泄漏。
发明内容为了解决现有气井管柱气密封螺纹接头容易出现粘扣、密封不稳、台肩失效、台肩腐蚀泄露等技术问题，本实用新型提出了一种气井用套管气密封螺纹接头。本实用新型的技术解决方案是一种气井用套管气密封螺纹接头，包括螺纹接头、设置在螺纹接头间的扭矩台肩1 和主密封，其特殊之处在于所述主密封包括靠近扭矩台肩1的第一密封2和靠近螺纹接头的第二密封3 ；所述第一密封为锥面/锥面密封结构，所述第二密封为锥面/球面密封结构；所述扭矩台肩为-4. 5° -5. 5°扭矩台肩。上述扭矩台肩为-5°扭矩台肩。[0016]上述第一密封的锥面的锥度为1 6 1 12，所述第二密封的锥面的锥度与第一密封的锥面相等；所述第二密封的球面的圆弧R半径为60 90mm。上述主密封长度H为3 6mm ；所述扭矩台肩宽度L为4 6mm。上述接头螺纹为API偏梯形螺纹。上述API偏梯形螺纹的螺纹导向面角度Ci1为10° 45° ；螺纹承载面角度α 2 为 3° -30°。本实用新型所具有的有益效果1、本实用新型采用-5°扭矩台肩和两级密封的结构形式，-5°扭矩台肩具有抗过扭矩和抗压缩的作用，两级密封可防止粘扣及保证密封完整性，从而保证上扣后台肩具有较低的复合应力/接触应力，可预防台肩的应力腐蚀和抗压缩失效问题。锥面/锥面和锥面/球面两级密封，可保证在复合载荷(内压和拉伸载荷)作用下具有良好的密封完整性， 明显优于目前采用的单级密封结构。2、本实用新型特殊螺纹接头套管可满足高温、高压含腐蚀介质等苛刻工况复合载荷的需要，具有抗粘扣和过扭矩的性能、复合载荷下连接和密封性能、连接处内壁具有低复合应力。压缩效率(40% )和拉伸达到等管体，在VME = 95%材料屈服强度包络线载荷条件下不发生泄漏，确保套管柱的结构和密封完整性。3、本实用新型可用于高温、高压气井深井、超深井、定向井和水平井。
图1为本实用新型结构示意图；图2为本实用新型各部分的关系示意图；图3为上扣后的密封面及台肩面应力分布图；图4为内压作用下密封面及台肩面应力分布图；图5为内压(73MPa)加拉伸至失效时流体穿透密封的长度示意图；图6为复合载荷气密封试验加载点示意图；附图标记为1_扭矩台肩；2-第一密封；3-第二密封；4-储油退刀槽；5-螺纹承载面；6_螺纹导向面；α C1-扭矩台肩倾角；Ci1-螺纹导向面角度；Ci2-螺纹承载面角度； H-主密封长度；R-第二密封的球面的圆弧半径；L-扭矩台肩宽度；H-储油退刀槽高度。
具体实施方式
本实用新型螺纹接头是由-5°角扭矩台肩、两级主密封面(锥面\锥面、锥面\球面)、储油和退刀槽、螺纹面组成。台肩逆向角度为-5° ；螺纹导向面角度为10° 45° ； 螺纹承载面角度为3° -30° ；主密封长度为3mm 6mm，锥度为1 6 1 12 ；主密封圆弧半径为60mm 90mm ；主密封台肩宽度4mm 6mm ；储油退刀槽高度为6mm 11mm。本实用新型的接头螺纹以API偏梯形螺纹为基础，调整内外螺纹的中径就可以完成，而不需改变内外接头螺纹的其余参数。本实用新型各部分的功能1、扭矩台肩上扣定位，抗过扭矩，降低台肩处应力集中；2、第一密封(锥面/锥面)增加密封接触长度及稳定性；
4[0036]3、第二密封(锥面/球面)在复合载荷作用下，保持密封接触压力；4、储油及退刀槽功能储存多余螺纹脂及内螺纹加工退刀；5、承载面(角度α 2小于3° )功能提高抗拉伸和弯曲的能力；6、导向面(角度α i大于10° )功能保证上扣不粘扣。本实用新型可根据具体工况的要求，选用不同规格的该特殊螺纹套管。加工时，首先加工内外螺纹密封面，然后加工扭矩台肩，最后再加工螺纹结构。接箍与管体同钢级，内螺纹镀铜或磷化层20um厚，外螺纹表面可喷丸硬化。上扣时两端均勻涂抹API螺纹脂，夹持接箍，工厂端采用最大扭矩上扣，现场端采用最佳扭矩上扣。本实用新型技术效果验证本实用新型设计采用有限元分析和实物试验验证，表明在上扣、内压及拉伸载荷作用下，该螺纹结构形式具有良好的密封性能和降低台肩应力的作用。对规格139. 7X9. 17mm N80的套管进行力学分析，有限元分析结果见图3至图5 所示，上卸扣试验结果经3次上扣、3次卸扣和1次过扭矩试验均无粘扣发生，上扣扭矩规定见表1。在VME = 85%复合载荷包络线及热循环条件下下无泄漏发生，拉伸失效载荷达到等管体要求。表1上扣扭矩(N/m)
权利要求1.一种气井用套管气密封螺纹接头，包括螺纹接头、设置在螺纹接头间的扭矩台肩 (1)和主密封，其特征在于所述主密封包括靠近扭矩台肩(1)的第一密封(2)和靠近螺纹接头的第二密封(3)；所述第一密封为锥面/锥面密封结构，所述第二密封为锥面/球面密封结构；所述扭矩台肩为-4. 5° -5. 5°扭矩台肩。
2.根据权利要求1所述的气井用套管气密封螺纹接头，其特征在于所述扭矩台肩为-5°扭矩台肩。
3.根据权利要求1或2所述的气井用套管气密封螺纹接头，其特征在于所述第一密封的锥面的锥度为1 6 1 12，所述第二密封的锥面的锥度与第一密封的锥面相等； 所述第二密封的球面的圆弧R半径为60 90mm。
4.根据权利要求3所述的气井用套管气密封螺纹接头，其特征在于所述主密封长度H 为3 6mm ；所述扭矩台肩宽度L为4 6mm。
5.根据权利要求3所述的气井用套管气密封螺纹接头，其特征在于所述接头螺纹为 API偏梯形螺纹。
6.根据权利要求5所述的气井用套管气密封螺纹接头，其特征在于所述API偏梯形螺纹的螺纹导向面角度α工为10° 45° ；螺纹承载面角度α 2为3° -30°。
专利摘要本实用新型涉及气井用套管气密封螺纹接头，包括螺纹接头、设置在螺纹接头间的扭矩台肩和主密封，主密封包括靠近扭矩台肩的第一密封和靠近螺纹接头的第二密封；第一密封为锥面/锥面密封结构，第二密封为锥面/球面密封结构；所述扭矩台肩为-4.5°～-5.5°扭矩台肩。本实用新型解决了现有气井管柱气密封螺纹接头容易出现粘扣、密封不稳、台肩失效、台肩腐蚀泄露等技术问题，本实用新型具有良好的密封完整性，能够确保套管柱的结构和密封完整性。
文档编号E21B17/08GK201982024SQ20112003792
公开日2011年9月21日 申请日期2011年2月15日 优先权日2010年12月8日
发明者冯耀荣, 刘文红, 宋生印, 易晓明, 杨力能, 杨龙, 王建东, 秦长毅 申请人:中国石油集团石油管工程技术研究院, 西安三环科技开发总公司