一种页岩气井用高性能金属自密封特殊螺纹接头的制作方法

本发明属于石油勘探开发用油套管螺纹连接接头技术领域，具体涉及一种页岩气井用高性能金属自密封特殊螺纹接头。

背景技术：

近年来，随着天然气生产和消费速度的加快，我国加大了对页岩气等非常规天然气的开发力度，开始实现由常规天然气向非常规天然气的转变。我国页岩气储量丰富，开采难度大，工艺复杂。致使对油套管的综合性能提出了更高的要求，尤其是套管螺纹连接接头，要求具有优异压缩性能、拉伸强度、密封性能、弯曲性能、抗粘扣、抗高温和抗扭矩等，而普通的api螺纹和经济型特殊螺纹难以满足使用要求，为此，国内制管企业针对现场使用要求纷纷致力于开发适用于页岩气井高性能特殊螺纹接头套管。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种页岩气井用高性能金属自密封特殊螺纹接头，其接头综合性能优异，具备高抗压缩、高连接强度、高密封、高抗弯曲、高抗粘扣及高抗扭矩等，同时具有结构简单、易于加工、上扣顺畅及定位准确等特点，能够解决页岩气井开发要求螺纹连接的可靠性和密封结构完整性。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：一种页岩气井用高性能金属自密封特殊螺纹接头，包括接箍和与接箍配合的管体，接箍沿轴线方向依次设置有内螺纹、退刀槽、接箍内密封锥面、接箍抗扭矩台肩、接箍中孔；管体沿轴线方向依次设置有外螺纹、外螺纹过度面、圆锥过度面、管体外密封锥面、管体抗扭矩端面、管端内平圆柱面、管端内平圆锥面；接箍和管体螺纹连接后，接箍内密封锥面与管体外密封锥面金属过盈接触，接箍抗扭矩台肩与管体抗扭矩端面金属过盈接触，内螺纹齿顶与外螺纹齿底金属过盈接触，内螺纹齿底与外螺纹齿顶分离，内螺纹导向面与外螺纹导向面分离，内螺纹承载面与外螺纹承载面金属接触，退刀槽与圆锥过度面形成储油槽。

本发明的有益效果在于：

1、接箍抗扭矩台肩与管体抗扭矩端面均为负角度，保证了上扣定位的准确性，同时接箍抗扭矩台肩与管体抗扭矩端面金属过盈接触具有辅助密封作用。

2、本发明采用了圆锥面/圆锥面的金属过盈密封结构，可保证密封过盈长度在3-6mm范围内，同时可保证密封过盈长度范围内过盈量为0.2-1mm均匀，增大的密封过盈长度可有效提高螺纹接头在拉伸、压缩、弯曲、内压等复合载荷下密封性能的安全可靠性，同时大锥度密封面可减少在上扣过程中密封面相互摩擦对密封性能的影响。

3、内螺纹与外螺纹均为小锥度圆锥螺纹，相比其他大锥度螺纹，可以增加完整螺纹的长度，同时内、外螺纹承载面均采用负角度，大大增强了螺纹的连接强度。

4、内螺纹齿底与外螺纹齿顶分离，有利于多余螺纹脂在螺纹内部的流动，降低上扣过程中螺纹脂内部压力；内螺纹采用组合导向面与外螺纹导向面相适配，有利于增大螺纹内部间隙，大大提高抗粘扣性能，同时具有易引扣，现场操作方便等特点。

5、接箍内螺纹收尾处设置退刀槽，方便使用多齿刀加工工艺，提高加工效率；退刀槽与圆锥过度面形成储油槽，具有储存多余螺纹脂功能。

附图说明

图1是本发明接箍母扣接头与管体公扣接头配合示意图；

图2是密封配合局部放大示意图；

图3是接箍结构示意图；

图4是接箍结构密封部分局部放大示意图；

图5是管体结构示意图；

图6是管体结构密封部分局部放大示意图；

图7是内螺纹牙型图；

图8是外螺纹牙型图。

附图标记说明：1-接箍，2-管体，3-内螺纹，4-退刀槽，5-接箍内密封锥面，6-接箍抗扭矩台肩，7-接箍中孔，8-外螺纹，9-外螺纹过度面，10-圆锥过度面，11-管体外密封锥面，12-管体抗扭矩端面，13-管端内平圆柱面，14-管端内平圆锥面，15-储油槽，h-内螺纹齿高、a1-内螺纹齿槽、a2-内螺纹齿厚、γ1-第一导向面角度、γ2-第二导向面角度、h-第二导向面高度、θ1-内螺纹承载面负角度、h1-外螺纹齿高、c2-外螺纹齿槽、c1-外螺纹齿厚、γ3-外螺纹导向面角度、θ2-外螺纹承载面负角度、l-过盈长度、δ1-过盈量、β-锥角、-台肩负角度、-端面负角度、α-圆锥锥角。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1至图6，一种页岩气井用高性能金属自密封特殊螺纹接头，包括接箍1和与接箍1配合的管体2，接箍沿轴线方向依次设置有内螺纹3、退刀槽4、接箍内密封锥面5、接箍抗扭矩台肩6、接箍中孔7；管体2沿轴线方向依次设置有外螺纹8、外螺纹过度面9、圆锥过度面10、管体外密封锥面11、管体抗扭矩端面12、管端内平圆柱面13、管端内平圆锥面14；接箍1和管体2螺纹连接后，接箍内密封锥面5与管体外密封锥面11金属过盈接触，接箍抗扭矩台肩6与管体抗扭矩端面12金属过盈接触，内螺纹3齿顶与外螺纹8齿底金属过盈接触，内螺纹3齿底与外螺纹8齿顶分离，内螺纹3导向面与外螺纹8导向面分离，内螺纹3承载面与外螺纹8承载面金属接触，退刀槽4与圆锥过度面10形成储油槽15。

如图7所示，本发明的内螺纹3牙型为耦合偏梯形螺纹，包括齿顶、齿底、导向面、承载面、内螺纹齿高h、内螺纹齿槽a1、内螺纹齿厚a2，齿顶与齿底平行于接箍1中心轴线；导向面为双角度组合导向面，第一导向面角度γ1为10°-13°，第二导向面角度γ2为30°-40°，第二导向面高度h为内螺纹齿高h的1/3-1/2；内螺纹承载面负角度θ1为1°-3°；内螺纹齿高h范围为1.6mm-1.85mm；内螺纹齿槽a1与内螺纹齿厚a2之差为0.1mm-0.2mm。

如图8所示，本发明的外螺纹8牙型为偏梯形，包括齿顶、齿底、导向面、承载面、外螺纹齿高h1、外螺纹齿槽c2、外螺纹齿厚c1，齿顶与齿底平行于管体2中心轴线；外螺纹导向面角度γ3为10°-13°；外螺纹承载面负角度θ2为1°～3°；外螺纹齿高h1范围为1.5mm-1.75mm；外螺纹齿槽c2与外螺纹齿厚c1之差为0.05m～0.15mm。本发明内、外螺纹均采用小锥度圆锥螺纹，锥度为1:18，每英寸5牙，内螺纹表面进行磷化或者镀铜处理，可以提高螺纹和密封面的抗粘扣性能。螺纹连接前，内、外螺纹均涂抹螺纹脂，可进一步提高螺纹表面的抗粘扣性能和密封性能；螺纹连接后，内螺纹3齿顶与外螺纹8齿底金属过盈接触范围为0.05mm-0.2mm，内螺纹3齿底与外螺纹8齿顶相互分离，内、外螺纹导向面相互分离，内、外螺纹牙型相互啮合，形成本发明的第一道密封。

如图1、图2所示，接箍内密封锥面5与管体外密封锥面11均为大锥度圆锥面，锥度范围均为1:2.5-1:2，接箍内密封锥面5长度为6mm-12mm，管体外密封锥面11长度为3mm-6mm；内螺纹3与外螺纹8螺纹连接后，接箍内密封锥面5与管体外密封锥面11金属过盈接触，过盈长度l范围为3mm-6mm，过盈量δ1范围为0.2mm-1mm。本发明螺纹接头采用了大锥度圆锥面/圆锥面的金属过盈密封结构，螺纹连接后，可以同时保证密封接触长度和密封接触长度范围内的接触压力均匀分布，增大的密封过盈长度l为3mm-6mm，可降低接头在拉伸、压缩、弯曲、内压、冲击等复合载荷作用下对接头密封性能的影响，同时大锥度密封面可以减少在上扣过程中内、外密封面相互摩擦对密封性能的影响。该接头内、外密封锥面相互过盈接触形成了本发明的第二道密封，也是该接头结构的主密封。

参见图1至图6，本发明的接箍1退刀槽4长度为5.08mm-10.16mm，深度为1mm-2mm，可用多齿刀螺纹加工，提高加工效率，此外上扣后，退刀槽4与圆锥过度面10配合，形成储油槽，具有储存多余螺纹脂功能；管体2圆锥过度面10的锥度范围为1:18-1:20，外螺纹过度面9的锥角β范围为60°-65°，可避免外螺纹加工干涉。

参见图1至图6，接箍抗扭矩台肩6与管体抗扭矩端面12均为负角度，台肩负角度与端面负角度度数相同，范围均为13°-15°，该结构可以保证上扣的位置精度和接头的抗压缩性能，同时由于上扣后接箍抗扭矩台肩6和管体抗扭矩端面12金属过盈接触，可以起到辅助密封的作用，是本发明的第三道密封。管体抗扭矩端面12与管体外密封锥面11采用圆弧过度，圆弧半径为1mm-1.5mm，管体外密封锥面11与圆锥过度面9采用圆弧过度；接箍抗扭矩台肩6与接箍内密封锥面5采用圆弧过度，圆弧半径为0.6mm-1mm，接箍内密封锥面5与退刀槽4采用圆弧过度。管体2管端内平圆柱面13长度为3mm-6mm，管端内平圆锥面14圆锥锥角α为5°-10°。