一种页岩气井用套管气密封螺纹接头的制作方法

【技术领域】

本实用新型属于螺纹接头技术领域，具体涉及一种页岩气井用套管气密封螺纹接头。

背景技术：

我国页岩气开发具有低成本控制、长距离水平井、井身大狗腿度、高压大排量多级压裂、套管作业和完井等特点。套管服役全周期承受下入时的旋转弯曲与反复上提下放、压裂时的反复液体高内压循环及地层非均匀外压和剪切载荷、投产过程长期气体低内压作用。页岩气井对套管特殊螺纹提出了兼顾经济性的综合高性能要求：抗粘扣、高抗扭转、高抗压缩、抗非均匀外压及剪切、抗疲劳、高压水/低压气密封性能。金属-金属主密封结构、牙型与牙侧间隙、台肩角度与密封面干涉量等螺纹关键参数需要做针对性的优化设计。目前应用于页岩气井的套管特殊螺纹各分项性能指标或过剩或不足，工况适用性差、成本居高不下，不能满足页岩气安全高效开发的工程需求。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种页岩气井用套管气密封特殊螺纹接头；该接头替代现有的套管特殊螺纹，针对页岩气井钻井、下套管、体积压裂和投产工况特点，体现抗粘扣、高抗扭转、高抗压缩、抗非均匀外压及剪切、抗疲劳、高压水/低压气密封性能等综合高性能特点。

为达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案予以实现：

一种页岩气井用套管气密封螺纹接头，包括同轴的套管接箍和套管，套管接箍套装在套管外，二者螺纹配合；沿套管的轴向，套管接箍和套管的接触部分为依次连接的第一接触部分、第二接触部分和第三接触部分；第二接触部分中，套管的外螺纹承载面和套管径向之间的夹角为-3°，套管的外螺纹导向面和套管径向之间的夹角为12°。

本实用新型的进一步改进在于：

优选的，第一接触部分中，套管外螺纹的牙顶与套管接箍内螺纹的齿底之间设置有第一牙顶间隙；第二接触部分中，套管外螺纹的牙顶与套管接箍内螺纹的齿底之间设置有第二牙顶间隙，第一牙顶间隙的宽度大于第二牙顶间隙的宽度。

优选的，第二牙顶间隙的宽度范围为0.05mm～0.2mm。

优选的，套管的外螺纹导向面与套管接箍的内螺纹导向面之间设置有牙侧间隙。

优选的，牙侧间隙的宽度范围为0.02mm～0.1mm。

优选的，第三接触部分中，套管接箍包括依次连接的完整螺纹段、部分牙槽、过渡段和锥面段，套管包括依次连接的倾斜平面段和弧面段；倾斜平面段和完整螺纹段接触，弧面段同时和部分牙槽、过渡段及锥面段配合。

优选的，弧面段和部分牙槽之间设置有缝隙，弧面段和过渡段之间设置有缝隙。

优选的，沿套管的轴线方向，部分牙槽和过渡段的长度之和为0.8～1.5倍的螺距。

优选的，弧面段和锥面段接触，二者形成弧面-锥面金属的径向干涉密封结构。

优选的，套管和套管接箍啮合的底端接触面为台肩面，台肩面和套管径向之间的夹角为-4°～-10°。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型公开了一种页岩气井用套管气密封螺纹接头，该接头采用了小负角度承载面，提高螺纹牙抗拉伸性能，适于页岩气井长距离水平及大狗腿度井眼套管下入过程上提操作，适于我国页岩气藏埋藏较深的特点；螺纹牙型采用了低正角度导向面，易于螺纹对扣、上扣，具有抗粘扣优点，同时兼顾了增加螺纹抗压缩载荷作用，适于页岩气井长距离水平及大狗腿度井眼套管下入过程下压操作。

进一步的，无论是第一接触部分还是第二接触部分，齿顶和齿底之间均设置有间隙，且导向面之间也设置有间隙，大的间隙能够有效的降低外螺纹牙载荷，减小螺纹牙变形量，提升抗粘扣性能。

进一步的，在第三节接触部分中，根据装配的要求，套管接箍分为四个部分，套管分为两个部分，且各自相匹配，已形成不同的对应结构。

进一步的，弧面段和部分牙槽及过渡段之间均设置缝隙，且限定了部分牙槽和过渡段共同的长度，方便储存上扣螺纹脂，螺纹加工退刀，并提高了接箍危险截面的承载面积。

进一步的，弧面段和锥面段相接触，形成紧密的密封结构，提高密封性能，形成高斯分布密封接触压力，并使得密封接触部位远离台肩，降低上扣过程的机械碰伤风险，在复合载荷作用下保持密封接触压力和宽度，提高页岩气井压裂载荷循环及非均匀外挤、剪切载荷条件的水密封性能，满足页岩气井生产阶段的气密封性能要求。

进一步的，采用低负角度台肩，保证螺纹接头机械性能，控制鼻端变形，并降低应力集中，提高接头抗压缩性能，兼顾接头密封稳健性，便于上扣位置控制及提高抗过扭矩性能，易于清洗。

【附图说明】

图1为本实用新型的螺纹接头剖面结构示意图；

图2是本实用新型的螺纹接头的螺纹及密封形式示意图；

图3为上扣安装后螺纹接头密封及台肩结构的等效应力分布云图。

其中：1-套管接箍；2-套管；3-部分牙槽；4-径向干涉密封结构；5-台肩面；6-外螺纹承载面；7-外螺纹导向面；8-第二牙顶间隙；9-牙侧间隙；10-第一接触部分；11-第二接触部分；12-第三接触部分；13-内螺纹导向面；14-第一牙顶间隙；15-倾斜平面段；16-弧面段；17-完整螺纹段；18-过渡段；19-锥面段。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细描述。

参见图1，本实用新型公开了一种页岩气井用套管气密封螺纹接头；该螺纹接头包括套管接箍1和套管2，套管接箍1和套管2均为钢制套管接头；沿着套管2的轴向，套管接箍1和套管2根据接触的不同程度分为三个部分，依次为第一接触部分10、第二接触部分11和第三接触部分12；所述第一接触部分10中套管2的外表面逐渐出现外螺纹13，外螺纹13的牙底逐渐变深，因此在该部分套管接箍1的内螺纹和套管2的外螺纹并没有完全啮合，第一接触部分10中外螺纹的牙顶与内螺纹的齿底之间设置有第一牙顶间隙14；第二接触部分11中套管接箍1的内螺纹和套管2的外螺纹完全接触，第二接触部分11中每一个外螺纹的外螺纹承载面6和套管2的径向之间的夹角为-3°，每一个外螺纹的外螺纹导向面7和套管2的径向之间的夹角为12°，螺纹导向面7的螺纹牙型，能够提高螺纹抗拉伸性能，兼顾螺纹上扣平顺性和抗压缩性能。第二接触接触部分11中套管接箍1内螺纹的齿底和套管2外螺纹的牙顶之间设置有第二牙顶间隙8，套管2的外螺纹导向面7和套管接箍1的内螺纹导向面13之间设置有牙侧间隙9，第二牙顶间隙8的范围为0.05mm～0.2mm，牙侧间隙9的范围为0.02mm～0.1mm；参见图1可以看出，第一牙顶间隙14的宽度逐渐减小，但是第一牙顶间隙14的宽度始终大于第二牙顶间隙8；该部分的公扣牙顶大间隙结构提高上扣顺畅性，有效保护外螺纹螺牙。

参加图2，沿着套管2的轴向，第三接触部分12中的套管2包括依次固定连接的倾斜平面段15和弧面段16，套管接箍1的第三接触部分12包括依次连接的完整螺纹段17、部分牙槽3、过渡段18和锥面段19。其中，倾斜平面段15和完整螺纹段17相配合，因为倾斜平面段15为相对于套管2轴线倾斜，因此完整螺纹段17的牙槽有部分和倾斜平面段15接触，完整螺纹段17牙顶有部分和倾斜平面端17接触；弧面段16和部分牙槽3、过渡段18和锥面段19配合，因为倾斜平面段17相对于套管2轴线倾斜，使得弧面段16和上述套管接箍1之间有缝隙，即部分牙槽3、过渡段18这两部分沿套管2的径向，均和弧面段16之间有缝隙，这一缝隙使得该部分具有退刀和螺纹脂储存功能，部分牙槽3和过渡段18的长度之和为0.8～1.5倍螺距；过渡段12包括部分牙顶和倾斜段，倾斜段和锥面段19连接，锥面段19和弧面段16紧密接触，且形成弧面-锥面金属的径向干涉密封结构4，此处的锥面段19指套管接箍1这一部分的平面相对于套管2的轴线倾斜，形成一个锥面段19，而弧面段16为半径较大的圆，使得锥面段19和弧面段16接触的部分形成密封面。

套管2和套管接箍1最终的啮合的底端面为台肩面5，台肩面5采用低负角度台肩结构，此处的低负角度具体为-4°～-10°；此处的低负角度为台肩的接触面和套管2径向之间的夹角。

本实用新型中，公扣齿顶大间隙结构提高上扣顺畅性，有效保护外螺纹螺牙。不完整螺纹牙槽有效保证密封部位螺纹脂合理分布，兼顾螺纹加工退刀，并提高接箍危险截面面积。弧面-锥面金属密封面实现高斯型接触压力分布，提高密封面抗粘扣性，降低上扣密封面机械损伤风险，并保证接头在拉伸、弯曲及非均匀载荷状态下的密封性能。低负角度台肩加工便捷，有效控制螺纹鼻端变形，提高密封面密封稳健性，提高抗过扭性能，便于螺纹清洗。接头内表面相平保证接头部位管体内部流体流态稳定，提高抗冲蚀性能。进一步的，套管外螺纹与套管内螺纹的管体对接口处设置有扩张的锥面，与接箍内表面交界处平齐，提高接头内表面抗流体冲蚀性能。

该特殊螺纹接头可适应选择不同外径、壁厚及钢级的套管，采用数控机床加工，套管接箍1的内螺纹涂镀层厚度控制在15～25um范围。上扣时两端均匀涂抹通用套管螺纹脂，夹持螺纹靠近管体侧和接箍靠近工厂端侧，现场采用最佳控制扭矩上扣。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。