大膨脹率下實(shí)體膨脹管用高密封性螺紋接頭的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型設(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實(shí)體膨脹管用具有高密封能 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)冷加工塑性變形方式使鋼管的內(nèi)徑擴(kuò)大到所需的尺寸，冷變形是通過(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)γ浐竺芊庑阅芤蟾?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，急需一種滿(mǎn)足大膨脹率下高密封性能的膨脹管特殊螺紋接頭設(shè)計(jì)方法。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004] 本實(shí)用新型一種大膨脹率實(shí)體膨脹管用高密封能力的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)降低大 膨脹率下螺紋變形程度，通過(guò)大量計(jì)算試驗(yàn)后優(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1〇%-35%)的高密封性能，同時(shí)易于加工檢測(cè)。
[0005] 本實(shí)用新型的技術(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1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9W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] 所述膨脹后二級(jí)密封結(jié)構(gòu)包括：
[0014] 所述膨脹管母扣1的一級(jí)密封槽7W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)；
[0015] 所述膨脹管母扣1的二級(jí)密封槽8W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)；
[0016] 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。
[0017] 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;
[0018] 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;
[0019] 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。
[0020] 上述錐面密封段9上增加輔助密封弧面7A，所述膨脹管母扣1的一級(jí)密封槽7W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)。
[0021 ] 上述單鉤型母螺紋3和單鉤型公螺紋4的錐度為1:18~1:30。
[0022] 上述單鉤型母螺紋3和單鉤型公螺紋4的錐度為1:20。
[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1:12;
[0025] 所述膨脹管公扣2的錐面密封段9的錐面錐度為1:16。
[00%] 上述單鉤型公螺紋4包括外螺紋，外螺紋的牙頂13和外螺紋的牙底15均與螺紋的 母線(xiàn)平行，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(xiàn)的法線(xiàn)夾角為-3.5~-10°，外螺紋的導(dǎo)向面14與管柱軸線(xiàn)的法線(xiàn)夾角為10~45%所述單鉤型母螺紋與單鉤型公 螺紋相匹配。
[0027] 上述負(fù)角度扭矩臺(tái)肩的負(fù)角為15%所述柱面對(duì)柱面密封段的過(guò)盈量為0.07mm;所 述外螺紋的承載面12與管柱軸線(xiàn)的法線(xiàn)夾角為-9%外螺紋的導(dǎo)向面14與管柱軸線(xiàn)的法線(xiàn) 夾角為35°。
[0028] 本實(shí)用新型優(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。
[0029] 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】
[0030] 圖1(a)、圖1(b)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；
[0031 ]圖2是本實(shí)用新型螺紋接頭膨脹變形前結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032] 圖3是本實(shí)用新型膨脹變形后的螺紋接頭密封槽結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033] 圖4是本實(shí)用新型螺紋接頭公扣輔助密封弧面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034] 圖5是螺紋牙型結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035] 圖6是本實(shí)用新型螺紋接頭上扣后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036] 圖7是實(shí)施例一 28%膨脹率下0型橡膠圈沿槽壁的接觸壓力示意圖；
[0037] 圖8是實(shí)施例二20%膨脹率下0型橡膠圈沿槽壁的接觸壓力示意圖；
【具體實(shí)施方式】
[0038] 本實(shí)用新型的特殊螺紋接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖見(jiàn)圖1，螺紋接頭采用直連型螺紋結(jié) 構(gòu)，其中1為膨脹管母扣，2為膨脹管公扣，在膨脹管母扣1和公扣2上分別加工低錐度單鉤型 母螺紋3和公螺紋4,與單鉤型母螺紋3左邊相連的是端部柱面11和端部臺(tái)肩12,用于控制上 扣位置;與單鉤型母螺紋3右邊相連的是退刀槽5，用于加工螺紋時(shí)螺紋梳刀退刀，同時(shí)在螺 紋上扣后起儲(chǔ)存多余螺紋脂，降低螺紋脂壓力對(duì)接頭密封性能的負(fù)面影響;與退刀槽5相連 的是一對(duì)柱面對(duì)柱面密封段6，在柱面對(duì)柱面密封段6上設(shè)計(jì)有一級(jí)密封槽結(jié)構(gòu)7，在柱面對(duì) 柱面密封段6右邊與之相連的是二級(jí)密封槽結(jié)構(gòu)8,在二級(jí)密封槽結(jié)構(gòu)8右邊是一對(duì)錐面對(duì) 錐面密封段9,與錐面對(duì)錐面密封段9通過(guò)一個(gè)過(guò)渡倒角連接的是負(fù)角度扭矩臺(tái)肩10,用于 控制上扣位置同時(shí)具有輔助密封作用。
[0039] 在本實(shí)用新型中，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 組成膨脹前=級(jí)密封結(jié)構(gòu)，上扣后柱面對(duì)柱面密封段6及錐面對(duì)錐面密封段9具有較高的密 封性，當(dāng)螺紋接頭受到拉伸載荷和較高的內(nèi)壓時(shí)密封性能不受影響，可W滿(mǎn)足膨脹管施工 時(shí)管柱下放和初始?jí)毫?，并且由于合理的過(guò)盈量設(shè)計(jì)可W防止粘扣發(fā)生，負(fù)角度扭矩 臺(tái)肩10不但可W控制上扣扭矩，同時(shí)具有輔助=級(jí)密封作用，合理的負(fù)角度設(shè)計(jì)使負(fù)角度 扭矩臺(tái)肩10在一定拉伸載荷作用下仍可保持輔助密封效果。
[0040] 本實(shí)用新型所述錐面對(duì)錐面密封段9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。
[0041] 考慮到大的膨脹率下膨脹后螺紋結(jié)構(gòu)變形較大，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在膨脹后均發(fā)生較大變形發(fā)生密封失效，如圖2所示，本實(shí)用 新型特別設(shè)計(jì)了膨脹后二級(jí)密封結(jié)構(gòu)：一級(jí)密封槽結(jié)構(gòu)7和二級(jí)密封槽結(jié)構(gòu)8,通過(guò)專(zhuān)口設(shè) 計(jì)可W保證運(yùn)巧巾密封槽結(jié)構(gòu)在大膨脹率變形后依然可W保持結(jié)構(gòu)完整不發(fā)生大的改變， 如圖3所示。膨脹前，在內(nèi)填充彈性密封膠或者易焊接金屬如錫等，在二級(jí)密封槽結(jié)構(gòu)8內(nèi)安 裝抗暴O